Download PDF
ads:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MÊCANICA
ESTUDO DE COMPOSTOS DE CIMENTO PORTLAND
UTILIZANDO O ENSAIO DE FREQÜÊNCIA RESSONANTE
FORÇADA E TERMOGRAFIA
ROSEMARY DO BOM CONSELHO SALES
Belo Horizonte, dezembro 2008
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
ROSEMARY DO BOM CONSELHO SALES
ESTUDO DE COMPOSTOS DE CIMENTO PORTLAND
UTILIZANDO O ENSAIO DE FREQÜÊNCIA RESSONANTE
FORÇADA E TERMOGRAFIA
Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas
Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de
Doutor em Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Calor e Fluído.
Orientadora: Prof
a
.
Dr
a
. Maria Teresa Paulino Aguilar.
(Universidade Federal de Minas Gerais)
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2008
ads:
Universidade Federal de Minas Gerais
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha – Belo Horizonte – MG
Tel.: 5531 3499-5145 – Fax: 55 31 3443-3783
www.demec.ufmg.br – E-mail: cpgmec@demec.ufmg.br
ESTUDO DE COMPOSTOS DE CIMENTO PORTLAND
UTILIZANDO O ENSAIO DE FREQÜÊNCIA RESSONANTE
FORÇADA E TERMOGRAFIA
ROSEMARY DO BOM CONSELHO SALES
Tese defendida e aprovada em (dia), de (mês) de (ano de defesa), pela Banca Examinadora
designada pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção
do título de “Doutor em Engenharia Mecânica”, na área de concentração “Calor e
Fluído”.
____________________________________________________________
Prof
a
.
Dr
a
. Maria Teresa Paulino Aguilar - UFMG - Orientadora
_____________________________________________________________
Prof. Dr. Paulo Roberto Cetlin - UFMG - Examinador
_____________________________________________________________
Prof. Dr. Roberto Márcio de Andrade - UFMG - Examinador
_____________________________________________________________
Prof. Dr. Enio José Pazini Figueiredo - UFG - Examinador
_____________________________________________________________
Prof. Dr. Flávio Antônio dos Santos – CEFET-MG - Examinador
Aos meus filhos, Cristiane e Daniel, partes de mim,
de quem fui e serei, antes de tudo e para sempre, uma orgulhosa mãe!
AGRADECIMENTOS
Para que esta pesquisa chegasse a bom termo, foi necessária a contribuição de
diversas pessoas e instituições. A todas elas, fica expressa aqui a minha gratidão, em
particular:
À Prof
a
. Dr
a
. Maria Teresa Paulino Aguilar, pela orientação séria e competente,
pela disponibilidade irrestrita, forma exigente, crítica e criativa de argüir as idéias
apresentadas, conseguindo transmitir a segurança necessária para o desenvolvimento de
uma pesquisa estimulante e autônoma, o que, certamente, tornou este trabalho
extremamente prazeroso.
Às equipes do Laboratório de Análises Químicas, Laboratório de Laminação e
Laboratório de Materiais da UFMG, pelo suporte técnico no manuseio dos equipamentos e,
em especial, ao Silvio de Almeida, pela grande ajuda nos testes experimentais.
Ao Prof. Dr. Ricardo Fiorotti, do Centro Federal de Educação Tecnológica de
Minas Gerais, pelas facilidades criadas para a utilização dos laboratórios e dos
equipamentos necessários ao desenvolvimento dos ensaios desta pesquisa. Ao laboratorista
Mateus da Silva, pela preciosa ajuda na parte experimental. Ao apoio incondicional de toda
equipe dessa instituição.
À Supermix, pela doação de todo o cimento e agregados usados nesta pesquisa
e pelo apoio técnico do Eng. Waldemar Vaz de Resende.
À Flir Systems, pela disponibilização do equipamento de termografia, em
especial ao Sr. Gary Orlove, pela gentil acolhida em Boston e pelas valiosas orientações
recebidas. Ao Sr. Jorge Policena, pela grande ajuda nos procedimentos experimentais.
À Universidade do Estado de Minas Gerais, pelo apoio institucional. Aos
amigos e colegas de trabalho, em especial Solange e Glauco, que tanto me apoiaram e com
quem compartilhei, mais de perto, dúvidas, angústias e conhecimentos; espero poder
retribuir a amizade na mesma intensidade.
À Prof
a
. Magda Barbosa Roquette Taranto, pela valiosa e gentil revisão da tese.
Finalmente, gostaria de expressar a minha gratidão aos familiares mais
próximos, que, tenho certeza, rezaram e torceram pela realização deste trabalho. De modo
especial ao Fernando, meu companheiro de vida, que assumiu, com dedicação extrema,
muitas das minhas responsabilidades sociais e familiares, propiciando a minha dedicação
total a esta pesquisa.
“Se eu vi mais longe, foi por estar de pé sobre ombros de gigantes.”
(Isaac Newton)
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE GRÁFICOS
LISTA DE QUADROS E TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
RESUMO
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................23
2 OBJETIVOS ............................................................................................................28
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................29
3.1 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND..........................................................................29
3.1.1 Conceito.................................................................................................................29
3.1.2 Constituintes ..........................................................................................................31
3.1.2.1 Cimento ...............................................................................................................31
3.1.2.2 Agregados............................................................................................................32
3.1.2.3 Aditivos e adições................................................................................................34
3.1.3 Reação de hidratação..............................................................................................35
3.1.4 Deterioração...........................................................................................................37
3.1.4.1 Despassivação......................................................................................................39
3.1.4.2 Deterioração pela ação de altas temperaturas........................................................40
3.1.4.3 Deterioração por ataque ácido ..............................................................................42
3.1.4.4 Reações envolvendo a formação de produtos expansivos......................................43
3.2 ENSAIOS NÃO-DESTRUTIVOS APLICADOS AOS CONCRETOS.........................................45
3.2.1 Generalidades ........................................................................................................45
3.2.2 Ensaio de freqüência ressonante.............................................................................48
3.2.2.1 Conceito...............................................................................................................48
3.2.2.2 Método de determinação ......................................................................................50
3.2.2.3 Freqüência ressonante aplicada ao concreto..........................................................52
3.2.3 Termografia ...........................................................................................................55
3.2.3.1 Radiação Infravermelha .......................................................................................56
3.2.3.2 Descrição do método............................................................................................57
3.2.3.3 Termografia aplicada ao concreto.........................................................................64
3.3 MÓDULO DE ELASTICIDADE......................................................................................66
3.3.1 Abordagem física...................................................................................................67
3.3.2 Determinação do módulo de elasticidade................................................................68
3.3.3 Módulo de elasticidade do concreto .......................................................................74
3.3.3.1 Módulo estático....................................................................................................74
3.3.3.2 Módulo dinâmico .................................................................................................79
3.3.3.3 Módulo estático x módulo dinâmico.....................................................................83
4 MATERIAIS E MÉTODOS .....................................................................................85
4.1 MATERIAIS ..............................................................................................................86
4.2 MÉTODOS................................................................................................................88
4.2.1 Controle dos experimentos .....................................................................................91
4.2.2 Caracterização do material .....................................................................................96
4.2.1.1 Caracterização do aço e da liga de alumínio .........................................................96
4.2.1.2 Determinação da composição granulométrica.......................................................96
4.2.1.3 Determinação da massa específica........................................................................98
4.2.1.4 Determinação do índice de forma pelo método do paquímetro..............................99
4.2.1.5 Determinação de impurezas orgânicas na areia...................................................100
4.2.1.6 Ensaio de material pulverulento..........................................................................100
4.2.1.7 Ensaio de torrões de argila e materiais friáveis ...................................................101
4.2.1.8 Ensaio de abrasão Los Angeles ..........................................................................101
4.2.1.9 Ensaio de esmagamento .....................................................................................102
4.2.2 Confecção dos concretos......................................................................................104
4.2.2.1 Confecção dos corpos-de-prova..........................................................................104
4.2.2.2 Moldagem e cura dos corpos-de-prova ...............................................................105
4.2.3 Deterioração pela ação de altas temperaturas........................................................106
4.2.4 Deterioração por ataque químico..........................................................................107
4.2.5 Determinação da resistência à compressão ...........................................................108
4.2.6 Estimativa da resistência à compressão pelo método do esclerômetro...................110
4.2.7 Ensaio de freqüência ressonante...........................................................................111
4.2.8 Ensaio de termografia ..........................................................................................113
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES...........................................................................116
5.1 PLANEJAMENTO E CONTROLE DOS EXPERIMENTOS ..................................................116
5.2 CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS .............................................................119
5.2.1 Cimento ...............................................................................................................119
5.2.2 Água....................................................................................................................120
5.2.3 Agregado miúdo ..................................................................................................120
5.2.4 Agregados graúdos...............................................................................................122
5.3 TRABALHABILIDADE DO CONCRETO........................................................................129
5.4 MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO..........................................................................131
5.5 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO .................................................................................133
5.6 ESCLEROMETRIA....................................................................................................143
5.7 FREQÜÊNCIA RESSONANTE.....................................................................................147
5.8 MÓDULO DE ELASTICIDADE ESTIMADO ...................................................................159
5.9 IMAGENS TERMOGRÁFICAS.....................................................................................166
6 CONCLUSÕES......................................................................................................178
7 SUGESTÃO PARA FUTUROS TRABALHOS .....................................................180
8 ABSTRACT...........................................................................................................181
9 REFERÊNCIAS .....................................................................................................182
10 APÊNDICES..........................................................................................................192
APÊNDICE A ....................................................................................................................192
APÊNDICE B.....................................................................................................................195
APÊNDICE C.....................................................................................................................200
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1-Representação esquemática da proporção dos produtos de hidratação em
função do tempo....................................................................................................37
Figura 3.2 - Amplitude na ressonância.........................................................................49
Figura 3.3 - Espectro de freqüência. ............................................................................50
Figura 3.4 - Posição dos sensores e dos pontos de aplicação da excitação (a)
Transversal (b) Longitudinal (c) Torcional.............................................................51
Figura 3.5 – Método de Ressonância de Impacto – Vibração Transversal. ...................52
Figura 3.6 - Curva típica da amplitude de vibração pela freqüência..............................54
Figura 3.7 – Divisão do espectro eletromagnético........................................................57
Figura 3.8 - Imagens térmicas de uma barragem e de uma fachada de edifício.............58
Figura 3.9 - Esquema simplificado de um sistema de detecção de radiação..................59
Figura 3.10 – Termovisor P640 – Fabricada pela Flir Systems.....................................60
Figura 3.11 – Modelo geral de termografia . ................................................................61
Figura 3.12 - Representação das ligações individuais dos átomos dentro de um
cristal. ...................................................................................................................67
Figura 3.13 - Comportamento tensão-deformação da pasta de cimento, do agregado
e do concreto. ........................................................................................................75
Figura 3.14 - Representação esquemática dos módulos de elasticidade tangente:
Tangente (E
c,tg
), tangente inicial (E
c,0
) e secante (E
c,s
)...........................................76
Figura 3.15 - Valores experimentais do módulo de elasticidade e a tensão de ruptura
de diferentes concretos. .........................................................................................77
Figura 3.16 – Comparação entre os módulos de Young determinados com a
freqüência longitudinal e a transversal. Fonte: Adapatado de Malhotra e
Sivasundaram (1991).............................................................................................82
Figura 4.1 – Matérias-primas utilizadas na fabricação dos concretos............................86
Figura 4.2 - Volumetria da argila expandida. ...............................................................87
Figura 4.3 - Materiais adicionados aos concretos.........................................................88
Figura 4.4 - Representação esquemática das etapas do projeto.....................................90
Figura 4.5 - Esquema das etapas do programa de experimento.....................................92
Figura 4.6 - Número de corpos-de-prova avaliados em cada um dos ensaios................93
Figura 4.7 - Sistema vibratório de peneiras metálicas para agregados graúdos e
miúdos...................................................................................................................97
Figura 4.8 Massa específica pelo método do frasco de Chapman. ................................98
Figura 4.9 Massa específica e absorção de água pela balança hidrostática....................99
Figura 4.10 - Índice de forma do agregado.................................................................100
Figura 4.11 - Impurezas orgânicas da areia. ...............................................................100
Figura 4.12 - Abrasão Los Angeles dos agregados graúdos. .......................................102
Figura 4.13 - Determinação da amostra inicial (Mi)...................................................102
Figura 4.14 - Procedimento do ensaio de esmagamento. ............................................103
Figura 4.15 - Peneiramento e aferição da massa final (M
f
).........................................103
Figura 4.16 - Betoneira Menegotti - Medida de consistência do concreto...................104
Figura 4.17 – Concreto com adição de fibras curtas e 13% de ar incorporado ao
concreto...............................................................................................................105
Figura 4.18 - Inclusão de imperfeições e barras de aço. .............................................105
Figura 4.19 – Moldagem dos corpos-de-prova...........................................................106
Figura 4.20 – Cura dos corpos-de-prova. ...................................................................106
Figura 4.21 - Deterioração por altas temperaturas......................................................107
Figura 4.22 – Corpo-de-prova danificado após aquecimento a 354ºC.........................107
Figura 4.23 - Deterioração química de ácido clorídrico e acético. ..............................108
Figura 4.24 - Capeamento dos corpos-de-prova por enxofre. .....................................109
Figura 4.25 - Prensa Emic – CEFET/MG...................................................................109
Figura 4.26 – Esclerômetro Schmidt - Ensaio de esclerometria. ................................110
Figura 4.27 - Equipamento para determinar a freqüência ressonante - Erudite MKII
(Laboratório de Materiais - UFMG).....................................................................111
Figura 4.28 - Freqüência ressonante longitudinal estimada. .......................................112
Figura 4.29 - Termocâmera Flir - P640. ....................................................................113
Figura 4.30 – Imagem termográfica da freqüência ressonante longitudinal. ...............114
Figura 4.31 – Corpos-de-prova submetidos ao aquecimento em água quente e calor
de forno de mufla. ...............................................................................................115
Figura 4.32 – Corpos-de-prova submetidos à refrigeração e aquecedor elétrico. ........115
Figura 5.1– Resultado do ensaio de abrasão Los Angeles. ..........................................128
Figura 5.2 – Exemplo de relatório dos ensaios de compressão. ..................................133
Figura 5.3– Relatório da imagem termográfica. .........................................................167
Figura 5.4– Corpo-de-prova fabricado com areia natural, brita gnaisse 0, relação
água-cimento 0,5, no qual foi incorporado balão de ar e submetido a
freqüências de 15.000 Hz.....................................................................................168
Figura 5.5- Termograma de corpo-de-prova fabricado com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, no qual foi incorporado balão de ar e
aquecido em água quente por duas horas: (a) vista frontal, (b) vista posterior.......169
Figura 5.6– Corpo-de-prova rompido contendo balão de ar........................................170
Figura 5.7- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, nos quais foram incorporadas
imperfeições, e aquecidos em forno de mufla por duas horas...............................171
Figura 5.8– Corpo-de-prova rompido contendo bolas de vidro...................................172
Figura 5.9- Termograma de corpos-de-prova fabricados com areia natural, relação
água-cimento 0,5, nos quais foram incorporadas (a) argila expandida, (b) sem
brita (c) brita gnaisse 1 e resfriado em geladeiras no período de 14 a 16 horas. ....172
Figura 5.10- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, nos quais foram incorporados (a) fibras
longas (b) bola de vidro (c) balão de ar (d) fibras curtas, exposto a aquecimento
elétrico no período de 14 a 16 horas.....................................................................173
Figura 5.11- Termograma de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, no qual foi adicionado (a) incorporador de
ar (b) deteriorado a 354ºC, exposto à radiação solar no período de 14 a 16
horas....................................................................................................................174
Figura 5.12- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, nos quais foram incorporadas (a) fibras
longas (b) bola de vidro, expostos à radiação solar no período de 8 a 14:30
horas....................................................................................................................174
Figura 5.13– Corpo-de-prova rompido contendo fibras longas...................................175
Figura 5.14- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, (a) deteriorado 354ºC (b) deteriorado com
HCL (c) deteriorado com C
2
H
4
O
2
, exposto à radiação solar no período de 8 a
14:30 horas..........................................................................................................175
Figura 5.15- Termogramas de corpos-de-prova com resfriamento de 30 e 60
minutos (a) brita calcária 0 e submetidos a diferentes carregamentos, (b) brita
gnaisse 1 (c) sem brita (d) argila expandida (e) deteriorada 200ºC (f) deteriorada
com HCL (g) deteriorado com C
2
H
4
O
2
exposto a oito horas de radiação solar
resfriado na sombra. ............................................................................................176
Figura 5.16- Termogramas de um muro feita ás oito horas da manhã.........................177
Figura 9.1 - Modelo mola-amortecedor de vários materiais viscoelásticos. ................192
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 5-1 - Curva granulométrica da areia..............................................................121
Gráfico 5-2 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita gnaisse
0 e dos limites da zona granulométrica d/D = 4,75/12,5. ......................................123
Gráfico 5-3 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita gnaisse
1 e dos limites da zona granulométrica d/D = 9,5/25............................................124
Gráfico 5-4 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita calcária
0 e dos limites da zona granulométrica d/D = 4,75/12,5. ......................................125
Gráfico 5-5 - Curvas representativas da composição granulométrica da argila
expandida e dos limites das zonas granulométricas d/D = 9,5/25 e d/D =
19/31,5. ...............................................................................................................126
Gráfico 5-6 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,4..........................................................................................................134
Gráfico 5-7 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,5..........................................................................................................134
Gráfico 5-8 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,7..........................................................................................................135
Gráfico 5-9 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,9..........................................................................................................135
Gráfico 5-10 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados sem brita e relação água-cimento 0,5......................136
Gráfico 5-11 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 1 e relação água-
cimento 0,5..........................................................................................................136
Gráfico 5-12 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, brita calcária 0 e relação água-
cimento 0,5..........................................................................................................137
Gráfico 5-13 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-
prova de concreto fabricados com areia natural, argila expandida e relação
água-cimento 0,5. ................................................................................................137
Gráfico 5-14 – Resistência à compressão dos concretos fabricados com relação
água-cimento 0,4 - 0,5 - 0,7 e 0,9.........................................................................139
Gráfico 5-15 – Resistência à compressão dos concretos fabricados com agregados
de diferentes granulometrias................................................................................140
Gráfico 5-16– Resistência à compressão dos concretos fabricados com agregados
graúdos de diferentes naturezas............................................................................140
Gráfico 5-17 - Resistência à compressão após 28 dias de cura dos concretos
confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5
submetidos à deterioração química e ao calor. .....................................................142
Gráfico 5-18 - Resistência à compressão após 28 dias de cura dos concretos
confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5
aos quais foram incorporados diferentes materiais. ..............................................143
Gráfico 5-19 – Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de
cura, dos concretos fabricados relação água-cimento 0,4; 0,5; 0,7 e 0,9. ..............145
Gráfico 5-20 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de
cura, dos concretos fabricados sem brita, brita gnaisse 0 e 1, brita calcária 0 e
argila expandida. .................................................................................................145
Gráfico 5-21 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de
cura, dos concretos fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-
cimento 0,5 submetidos á deterioração química e ao calor. ..................................146
Gráfico 5-22 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de
cura, dos concretos fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-
cimento 0,5 aos quais foram incorporados diferentes materiais. ...........................146
Gráfico 5-23 – Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência
ressonante de barras circulares de aço 1020. ........................................................148
Gráfico 5-24 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante
de barras prismáticas de aço 1020........................................................................148
Gráfico 5-25 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante
de barras circulares de liga de alumínio 6061.......................................................149
Gráfico 5-26 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante
de barras prismáticas liga de alumínio 6061.........................................................149
Gráfico 5-27 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com
relação água-cimento 0,4 ; 0,5; 0,7 e 0,9..............................................................151
Gráfico 5-28 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com relação
água-cimento 0,4; 0,5; 0,7 e 0,9...........................................................................152
Gráfico 5-29 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com relação água-
cimento 0,4; 0,5; 0,7 e 0,9....................................................................................152
Gráfico 5-30 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com
agregados de diferentes granulometrias................................................................153
Gráfico 5-31 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com
agregados de diferentes granulometrias................................................................154
Gráfico 5-32 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com agregados de
diferentes granulometrias.....................................................................................154
Gráfico 5-33 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com
agregados de diferentes naturezas. .......................................................................155
Gráfico 5-34 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com
agregados de diferentes naturezas. .......................................................................156
Gráfico 5-35 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com agregados de
diferentes naturezas. ............................................................................................156
Gráfico 5-36 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de
elasticidade após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia
natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos ao calor .............158
Gráfico 5-37 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de
elasticidade após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia
natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração
química. ..............................................................................................................158
Gráfico 5-38 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de
elasticidade após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia
natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5 aos quais foram
incorporados diferentes materiais.........................................................................159
Gráfico 5-39 - Módulo de elasticidade estimado pela ACI Building code 318
(1992) e pela freqüência após 28 dias de cura e fabricados com relação água-
cimento 0,4 ; 0,5; 0,7 e 0,9...................................................................................161
Gráfico 5-40 - Módulo de elasticidade estimado pela ACI Building Code 318
(1992) e pela freqüência após 28 dias de cura e fabricados com sem brita, brita
gnaisse 0 e 1, brita calcária 0 e argila expandida. .................................................162
Gráfico 5-41 - Módulo de elasticidade estimado pela ACI Building code 318 (1992)
e pela freqüência após 28 dias de cura e fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração química e ao
calor. ...................................................................................................................162
Gráfico 5-42 - Módulo de elasticidade estimado pela ACI Building code 318 (1992)
e pela freqüência após 28 dias de cura e fabricados com areia natural, brita
gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 aos quais foram incorporados diferentes
materiais..............................................................................................................162
Gráfico 5-43 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos fabricados com relação água-cimento 0,4 ;
0,5; 0,7e 0,9.........................................................................................................163
Gráfico 5-44 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos fabricados com agregados de diferentes
granulometrias.....................................................................................................164
Gráfico 5-45 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos fabricados com agregados de diferentes
naturezas. ............................................................................................................164
Gráfico 5-46 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia natural, brita
gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos ao calor ..................................165
Gráfico 5-47 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia natural, brita
gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração química.............165
Gráfico 5-48 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de
dispersão, módulo de elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado
após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia natural, brita
gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5 aos quais foram incorporados diferentes
materiais..............................................................................................................166
LISTA DE QUADROS E TABELAS
Quadro 5-1 – Cronograma parcial obtido com o software de gerenciamento de
projetos MS – Project ..........................................................................................117
Quadro 5-2 – Agenda diária de atividades de um dos meses de experimentos obtida
com o software de gerenciamento de projetos MS – Project.................................118
Tabela 3-1 Composição química do cimento Portland.................................................32
Tabela 3-2 - Valores do fator de correção T para coeficiente de Poisson de 0,17..........72
Tabela 4-1- Quantidades dos materiais utilizados para fabricação dos concretos..........94
Tabela 4-2- Dimensões dos corpos-de-prova de aço e alumínio utilizados para
aferição do ensaio de freqüência ressonante...........................................................96
Tabela 5-1- Propriedades físicas e químicas do cimento ............................................119
Tabela 5-2 - Propriedades físicas e químicas da água.................................................120
Tabela 5-3- Distribuição granulométrica da areia.......................................................121
Tabela 5-4- Características físicas da areia natural lavada..........................................122
Tabela 5-5- Composição granulométrica da brita gnaisse 0........................................123
Tabela 5-6- Composição granulométrica da brita gnaisse 1........................................124
Tabela 5-7- Composição granulométrica da brita calcária..........................................125
Tabela 5-8- Composição granulométrica da argila expandida ....................................126
Tabela 5-9- Características físicas dos agregados graúdos..........................................127
Tabela 5-10– Controle do experimento de resistência ao esmagamento .....................128
Tabela 5-11– Índice de forma dos grãos dos agregados graúdos ................................129
Tabela 5-12- Trabalhabilidade dos concretos - slump test ..........................................130
Tabela 5-13– Massa específica dos concretos. ...........................................................132
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
l Comprimento da amostra
ε
Deformação
ρ
Densidade em kg/m³.
δ
Tensão aplicada
A Área da seção transversal da amostra
a e b Dimensões da seção transversal com a < b
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ACI American Concrete Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
b Dimensões da seção transversal
c Coeficiente que depende das condições de contorno e modo de vibração
C
2
H
4
O
2
Ácido acético
CCD Charged coupled device
CES Cambridge Engineering Selector
C
m
, D
m
, B
m
Área da seção
COPASA Companhia de Saneamento de Minas Gerais
CV Cavalo
d Diâmetro do cilindro
dF Força de atração introduzida entre os átomos
dr Distância em relação à posição de equilíbrio
dB Decibéis
E Módulo de Young ou constante de proporcionalidade
E
1
e E
2
Módulos de elasticidade da fase 1 e 2
E
a
Módulos de elasticidade do agregado
E
c
Módulo de elasticidade do composto
E
c
,
0
Módulo de elasticidade tangente inicial
E
c,s
Módulo de elasticidade secante
E
c,tg
Módulo de elasticidade tangente
E
d
Módulo de elasticidade dinâmico
E
d,l
Módulo dinâmico de elasticidade longitudinal
E
d,t
Módulo de elasticidade dinâmico transversal
E
d,to
Módulo de elasticidade torcional
E
p
Módulos de elasticidade da pasta
F Força
FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
fc Resistência mecânica a compressão
f
ck
Resistência característica do concreto
F
h
e F
l
Freqüências que correspondem a determinado valor de amplitude (0,707)
F
r
Freqüência ressonante medida
FRF Freqüência ressonante
HCl Ácido clorídrico
I Momento de inércia da seção
i Raio de giração
j Representa o número imaginário
k, x e y Constantes determinadas empiricamente
L Comprimento do corpo-de-prova
l Comprimento do corpo-de-prova em mm
m Massa da amostra
M Massa do corpo-de-prova
M
f
Massa final
M
i
Massa inicial
n Freqüência ressonante longitudinal
N Ligações por unidade de área
n
l
Freqüência fundamental longitudinal
NMAB The National Materials Advisory Board
n
to
Freqüência fundamental torcional
Q Constante de amortecimento da amostra
R Fator de forma
r
o
Distância de equilíbrio entre os átomos
Rpm Rotações por minuto
S
o
Constante elástica da ligação
t Dimensões da seção transversal na direção da vibração
T=T’ Fator de correção
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais
v Coeficiente de Poisson
V Velocidade de propagação do som
V
1
e V
2
Fração volumétrica da fase 1 e 2.
V
a
Fração volumétrica do agregado
V
m
Amplitude após o amortecimento da vibração
V
max
Amplitude máxima de vibração
V
p
Decremento logarítmico
z Coeficiente que varia de acordo com a aderência
β Ângulo de fase
η
Constante de amortecimento do material
ω
Freqüência em radianos por segundo
σ
Desvio-Padrão
RESUMO
O desempenho dos materiais fabricados à base de cimento Portland é usualmente
avaliado pela tensão de ruptura sob cargas de compressão, módulo de elasticidade e
porosidade. O módulo de elasticidade ou de Young é usualmente determinado a partir de
ensaios de compressão, cujos resultados apresentam grandes dispersões. Ensaios não-
destrutivos de esclerometria e ultra-som têm sido utilizados para estimar a resistência à
compressão, módulo de elasticidade, e para monitorar e diagnosticar possíveis
anomalias em amostras ou em estruturas de concreto. Com os avanços da tecnologia de
aquisição de dados e processamento de sinais, os ensaios de termografia e freqüência
ressonante forçada vêm sendo cada vez mais utilizados no estudo de materiais. Contudo,
esses estudos estão voltados quase que unicamente para metais. Este trabalho avalia a
utilização do método de ressonância forçada longitudinal como instrumento para
determinação do módulo de elasticidade, caracterização dos constituintes e avaliação da
integridade de compostos de cimento Portland. Também é avaliada a potencialidade da
técnica de termografia para a caracterização de concretos. Para tanto, foram realizados
ensaios de freqüência ressonante e termografia em corpos-de-prova cilíndricos de
concreto endurecido de diferentes idades, confeccionados com relações água-cimento
variando de 0,4 a 0,9 e agregados de naturezas e granulometrias distintas. Em algumas
amostras foram introduzidas imperfeições e outras foram submetidas à ação de altas
temperaturas e ácidos. Também foram realizados ensaios de resistência à compressão e
esclerometria. Os resultados mostram que a freqüência natural, o módulo de elasticidade
e a termografia são sensíveis à presença de falhas e aos constituintes do concreto, o que
faz dessas técnicas ferramentas poderosas para o controle da estabilidade do concreto ao
longo de sua vida útil. Os resultados também indicam que a ressonância forçada
longitudinal é um método com o qual se tem determinação bastante precisa do módulo
de elasticidade do concreto.
Palavras-chave: Concreto. Módulo de elasticidade. Freqüência natural. Ensaio de
freqüência ressonante. Termografia.
1 INTRODUÇÃO
Entre os materiais cimentícios, destacam-se como materiais de engenharia aqueles
compostos cujo aglomerante principal é o cimento Portland, em especial o concreto. O
concreto de cimento Portland é, em quantidade, o material mais utilizado no mundo
depois da água (METHA; MONTEIRO, 2008). No entanto, comparativamente a outros
materiais utilizados em Engenharia, é relativamente pouco o que se tem estudado sobre
o concreto. Na literatura técnico-científica atual, muito se pesquisa sobre a influência de
adições minerais na resistência mecânica à compressão, na penetração de agentes
nocivos e na durabilidade de estruturas de concreto armado. Muitos desses trabalhos
indicam que a maioria das dificuldades para o estudo do concreto está relacionada aos
métodos utilizados para determinação de seu desempenho e estrutura no momento de
fabricação e ao longo de sua vida útil (ALMEIDA, 2005; BEZERRA, 2007;
BEZERRA; AGUILAR; CETLIN, 2008; BUCHER; RODRIGUES FILHO, 1983;
CARINO; GUTHRIE; LAGERGREN, 1994; EVANGELISTA, 2002; FORSTIE;
SCHNORMEIER, 1981; LIMA; BARBOSA, 2002; MACHADO, 2005).
A análise de desempenho dos materiais fabricados à base de cimento Portland, no
estado endurecido, se dá, basicamente, em duas situações. Na primeira, são avaliadas
amostras após um tempo de fabricação (usualmente 3, 7, 14 ou 28 dias) com o objetivo
de verificar as características do material frente às especificações de produção A
segunda situação diz respeito ao controle dos componentes in loco após intempéries ou
após um tempo de uso, para verificação da estabilidade e do grau de deterioração do
elemento.
O desempenho do concreto para uso em estruturas, seus componentes e outos elementos
é usualmente avaliado pela tensão de ruptura sob cargas de compressão, pelo seu
módulo de elasticidade e pela sua porosidade. Usualmente, a porosidade é estimada
pelo ensaio gravimétrico de absorção de água. Estudos recentes indicam que essa
proporção pode ser avaliada por meio de métodos gravimétricos antes e após secagem
por microondas ou pela constante dielétrica da mistura (BEEK, 2000; CANESSO et al.,
2006). No Brasil não é usual esse tipo de avaliação experimental. No caso do controle
utilizando o ensaio de resistência à compressão, os corpos-de-prova são rompidos e, na
24
prática, muitos dos resultados obtidos não refletem apenas as propriedades intrínsecas
do concreto. Esses resultados são afetados pelas características do equipamento e pelo
modo de preparação dos corpos-de-prova, o que leva a grande dispersão de resultados
(BEZERRA, 2007; BEZERRA; AGUILAR; CETLIN, 2008; BUCHER; RODRIGUES
FILHO, 1983; CARINO; GUTHRIE; LAGERGREN, 1994; FORSTIE;
SCHNORMEIER, 1981; LIMA; BARBOSA, 2002; MARCO; REGINATTO;
JACOSKI, 2003; MARTINS, 2004; PATNAIK; PATNAIKUNI, 2002; PIRES, 2006;
SACANDIUZZI; ANDRIOLO, 1986). O módulo de Young, na maioria das vezes, é
calculado a partir de equações empíricas ou da curva tensão-deformação obtida em um
ensaio de compressão que exige aparatos e cuidados especiais devido à pequena
deformação do concreto. Em ambos os casos as dispersões associadas aos ensaios de
compressão comprometem os resultados.
O controle da estabilidade e do grau de deterioração do elemento durante sua vida útil é
usualmente feito com o extração de testemunhos (operação delicada que não deve
interferir na estrutura como um todo). Esses elementos são submetidos a ensaios de
compressão e permeabilidade. A medida de dureza superficial utilizando esclerômetro
de reflexão e a medida da resistência à penetração obtida com dispositivo ativado por
pólvora também são ferramentas muito utilizadas para o estudo do concreto in loco. No
entanto, os resultados obtidos com esses métodos, com ou sem destruição do elemento
estudado, se limitam a prever a resistência do concreto, a partir de equações empíricas
que podem levar a resultados imprecisos/incorretos (EVANGELISTA; 2002;
MACHADO, 2005).
Há algum tempo os ensaios não-destrutivos que utilizam passagem de corrente elétrica e
ondas mecânicas de diferentes freqüências têm se mostrado importantes ferramentas
para a obtenção de informações quanto às propriedades do concreto em laboratório ou
in situ. Muitos desses métodos permitem avaliar de modo indireto a resistência
mecânica dos concretos. Esses ensaios também permitem monitorar ou diagnosticar
possíveis anomalias consideradas inacessíveis por métodos convencionais, seja em
amostras, em estruturas prontas ou em construção.
A medida da resistividade elétrica tem sido um caminho para a avaliação do
desempenho do concreto (FERREIRA, 2000; WHITING; NAGI, 2003). Existem no
25
mercado equipamentos para o controle do concreto por resistividade elétrica, mas a
obtenção dos dados de forma precisa não é trivial. Uma opção mais comum para o
controle da estabilidade do concreto são os ensaios por ultra-som, que apresentam largas
possibilidades de aplicação no estudo do concreto. Os ensaios disponíveis para os
materiais em geral se baseiam na medida do tempo necessário para que a onda ultra-
sônica atravesse o material. Conhecendo-se o tempo de propagação das ondas ultra-
sônicas, pode-se calcular a velocidade das mesmas e detectar falhas internas. Também,
a resistência do concreto e o módulo de Young têm sido avaliados indiretamente a partir
de equações que consideram a velocidade de propagação do ultra-som (BELO;
PENNER, 2002; DELGADO, 2007; HAN; KIM, 2004; NDAMBI; VANTOMME;
HARRI, 2002; PUNURAI et al., 2007; SAINT-PIERRE; RIVARD; BALLIVY, 2007).
Ensaios não-destrutivos que determinam a freqüência natural ou fundamental de
vibração do material utilizando impacto ou vibrações sucessivas (ressonância forçada)
são comuns para metais, mas não são usuais para o estudo de outros materiais.
Alterando-se as condições de ensaio, pode-se mensurar as freqüências ressonantes para
a modalidade longitudinal, a modalidade transversal e a modalidade de torção.
Pesquisas de 1938 indicam que esses ensaios poderiam ser utilizados para a
determinação das propriedades elásticas de concretos (módulo de elasticidade e
coeficiente de Poisson) ou para verificação de falhas localizadas ou distribuídas
(MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991).
Com essas informações, o dano poderia ser detectado, localizado e quantificado sem
interferência direta no elemento estrutural. Além disso, acredita-se que a evolução e a
uniformidade de certas propriedades fundamentais do material, como o
desenvolvimento da resistência e do módulo de elasticidade, poderiam ser
acompanhadas no próprio elemento, ao longo do período de estudo. Esses ensaios
também poderiam registrar sinais do processo de deterioração durante toda a história de
carregamento do material. A despeito da norma britânica BS 1881 (BS, 1986a) e dos
relatos de Malhotra e Sivasundaram sobre as várias pesquisas sobre o uso da freqüência
ressonante para estudo do concreto, poucos são os trabalhos posteriores a 1991 sobre o
assunto. Destaca-se a norma ASTM C 215 (2002), que normatiza os dois tipos de
ensaios de freqüência ressonante e ressalta que não existem dados sobre a precisão do
método de ressonância forçada longitudinal. Cabe destacar que o uso desses ensaios não
26
é disseminado. Isto poderia estar relacionado ao fato de que só recentemente foram
desenvolvidos modernos sistemas de aquisição de dados e processamento de sinais que
possibilitam precisão nas medições.
No Brasil, a utilização de ensaios de freqüência ressonante vem sendo feita de forma
incipiente para argamassas e madeira (AGUILAR et al., 2003; BALLARIN;
NOGUEIRA, 2005; MONTE et al., 2007; OLIVEIRA et al., 2003; SILVA;
CAMPITELI, 2000; SILVA et al., 2008; TARGA; BALLARIN; BIAGGIONI, 2007).
Para o concreto, além dos trabalhos preliminares do grupo de pesquisa da Universidade
Federal de Minas Gerais - UFMG (AGUILAR et al., 2006; BEZERRA, 2007), destaca-
se apenas o estudo da fissuração gradativa do concreto utilizando freqüência ressonante
determinada pelo método de impacto, realizado sobre a orientação do professor Hanai
(ALMEIDA, 2005). Nesse método, o ensaio comumente é repetido várias vezes, pois a
freqüência associada a dado impacto pode não promover o aumento de amplitude
adequado. Por outro lado, não existem muitas informações sobre o método utilizando
ressonância forçada.
Uma outra técnica de ensaio não-destrutivo que vem sendo cada vez mais utilizada é a
termografia. Sua aplicação para estudo de metais é amplamente difundida. Desde 1965 é
utilizada para inspeções em linhas de energia elétrica pela extinta Agema Infrared
Systems. As imagens obtidas por termografia têm sido utilizadas basicamente em
manutenção preditiva e preventiva e em situações que envolvem a passagem de corrente
elétrica ou desgaste mecânico que em geral geram calor. Também tem sido utilizada
para o estudo de obras de arte. Na área de construção civil tem sido empregada para
estudo de fachadas, detecção de infiltrações e análise de isolamento térmico das
edificações. Contudo, ainda é um método emergente no campo dos ensaios não-
destrutivos e se apresenta como uma promissora técnica para medida do campo de
temperatura da superfície de todos os tipos de materiais a partir da radiação
infravermelha emitida por eles. Por seu caráter não-invasivo, ela se apresenta como uma
interessante alternativa para o diagnóstico de defeitos, identificação de anomalias e
falhas em materiais. Isto poderia ser de grande valia para o controle de qualidade de
elementos estruturais no campo da construção.
27
Na literatura poucos são os dados e trabalhos relacionados ao uso da termografia para o
concreto e eles se limitam a utilizar a termografia para a inspeção de trincas e
localização de infiltrações de água em estruturas prontas de concreto (CLARK;
MCCAN; FORDE, 2003; MEOLA et al., 2005; TAVARES, 2006; WEIL, 1991).
Wiggenhauser (2002) apresenta um estudo sobre o uso da termografia em tijolos
cerâmicos. Não foram encontrados relatos sobre a potencialidade da técnica para a
caracterização do concreto.
Nesse contexto, este trabalho se propõe a estudar a utilização da freqüência natural de
vibração, do coeficiente de amortecimento e do módulo de elasticidade determinados
pelo método de ressonância forçada longitudinal como ferramentas para o controle do
desempenho, caracterização e avaliação da integridade de concretos de cimento
Portland. Pretende-se, ainda, avaliar a possibilidade de utilização da termografia para as
situações analisadas pela freqüência ressonante. Com o estudo aqui proposto, pretende-
se introduzir na avaliação dos materiais cimentícios duas ferramentas que possibilitem o
acompanhamento da evolução da estrutura do concreto ao longo de sua vida útil. Além
disso, a aferição do ensaio de freqüência ressonante longitudinal para determinação do
módulo de elasticidade pelo método da freqüência natural poderia ser uma solução para
alguns problemas atuais referentes ao controle tecnológico do concreto. Também
poderia permitir melhor estimativa da resistência do composto cimentício, uma vez que
as duas propriedades poderiam ser determinadas no mesmo corpo-de-prova, sem as
usuais influências de moldagem que são inerentes quando se trabalha com diferentes
corpos-de-prova.
A originalidade do trabalho se deve primeiramente ao estudo inédito referente à
avaliação da potencialidade da termografia para o estudo de materiais cimentícios, em
especial à utilização da técnica para estudo dos constituintes do concreto. Em segundo
lugar, o presente trabalho de destaca pela sua volta às origens no tocante à retomada aos
estudos de freqüência ressonante relatados por Malhotra e Sivasundaram (1991). Essas
pesquisas foram feitas se forma fragmentada e por diferentes pesquisadores. No trabalho
aqui proposto analisa-se o ensaio de ressonância forçada no modo longitudinal a partir
de experimentos sistemáticos abrangendo diferentes variáveis e utilizando um sistema
moderno de aquisição de dados e processamento de sinais.
28
2 OBJETIVOS
O objetivo geral é o estudo do desempenho, caracterização e avaliação da integridade de
concretos, utilizando como parâmetros: termogramas, a freqüência natural de vibração,
o coeficiente de amortecimento e módulo de elasticidade dinâmico determinados pelo
método de freqüência ressonante. Para se atingir este objetivo geral, alguns objetivos
específicos foram considerados:
• determinação das variáveis que afetam o ensaio de freqüência ressonante
utilizando materiais de referência;
• determinação da influência da natureza/proporção dos constituintes do concreto
na freqüência natural de vibração, no coeficiente de amortecimento e no módulo
de elasticidade;
• estudo da influência de defeitos no interior de corpos-de-prova na freqüência
natural de vibração, no coeficiente de amortecimento e no módulo de
elasticidade;
• estudo da influência da deterioração do concreto pela ação de altas temperaturas
e ambientes agressivos na freqüência natural de vibração, no coeficiente de
amortecimento e no módulo de elasticidade;
• estudo da influência das reações de hidratação do composto na freqüência
natural de vibração, no coeficiente de amortecimento e no módulo de
elasticidade;
• obtenção de imagens termográficas dos materiais cimentícios de diferentes
naturezas submetidos à excitação térmica provocada por diferentes fontes.
29
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste item são abordados os temas mais relevantes do levantamento bibliográfico
realizado. Primeiramente, apresentam-se os conceitos referentes ao concreto e à
deterioração; em seguida, aos ensaios não-destrutivos como elemento de análise do
concreto estrutural, dando ênfase aos ensaios de freqüência ressonante e de termografia.
Por último, são feitas considerações sobre o módulo de elasticidade, em especial sobre
sua determinação no caso de concretos.
3.1 Concreto de Cimento Portland
Nos tópicos a seguir são apresentadas as considerações referentes ao concreto, no
tocante aos seus constituintes, às reações de hidratação que promovem seu
endurecimento e aos processos que causam sua deterioração.
3.1.1 Conceito
Os materiais cimentícios são compostos constituídos essencialmente de um meio
contínuo aglomerante, dentro do qual estão mergulhados partículas ou fragmentos de
pedras chamados de agregados. Nos materiais de cimento hidráulico, o meio
aglomerante é formado a partir de uma mistura de água e cimento hidráulico. Esses
aglomerantes são pequenas partículas que, a partir de reação química com a água
(reação de hidratação), produzem um volume sólido com baixa solubilidade em água.
Durante essa reação, são incorporados vazios à mistura, que podem, dependendo do
tamanho, influenciar às propriedades do concreto. Outros materiais também são
adicionados em pequenas quantidades à mistura, quando se desejam características
específicas.
O aglomerante hidráulico comumente utilizado é o cimento Portland, que é o produto
obtido pela pulverização do clínquer, material constituído essencialmente de silicatos de
cálcio, com uma proporção de sulfato de cálcio natural, contendo, eventualmente,
30
adições de certas substâncias que modificam suas propriedades e facilitam sua
utilização (MEHTA; MONTEIRO, 2008). No entanto, no Brasil, o cimento Portland
mais utilizado (CP III) é obtido pela substituição de aproximadamente 70% de clínquer
por escória de alto-forno.
O concreto não é tão resistente, nem tão tenaz como o aço, mas sua resistência à ação da
água, a facilidade com que pode ser moldado em uma variedade de formas complexas,
associado ao seu preço, faz dele um material largamente empregado na Engenharia.
Atualmente, suas aplicações extrapolam os limites da construção civil. Mancais
aerodinâmicos fabricados de concreto são exemplos dessas novas aplicações
(PANZERA et al., 2006). No entanto, sua maior utilização é para fins estruturais.
A definição de concreto estrutural é muitas vezes confundida com o conceito de outros
tipos de concreto como os de alta resistência, de alto desempenho ou concreto
inteligente. Uma definição baseada na literatura internacional pode esclarecer de forma
mais abrangente a real definição de concreto estrutural. São considerados concretos de
alta resistência aqueles que possuem resistências superiores às normalmente utilizadas
(40 MPa). Os concretos de alto desempenho são aqueles que associam uma dada
performance às propriedades para as quais foram projetados, durante determinado
tempo de vida. Comumente possuem uma relação água-cimento ou água/aglomerantes
no máximo de 0,4. Já o concreto inteligente é considerado durável e não gera resíduos e,
se isso acontecer, ele pode ser absorvido pela sua cadeia produtiva ou de alguma outra
fonte (METHA; MONTEIRO, 2008).
Entretanto, a norma brasileira que trata das estruturas de concreto NBR-6118 (ABNT,
2004), apesar de muito abrangente, considera o conceito de concreto de forma ampla e
envolve apenas sua aplicação como material estrutural. Classifica o concreto em
simples, concreto armado (armadura passiva, na qual a armadura não é usada para
produzir forças de protensão) e concreto protendido (armadura ativa, aquela que se
aplica um pré-alongamento inicial). A massa específica seca do concreto estrutural deve
ser superior a 2.000 kg/m
3
, não excedendo 2.800 kg/m
3
. O valor mínimo da resistência à
compressão, referida a 28 dias, deve ser superior a 40 MPa para concreto de alta
resistência, de 20 a 40 MPa para concretos de moderada resistência e inferior a 20 MPa
para concretos de baixa resistência, sem função estrutural. Além disso, a estrutura deve
31
resistir a ações de agentes externos que podem ocorrer em qualquer momento da
execução do projeto e deverá comportar-se adequadamente sob as condições previstas
de uso, durante sua vida útil.
3.1.2 Constituintes
O concreto de cimento Portland é obtido a partir da mistura de cimento, água,
agregados e adições, segundo uma proporção que associa as propriedades desejadas no
concreto endurecido às propriedades do concreto no estado fresco (não endurecido). O
conjunto de atividades para determinação dessa proporção é chamado de dosagem. A
proporção entre a quantidade de água e cimento utilizados na mistura é considerada a
relação água-cimento do concreto. Segundo Abrams (1918) e Powers(1958), esse índice
determina para cada tipo de finura de cimento a resistência mecânica do concreto, assim
como sua porosidade. Além dos elementos citados, o concreto contém 1 a 2% de ar, que
fica preso durante a mistura. Em alguns casos especiais, é possível incorporar no
concreto até 8% de ar, em forma de microbolhas. A seguir são apresentadas algumas
considerações sobre cimento, agregado, aditivos e adições, que são os constituintes do
concreto que, devido à sua natureza, apresentam maior variabilidade. Cabe lembrar que
a água a ser utilizada deve ser adequada no tocante a pH, teor de sulfatos, cloretos e
matéria orgânica NBR 6118 (ABNT, 2004).
3.1.2.1 Cimento
O cimento tipo Portland é um aglomerante hidráulico, ou seja, que endurece a partir de
reações com a água e forma um produto que é resistente à água. É obtido de uma
mistura devidamente proporcionada de calcário (carbonato de cálcio), argila (sílica,
alumina, óxidos de ferro) e, eventualmente, outras substâncias ricas em sílica, alumina
ou ferro, reduzidas a pó muito fino, que é submetida a temperaturas da ordem de
1450
o
C. Sob essa temperatura as matérias-primas reagem entre si, originando novos
compostos. Esse material possui, comumente, 42 a 60% de silicato tricálcico
(3CaO.SiO
2
, comumente representado por C
3
S) denominado alita; 14 a 35% de silicato
bicálcico (2CaO.SiO
2
, ou C
2
S), chamado de belita; 6 a 13% de aluminato tricálcico
32
(3CaO.Al
2
O
3
ou C
3
A) e 5 a 10% de aluminoferrato tetracálcico (4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
ou
C
4
AF), a brownmilerita.
Essa mistura, após a adição de gesso, é submetida à moagem, cujo produto é o cimento
Portland. A adição de gesso visa a retardar o tempo de início da reação de
endurecimento da mistura. Ao cimento Portland ainda é permitida a adição de outros
materiais tais como: escória de alto-forno, pozolana e material carbonático, nos teores
indicados nas normas específicas NBR-12655 (ABNT, 2005a). Entretanto, sua
composição básica é calcário e argila, conforme mostrado na Tabela (3.1), com as
abreviações comumente utilizadas para seus componentes.
Tabela 3-1 Composição química do cimento Portland
Clínquer Fórmula Sigla Porcentagem
Silicato tricálcico 3CaO.SiO
2
C
3
S 42-60
Silicato bicálcico 2CaO.SiO
2
C
2
S 14-35
Aluminato tricálcico 3CaO.Al
2
O
3
C
3
A 6-13
Ferro aluminato 4CaO.Al
2
O
3
. Fe
2
O
3
C
4
AF 5-10
Gesso Fórmula Sigla Porcentagem
Sulfato de Cálcio bihidratado CaSO
4
2H
2
O CŠ H
2
1-4
Alterando-se seus constituintes, é possível produzir cimentos com características
diferentes, como os de alta resistência inicial, de baixo calor de hidratação, alta
resistência a sulfatos, etc. Cimentos com altos teores de C
3
S e C
3
A terão alta resistência
inicial. Um alto teor de C
2
S irá promover baixa resistência inicial, alta resistência em
longo prazo e, ainda, baixa liberação de calor nas primeiras idades (MEHTA;
MONTEIRO, 2008). A finura do cimento afeta diretamente as propriedades mecânicas
do concreto com ele confeccionado. Cimentos mais finos são mais reativos e tendem a
atingir as resistências desejadas em menos tempo.
3.1.2.2 Agregados
Os agregados podem ser definidos como materiais particulados de origem mineral,
constituídos de partículas que cobrem uma extensa faixa de tamanhos. Até início dos
anos 40 os agregados de concreto eram considerados material inerte, porque se
acreditava que eles não interferiam nas propriedades do concreto. Entretanto, sabe-se
33
que a qualidade dos agregados no volume do concreto é de considerável importância na
estrutura. Além de serem materiais predominantes, pois ocupam aproximadamente 75%
do volume do concreto, também podem influenciar sua resistência e economia.
Propriedades indesejáveis nos agregados podem não apenas produzir um concreto
pouco resistente, mas também comprometer a durabilidade e o desempenho estrutural
do mesmo.
Os agregados mais utilizados para execução do concreto são as areias e as pedras
britadas, que devem possuir mais características de resistência e durabilidade que
aquelas exigidas do concreto. Os agregados podem ser classificados em função de sua
natureza ou o método de fabricação, granulométrica e massa específica. Quanto à
natureza, os agregados podem ser naturais ou artificiais (sintéticos). Os naturais são
aqueles cuja origem são as jazidas naturais. Eles podem ser ígneos, sedimentares e
metamórficos. Os ígneos são formados a partir do magma vulcânico e suas
características vão depender da forma como eles foram resfriados. Os materiais
sedimentares são originários das rochas ígneas e sofrem alguma ação da natureza tais
como, água, gelo, vento, gravidade, etc. resultando em um depósito sedimentar de
estratificação rítmica em outro local. Já os metamórficos têm sua origem nas ígneas e
sedimentares, porém tiveram as suas características iniciais alteradas por ações químicas
ou físicas e, por conseqüência, o resultado final é a alteração da textura original da
rocha. Basicamente, esses materiais naturais, além de possuírem classificação
geológica, podem também ser classificados em materiais britados e não-britados. O
primeiro é resultante da fratura de rochas e tem importante papel na indústria da
construção civil. Já os não-britados são de origem sedimentar. Os agregados artificiais
são provenientes de materiais previamente beneficiados. Comumente, são rejeitos
industriais, urbanos e resíduos da construção civil e de demolição, que normalmente
sofrem algum tipo de beneficiamento para depois serem utilizados como agregado na
manufatura do concreto (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
Quanto à massa específica, os agregados podem ser considerados leves, de peso normal
e pesados, dando origem a diferentes concretos. A massa específica dos concretos
usuais no estado sólido varia de 2.000 a 2.800 kg/m
3
. Usualmente, adota-se o valor de
2.400 kg/m
3
, para efeito de cálculo, quando não se conhece a massa específica do
concreto simples, e 2.500 kg/m
3
para o concreto armado. Esses concretos são
34
conveccionados com agregados de gnaisse e calcáreo. Os concretos leves, fabricados
com agregados porosos, têm massa específica entre 1.600 e 2.000 kg/m
3
. Os concretos
pesados têm massa específica entre 3.200 kg/m
3
e 3.750 kg/m
3
, devido á presença de
agregados como a hematita.
No Brasil, no que diz respeito à granulometria, os agregados podem ser classificados em
graúdos e miúdos. Normalmente, essa classificação depende do tipo de cimento a ser
utilizado. No caso de concretos de cimento Portland, os agregados miúdos
compreendem uma faixa granulométrica que vai de 0,075 a 4,8 mm. Os agregados
graúdos têm seu tamanho de 4,8 a 152 mm (ABNT, 2005b). Os compostos
confeccionados apenas com agregados miúdos e com baixas resistências são chamados
de argamassas. Compostos de cimento hidráulico comumente fabricados com agregados
miúdos e graúdos e resistências superiores a 15 MPa são chamados de concretos. Com
exceção do custo, nada impede que esses concretos sejam fabricados apenas com
agregados miúdos. Neste caso, comumente são chamados de microconcretos, apesar do
agregado miúdo ser da ordem de milímetros e não de mícrons. Em alguns casos,
dependendo da função, e das propriedades de fuidez, retração, segregação e exsudação,
é chamado de graute. Os concretos pós-reativos também são produzidos sem agregados
graúdos.
Também é considerado como agregado o filler, que são partículas minerais finamente
moídas, com aproximadamente a mesma finura do cimento Portland (entre 5 e 75 µm).
Devido às suas propriedades físicas, esse material tem efeito benéfico sobre as
propriedades do concreto, melhorando a trabalhabilidade, minimizando a
permeabilidade, a exsudação e a tendência à fissuração.
3.1.2.3 Aditivos e adições
As propriedades do concreto, tanto no estado fresco como endurecido, podem ser
modificadas pela adição de certos materiais à mistura. De acordo com Metha e Monteiro
(2008), 70 a 80% de todo concreto produzido contém um ou mais dessas adições, que
variam amplamente quanto à composição química e muitas vezes desempenham mais
de uma função. Conseqüentemente, é difícil classificá-los. De modo geral, podem ser
35
divididos em dois tipos, aditivos e adições minerais. Aditivos seriam substâncias que
agem no sistema água–cimento por modificação da tensão superficial. As adições
minerais são as adições que afetam as reações de hidratação do cimento. Comumente,
os aditivos são utilizados em quantidades menores e as adições minerais em maiores
quantidades. São empregados como aditivos os sais solúveis e polímeros,
principalmente com o propósito de incorporar ar, tornar o concreto fresco trabalhável ou
controlar o tempo de pega (início do endurecimento). São comumente usados como
adições minerais os materiais pozolânicos naturais e subprodutos industriais, como
cinza volante, cinza de casca de arroz, escória granulada de alto forno e filler calcário.
3.1.3 Reação de hidratação
Quando o cimento é misturado à água, os compostos de cálcio tendem a entrar em
solução e a fase líquida torna-se rapidamente saturada em várias espécies iônicas.
Representando a água pela letra H, podem-se escrever, de forma simplificada, as
reações de hidratação em condições normais:
2C
3
S + 7H = C
3
S
2
H
4
+ 3Ca(OH)
2
ou C-S-H + CH
2C
2
S + 5H = C
3
S
2
H
4
+ Ca(OH)
2
ou C-S-H + CH
2C
3
A + 12H = C
4
AH
13
+ C
2
AH
8
hidratados hexagonais metaestáveis
= C
3
AH
6
hidratado cúbico estável
C
4
A F+ 10H + 2CH = C
4
(A,F)H
13
+ C
2
(A,F)H
8
hidratados hexagonais metaestáveis
= 2C
3
(A,F)H
6
hidratado cúbico estável
Os vazios presentes na estrutura são um dos responsáveis pela maior ou menor
reatividade dos compostos. Os cristais de C
3
A e de alita, tipicamente mais reativos,
exercem papel preponderante no processo de pega e desenvolvimento da resistência nas
primeiras idades. Nas idades mais longas, todavia, a hidratação dos cristais de belita
passa a ter importância crescente. Os produtos decorrentes da hidratação do C
2
S e C
3
S
são similares e constituem-se de mistura de silicato cálcico, denominado C-S-H, e de
Ca(OH)
2
, (CH), denominado portlandita. Na ausência de outras fases, a hidratação do
C
3
A leva à formação de aluminatos cálcicos hexagonais (principalmente o C
4
AH
13
), os
quais são termodinamicamente instáveis em relação ao hidratado cúbico C
3
AH
6
. A
36
hidratação do C
4
AF se processa com velocidade menor, é similar à do C
3
A. No entanto,
os aluminatos cálcicos gerados neste caso são ricos em ferro C
3
(A,F)H
6
. Se não se
adotasse nenhuma substância reguladora, a alta reatividade do C
3
A poderia limitar
sensivelmente o tempo de manuseio do cimento Portland sob condições práticas. Após
alguns minutos de hidratação, a hidratação dessa fase levaria a rápido aumento da
consistência da mistura, a qual, a partir de determinado momento, não poderia ser mais
trabalhada (“pega rápida”). Na presença de gipsita (CaSO
4
.2H
2
O, comumente
representada por CšH
2
) ou de outras formas de sulfato de cálcio utilizadas como
reguladores do tempo de pega, o C
3
A altera substancialmente o seu processo de
hidratação, dando lugar a cristais de um sulfoaluminato de cálcio hidratado.
Dependendo da concentração do aluminato e dos íons sulfato na solução, o produto
cristalino é o trissulfatoaluminato de cálcio hidratado, chamado etringita, ou o
monossulfato de cálcio hidratado. As reações a seguir exemplificam essas
transformações:
C
3
A + 3CšH
2
+ 26H = C
6
Aš
3
H
32
etringita
(3CaO.Al
2
O
3
.3CaSO
4
.32H
2
O)
C
6
Aš
3
H
32
+ 2C
3
A + 4H = 3C
4
AšH
12
monossulfoaluminato de cálcio
( 3(3CaO.Al
2
O
3
.CaSO
4
.12H
2
O))
Geralmente, a etringita é o primeiro composto a se cristalizar, devido à elevada relação
sulfato/aluminato na fase aquosa nas primeiras horas de hidratação. Mais tarde, depois
do sulfato da solução ter sido consumido e devido ao fato da concentração de
aluminatos se elevar novamente devido à renovação da hidratação do C
3
A e C
4
AF, a
etringita torna-se instável e é gradativamente convertida em monossulfato, que tem a
forma de placas hexagonais.
Embora os íons sulfatos atuem como retardadores de hidratação dos aluminatos, os
mesmos exercem efeito contrário sobre os silicatos, acelerando as suas reações de
hidratação. Deve-se, assim, identificar o teor mais adequado de sulfatos para se obter o
desempenho ótimo do cimento.
37
Na FIG. 3.1 é apresentada esquematicamente a variação da proporção dos produtos de
hidratação em função do tempo. Após a hidratação, coexistem no concreto as fases
sólidas, os vazios e água remanescente.
Figura 3-1-Representação esquemática da proporção dos produtos de hidratação em função do tempo.
3.1.4 Deterioração
O concreto é comumente utilizado para fabricação de estruturas que devem conservar
sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente à sua
vida útil. Durante este tempo a estrutura não deve necessitar de reparo, mantendo suas
características, desde que atendidos os requisitos de uso e manutenção prescritos pelos
projetistas e construtores. Após esse período de vida útil é que a estrutura de concreto
pode começar a apresentar a deterioração (ABNT, 2004).
38
Para dada estrutura de concreto, a durabilidade vai depender diretamente do nível de
agressividade do meio, que deverá estar previsto em projeto. Por outro lado, a
capacidade do concreto de manter sua integridade em determinado meio depende
diretamente da relação água/aglomerantes e do grau de hidratação do cimento. Esses
dois fatores controlam a permeabilidade do concreto e, conseqüentemente, a
difusividade/migração de água, gases e íons entre o meio e o concreto.
A deterioração do concreto pode ocorrer como conseqüência da lixiviação/solubilização
dos seus constituintes, pela formação de compostos expansivos devido à ação de águas e
solos que contenham ou estejam contaminados com sulfatos e álcalis e pela
carbonatação e absorção de íons de cloro. No caso do concreto armado, a carbonatação
e absorção de íons cloreto promovem a despassivação da armadura. Outro ponto crítico
no tocante à vida útil da estrutura é que a mesma está sujeita a ações não previstas,
como ciclos de congelamento/descongelamento, altas temperaturas, movimentações de
origem térmica, impactos, ações cíclicas, deformação lenta (fluência) que levam à sua
deterioração.
Na NBR 6118 (ABNT, 2004), a variação do relação água-cimento para o concreto
estrutural pode ser de 0,45 até 0,65, dependendo da classe de agressividade do meio
ambiente. O tipo de cimento também influencia na durabilidade da estrutura e deverá
ser escolhido, quando possível, em função do meio agressivo em que a mesma está
inserida. O monitoramento do consumo de cimento por m³ de concreto também é
importante para a confecção de concretos duráveis: o consumo superior a 500 kg/m³ é
preocupante, pois isso implica a necessidade de uma operação de cura delicada do
concreto para prevenção de fissuras devidas à retração (contração por secagem),
enquanto que teores muito baixos podem comprometer a resistência e tornar o composto
poroso.
Na prática, a deterioração do concreto raramente é devida a uma causa única;
geralmente, em estágios avançados da degradação do material, mais de um fenômeno
deletério está em ação. Comumente, as causas físicas e químicas da deterioração estão
tão proximamente entrelaçadas e reforçando-se mutuamente que até mesmo a separação
entre causa e efeito freqüentemente se torna impossível (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
No entanto, a deterioração por reações que envolvem a formação de produtos
expansivos (ataque por sulfato e reação álcali-agregado), a despassivação das armaduras
39
(devido a carbonatação e absorção de íons cloreto) e a deterioração por altas
temperaturas são identificadas como as causas isoladas ou não que comprometem mais
fortemente a durabilidade das estruturas no Brasil.
3.1.4.1 Despassivação
No interior do concreto grandes concentrações de íons de sódio (Na
+
), de potássio (K
+
)
e de hidroxila (OH
-
) são responsáveis pelo alto valor do pH, de 12,5 a 13,5, do fluido
nos poros da pasta de cimento Portland hidratada. O meio altamente alcalino faz com
que o aço eventualmente presente como material de reforço seja coberto por um fino
filme de óxido de ferro que se torna impermeável e fortemente aderente à superfície do
aço, ou seja, o aço não sofre corrosão. Se o concreto entrar em contato com um meio
ácido, ocorre o desequilíbrio químico e o pH pode diminuir. Caso o pH caia para
valores abaixo de 12, ocorre a despassivação da armadura, ou seja, a armadura fica
sujeita à corrosão. Os produtos da corrosão do aço são expansivos, podendo levar à
fissuração seguida de lascamento do cobrimento. Além da perda do cobrimento, o
desempenho mecânico do concreto armado fica comprometido devido à perda de
aderência entre o aço e o concreto e à diminuição da área da seção transversal da
armadura, podendo levar ao colapso da estrutura. Comumente, duas reações promovem
a diminuição da alcalinidade necessária para a proteção do aço no interior do concreto: a
carbonatação e a infiltração de íons cloreto.
A despassivação por efeito da carbonatação ocorre por etapas. Primeiramente, é
necessário que o dióxido de carbono em estado gasoso presente no meio ambiente seja
difundido através dos poros do concreto em direção a regiões de menor concentração
(interior da peça), dissolvendo-se na água, onde então reagirá com o hidróxido da pasta
de cimento hidratada, formando o carbonato de cálcio (CaCO
3
). Com isso, a basicidade
local do concreto cai. Quando a frente de carbonatação encontra a armadura, acaba
provocando a despassivação da mesma, iniciando o processo de corrosão. A máxima
carbonatação ocorre quando a umidade relativa é mantida entre 50 e 70%; fora dessa
faixa a carbonatação é praticamente insignificante. Normalmente, considera-se que para
umidades inferiores a 50% ou superiores a 95% os efeitos da carbonatação são
desprezíveis (NEVILLE, 1997).
40
O mesmo autor cita alguns efeitos positivos da carbonatação, ou seja, o carbonato de
cálcio ocupa um volume maior do que o hidróxido de cálcio, o qual ele substitui; sendo
assim, a porosidade do concreto carbonatado é diminuída. Além disso, a água liberada
na carbonatação do hidróxido de cálcio pode ajudar na hidratação do cimento ainda não
hidratado. Essas mudanças resultam em maior dureza superficial, menor permeabilidade
superficial e movimentação de umidade, aumentando a resistência às formas de ataque
controladas pela permeabilidade do concreto.
A infiltração de cloretos no concreto pode ocorrer por absorção capilar, difusão de íons
cloretos, permeabilidade sob pressão e migração iônica. Os fatores responsáveis pela
infiltração de cloreto são: fissuras, concentração de cloretos no ambiente externo,
temperatura, umidade e qualidade do concreto no que se refere principalmente à
distribuição e tamanho dos poros, pasta hidratada e a interconexão entre eles. Segundo
Cascudo (1997), o estabelecimento preciso do mecanismo de despassivação pela ação
de cloretos ainda não está bem estabelecido, embora ele afirme ser a ação dos cloretos
extremamente deletéria. Na presença de íons cloreto o filme de óxido protetor do aço
pode ser destruído, ocorrendo a despassivação da armadura. Para concretos usuais, o
limite do conteúdo de cloreto para início da corrosão é na faixa de 0,6 a 0,9 kg de Cl
-
por m
3
de concreto.
3.1.4.2 Deterioração pela ação de altas temperaturas
O concreto não é combustível e não emite gases tóxicos quando exposto a temperaturas
elevadas. O estudo da degradação do concreto frente ao fogo é complexo, pois os
materiais constituintes apresentam diferentes propriedades térmicas. Em altas
temperaturas, as estruturas de concreto sofrem os efeitos da ação térmica na
microestrutura (decomposição termoquímica e microfissuração excessiva) e na
macroestrutura (escoriações e lascamentos). Como resultado, o concreto perde sua
capacidade resistente. A resistência do concreto ao fogo depende não só da temperatura
a que é submetido, como também da taxa de aquecimento e do tempo de exposição. A
permeabilidade e sua composição também determinam o desempenho do concreto
frente ao fogo. Contudo, na literatura, o detalhamento do comportamento do concreto
frente a situações que envolvam altas temperaturas ainda é controverso.
41
Segundo Shields e Silcock (1987), concretos de cimento Portland comum começam a
perder resistência em temperaturas em torno de 100
o
C e a temperaturas de
aproximadamente 300
o
C os danos são permanentes. Por volta de 600
o
C, o concreto
perde praticamente toda a sua resistência mecânica, pois o C-S-H (silicato de cálcio
hidratado), responsável pela resistência mecânica do concreto, está praticamente
decomposto.
A pasta de cimento, conforme Neville (1997), começa a perder estabilidade entre 100 e
200°C, na forma de redução de resistência à compressão. Acima dos 200°C a reação
físico-química de evaporação da água reduz as forças de Van der Walls entre as
camadas de C-S-H, ocorrendo ligeira perda de resistência, que pode persistir até os
300°C. Contudo, o módulo de elasticidade apresenta de 70 a 80% do seu valor inicial,
enquanto que aproximadamente aos 420 °C ele apresenta 40 a 50%.
O efeito da temperatura na pasta hidratada de cimento contribui para que a temperatura
não se eleve até a evaporação total da água do concreto (MEHTA; MONTEIRO, 2008)
Entretanto, a pressão interna de vapor gerada na rede de poros do concreto aumenta à
medida que a temperatura se eleva. Em conseqüência, as camadas superficiais tendem a
se separar, podendo ocorrer o estilhaçamento violento da região periférica do elemento
estrutural (spalling). No entanto, em alguns casos o spalling é conseqüência da natureza
mineralógica do agregado ou da concentração de tensões térmicas desenvolvidas
durante o aquecimento e que confluem para as camadas próximas aos cantos do
elemento. Quando a temperatura do concreto atinge em torno de 300ºC, a água entre as
camadas de C-S-H e sulfato-aluminato hidratado é perdida. A cerca de 500ºC a
desidratação da pasta de cimento se inicia, mas somente nas temperaturas de 900ºC a
decomposição do C-S-H é completa. A porosidade do agregado também influencia o
comportamento do composto: agregados porosos podem ser susceptíveis à expansão
destrutiva. Além disso, dependendo da composição mineralógica, podem ocorrer
reações químicas no agregado que levem à expansão do mesmo. Em temperaturas perto
de 550ºC o quartzo α presente em agregados silicosos pode se transformar em
β segundo uma reação que está associada a uma expansão de 0,85%. Em agregados
calcários ocorre dano similar na temperatura de 700ºC devido à reação de
descarbonatação.
42
Em 500
o
C ocorre a decomposição da Portlandita (Ca (OH)
2
) e a resistência do concreto
é de 30 a 40% da resistência inicial (BRANCO; SANTOS, 2000, apud CUOGHI,
2006).
Chan, Peng e Anson (1999) afirmam que concretos de alta resistência à compressão e
resistência normal perdem a capacidade de resistir frente ao incêndio, da mesma
maneira. No entanto, o concreto de alta resistência é mais susceptível ao calor, pela sua
baixa porosidade, apresentando tendência a lascamentos prematuros nos primeiros 30
minutos de incêndio, quando a temperatura é considerada baixa, em torno 240 e 280°C
(COSTA; FIGUEIREDO; SILVA, 2002). Nessa faixa de temperatura a água
quimicamente combinada é liberada do concreto, indicando que os lascamentos
explosivos nos concretos de alto desempenho estão diretamente relacionados às
pressões internas geradas durante a “tentativa” da água quimicamente ligada de escapar
(COSTA; FIGUEIREDO; SILVA, 2002; CUOGHI, 2006).
3.1.4.3 Deterioração por ataque ácido
A degradação de materiais à base de cimento por ataque ácido se deve à reação do ácido
com os produtos de hidratação do cimento, que formam sais solúveis de cálcio:
Ca(OH)
2
+ 2 HCl
2
CaCl
2
+ 2 H
2
O
CaCl
2
+ 3CaO.Al
2
O
3
+ 10 H
2
O 3CaO.Al
2
O
3
.CaCl
2
.10H
2
O
A perda de massa é causada pela lixiviação desses produtos solúveis. Também pode
ocorrer a formação de complexos salinos que produzem expansão, desintegrando os
materiais à base de cimento (subitem 3.1.4.4).
O tipo de cimento, a concentração e tipo do ácido, idade de cura e o tempo de exposição
podem influenciar a cinética das reações que promovem a deterioração por efeito do
ácido.
43
Bergamaschi (2007), em sua dissertação de mestrado, apresenta um relato sobre os
efeitos dos ácidos nos materiais cimentícios obtidos por vários pesquisadores. Ele cita
Ceukelaire, que avaliou o efeito do ácido clorídrico 1% em corpos-de-prova de
argamassa, curados por 28 dias, preparados com cimento comum e composto, após dois
anos de exposição ácida. Transcorrido esse período de exposição, os corpos fabricados
com cimento composto apresentaram os melhores resultados. O autor ressaltou,
também, que a literatura descreve que a resistência de argamassa à exposição em HCl
por períodos curtos é independente do tipo de cimento. Hobbs mostra em seu trabalho
que a resistência ao ataque ácido depende mais da qualidade do concreto, sendo de
pouca importância o tipo do cimento que constitui o material. DeBelie et al. observaram
que os corpos-de-prova de concreto curados por 60 dias imersos em pH 5,5 de ácido
lático e acético por quatro dias mostraram quantidade mais elevada de perda de massa
para os corpos-de-prova preparados com cimento contendo escória quando comparados
com corpos-de-prova de cimento comum. Hewayde et al. estudaram a perda de massa
de corpos-de-prova de cimento composto sob ataque com H
2
SO
4
. As variáveis
estudadas foram relação água-cimento, área-volume e concentração do ácido.
Concluíram, entre outros, que nos ensaios em baixa concentração de ácido (pH=3) a
perda de massa não foi significativa.
Não existe disponível na literatura consultada um método normalizado de ataque ácido
em argamassa e/ou concreto de cimento Portland (BERGAMASCHI, 2007).
Metodologias publicadas de ensaios envolvendo esse tipo de ataque são bastante
divergentes. Sugere-se a realização de um estudo sistemático, incluindo mais de dois
fatores, quanto ao ataque ácido em materiais à base de cimento Portland.
3.1.4.4 Reações envolvendo a formação de produtos expansivos
Reações químicas entre substâncias presentes no meio ambiente e os constituintes do
concreto endurecido que promovem a formação de produtos de maior volume que os
das substâncias que os originaram(produtos expansivos) podem reduzir a vida útil do
concreto. No início da reação, a formação do produto expansivo pode acontecer sem
qualquer dano ao concreto. Com a progressão da reação, o surgimento crescente de
tensões internas se manifesta ao final pela fissuração, lascamento, deformação e
44
deslocamento da estrutura. O ataque por sulfatos e a reação álcali-agregado são alguns
dos fenômenos associados às reações químicas expansivas no concreto.
Quando sólidos, os sulfatos não atacam o concreto. Porém, quando em solução, os sais
de magnésio, cálcio, sódio, potássio e amônio podem reagir com a pasta de cimento
endurecida e formar compostos expansivos no concreto endurecido, que podem levar à
total desagregação do composto. O concreto pode sofrer o ataque por sulfatos provindos
da água (águas subterrâneas, água do mar, chuva ácida) e, ou, do ar (ambientes
industriais). A velocidade dessa ação deletéria é função da permeabilidade do concreto e
da concentração do fluído agressivo. Segundo Mehta e Monteiro (2008), os efeitos das
reações químicas entre o cimento Portland hidratado e íons sulfatos de uma fonte
externa podem se apresentar em duas formas. Na primeira ocorre a formação do produto
expansivo, que faz com que o concreto se fissure, o que, por sua vez, aumenta a
permeabilidade do composto e faz com que o agente agressivo penetre mais facilmente,
levando à desagregação do concreto e, em alguns casos, deslocamento de peças inteiras.
A segunda é a perda progressiva de resistência e de massa devido à deterioração na
coesão dos produtos de hidratação do cimento.
Três tipos de reações químicas ocorrem entre os álcalis do cimento e certas partículas
dos agregados: álcali-sílica-silicato, álcali-sílica e álcali-carbonato. A principal delas é a
reação entre a sílica reativa contida nos agregados, a cal liberada pelo cimento e os
álcalis (sódio e potássio) da pasta de cimento. Os vários tipos de sílica presentes nos
agregados reagem com os íons hidroxila presentes nos poros do concreto. A sílica
dissolvida reage com os álcalis sódio e potássio, formando um gel de álcali-sílica,
altamente instável. O gel formado absorve água e expande-se. No caso do gel estar
confinado pela pasta de cimento, o seu inchamento implicará a introdução de tensões
internas que eventualmente podem causar fissuras no concreto.
A reação álcali-sílica consiste na reação entre os álcalis disponíveis do cimento e alguns
tipos de silicatos que podem estar presentes em certas rochas sedimentares, rochas
metamórficas e ígneas. A reação está, basicamente, ligada à presença de quartzo, de
sílica amorfa ou de minerais expansivos. Essa reação é mais comumente encontrada em
estruturas localizadas em ambientes úmidos, tais como barragens, estacas de pontes e
estruturas marinhas (MEHTA; MONTEIRO, 2008). A reação álcali-carbonato é
45
complexa e existem consideráveis divergências sobre seus mecanismos de reação. Ela
ocorre geralmente quando certos calcários dolomíticos são usados como agregado
graúdo no concreto e são atacados pelos álcalis do cimento, originando uma reação
denominada desdolomitização, ou seja, formação de brucita, carbonato alcalino e
carbonato cálcico com excessiva expansão e conseqüente fissuração do concreto.
Conforme comentário de Mehta e Monteiro (2008), os silicatos e minerais de sílica,
bem como a sílica hidratada (opala) ou amorfa (obsidiana, vidro de sílica), podem reagir
com soluções alcalinas. Cimentos com teor de óxido de sódio superior a 0,6% são
considerados altamente alcalinos e, quando utilizados em elevado consumo com
agregados reativos contendo teor de álcalis, agravam o processo de reação álcali-
agregado.
3.2 Ensaios não-destrutivos aplicados aos concretos
Nos tópicos a seguir são apresentados alguns conceitos gerais sobre ensaios não-
destrutivos, em especial para materiais cimentícios. Na seqüência, são descritos os
ensaios para determinação da freqüência natural e de termografia, que são os ensaios
utilizados neste trabalho.
3.2.1 Generalidades
Ensaios não-destrutivos são definidos pela literatura clássica como aqueles que não
prejudicam nem causam dano ao uso futuro do elemento ensaiado, ou seja, não
provocam perda na capacidade resistente do elemento. Uma segunda definição mais
rigorosa considera que são ensaios que não deixam vestígio sobre o elemento ensaiado,
ou seja, não causam dano ao material (LEITE, 1966).
Além de poderem ser feitos in loco, a velocidade de execução, os custos e a ausência de
danos permitem que os ensaios não-destrutivos sejam realizados repetidas vezes,
possibilitando investigação mais abrangente e acompanhamento sistemático do
elemento em estudo. Outra vantagem que merece destaque é a imediata disponibilidade
de resultados que eles propiciam. Contudo, o conhecimento das condições de trabalho
46
deve servir de guia para o estabelecimento de critérios de qualidade e de funcionamento,
uma vez que os resultados são, na maioria das vezes, de caráter qualitativo e com
significado indireto. Portanto, identificar se uma falha de homogeneidade dentro do
material, detectada pelo ensaio não-destrutivo, constitui ou não um perigo evidente ou
um defeito secundário torna-se um ponto importante no processo.
Castanedo (2005) refere que são muitas as técnicas utilizadas para inspeção de materiais
por métodos não-destrutivos. Entretanto, nenhuma delas pode revelar todas as
informações requeridas. Essas técnicas fazem uso de diferentes formas de energia. O
comitê The National Materials Advisory Board (NMAB) classificou os ensaios em:
inspeção visual, ensaio por radiografia com raios-x ou raios-γ, ensaio por método
eletromagnético, ensaio por ultra-som, método térmico/infravermelho, ensaios de
pressão e vazamento, ensaio por líquidos penetrantes. A escolha da técnica a ser
utilizada nos ensaios depende muitas vezes do tipo de material em estudo, do local onde
o teste será realizado, das condições climáticas, dos recursos disponíveis e
principalmente da resposta que se pretende conseguir. Muitas vezes é necessário
associar mais de uma técnica de ensaio e vários testes podem ser executados para se
chegar ao diagnóstico pretendido.
Há algum tempo os ensaios não-destrutivos têm se revelado uma importante ferramenta
para obtenção de informações quanto às propriedades do concreto e, conseqüentemente,
da estrutura da qual é elemento constituinte. Muitos desses métodos permitem avaliar,
de modo indireto, a maior ou menor resistência do composto aos esforços mecânicos.
Esses ensaios possibilitam monitorar ou diagnosticar possíveis anomalias consideradas
inacessíveis por métodos convencionais, seja durante a sua fase construtiva ou em
estruturas prontas e cujas condições se deseje investigar.
O emprego de ensaios não-destrutivos na avaliação da estrutura oferece possibilidade de
realização em qualquer tempo, facilidade de execução, repetitividade, precisão e
rapidez. O monitoramento de estruturas em condições de serviço, necessário para
avaliar a qualidade, a estabilidade, a integridade, a durabilidade e a segurança de
estruturas existentes, as quais estejam submetidas a ações dinâmicas ou estáticas, pode
ser viabilizado com a realização desse tipo de ensaio. Do mesmo modo, a evolução e
uniformidade de certas propriedades fundamentais do material, como o
47
desenvolvimento da resistência e do módulo de elasticidade, podem ser acompanhadas
no próprio elemento, durante a construção ou ao longo do período de estudo, com certo
grau de confiabilidade, evitando-se a desconfiança de que o ensaio no laboratório não
represente as condições reais da estrutura. Apesar dessas vantagens, deve ser ressaltado
que os ensaios não destrutivos comumente exigem experiência e capacitação técnica
para sua utilização e que o custo dos equipamentos necessários para a realização de
ensaios são elevados.
No Brasil, ainda são poucos os estudos sobre este tema e nem todos têm seus
procedimentos de realização normalizados pela Associação Brasileira de Normas
Técnicas (ABNT). Neste caso, são empegadas normas internacionais (ASTM, RILEM,
BSI) para realização de ensaios. Segundo a norma BS 1881: Part 201 (BS, 1986b), os
ensaios não-destrutivos podem ser utilizados em diversas circunstâncias, tais como:
controle tecnológico de pré-moldados; monitoramento do desenvolvimento da
resistência; localização e determinação da extensão de fissuras, vazios e falhas de
concretagem; aumento do nível de confiança de um pequeno número de ensaios
destrutivos; avaliação do potencial de durabilidade do concreto, programação de
remoção de formas e escoramento; verificação de danos provocados por incêndios;
acompanhamento dos efeitos de aditivos e adições, entre outras.
De acordo com Neville (1997) e Mehta e Monteiro (2008), em termos gerais, os ensaios
in situ podem ser classificados em duas categorias. A primeira são as dos ensaios que
fazem a medição das propriedades do concreto, a partir das quais podem ser estimadas a
resistência, a durabilidade e as propriedades elásticas do material. E a segunda, a dos
ensaios que visam a determinar outras características como: vazios, escamas, condições
das armaduras, teor de umidade, fissuras, deterioração nas estrutura, entre outras. Em
relação à resistência, deve-se observar que ela pode ser apenas avaliada, e não medida,
uma vez que os ensaios não-destrutivos são, na maioria das vezes, de natureza
comparativa.
Existe grande variedade de métodos de ensaio não-destrutivos que podem ser aplicados
ao concreto: esclerometria, resistência à penetração, radioativos, ecoimpacto,
permeabilidade, termografia, ultra-som, resistividade elétrica, etc. Apesar da
diversidade de testes, atualmente os mais utilizados para investigação e controle do
48
concreto são o ultra-som e a esclerometria. A termografia e a medida da freqüência
natural de vibração, apesar de serem utilizadas de forma incipiente para estudo de
materiais cimentícios, em especial as argamassas, têm sido objeto de algumas pesquisas
devido às suas potencialidades (AGUILAR et al., 2003; 2006; ALMEIDA, 2005;
BALLARIN; NOGUEIRA, 2005; BELO; PENNER, 2002; BEZERRA, 2007;
CASTANEDO, 2005; COLORADO; ROLDA; VELEZ, 2006; DELGADO, 2007;
DOEBELIN, 1990; FERREIRA, 2000; GLEITER, et al., 2006; HAN; KIM, 2004;
MALDAGUE, 2002; MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991; MEOLA et al., 2005;
MONTE et al., 2007; NDAMBI; VANTOMME; HARRI, 2002; OCÁRIZ; BORJA;
ALONSO, 2005; OLIVEIRA et al, 2003; PUNURAI et al., 2007; RANTALA, et al.;
1997; SAINT-PIERRE; RIVARD; BELLIVY, 2007; SHEPARD; AHMED; LHOTA,
2004; SILVA; CAMPITELI, 2000; TARGA; BALLARIN; BIAGGIONI, 2007;
TAVARES, 2006; WEIL, 1991; WIGGENHAUSER, 2002).
3.2.2 Ensaio de freqüência ressonante
Nos tópicos a seguir são apresentados os conceitos de freqüência ressonante e os
métodos de determinação e sua aplicação para o concreto.
3.2.2.1 Conceito
Todos os corpos vibram naturalmente com certa freqüência, denominada freqüência
natural. Ela é um parâmetro importante que representa a taxa de oscilação livre, depois
de cessada a força que provocou seu movimento. O valor da freqüência natural depende
exclusivamente da massa e da rigidez dos vários elementos que compõem o conjunto.
Sendo assim, variações nesses elementos introduzem modificações na freqüência
natural do sistema.
Caso o sistema seja submetido a uma força externa periódica, não-periódica ou aleatória
(impacto, toque, ondas sonoras ou atração por um imã), a freqüência associada à força
aplicada pode promover alterações na amplitude de vibração do sistema. Quando a
freqüência da excitação coincide com a freqüência natural do sistema, a amplitude de
49
suas oscilações cresce gradativamente, devido ao armazenamento da energia recebida.
Diz-se que há ressonância quando a amplitude é máxima. Se a excitação se dá em um
único momento, o sistema está sujeito à chamada vibração livre. Se a excitação é
periódica, a vibração se denomina forçada. No caso da vibração livre, pode ocorrer o
amortecimento, que leva a uma contínua redução da amplitude, cessada a excitação. Isto
ocorre devido à propriedade interna do material de dissipar energia pelo atrito. O
amortecimento é descrito pelo fator de amortecimento que é expresso como uma fração
ou porcentagem do amortecimento crítico (ALMEIDA, 2005).
À menor freqüência da força de excitação que promove aumento contínuo da amplitude
dá-se o nome de freqüência fundamental. Naturalmente, todos os múltiplos dessa
freqüência também promovem aumento de amplitude. São as chamadas freqüências
harmônicas ou simplesmente harmônicos. À medida que o fator de amortecimento
diminui, as amplitudes crescem indefinidamente (FIG. 3.2). À freqüência da força
aplicada que promove o maior aumento da amplitude de vibração dá-se o nome de
freqüência ressonante. A freqüência ressonante é uma medida da freqüência natural do
sistema.
Figura 3-2 - Amplitude na ressonância.
Fonte: Adaptado de Mast (2001).
Se o material ficar sujeito continuamente a uma força cuja freqüência de vibração é a de
ressonância, ele pode perder sua integridade, desde que a força associada à freqüência
50
aplicada seja maior que o amortecimento do sistema, o que faz com que a amplitude de
oscilação aumente continuamente.
Como a freqüência natural depende da rigidez do sistema, o valor de freqüência
ressonante é comumente utilizado para determinação do módulo de elasticidade. Esse
módulo é empregado usualmente para caracterizar mecanicamente os materiais, mas
também pode ser um parâmetro para avaliar a integridade do sistema considerado.
3.2.2.2 Método de determinação
São dois os métodos modernos mais utilizados para determinação da freqüência
ressonante. Ensaios em que as vibrações podem ser geradas por vibrações mecânicas
variáveis (método de ressonância forçada) ou por um impacto. No primeiro método, a
amostra, normalmente uma barra de dimensões conhecidas, é apoiada e excitada com
forças variáveis. Para isso, deve-se aplicar uma força oscilatória variando a freqüência
de excitação e para cada freqüência aplicada capturar a amplitude da vibração. As
respostas capturadas são amplificadas e enviadas a um osciloscópio que registra o
espectro de freqüência da força mecânica aplicada em função da amplitude produzida
no sistema (FIG. 3.3).
Figura 3-3 - Espectro de freqüência.
Quando a freqüência de excitação se aproxima da freqüência natural do sistema, a
amplitude de vibração cresce até um valor máximo, que é a freqüência ressonante.
Verificam-se também outros picos em freqüências múltiplas da freqüência ressonante.
51
São os harmônicos, eles são o resultado de uma das freqüências aplicadas amortecidas
pelo sistema. Cuidados especiais devem ser tomados nos ensaios para que se varra toda
a gama de freqüências possíveis para que não se determine um harmônico como
freqüência ressonante.
A FIG. 3.4 apresenta o esquema de ensaio de ressonância forçada. O corpo-de-prova de
dimensões conhecidas é fixado/apoiado e excitado por um vibrador acústico cuja
freqüência é variada continuamente. As vibrações se propagam pelo corpo-de-prova e
são recebidas pelo coletor, posicionado no outro extremo da amostra, onde são
amplificadas (acelerômetro), e a amplitude medida por um indicador adequado.
Mudando as condições de suporte do corpo-de-prova, a posição do vibrador acústico e a
posição do acelerômetro, o usuário pode mensurar as freqüências ressonantes para a
modalidade longitudinal, a modalidade transversal e a modalidade de torção e as
freqüências medidas e, assim, estimar o coeficiente de Poisson. No caso de metais, os
valores das propriedades elásticas medidas são muito precisos.
Figura 3-4 - Posição dos sensores e dos pontos de aplicação da excitação (a) Transversal (b) Longitudinal
(c) Torcional.
Fonte: Adaptada da ASTM C- 215 (2002).
52
O segundo método para determinação da freqüência ressonante é o de impacto (FIG.
3.5). O ensaio é similar ao anterior, só que, neste caso, o corpo-de-prova é excitado pelo
impacto de um martelo, a freqüência natural de vibração é captada e ampliada da
mesma forma que no método de vibração forçada. No entanto, muitas vezes é
necessário aumentar a intensidade do impacto inúmeras vezes, pois a freqüência
associada a ele pode não promover o aumento de amplitude da freqüência natural. Isto
torna o ensaio longo e de difícil execução.
Figura 3-5 – Método de Ressonância de Impacto – Vibração Transversal.
Fonte: Adaptada da ASTM C- 215 (2002).
Nos dois métodos de determinação da freqüência ressonante, os sistemas de apoios
devem permitir a vibração livre da amostra, utilizando, por exemplo, borrachas macias
nos pontos nodais. Esses apoios devem possuir freqüência fundamental fora da faixa de
freqüência do material ensaiado.
3.2.2.3 Freqüência ressonante aplicada ao concreto
A freqüência ressonante permite o cálculo do módulo de elasticidade que, além de ser
uma medida da rigidez do material, pode dar indicações da natureza e estado dos
elementos que constituem o sistema.
No entanto, para materiais heterogêneos como o concreto, alguns autores preferem
utilizar diretamente a freqüência como critério de avaliação da homogeneidade do
53
sistema, em vez do módulo de elasticidade do material. Isso ocorre porque as
expressões para a determinação do módulo são baseadas na suposição de que o material
é isotrópico e homogêneo e, para isso, são aplicados fatores de correção (COUTINHO;
GONÇALVEZ, 1994; MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991; MEHTA;
MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997).
As considerações sobre o cálculo do módulo de elasticidade do concreto utilizando
freqüência ressonante são apresentadas no subitem seguinte (3.3). No tocante à
utilização do módulo calculado por freqüência ressonante ou da própria freqüência
como indicativo das características do concreto, existem poucos relatos na literatura.
Não há muitas informações sobre a reprodutibilidade dos resultados de ensaios de
freqüência para o concreto. Recentes trabalhos indicam que o método pode ser uma
ferramenta para estimativa de qualidade e a determinação do módulo de Young de
compostos cerâmicos e concretos (HAN; KIM, 2004; KUPKOVÁ et al., 2007; LI et al.,
1999; MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991; ODELSON; KERR; VICHIT-
VADAKAN, 2007; TOPÇU, 2005).
Por outro lado, existem indicações de que o amortecimento seria o parâmetro adequado
para análise do material (DELAGADO, 2007; GERMANN INSTRUMENTS, 2007;
MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991; THOMSON, 1978). Amortecimento é a
propriedade de um material que provoca a diminuição da amplitude das vibrações livres
em um modelo em função do tempo. Existem vários métodos para determinar as
características de amortecimento de um material. Os dois mais utilizados são a
determinação do decremento logarítmico (V
p
), dado em decibéis (dB), e o cálculo da
constante de amortecimento (Q). O decremento logarítmico é o logaritmo da relação
entre as amplitudes de oscilações sucessivas no amortecimento senoidal produzido pela
redução das vibrações livres da amostra. Considerando o amortecimento a partir de uma
amplitude máxima, V
max
, tem-se:
=
max
20
V
V
ogV
m
p
l
(3.1a)
54
onde V
m
é a amplitude após o amortecimento. Tanto V
m
como V
max
podem ser
determinadas por meio de um osciloscópio que registra a redução das vibrações no nível
de ressonância depois de cessado o movimento oscilatório.
A constante de amortecimento, (Q), pode ser calculada a partir da curva de ressonância
da amostra em teste (FIG. 3.6), sendo definida como:
lh
r
FF
F
Q
−
=
(3.1b)
onde F
r
é a freqüência máxima medida, no caso do ensaio de ressonância é a freqüência
ressonante, e F
h
e F
l
são freqüências que correspondem a determinado valor de
referência da amplitude. No caso em que o amortecimento é zero tem-se F
r
= F
h
= F
l,,
ou seja, (Q) tende ao infinito.
No catálogo do fabricante Germann Instruments (2007) é sugerido uma razão de 3dB
para avaliação do amortecimento. Para esse valor, com o auxílio da Equação 3.1a,
calcula-se que o quociente
max
V
V
m
é 0,707. Ou seja, se considerarmos uma atenuação
aceitável de 3 dB, F
h
e F
l
correspondem a freqüências cujas amplitudes são 0,707 da
amplitude da freqüência ressonante.
Figura 3-6 - Curva típica da amplitude de vibração pela freqüência.
Fonte: Adaptada de Germann Instruments (2007).
V
m
= 0,707
V
max
V
max
55
A constante de amortecimento é um indicativo das interferências dos vários elementos
que compõem o sistema na medida da freqüência ressonante. As pequenas imperfeições
no material, tal como as microfissuras, podem causar somente uma pequena mudança
no módulo dinâmico, mas uma mudança relativamente grande no valor Q, como pode
ser visualizada na FIG. 3.6 (GERMANN INSTRUMENTS, 2007; MALHOTRA;
SIVASUNDARAM, 1991).
3.2.3 Termografia
A termografia é uma técnica de medição sem contato do campo de temperatura de uma
superfície, através de uma imagem gerada pela radiação térmica no infravermelho,
emitida pela superfície. Atualmente a termografia é utilizada para definir ensaios
térmicos não-destrutivos. Sua história remonta a 1800, quando Willian Herschel (1738-
1822) publicou os resultados de seus experimentos baseados nas experiências
desenvolvidas por Isaac Newton, decompondo a luz solar por meio de um prisma. A
termografia propriamente dita nasceu no período do Pós-Guerra como uma técnica de
imageamento remoto destinada a atender às necessidades da área militar, cujo objetivo
primordial era a localização e rastreamento noturno de alvos a partir de imagens
térmicas. Sua evolução teve início nos anos 1950, com o surgimento do radiômetro,
primeiro sistema infravermelho destinado à medição rápida de temperaturas em pontos
determinados e em curtas distâncias. Na década de 1990, a termografia se desenvolveu
de forma efetiva com o surgimento do detector charged coupled device (CCD),
dispositivo responsável pela transformação da luz em sinais elétricos capazes de criar
imagens de alta qualidade e baixo ruído.
No início deste século, a adoção dos microbolômetros nos sistemas de aquisição de
imagens térmicas possibilitou o desenvolvimento de novos detectores e câmeras
infravermelhas cada vez mais sofisticadas. Contudo, a termografia ainda é um método
emergente no campo dos ensaios não-destrutivos e se apresenta como uma promissora
técnica para medida do campo de temperatura da superfície de todos os tipos de
materiais a partir da radiação infravermelha emitida por eles. Por seu caráter não-
invasivo, ela se apresenta como interessante alternativa para o diagnóstico de defeitos,
identificação de anomalias e falhas em materiais, o que poderia ser de grande valia para
56
o controle de elementos estruturais no campo da construção (HUDSON, 2006;
MENDONÇA, 2005; MEOLA et al, 2005; PAPPALETTERE, 2004; ROGALSKI,
1994; 2002; 2003; 2004a; 2004b).
Na seqüência, são apresentadas algumas considerações sobre radiação infravermelha,
ensaio de termografia, suas aplicações e limitações para o estudo do concreto. Também
são mencionadas as informações disponíveis na literatura sobre vibrotermografia.
3.2.3.1 Radiação Infravermelha
As ondas, em função de sua origem, podem ser mecânicas ou eletromagnéticas. No
século XIX, James C. Maxwell explicou os fenômenos elétricos e magnéticos, pela
teoria eletromagnética. O desenvolvimento subseqüente permitiu a compreensão e a
utilização dessas ondas. As ondas eletromagnéticas, compostas por campos elétricos e
magnéticos, podem ser geradas por fenômenos naturais, como o Sol, ou criadas pelo
homem. Os exemplos de ondas eletromagnéticas vão desde as microondas até a
radiação gama.
As ondas eletromagnéticas têm a capacidade de carregar energia para longe da fonte que
as gerou. Quanto maior a freqüência da onda, mais energia ela contém. Além disso,
ondas de freqüências diferentes não interferem entre si, fazendo com que a freqüência
seja uma das principais características das ondas eletromagnéticas. Como todas essas
ondas se deslocam na velocidade da luz, há fixa relação entre freqüência e comprimento
de onda, o que faz com que os gráficos normalmente mostrem as freqüências crescentes
e os comprimentos de onda decrescentes correspondentes em um mesmo eixo. O
conjunto de todas as freqüências das ondas eletromagnéticas é chamado de espectro
eletromagnético (HOLST, 2000, INCROPERA; DeWITT, 2003; KREITH, 1977;
PAPPALETTERE, 2004)
O espectro eletromagnético é contínuo. Para fins práticos, ele é descrito como um
conjunto de diversas regiões (FIG. 3.7), cada uma delas caracterizada por uma faixa de
freqüência.
57
Figura 3-7 – Divisão do espectro eletromagnético.
A luz visível, que é aquela parte do espectro eletromagnético que os nossos olhos são
capazes de perceber, compreende uma parte muito pequena de todo o espectro. Seres
humanos percebem, pelo sentido da visão, as freqüências entre 500.000 GHz (vermelho)
e 1.000.000 GHz (violeta). As freqüências acima do visível são chamadas de
ultravioleta e, além do ultravioleta, encontram-se os raios-X e os raios-gama. Abaixo do
espectro visível estão as radiofreqüências, utilizadas em radares e transmissões de rádio
e TV. Dentro das radiofreqüências estão localizadas as microondas. Na região
intermediária (10
-4
a 10
-7
m) encontra-se a faixa da radiação térmica que compreende o
infravermelho, o espectro visível e uma parcela do ultravioleta.
A radiação que é emitida pela superfície tem sua origem na energia térmica da matéria
limitada pela superfície, e a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área é
denominada poder emissivo da superfície. Existe um limite superior para o poder
emissivo, que é previsto pela lei de Stefan-Boltzmann e de Planck (teoria do corpo
negro). A relação existente entre a energia emitida, em relação a um corpo negro, sob a
mesma temperatura é conhecida como emissividade. Ela depende fortemente da
superfície do material e de seu acabamento.
Todo tipo de matéria que se encontra a uma temperatura finita emite radiação térmica.
A radiação também pode ser incidente sobre uma superfície a partir de sua vizinhança.
Ela pode ser oriunda de uma fonte especial na qual a superfície esteja exposta como o
Sol, o fogo ou o frio. Independente da fonte que a gerou, a taxa na qual todo tipo de
radiação incide sobre uma superfície, é designada como irradiação.
Radiação térmica
Infravermelho
Radiofreqüências
58
Quando um corpo é exposto a uma fonte de calor, uma parte da irradiação ou toda ela
pode ser absorvida pela sua superfície, aumentando a energia térmica do material. No
entanto, se a superfície for opaca, frações da irradiação são refletidas, se a superfície for
semitransparentes frações da irradiação podem ser transmitidas. Contudo, enquanto as
radiações absorvidas e emitidas aumentam ou diminuem, respectivamente, a energia
térmica da matéria, as radiações refletidas e transmitidas não causam nenhum efeito
nessa energia. (DOEBELIN, 1990; LILLES; KIEFER, 1997; HOLST, 2000,
INCROPERA; DeWITT, 2003; PAPPALETTERE, 2004; MEOLA et al., 2005;
PELIZZARI, 2006).
3.2.3.2 Descrição do método
A termografia por infravermelhos consiste na captação de imagens de calor, não visíveis
pelo olho humano. O processo é feito por meio de equipamentos que convertem a
energia emitida pela superfície dos materiais em imagens térmicas. A imagem térmica é
obtida através de detectores sensíveis ao infravermelho (atualmente em torno de
307.200 pixels) que capta a radiação térmica e a converte em sinais elétricos. Estes
sinais normalmente são baixos e proporcionais ao fluxo de radiação, por isso são
amplificados, lidos e processados através de softwares e são transformados em imagens
térmicas ou termogramas, como mostrado na FIG. 3.8.
Figura 3-8 - Imagens térmicas de uma barragem e de uma fachada de edifício.
Os equipamentos capazes de gerar essas imagens são constituídos basicamente de
sensores ou detectores de radiação, amplificadores de sinais e um processador. O termo
sensor ou detector de radiação é bastante genérico. Neste trabalho, o sensor é
59
considerado um dispositivo que converte a energia eletromagnética/térmica incidente
em alguma outra forma de sinal mensurável, sendo este sinal, geralmente, elétrico
(CASTANEDO, 2005; HUDSON, 2006). A FIG. 3.9 mostra de forma simplificada o
sistema de detecção, no qual a radiação eletromagnética absorvida interage com o
sensor, produzindo o sinal elétrico que é processado por um circuito eletrônico
associado. O sinal emitido é baixo e proporcional ao fluxo de radiação, por este motivo
o sistema requer amplificadores de alto ganho para processá-los.
Figura 3-9 - Esquema simplificado de um sistema de detecção de radiação.
Dependendo da aplicação e dos objetivos desejados, a técnica de imageamento por
termografia pode ser dividida em segmentos distintos: termografia qualitativa,
quantitativa e analítica. Na termografia qualitativa, as informações obtidas sobre
determinado material provêm da análise de diferenças em seus padrões de distribuição
térmica. Na termografia quantitativa as informações obtidas provêm da medição direta
das temperaturas associadas aos padrões de distribuição térmica observadas. Já a
termografia analítica dedica-se à otimização de métodos de trabalho em inspeções,
tratamento estatístico dos resultados obtidos e a tradução dos dados térmicos em termos
econômicos e de aumento de qualidade (VERATTI, 2003).
Segundo Rogalsk (2002; 2003; 2004a; 2004b) e Pappalettere (2004), os avanços da
tecnologia de detectores infravermelhos estão relacionados ao desenvolvimento dos
semicondutores. Inicialmente, destacou-se a classe dos fotondetectores, cuja radiação é
absorvida no material pela interação com os elétrons. No entanto, a sensibilidade do
detector é associada ao abaixamento da temperatura de operação (criogenia). Uma
segunda classe de detectores de infravermelho é constituída pelos detectores térmicos.
Em um detector térmico, a radiação incidente em um material é absorvida, mudando sua
60
temperatura e gerando um sinal elétrico de saída. Esses detectores podem ser de dois
tipos: piroelétricos e bolômetros. Nos detectores piroelétricos, uma mudança interna
espontânea polarizada é medida; e, no caso de bolômetros, a medida é feita na mudança
na resistência elétrica. Em contraste com os fotondetectores, o detector térmico opera
tipicamente em lugares que normalmente existe diferença no gradiente de temperatura
(positiva ou negativa). Os atuais termovisores são sistemas imageadores de alta
tecnologia dotados de vários recursos (ajuste de foco, lentes especiais, mira laser,
imagens e filmes, entre outros) para análise e medição de distribuições térmicas nos
diversos tipos de materiais (FIG. 3.10).
Figura 3-10 – Termovisor P640 – Fabricada pela Flir Systems
Os termovisores ou câmeras termográficas possibilitam adequar o campo de visão do
aparelho às necessidades específicas de cada observação. Dessa forma, elas captam, por
meio de suas lentes intercambiáveis, a radiação infravermelha que é emitida pelo objeto
analisado e o decodifica, por algoritmos, em tons mais escuros para as superfícies mais
frias e em tons mais claros para as superfícies mais aquecidas. De modo geral, o registro
das imagens térmicas geradas pelos sistemas infravermelhos pode ser analógico ou
digital, o que permite a ligação dos sistemas a televisores ou computadores para
posterior análise e processamento das informações. Os termovisores mais recentes
possuem design semelhante às modernas câmeras portáteis de vídeo.
Quando se utilizam os sensores térmicos, a captação da radiação incidente é obtida a
partir da estimulação que promove o aquecimento ou resfriamento do objeto.
Dependendo da forma como é feita essa estimulação, os sistemas que utilizam sensores
térmicos são classificados em passivos e ativos. Nos sistemas passivos, nenhuma
estimulação artificial é utilizada, devendo existir uma diferença natural de temperatura
61
entre o objeto em estudo e o meio onde ele esta inserido, que freqüentemente está sob
temperatura mais elevada. A FIG. 3.11 mostra um esquema de formação de imagem
pela termografia passiva. O sistema passivo permite apenas uma análise qualitativa, por
comparação com uma situação padrão, ficando o resultado sujeito aos conhecimentos e
à experiência do avaliador. Por outro lado, o emprego desse sistema no
acompanhamento sistemático das condições normais de trabalho permite conhecer e
identificar possíveis anomalias (CASTANEDO, 2005; MALDAGUE, 2001,
TAVARES; ANDRADE, 2003).
EMISSIVIDADE
ABSORÇÃO
ATMOSFÉRICA
TEMPERATURA
AMBIENTE
RADIAÇÃO
REDUÇÃO DA RADIAÇÃO
Figura 3-11 – Modelo geral de termografia .
A termografia passiva é muito utilizada na avaliação de estruturas prediais, na
Medicina, na descoberta de fogo em florestas, em programas de pesquisa de eficiência
térmica, no monitoramento de tráfico em estradas, na agricultura, na Biologia, na
investigação e detecção de gás, em testes de ensaios não-destrutivos de modo geral.
Nessas aplicações, os perfis de temperatura anormais indicam um problema potencial
relevante a detectar. Entretanto, Maldague (2000) considera que, em casos em que se
deseje obter resultados quantitativos, deve-se usar a termografia ativa. Segundo o
mesmo autor, na termografia passiva um material com um diferencial de temperatura do
ponto quente em relação ao entorno, na ordem de 1ºC a 2ºC(fora da faixa da incerteza
da medida), pode indicar algum tipo de problema. Entretanto, quando esta diferença está
acima de 4ºC, é uma forte evidência de comportamento anormal.
Na termografia ativa, ao contrário da termografia passiva, um estímulo externo é
necessário para gerar diferenças relevantes de temperatura. Wiggenhhauser (2002)
relata que a termografia ativa pode ser utilizada na identificação de falhas não visíveis
62
de um material, de umidade em amostras, entre outros, com mais segurança do que a
passiva, comprovando o maior potencial do método na identificação e qualificação dos
defeitos. Resultados semelhantes foram conseguidos por Tavares, Cunha e Andrade
(2005).
Diferentes técnicas de estimulação térmica podem ser empregadas para provocar um
fluxo de calor no objeto de estudo, cada qual com características e limitações próprias
(MALDAGUE, 2001). As mais usadas são: termografia pulsada, termografia modulada
ou termografia lock-in, termografia pulsada por fase de aquecimento e a
vibrotermografia (CASTANEDO, 2005; MALDAGUE, 2000; MEOLA et al., 2005;
RANTALA, WU; BUSSE, 1996; TAVARES, 2006). A escolha do tipo de estimulo
térmico depende não só das características da superfície a ser testada, mas
essencialmente do tipo de informação requerida.
A técnica de termografia pulsada é a mais tradicional delas e consiste basicamente na
aplicação de pulsos curtos de energia térmica na superfície do objeto em estudo (de 3
ms a 2 s, dependendo do material). Essa estimulação pode ser “quente” ou “fria”. O
importante é o estabelecimento de um gradiente de temperatura entre a fonte térmica e o
objeto de estudo. A intensidade da estimulação dependerá da diferença de temperatura
entre o material em teste e o ambiente no qual ele está inserido (MALDAGUE, 2000;
MEOLA et al, 2005).
A termografia modulada, também conhecida como lock-in, é baseada no aquecimento
oscilante (aplicação de ondas de calor em determinada freqüência) de modo que sejam
introduzidas ondas térmicas altamente atenuadas e dispersivas dentro do material e
próximo da superfície. O campo de temperatura resultante é gravado remotamente com
uma termocâmera, a partir da emissão térmica infravermelha do material. Isto pode ser
feito acoplando-se o sistema a um amplificador de ondas térmicas ou com um
computador. Essas ondas podem ser geradas e detectadas remotamente. (MALDAGUE,
2002; MEOLA et al., 2005).
A termografia pulsada por fase é uma técnica de processamento de sinal baseada na
dualidade dos domínios de freqüência e tempo e na transformada de Fourier. Cada
função temporal tem uma representação de freqüência que varia no tempo, mas possui
63
valor constante no domínio de freqüência. Utilizando-se o conceito da transformada de
Fourier, a evolução temporal da temperatura, como obtida em uma clássica termografia
pulsada, pode ser conduzida para o domínio de freqüência, que é, de fato, a distribuição
espectral de amplitude e fase (CASTANEDO; MALDAGUE, 2004; MALDAGUE,
2002; MEOLA et al., 2005; TAVARES, 2006).
Os avanços no desempenho das câmeras de infravermelho nos últimos 20 anos tornaram
possível detectar pequenas trincas usando uma baixa excitação (pulsos de alta energia
de curta duração). Em conseqüência disso, houve renovado interesse em utilizar a
vibrotermografia como um método de detecção não-destrutiva de trincas.
A vibrotermografia é uma técnica de termografia ativa, desenvolvida por volta de 1970,
baseada na dissipação de energia que ocorre quando uma vibração mecânica prefixada é
aplicada externamente a uma estrutura (MALDAGUE, 2002; RANTALA et al., 1997;
RANTALA; WU; BUSSE, 1996; SHEPARD; AHMED; LHOTA, 2004). Os ensaios de
vibrotermografia envolvem a aplicação de vibrações de 10 a 50 kHz e a observação da
propagação do calor gerado é monitorada por termografia. Embora os mecanismos
físicos que causam o aquecimento em um local de trinca ainda seja tópico de discussão
por parte dos pesquisadores, eles concordam que a fricção provocada pelo aquecimento
nas superfícies de uma trinca contribui para o aumento da temperatura, que é detectada
pela câmera infravermelha (SHEPARD; AHMED; LHOTA, 2004).
Apesar desse início promissor, a técnica permaneceu estacionada até recentemente,
quando técnicas de teste como a sonic thermography ou thermosonic testing, que são
associadas ao calor produzido por ondas sônicas, foram introduzidas. A vantagem do
aquecimento ultra-sônico é que, com um baixo nível de tensão, pode-se obter forte sinal
térmico. Como o aumento de temperatura na área do defeito é muito maior do que em
seu entorno, o defeito pode ser claramente detectado usando-se a termografia como “um
campo microscópio escuro”. Conseqüentemente, o uso do aquecimento ultra-sônico
fornece um método que pode detectar seletivamente um defeito. Aplicando uma
modulação de baixa amplitude de tensão para uma alta freqüência de vibrações ultra-
sônicas, obtém-se uma geração modulada do calor, que pode ser detectado pela
termografia lock-in (RANTALA et al., 1997; RANTALA; WU; BUSSE, 1996).
Contudo, a análise dos dados obtidos por inspeção termográfica é fundamental e deve
64
ser baseada no conhecimento adquirido em formação especializada e consolidado com a
experiência ao longo dos anos (MENDONÇA, 2005).
3.2.3.3 Termografia aplicada ao concreto
As imagens obtidas por termografia têm sido utilizadas basicamente em manutenção
preditiva e preventivas e em situações que envolvam a passagem de corrente elétrica ou
desgaste mecânico que em geral geram calor (MEOLA; CARLOMAGNO, 2004;
MEOLA et al., 2005; PELIZZARI, 2006). Por outro lado, a tendência natural de
barateamento dos sistemas infravermelhos vem sendo percebida em todas as áreas do
conhecimento. Em especial na construção civil, na qual a crescente necessidade de
novos métodos de controle que atendam às necessidades de se construir mais rápido,
com mais arrojo, com competitividade e dentro dos modernos padrões de controle de
qualidade indica que haverá crescente utilização e conseqüente ampliação do mercado
de termografia.
De modo geral, as aplicações da termografia na construção civil são diversas, podendo
referir-se algumas, a título de exemplo: detecção de infiltrações ou fugas de água,
detecção de fendas estruturais, detecção de vazios no interior do concreto, detecção de
corrosão de armaduras, localização de redes interiores, análise térmica dos edifícios, etc.
Na revisão bibliográfica são poucos os trabalhos relacionados ao uso da termografia
para ensaios não-destrutivos em concretos. De acordo com Weil (1991), a primeira
utilização registrada da termografia para determinação de anomalias internas no
concreto foi publicada pelo “Ontario Ministry of Transportation and Communication”,
em 1973. Nos últimos anos, tanto o Canadá quanto os Estados Unidos vêm
desenvolvendo vários programas de apoio e investigação sobre esta técnica. Pode-se
notar, contudo, que o método de infravermelho está adquirindo abrangência cada vez
maior na avaliação dos diversos tipos de materiais e estruturas. Em parte, isso se deve à
necessidade de satisfazer os requisitos de segurança e confiabilidade exigidos pela
moderna engenharia civil, além da necessidade crescente de desenvolvimento e
implementação de técnicas fidedignas para monitorar as estruturas sujeita aos diversos
fatores agressivos. Normalmente, os serviços termográficos são utilizados com a
65
finalidade de se identificar e diagnosticar anomalias ou manifestaçõe patológicas
construtivas de origem térmica e possibilitar a formulação de ações corretivas ou de
reabilitação, evitando falência de elementos e acidentes catastróficos (MEOLA et al.,
2005).
O caráter não-intrusivo e não-destrutivo da termografia, a alta velocidade de medição e
obtenção de respostas, assim como a relativa facilidade no manuseio do equipamento
salientam sua utilização em larga escala na inspeção e controle da vida útil das
estruturas. Apesar do investimento inicial ainda ser relativamente alto para a aquisição
do equipamento, estimativas têm mostrado custo/benefício da razão de 1:4 no uso da
termografia em programas de manutenção preventiva com tendência a custos mais
baixos no futuro (TAVARES, 2006). A vantagem evidente da termografia para o
concreto sobre outros métodos não-destrutivos é que grandes áreas de concreto podem
ser inspecionadas com segurança e sem contato físico, propiciando sua utilização em
locais onde o acesso é difícil e nas regiões fechadas e de risco, enquanto que os outros
métodos de ensaio são técnicas em pontos localizados ou em linhas.
Para Weil (1991), é importante observar que a fonte de energia, quando a termografia é
empregada para a análise do concreto, pode ser feita utilizando a própria ação solar,
uma vez que a sua inspeção pode envolver grandes áreas. Essa ação além, de ter um
custo reduzido é capaz de produzir uma distribuição de calor uniforme ao longo de toda
a superfície do concreto. No caso de inspeção noturna, o processo poderá ser o inverso,
funcionando o concreto como fonte de calor para o meio ambiente mais frio. O
importante é estabelecer um gradiente de temperatura, onde o calor deverá fluir através
do material, não importa em que direção o faça. Um ponto a se considerar é a condição
da superfície da área a ser testada (KIRCHHOFF, apud DOEBELIN, 1990;
INCROPERA; DeWITT, 2003). Outro fator que interfere na medição de temperatura é
o meio ambiente. De acordo com o autor vários são os parâmetros que influenciam os
valores de medição; presença de nuvens, velocidade do vento, temperatura e umidade
superficial.
Portanto, a aplicação e a utilização da termografia como técnica de ensaio não-
destrutivo depende não só da experiência do usuário na manipulação do equipamento e
na interpretação da imagem termográfica obtida, como também e, sobretudo, do
conhecimento das características térmicas do material sob investigação e das condições
66
ambientais presentes durante o ensaio, pois estes são fatores que influenciam
preponderantemente os resultados. De igual importância é o conhecimento das
características da técnica termográfica a ser utilizada (WEIL, 1991;
WIGGENHAUSER, 2002)
Com os avanços da tecnologia moderna, agora é possível detectar mudanças de
temperatura abaixo de 0,08ºC, permitindo a identificação tanto de delaminações ou
trincas em uma estrutura de concreto quanto a sua avaliação interna. Desde 2002, a
técnica de termografia foi incluída nos regulamentos das construções de edifícios dos
Estados Unidos e Reino Unido, com o objetivo de avaliar o isolamento térmico de suas
instalações (CLARK; MCCANN; FORDE, 2003).
3.3 Módulo de elasticidade
O módulo de elasticidade avalia a resistência do material à deformação elástica. É uma
medida da rigidez do material, refletindo, assim, o grau de fissuração e defeitos, assim
como as fases presentes. Materiais com baixo módulo deformam muito elasticamente
quando sujeitos a solicitações mecânicas. Alguns desses materiais são indicados para
estruturas previamente projetadas para sofrerem deformação apenas transitória. No
entanto, na maioria das aplicações não se deseja a ocorrência de deformações
signoificativas, ou seja, os materiais devem apresentar alto módulo de elasticidade. A
avaliação da rigidez do material é importante tanto durante o processo de
montagem/fabricação da estrutura do qual é componente, quando durante sua vida útil,
para que haja controle da estabilidade dimensional do componente. No caso de
estruturas, a rigidez não pode ser avaliada isoladamente pelo módulo: deve ser
associada às características geométricas do elemento (módulo multiplicado pelo
momento de inércia).
No caso de materiais perfeitamente elásticos, a determinação do módulo exige apenas
alguns cuidados. No entanto, quando a relação linear entre tensão e a deformação não é
obedecida, ou no caso de materiais compósitos, a determinação dessa propriedade
apresenta algumas peculiaridades. Este é o caso do concreto.
67
3.3.1 Abordagem física
Para analisarem-se os fatores que influenciam o módulo de elasticidade, é necessário
que se compreenda o significado físico desta propriedade (ASHBY; JONES, 1996). Os
átomos nos cristais são mantidos juntos por ligações que se comportam como molas
(FIG. 3.12).
Figura 3-12 - Representação das ligações individuais dos átomos dentro de um cristal.
A rigidez de cada uma das ligações atômicas (S) é definida por:
dr
dF
S = (3.2)
onde dF é força de atração introduzida entre os átomos quando os mesmos estão
afastados de um valor dr em relação à posição de equilíbrio
.
Para pequenas
deformações, S é constante e recebe o nome de constante elástica da ligação (S
o
). Isto
significa que a força entre dois átomos sujeitos a um pequeno deslocamento, de r a r
0
,
onde r
o
é distância de equilíbrio, é:
∫
=
r
r
o
o
drSF (3.3)
Integrando:
)(
oo
rrSF −=
(3.4)
se F age em uma área na qual existem N ligações (ligações por unidade de área), tem-se:
)(
oo
rrNS −=
δ
(3.5)
r
o
∧∧∧∧∧
r
F
F
68
Convertendo o deslocamento em deformação (
ε
) e considerando que os átomos se
tangenciam, N é, então, inversamente proporcional à área média do átomo:
εδ
=
0
r
S
o
(3.6)
sendo S
o
a constante elástica da ligação, dá-se o nome de módulo de Young ou de
elasticidade, E, à constante de proporcionalidade da equação 3.6:
=
0
r
S
E
o
(3.7)
Ou seja, o módulo de Young pode ser calculado teoricamente a partir da força e da
distância entre as ligações.
Considerando uma mesma distância de equilíbrio, pode-se afirmar, de forma grosseira,
que os materiais com ligações covalentes têm S
o
maiores e, conseqüentemente, E
maiores que os materiais com predominância de ligações metálicas que, por sua vez têm
essas grandezas maiores que os que possuem ligações iônicas. Os materiais com
ligações secundárias dipolo-dipolo, como os polímeros, apresentam módulos ainda
menores. No entanto, para avaliar o módulo de elasticidade como um todo, é também
necessário considerar r
o
, que irá depender do grau de empacotamento do arranjo: o
número de vizinhos mais próximos influencia o deslocamento do átomo.
Dado o significado físico do módulo, pode-se compreender que o módulo de
elasticidade de uma estrutura está relacionado à freqüência natural de vibração do
sistema. Um componente com baixo módulo tem freqüência natural de vibração menor
que um outro que tenha maior módulo, desde que a massa específica seja a mesma
(MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991).
3.3.2 Determinação do módulo de elasticidade
Existem diferentes métodos de se avaliar o módulo de Young. O mais simples é
submeter o material a uma força de tração e medir sua deformação. Esse método se
aplica apenas para materiais perfeitamente elásticos, ou seja, que obedecem à lei de
Hooke. Esta lei descreve matematicamente o comportamento experimental de
determinados materiais nos quais a deformação (ε) é praticamente proporcional à
tensão, quando as deformações são pequenas:
ε
δ
∝
(3.8)
69
Comparando-se a equação 3.8 com a equação 3.6, conclui-se que para esses materiais
no regime elástico a constante de proporcionalidade dessa equação é o módulo de
Young:
ε
δ
E
=
(3.9)
Como a deformação é adimensional, o módulo de Young tem as mesmas dimensões da
tensão: MPa. No entanto, é comum utilizar a unidade GPa, pois os módulos são muito
grandes.
A estimativa do módulo de elasticidade a partir do diagrama tensão-deformação fornece
um valor usualmente chamado de módulo de elasticidade estático. A lei de Hooke se
aplica também para esforços de compressão. De forma similar, a deformação de
cisalhamento e a volumétrica são proporcionais à tensão de cisalhamento e à pressão
hidrostática, respectivamente. No caso do cisalhamento, a constante de
proporcionalidade recebe o nome de módulo de cisalhamento. Quando da pressão
hidrostática, a constante é o módulo volumétrico.
A relação linear entre a tensão e a deformação traz facilidades na determinação do
módulo de Young, mas essa não é uma forma ideal de medição. Com esse método, é
comum a obtenção de módulos para um mesmo material, que diferem entre si em até
30%, mesmo para materiais que se comportam conforme a lei de hooke como o aço e o
alumínio (BRAGA, 2008). Se o material tiver um módulo alto, a deformação será
mínima, o que dificulta a precisão da medida. Deve ser lembrado que a maioria dos
sólidos tem deformações elásticas inferiores a valores em torno de 0,001. Outros
materiais se deformam muito no regime elástico (deformações da ordem de 4 a 5%),
mas a linearidade entre a tensão e a deformação cessa em torno de 0,01. Além disso, se
algum outro agente contribuir para a deformação (ex: máquina de teste não muito
rígida), as medições podem conduzir a cálculos de falsas deformações e a valores
incorretos de módulos (HUDSON et al., 1976).
Outro fator a ser considerado é que o grau de declividade da curva, ou até mesmo a
linearidade entre a tensão e a deformação, vai depender da taxa de deformação aplicada
ao corpo-de-prova. Quanto maior a velocidade de aplicação de carga, maior será o
módulo de elasticidade. Para taxas muito lentas, o efeito elástico se superpõe aos de
fluência e o módulo tende a diminuir (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994).
70
Mesmo assim, no caso de materiais que não obedecem à lei de Hooke, é usual que o
módulo seja medido a partir do ensaio de compressão/tração. Nestes casos, alguns
autores e normas antigas utilizam o termo módulo de deformação em vez de módulo de
elasticidade. É importante que se tenha em mente que, na ausência de linearidade, o
módulo estático é apenas uma aproximação grosseira do módulo de Young.
No caso de compósitos, a situação se complica devido à presença das interfaces. No
caso de materiais compostos, é comum calcular o módulo a partir das características
elásticas de seus constituintes, ou seja, pela regra das misturas, desde que se considere
uma ligação contínua entre as fases da mistura. No caso de um composto formado por
camadas alternadas de fibras (fase 1) e material de matriz (fase 2), sujeito a uma tensão
aplicada em direção paralela à das fibras, o material não se romperá apenas se a
deformação for a mesma nas duas fases (condição de isodeformação). Neste caso, o
módulo do composto (E
c
) é dado por:
2211
VEVEE
c
+= (3.10)
onde E
1
, E
2
, V
1
e V
2
são módulos de elasticidade e a fração volumétrica das fases 1 e 2.
Quando se considera a interface normal à direção de aplicação da força, a deformação
total do composto é igual à soma das deformações dos componentes (condição de
isotensão):
1221
21
VEVE
EE
E
c
+
=
(3.11)
Uma segunda possibilidade para determinação experimental do módulo de Young é por
meio da realização de ensaios dinâmicos. Os princípios fundamentais dos métodos
dinâmicos decorrem das pesquisas de Rayleigh, em 1877, sobre a velocidade do som
através do material. Ele estabeleceu uma relação entre a freqüência de ressonância, o
módulo de elasticidade do material e a velocidade do som, para sólidos homogêneos,
isotrópicos e perfeitamente elásticos, desprezando os efeitos da inércia à rotação, da
inércia lateral e as distorções por cisalhamento. Diferentes técnicas experimentais
podem ser utilizadas para a determinação da rigidez dinâmica e/ou obtenção do
amortecimento do material, tais como: freqüência ressonante, decremento da vibração
livre, rotação de vigas, vibração forçada, propagação de pulsos e métodos térmicos
(ALMEIDA, 2005).
71
Atualmente, as técnicas experimentais dinâmicas mais usadas podem ser classificadas
em dois métodos: o da velocidade de propagação de pulsos (mecânicos ou ultra-sônicos)
através do material e o da freqüência ressonante. A primeira técnica baseia-se na relação
estabelecida por Rayleigh entre a velocidade de propagação do som (V) em determinada
amostra (material, forma e dimensões), sua massa específica (
ρ
) e suas características
elásticas (MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991):
2
1
∝
ρ
E
V (3.12)
Na técnica de ultra-som, aplica-se uma onda ultra-sônica no material e determina-se o
tempo necessário para que se propague pelo mesmo. Conhecendo-se o comprimento e a
massa específica do material, é possível calcular o módulo utilizando-se a equação 3.12.
O segundo método dinâmico baseia-se na obtenção da freqüência fundamental de
ressonância do elemento a ser analisado quando o mesmo é submetido a vibrações
longitudinais ou transversais ou torcionais. Essas vibrações podem ser geradas por
vibrações mecânicas variáveis (método de ressonância forçada) ou por um impacto
(método de ressonância de impacto). Esses métodos são descritos no subitem 3.2.2.2.
Utilizando-se o valor da freqüência natural de vibração, conhecendo-se a massa e a
geometria do corpo-de-prova, pode-se estimar o módulo de elasticidade dinâmico. A
dedução da relação entre o módulo de elasticidade dinâmico (E
d
) e a freqüência
ressonante é complexa. Sua formulação é apresentada no APÊNDICE A. Na formulação
original de Euler-Bernoulli, consideraram-se sólidos homogêneos, isotrópicos e
perfeitamente elásticos, nos quais a relação comprimento/largura é suficientemente
grande, de modo que se possa desprezar os efeitos do cisalhamento e da inércia à
rotação. De forma a aplicar tal equação a corpos-de-prova com dimensões menos
restritas, Pickett (1945 apud MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991) e Spinner e
Tefft (1961 apud MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991) propuseram alterações na
equação original. No caso do módulo transversal, E
d,t,
o resultado pode ser expresso
por:
2
,
)(
tmtd
mnCMPaE = (3.13)
onde m é a massa da amostra em kg, n
t
é a freqüência fundamental transversal (Hz).
72
No caso de amostras prismáticas:
=
3
3
9464,0
bt
T
C
m
l
(3.14)
e para cilindros:
=
4
3
6067,1,0
d
T
C
m
l
(3.15)
onde l é o comprimento da amostra em metros, d é o diâmetro do cilindro em metros, t
e b são as dimensões em metro da seção transversal do prisma, sendo t na direção da
vibração. T é um fator de correção que depende da relação entre o raio de giração da
seção (i) e o comprimento da amostra (l) e do coeficiente de Poisson (v). Para cilindros
é dado por:
4
d
i = (3.16)
para prismas é dado por:
i = 0,2887t, (3.17)
A norma ASTM C-215 (2002) apresenta uma tabela com os valores do fator de correção
(T) relativos a um coeficiente de Poisson igual a 0,17 (TAB. 3.2).
Tabela 3-2 - Valores do fator de correção T para coeficiente de Poisson de 0,17
i/ l
T
i/ l
T
i/ l
T
i/ l
T
0,00 1,00 0,05 1,20 0,10 1,73 0,20 3,58
0,01 1,01 0,0 1,28 0,12 2,03 0,25 4,78
0,02 1,03 0,07 1,38 0,14 2,36 0,30 6,07
0,03 1,07 0,08 1,48 0,16 2,73 - -
0,04 0,13 0,09 1,60 0,18 3,14 - -
Fonte ASTM C-215 (2002).
Para um coeficiente de Poisson diferente de 0,17, o novo fator de correção (T’) deve ser
obtido com a seguinte expressão
(
)
+
++
=
l
l
/.3228,01
/..22,3.26,01
.'
2
i
ivv
TT
(3.18)
73
Porém, o módulo de elasticidade obtido sofre pouca influência do coeficiente de
Poisson. Uma mudança no coeficiente de 0,17 para 0,26 provoca aumento no valor do
módulo inferior a 2%.
Utilizando-se a freqüência fundamental longitudinal, o módulo dinâmico, E
d,l
, é obtido
com a seguinte expressão:
2
,
)(
lmld
mnDMPaE =
(3.19)
onde n
l
é a freqüência fundamental longitudinal, obtida do ensaio (Hz). Para prismas:
=
bt
D
m
l
4 (3.20)
para cilindros:
=
2
093,5
d
D
m
l
(3.21)
O módulo de elasticidade torcional, E
d,to
, que utiliza a freqüência fundamental torcional
(n
to
) é dado por:
2
,
)(
tomtod
mnBMPaE = (3.22)
onde:
A
R
B
m
l4
=
(3.23)
e
l
é o comprimento da amostra em metros, A é a área da seção transversal da amostra
(m
2
). R é o fator de forma, cujo valor é 1 para cilindros e 1,183 para prismas de seção
transversal quadrada e:
+
−
÷
+=
62
21,052,24
b
a
b
a
b
a
a
b
b
a
R (3.24)
para prismas retangulares cujas dimensões da seção transversal são a e b, com a < b.
Os métodos dinâmicos citados são altamente sensíveis a pequenas diferenças nas
dimensões do corpo-de-prova, às pequenas aproximações nas leituras das respostas nos
instrumentos, às condições de rugosidade da superfície do material, às condições
74
ambientais, à taxa de armadura, entre outros. Esses fatores podem, inclusive, provocar
erros na interpretação dos resultados. No caso de materiais heterogêneos, como os
concretos, para utilizar essa relação, as dimensões da amostra devem ser bem maiores
que as dos materiais constituintes (MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991). No
entanto, são considerados os métodos mais promissores na Engenharia para a
determinação do módulo de elasticidade comumente chamado de dinâmico e do
coeficiente de Poisson, assim como para a análise de durabilidade do material.
3.3.3 Módulo de elasticidade do concreto
São feitas, a seguir, considerações sobre os métodos para determinação do módulo de
elasticidade estático e módulo de elasticidade dinâmico do concreto.
3.3.3.1 Módulo estático
Em um composto, o módulo de elasticidade é afetado pela natureza, fração volumétrica
e características dos constituintes. No caso do concreto, apesar da linearidade típica das
curvas tensão-deformação da pasta de cimento e do agregado, o composto não é um
material tipicamente elástico (FIG. 3.13). A rigidez do composto não reflete totalmente
a rigidez de cada um dos constituintes. Portanto, a lei de Hooke não é obedecida.
Como foi dito, o valor de módulo determinado a partir do ensaio de compressão é
apenas uma aplicação grosseira e aproximada do módulo de Young. A não-linearidade
estaria relacionada ao fato de que o concreto é um material microfissurado mesmo antes
do carregamento. Essa microfissuração estaria relacionada a efeitos de retração por
secagem ou contração térmica atuando na pasta e no agregado, que apresentam
diferentes características térmicas e mecânicas. Como resultado, surgiriam microfissuras
na zona de transição. Para tensões muito baixas, essas trincas permanecem estáveis e o
comportamento do material seria linear.
75
Figura 3-13 - Comportamento tensão-deformação da pasta de cimento, do agregado e do concreto.
A partir de determinado valor de tensão (30% da tensão de ruptura), as fissuras da zona
de transição começam a se propagar, mas a fissuração da matriz é desprezível. De 50 a
60% da tensão de ruptura para cima inicia-se a fissuração da matriz, tendo início a
ruptura do material. A partir de 75% tem-se um tamanho critico, cuja trinca cresce sob
tensão constante até a ruptura do material como um todo. O término da linearidade da
curva coincide com o início da propagação das trincas. Em função dessa não-linearidade
da curva não é possível determinar um só módulo de elasticidade do concreto. Por isso,
são definidos alguns tipos de módulo (FIG. 3.14), numa tentativa de prever o módulo de
elasticidade (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994; MEHTA; MONTEIRO, 2008).
O módulo tangente é determinado pelo coeficiente angular da tangente à curva tensão-
deformação em dada tensão (E
c,tg
); o módulo tangente inicial (E
c,0
) pela inclinação da
reta tangente à curva na origem; e o módulo secante (E
c,s
) pela declividade da reta
traçada da origem a um ponto da curva correspondente à tensão considerada. Alguns
autores e normas utilizam o termo módulo-corda, que é o obtido pela declividade da reta
traçada entre dois pontos do diagrama, enquanto consideram o módulo secante como
aquele obtido pelo segmento de reta que parte da origem à tensão considerada. O
emprego do primeiro evita a utilização de pontos do trecho inicial do diagrama, que
pode apresentar certa concavidade para cima, decorrente do fechamento de pequenas
Deformação 10
-4
Agregado
Pasta de cimento
Concreto
Tensão MPa
76
fissuras preexistentes. Também, pode-se determinar para o concreto o módulo de
deformação à flexão, a partir do ensaio de flexão de uma viga.
Figura 3-14 - Representação esquemática dos módulos de elasticidade tangente: Tangente (E
c,tg
), tangente
inicial (E
c,0
) e secante (E
c,s
).
Fonte: Adaptado da NBR 8522 (ABNT, 2003).
Na prática, os métodos e instrumentos de medida das deformações exercem influência
sobre o valor do módulo de elasticidade e da sua variabilidade. Devido aos aparatos
necessários para o traçado preciso da curva tensão-deformação, comumente os módulos
de elasticidade do concreto são estimados a partir de equações empíricas que
pressupõem relação direta entre o módulo (E
c
), a resistência mecânica à compressão (f
c
)
e a massa específica:
y
c
x
c
fkE
ρ
=
(3.25)
onde k, x e y são constantes determinadas empiricamente, que variam em função da
natureza do agregado e da resistência do concreto.
De modo geral, essas equações foram desenvolvidas a partir de concretos estruturais,
com resistências na faixa de 20 a 40 MPa. Para concretos de alto desempenho, o
composto tende a se comportar de forma mais homogênea, tendo comportamento mais
próximo do elástico, devido às características da zona de transição:
77
ykfE
cc
+=
(3.26)
A norma brasileira para projeto e execução de estruturas em concreto armado e
protendido NBR 6118 (ABNT, 2004) propõe, para o cálculo de concretos simples de
densidade 2.400 kg/m
3
e para o concreto armado e protendido de 2.500 kg/m
3
, que o
módulo de elasticidade tangente, E
c
, de concretos seja dado pela equação 3.27, quando
não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto.
ckc
fE 5600= (3.27)
onde f
ck
é a resistência característica do concreto dada em MPa.
São muitas as equações propostas para a relação entre o módulo de elasticidade e a
resistência do concreto. No entanto, pesquisas como a mostrada na FIG. 3.15 indicam
diferenças significativas entre os valores medidos e previstos por relações empíricas
(COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994; PERSSON, 2004).
Figura 3-15 - Valores experimentais do módulo de elasticidade e a tensão de ruptura de diferentes
concretos.
Fonte: Adaptado de Coutinho e Gonçalves (1994).
Na comunidade da construção brasileira, muito se tem discutido sobre a impossibilidade
de se atender a equação 3.27 com os concretos fabricados no Brasil (informação verbal).
78
Tais situações indicam ser a relação complexa, o que deve ser considerado quando se
utiliza esse método indireto para previsão do módulo.
Trabalho de Almeida (2005) sob orientação do professor Hanai relata que o módulo
estático medido em prismas é maior do que o obtido em corpos-de-prova cilíndricos
para concreto de baixa e média resistência. Isto mostra que o módulo estático não é
adequado para descrever o módulo de Young, que é uma propriedade intrínseca do
concreto, ou seja, não depende da geometria do corpo-de-prova.
Os valores obtidos com tais expressões devem servir apenas como estimativa, pois as
propriedades da zona de transição, o estado de umidade durante o ensaio e o tempo de
cura do corpo-de-prova não exercem a mesma influência na resistência à compressão e
no módulo de elasticidade. Pode-se afirmar que o módulo obtido da curva tensão-
deformação cresce com o aumento da resistência, mas não na mesma proporção. Além
destes, pode-se citar alguns fatores que também influenciam o valor do módulo de
elasticidade do concreto, tais como: as propriedades dos materiais constituintes
(porosidade, dimensão máxima, forma, textura superficial, granulometria, composição
mineralógica, módulo de elasticidade do agregado, etc.); a dosagem da mistura e a
realação água-cimento; a porosidade da matriz; os espaços vazios e as microfissuras da
zona de transição. Destaca-se, entre estes fatores, a quantidade de agregado graúdo na
mistura, pois sendo o módulo de elasticidade do agregado (de peso normal) maior que o
da matriz, quanto maior o teor de agregado, maior o módulo de elasticidade do
concreto, para uma mesma resistência.
O cálculo do módulo do concreto a partir das fases que o compõem pode ser uma
alternativa. No entanto, os dois modelos descritos no subitem anterior para materiais
compostos (equações 3.9 e 3.10) descrevem arranjos simples que não correspondem ao
concreto, pois desconsideram as descontinuidades da interface. Um caminho para a
determinação do módulo de elasticidade do concreto seria a adoção da formulação
proposta para materiais compósitos, supondo ser o concreto um composto constituído de
duas fases sólidas, que têm tensões de ruptura e constantes elásticas diferentes. Existem
modelos elaborados para o caso de concretos. Alguns desses efeitos podem ser
computados por um fator empírico de aderência, como proposto na expressão de
Hirsch:
79
( )
−+
+
−
+⋅
−=
paaap
a
a
a
c
EVEV
z
E
V
E
V
z
E 1
12
1
2
1
1
ππ
(3.28)
onde E
a
e E
p
são os módulos do agregado e da pasta, V
a
é a fração volumétrica do
agregado e
z é um coeficiente que varia de acordo com a aderência, desde 0 (falta de
aderência) até
π
/2 (aderência perfeita). Para valores limites de z (0 ou
π
/2), essa
expressão se reduz às equações 3.10 e 3.11, respectivamente, definindo valores limites
para o módulo de elasticidade de determinado concreto, de onde se observa que os
modelos de isodeformação e isotensão fornecem, respectivamente, os valores superior e
inferior do módulo. No caso desses limites serem próximos, o problema do ponto de
vista prático está resolvido.
3.3.3.2 Módulo dinâmico
Considerando os problemas mencionados, as dispersões associadas aos ensaios de
compressão e a influência dos equipamentos e instrumentos de medida da deformação
usualmente empregados (BEZERRA, 2007; BEZERRA; AGUILAR; CETLIN, 2008;
BUCHER; RODRIGUES FILHO, 1983; CARINO; GUTHRIE; LAGERGREN, 1994;
FORSTIE; SCHNORMEIER, 1981; LIMA; BARBOSA, 2002; MARCO;
REGINATTO; JACOSKI, 2003; MARTINS, 2004; PATNAIK; PATNAIKUNI, 2002;
PIRES, 2006; SACANDIUZZI; ANDRIOLO, 1986), é de se supor que o módulo de
Young do concreto possa ser determinado com mais precisão utilizando métodos
experimentais dinâmicos, que aplicam carregamentos dinâmicos e não interferem
diretamente na amostra. Além disso, para a análise de deformações e tensões das
estruturas carregadas dinamicamente ou daquelas sujeitas a terremotos ou cargas de
impacto, é mais adequado o uso do módulo de elasticidade dinâmico. Como o ensaio
não é destrutivo, inúmeras medidas podem ser feitas no mesmo corpo-de-prova ao
longo de determinado período. Dessa forma, o módulo dinâmico também poderia ser
empregado na avaliação de alterações do concreto submetido à cura, a ataque químico
ou a ciclos de congelamento e descongelamento.
80
Esse módulo poder ser calculado a partir da velocidade de propagação de ondas sonoras
ou da freqüência fundamental de vibração, da massa, das dimensões e da forma do
corpo-de-prova. A rigor, esses métodos não poderiam ser aplicados a materiais não
homogêneos, como o concreto. No entanto, bons resultados são obtidos desde que o
corpo-de-prova tenha dimensões suficientemente grandes e seja feito um número
adequado de medidas de modo a minimizar a influência da heterogeneidade do material.
Alguns autores apresentam a descrição do método da velocidade de propagação de
pulsos para a obtenção do módulo de elasticidade dinâmico do concreto, ou seja, para
verificar o comportamento elástico e até mesmo para estimar a resistência. Neville
(1997) acredita que esse método não oferece confiabilidade, pois diferenças em alguns
parâmetros, como, por exemplo, no coeficiente de Poisson, podem acarretar
significativas diferenças no valor resultante do módulo, causando reduções de até 11%.
O método da freqüência de ressonância para concreto foi desenvolvido por Powers em
1938, que comparou o som obtido do impacto de um martelo em um prisma de concreto
com o som de vários sinos de uma orquestra, calibrados com freqüências diferentes.
Apesar de subjetivo, esse ensaio foi a base para o desenvolvimento de métodos mais
sofisticados. Lochner e Keet (1955 apud MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991)
concluíram que os ensaios não-destrutivos dinâmicos, até então realizados, não eram
adequados para ensaios de campo, por causa do aparato eletrônico empregado, que
necessitava de manutenção, energia e tinha dificuldades para ser transportado. A partir
daí, eles desenvolveram um método simples baseado na pressão do som, para medir o
módulo de elasticidade dinâmico de prismas de concreto com dimensões de 2,5 cm x
2,5 cm x 28 cm ou 10 cm x 10 cm x 50 cm.
O equipamento não-eletrônico, de dimensões reduzidas e de baixo custo, consiste num
ressonador de Helmholtz ajustável, pelo qual pode ser observada a ressonância por meio
de um estetoscópio. A barra de concreto é apoiada pelos pontos nodais e recebe leves
impactos com um martelo, vibrando no modo transversal. A faixa de freqüência desse
método é de aproximadamente 550 Hz a 1700 Hz. Uma expressão é apresentada para
relacionar o módulo de elasticidade dinâmico do material, a leitura obtida e a
temperatura ambiente. Essa expressão é corrigida por um fator que considera os efeitos
do índice de esbeltez e do coeficiente de Poisson. Como a precisão da medida da
freqüência depende da sensibilidade auditiva do operador para variações de intensidade,
81
além da calibração do instrumento, esse método apresenta pouca certeza nos valores
obtidos para o módulo de elasticidade do material, mesmo tendo os autores apresentado
resultados experimentais com desvio-padrão das medidas menor que 1%. Eles
concluíram também que a precisão das medidas aumenta para freqüências mais altas.
Hoje, equipamentos mais sofisticados estão disponíveis no mercado e permitem
determinar a freqüência natural utilizando impacto ou vibrações mecânicas variáveis
(subitem 3.2.2).
A norma britânica BS 1881: Part 209 (BSI, 1990) recomenda que, para a aplicação do
método de ressonância ao concreto, a amostra deve possuir configuração prismática
(tipo viga). Neville (1997) descreve esse tipo de ensaio, no qual o módulo dinâmico é
determinado em corpos-de-prova prismáticos, cujas dimensões devem ser medidas com
bastante precisão e podem ser: 15 x 15 x 75 cm ou 10 x 10 x 50 cm. No entanto, a
norma americana ASTM C-215 (2002) padroniza o ensaio tanto para corpos-de-prova
cilíndricos como prismáticos, desde que a relação entre o comprimento e a maior
dimensão da seção transversal seja de no mínimo 2. A norma ressalta que melhores
resultados são obtidos com os índices de forma entre 3 e 5. Segundo Malhotra e
Sivasundaram (1991), as amostras que possuem índice muito alto ou baixo são
dificilmente excitadas no modo de vibração fundamental. O mesmo pesquisador cita
que ensaios têm sido feitos utilizando cilindros de 15, 2 x 30,5 cm e prismas de 7,6 x
7,6 x 30,5 mm. O fabricante de equipamento C.N.S. Electronics, (1995) sugere uma
relação de 2 para corpos cilíndricos.
Batchelder e Lewis (1953 apud MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991)
preconizaram que os módulos calculados com freqüências transversal e longitudinal
possuem boa correlação entre si, como pode ser visto na FIG. 3.16, principalmente para
o caso de amostras úmidas (JONES, 1957; 1962, apud MALHOTRA;
SIVASUNDARAM, 1991).
Jones, em seus estudos, acha que para os concretos molhados não houve diferença
sensível no módulo de elasticidade dinâmico, determinado a partir dos módulos de
vibração transversal e longitudinal. No entanto, em amostras secas o módulo dinâmico
obtido com o modo transversal de vibração é menor do que com o modo longitudinal
(MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991).
82
Figura 3-16 – Comparação entre os módulos de Young determinados com a freqüência longitudinal e a
transversal. Fonte: Adapatado de Malhotra e Sivasundaram (1991).
O módulo dinâmico tem sido utilizado com sucesso para o estudo de durabilidade de
concreto. Malhotra e Sivasundaram (1991) relataram experimentos que detectaram o
efeito da corrosão dos ácidos sulfúrico e acético em prismas de concreto. Também
foram registradas variações do módulo de elasticidade dinâmico em amostras que foram
submetidas a ciclos de carga-descarga: a tensão no concreto, ainda que por pouco
tempo, afetou o módulo de elasticidade dinâmico, que mostrou diminuição de 3 para
3,5% em 28 dias. Segundo a norma ASTM C-215 (2002), o método se aplica
basicamente para estudo da deterioração do concreto. A mesma norma cita que os
resultados dos ensaios de freqüência ressonante forçada no modo transversal apresentam
coeficiente de variação de 1%, não estando determinadas as precisões para os modos
longitudinal e torcional e para o ensaio de freqüência por impacto.
Só recentemente o método da freqüência de ressonância começa a ser utilizado no
Brasil, em especial para argamassas e madeira (ALMEIDA, 2005; BALLARIN;
NOGUEIRA, 2005; MONTE et al., 2007; OLIVEIRA et al. 2003; SILVA;
CAMPITTELI, 2000; TARGA; BALLARIN; BIAGGIONI, 2007). Para o concreto,
praticamente inexistem pesquisas (EVANGELISTA, 2002).
83
3.3.3.3 Módulo estático x módulo dinâmico
Há alguns anos vários pesquisadores procuram estabelecer a relação entre o módulo
dinâmico e o estático. Essa relação não é facilmente determinada pela análise do
comportamento físico, pois a heterogeneidade do concreto influencia os dois módulos
de forma diferente. Malhotra e Sivasundaram (1991) citam alguns desses trabalhos:
Klieger (1957), Philleo (1955), Powers (1938), Sharma e Gupta (1960), Stanton (1944),
Whitehurst (1966) e Witte e Price (1944). Segundo esses autores, o módulo dinâmico é
geralmente um pouco mais elevado do que o módulo de elasticidade estático. Essa
diferença depende do grau de precauções tomadas durante a realização dos
experimentos e da aplicação dos fatores de correção. Além disso, para altos valores de
módulo de elasticidade estático, os valores dinâmicos e estáticos tendem a se igualar.
Isto significa que para concretos de alta resistência as medidas de módulo utlizando
ultra-som ou freqüência ressoanate podem ser adequadas.
Alguns autores sugerem que o módulo de deformação dinâmico pode ser obtido a partir
do módulo tangente calculado pela reta traçada desde a origem. Em função da forma da
curva, verifica-se que esse módulo tangente inicial é maior, se comparado ao secante ou
a qualquer outro tangente. Sendo assim, é de se esperar que os módulos calculados a
partir de métodos dinâmicos sejam maiores que os estáticos (ASTM C-215 (2002).
Segundo Mehta e Monteiro (2008), o módulo dinâmico é geralmente 20, 30 e 40%
maior do que o módulo estático de deformação para concretos de alta, média e baixa
resistência, respectivamente. Essa diferença dependeria dos cuidados tomados durante a
realização dos ensaios e do emprego de fatores de correção nas equações para o cálculo
do módulo dinâmico.
Para Coutinho e Gonçalvez (1994), a razão entre o módulo tangente e o dinâmico é em
torno de 0,5 para concretos de baixa resistência, crescendo para perto de 0,8 com o
aumento da resistência. A proximidade dos valores para concretos de alto desempenho
estaria relacionada à qualidade da zona de transição. A idade do concreto também afeta
essa relação. Em idades maiores, para o mesmo concreto, o módulo cresce mais
rapidamente do que a resistência (por causa da zona de transição mais densa, atingida
com um maior tempo de cura) e o seu valor em corpos-de-prova secos é menor se
comparado ao de corpos-de-prova úmidos, pois durante a secagem ocorre aumento da
84
microfissuração na zona de transição, alterando o comportamento do diagrama tensão-
deformação. Segundo Neville (1997), geralmente acontece o contrário com os módulos
dinâmicos. Além da natureza e da proporção dos constituintes e dos parâmetros de
ensaio, para dada idade a umidade da amostra afeta os resultados: concretos úmidos
apresentam módulo de elasticidade aproximadamente 15% maior do que os testados no
estado seco. É importante observar que o inverso ocorre com a resistência, que é quase
15 vezes maior quando as amostras estão secas. Também influencia nos resultados a
planicidade da superfície do corpo de concreto (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994;
HAN; KIM, 2004; KUPKOVÁ et al., 2007; LI et al., 1999; ODELSON; KERR;
PRADO, 2006; VICHIT-VADAKAN, 2007; RODRIGUES, 2003; TOPÇU, 2005).
Como os resultados de ensaios de freqüência de ressonância são geralmente utilizados
para calcular o módulo de elasticidade dinâmico do concreto e resultam valores mais
altos que aqueles obtidos de ensaios estáticos, o uso do módulo dinâmico na fase de
projeto pode ser um problema a se considerar, assim como também não é ideal a
estimativa da resistência à compressão ou à flexão do concreto por meio de correlações
entre estas e o módulo dinâmico, sem terem sido feitos ensaios experimentais com os
mesmos materiais.
85
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho, estudam-se o desempenho, a caracterização e avaliação da integridade
de concretos utilizando como parâmetros a freqüência natural de vibração, o coeficiente
de amortecimento e módulo de elasticidade dinâmico determinados pelo método de
freqüência ressonante. Para balizar os experimentos, foram empregados os ensaios de
compressão uniaxial, nos quais se determinou a resistência à compressão. Não foi
calculado o módulo de elasticidade dos compostos cimentícios no ensaio de compressão
devido às dificuldades de execução e à grande imprecisão envolvida no método
(subitem 3.3.2). Optou-se em utilizar a escleromeria como ensaio complementar. Como
na literatura existem divergências quanto a algumas variáveis que afetam a
determinação da freqüência ressonante (subitem 3.3.3.2), inicialmente foram avaliados
os parâmetros que poderiam afetar sua medida, adotando como referência barras
metálicas.
São analisados concretos de cimento Portland fabricados com diferentes tipos e/ou
proporções de aglomerante, britas, água e ar. Também são avaliados corpos-de-prova
produzidos com diferentes tipos de imperfeições e amostras deterioradas artificialmente.
Nos experimentos, é analisada a possibilidade de utilização da termografia para
avaliação das mesmas situações consideradas pela freqüência ressonante. Deve ser
ressaltado que, em função dos objetivos do estudo, a trabalhabilidade do concreto não
era fator primordial, considerando que a homogeneidade do composto não foi
comprometida. O importante foi a adoção de um concreto de referência, por isso se
optou pelo não uso de exigisse aditivos na sua fabricação (diminuição de variáveis a
serem analisadas), que tivesse boa trabalhabilidade, cujos fatores de controle fossem o
relação água-cimento e cimento/argamassa. Obviamente, um cuidado adicional foi
necessário para a moldagem de concretos de menor slump, de modo a se garantir um
concreto endurecido o mais homogêneo possível. O controle do consumo de cimento
também não foi foco do trabalho, apesar de ser basicamente o mesmo nos concretos
produzidos, em função das variáveis que foram fixadas.
86
4.1 Materiais
Para a aferição do ensaio de freqüência ressonante foram utilizadas barras prismáticas e
cilíndricas de aço 1020 e de liga de alumínio 6061, de diferentes dimensões.
Os concretos analisados foram fabricados com cimento do tipo CPV ARI-RS (cimento
Portland de alta resistência inicial resistente a sulfatos), água, agregados graúdos e
agregados miúdos. A água usada foi a disponibilizada para consumo na região
metropolitana de Belo Horizonte pela Companhia de Saneamento de Minas Gerais
(COPASA). Utilizou-se como agregado miúdo areia natural lavada; e como agregado
graúdo brita gnaisse de duas diferentes granulometrias (comercialmente denominadas
britas 0 e 1), brita calcária 0 e argila expandida . Os agregados, o cimento e a argila
utilizados (FIG. 4.1) são provenientes do comércio da região metropolitana de Belo
Horizonte.
Cimento CPV ARI-RS
Areia natural lavada
Brita gnaisse 0
Brita gnaisse 1
Brita calcária 0
Argila expandida
Figura 4-1 – Matérias-primas utilizadas na fabricação dos concretos.
Na confecção dos concretos, a relação água-cimento variou de 0,4 a 0,9 para um
conjunto de experimentos e foi fixa e igual a 0,5 para os demais. Tais valores foram
escolhidos de modo que fosse possível a obtenção de concretos muito porosos, de
porosidade usual e de alto desempenho (NBR 6118 – ABNT, 2004). O traço de
dosagem escolhido foi 1:1:2 (em peso), ou seja, uma unidade de cimento, uma de areia e
duas de agregado graúdo. Tal escolha se deu com base no traço utilizado para
determinação da resistência do cimento - NBR-12655 (ABNT, 2005a). No caso de
concretos confeccionados com argila expandida, em função do baixo peso específico e
87
da alta porosidade, o traço foi adaptado: utilizou-se um volume de argila que
correspondia ao volume da massa de brita utilizada no traço (FIG. 4.2).
Figura 4-2 - Volumetria da argila expandida.
Em alguns corpos-de-prova de concreto foram adicionadas fibras de aço e em outros
foram produzidas imperfeições (FIG. 4.3). Foram adicionadas fibras curtas da marca
Dramix tipo RL 45/30 (dupla ancoragem (R), soltas (L), de comprimento (l) de 30 mm,
diâmetro (d) de 0,62 mm e fator de forma (l/d) classe 45) na dosagem de 30g/m
3
de
concreto. Também foram confeccionados corpos-de-prova com fibras longas na forma
de barras de aço CA-60 (aço para concreto armado com no mínimo 600 MPa de limite
de escoamento, 630 MPa de limite de resistência e 5% de alongamento em 10
diâmetros) de 15 cm de comprimento e 5 mm de diâmetro. As imperfeições do concreto
foram produzidas pela incorporação na massa fluida de diferentes materiais: bolas de
vidro de 20 e 25 mm de diâmetro, bolas de pingue-pongue de 40 mm de diâmetro e
aditivo incorporador de ar marca Tecfill fornecido pela Supermix, em quantidade
suficiente (0,1% por kg de cimento) para a formação de 13% de vazios (a normalização
vigente recomenda 2%). As fibras de aço e as imperfeições incrustadas no concreto
foram adquiridas no comércio de Belo Horizonte.
88
Fibras curtas - Dramix RL 45/30
Fibras longas de aço - CA-60
Incorporador de ar - Tecfill
Bolas de vidro
Bolas de pingue-pongue
Figura 4-3 - Materiais adicionados aos concretos.
Todos os materiais foram criteriosamente separados, secos (quando necessário),
identificados e acondicionados em tonéis plásticos com tampa para não haver nenhum
tipo de contaminação. O armazenamento se deu no laboratório de materiais do CEFET-
MG até o início dos trabalhos de moldagens.
4.2 Métodos
Os métodos empregados para o estudo dos materiais cimentícios foram essencialmente
experimentais e podem ser descritos nas seguintes etapas:
caracterização das matérias-primas;
aferição do ensaio de freqüência ressonante pelo estudo da influência das
variáveis de ensaio nas medidas de freqüência ressonante e do módulo de
elasticidade utilizando materiais de referência (aço e liga de alumínio);
moldagem e cura dos compósitos;
89
medida de slump;
deterioração dos concretos;
determinação da resistência mecânica (por ensaios de compressão e
esclerometria);
determinação da freqüência natural de vibração/coeficiente de
amortecimento/módulo de elasticidade utilizando freqüência ressonante;
obtenção de imagens termográficas;
análise dos resultados.
A representação esquemática das etapas do trabalho experimental é apresentada na FIG.
4.4. Essas atividades foram desenvolvidas nos laboratórios da UFMG e do CEFET/MG.
90
Figura 4-4 - Representação esquemática das etapas do projeto.
Relatório
final
Aquisição dos
materiais
Aferição dos equipamentos de
freqüência ressonante
Caracterização dos
materiais
Moldagem dos compostos
com e sem imperfeições
Cura por diferentes
tempos
Deterioração por
ataque químico
Deterioração por
ação de altas
temperaturas
Ensaios de
resistência à
c
ompressão
Ensaios de
esclerometria
Ensaios de
freqüência
r
essonante
Ensaios de
termografia
Análise geral dos
resultados
Realização de
experimentos
complementares
Análise preliminar
Medida do slump
Definição do programa
experimental
91
O trabalho experimental teve início com a caracterização dos materiais, baseada nas
recomendações vigentes. Em seguida, foram confeccionados os concretos, realizados os
slump test, moldados e curados os corpos-de-prova. Após os tempos de cura
especificados, foram realizados os ensaios.
4.2.1 Controle dos experimentos
De forma a facilitar o controle, os experimentos foram classificados em seis grupos de
acordo com a variável a ser analisada pelos ensaios de resistência mecânica, freqüência
ressonante, esclerometria e termografia:
grupo I – influência do teor de água;
grupo II – influência da granulometria dos agregados;
grupo III – influência da natureza do agregado;
grupo IV – deterioração por ação de altas temperaturas ;
grupo V – deterioração por ataque químico;
grupo VI – inclusão de imperfeições.
Na FIG. 4.5 são apresentadas de forma esquemática as especificações de cada grupo.
Em seguida, na FIG. 4.6 é apresentado o número de corpos-de-prova avaliados em cada
um dos ensaios. Na TAB. 4.1 são apresentadas as quantidades dos materiais utilizados
para a fabricação dos concretos estudados.
92
Figura 4-5 - Esquema das etapas do programa de experimento.
Ensaios realizados aos
28
dias
GRUPO I
Influência da água
GRUPO II
Influência da
granulometria
CP V Plus
areia natural/lavada
a/c = 0,5
GRUPO IV
Deterioração por altas
te
mperaturas
GRUPO V
Deterioração por
reação química
21CPs para cada item
dos grupos.
Resistência à
compressão
4 CPs x 4
idades de
ensaio + 1 CP
seco = 17CPs
Freqüência
ressonante
3CPs + 1CP
Seco= 4CPs
GRUPO VI
Inclusão de
imperfeições
GRUPO III
Influência da natureza
do agregado
Sem brita
Brita gnaisse 1
Sem defeito
Incorporador de ar
Bola de vidro
Fibra de aço curta
Fibra
de aço longa
Solução de ácido
clorídrico
Solução de ácido
acético
9CPs para cada item
dos grupos
Resistência à
compressão
4CPs + 1 CP
seco = 5CPs.
Freqüência
ressonante
Esclerômetro
Termografia
3CPs + 1 CP
Seco = 4CPs
CP V Plus
areia natural /lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
CP V Plus
areia natural/lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
CP V Plus
areia natural/lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
200
0
por 1 hora
354
0
por 1 hora
Brita calcária 0
Argila expandida
Brita gnaisse 0
CP V Plus
areia natural/lavada
b
rita gnaisse 0
Balão de ar
CP V Plus
areia natural/lavada
a/c = 0,5
Ensaios realizados aos
7
-
14
-
21
-
28
-
42
-
63
-
105
Ensaios realizados aos
7
-
28
-
63
-
105
dias
a/c = 0,9
a/c = 0,5
a/c = 0,7
a/c = 0,4
93
Figura 4-6 - Número de corpos-de-prova avaliados em cada um dos ensaios.
r
esistência
à
compressão
(4 Cps x 4 ensaios x 4
situações) +1 seco = 68
freqüência
ressonante
(3 Cps + 1 seco) x 4
situações = 16
Total Cps = 84
r
esistência
à
compressão
(4 Cps x 4 ensaio x 3
situações) +1 seco = 51
freqüência
ressonante
(3 Cps + 1 seco) x 3
situações = 12
Total Cps = 63
r
esistência
à
compressão
(4 Cps + 1 seco) x 2
situações = 10
freqüência
ressonante
esclerômetro
termografia
(3 Cps + 1 seco) x 2
situações = 8
Total Cps = 18
r
esistência
à
compressão
(4 Cps + 1 seco) x 2
situações = 10
freqüência
ressonante
esclerômetro
termografia
(3 Cps + 1 seco) x 2
situações = 8
Total Cps = 18
r
esistência
à
compressão
(4 Cps + 1 seco) x 6
situações = 30
freqüência
ressonante
esclerômetro
termografia
(3 Cps + 1 seco) x 6
situações = 24
Total Cps = 54
r
esistência
à
compressão
(4 Cps x 4 ensaios x 2
situações) +1 seco = 34
freqüência
ressonante
(3 Cps + 1 seco) x 2
situações = 8
Total Cps = 42
Total de corpos de prova 279
GRUPO I
Influência da água
GRUPO II
Influência da
granulometria
CP V Plus
areia natural/lavada
a/c = 0,5
GRUPO IV
Deterioração por altas
temperaturas
GRUPO V
Deterioração por
reação química
GRUPO VI
Inclusão de
imperfeições
GRUPO III
Influência da natureza
do agregado
CP V Plus
areia natural/lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
CP V Plus
areia natural/lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
CP V Plus
areia natural/lavada
brita gnaisse 0
a/c=0,5
CP V Plus
areia natural/lavada
b
rita gnaisse 0
CP V Plus
areia natural/lavada
a/c = 0,5
Sem brita
Brita gnaisse 1
Sem defeito
Incorporador de ar
Bola de vidro
Fibra de aço curta
Fibra de aço longa
Solução de ácido
clorídrico
Solução de ácido
acético
200
0
por 1 hora
354
0
por 1 hora
Brita calcária 0
Argila expandida
Brita gnaisse 0
Balão de ar
a/c = 0,9
a/c = 0,5
a/c = 0,7
a/c = 0,4
94
Tabela 4 -1- Quantidades dos materiais utilizados para fabricação dos concretos
Cimento
CPV Plus
(kg)
Areia
comum
lavada (kg)
Brita
gnaisse
(kg)
Brita
gnaisse 1
(kg)
Brita
calcárea
(kg)
Argila
Expandida
(kg)
Água (kg)
a/c = 0,4 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 52,5 0,0 0,0 0,0 10,5 115,5
a/c = 0,5 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 52,5 0,0 0,0 0,0 13,1 118,1
a/c = 0,7 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 52,5 0,0 0,0 0,0 18,4 123,4
a/c = 0,9 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 52,5 0,0 0,0 0,0 23,6 128,6
Sem brita 21 30 3,5 105,0 1:3 26,3 78,8 0,0 0,0 0,0 0,0 13,1 118,1
Brita gnaisse 1 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 0,0 52,5 0,0 0,0 13,1 118,1
Brita Gnaisse 0 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 52,5 0,0 0,0 0,0 13,1 118,1
Brita Calcárea 0 21 30 3,5 105,0 1:1:2 26,3 26,3 0,0 0,0 52,5 0,0 13,1 118,1
Argila expandida 21 30 1,1 33,9 1:1:2 8,5 8,5 0,0 0,0 0,0 17,0 4,2 38,1
200º por 2 hora 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
354º por 55 minutos 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Solução Clorídrico 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Solução Acético 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Sem defeito 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Incorporador de ar 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Bola de Vidro 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Fibra de aço curta 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Fibra de aço longa 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Balão de ar 9 11 3,5 38,5 1:1:2 9,6 9,6 19,3 0,0 0,0 0,0 4,8 43,3
Total 279 380 * 1259 * 315 367 455 53 53 17 170 1429
LEVANTAMENTO DOS QUANTITATIVOS
Grupos Variações
Número de
CPs
Cálculo
Material
CPs
Massa 1
CP (kg)
Massa
Total (kg)
Traço
Materiais a serem adquiridos
Massa
Total com
água (kg)
GRUPO V
Deterioração por reação
química
GRUPO VI
Inclusão de Imperfeições
GRUPO I
Influência da água
GRUPO II
Influência da
granulometria
GRUPO III
Influência da natureza do
agregado
GRUPO IV
Deterioração por altas
temperaturas
95
Como o trabalho experimental foi desenvolvido em dois locais distintos e,
principalmente, devido ao grande número de amostras, bem como à natureza do
material estudado, cujas propriedades variam fortemente com a idade, foi necessária
uma programação rigorosa dos experimentos, no que diz respeito à confecção/cura dos
corpos-de-prova e medição das propriedades. Essa programação foi feita utilizando a
ferramenta MS – Project, que é um software de gerenciamento de projetos com a
colaboração da Faculdade COTEMIG. Ao final do planejamento, o programa gerou
uma agenda de atividades diárias relativa a todas as etapas do projeto.
96
1.1.2 Caracterização do material
Após a compra, foram analisadas as propriedades físico-químicas dos constituintes dos
compostos cimentícios. Essas análises foram realizadas no Laboratório de Materiais do
CEFET/MG. Os métodos de ensaios utilizados na maioria das vezes são aqueles
existentes na normalização técnica brasileira.
4.2.1.1 Caracterização do aço e da liga de alumínio
Foram utilizadas para aferição do ensaio de freqüência ressonante barras de aço 1020 e
de liga alumínio 6061 adquiridas do comércio local. Foram analisadas barras
prismáticas e de seção circular de diferentes comprimentos (l) e arestas/diâmetros
(TAB. 4.2). A composição das barras foi verificada por análise química.
Tabela 4-2- Dimensões dos corpos-de-prova de aço e alumínio utilizados para aferição do ensaio de
freqüência ressonante.
Comprimento (m)
Diâmetro ou
Aresta (m)
Índice de forma
0,020 5,0
0,10
0,050 2,0
0,020 7,5
0,15
0,050 3,0
0,020 10,0
0,20
0,050 4,0
0,020 12,5
0,25
0,050 5,0
0,020 15,0
0,30
0,050 6,0
4.2.1.2 Determinação da composição granulométrica
A graduação dos agregados foi determinada pela análise granulométrica, de acordo com
o método de ensaio NBR NM 248 (ABNT, 2003b). Para execução dos ensaios, usaram-
97
se dois diferentes sistemas vibratórios de peneiras metálicas (FIG. 4.7) com aberturas de
malhas distintas para agregados graúdos e miúdos NBR 7211 (ABNT, 2005b). O
critério de preparo e redução das amostras seguiu o procedimento da NBR NM-27
(ABNT, 2001a), tomando-se as precauções necessárias para que as amostras coletadas e
reduzidas não perdessem sua representatividade em relação ao material original.
Figura 4-7 - Sistema vibratório de peneiras metálicas para agregados graúdos e miúdos.
Para execução do ensaio de granulometria do agregado miúdo foram preparadas duas
amostras de 500 g de areia comum lavada. As amostras foram secas em estufa e
colocadas, uma de cada vez, dentro do conjunto de peneiras circulares de malhas 9,5 a
0,15 mm. O conjunto foi acoplado a um fundo adequado e permaneceu em agitação
mecânica por sete minutos. Após o peneiramento, o material de todas as peneiras
(inclusive do fundo) foi removido e calcularam-se: o percentual retido em massa de
cada peneira, as percentagens médias retidas e acumuladas, a dimensão máxima
característica dos grãos e o módulo de finura do agregado. Para os agregados graúdos, o
critério utilizado para determinação das características físicas foi basicamente o mesmo.
Os materiais, antes de serem usados, foram colocados para secar e ventilar no piso do
laboratório. Foram utilizadas duas amostras secas de 3 kg de cada agregado. A primeira
amostra foi colocada dentro do peneirador retangular e submetida ao peneiramento em
peneiras da série normal e intermediária, em conformidade com o estabelecido pela
norma NBR 7211 (ABNT, 2005b). O conjunto, inclusive o fundo, permaneceu em
agitação mecânica por 10 minutos. Antes da retirada do material do peneirador, foi
conferida manualmente a passagem dos grãos pela tela, sem, contudo, fazer pressão
sobre ela. O material foi então removido das peneiras (descartando-se o fundo) para um
recipiente identificado e depois calculados o percentual retido em massa de cada peneira
98
e as percentagens médias retidas e acumuladas. A dimensão máxima característica do
agregado graúdo foi definido tomando-se como base a abertura da malha, das peneiras,
em milímetros, à qual correspondeu uma porcentagem retida acumulada menor que 5%
em massa. O módulo de finura foi determinado pela soma das porcentagens retidas
acumuladas em massa do agregado, dividida por 100. Em seguida, procedeu-se ao
peneiramento das amostras de cada um dos agregados graúdos.
4.2.1.3 Determinação da massa específica
O ensaio de massa específica para o agregado miúdo utilizou o método do frasco de
Chapman (FIG. 4.8) e foi feito segundo a NBR 9776 (ABNT, 1987b). Para execução
do ensaio, prepararam-se três amostras de 500 g de areia natural lavada. Inicialmente,
adicionou-se água aos frascos até a marca de 200 cm
3
, deixando-os em repouso para
estabilizar o nível. Na seqüência, introduziram-se lentamente 500 g de areia seca em
cada frasco, agitando-os para eliminar todo o ar arrastado. Em seguida, as três amostras
da areia permaneceram em suspensão nos frascos de Chapman até sua leitura final, 24
horas depois.
Figura 4-8 Massa específica pelo método do frasco de Chapman.
Para os agregados graúdos, o método foi o da balança hidrostática descrito na NBR NM
53 (ABNT, 2003c). Primeiramente, fez-se a aferição de massa numa amostra seca antes
da imersão em água por 24 horas. Esta amostra, antes do procedimento de imersão, foi
acondicionada em peneira com abertura 4,75 e lavada em água corrente. Transcorrido o
período de imersão, o material foi colocado em estufa por 24 horas, à temperatura de
100º (± 5)°C. Depois de seco, o material permaneceu em temperatura ambiente até
atingir ± 28ºC. Procedeu-se, então, à pesagem hidrostática nos materiais. Depois da
99
pesagem, a amostra foi retirada da água e colocada sobre uma flanela seca, onde a água
não absorvida foi removida. Foi feita outra aferição na condição saturada com superfície
seca e, juntamente com os resultados obtidos na pesagem hidrostática e na amostra
original, calculou-se a massa específica do material (FIG. 4.9).
Figura 4-9 Massa específica e absorção de água pela balança hidrostática.
4.2.1.4 Determinação do índice de forma pelo método do paquímetro
O ensaio para a determinação do índice de forma do agregado graúdo pelo método do
paquímetro baseou-se na NBR 7809 (ABNT, 1983b). Sua execução requereu uma
amostra inicial de 8 kg de cada agregado seco em estufa à temperatura de 100º (± 5)°C.
A amostra inicial foi separada granulometricamente, conforme NBR 248 (ABNT,
2003b), passada pelas peneiras da série normal e intermediária. Foram desprezadas as
partículas passantes pela peneira com abertura de malha 9,5 mm e aquelas cujas
porcentagens, em massa, retidas individuais foram iguais ou inferiores a 5%. Obtidas as
amostras, procedeu-se ao quarteamento até obterem-se 200 grãos para a realização do
ensaio. Com o auxílio do paquímetro, foi efetuada a medida do comprimento (maior
dimensão possível de ser medida em qualquer direção do grão) e da espessura (menor
distância possível entre planos paralelos entre si em qualquer direção do grão) de cada
um dos grãos obtidos pelo quarteamento (FIG. 4.10). O índice de forma é dado pela
média ponderada das relações entre o comprimento e a espessura de todos os grãos
medidos.
100
Figura 4-10 - Índice de forma do agregado.
4.2.1.5 Determinação de impurezas orgânicas na areia
Para a determinação da existência ou não de impurezas orgânicas na areia, seguiu-se a
NBR NM 49 (ABNT, 2001b). O método analisa qualitativamente a presença de matéria
orgânica contida na areia em quantidade suficiente para prejudicar o desempenho do
concreto. Para tanto, 200 g da areia permaneceram por 24 horas em solução de
hidróxido de sódio ao abrigo da luz. Findo o período de repouso, a solução que esteve
em contato com a areia foi filtrada e a cor da solução obtida no ensaio foi comparada
com a da solução padrão preparada para este fim (FIG. 4.11).
Figura 4-11 - Impurezas orgânicas da areia.
4.2.1.6 Ensaio de material pulverulento
A determinação do material pulverulento foi realizada utilizando a NBR NM 46
(ABNT, 2006). Os agregados foram secos em estufa à temperatura de 100º (± 5)°C pelo
período de 24 horas. Após estabilizar sua temperatura, foram coletadas duas amostras de
1.000 g de areia e duas amostras de cada agregado graúdo, também de 1.000 g. A
101
primeira amostra foi colocada em um recipiente e adicionada água em quantidade
suficiente para cobri-la. O conjunto foi agitado para provocar a separação do material
pulverulento e, em seguida, a água com o material em suspensão foi vertida sobre o
conjunto de peneiras entre 1,2 e 0,075 mm. As peneiras foram lavadas sobre o
recipiente para que todo o material retido retornasse para a amostra em análise. Essa
operação foi repetida até que a água de lavagem estivesse clara. O mesmo procedimento
foi realizado para as outras amostras. Após a lavagem as amostras dos agregados, foram
colocadas novamente na estufa por 24 horas à temperatura de 100º (± 5)°C. O teor de
material pulverulento de cada amostra foi obtido pela diferença entre as massas da
amostra antes e depois da lavagem e o resultado obtido pela média aritmética das duas
determinações.
4.2.1.7 Ensaio de torrões de argila e materiais friáveis
Para este procedimento experimental, foi obedecida a norma NBR 7218 (ABNT,
1987a). As amostras iniciais de agregado miúdo e agregados graúdos foram colocadas
em estufa por 24 horas à temperatura de 100º (± 5)°C. Posteriormente, foram retiradas
duas amostras de 200 g de cada agregado passante na peneira 4,8 mm e retido na malha
1,2 mm. Esses materiais foram estendidos em bandejas e os torrões de argila ou
materiais friáveis foram identificados e desfeitos pressionados entre os dedos. As
amostras foram novamente pesadas. O resultado foi calculado segundo a expressão dada
pela norma; e o teor de argila em torrões e materiais friáveis da amostra foi dado pela
somatória dos teores parciais encontrados.
4.2.1.8 Ensaio de abrasão Los Angeles
Para o ensaio de abrasão “Los Angeles”, a norma utilizada foi a NBR NM 51 (ABNT,
2000). Para cada tipo de agregado graúdo foram preparadas duas amostras com
granulometrias diferentes. Antes de serem introduzidas no tambor da máquina, as
amostras foram lavadas em água corrente, secas em estufa à temperatura de 100º (±
5)°C, aferidas e misturadas entre si. A carga abrasiva constituída por esferas de aço foi
definida de acordo com a mesma norma e o tambor contendo os agregados e as esferas
girou na velocidade de 30 a 33 rpm, até completar 500 rotações. Após esse período, o
102
material foi retirado do tambor, peneirado em uma malha de 1,7 mm, lavado em água
corrente, seco novamente em estufa e aferido granulometricamente (FIG. 4.12). A
porcentagem de perda por abrasão foi calculada pela fórmula determinada na norma.
Figura 4-12 - Abrasão Los Angeles dos agregados graúdos.
4.2.1.9 Ensaio de esmagamento
O ensaio de esmagamento seguiu os parâmetros descritos na norma NBR 9938 (ABNT,
1987c). Para execução do ensaio, uma amostra de cada agregado foi separada
granulometricamente, conforme NBR 248 (2003b). Depois de passar pela peneira 12,5
mm, a fração retida na peneira 9,5 mm foi utilizada para formar amostras de 10 kg de
cada agregado. O material foi colocado em estufa à temperatura de 100º (± 5)°C por 24
horas. Depois de seco e resfriado à temperatura ambiente, cada amostra foi submetida a
novo peneiramento nas mesmas peneiras 12,5 e 9,5 mm. Para o ensaio, usou-se uma
prensa Emic, modelo DL30000N, e aparelhagem de cilindros de aço indicados pela
norma. O cilindro removível do equipamento (FIG. 4.13) foi preenchido com três
camadas sucessivas de agregado, cada uma com aproximadamente 1/3 da altura do
recipiente, aplicando-se em cada camada 25 golpes com a extremidade arredondada de
uma haste rasando a última camada.
Figura 4-13 - Determinação da amostra inicial (Mi).
103
Com o volume de material contido dentro do cilindro, determinou-se a massa inicial
(M
i
) mediante pesagem. Em seguida, o material foi colocado no cilindro de ensaio,
também em três camadas sucessivas de mesma espessura, aplicando-se em cada uma
delas 25 golpes com a haste de socamento. O cilindro recebeu o êmbolo compressor e
foi acoplado ao equipamento, nivelando a superfície do material. O conjunto foi
colocado na base inferior da prensa de ensaio para receber a carga de compressão,
conforme pode ser visto na FIG. 4.14.
Figura 4-14 - Procedimento do ensaio de esmagamento.
A norma NBR 9938 (ABNT, 1987c) sugere carga de 400 kN, à razão de 40 kN/min.
Como o limite de carga do equipamento utilizado é de 300 kN, a prensa foi programada
para aplicar a carga máxima com pequena margem de segurança, ou seja, 295 kN. Após
aplicar a carga total, o material contido no cilindro foi removido e submetido ao último
peneiramento através da malha 2,4 mm. O material que ficou retido na peneira foi
aferido, obtendo-se, assim, a massa final (M
f
) do material (FIG. 4.15).
Figura 4-15 - Peneiramento e aferição da massa final (M
f
).
O resultado dos ensaios de resistência ao esmagamento foi calculado conforme a norma
e a resistência ao esmagamento foi obtida pela média de duas determinações.
104
4.2.2 Confecção dos concretos
A segunda etapa do trabalho experimental, também realizada no Laboratório de
Materiais do CEFET-MG, foi dedicada à confecção dos compósitos com agregados de
diferentes naturezas, variando-se a relação água/aglomerante em um primeiro momento
e com relação água-cimento de 0,5 na segunda etapa. Também, foram fabricados
corpos-de-prova com e sem imperfeições internas.
4.2.2.1 Confecção dos corpos-de-prova
A mistura dos concretos seguiu o procedimento normalmente utilizado pelo
laboratorista do CEFET/MG. Para tanto, utilizou-se uma betoneira Menegotti de 400
litros, motor de 2 CV. A seqüência de colocação do material na betoneira foi igual para
todas as betonadas e se deu pela colocação de água, agregado graúdo, cimento e
agregado miúdo. O tempo para mistura também foi definido e mantido em sete minutos
contados a partir da colocação do último material dentro da betoneira até a remoção do
concreto da cuba para medidas de consistência pelo abatimento de tronco de cone ou
slump test, segundo a NBR NM 67 (ABNT, 1998). A FIG. 4.16 mostra a betoneira
utilizada e uma das medidas de consistência do concreto.
Figura 4-16 - Betoneira Menegotti - Medida de consistência do concreto.
105
As fibras curtas e o aditivo incorporador de ar foram adicionados diretamente ao
concreto fresco na betoneira (FIG. 4.17).
Figura 4-17 – Concreto com adição de fibras curtas e 13% de ar incorporado ao concreto.
As barras de aço foram introduzidas manualmente nos corpos-de-prova logo após a
moldagem. A adição de bolas de vidro e de pingue-pongue foi feita durante a
moldagem, ou seja, esses materiais foram depositados entre as camadas adensadas (FIG.
4.18).
Figura 4-18 - Inclusão de imperfeições e barras de aço.
4.2.2.2 Moldagem e cura dos corpos-de-prova
Para a moldagem dos corpos-de-prova foram empregadas fôrmas metálicas com
dimensões de 200 mm de altura por 100 mm de diâmetro. Tanto na moldagem como na
cura foram seguidas as recomendações preconizadas pela NBR 5738 (ABNT, 2003a).
Após a retirada do concreto da betoneira, ele foi lançado nas formas e adensado
manualmente com haste de metal e acomodado com batimentos laterais para evitar
excesso de bolhas de ar (FIG. 4.19).
106
Figura 4-19 – Moldagem dos corpos-de-prova.
A cura foi feita ao ar livre, nas primeiras 24 horas. Após esse período, as formas foram
desmontadas e os corpos-de-prova identificados e submetidos à cura por imersão em
água até a idade estabelecida para realização dos diversos ensaios (FIG. 4.20).
Figura 4-20 – Cura dos corpos-de-prova.
4.2.3 Deterioração pela ação de altas temperaturas
A simulação da deterioração dos concretos pela ação de altas temperaturas foi realizada
em forno tipo mufla Elektro-Therm KK 260 - SO1060 do Laboratório de Laminação do
Departamento de Engenharia Metalúrgica da UFMG. A deterioração foi simulada em
nove corpos-de-prova. Após o período de cura de 28 dias, as amostras foram retiradas
da água, permanecendo em temperatura ambiente por cerca de 20 dias antes de serem
submetidas a altas temperaturas. Inicialmente, pretendia-se que os corpos-de-prova
fossem submetidos a temperaturas de 200ºC e 600ºC, respectivamente, por duas horas
(FIG. 4.21).
107
Figura 4-21 - Deterioração por altas temperaturas.
No entanto, transcorrido 55 minutos e quando o forno atingiu a temperatura de 354ºC,
um dos corpos-de-prova rompeu-se espontaneamente, danificando os refratários do
forno (FIG. 4.22). Sendo assim, optou-se por estudar corpos-de-prova submetidos
apenas às temperaturas de 200 e 354ºC por duas e uma hora respectivamente.
Figura 4-22 – Corpo-de-prova danificado após aquecimento a 354ºC.
Depois de desligada a mufla, as amostras permaneceram no forno até resfriarem
totalmente e então foram encaminhadas para os ensaios de resistência à compressão,
ensaio de esclerômetro, módulo de Young e de termografia.
4.2.4 Deterioração por ataque químico
A simulação da deterioração por ataque químico foi feita com supervisão da equipe do
laboratório de análise química do Departamento de Engenharia Química da UFMG. No
108
Brasil, ainda não existem ensaios normalizados sobre o ataque por ácidos ao concreto.
No entanto, a literatura apresenta alguns trabalhos científicos cujos métodos de
degradação de corpos-de-prova de argamassa são testados em laboratório
(BERGAMASCHI, 2007; TURKEL; FELEKOGLU; DULLUC, 2007). Como neste
estudo o objetivo é avaliar a influência dos defeitos introduzidos pelas reações químicas
na freqüência natural de vibração do concreto, optou-se por um método particular,
usando o ácido clorídrico (HCl) e o ácido acético (C
2
H
4
O
2
) como agentes agressores.
Para tanto, foram preparadas três soluções diluídas em água destilada. No caso do ácido
clorídrico, a solução foi de 1,0 mol por litro. Para o ácido acético, trabalhou-se com as
concentrações de 1,0 e 2,0 mol por litro. Todo o processo foi feito à temperatura
ambiente. Depois de preparadas as soluções, os corpos-de-prova foram acondicionados
dentro de tanques que as continham. No caso do ácido clorídrico, ficaram imersos por
sete dias. No caso do ácido acético, a imersão foi feita inicialmente na solução 1 molar
por sete dias. Como não se constatou danos visíveis, os corpos-de-prova ficaram
imersos por mais sete dias em nova solução contendo 2,0 mol por litro. Completado o
ciclo, os corpos-de-prova foram retirados da solução, lavados, secos naturalmente por
24 horas e submetidos aos ensaios propostos (FIG. 4.23).
Figura 4-23 - Deterioração química de ácido clorídrico e acético.
4.2.5 Determinação da resistência à compressão
Após a cura nos tempos previstos (07, 28, 63, e 105), os corpos-de-prova foram
retirados da água, escorridos e submetidos ao processo de regularização das bases
opostas, com uma pasta quente de enxofre (processo de capeamento). Tal regularização
tem como objetivo a realização de um ensaio com aplicação uniforme de carga. Os
corpos-de-prova capeados (FIG. 4.24) foram, então, submetidos ao ensaio de
109
compressão e levados à ruptura, observando-se os procedimentos descritos na norma
NBR 7215 (1996a).
Figura 4-24 - Capeamento dos corpos-de-prova por enxofre.
Para os testes de resistência à compressão empregou-se uma máquina universal Emic,
modelo DL30000N com sistema computadorizado de controle de aplicação de carga
(0,8 MPa/s) e de aquisição de dados (software Tesc versão 3.04). Para cada idade
prevista, foram ensaiados quatro corpos-de-prova curados. Os ensaios foram realizados
no Laboratório de Materiais e Construção do CEFET-MG. A FIG. 4.25 mostra o
equipamento utilizado.
Figura 4-25 - Prensa Emic – CEFET/MG.
110
4.2.6 Estimativa da resistência à compressão pelo método do esclerômetro
A dureza superficial dos concretos foi avaliada por esclerometria. Foi utilizado um
equipamento marca Original Schmidt - tipo NR com energia de percussão de 2,207 Nm,
pertencente ao Laboratório de Ensaios Especiais do Departamento de Engenharia de
Materiais e Construção da UFMG. O equipamento permite armazenar a leitura da
medição por meio de gráfico de barras impresso no próprio equipamento. Cabe lembrar
que o equipamento foi anteriormente calibrado no Laboratório de Concreto da Escola de
Engenharia da UFMG. Para execução do ensaio, seguiu-se a NM 78 (ABNT, 1996b).
Após a cura por 28 dias os corpos-de-prova foram retirados da água, escorridos e
submetidos ao teste de esclerometria. Para garantir a estabilidade da amostra durante o
ensaio, o corpo-de-prova foi apoiado no piso do laboratório e a cabeça de compressão
do esclerômetro foi colocada perpendicularmente à superfície a ensaiar, o corpo do
esclerômetro foi empurrado contra a amostra, de forma contínua, até a massa se soltar e
ouvir-se o impacto do aparelho. Em cada extremidade da amostra foram feitas três
medições eqüidistantes, totalizando seis medições por unidade. A FIG. 4.26 mostra o
aparelho e a aferição automática em uma das faces da amostra.
Figura 4-26 – Esclerômetro Schmidt - Ensaio de esclerometria.
111
4.2.7 Ensaio de freqüência ressonante
Para determinação da freqüência natural de vibração, do coeficiente de amortecimento e
do módulo de elasticidade, foi utilizado um aparelho Erudite MKII Resonancy
Frequency Test System, da C.N.S. Electronics, pertencente ao laboratório de Ensaios
Especiais do Departamento de Engenharia de Materiais e Construção da UFMG. Como
o ensaio é normalmente utilizado para materiais homogêneos e isotrópicos, foram
inicialmente realizados testes para aferição do equipamento utilizando barras de aço e
de liga de alumínio de diferentes tamanhos, diâmetros e formas. Foram testados
alinhamento de sensores e acoplamento. O objetivo dessa etapa foi a análise da
influência das variáveis de ensaio na resposta do equipamento.
Os ensaios para a determinação do módulo de elasticidade dinâmico para o concreto
foram baseados nas recomendações da norma Standard Test Method for Fundamental
Transverse, Longitudinal, and Torsional Frequencies of Concrete Specimens da
American Society For Testing And Materials (ASTM-C215, 2002) para determinação
do módulo longitudinal. Os ensaios foram feitos a partir da determinação da freqüência
natural de vibração do material utilizando ondas geradas eletromecanicamente, método
de ressonância forçada (FIG. 4.27). As medições foram realizadas em corpos-de-prova
curados em intervalos de tempo mais curtos (7-14-21-28-42-63-105 dias), pois o ensaio
é não-destrutivo.
Figura 4-27 - Equipamento para determinar a freqüência ressonante - Erudite MKII (Laboratório de
Materiais - UFMG).
Em função da geometria e dimensões do corpo-de-prova estima-se freqüência
ressonante da ordem de 10.000 Hz para o módulo longitudinal de corpos-de-prova de
112
concreto de 200 mm de comprimento e densidade normal (FIG. 4.28). Após inúmeros
testes utilizando freqüências de 0 a 50.000 Hz, optou-se pela utilização de vibrações
com freqüência na faixa de 5.000–15.000 Hz e voltagem de 0,1v. A faixa e as voltagens
adotadas basearam-se em valores que levassem a obtenção da menor amplitude da
freqüência para uma freqüência mínima, ou seja, que a maior freqüência lida fosse a de
ressonância e não um harmônico.
Figura 4-28 - Freqüência ressonante longitudinal estimada.
Fonte: Manual Electronics, CNS (1995).
A = Acetal; B = Acrílico; C = Latão; D = Ouro e Concreto; E = Cristal de chumbo, Ferro fundido e
Tungstênio; F = Aço; G = Ligas de alumínio; H = Vidro; I = Carboneto de tungstênio.
Foram feitas 10 medidas para cada corpo-de-prova. Para a determinação do módulo foi
necessária a determinação da massa de cada amostra. Para tanto, utilizou-se o método
uma balança de precisão de 0,01g.
113
4.2.8 Ensaio de termografia
O equipamento utilizado para o ensaio de termografia foi uma câmera de infravermelho
Thermacam P640, high definition (FIG. 4.29), com detector de 640 x 480, medição
individual de temperatura, 307.000 pixels de resolução, visor LCD de 5.6 polegadas,
câmera de 1.3 megapixels, zoom digital de 8:1, imagens no formato JPEG. O
equipamento foi disponibilizado especialmente para os ensaios desta pesquisa pela
indústria Flir Systems (Boston-USA), juntamente com um técnico nível I. A calibração
do equipamento e as imagens termográficas foram feitas pelo técnico e seguiu os
procedimentos indicados pelo fabricante. O equipamento foi calibrado para captar a
energia térmica correspondente a uma emissividade de 0,95 (valor próximo de 0,93, que
é sugerido por Incropera e DeWitt, 2003, para o concreto), com umidade relativa do ar
de 50%, na temperatura de 20ºC e à distância de 0,5m. Algumas vezes isto não
correspondeu à realidade, o que não invalida os resultados obtidos, uma vez que esta
situação é facilmente contornável pelo correto uso do programas de tratamento de
imagem. O fabricante sugere que esses parâmetros devam ser utilizados caso não se
tenham dados precisos.
Figura 4-29 - Termocâmera Flir - P640.
Depois de determinados os ensaios utilizando as freqüências naturais de vibração, os
concretos foram submetidos novamente a essa freqüência ao mesmo tempo em que se
obtinha a imagem termográfica dos concretos (FIG. 4.30).
114
Figura 4-30 – Imagem termográfica da freqüência ressonante longitudinal.
Em função dos resultados obtidos, concluiu-se que o tamanho da amostra não
permitiria o aquecimento dos corpos-de-prova, ou seja, não seria possível simular uma
vibrotermografia (SHEPARD; AHMED; LHOTA, 2004). Optou-se, então, por verificar
apenas a eficácia da termografia quando se aquecia ou resfriava o material. Para tanto,
utilizaram-se amostras com agregados de granulometrias variadas, amostras com
diferentes imperfeições e deterioradas por altas temperaturas e por ácido. Também
foram ensaiadas amostras com trincas provocadas por diferentes cargas de compressão.
A imagem termográfica mostra a distribuição de temperatura superficial do material.
Como o concreto é um material de baixa condutividade térmica, as amostras foram
submetidas a temperaturas diferentes da ambiente de forma a facilitar a aquisição da
imagem. Alguns corpos-de-prova foram colocados dentro de um tanque com água à
temperatura aproximada de 90ºC por aproximadamente duas horas. Outros foram
aquecidos em forno de resistência Elektro-Therm KK 260 - SO1060 do Laboratório de
Laminação do Departamento de Engenharia Metalúrgica da UFMG à temperatura de
50ºC por duas horas (FIG. 4.31). Alguns dos corpos-de-prova permaneceram sob
refrigeração em um frigobar por quase duas horas e outros permaneceram 24 horas ao
relento, expostos ao frio da madrugada e ao calor do sol (FIG. 4.32).
115
Figura 4-31 – Corpos-de-prova submetidos ao aquecimento em água quente e calor de forno de mufla.
Figura 4-32 – Corpos-de-prova submetidos à refrigeração e aquecedor elétrico.
Após o aquecimento e/ou resfriamento, a emissão de calor dos diferentes corpos-de-
prova foi captada pelo equipamento de termografia, com o objetivo de identificar
imagens que levassem a detectar os tipos de materiais utilizados ou as possíveis
imperfeições existentes nos concretos. As imagens e todas as leituras das medições
registradas foram posteriormente analisadas e editadas no software ThermaCAM™
QuickReport. © Flir Systems, 2007, disponibilizado pelo fabricante.
116
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos com os métodos descritos no Capítulo 4 e suas respectivas
análises são apresentados em seis blocos: caracterização dos constituintes,
trabalhabilidade, resistência à compressão, resistência superficial, freqüência ressonante
e termografia. Também são apresentados os resultados obtidos com a ferramenta de
gerenciamento MS – Project.
5.1 Planejamento e controle dos experimentos
No QUADRO 5.1 são apresentadas de forma parcial as atividades do trabalho
experimental obtido com a utilização do software de gerenciamento de projetos MS –
Project. A partir desse programa foi possível fazer o planejamento de todas as
atividades experimentais e gerar uma agenda de atividades diárias relativa a todas as
etapas do projeto. O QUADRO 5.2 exemplifica um dos meses de experimentos. O
planejamento completo dos experimentos é apresentado no APÊNDICE B.
A ferramenta MS – Project não é utilizada comumente para gerenciar experimentos. No
entanto, sua utilização viabilizou sobremaneira a execução do programa de
experimentos propostos, que contava com o controle e estudo de 279 corpos-de-prova
fabricados e curados por diferentes períodos, sendo a maioria deles submetidos a mais
de um tipo de ensaio executados em locais diferentes. A grande vantagem do programa
é a possibilidade de levantar e identificar necessidades relativas ao projeto na fase de
planejamento, ou seja, antes de iniciadas as atividades. Isso permitiu identificar e sanar
todas as dificuldades inerentes ao processo, dando agilidade e autonomia à equipe que
realizou os experimentos.
Em função do sucesso obtido, no tocante ao controle das variáveis experimentais, o
planejamento utilizando MS – Project passou a ser adotado como ponto de partida de
todos os estudos do Laboratório de Ensaios Especiais do Departamento de Engenharia
de Materiais e Construção.
117
Quadro 5-1 – Cronograma parcial obtido com o software de gerenciamento de projetos MS – Project
118
Quadro 5-2 – Agenda diária de atividades de um dos meses de experimentos obtida com o software de gerenciamento de projetos MS – Project
119
5.2 Caracterização das matérias-primas
São apresentadas as características do cimento, água e agregados utilizados. Esses dados
permitiram o estabelecimento da composição de um concreto adotado como referência.
5.2.1 Cimento
As propriedades físicas e químicas do cimento CPV ARI–RS utilizado são apresentadas
na TAB. 5.1. Tais dados foram fornecidos pelo fabricante (Holcim Brasil). Não foram
realizados ensaios do cimento, pois todo o aglomerante utilizado foi proveniente de um
mesmo lote, o que atendia aos objetivos do estudo, que apenas exigia um aglomerante
de mesmas características em todas as amostras.
Tabela 5-1- Propriedades físicas e químicas do cimento
Propriedades Valor/Média Limite de Norma
Peneira 0,40 mm (%) 3,26 ≤ 6
Blaine cm
2
/g 4485 ≥ 3000
a/c 29,7 -
Início de pega (min.) 161 ≥ 60
Fim de pega (min.) 211 ≤ 600
Resistência à compressão 1 dia (MPa) 20,0 ≥ 11
Resistência à compressão 3 dias (MPa) 35,1 ≥ 24
Resistência à compressão 7 dias (MPa) 43,3 ≥ 34
Resistência à compressão 28 dias (MPa) 53,3 -
CO
2
(%) 2,77 ≤ 3
PF 500ºC (%) 0,63 -
PF 1000ºC 3,82 ≤ 4,5
Resíduos Insolúveis (%) 0,81 ≤ 1,5
SO
3
(%) 2,45 ≤4,5
120
5.2.2 Água
A composição física e química da água no período dos experimentos (fev./2008 a
abril/2008) é apresentada na TAB. 5.2 Esses resultados foram obtidos no site da
COPASA (www.copasa.com.br) em fevereiro de 2008.
Tabela 5-2 - Propriedades físicas e químicas da água
Número de Amostras
Parâmetro Unidade
Mínimo Analisados
Valor Médio
Cloro mg/L Cl 1857 2005 0,91
Coliformes totais
(possibilidade de não existir)
NMP/100ml 1857 2003 95,76%
Cor (parâmetro de
comparação em relação ao
limite máximo de 15)
UH 429 503 0,30
Escherichia Coli NMP/100ml 0 86 -
Fluoreto mg/L F 216 284 0,73
Turbidez UT 429 503 0,45
pH
-
429 503 8,26
5.2.3 Agregado miúdo
A análise granulométrica da areia natural lavada utilizada na confecção dos concretos é
apresentada na TAB. 5.3. O GRÁF. 5.1 mostra a curva granulométrica desse material,
juntamente com as curvas que descrevem as faixas ótima e utilizável prescritas pela
normalização vigente. Com esses dados determina-se que a dimensão máxima
característica (abertura de malha da peneira na qual ficou retida acumulada uma
porcentagem do material em massa igual ou imediatamente inferior a 5%) do agregado
miúdo é 4,75 mm. O módulo de finura, dado pela somatória das porcentagens retidas
acumuladas em massa de todas as peneiras da série normal dividida por 100, é de 2,76.
121
Tabela 5-3- Distribuição granulométrica da areia
M1
M2
Média
Simples
Acum.
Utilizável
Ótima
Ótima
Utilizável
9,5
0 0 0 0
6,3 0 0 0 7
4,75
1,6 1,3 1,5 0,29%
0,29%
0 0 5 10
2,36
13,8 15,6 14,7 2,95%
3,24%
0 10 20 25
1,18
82,9 79,8 81,3 16,27%
19,51%
5 20 30 50
0,6 203,1 207,6 205,4 41,07% 60,58% 15 35 55 70
0,3
163,6 162,4 163,0 32,60%
93,18%
50 65 85 95
0,15
28,7 27,0 27,9 5,57%
98,75%
85 90 95 100
Fundo 6,3 6,2 6,3 1,25%
100,00%
* * * *
Amostra Total
500,0
500,0
500,0
100,00%
*
*
*
*
*
Granulometria por peneiramento - Amostra: Areia natural lavada
Massa Retida (g)
% Retida
Limites Inferiores Limites Superiores
Peneiras (mm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
# 9,5 # 6,3 # 4,75 # 2,36 # 1,18 # 0,6 # 0,3 0,15 P rato
Abertura de Malha das Peneiras (mm)
%) em Massa Retida Acumulada
Ens a io
Utilizáve l
Ótima
Ótima
Utilizáve l
Gráfico 5-1 - Curva granulométrica da areia.
Verifica-se que a areia, no tocante à distribuição granulométrica, pode ser utilizada
como agregado miúdo para concreto, pois apresenta valores dentro dos limites da faixa
utilizável especificados pela NBR 7211 (ABNT, 2005a). Por outro lado, o módulo de
finura ficou compreendido entre 2,20 e 2,90, que são valores limites atribuídos pela
referida norma para a faixa ótima.
122
Os resultados dos ensaios para determinação da presença/teor de substâncias nocivas,
absorção de água e de massa específica pelo método de Chapman são mostrados na
TAB. 5.4.
Tabela 5-4- Características físicas da areia natural lavada
Descrição Valores
Massa específica média 2,59 kg/dm
3
Impurezas orgânicas Solução mais clara
Material pulverulento
1,25 %
Torrões de argila e materiais friáveis 1,0%
A massa específica é típica das areias naturais (METHA; MONTEIRO, 2008;
NEVILLE, 1997). No tocante às substâncias nocivas, os dados da TAB. 5.4 indicam que
a areia pode ser utilizada como agregado miúdo para fabricação de concretos, conforme
a NBR 7211 (ABNT, 2005a), uma vez que não foi detectada a presença de materiais
carbonosos na análise petrográfica, como informado pelos fornecedores.
5.2.4 Agregados graúdos
As distribuições e a curvas granulométricas dos dois agregados graúdos de gnaisse
utilizados são apresentadas, respectivamente, nas TAB. 5.5 e 5.6 e nos GRÁF. 5.2 e 5.3.
Tais agregados foram adquiridos como sendo brita 0 e brita 1. A brita classificada como
zero possui grãos que variam de 4,75 a 12,5mm e a brita 1 tem grãos que variam de 4,75
a 25 mm. A composição granulométrica de ambas se manteve dentro dos limites
recomendados pela norma NBR 7211 (ABNT, 2005a), o que significa que podem ser
utilizadas como agregados graúdos para concreto e que podem ser classificadas de
acordo com a graduação com que foram adquiridas, brita 0 e 1, se considerada a norma
NBR 7211 (ABNT, 1983a).
123
Tabela 5-5- Composição granulométrica da brita gnaisse 0
M1 M2 Média Simples Acumulada 4,7/12,5 9,5/25 19/31,5 25/50 37,5/75
75 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5
63 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30
50 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100
37,5 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30 90 - 100
31,5 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100 95 - 100
25 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 5 - 25 (30) 87 -100
19
0,0 0,0 0,0 0 0 2 - 15 (20) (60) 65 - 95 95 -100
12,5 7,0 9,0 8,0 0,27% 0,27% 0 - 5
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
9,5 302,0 277,0 289,5 9,65% 9,92% 2 - 15 (20) (75) 80 - 100 95 - 100
6,3 1730,0 1568,0 1649,0 54,97%
64,88%
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
4,75 854,0 925,0 889,5 29,65% 94,53% (75) 80 - 100 95 - 100
2,36
0,0 0,0 0,0 0,00
94,53%
95 - 100
Fundo 107,0 221,0 164,0 5,47% 100,00%
Amostra Total 3000,0 3000,0 3000 100,00% *
Dimensão máxima característica (mm) 12,5
Módulo de finura
6,04
Granulometria por peneiramento - Amostra: Brita Gnaisse 0
Zona Granulométrica d/D = menor e maior dimensão do agregadoMassa Retida (g)
% Retida
Peneiras (mm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
# 19 # 12,5 # 9,5 # 6,3 # 4,75 # 2,36 # 1,18
Abertura de Malha das Peneiras (mm)
(%) em Massa Retida Acumulada
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Limite Inferior
Limite Superior
Ensaio
Gráfico 5-2 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita gnaisse 0 e dos limites da
zona granulométrica d/D = 4,75/12,5.
124
Tabela 5-6- Composição granulométrica da brita gnaisse 1
M1 M2 Média Simples Acumulada 4,7/12,5 9,5/25 19/31,5 25/50 37,5/75
75 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5
63 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30
50 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100
37,5 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30 90 - 100
31,5 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100 95 - 100
25 2,0 3,0 2,5 0,08% 0,08% 0 - 5 5 - 25 (30) 87 -100
19
171,0 148,0 159,5 5,32%
5,40%
2 - 15 (20) (60) 65 - 95 95 -100
12,5 1762,0 1664,0 1713,0 57,10% 62,50% 0 - 5
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
9,5 849,0 883,0 866,0 28,87% 91,37% 2 - 15 (20) (75) 80 - 100 95 - 100
6,3 209,0 290,0 249,5 8,32% 99,68%
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
4,75
6,0 10,0 8,0 0,27%
99,95%
(75) 80 - 100 95 - 100
2,36 0,0 0,0 0,0 0,00 99,95% 95 - 100
Fundo 1,0 2,0 1,5 0,05% 100,00%
Amostra Total 3000 3000 3000 100,00% *
Dimensão máxima característica (mm) 25
6,91
Granulometria por peneiramento - Amostra: Brita Gnaisse 1
Zona Granulométrica d/D = menor e maior dimensão do agregadoMassa Retida (g)
% Retida
Peneiras (mm)
Módulo de finura
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
# 31,5 # 25 # 19 # 12,5 # 9,5 # 6,3 # 4,75 # 2,36 # 1,18
Abertura de Malha das Peneiras (mm)
(%) em Massa Retida Acumulada
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Limite Inferior
Limite Superior
Ensaio
Gráfico 5-3 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita gnaisse 1 e dos limites da
zona granulométrica d/D = 9,5/25.
Os resultados da análise granulométrica da brita calcária são apresentados na TAB. 5.7
e GRÁF. 5.4. Tais dados mostram que a distribuição granulométrica desse agregado fica
ligeiramente acima dos limites superiores recomendados pela norma NBR 7211
(ABNT, 2005a), sem conter grande quantidade de finos. No entanto, a classificação
125
como brita 0 é a que mais se adequa à sua distribuição granulométrica, se considerada a
norma NBR 7211(ABNT, 1983a).
Tabela 5-7- Composição granulométrica da brita calcária
M1
M2
Média
Simples
Acumulada
4,7/12,5
9,5/25
19/31,5
25/50
37,5/75
75
0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5
63 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30
50 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100
37,5
0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30 90 - 100
31,5 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100 95 - 100
25 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 5 - 25 (30) 87 -100
19
0,0 0,0 0,0 0 0 2 - 15 (20) (60) 65 - 95 95 -100
12,5 36,0 26,0 31,0 1,03% 1,03% 0 - 5
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
9,5 818,0 860,0 839,0 27,97% 29,00% 2 - 15 (20) (75) 80 - 100 95 - 100
6,3 1477,0 1411,0 1444,0 48,13% 77,13%
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
4,75
638,0 665,0 651,5 21,72%
98,85%
(75) 80 - 100 95 - 100
2,36
0,0 0,0 0,0 0,0
98,85%
95 - 100
Fundo 31,0 38,0 34,5 1,15% 100,00%
Amostra Total 3000,0 3000,0 3000,0 100,00% *
12,5
6,28
Granulometria por peneiramento - Amostra: Brita Calcárea 0
Massa Retida (g)
% Retida
Zona Granulométrica d/D = menor e maior dimensão do agregado
Peneiras (mm)
Módulo de finura
Dimensão máxima característica (mm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
# 19 # 12,5 # 9,5 # 6,3 # 4,75 # 2,36 # 1,18
Abertura de Malha das Peneiras (mm)
(%) em Massa Retida Acumulada
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Limite Inferior
Limite Superior
Ensaio
Gráfico 5-4 - Curvas representativas da composição granulométrica da brita calcária 0 e dos limites da
zona granulométrica d/D = 4,75/12,5.
A análise/curva granulométrica da argila expandida é exibida na TAB. 5.8 e no GRÁF.
5.5. A análise desses dados mostra que não é possível classificar granulometricamente
esse agregado graúdo de acordo com as especificações da Norma NBR 7211 (ABNT,
2005a), pois as porcentagens retidas acumuladas por peneira não são compatíveis com
126
os limites granulométricos prescritos nessa norma. O GRÁF. 5.5 salienta que a
granulometria da argila expandida utilizada situa-se entre as graduações da brita 1 e 2.
Entretanto, os resultados do ensaio ressaltam que a dimensão máxima característica das
partículas foi de 25 mm, que é a dimensão característica da brita 1.
Tabela 5-8- Composição granulométrica da argila expandida
M1 M2 Média Simples Acumulada 4,7/12,5 9,5/25 19/31,5 25/50 37,5/75
75 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5
63 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30
50 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100
37,5 0,0 0,0 0,0 0 0 5 - 30 90 - 100
31,5 0,0 0,0 0,0 0 0 0 - 5 75 -100 95 - 100
25 10,0 22,0 16,0 0,53% 0,53% 0 - 5 5 - 25 (30) 87 -100
19
126,0 182,0 154,0 5,13%
5,67%
2 - 15 (20) (60) 65 - 95 95 -100
12,5 2606,0 2661,0 2633,5 87,78% 93,45% 0 - 5
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
9,5 244,0 124,0 184,0 6,13% 99,58% 2 - 15 (20) (75) 80 - 100 95 - 100
6,3 9,0 4,0 6,5 0,22% 99,80%
(35) 40 - 65 (70)
92 - 100
4,75
0,0 0,0 0,0 0,00% 99,80% (75) 80 - 100 95 - 100
2,36 0,0 0,0 0,0 0,00% 99,80% 95 - 100
Fundo 5,0 7,0 6,0 0,20% 100,00%
Amostra Total 3000 3000 3000 100,00% *
25
7,05
Granulometria por peneiramento - Amostra: Argila Expandida
Zona Granulométrica d/D = menor e maior dimensão do agregadoMassa Retida (g)
% Retida
Módulo de finura
Peneiras (mm)
Dimensão máxima característica (mm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
# 37,5 # 31,5 # 25 # 19 # 12,5 # 9,5 # 6,3 # 4,75 # 2,36
Abertura de Malha das Peneiras (mm)
(%) em Massa Retida Acumulada
Limite Inferior
Limite Superior
Ensaio
Limite Inferior
Limite Superior
Gráfico 5-5 - Curvas representativas da composição granulométrica da argila expandida e dos limites das
zonas granulométricas d/D = 9,5/25 e d/D = 19/31,5.
Os resultados dos ensaios de massa específica, absorção de água e material pulverulento
dos agregados graúdos estão contidos de forma sucinta na TAB. 5.9. Os valores de
massa específica das britas de gnaisse e calcária são típicos, assim como a baixa
absorção de água (METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). Contudo verifica-se
127
que a argila expandida apresenta resultados particulares se comparados aos agregados
convencionais. A taxa de absorção de água da argila é alta, 9,03%, o que provavelmente
está relacionado à estrutura porosa dos seus grãos, uma vez que sua massa específica é
de 0,77 g/cm
3
. Este dado justifica a prática usual de se considerarem o volume e a massa
desse agregado na determinação da composição do concreto. Quanto aos torrões de
argila e materiais friáveis, todos os agregados se prestam para a confecção de concretos
comuns.
No que diz respeito ao material pulverulento, verifica-se que a brita calcária e a de
gnaisse graduação 0 ficaram acima dos limites usuais. Tal fato não impede que sejam
utilizados pra confecção do concreto, uma vez que a norma NBR 7211 (ABNT, 2005a)
permite o limite de material fino de até 6,5%, desde que o agregado não contenha
materiais prejudiciais às propriedades do concreto. A informação dos fornecedores,
baseada em análise petrográfica, foi de que os agregados não continham tais materiais
nem teor de material carbonoso. Dessa forma, no tocante às substâncias nocivas, as
britas e argilas analisadas podem ser utilizadas como agregado graúdo para fabricação
de concretos - NBR 7211 (ABNT, 2005a).
Tabela 5-9- Características físicas dos agregados graúdos
Valores
Descrição
Gnaisse 0 Gnaisse 1 Calcária 0 Argila Expandida
Massa específica (g/cm
3
) 2,63 2,67 2,71 0,77
Absorção de água (%) 0,4 0,1 0,1 9,03
Material pulverulento fundo (%) 5,47 0,05 1,15 0,20
Torrões de argila e materiais friáveis 2,2% 0,9% 1,2% -
O resultado do ensaio de abrasão Los Angeles dos agregados graúdos pode ser
visualizado na FIG. 5.1. Observa-se que os agregados de gnaisse atendem às
recomendações da normalização vigente NBR 7211 (ABNT, 2005a), que sugere a
utilização de agregados graúdos naturais para concretos, com taxa de abrasão não
superior a 50%. No entanto, a brita calcária, devido à sua natureza menos dura,
apresentou taxa ligeiramente superior ao recomendado pela norma. Observa-se que a
argila expandida, apesar de ser três vezes mais leve, alcançou a taxa de 33,00%
colocando-se nos padrões das britas gnaisse.
128
Brita gnaisse 1 – 30,18%
Brita gnaisse 0 - 31,14%
Brita calcária 0 - 52,84%
Argila expandida – 33,00%
Figura 5-1– Resultado do ensaio de abrasão Los Angeles.
Os resultados dos ensaios de resistência ao esmagamento são apresentados na TAB.
5.10. O resultado do ensaio de esmagamento da brita gnaisse manifestou a mais alta
diferença percentual entre as amostras, contudo, obteve o mais baixo índice de
esmagamento (14,27%), significando que, em média, 85,73% do agregado não sofreram
esmagamento. A brita calcária mostrou esmagamento maior, em torno de 29,38%. Na
argila expandida, o esmagamento foi o maior (52,95%), no entanto, a variação entre as
duas amostras foi a menor. Todos os resultados do ensaio atenderam ao que é
recomendado pela norma, ou seja, a diferença entre a primeira e a segunda
determinação não foi superior a 3%.
Tabela 5-10– Controle do experimento de resistência ao esmagamento
Massa (M
1
) kg Massa (M
2
) kg Diferença %
Material
(M
i1
) (M
f1
) (M
i2
) (M
f2
) (M
1
) (M
2
)
Diferença %
(M1 - M2)
Resistência ao
esmagamento
%
Brita Gnaisse 2,75 2,33 2,79 2,42 15,29 13,25 2,04 85,73
Brita Calcária 2,81 1,99 2,86 2,01 29,04 29,71 0,66 70,62
Argila Expandida 0,87 0,41 0,87 0,41 53,06 52,83 0,23 47,05
A TAB. 5.11 expõe os resultados do ensaio de índice de forma dos grãos de agregado
graúdo. No caso da argila expandida, em que todos os grãos são esféricos devido ao
processo de fabricação, considerou-se como lamelar os agregados fraturados. Para
melhor entendimento dos resultados, optou-se em apresentar os dados do ensaio em
percentuais.
129
Tabela 5-11– Índice de forma dos grãos dos agregados graúdos
Brita
Gnaisse 0
Brita
Gnaisse 1
Brita
Calcárea 0
Argila
Expandida
massa (g) 633,0 1523,0 2130,0 421,0
% 7,91% 19,04% 26,63% 5,26%
massa (g) 519,0 1174,0 1584,0 310,0
% 81,99% 77,08% 74,37% 73,63%
massa (g) 114,0 349,0 546,0 111,0
% 18,01% 22,92% 25,63% 26,37%
massa (g)
633,0 1523,0 2130,0 421,0
% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%
Lamelar - Fraturada
Total
Índice de Forma dos Grãos
Classificação
Amostra Inicial 8 kg
Retida # 9,5
Normal
A maior concentração de grãos lamelares ficou na brita calcária (25,63%), enquanto que
a argila expandida teve índice similar de grãos fraturados (não-esféricos). A brita
gnaisse 0 apresentou maior número de grãos normais (81,99%). Na literatura, não foram
encontrados trabalhos que indicassem o índice ideal de grãos normais em uma amostra,
todavia, sabe-se, que é desejável um índice de lamelaridade mais baixo. A normalização
vigente sugere índice de forma (comprimento/espessura) não superior a 3, o que foi
obtido com todos os agregados.
5.3 Trabalhabilidade do concreto
A trabalhabilidade dos concretos produzidos, no tocante à fluidez, foi avaliada pelo
abatimento de tronco de cone ou slump test. A coesão, que descreve a resistência à
exsudação e à segregação, foi avaliada visualmente (METHA; MONTEIRO, 2008;
NEVILLE, 1997). Os resultados obtidos estão na TAB. 5.12.
130
Tabela 5-12- Trabalhabilidade dos concretos - slump test
Grupos Variações
Slump
(cm)
a/c = 0,4 2
a/c = 0,5 16
a/c = 0,7 26
a/c = 0,9 26
Sem brita 0
Brita gnaisse 1 21
Brita Gnaisse 0 16
Brita Calcárea 0 21
Argila expandida 22
200º por 2 hora 18
354º por 55 minutos 18
Solução ácido Acético 17
Solução ácido clorídrico 17
Sem defeito 15
Incorporador de ar 23
Bola de Vidro 16
Fibra de aço curta 13
Fibra de aço longa 16
Balão de ar 16
GRUPO VI
Inclusão de Imperfeições
Traço 1:1:2 a/c 0,5
Medida do
Slump
GRUPO II
Influência da granulometria
Traço 1:1:3 e 1:1:2 a/c 0,5
GRUPO III
Influência da natureza do
agregado - Traço 1:1:2 a/c 0,5
GRUPO IV
Deterioração pelo fogo
Traço 1:1:2 a/c 0,5
GRUPO V
Deterioração química
Traço 1:1:2 a/c 0,5
GRUPO I
Influência da água
Traço 1:1:2 Brita gnaisse 0
Os dados do slump test refletem as proporções e a natureza dos constituintes utilizados
na confecção dos concretos. Quanto menor o teor de água e quanto maior o teor de
agregado miúdo, menor é o slump (METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). O
fato de serem iguais os slumps dos concretos com relação água-cimento 0,7 e 0,9 pode
estar relacionado à imprecisão da medida devido às irregularidades da superfície do
concreto muito fluído. Para concretos fluidos, não se recomenda o uso desse teste e sim
a medida do espalhamento, que não foi feito em função dos objetivos da pesquisa, nos
quais o slump era apenas uma variável de caracterização e não de aferição da dosagem.
Os concretos confeccionados com brita calcária 0 e relação água-cimento de 0,5
apresentaram slump maior que o mesmo concreto confeccionado com brita gnaisse 0.
Isto está diretamente relacionado ao teor de materiais pulverulentos da brita gnaisse 0
(TAB. 5.9), que, em função de sua maior superfície especifica, absorvem mais água.
Isto também se reflete na análise da influência da granulometria da brita gnaisse: como
era de se esperar, a brita de menor dimensão e com muito pó, para as mesmas
condições, conduz a um slump menor que a brita maior. O fato da calcária 0 e gnaisse 1
apresentarem o mesmo slump poderia estar relacionado à distribuição granulométrica da
131
brita calcária, que se apresenta ligeiramente acima do limite superior da brita 0,
enquanto a distribuição da brita de gnaisse 1 se situa na média dos limites (GRÁF. 5.3 e
5.4).
Na análise dos grupos IV, V e VI deve ser lembrado que foi adotado nesses
experimentos um concreto padrão (TAB. 4.1) que corresponderia a um slump em torno
de 20 (relação a/c de 0,5 e traço 1:1:2 com brita gnaisse 0). Como era de se esperar, a
adição de fibras curtas dificulta a trabalhabilidade, mas não tanto como era esperado -
slump 0 (METHA; MONTEIRO, 2008). Isso se deve provavelmente ao baixo teor de
fibras incorporadas. A presença de fibras longas, bolas de vidro e balão de ar não afetam
o slump, pois elas foram incorporadas ao concreto durante a moldagem em locais
específicos do corpo-de-prova. A adição do incorporador de ar ao concreto, porém,
contribuiu para uma mistura mais fluida, conseqüentemente, um slump alto.
5.4 Massa específica do concreto
Na TAB. 5.13 são apresentados os intervalos de variações das massas específicas dos
concretos estudados. Esses dados correspondem aos valores máximos e mínimos de
todos os corpos-de-prova analisados. Tais valores foram calculados dividindo-se a
massa pelo volume estimado do corpo-de-prova. Os dados obtidos, da mesma forma
como os resultados do slump teste, refletem a natureza e proporção dos constituintes do
concreto, ou seja, quanto mais leve e maior a proporção desse constituinte, menor será a
massa específica do composto. Concretos com maior teor de água, sem adição de
agregados graúdos ou com adição de agregados leves apresentam menor massa
específica. Isto está relacionado às baixas massas específicas da água e dos demais
constituintes (TAB. 5.4 e 5.9). O efeito da argila expandida mostra-se mais pronunciado
do que o efeito da água, em função do teor de agregado presente na mistura. Não se
observam os efeitos da granulometria da brita de gnaisse, assim como da substituição da
brita de gnaisse por calcária, uma vez que esses materiais apresentam granulometrias
semelhantes e estão presentes na mesma proporção na mistura. A deterioração por ácido
se traduz na massa específica. O efeito das altas temperaturas na massa específica se faz
sentir de forma um pouco mais pronunciada. Quanto às imperfeições introduzidas,
apenas o ar incorporado produziu abaixamento acentuado da massa específica (TAB.
5.13). Provavelmente, o efeito das demais imperfeições não se fez perceber, pois os
132
mesmos possuíam massas específicas próximas das dos agregados ou estavam presentes
em quantidade muito pequena.
Tabela 5-13– Massa específica dos concretos.
Grupos Variações
Ma
ssa específica
(x 10
3
kg/m
3
)
a/c = 0,4 2,35-2,39
a/c = 0,5 2,31-2,35
a/c = 0,7 2,18-2,23
GRUPO I
Influência da água
Traço 1:1:2 Brita gnaisse 0
a/c = 0,9 2,20-2,24
Sem brita 2,19-2,21
GRUPO II
Influência da granulometria
Traço 1:1:3 e 1:1:2 a/c 0,5
Brita gnaisse 1 2,32-2,36
Brita Gnaisse 0 2,31-2,35
Brita Calcária 0 2,34-2,37
GRUPO III
Influência da natureza do
agregado - Traço 1:1:2 a/c 0,5
e traço adaptado p/ argila
Argila expandida 1,58-1,61
200º por 2 hora 2,16-2,18
GRUPO IV
Deterioração por altas
temperaturas
Traço 1:1:2 a/c 0,5
354º por 55 minutos 2,15-2,18
Solução ácido clorídrico
2,25-2,28
GRUPO V
Deterioração química
Traço 1:1:2 a/c 0,5
Solução ácido acético 2,21-2,22
Sem defeito 2,31-2,35
Incorporador de ar 1,92-2,04
Bola de Vidro 2,29-2,34
Fibra de aço curta 2,34-2,36
Fibra de aço longa 2,35-2,40
GRUPO VI
Inclusão de Imperfeições
Traço 1:1:2 a/c 0,5
Balão de ar 2,24-2,25
133
5.5 Resistência à compressão
Os dados do ensaio de compressão são fornecidos na forma de relatórios, como o
exemplificado na FIG. 5.2.
Figura 5-2 – Exemplo de relatório dos ensaios de compressão.
Os dados obtidos nos ensaios de compressão foram agrupados em função da idade e do
grupo de experimento. Os resultados da evolução da resistência à compressão com o
tempo de cura dos diferentes compósitos são apresentados nos GRÁF. 5.6 a 5.13. Em
134
cada figura pode-se visualizar o valor médio da resistência à compressão (dado pelo
gráfico de barras) e a amplitude de pelo menos três valores medidos (linhas verticais).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-6 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,4.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-7 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de
concreto fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,5.
135
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-8 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,7.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-9 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,9.
136
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-10 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados sem brita e relação água-cimento 0,5.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-11 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 1 e relação água-cimento 0,5.
137
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-12 - Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita calcária 0 e relação água-cimento 0,5.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7dias 28 dias 63 dias 105 dias
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-13 – Evolução da resistência à compressão com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, argila expandida e relação água-cimento 0,5.
A análise desses dados mostra a ocorrência de dispersões de diferentes ordens de
grandeza, independentemente da composição dos concretos. A dispersão em ensaios de
compressão se deve a vários fatores, sendo ainda considerado um problema no controle
do concreto produzido (BEZERRA, 2007; BEZERRA; AGUILAR; CETLIN, 2008;
138
BUCHER; RODRIGUES FILHO, 1983; CARINO; GUTHRIE; LAGERGREN, 1994;
FORSTIE; SCHNORMEIER, 1981; LIMA; BARBOSA, 2002; PATNAIK;
PATNAIKUNI, 2002; SACANDIUZZI; ANDRIOLO, 1986; MARCO; REGINATTO;
JACOSKI, 2003). No entanto, devido aos cuidadosos procedimentos adotados neste
trabalho e com base na análise de Martins (2004), pode-se afirmar que tais dispersões
são inevitáveis. O cuidado necessário a ser tomado é de se considerar na análise da
resistência a precisão da medida. Os resultados da evolução da resistência à compressão
com a idade são típicos: quanto maior o tempo de cura, maior o valor da resistência
mecânica (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994; METHA; MONTEIRO, 2008;
NEVILLE, 1997). As exceções ocorrem para as situações mostradas nos GRÁF. 5.9 e
5.11. No entanto, no caso de corpos-de-prova de concreto fabricados com areia natural,
brita gnaisse 1 e relação água-cimento 0,5, curadas por 105 dias (GRÁF. 5.11), o menor
valor médio da resistência se insere no âmbito da precisão das medidas. O mesmo
ocorre com a menor resistência das amostras fabricadas com areia natural, brita gnaisse
0, água-cimento de 0,9 e curada por 63 dias (GRÀF. 5.9). De modo geral, observa-se o
padrão típico de crescimento.
Quanto à taxa de crescimento, ela varia muito e pode ser mais bem visualizada nos
GRÁF. 5.14 a 5.16, cujos dados experimentais estão agrupados por relação água-
cimento, granulometria e tipo de agregado. Esses dados são locados na forma de pontos
e os valores médios ligados por linhas. Os desvios-padrão (σ) são mostrados próximos
das medidas. No GRÁF. 5.14, constata-se, para uma mesma situação, que quanto maior
a relação água-cimento, menor é a resistência, como era de se esperar. Para fatores mais
baixos, a taxa de crescimento diminui com a idade (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994;
METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). Comumente, concretos fabricados
com cimento CPV ARI RS e relações água-cimento usuais (0,5 a 0,7) apresentam alta
resistência inicial, com taxa de crescimento decrescente com o tempo de cura. De modo
geral, observa-se que a resistência aos 105 dias é mais próxima da obtida aos sete dias,
quanto mais baixo é a relação água/cimento.
A análise do GRAF. 5.15 mostra a influência da granulometria do agregado na
resistência. A brita gnaisse 1, se comparada à brita 0, para as mesmas condições,
conduz a resistências menores em todas as idades. Isto está de acordo com Metha e
Monteiro (2008), que relatam que em concretos com relação água-cimento em torno de
0,55 a resistência é negativamente influenciada pelo aumento da dimensão do
139
agregado. Isto ocorre, pois agregados maiores tendem a formar uma zona de transição
agregado-pasta com mais microfissuras. Sendo assim, era de se esperar que o concreto
sem agregado graúdo apresentasse mais resistências, o que não foi observado. Os
mesmos autores afirmam que é difícil avaliar a influência da dimensão do agregado,
uma vez que a sua distribuição também afeta essa propriedade. Ou seja, os resultados
obtidos neste trabalho para o composto sem agregado graúdo estão relacionados com
uma distribuição granulométrica mais adequada da brita 0.
Os dados apresentados no GRÁF. 5.16 são similares a estudos da literatura que mostram
que, para dosagens idênticas, a substituição de calcário por um material silicoso pode
levar à melhor resistência, enquanto o uso de agregados leves, como argila expandida,
pode ter efeito desastroso sobre a resistência, devido à sua estrutura porosa
(COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994; METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997).
Nota-se que o crescimento da resistência é mais acentuado para o concreto com brita
calcária 0 e com relação água-cimento 0,5 após 63 dias de cura. Martins (2004) também
obteve resultados semelhantes no estudo de concretos de alto desempenho.
3,41
σ
0,75
3,15
3,01
1,38
σ
1,05
1,39
4,10
5,52
σ
2,54
2,72
2,92
5,01
σ
2,86
1,65
3,61
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Resistência à compressão axial (Média) MPa
a/c = 0,4 a/c = 0,5 a/c = 0,7 a/c = 0,9
Gráfico 5-14 – Resistência à compressão dos concretos fabricados com relação água-cimento
0,4 - 0,5 - 0,7 e 0,9.
140
σ
1,44
4,53
3,56
5,58
σ
0,29
5,22
3,33
3,56
σ
0,75
3,15
3,01
3,41
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Resistência à compressão axial (Média) MPa
Sem Brita Brita Gnaisse 0 Brita Gnaisse 1
Gráfico 5-15 – Resistência à compressão dos concretos fabricados com agregados de diferentes
granulometrias.
σ
0,75
3,15
3,01
3,41
σ
2,37
1,02
2,52
1,69
σ
1,45
0,42
1,78
1,62
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Resistência à compressão axial (Média) MPa
Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Gráfico 5-16– Resistência à compressão dos concretos fabricados com agregados graúdos de diferentes
naturezas.
No GRÁF. 5.17 podem ser visualizados os resultados dos ensaios de resistência à
compressão dos concretos fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-
cimento de 0,5, submetidos à deterioração química e ao calor. Os valores médios são
141
apresentados na forma de barras e a amplitude dos dados experimentais na forma de
linhas verticais. Os dados mostram que os aquecimentos a 200 e 354
o
C por duas horas
não comprometem a resistência à compressão do concreto. Este resultado é diferente
dos descritos da literatura, que afirma que concretos de cimento Portland comum
começam a perder resistência em temperaturas em torno de 100 ou 200
o
C (BRANCO;
SANTOS, 2000; CHAN; PENG; ANSON, 1999; MEHTA; MONTEIRO, 2008;
NEVILLE, 1997; SHIELDS; SILCOCK, 1987). Segundo Branco e Santos (2000), a
200
o
C a resistência residual do concreto fica em torno de 80 a 90% da resistência
original; e a 300
o
C corresponde a 70% da original. Essa divergência poderia estar
relacionada aos materiais e proporções adotados que, segundo Cuoghi (2006), afetam
muito o decaimento da resistência.
A ação de uma solução de ácido clorídrico (1,0 mol/ litro) por sete dias não
comprometeu a resistência do concreto. Por outro lado, a solução de ácido acético 0,1 /
0,2 por 14 dias promoveu perda de resistência da ordem de 15%. Na maioria dos
trabalhos da literatura o efeito do ácido é avaliado apenas pela perda de massa. Segundo
Bergamaschi (2007), os ácidos acético e clorídrico promovem perdas de massa da
ordem de 5% após sete ou 14 dias de imersão. De acordo com Lima et al. (2007), a
resistência de argamassas fabricadas com CPV RS e atacadas por ácido sulfúrico
conduz à perda de massa em torno de 6% e à queda de resistência de 14%. Nos casos
analisados neste trabalho, a perda de massa foi da ordem de 4 e 8% para o ácido
clorídrico e acético, respectivamente. Essa perda influenciou aparentemente apenas nos
valores de resistência obtidos com o grupo submetido ao ácido acético. No entanto, a
influência da perda de massa, no caso do ataque por ácido clorídrico, pode não ter sido
detectada em função da dispersão comum aos ensaios de resistência à compressão. Se a
perda de massa não tivesse ocorrido, poder-se-ia atribuir a resistência ao ataque químico
do grupo em contato com o ácido clorídrico a uma baixa permeabilidade do composto
ou à alcalinidade e composição química da pasta de cimento. Seriam necessários
estudos mais aprofundados para se avaliar o ocorrido, o que não faz parte do escopo do
trabalho, que visa, nesta etapa, apenas à obtenção de corpos deteriorados.
142
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem deterioração Fogo 200º Fogo 354º Ácido Clorídrico Ácido Acético
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-17 - Resistência à compressão após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia
natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração química e ao calor.
Da mesma forma, as resistências à compressão após 28 dias de cura dos concretos aos
quais foram incorporados diferentes materiais são apresentadas no GRÁF. 5.18. De
maneira similar à descrita na literatura clássica, a presença de teores baixos ou
moderados de fibras curtas e longas (até 50% em volume) não afetam
significativamente a resistência à compressão do concreto (COUTINHO;
GONÇALVEZ, 1994; METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). A existência
de bolhas gasosas devido ao ar incorporado ou ao balão de ar leva a reduções da
resistência da ordem de 63 e 29%, respectivamente. Isto era de se esperar, uma vez que
a resistência varia com o inverso da porosidade (COUTINHO; GONÇALVEZ, 1994;
METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). As bolas de vidro não interferem de
forma significativa na resistência, o que indicaria que esses materiais estariam
funcionando como agregados graúdos, sem prejudicar a resistência.
143
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem defeito Incorporador ar Bola de Vidro Fibras Curtas Fibras Longas Balão de ar
Resistência à compressão axial - MPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 5-18 - Resistência à compressão após 28 dias de cura dos concretos confeccionados com areia
natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5 aos quais foram incorporados diferentes materiais.
5.6 Esclerometria
Os resultados da resistência superficial dos diversos concretos com cura de 28 dias
foram avaliados por esclerometria (índice esclerométrico) e estão nos GRÁF. 5.19 a
5.22, juntamente com os dados obtidos nos ensaios de resistência à compressão aos 28
dias. Em cada gráfico pode-se visualizar os valores médios das resistências à
compressão obtidas pelos dois métodos (dado pelo gráfico de barras) e o desvio-padrão.
Como relatado na literatura (ACI, 2003; MACHADO, 2005), a dispersão das medidas é
maior que as obtidas nos ensaios de resistência à compressão. Isto estaria relacionado ao
fato da medida ser superficial e puntual. Apesar da dispersão, as medidas de resistência
por esclerometria são capazes de descrever de forma qualitativa o efeito da relação
água-cimento na resistência à compressão para concretos de menor porosidade: quanto
maior a relação água-cimento, menor a resistência. No entanto, o valor da resistência
obtida por esclerometria subestima em cerca de 50% a resistência à compressão para
relações iguais a 0,4, 0,5 e 0,7. No caso da relação água/cimento de 0,9, o valor
estimado corresponde ao obtido experimentalmente. Segundo Malhotra e Sivasundaram
(1991), a precisão na estimativa da resistência do concreto é de ±15 a ± 20% se os
corpos-de-prova forem moldados, curados e ensaiados sob condições idênticas às
utilizadas no estabelecimento das curvas de correlação. Apesar disto ter sido feito, a
144
acurácia dos resultados foi bem diferente. De modo geral a diferença dos valores
obtidos em ensaio de resistência axial e esclerometria estaria relacionado ao fato de o
primeiro é realizado considerando o volume do material, e o segundo é um ensaio
superficial.
O índice esclerométrico não descreve a influência da natureza e granulometria do
agregado da mesma forma que a resistência obtida por compressão, com exceção da
argila expandida. Os concretos com brita gnaisse 1 e calcária 0 têm resistência à
compressão inferior ao concreto sem brita e com brita gnaisse zero, enquanto a
resistência obtida por esclerometria indica que o composto com gnaisse 0 e calcária 0
tem a mesma resistência. Essas diferenças se devem ao fato das medidas serem
superficiais e serem pouco afetadas pelo volume interno do concreto. Observa-se, que
de modo similar aos concretos confeccionados com fatores água-cimento iguais a 0,4,
0,5 e 0,7, a esclerometria subestima a resistência à compressão. Isto não ocorre no caso
da argila expandida.
Os dados dos GRÁF. 5.21 e 5.22 também mostram que a esclerometria não descreve de
forma similar à resistência os efeitos da deterioração e de defeitos internos. Além disso,
conforme constatado nos GRÁF. 5.19 e 5.20, a esclerometria subestima a resistência à
compressão de concretos, com exceção dos concretos de alta porosidade. Mais uma vez
se tem evidências de que a esclerometria para compostos porosos (alta relação água-
cimento, com argila expandida e incorporador de ar) descreve de maneira mais precisa a
resistência à compressão. Esses resultados estão de acordo com os obtidos por
Evangelista (2002), que concluiu em seu trabalho que o índice esclerométrico é afetado
principalmente pelo agregado leve.
145
σ
0,00
σ
0,98
σ
2,22
σ
3,85
σ
2,72
σ
1,39
σ
1,65
σ
3,15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
a/c = 0,4 a/c = 0,5 a/c = 0,7 a/c = 0,9
Resistência à compressão (MPa)
Resistência à compressão superficial por esclerometria Resistência à compressão axial
Gráfico 5-19 – Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de cura, dos concretos
fabricados relação água-cimento 0,4; 0,5; 0,7 e 0,9.
σ
1,54
σ
1,73
σ
2,22
σ
1,94
σ
2,81
σ
5,22
σ
4,53
σ
σ
σ
σ
3,15
σ
1,02
σ
0,42
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Brita Gnaisse 1 Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Resistência à compressão (MPa)
Resistência à compressão superficial por exclerometria Resistência à compressão axial
Gráfico 5-20 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de cura, dos concretos
fabricados sem brita, brita gnaisse 0 e 1, brita calcária 0 e argila expandida.
146
σ
2,22
σ
5,41
σ
5,45
σ
1,69
σ
1,15
σ
0,34
σ
3,15
σ
1,76
σ
1,56
σ
0,96
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Deterioração Forno 200ºC Forno 354ºC Ácido Clorídrico Ácido Acético
Resistência à compressão (MPa)
Resistência à compressão superficial por esclerometria Resistência à compressão axial
Gráfico 5-21 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de cura, dos concretos
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos á deterioração
química e ao calor.
σ
4,16
σ
0,00
σ
5,87
σ
5,05
σ
5,72
σ
4,53
σ
4,04
σ
3,15
σ
0,00
σ
1,53
σ
4,70
σ
1,52
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Defeito Incorporador ar Bola de Vidro Fibras Curtas Fibras Longas Balão de ar
Resistência à compressão (MPa)
Resistência superficial por esclerometria Resistência à compressão axial
Gráfico 5-22 - Resistência superficial e resistência à compressão, após 28 dias de cura, dos concretos
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 aos quais foram incorporados
diferentes materiais.
147
5.7 Freqüência ressonante
O ensaio de freqüência ressonante fornece três tipos de informação: a freqüência natural
de vibração, o coeficiente de amortecimento (Q) e o módulo de elasticidade
longitudinal, transversal e torsional (subitem 3.2.3). Neste trabalho optou-se por
trabalhar com o longitudinal, pois o número de ensaios era muito elevado e a medida no
sentido longitudinal oferecia mais facilidade de execução, por ser o corpo-de-prova
cilíndrico.
Nos GRÁF. 5.23 e 5.26 são apresentados os valores dos módulos de elasticidade
obtidos para barras circulares e prismáticas de aço 1020 e liga de alumínio 6061 de
diferentes dimensões. Nos gráficos pode-se visualizar o valor médio das medidas do
módulo (dado pelo gráfico de barras) e a amplitude de variação das dez medidas
realizadas em cada corpo-de-prova (linhas verticais). Antes dessas medidas, foram
realizados inúmeros experimentos que indicaram que para que fosse possível a leitura
da freqüência natural era necessário garantir o alinhamento dos sensores e seu contato
físico com a amostra. A mesma leitura é obtida sem ou com a utilização de gel ou água
como agentes de melhoria de contato. A análise da Figura 5.23 mostra que as dispersões
dos resultados experimentais são insignificantes e se comparadas com as das medidas
comumente encontradas para módulos determinados pelo ensaio de tração indicam a
precisão obtida com o ensaio (BRAGA, 2008).
De acordo com o banco de dados CES (Cambridge Engineering Selector), o módulo do
aço e da liga de alumínio varia na faixa de 200 a 215 e 68 a 73 GPa, respectivamente.
Segundo Callister (2005), o módulo do aço 1020 é 207 GPa e da liga 6061 é 69 GPa.
Os dados obtidos neste trabalho indicam que a geometria da seção transversal não
influencia de forma significativa na medida do módulo do aço. Nas medidas utilizando
barras circulares, independente dos fatores de forma utilizados, se obteve valores dentro
da faixa de 200 a 210 GPa ou muito próximos a ela. Barras de aço de seção quadrada
com fatores de forma de 2, 5, 6, 7,5, 10 e 12, 5 tiveram o módulo de Young dentro da
faixa encontrada na literatura. Para o alumínio a forma da seção transversal também não
afeta os resultados. Para a seção quadrada apenas o fator de forma 15 levou a uma
superestimativa do módulo em torno de 2GPa. No caso de barras circulares de alumínio
6061 fatores de forma maiores que 10 levam a medição a módulos superiores aos da
literatura.
148
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
2 3 4 5 6 7,5 10 12,5 15
Fator de forma
Módulo de elasticidade - GPa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Gráfico 5-23 – Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante de barras circulares
de aço 1020.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
2 3 4 5 6 7,5 10 12,5 15
Fator de forma
Módulo de elasticidade - GPa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Gráfico 5-24 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante de barras prismáticas
de aço 1020.
literatura
literatura
149
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 3 4 5 6 7,5 10 12,5 15
Fator de forma
Módulo de elasticidade - GPa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Gráfico 5-25 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante de barras circulares
de liga de alumínio 6061.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 3 4 5 6 7,5 10 12,5 15
Fator de forma
Módulo de elasticidade - GPa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Gráfico 5-26 - Módulo de elasticidade longitudinal obtido por freqüência ressonante de barras prismáticas
liga de alumínio 6061.
literatura
literautura
150
Com base nesses resultados, nas indicações do fabricante do equipamento e
considerando a heterogeneidade do concreto (ASTM, 2002; GERMANN
INSTRUMENTS, 2007; MALHOTRA; SIVASUNDARAM 1991), estabeleceram-se as
condições para o ensaio de freqüência ressonante para o concreto: corpos-de-prova de
10 cm de diâmetro e comprimento de 20 cm, rigoroso controle de alinhamento e
acoplamento direto e forçado dos sensores com o corpo-de-prova.
Nos GRÁF. 5.27 a 5.29 são apresentados os valores de freqüência natural de vibração,
coeficiente de amortecimento (Q) e módulo de elasticidade longitudinal obtidos para os
concretos fabricados com areia natural, brita gnaisse zero e diferentes relações água-
cimento. Os mesmos tipos de resultados são apresentados nos GRÁF. 5.30 a 5.35, para
os concretos fabricados com relação água-cimento de 0,5, areia natural com e sem
agregado graúdo de duas diferentes naturezas e granulometrias. Em todos os gráficos
cada ponto representa a média de 10 medidas obtidas em um mesmo corpo-de-prova.
Para cada situação foram analisados três corpos-de-prova, o que totaliza 30 medidas
para o cálculo de cada ponto da curva. Junto à média é apresentado o desvio-padrão da
mesma. A análise dos dados de freqüência ressonante e do módulo de elasticidade
indica que o desvio-padrão das medidas é baixo se comparado aos obtidos no ensaio de
resistência mecânica. Repetibilidades semelhantes do módulo são relatadas por
Malhotra e Sivasundaram (1991). Observa-se que a variação do módulo é muito menor
que a da freqüência. O coeficiente de variação das diversas medidas foi em torno de 2%,
que é um valor mais alto que o relatado na norma ASTM C215 (2002) para o módulo
transversal. Não existem dados publicados para o módulo longitudinal. Lembrando que
imprecisões da ordem de 20% na determinação da resistência são usuais e que a
determinação do módulo é muito mais sensível às condições de ensaios, o valor de 2%
indica ser o ensaio de freqüência ressonante forçada um método preciso para a
determinação da rigidez do material. Além disso, a medida do módulo poderia ser feita
no mesmo corpo a ser ensaiado à compressão, sem que as variáveis de moldagem e cura
afetem a relação entre as duas propriedades.
Por outro lado, as médias do coeficiente de amortecimento apresentam maiores
dispersões. Em todas as situações analisadas, quanto maior o tempo de cura dos
concretos, maiores são a rigidez e a freqüência natural. Essa maior rigidez se deve ao
maior grau de hidratação do composto (METHA; MONTEIRO, 2008). Os dados das
FIG. 5.27 e 5.29 indicam que quanto menor a relação água-cimento, maiores a
freqüência e o módulo de elasticidade. Essas tendências são similares às descritas na
151
literatura para o módulo de elasticidade estático e se devem à maior porosidade da
matriz da pasta de cimento (COUTINHO; GONÇALVES, 1994; MEHTA;
MONTEIRO, 2008). Esses dados salientam ser o módulo por freqüência uma
ferramenta importante para o estudo da evolução microestrutural do concreto, uma vez
que detecta variações e pode ser repetido inúmeras vezes em um mesmo corpo-de-prova
após diferentes tipos e tempos de cura. Na análise do índice de amortecimento deve ser
lembrado que altos coeficientes significam menos amortecimento da onda, o que é
desejável para caracterização do material. Observa-se que os valores obtidos ficam
muito abaixo do intervalo de 50 a 500 sugerido para a constante de amortecimento por
Malhotra e Sivasundaram (1991) e acima do estipulado pelo fabricante do equipamento
(CNS Eletronics, 1997). O coeficiente de amortecimento é sensível à idade e a altas
relações água-cimento. De acordo com ele seria sensível apenas a altos fatores. Para
altos fatores água-cimento, o coeficiente não apresenta comportamento monotônico, o
que reforça o pensamento de que o amortecimento em concretos é complexo. De acordo
com Pântano e Rigby (apud MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991), a maior parte
do amortecimento do concreto ocorre na matriz, um pouco nas interfaces e menos no
agregado. A presença de vazios de ar em amostras secas pouco contribui para o
amortecimento, enquanto que a umidade na matriz é um dos principais contribuintes
para a capacidade de amortecimento do concreto.
36,39
78,36
35,98
78,07
57,57
77,39
σ
57,17
27,76
29,13
35,47
47,99
36,62
σ
68,63
13,98
107,85
136,66
104,77
96,41
116,43
σ
137,54
118,07
94,44
89,86
108,52
117,83
118,19
σ
77,10
102,44
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
12000
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Frequência natural (média) - Hz
a/c = 0,4
a/c = 0,5
a/c = 0,7
a/c = 0,9
Gráfico 5-27 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com relação água-cimento 0,4 ;
0,5; 0,7 e 0,9.
152
σ
1,10
2,28
2,18
0,42
2,52
3,03
2,31
0,84
σ
0,79
0,26
0,78
1,94
2,23
0,64
1,12
σ
0,56
1,12
1,42
0,76
0,93
1,22
1,06
σ
1,16
0,83
1,02
0,75
0,73
1,45
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Coeficiente de amortecimento (valor - Q)
a/c = 0,4
a/c = 0,5
a/c = 0,7
a/c = 0,9
Gráfico 5-28 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com relação água-cimento
0,4; 0,5; 0,7 e 0,9.
0,63
0,65
0,34
0,64
0,46
σ
0,36
0,36
0,37
0,39
0,50
0,50
0,40
σ
0,64
0,37
1,11
1,21
0,98
0,91
1,01
σ
1,07
1,06
0,63
0,73
0,68
0,78
0,76
σ
0,21
0,73
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Módulo de elasticidade (média) -
Gpa
a/c = 0,4 a/c = 0,5 a/c = 0,7 a/c = 0,9
Gráfico 5-29 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com relação água-cimento 0,4;
0,5; 0,7 e 0,9.
153
A ausência de brita ou a presença de brita gnaisse 1 tem efeito semelhante na freqüência
ressonante em todas as idades (GRÁF. 5.30). No entanto, no caso do módulo, já é
possível detectar o efeito da granulometria do agregado (GRÁF. 5.32). Isto deve ao fato
de que no cálculo do módulo (equação 3.19) considera-se a massa do corpo-de-prova
que, no caso do concreto com brita 1, é mais pesado. Observa-se que o concreto sem
brita apresenta, em todas as idades, rigidez ligeiramente inferior à do composto
fabricado com brita 1. O concreto com brita gnaisse 0 apresenta maiores freqüência
natural e módulo para todas as idades. Considerando que a natureza e a porcentagem em
peso das britas são as mesmas, isto poderia estar relacionado à menor fissuração da zona
de transição, mesmo tendo-se mais números de interfaces no concreto com brita 0. Na
literatura, o efeito do agregado na freqüência e no módulo se restringe ao volume de
agregado: quanto mais alto o percentual de agregado, maior é o módulo. De acordo com
alguns pesquisadores, o amortecimento seria pouco afetado pelo agregado
(MALHOTRA; SIVASUNDARAM, 1991). Os dados obtidos (GRÁF. 5.31), se
comparados com os do GRÁF. 5.28, reforçam essa hipótese.
σ
69.88
79.43
77.18
27.33 75.55
29.56
69.15
σ
47.77
75.88
65.74
73.11
38.12
44.18
57.77
27.76
29.13
13.98
36.62
σ
68.63
47.99
35.47
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
12000
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Frequência natural (média) - Hz
Sem Brita Brita Gnaisse 0 Brita Gnaisse 1
Gráfico 5-30 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com agregados de diferentes
granulometrias.
154
0,98
0,16
0,99
0,92
0,84
2,25
σ
0,91
0,82
1,79
2,82
1,79
1,74
1,66
σ
1,78
0.64
2.23
1.94
0.78
0.84
0.26
0.79
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Coeficiente de amortecimento (valor - Q)
Sem Brita
Brita Gnaisse 0
Brita Gnaisse 1
Gráfico 5-31 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com agregados de diferentes
granulometrias.
σ
0,59
0,67
0,68
0,33
0,68
0,34
0.64
σ
0,52
0,68
0,60
0,74
0,49
0,55
0.60
σ
0,64
0.40
0.50
0.50
0.39
0.37
0.37
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Módulo de elasticidade (média) -
Gpa
Sem Brita Brita Gnaisse 0 Brita Gnaisse 1
Gráfico 5-32 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com agregados de diferentes
granulometrias.
O tipo de agregado parece afetar significativamente a freqüência, o amortecimento e o
módulo apenas se for leve (GRÁF. 5.33 a 5.35). A brita calcária apresenta valores de
freqüência e módulo ligeiramente mais baixos. O composto com argila expandida
155
apresenta módulo e freqüência substancialmente menores. De acordo com Metha e
Monteiro (2008), em módulos estáticos era de se esperar que o efeito da brita calcária
fosse mais pronunciado, uma vez que o calcário possui módulo da ordem de 21 a 48
GPa e o granito de 69 a 138 GPa. Quanto ao módulo dinâmico, não foi encontrado dado
na literatura sobre a influência da natureza do agregado. Malhotra e Sivasundaram
(1991) apenas citam que o módulo dinâmico é afetado pelo módulo de seus materiais
constituintes. Como a diferença no ensaio de esmagamento (subitem 5.2.4) foi de
apenas 15% entre as britas calcárias e gnaisse e de 55% para a argila expandida, poder-
se-ia pensar que foi utilizada neste trabalho uma brita calcária de alto módulo e um
gnaisse de baixo.
σ
68,63
36,62 13,98
47,99
35,47
29,13
27,76
σ
70,99
60,73
72,68
17,95
47,25
72,41
41,58
σ
118,81
164,83
159,09
117,69
159,78
163,24
168,02
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
12000
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Frequência natural (média) - Hz
Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Gráfico 5-33 – Freqüência natural de vibração dos concretos fabricados com agregados de diferentes
naturezas.
156
0,64
2,23
0,1,94
0,78
0,84
0,26
σ
0,79
0,99
1,37
1,81
1,29
1,46
1,21
σ
1,13
0,42
0,99
0,84
0,69
0,52
0,46
σ
0,37
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Coeficiente de amortecimento (valor - Q)
Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Gráfico 5-34 – Coeficiente de amortecimento dos concretos fabricados com agregados de diferentes
naturezas.
σ
0,64
0,40
0,50
0,50
0,39
0,37
0,37
0,37
0,17
0,53
0,47
σ
0,57
0,62
0,37
0,75
0,73
0,55
σ
0,51
0,71
0,71
0,78
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112
Tempo de cura (dias)
Módulo de elasticidade (média) -
Gpa
Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Gráfico 5-35 – Módulo de elasticidade dos concretos fabricados com agregados de diferentes naturezas.
Nos GRÁF. 5.36 e 5.37 podem ser visualizados os resultados dos ensaios de freqüência
ressonante dos concretos submetidos à deterioração química e ao calor após 28 dias de
cura. Em cada gráfico são apresentados os valores médios (relativos a 30 medidas de
três corpos-de-prova parta cada situação) da freqüência natural, do coeficiente de
amortecimento e módulo de elasticidade e os respectivos desvios-padrão. Os dados
157
indicam que o ensaio de freqüência ressonante é capaz de identificar os danos causados
pela temperatura nos concretos (ensaios pós-incêndio). Trabalho de Almeida (2005)
sobre determinação do módulo de elasticidade determinado a partir da velocidade de
propagação de ondas ultra-sônicas em peças fissuradas por aplicação de esforços
mecânicos informa que o aumento da fissuração pode levar a decréscimo da rigidez de
até 32%. Sendo assim, pode-se pensar que a fissuração devida à ação da temperatura
levaria à diminuição da freqüência natural e a aumento do amortecimento. Entretanto,
observa-se que esse efeito é mais evidenciado no módulo do que na freqüência. Isto
estaria relacionado ao fato de que no cálculo do módulo se adiciona ao efeito da
freqüência o efeito da perda de massa em função da alta temperatura (equação 3.19).
Segundo Neville (1997), o módulo estático também detecta o dano pela ação de altas
temperaturas. O fato de o módulo variar com a temperatura e a resistência (GRÁF. 5.17)
não indica que essas propriedades sejam regidas por mecanismos microestruturais
diferentes (METHA; MONTEIRO, 2008; NEVILLE, 1997). Os dados indicam que a
freqüência ressonante, assim como a resistência mecânica, não identifica claramente a
ação dos ácidos (GRÁF. 5.37). Entretanto, observa-se que esse efeito é claramente
evidenciado no módulo de Young. Isto estaria relacionado ao fato de que para o cálculo
do módulo se adiciona ao efeito da freqüência, o efeito da perda de massa que foi
observada devido a ação dos ácidos (Equação 3.19). Também se observa que o
amortecimento foi menor (valor de Q maior) nas amostras sujeitas a deterioração
química. A comparação dos dados indica que o módulo de Young poderia ser um
instrumento mais eficiente que a resistência à compressão uniaxial para detectar a
deterioração dos concretos devido a ação dos ácidos. Isto provavelmente está
relacionado ao fato de que o módulo e a resistência são regidos por diferentes
mecanismos atômicos.
158
σ 3
,15
σ
0,78
σ
4,79
σ
0,15
σ
0,34
σ
0
,64
σ
9,97
σ
0,18
σ
0,37
σ 6,30
σ 1,76
σ 1,68
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Módulo (GPa)
Sem Deterioração Depois 200ºC Depois 354ºC
Gráfico 5-36 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de elasticidade após 28 dias de cura
dos concretos confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos
ao calor .
σ
0,50
σ
0,78
σ
4,79
σ
3,15
σ
4,49
σ
2,53
σ
1,56
σ
0,50
σ
3,45
σ 1,636
σ
0,96
σ
4,59
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Módulo (GPa)
Sem Deterioração Depois do Clorídirco Depois do Acético
Gráfico 5-37 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de elasticidade após 28 dias de cura
dos concretos confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à
deterioração química.
159
O módulo de elasticidade após 28 dias de cura dos concretos aos quais foram
incorporados diferentes materiais é mostrado no GRÁF. 5.38. O módulo e o
amortecimento detectaram a presença dos defeitos: ar incorporado e balão de ar. Isso
provavelmente ocorreu em função desses defeitos serem mais leves. A freqüência
detectou apenas o ar incorporado.
σ
4
,
7
9
σ
0
,
7
8
σ
0
,
5
0
σ
3,55
σ
0,60
σ
2,40
σ
9,32
σ
0,57
σ
0,34
σ
1,40
σ
1,25
σ
1,26
σ
6,03
σ
0,77
σ
0,69
σ
1,58
σ
1,26
σ
1,05
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequência (kHz) Valor de "Q" Módulo (GPa)
Sem Defeito Incorpor. Ar Bola de Vidro Fibra Curta Fibra Longa Balão Ar
Gráfico 5-38 – Freqüência natural, coeficiente de dispersão e módulo de elasticidade após 28 dias de cura
dos concretos confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5 aos quais
foram incorporados diferentes materiais.
5.8 Módulo de elasticidade estimado
Nos GRÁF. 5.39 a 5.42 são apresentados os valores estimados do módulo de
elasticidade estático obtidos com base na equação 5.1 proposta pelo ACI Building code
318 (1992) para concretos com massa específica entre 1.442 e 2.483 kg/m
3
:
2/1
5,1
0428,0
ckc
fE
ρ
=
(5.1)
160
onde E
c
é o módulo de deformação estático estimado em MPa,
ρ
massa específica em
kg/m
3
e f
ck,
a resistência à compressão aos 28 dias de cilindros normalizados (MPa).
Não foi utilizada a equação 3.27 recomendada pela NBR 6118 (ABNT, 2004), pois é
uma equação mais geral, que considera um valor médio da massa específica, o que
inviabilizara a previsão nos casos dos concretos leves. No caso da argila expandida, a
equação 5.1 leva apenas a uma aproximação grosseira, pois foi desenvolvida para
agregados à base de quartzo. A utilização dessa equação para agregados calcários, a
rigor, deveria ter uma correção, que não foi feita. No entanto, deve ser lembrado que
esse tipo de equação é usado na prática corrente tanto para agregados de calcário como
de gnaisse. Em cada gráfico estão contidos os valores médios obtidos por freqüência
ressonante e os estimados pela equação 5.1.
Os dados mostram que para todas as situações, com exceção dos concretos submetidos à
alta temperatura, a equação proposta pelo ACI Building code 318 (1992) subestima o
módulo de elasticidade, ou seja, os materiais são considerados menos rígidos. Apesar do
módulo calculado pela ACI Building code 318 ser apenas uma estimativa do módulo
estático, esses dados estariam de acordo com os da literatura (ASTM C215, 2002,
COUTINHO; GONÇALVES, 1994; METHA; MONTEIRO, 2008). Em algumas
situações a divergência de valores chega a 46%, o que pode ter implicações tecnológico-
financeiras significativas, uma vez que a rigidez de uma estrutura é dada pelo módulo
multiplicado pelo momento de inércia (função da forma da peça). Observa-se que o
módulo dinâmico do concreto com relação água-cimento de 0,4 é 23% maior que o
estático estimado. Em todas as situações analisadas (com exceção da argila expandida e
concretos deteriorados), o módulo dinâmico dos concretos com relação 0,5 é, em média,
35% maior que o estimado. No caso da argila expandida, o dinâmico é 60% maior. Isto
estaria de acordo com o os relatos de Metha e Monteiro (2008) e de Coutinho e
Gonçalves (1994) para módulos estáticos obtidos experimentalmente: a diferença entre
o módulo dinâmico e o estático é tanto maior quanto menor for a resistência do
concreto. Segundo Almeida (2005), os valores recomendados pela NBR 6118 (ABNT,
2004) para as análises elásticas de projeto são mais baixos que os de módulo obtidos
com ultra-som para concretos de baixa e média resistência (17% e 9%,
respectivamente).
O fato do módulo estimado para os corpos-de-prova sujeitos a temperaturas elevadas ser
mais alto não significa acurácia na medida. Provavelmente, o módulo dinâmico detectou
161
mudanças microestruturais provocadas pela temperatura que não afetaram
significativamente a resistência e a massa das amostras.
Estes dados vão ao encontro da análise de Malhotra e Sivasundaram (1991), que relatam
que vários pesquisadores tentam estabelecer relações empíricas entre o módulo de
elasticidade dinâmico e a resistência do concreto. Algumas dessas correlações parecem
depender do tipo específico de concreto investigado, mas é duvidoso que qualquer
relação generalizada possa ser estabelecida.
σ
0,34
σ
0,50
σ
0,98
σ
0,68
σ
1,23
σ
0,58
σ
59
σ
1,63
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
a/c = 0,4 a/c = 0,5 a/c = 0,7 a/c = 0,9
Módulo - GPa
Módulo de Elasticidade ACI Building code 318
Gráfico 5-39 - Módulo de elasticidade dinâmico determinado pela freqüência e módulo de elasticidade
estático estimado pela ACI Building code 318 (1992) após 28 dias de cura e fabricados com relação água-
cimento 0,4 ; 0,5; 0,7 e 0,9.
σ
0,33
σ
0,74
σ
0,50
σ
0,17
σ
0,55
σ
2,29
σ
1,73
σ
1,23
σ
0,45
σ
0,14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Brita Gnaisse 1 Gnaisse 0 Calcárea 0 Argila Expandida
Módulo - GPa
Módulo de Elasticidade ACI Building code 318
162
Gráfico 5-40 - Módulo de elasticidade dinâmico determinado pela freqüência e módulo de elasticidade
estático estimado pela ACI Building code 318 (1992) após 28 dias de cura e fabricados com sem brita,
brita gnaisse 0 e 1, brita calcária 0 e argila expandida.
σ
0,50
σ
0,18
σ
0,37
σ
4,49
σ
1,77
σ
0,11
σ
1,23
σ
0,61
σ
0,56
σ
0,37
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Deterioração Forno 200ºC Forno 354ºC Ácido Clorídrico Ácido Acético
Módulo - GPa
Módulo de Elasticidade ACI Building code 318
Gráfico 5-41 - Módulo de elasticidade dinâmico determinado pela freqüência e módulo de elasticidade
estático estimado pela ACI Building code 318 (1992) após 28 dias de cura e fabricados com areia natural,
brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração química e ao calor.
σ
0,50
σ
2,40
σ
0,34
σ
1,26
σ
0,69
σ
1,05
σ
2,11
σ
1,23
σ
0,23
σ
0,58
σ
1,83
σ
0,68
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Sem Defeito Incorporador ar Bola de Vidro Fibras Curtas Fibras Longas Balão de ar
Módulo - GPa
Mádulo de Elasticidade ACI Building code 318
Gráfico 5-42 - Módulo de elasticidade dinâmico determinado pela freqüência e módulo de elasticidade
estático estimado pela ACI Building code 318 (1992) após 28 dias de cura e fabricados com areia natural,
brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 aos quais foram incorporados diferentes materiais.
163
Todos os efeitos analisados para freqüência ressonante, coeficiente de amortecimento e
módulo longitudinal podem ser visualizados comparativamente com a resistência
mecânica nos GRÁF. 5.43 a 5.48, que agrupam os dados médios obtidos para cada
grupo de estudo. Esses dados ressaltam que o módulo e a resistência não são afetados na
mesma intensidade pela composição do concreto. Almeida (2005) concluiu que o
módulo dinâmico obtido com ultra-som em prismas é maior que o estático, em torno de
14%, e não depende da resistência à compressão. Ou seja, estimar o módulo a partir da
resistência não é adequado. A relação água-cimento parece afetar da mesma forma a
resistência e o módulo, ou seja, a porosidade da matriz tem o mesmo efeito sobre essas
propriedades. No entanto, a granulometria e a natureza do agregado afetam de forma
diferente o módulo e a resistência, o que reforça o fato de que os mecanismos que
regem a resistência são diferentes dos que afetam o módulo (ASHBY, 1996a; 1996b).
Também a fissuração devida à ação de altas temperaturas e dos ácidos afeta de forma
diferente a resistência e o módulo.
σ
3
,
5
9
σ
0
,
3
4
σ
0
,
7
6
σ
3
,
8
5
σ
1
,
6
5
σ
0
,
5
8
σ
4,79
σ
0,50
σ
2,40
σ
2,22
σ
3,15
σ
1,23
σ
0,98
σ
0,34
σ
0,98
σ
1,39
σ
10,47
σ
0,59
σ
10,24
σ
0,68
σ
1,26
σ
0,00
σ
2,72
σ
1,63
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Mádulo (GPa) ACI - 318
a/c 0,4 a/c 0,5 a/c 0,7 a/c 0,9
Gráfico 5-43 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos fabricados
com relação água-cimento 0,4 ; 0,5; 0,7e 0,9.
164
σ
4
,
5
3
σ
1
,
5
4
σ
2
,
7
3
σ
0
,
3
3
σ
0
,
9
2
σ
1
,
7
3
σ
3,15
σ
2,22
σ
4,79
σ
0,50
σ
0,78
σ
1,23
σ
1,79
σ
5,22
σ
1,73
σ
7,31
σ
0,74
σ
2,29
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Mádulo (GPa) ACI - 318
Sem Brita Brita Gnaisse 0 Brita Gnaisse1
Gráfico 5-44 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos fabricados
com agregados de diferentes granulometrias.
σ
0
,
7
8
σ
0
,
5
0
σ
4
,
7
9
σ
2
,
2
2
σ
3
,
1
5
σ
1
,
2
3
σ
1,29
σ
0,17
σ
7,79
σ
1,94
σ
1,02
σ
0,45
σ
0,55
σ
1,17
σ
2,81
σ
0,42
σ
0,69
σ
0,14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Mádulo (GPa) ACI - 318
Brita Gnaisse 0 Brita Calcárea 0 Argila Expandida
Gráfico 5-45 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos fabricados
com agregados de diferentes naturezas.
165
σ
3,15
σ
4,79
σ
2,22
σ
0,50
σ
0,78
σ
1,23
σ
0,54
σ
9,97
σ
2,90
σ
0,18
σ
0,64
σ
0,11
σ
1,86
σ
4,24
σ
1,76
σ
6,30
σ
0,37
σ
0,61
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Módulo (GPa) ACI - 318
Sem Deterioração Depois 200ºC Depois 354ºC
Gráfico 5-46 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos
confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos ao calor .
σ
0,78
σ
0,50
σ
4,79
σ
2,22
σ
3,15
σ
1,23
σ
2,53
σ
4,49
σ
0,50
σ
1,56
σ
1,65
σ
0,56
σ
1,36
σ
3,45
σ
4,59
σ
0,96
σ
1,15
σ
0,37
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Módulo (GPa) ACI - 318
Sem Deterioração Depois do Clorídirco Depois do Acético
Gráfico 5-47 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos
confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5 submetidos à deterioração
química.
166
σ
3
,
1
5
σ
2
,
2
2
σ
4
,
7
9
σ
0
,
5
0
σ
0
,
7
8
σ
1
,
2
3
σ
4,04
σ
0,00
σ
3,55
σ
2,40
σ
0,60
σ
2,11
σ
0,57
σ
0,00
σ
5,74
σ
9,32
σ
0,34
σ
0,23
σ
1,53
σ
5,05
σ
1,40
σ
1,26
σ
1,25
σ
0,58
σ
4,70
σ
5,74
σ
6,03
σ
0,69
σ
0,77
σ
1,83
σ
1,52
σ
4,59
σ
1,58
σ
1,05
σ
1,26
σ
0,68
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Compressão (MPa) Esclerometro (MPa) Frequência (kHz) Valor de "Q" Mádulo (GPa) ACI - 318
Sem Defeito Incorpor. Ar Bola de Vidro Fibra Curta Fibra Longa Balão Ar
Gráfico 5-48 – Resistência à compressão, freqüência natural, coeficiente de amortecimento, módulo de
elasticidade medidos e módulo de elasticidade estimado após 28 dias de cura dos concretos
confeccionados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0, 5 aos quais foram
incorporados diferentes materiais.
5.9 Imagens termográficas
A partir das imagens termográficas e informações armazenadas na câmera, foram
gerados relatórios, como o exemplificado na FIG. 5.3, utilizando o software
ThermaCAM™ QuickReport © Flir Systems, 2007. O software, além de analisar, tratar,
e classificar permite alterar os parâmetros de uma imagem. Esses parâmetros afetam a
radiação de infravermelhos medidos pela câmera (CLARK; MCCANN; FORDE, 2003).
167
Figura 5-3– Relatório da imagem termográfica.
Em função do pouco tempo disponível para uso da câmera e do software de tratamento
dos dados termográficos, optou-se por estudar apenas a potencialidade do método para a
caracterização do concreto. Na FIG. 5.4 é apresentado um dos termogramas obtidos
durante a vibração dos corpos-de-prova. Em nenhum dos ensaios foi captado
aquecimento no corpo-de-prova devido à vibração imposta. Provavelmente, isto ocorreu
devido ao tamanho da amostra utilizada. Nos poucos ensaios descritos na literatura, são
168
empregadas amostras de alumínio de 0,05 pol. de espessura (SHEPARD; AHMED;
LHOTA, 2004; WIGGENHAUSER, 2002). Sendo assim, optou-se por estudar
concretos submetidos a aquecimento em forno, por imersão em água quente, exposição
ao sol/aquecedor elétrico e refrigeração.
Figura 5-4– Corpo-de-prova fabricado com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,5, no
qual foi incorporado balão de ar e submetido a freqüências de 15.000 Hz.
Na FIG. 5.5, podem ser visualizados os termogramas obtidos de um dos corpos-de-
prova analisado (frente e costas), contendo dois balões de ar e apresentando regiões
mais úmidas, após aquecimento em água quente. As imagens mostradas foram obtidas
diretamente da câmera e foram tratadas pelo programa específico. Verifica-se que, a
partir do termograma, é possível detectar claramente os pontos úmidos e duas regiões
com temperaturas mais altas. Essas regiões se localizam sobre o volume onde se
encontram os balões de ar, como pode ser visto no corpo-de-prova rompido (FIG. 5.6).
169
(a) (b)
Figura 5-5- Termograma de corpo-de-prova fabricado com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,5, no qual foi incorporado balão de ar e aquecido em água quente por duas horas: (a) vista
frontal, (b) vista posterior.
Balão de ar
Balão de ar
Balão de ar
Balão de ar
170
Figura 5-6– Corpo-de-prova rompido contendo balão de ar.
Da mesma forma, na FIG. 5.7 são apresentadas as imagens de corpos-de-prova nos
quais foram incorporados balões de ar, fibras longas, bolas de vidro e aquecidos em
forno de mufla por duas horas. Como se pode observar, a distribuição de temperatura é
diferente nas três situações, ou seja, a termografia é sensível à presença de
heterogeneidades do concreto. É difícil analisar as extremidades dos corpos-de-prova,
pois a retirada do forno provavelmente interferiu na temperatura dos extremos. A
existência dos balões de ar novamente é facilmente detectada. No caso das bolas de
vidro, a distribuição é mais homogênea, provavelmente devido ao fato de estarem
distribuídas em todo o corpo-de-prova ou pelo fato do vidro ter natureza química mais
ao concreto (FIG. 5.8).
171
(Balão de ar)
(Fibras longas)
(Bolas de vidro)
Figura 5-7- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,5, nos quais foram incorporadas imperfeições, e aquecidos em forno de mufla por duas horas.
172
Figura 5-8– Corpo-de-prova rompido contendo bolas de vidro.
A FIG. 5.9 ilustra a perda de calor do concreto devido à ação de temperaturas mais
baixas. Nos corpos-de-prova fabricados com areia natural, relação água-cimento 0,5,
foram incorporados argila expandida, só agregado miúdo (sem brita), brita gnaisse 1 e
resfriado em geladeira no período de 14 a 16 horas. Observa-se claramente que a
termografia tem potencialidades para detectar a natureza e granulometria dos agregados
incorporados.
Figura 5-9- Termograma de corpos-de-prova fabricados com areia natural, relação água-cimento 0,5, nos
quais foram incorporadas (a) argila expandida, (b) sem brita (c) brita gnaisse 1 e resfriado em geladeiras
no período de 14 a 16 horas.
A exposição dos corpos-de-prova ao calor de um aquecedor elétrico permite identificar
distribuições de temperatura diferentes associadas a constituintes distintos no concreto
no qual foram incorporadas fibras longas, bola de vidro, balão de ar e fibras curtas (FIG.
5.10).
(b)
(a)
(b)
(c)
173
Figura 5-10- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação
água-cimento 0,5, nos quais foram incorporados (a) fibras longas (b) bola de vidro (c) balão de ar (d)
fibras curtas, e exposto a aquecimento elétrico no período de 14 a 16 horas.
As imagens obtidas com aquecimento por exposição à radiação solar estão
representadas na FIG. 5.11. Mais uma vez se identifica que a termografia é capaz de
detectar modificações na macroestrutura do concreto: presença de alto teor de ar e perda
de massa devido à ação da temperatura de 354ºC. A uniformidade da distribuição de
temperatura ao longo das amostras estaria relacionada à homogeneidade do composto.
(a)
(b)
(c
)
(d
)
174
Figura 5-11- Termograma de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-
cimento 0,5, no qual foi adicionado (a) incorporador de ar (b) deteriorado a 354ºC, e exposto à radiação
solar no período de 14 a 16 horas.
Na FIG. 5.12 são apresentadas as imagens termográficas dos concretos aos quais foram
incorporadas fibras longas e bolas de vidro. Nota-se que após cinco horas de exposição
ao sol as diferenças de temperatura na superfície dos corpos-de-prova permanecem. Ou
seja, não ocorreu a saturação. Os pontos mais quentes no corpo-de-prova (a) podem ser
atribuídos ao fato de uma das barras de aço estar mais próxima da superfície do
concreto (FIG. 5.13), indicando que falhas superficiais são mais fáceis de serem
identificadas.
Figura 5-12- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação
água-cimento 0,5, nos quais foram incorporadas (a) fibras longas (b) bola de vidro, e expostos à radiação
solar no período de 8 a 14:30 horas.
(a)
(b)
(a)
(b)
175
Figura 5-13– Corpo-de-prova rompido contendo fibras longas.
As amostras submetidas à deterioração por ação de ácido e temperaturas elevadas (FIG.
5.14) apresentaram termogramas nos quais facilmente se identificam regiões de
diferentes temperaturas. Essas diferenças refletem provavelmente os volumes em que
ocorreu perda de massa.
Figura 5-14- Termogramas de corpos-de-prova fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação
água-cimento 0,5, (a) deteriorado 354ºC (b) deteriorado com HCL (c) deteriorado com C
2
H
4
O
2
, exposto
à radiação solar no período de 8 a 14:30 horas.
As figuras a seguir permitem acompanhar o resfriamento de corpos-de-prova com
diferentes constituintes e defeitos após insolação de oito horas. A perda de calor por
resfriamento permite visualiza imagens mais reveladoras que das amostras aquecidas.
Além disso, as imagens dos corpos-de-prova sujeitos a três diferentes níveis de tensão
indicam a potencialidade do método de termografia para identificação de trincas
(METHA; MONTEIRO, 2008).
(a)
(b)
(c)
Fibra longa
176
(Início do resfriamento)
(30 minutos de resfriamento)
(60 minutos de resfriamento)
Figura 5-15- Termogramas de corpos-de-prova com resfriamento de 30 e 60 minutos (a) brita calcária 0 e
submetidos a diferentes carregamentos, (b) brita gnaisse 1 (c) sem brita (d) argila expandida (e)
deteriorada 200ºC (f) deteriorada com HCL (g) deteriorado com C
2
H
4
O
2
e exposto a oito horas de
radiação solar resfriado na sombra.
(a)
(b
)
(c
)
(d
)
(e
)
(f
)
(g
)
(b)
(a
)
(b
)
(c
)
(d
)
(e
)
(f
)
(g
)
(a
)
(b
)
(c
)
(d
)
(e
)
(f
)
(g
)
177
Foi possível detectar, com a exposição ao sol, diferenças que variaram de 2,3 a 12,0ºC.
Usando água quente, as diferenças foram de até 40 ºC em um mesmo corpo-de-prova.
No estudo de Clark, Mccann e Forde (2003) sobre a análise da estrutura de uma ponte,
verificou-se diferença de 0,2 a 0,3ºC entre uma região perfeita e uma com defeitos.
De acordo com Weil (1991), o melhor contraste térmico é obtido duas a três horas após
o nascer ou o pôr-do-sol, pois o calor deve fluir de/ou para o concreto, fato que foi
confirmado por um experimento no qual foi feito o termograma de um muro (FIG.
5.16). Pode-se identificar claramente os diferentes elementos que compõem a estrutura
do muro. No entanto, devido ao tempo restrito de concessão de uso do equipamento,
não foi possível realizar novos os testes.
Figura 5-16- Termogramas de um muro feita ás oito horas da manhã.
178
6 CONCLUSÕES
Os resultados obtidos indicam que:
• O uso do software de gerenciamento de projetos MS – Project para planejamento
dos experimentos constitui-se em poderosa ferramenta para controle e
otimização de trabalhos experimentais que envolvam elevado número de corpos-
de-prova e ensaios.
• A dispersão nos ensaios de resistência à compressão é grande, em consonância
com o relatado na literatura, o que compromete a estimativa do módulo de
elasticidade a partir do próprio ensaio ou utilizando equações empíricas que
relacionam a resistência e o módulo.
• A resistência à compressão é muito sensível à relação água/cimento, à idade do
concreto e à presença de materiais leves; varia com a natureza, granulometria e
provavelmente com a distribuição do agregado; no entanto, é difícil identificar a
influência isolada dessas variáveis. Por outro lado, a resistência não detecta a
existência do teor moderado de fibras longas e curtas e nem sempre é sensível à
perda de massa de corpos submetidos a aquecimentos a 200 e 354
o
C ou à ação
do ácido acético e clorídrico.
• A esclerometria subestima em até 50% a resistência à compressão do concreto,
com exceção dos concretos fabricados com argila expandida e incorporador de
ar, para os quais fornece resultados compatíveis; o ensaio nem sempre descreve
de forma similar à resistência à compressão, a influência da relação água-
cimento, da granulomertia do agregado e da ação de altas temperaturas e de
ácidos.
• O modulo de Young determinado por freqüência ressonante forçada longitudinal
é capaz de descrever a rigidez dos materiais, desde que obedecidas as relações
de forma.
• O ensaio de freqüência ressonante no modo longitudinal é de grande
repetibilidade, o que, associado às informações da literatura, o indica como
mais adequado que o de resistência à compressão axial para determinação do
módulo de elasticidade do concreto.
179
• Os ensaios de freqüência ressonante forçada são métodos bastante sensíveis a
alterações na estrutura interna e aos defeitos do concreto.
• O módulo obtido por ressonância forçada é mais sensível aos constituintes, à
presença de defeitos e deteriorações do concreto que a freqüência natural.
• O módulo de elasticidade e a resistência á compressão não são afetados na
mesma intensidade pela composição do concreto. Sendo assim, a estimativa do
módulo a partir do valor de resistência apresenta limitações. No entanto, é bem
provável que equações determinadas a partir de valores de módulo de
elasticidade e resistência obtidos em um mesmo corpo conduzam a resultados
mais precisos.
• Os ensaios de freqüência ressonante forçada poderiam ser utilizados com
segurança para a determinação do módulo de Young do concreto e
acompanhamento de sua durabilidade.
• Não foi possível identificar a potencialidade do coeficiente de amortecimento
para o estudo do concreto.
• A equação proposta pelo ACI Building code 318 (1992) subestima, em casos em
que o concreto não for sujeito a temperaturas altas, o módulo de elasticidade do
concreto. Em algumas situações, a divergência de valores chega a 30%. Tal fato
pode ter implicações tecnológico-financeiras significativas no cálculo estrutural.
• Imagens termográficas obtidas permitem que se faça uma avaliação qualitativa
do grau de deterioração do concreto, assim como de seus constituintes, defeitos e
graus de fissuração.
• A termografia apresenta potencial para ser usada no controle tecnológico do
concreto.
• Apesar da baixa condutividade dos concretos, foi possível detectar diferenças de
temperaturas de até 40 ºC em um mesmo corpo-de-prova aquecido por imersão
em água quente e de até 12,0ºC em concretos aquecidos ao sol.
180
7 SUGESTÃO PARA FUTUROS TRABALHOS
Com base na análise dos dados obtidos, sugerem-se os seguintes temas para trabalhos
futuros:
• estudo da influência do teor de agregados e consumo de cimento na freqüência
ressonante e módulo de elasticidade dinâmico;
• estudo da relação ente módulo de elasticidade dinâmico e estático para concretos
com diferentes constituintes;
• utilização da freqüência ressonante para acompanhamento do grau de fissuração
dos concretos;
• estudo da relação microestutura-resistência-módulo dinâmico em concretos
sujeitos a altas temperaturas;
• estudo da vibrotermografia aplicada aos concretos;
• termografia de concretos para detectar a porosidade da matriz e teor de
agregados;
• estudo sistemático da influência da profundidade dos defeitos nas imagens
termográficas obtidas;
• estudo sistemático do resfriamento de diferentes concretos utilizando
termografia.
• Estudo da correlação entre módulo de elasticidade dinâmico obtidos por ultra-
som e freqüência ressonante.
181
8 ABSTRACT
The performance of the materials manufactured with cement “Portland” based is usually
evaluated by the breakdown tension under compressive loads, elasticity and porosity
modulus. The “Young” modulus is usually determined by compressive tests, with
results showing large dispersions. Non destructive test of impact method (Schmidt
impact hammers) and ultra-sonic has been used to evaluate the compressive strength,
monitoring and diagnosing possible anomaly in concrete structures and samples. With
the acquisition and data processing signals technology advances the thermography and
resonate frequency tests can be used to study of the materials, although, these studies
are mostly focus on metals properties. This research basically evaluates the use of
forced longitudinal resonance methodology as an instrument to determine the elastic
modulus, characteristics and evaluation of integrity of “Portland” cement compound.
Besides, is evaluated the potentiality of thermography technique to characterize
mecanical properties of concretes. Therefore, resonant frequency and thermography
tests were conducted with rigid 15x20cm concrete cylinder specimens at different ages,
with water-cement factor range from 0.4 to 0.9 with aggregates of different
granulometry. Imperfections were introduced to some specimens and other were
submitted to high temperatures and acid agents. Also were accomplished essays of
compression-resistance and of impact. The results show how the natural frequency,
elasticity modulus and thermography are sensitive to the presence of damages and to
different constituents of the concrete, making this technique a powerful tool to control
the concrete stability during lifetime. The result also shows how the forced longitudinal
resonance is an effective method to determine “young” modulus of concrete.
Keywords: concrete, elasticity modulus, natural frequency, essay resonance frequency,
thermography.
182
9 REFERÊNCIAS
ABRAMS, D. A. Design of Concrete Mixtures. Structural Materials Research
Laboratory. Chicago. 1918. (Lewis Institute Bulletin, 1)
AGUILAR, M.T.P. et al. Análise da capacidade de deformação do concreto: Módulo de
Young X Módulo de deformação. In: XVII CONGRESSO BRASILEIRO DE
ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS. Anais do CBECiMat, Foz do
Iguaçu, Paraná Nov. 2006.
AGUILAR, M.T.P. et al. Estudo do desenvolvimento de argamassas de revestimento
Fabricadas com Sílica ativa e escória. Revista Metalurgia & Materiais, v.59, n.534,
jun 2003.
ALMEIDA, S. F. Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de
concreto submetidos à danificação progressiva até a ruptura. Dissertação
(Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2005.
AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, ACI 228.1R–03, “In-Place Methods to
Estimate Concrete Strength”, Detroit, 2003.
AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Building Code Requirements for Reinforced
Concrete: reported by ACI Committee 318. In: ACI Manual of concrete Practice.
Detroit, Part. 3, 1992.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM C 215. Standard
test method for fundamental transverse, longitudinal, and torsional resonant frequencies
of concrete specimens. ASTM Committee C09 on Concrete and concrete Aggregates,
2002.
ASHBY, M.F., JONES, D.R.H. Engineering Materials 1: an Introduction to Their
Properties & Applications. 2. ed., Great Britain: Butterworth Heinemann, 1996a.
ASHBY, M.F., JONES, D.R.H. Engineering Materials 2: an Introduction to
Microstructures, Processing & Design. 2.ed, Great Britain: Butterworth Heinemann,
1996b.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT. NBR 12655:
concreto de cimento Portland, preparo, controle e recebimento: procedimento: Rio de
Janeiro, 2005a.
___ NBR 5738: Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de
concreto: Rio de Janeiro, 2003a.
___ NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto: procedimentos: Rio de Janeiro, 2004.
___ NBR 7211: Agregado para concreto - Especificações: Rio de Janeiro, 2005b.
___ NBR 7211: Agregado para concreto: Rio de Janeiro, 1983a.
183
___ NBR 7215: Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão: Rio de
Janeiro, 1996a.
___ NBR 7218: agregados: Determinação do teor de argila em torrões e materiais
friáveis. Rio de Janeiro, 1987a.
___ NBR 7809: Determinação do índice de forma pelo método do paquímetro. Rio de
Janeiro, 1983b.
___ NBR 8522: Concreto – Determinação do módulo de deformação estática e
diagrama tensão-deformação. Rio deJaneiro, 2003.
___ NBR 9776: Agregados: Determinação da massa específica de agregados miúdos
por meio do frasco de Chapman. Rio de Janeiro, 1987b.
___ NBR 9938: Agregados: Determinação do da resistência ao esmagamento de
agregados graúdos. Rio de Janeiro, 1987c.
___ NBR NM 248: Agregados: Determinação da composição granulométrica. Rio de
Janeiro, 2003b.
___ NBR NM 27: Agregados: Redução da amostra de campo para ensaio de laborat Rio
de Janeiro, 2001a.
___ NBR NM 46: Agregados: Determinação do teor de materiais pulverulentos. Rio de
Janeiro, 2006.
___ NBR NM 49: Agregado fino: Determinação de impurezas orgânicas. Rio de
Janeiro, 2001b.
___ NBR NM 51: Agregado graúdo: Ensaio de abrasão “Los Angeles”. Rio de Janeiro,
2000.
___ NBR NM 53: Agregado graúdo - Determinação de massa específica, massa
específica aparente e absorção de água. Rio de Janeiro, 2003c.
___ NBR NM 67: Concreto: Determinação da consistência pelo abatimento do tronco
de cone. Rio de Janeiro, 1998.
___ NBR NM 78: Concreto endurecido. Avaliação da dureza superficial pelo
e3xclerômetro de reflexão. Rio de Janeiro, 1996b.
BALLARIN, A. W.; NOGUEIRA M. Determinação do Módulo de elasticidade da
madeira juvenil e adulta de Pinus taeda por ultra-som. Eng Agríc, Jaboticabal, v.25, n.1,
p.19-28, jan./abr 2005.
BEEK, A.V. Dielectric properties of young concrete. Non-destructive dielectric
sensor for monitoring the strength development of young concrete; Thesis - Delft
University Press Amsterdam Holanda, 2000.
184
BELO, I.M.; PENNER, E. Avaliação das propriedades estáticas e dinâmicas de vigas de
concreto armado. 44º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, Anais..., Belo
horizonte. Meio digital. 2002.
BERGAMASCHI, J.M. Ataque ácido à argamassa de cimento comum e com
escória: um estudo cinético e gravimétrico de degradação. Dissertação (mestrado)
Instituto de Química. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2007.
BEZERRA, A.C.S.; AGUILAR, M.T.P.; CETLIN, P.R. Influência do capeamento
nos resultados do ensaio de resistência à compressão em concretos. Anais do 50º
Congresso Brasileiro do Concreto. CBC 2008.
BEZERRA, A.C.S. Influência das variáveis de ensaio nos resultados de resistência à
compressão de concretos: uma análise experimental e computacional. Dissertação
(mestrado), Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em construção civil da
Universidade Federal de Minas Gerais. 2007.
BRAGA, G.E. Influência do módulo de elasticidade na mudança de estado de cabos
suspensos em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica. Dissertação
(mestrado). Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica:
Universidade Federal de Minas Gerais, 2008.
BRANCO, F.A.; SANTOS, J.R. Avaliação da espessura degradada em estruturas de
betão sujeitas à acção do fogo. (FBTEST), 2000.
BRITISH STANDARD INSTITUTION, BS 1881: Part 201, Guide to the use of
nondestructive methods of test for hardened concrete: London. 1986a.
BRITISH STANDARDS INSTITUTION, BS 1881: Part 202, Recommendations for
surface hardness testing by rebound hammer, London, 1986b.
BRITISH STANDARDS INSTITUTION, BS 1881: Part 209. Testing concrete.
Recommendations for measurement of dynamic modulus of elasticity. London, 1990.
BUCHER, H.R.E.; RODRIGUES FILHO, H.C. Argamassas de enxofre para
capeamento de corpos-de-prova. Seminário Controle de Resistência do Concreto,
Ibracon, São Paulo, 1983.
CANESSO, F.A.C. et al. Determinação da relação água/cimento utilizando microondas.
In: 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO: Ibracon. Rio de janeiro. 2006.
Anais eletrônicos Disponível em
www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-210-006.pdf Acesso em
Novembro de 2008.
CARINO, N.J.; GUTHRIE, W.F.; LAGERGREN, E.S. Effects of Testing Variables
on the Measured Compressive Strength of High-Strength (90 MPa) Concrete.
National Institute of Standards and Technology. NISTIR 5405, Gaithersburg, Md., Oct.
1994.
CASCUDO, O. O controle da corrosão de armaduras em concreto: inspeção e
técnicas eletroquímicas. São Paulo: Pini; 237p. 1997.
185
CASTANEDO, C.I. Quantitative subsurface defect valuation by pulsed phase
thermography: Depth retrieval with the phase. Thèse (obtention grade de
Philosophiae Doctor Ph.D.) Faculté des Sciences et de Génie Université Laval –
Québec. Octobre 2005.
CASTANEDO, C.I.; MALDAGUE X. Defect depth retrieval from pulsed phase
thermographic data on plexiglas and aluminum samples. Thermosense XXVI, v.
5405, Society of Photo-optical instrumentation engineers, 2004.
CHAN, Y.N.; PENG, G.F.; ANSON, M. Residual strength and pore structure of
high-strength concrete and normal strength concrete after exposure to high
temperatures. Cement and Concrete Composites-23-27-Department of Civil and
Structural Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hong Kong,
1999.
CLARK M.R.; MCCANN, D.M.; FORDE, M.C. Application of infrared thermography
to the non-destructive testing of concrete and masonry bridges. NDT & E
International Independent Nondestructive Testing and Evaluation, v.36, Issue 4,
p.265-275, Structural Faults and Repair. June 2003.
CALLISTER, W. D. Fundamentals of materials Science and Engineering: An
integrated approach. Second Edition. jonh Wiley & Sons, Inc. 124 pp. 2005.
CNS ELECTRONICS Operating. Manual of Erudite MK II Resonant Frequency
Test System, 1995. 67p.
COLORADO, L.H.A.; ROLDAN, C.C.; VELEZ, J.M. Friccion interna y
comportamiento anelástico em sólidos. Revistas Científicas de América Latina Y el
Caribe, Espanã y Portugal. Universidade Nacional de Colômbia – Medellín, Colômbia.
Pp. 30-49. 2006.
COSTA, C.N.; FIGUEIREDO, A.D.; SILVA, V.P. O fenômeno do lascamento
(spalling) nas estruturas de concreto armado submetidas a incêndio - uma revisão
crítica. In: 44° CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO. Anais. Belo Horizonte:
Ibracon, 2002.
COUTINHO, A.S.; GONÇALVEZ, A. Fabrico e propriedades do betão. Laboratório
Nacional de Engenharia Civil, 2. ed, v.3, Lisboa, 1994.
CUOGHI, R. S. Aspectos de análise de risco das estruturas de concreto em situação
de incêndio. Dissertação (mestrado) – Engenharia de Construção Civil e Urbana.
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo 2006.
DELGADO, A. Velocity and attenuation as descriptors in ultrasonic non-destructive test
– Auscultatión ultrasonica no convencional para la detección y evaluación del daño en
materials de base cemento. In: Internatonal conference on non-conventional
materials and technologies ecological materials and Technologies For sustainable
building. Maceió, Alagoas, Brazil, 14
th
–17
th
October 2007.
DOEBELIN, E.O. Measurement systems: application and design. 4. ed. Singapoure:
McGraw-Hill, 1990.
186
EVANGELISTA, A.C.J. Avaliação da Resistência do Concreto Usando Diferentes
Ensaios Não Destrutivos. Tese (doutorado). Programas de Pós-Graduação de
Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro. 2002.
FAPESP. Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. A pesquisa
traduzida em negócios: dez anos de incentivo à inovação tecnológica. Fundação de
amparo à pesquisa do estado de São Paulo.
http://www.fapesp.br/publicacoes/fichas_inovacao_pt.pdf, consultado em outubro 2008.
FERREIRA, R.M. Avaliação de ensaios de durabilidade do betão. Dissertação
(Mestrado) Escola de Engenharia Civil da Universidade do Minho, Guimarães, 2000.
FORSTIE, D.A.; SCHNORMEIER, R. Development and use of 4 by 8 inch concrete
cylinders in Arizona. Concrete International., v. 3, n
o
. 7, July 1981.
GERMANN INSTRUMENTS: NDT Systems for durability assessment, service life
estimation, fast-track construction, corrosion survey, structural integrity, repair
quality, structural monitoring. Catalog NDT-2007. Copenhagen, Denmark, 2007.
GLEITER, A. et al. Ultrasound- Lockin-Thermography for Advanced Depth Resolved
Defect Selective Imaging. Conferência Nacional de Métodos Numéricos em Mecânica
dos Fluidos e Termodinâmica. ENCIT – Curitiba, 2006.
HAN, S.; KIM, J. Effect of temperature and age on the relationship between dynamic
and static elastic modulus of concrete. Cement and Concrete Research, v.34, p.1219-
1277. 2004.
HOLST, G.C. Common Sense Approach To Thermal Imaging. Spie Optical
Engineering Press. A Publication of Spie. The International Society for Optical
Engineering, Bellingham, Washington USA, 2000.
HUDSON, J.A. et al. Soft, stiff and servo controlled testing machines: A review with
reference to rock failure. MTS Systems Corporation, Minneapolis, 1976.
HUDSON JR., R.D. Infrared system engineering. Pure & Applied Optics John Wiley
and Sons Inc. 642p. New York: 2006.
INCROPERA, F.P.; DeWITT, D.P. Fundamentos de transferência de calor e massa.
Livros técnicos e científicos editores S.A. 5. ed. Rio de Janeiro, 2003.
KREITH, F. Princípios de transmissão de calor. Editora Edgard Blücher - São Paulo
1977.
KUPKOVÁ, M. et al. On a discrepancy in modulus of elasticity as determined from
separate resonance frequencies of a bar sintered from copper-coated iron powder.
Materials Chemistry and Physics, v.104, Issues 2-3, p. 639-642 2007.
LEITE, P.G. Curso de ensaios não destrutivos de metais. Associação Brasileira de
Metais. São Paulo 1966.
187
LI, G. et al. Effective Young´s modulus estimation of concrete. Cement and Concrete
Research, v.29. p.1455-1462. 1999.
LILLES, T.M.; KIEFER, R.W. Remote sensing and image interpretation. 3. ed. New
York: John Wiley & Sons, 1997. 750p.
LIMA, F. B.; BARBOSA, A. H. Influência do tamanho e do tipo do corpo-de-prova na
resistência à compressão do concreto. 44° CONGRESSO BRASILEIRO DO
CONCRETO, Anais..., Ibracon, Belo Horizonte, 2002.
LIMA, M. et al. Comportamento de argamassas submetidas a ataque ácido. II
CONGRESSO DE PESQUISA E INOVAÇÃO DA REDE NORTE DE EDUCAÇÃO
TECONOLÓGICA DE JOÃO PESSOA. Anais..., II CONFEO 2007.
MACHADO, M.D. Curvas de correlação para caracterizar concretos usados no rio
de janeiro por meio de ensaios não destrutivos. Dissertação (mestrado). Programas de
Pós-Graduação de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro. 2005.
MALDAGUE, X.P. Applications of infrared thermography in nondestructive
evaluation, Terends in Optical Nondestrutive Testing (invited chapter), Pramod Rastogi
Ed., pp. 591-609, 2000.
MALDAGUE, X.P. Introduction to NDT by active infrared thermography, to
Materials Evaluation. v.6, pp.1060-1073, 2002.
MALDAGUE, X.P. Theory and practice of infrared technology for nondestructive
testing, Wiley & Sons, Inc., New York, 2001.
MALHOTRA, V.M.; SIVASUNDARAM, V. Resonance Frequency Methods. In:
MALHOTRA, V.M.; CARINO, N.J. (eds). CRC Handbook on Nondestructive
Testing of Concrete, 1 ed., chapter 6, Boston, USA, CRC Press, 1991.
MARCO, F.F.; REGINATTO, G.M.; JACOSKI, C.A. Estudo comparativo entre
capeamento de neoprene, enxofre e pasta de cimento para corpos-de-prova cilíndricos
de concreto. 45° CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, Anais..., Ibracon,
Vitória, 2003.
MARTINS, F.I.R. Otimização dos Materiais para a Composição do Concreto de Alto
Desempenho. 46º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, Anais.... Ibracon -
Volume II - Construções em Concreto. CBC0164 - p. II.1381 - II.1395, Florianópolis.
2004.
MAST, R.F. Vibration of precast prestressed concrete floors. PCI Journal, p.76-86,
novembro-dezembro/2001.
MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. Concreto: Microestrutura, propriedades e
materiais. 3.ed. Editora: Ibracon (Instituto Brasileiro do Concreto) - SP. 2008.
MENDONÇA, L.V. Termografia por infravermelhos inspeção de Betão, SpyBuilding
Inspeção de Edifícios. Revista Engenharia & Vida, n.16, pp. 53-57, 2005.
188
MEOLA, C.; CARLOMAGNO, G.M. Recent advances in the use of infrared
Thermography. Institute of Physics Publishing Measurement Science and
Technology, v.15, p.R27–R58, 2004.
MEOLA, C. et al. Application of infrared thermography and geophysical methods for
defect detection in architectural structures. Engineering Failure Analysis, v.12, p.875–
892, 2005.
MONTE, R. et al. Módulo de elasticidade dinâmico: comparação entre velocidade da
onda ultrassônica e freqüência ressonante. VII SEMINÁRIO BRASILEIRO DE
TECNOLOGIA DAS ARGAMASSAS, Anais..., Pernambuco. Meio digital. Maio
2007.
NDAMBI, J.M.; VANTOMME, J.; HARRI, K. Damage assessment in reinforced
concrete beams using eigenfrequencies and mode shape derivatives. Engineering
Structures, v.24, n.44, p.501-515. 4/2002.
NEVILLE, A.M. Propriedades do concreto. GIAMMUSSO, Salvador E., 2.ed. São
Paulo: Pini, 1997.
OCÁRIZ, I.S.; BORJA, G.; ALONSO, F. Diferentes técnicas END mediante
termografía infrarroja.. aplicaciones en la industria aeroespacial. Centro de
Tecnologías Aeronáuticas (CTA) 2005.
ODELSON, J.B.; KERR, E.A.; VICHIT-VADAKAN, W. Young´s modulus of cement
paste at elevated temperatures. Cement and Concrete Research. v. 37. p. 258-263.
2007.
OLIVEIRA, F.G.R. et al. Avaliação de propriedades mecânicas de madeira por meio de
ultra-som. CONFERENCIA PANAMERICANA DE ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS, Anais..., Rio de janeiro. Junho de 2003.
PAPPALETTERE, C. Corso di Meccanica Sperimentale Seminario sulla:
Termografia. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale Bari, Itália. 2004.
PANZERA, T.H. et al. Microstructural design of materials for aerostatic bearings. In:
MATERIALS CONGRESS 2006 - PROCESSING & CHARACTERISATION OF
ADVANCED CERAMICS. London: Institute of Materials, Minerals and Mining,
v.1., p.66-67. 2006.
PATNAIK A.K.; PATNAIKUNI, I. Correlation of strength of 75 mm diameter and 100
mm diameter cylinders for high strength concrete. Cement and Concrete Research,
v.32, p.607–613, 2002.
PELIZZARI, E. Aplicações da Termografia como Ferramenta de Manutenção Preditiva
em Conectores Elétricos. 17º. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E
CIÊNCIA DOS MATERIAIS. Anais..., Foz do Iguaçu, PR, Brasil. 2006.
PERSSON, B. Justification of Féderation international de Béton, fib, 2000 model for
elastic modulus of normal and high-performance concrete, HPC. Cement and Concrete
Research, v.34, p.651-655, 2004.
189
PIRES, T.A.C. Desempenho de laboratórios de controle tecnológico de concretos a
partir de resultados de compressão interlaboratorial. 48º CONGRESSO BRASILEIRO
DO CONCRETO CBC, Anais..., 2006. Ibracon. Rio de Janeiro. 2006.
POWERS, T. C. The Properties of Fresh Concrete. J. Willey. New York. 1968.
PRADO L. A. Módulo de deformação estático do concreto de baixa e alta relação
a/c pelo método ultra-sônico. Curso de Mestrado em Engenharia Civil da Escola de
Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás. Goiânia 2006.
PUNURAI, W. et al. Characterization of multi-scale porosity in cement paste by
advanced ultrasonic techniques. Cement and Concrete Research, v.37, n.1, p.38-46
Jan 2007.
RANTALA, J. et al. Lock-in thermography with mechanical loss angle heating at
ultrasonic frequencies, Quantitative Infrared Thermography - Eurotherm Series 50
Edizioni ETS, 389-393, Pisa, 1997.
RANTALA, J.; WU, D.; BUSSE, G. Amplitude Modulated Lock-In
Vibrothermography for NDE of Polymers and Composites. Research in
Nondestructive Evaluation, v.7, pp. 215-218, 1996.
RODRIGUES, G. S. S. Módulo de deformação estático do concreto pelo método
ultra-sônico: estudo da correlação e fatores influentes. Curso de Mestrado em
Engenharia Civil da Escola de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás.
Goiânia 2003.
ROGALSKI, A. Infrared detectors: an overview. Infrared Physics & Technology,
v.43, pp. 187-210, 2002.
ROGALSKI, A. Infrared detectors: an overview. Infrared Physics & Technology,
Journal of Alloys and Compounds, v.371, p.53–57, 2004a.
ROGALSKI, A. Toward third generation HgCdTe infrared detectors. Journal of Alloys
and Compounds, v.371, p.53–57, 2004b.
ROGALSKI, A. New trends in infrared detector technology. Infrared Physics &
Technology, v.35, pp. 1-21, 1994.
ROGALSKI, A. Review. Infrared detectors: status and trends. Progress in Quantum
Electronics, v.27, n.59, p.210, 2003.
SAINT-PIERRE, F.; RIVARD, P.; BALLIVY, G. Measurement of alkali-silica reaction
by ultrasonic waves attenuation. Cement and Concrete Research, v.37, p.948-956,
2007.
SCANDIUZZI, L.; ANDRIOLO, F.R. Concreto e seus materiais: propriedades e
ensaios. Pini, São Paulo, 1986.
SHEPARD, S.M.; AHMED T.; LHOTA, J.R. Experimental considerations in
vibrothermography. Thermal Wave Imaging, 845 Livernois, Ferndale, MI 48220.
Orlando, FL, v.12-16, April 2004.
190
SHIELDS, T.J.; SILCOCK, G.W. Buildings and fire. Longman Scientific & Technical,
1987.
SILVA, F.B.; BARROS, M. M. S. B.; MONTE, R. Determinação do Módulo de
deformação de Argamassas: Avaliação dos Métodos de Ensaio e Formatos de
Corpo-de-Prova. XII ENCONTRO ANCIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE
CONSTRUÍDO. ISBN:978-85-89478-27-4. XII ENTAC. Fortaleza, 2008.
SILVA, N.G.; CAMPITELI, V.C. Módulo de elasticidade dinâmico de argamassas
de revestimento. II ENCONTRO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA DOS
CAMPOS GERAIS. 14 e 15 Agosto 2000.
TARGA, L.A.; BALLARIN, A.W.; BIAGGIONI, M.A.M. Avaliação do módulo de
elasticidade da madeira com o uso de método não destrutivo de vibração
transversal. VII SEMINÁRIO BRASILEIRO DE TECNOLOGIA DAS
ARGAMASSAS. Anais..., Pernambuco. Meio digital. Maio 2007.
TAVARES, S.G.; ANDRADE, R. M. Metodologia de ensaios e análise de incerteza na
aplicação da termografia. III CONGRESSO BRASILEIRO DE METROLOGIA,
Anais..., Recife, PB, Brasil, 2003.
TAVARES, S.G.; CUNHA, A.M.; ANDRADE, R.M. Ensaios térmicos não destrutivos
para avaliação de defeitos e inclusões não aparentes em materiais. 7º CONGRESSO
IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECÂNICA, Anais…, México D. F., 12 al
14 de Octubre, 2005.
TAVARES, S.G. Desenvolvimento de uma metodologia para aplicação de ensaios
não destrutivos na avaliação da integridade de obras de arte. Tese (doutorado)
Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica:
Universidade Federal de Minas Gerais. 2006.
THOMSOM, W.T. Teoria da vibração com aplicação. Interciência 1.ed. Rio de
Janeiro, 1978.
TOPÇU, I.B. Alternative estimation of the modulus of elasticity for dam concrete.
Cement and Concrete Research, v.35. p.2199-2202. 2005.
TURKEL, S.; FELEKOGLU, B.; DULLUC, S. Influence of various acids on the
physico–mechanical properties of pozzolanic cement mortars. Sadhana, v.32, Part 6,
pp. 683–691. © Printed in India. December 2007.
VERATTI, A.B. A revolução Infravermelha. Documento eletrônico, disponível em
www.termonautas.com.br/art21.asp, consultado em maio 2007.
WEIL, G. J. Infrared thermographic techiniques. In: MALHOTRA, V.M.; CARINO,
N. J. (eds). CRC Handbook on Nondestructive Testing of Concrete, 1 ed., chapter 13,
Boston, USA, CRC Press, 1991.
WHITING, D.A.; NAGI, M.A. Electrical resistivity of concrete: A literature review.
58 p. R&D Serial n. 2457, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA 2003.
191
WIGGENHAUSER, H. Active IR-applications in civil engineering. Infrared Physics
& Technology, v.43, p.233–238, 2002.
192
10 APÊNDICES
Apêndice A
Relação entre a freqüência ressonante e o módulo de elasticidade para materiais
viscoelásticos.
A Lei de Hooke descreve vários materiais com precisão, especialmente os metais com
coeficiente de amortecimento relativamente baixo. Para muitos outros materiais, como
os polímeros e madeira, o amortecimento é tão grande que não pode ser ignorado.
Os modelos viscoelásticos são normalmente introduzidos quando a Lei de Hooke não é
precisa. Alguns modelos são mostrados a seguir:
Hooke:
εσ
×= E
(9.1)
Newton:
•
=
εησ
(9.2)
Maxwell:
•
•
=÷
ε
η
σσ
E
(9.3)
Kelvin:
εεησ
E+=
•
(9.4)
onde E é a constante elástica do material e
η
é a constante de amortecimento do
material.
A Lei de Hooke descreve somente materiais elásticos e a Lei de Newton descreve
somente materiais viscosos. A FIG. 9.1 mostra o sistema mola- amortecedor. Outros
modelos podem ser construídos adicionando-se mais molas e amortecedores em série ou
em paralelo.
Figura 9.10-1 - Modelo mola-amortecedor de vários materiais viscoelásticos.
193
Os modelos viscoelásticos tornam a tensão e a deformação dependentes do tempo e da
freqüência. No domínio da freqüência, têm-se as seguintes equações:
Hooke: )()(
ωεωσ
jEj ×= (9.5)
Newton: )()(
ωεωηωσ
jjj ×= (9.6)
Maxwell: )()(
ωε
ωη
ωσ
ωσ
j
Ej
j
j ×
+
= (9.7)
Kelvin: )()()(
ωεωηωσ
jEjj ×+= (9.8)
onde ‘j’ representa o número imaginário e ‘
ω
’ é a freqüência em rad/s. A presença de ‘j’
indica que a tensão e deformação não estão normalmente em fase para materiais
viscoelásticos.
A vantagem da representação no domínio da freqüência é que se pode retornar a relação
linear usada pela Lei de Hooke. Só se pode introduzir o módulo de elasticidade
dinâmico E
d
com uma função complexa da freqüência.
O módulo de elasticidade dinâmico é definido como se segue:
Hooke: EE
d
= (9.9)
Newton:
ωη
jE
d
= (9.10)
Maxwell:
Ej
Ej
E
d
+
=
ωη
ωη
(9.11)
Kelvin:
EjE
d
+=
ωη
(9.12)
Observa-se que para todos os modelos viscoelásticos o módulo de elasticidade varia em
função da freqüência. A parte imaginaria faz referencia às perdas e serve como
indicador do amortecimento.
Após esta breve introdução sobre os modelos viscoelásticos, a questão é: como medir o
módulo de elasticidade dinâmico?
Propriedades do material x propriedades do sistema
Conhecendo as dimensões do corpo-de-prova, o módulo de elasticidade pode ser
calculado em função de sua freqüência ressonante (FRF) pelo método de Nielsen:
194
×−×
=
∆
=
)()cos(
)(
)(
)(
)(
2
ββ
β
ω
β
ω
ω
ω
senM
M
sen
Força
L
FRF
s
(9.13)
onde:
d
E
L
ρω
β
22
=
β é o ângulo de fase e L é o comprimento, Α é a área da seção transversal do corpo-de-
prova, ρ é a densidade (kg/m³), Ms é a massa (kg) e M é a massa das peças usadas no
contato para transmitir vibração para o corpo-de-prova.
Utilizando-se o método diferencial para resolver a equação, ela é reescrita com uma
equação do tipo:
0
2
2
2
2
=
∂
∂
−
∂
∂
t
u
A
x
u
EA
ρ
(9.14)
Supondo que a relação comprimento/largura é suficientemente grande de modo que se
possa desprezar os efeitos do cisalhamento e da inércia à rotação, Euler Bernoulli
propôs a seguinte solução para a equação.
23
2
2
4
nml
I
c
E
π
=
(9.15)
onde E é o módulo de elasticidade do material (N/m²); n é a freqüência fundamental
transversal (Hz), I é o momento de inércia da seção (m
4
), m é a massa total da amostra
(kg); l é o comprimento da amostra (m);• c é um coeficiente que depende das condições
de contorno e do modo de vibração
195
Apêndice B
Planejamento dos experimentos utilizando a ferramenta
MS – Project
196
197
198
199
200
Apêndice C
Dispersão das 30 medidas do módulo de elasticidade para cada situação estudada.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.1 – Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,4.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.2 - Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto fabricados
com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,5.
201
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.3 – Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,7.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.4 - Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto fabricados
com areia natural, brita gnaisse 0, relação água-cimento 0,9.
202
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.5 - Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto fabricados
sem brita e relação água-cimento 0,5.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.6 - Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto fabricados
com areia natural, brita gnaisse 1 e relação água-cimento 0,5.
203
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.7 – Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita gnaisse 0 e relação água-cimento 0,5.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.8 – Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto
fabricados com areia natural, brita calcária 0 e relação água-cimento 0,5.
204
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
7 dias 14 dias 21 dias 28 dias 42 dias 63 dias 105 dias
Ed - GPa
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Gráfico 9.9 - Evolução do módulo de elasticidade com a idade, de corpos-de-prova de concreto fabricados
com areia natural, argila expandida e relação água-cimento 0,5.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo