Case
Solução em estaca centrifugada para solo agressivo
Solução em estaca centrifugada para solo agressivo
Introdução
4
Apresentação do CASO
5
Movimentações transitórias vs durabilidade
10
Contribuição do processo de centrifugação
14
Especificações dos materiais
15
Permeabilidade do concreto - resultados
22
Considerações finais
30
Referências
31
Introdução Habitualmente, nos problemas e estudos de fundações profundas por estacas tem-se por preocupação dimensionar o elemento isolado de fundação, sendo representado pela interação entre o elemento estrutural e a capacidade de carga do solo. O projetista de fundações, analisando o comportamento dos diversos perfis de sondagem define a melhor solução técnica, dimensionando em função das características do maciço do solo as cargas de trabalho das estacas. Em contrapartida, o engenheiro estrutural dimensiona as seções e armações (quantidades/bitolas), definindo as propriedades mecânicas do concreto através da resistência característica - fck. Neste CASE, o projeto de fundações foi desenvolvido em estacas de concreto armado centrifugado, devendo atender a uma especificação de vida útil de 100 anos. No local onde seria construído o empreendimento havia a presença de elevadas concentrações de cloretos (Cl–) e sulfatos(SO4-2), tornando necessários outros parâmetros de dimensionamento com o objetivo de especificar materiais. Para este projeto, a SCAC apresentou uma solução em estacas de concreto com processo de adensamento por centrifugação, que contribui para a obtenção de estruturas mais compactas (densas), menos porosas e consequentemente menos permeáveis. Para serem atendidas as condições logísticas do cliente, as peças foram produzidas em duas unidades fabris com insumos regionais, exigindo o desenvolvimento de controles adicionais durante a produção e transporte para garantir o atendimento aos requisitos de durabilidade estabelecidos pelo projeto. Foram fornecidos aproximadamente 150.000 metros de estaca, produzidos em 220 dias, o que representa um volume de 21.000 m3 de concreto, transportados em 2260 carretas e 8 navios. A seguir, serão apresentadas as etapas de desenvolvimento e especificações deste produto. Foram desenvolvidos estudos para a definição dos insumos do concreto (agregados, cimento, aditivo e água) avaliando sua compatibilidade química, e ensaios de desempenho do produto final aliado à necessidade de desempenho estrutural na instalação das estacas e na vida útil do projeto.
04
Apresentação do CASO O projeto consistia na construção das fundações por estacas em concreto pré-fabricado de uma estação de tratamento de água numa região pantanosa/charco. As estacas seriam cravadas com comprimento médio de 22,0 metros. No terreno (Figura 1) inicialmente havia uma camada formada por argila siltosa, altamente coesiva com baixa resistência e elevada concentração de material orgânico, com espessura variando de 7,0 a 20,0 metros. Abaixo dessa camada havia uma areia siltosa com espessura variando de 3,0 a 4,0 metros, seguida de uma argila com alta plasticidade. Essas camadas se intercalavam até as sondagens alcançarem o impenetrável, a profundidade de aproximadamente 40,0 metros. Próxima a essa região, havia um rio que nos períodos de cheia inundava a área onde seria implantado o empreendimento, possuindo elevadas concentrações de agentes agressivos oriundos da presença de fertilizantes das plantações próximas à margem.
Figura 1. Perfil de sondagens do terreno.
Pelo histórico da região, durante a fase de execução das sondagens foi coletada uma série de amostras de água e solo em diversas profundidades do terreno a fim de caracterizar quimicamente as substâncias presentes e suas concentrações. As amostras de água foram superficiais, até uma profundidade de 3,0 m, enquanto para o solo retiraram-se amostras entre 15,0 e 35,0 metros de profundidade.
05
A partir das análises dos diversos furos considerando a variação das profundidades (Tabela 1) encontrou-se nas amostras de água elevadas concentrações de cloretos, que variaram de 7,9 mg/l a 6731 mg/l, e de sulfatos, na ordem de 1030 mg/l a 7518 mg/l. O solo apresentou concentrações de cloreto na faixa de < 50 mg/kg a 3880 mg/kg, enquanto os sulfatos variaram de < 100 mg/kg a 2195 mg/kg.
Tabela 1. Ensaios em amostras de água e solo.
Material
Parâmetros
Unidade
H6
H1
D1
D5
Profundidade pH
m UpH
1,4 7,2
1,5 7,5
0,6 7,5
2,5 7,9
Sólidos Totais1
mg/l
4465
21880
11900
16600
Cloretos
42,7
6733
2971
1140
Sulfatos
93,9
7518
4345
2900
< 10
< 1,0
< 10,0
< 10,0
9,0
800
325
162
0,26
0,16
< 0,05
< 0,05
ÁGUA
mg/l mg/l mg/l
Dissolução de cal
Magnésio
Amônio
Fosfato Profundidade pH
mg/l m UpH
< 3,0 14,0 7,3
3,7 4,0 7,5
< 3,0 32,0 3,9
< 3,0 13,0 7,4
Umidade Índice de Acidez Amônio
% - mg/kg
26,7 36 5,7
19,6 24 7,6
11,4 < 1,0 1,3
27,0 < 20 1,9
Fosfato Total
mg/kg
1420
2425
125
2030
Cloretos
mg/kg
1180
1870
< 50
774
Sulfatos Magnésio
mg/kg mg/kg
728 270
2195 150
< 100 4,0
412 30,8
Sais dissolvidos
mg/kg
2550
6870
186
1760
SOLO
mg/l mg/l
Notas: 1 – para a medição dos sólidos totais está associado um erro de leitura de ± 204.
06
Essas concentrações tiveram uma grande variabilidade nas diversas posições dos furos de sondagens realizados no terreno (Figura 2), distribuindo-se aleatoriamente. Esse comportamento se deve à influência da movimentação do rio próximo ao terreno e as diferenciações e retenções nas áreas de enchente. A NBR 12655 classifica esse terreno com uma condição SEVERA de agressividade com o meio em que a estrutura de concreto estará submetida, tendo como uma referência a concentração de sulfatos superior a 1500 mg/l. Na situação de estruturas enterradas, o nível de agressividade em contato com o solo vai depender da retenção de água no solo, ou seja, da capacidade de reter soluções aquosas com agentes químicos no seu interior/vazios da estrutura do maciço. A retenção depende do tipo de material que compõe o solo, de sua granulometria e dos vazios existentes. De um modo geral, entre as partículas de dimensões maiores, como as areias, criam-se vazios de grandes dimensões que não permitem a retenção da água por capilaridade e que aliados a uma drenagem rápida dispersa o agente agressivo. À medida que se reduz a dimensão das partículas e dos vazios como no caso de argilas e silte, o conteúdo de água e da retenção da agressividade aumenta, principalmente devido aos fenômenos de capilaridade da água. Nessa condição a NBR 12655 recomenda que o cimento utilizado possua resistência a sulfatos (tipo RS), e que sejam atendidas algumas prescrições quanto à resistência a compressão – fck ≥ 40 MPa - com um fator água/cimento inferior a 0,45. Essas recomendações têm como objetivo fechar os vazios, modificar a estrutura e ligação dos capilares do concreto. A NBR 15577 define que os elementos de fundação devem possuir FORTE ação preventiva para combate à Reatividade Álcali-Agregado (RAA) por serem maciços em contato com a água. Devem ser investigadas a mineralogia dos agregados e sua compatibilidade com o cimento em uso.
07
Figura 2. Distribuição ao longo do terreno do teor de cloretos, sulfatos e pH para amostras de água e solo.
08
A partir dessas considerações e juntamente com o cliente foram especificadas algumas características para o concreto a ser utilizado: a) Resistência característica do concreto – fck = 40 MPa. b) Consumo mínimo de cimento de 400 kg/m3 com fator a/c ≤ 0,40. c) Cimento com Alta Resistência aos Sulfatos (tipo ARS). d) Cobrimento mínimo da armação de 35 mm.
Dados estes parâmetros, deveriam ser estabelecidos controles e ensaios para comprovar o desempenho do cimento contra o ataque de sulfatos, e de todos os materiais que seriam utilizados no concreto, sendo estabelecidos parâmetros de controle adicionais no recebimento dos insumos e na produção. Adicionalmente, a consultoria do cliente especificou alguns ensaios e parâmetros de durabilidade para o concreto endurecido, aos quais o produto final deveria atender: a) Velocidade de sucção capilar ≤ 4,0 g/m2.s1/2. b) Penetração de água sob pressão inferior ao cobrimento (< 35 mm). c) Medição de cloreto no concreto endurecido (< 0,08%). d) Fissuração limitada ≤ 0,2 mm. As peças ensaiadas deveriam ser selecionadas por amostragem, de acordo com os lotes produzidos.
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Movimentações Transitórias vs. Durabilidade No caso de uma estaca pré-fabricada, o dimensionamento estrutural não ocorre apenas para a situação de trabalho do elemento (carga a compressão), mas também nas fases transitórias (Figura 3) que seriam a manipulação desde a fabricação, transporte, içamento, instalação no terreno e em serviço. A abertura de fissuras em qualquer dessas etapas contribui para a perda de durabilidade da estrutura.
Figura 3. Fases transitórias nas primeiras idades do elemento pré-fabricado.
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Quanto maior a quantidade de manipulações desses elementos durante as primeiras idades, maior a possibilidade de abertura de fissuras. Nesse projeto, o transporte das fábricas ao canteiro da obra contaria com um modal misto de transporte rodoviário e marítimo. A Figura 4 apresenta um fluxograma das movimentações.
Figura 4. Fluxograma de manipulação das estacas – fábrica ao canteiro de obras.
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Nessa circunstância, a situação mais desfavorável do dimensionamento e da determinação das armações ocorre durante as fases transitórias, em que além das cargas estruturais devem ser verificados os estados limites de deformações. Os estudos para definição do traço de concreto deveriam contemplar as resistências mínimas nas primeiras idades para evitar a abertura de fissuras. Durante a situação de serviço essas aberturas seriam o caminho preferencial da entrada de água+agente agressivo. Para que as resistências se desenvolvessem em um curto intervalo de tempo, utilizou-se do processo de cura a vapor, controlando a umidade, temperatura e tempo. Outra propriedade do concreto que exerce grande influência sobre o produto final é o módulo de elasticidade, pois está ligado à deformação (abertura de fissuras) e à resistência ao impacto da cravação (durante o processo de instalação no solo). A Figura 5 mostra as curvas tensãodeformação em função das idades de 7, 14 e 28 dias de um lote. Os módulos de elasticidade secante (ECS) obtidos foram 28,0 GPa, 32,6 GPa e 32,9 GPa respectivamente às idades.
Curva tensão-deformação 45 40
Te ensão (MPa)
35 30 25 20 7 dias
15
14 dias
10
28 dias
5 0 0
500
1000
1500
2000
2500
Deformação específica (mm/mm) x 10-6
Figura 5. Curva tensão-deformação para determinação do módulo de deformação secante.
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Outro aspecto que deve ser analisado é a característica de crescimento da curva do cimento ARS que se aproxima a de um CP-III, apresentando um retardo nas idades iniciais de aproximadamente 30% em relação ao CP-V ARI (Figura 6).
Resistência à Compressão do Cimento 60,0
Resistên ncia (MPa)
50,0 fck
40,0 Liberação das formas
30,0 20,0 Liberação das formas
10,0
CP-V ARI ARS
0,0 0
5
10
15
20
25
30
Idade (dias)
Crescimento Tipo
(%)Idade (dias) 1
3
7
28
CP-V ARI
51,1% 78,0% 86,5% 100,0%
ARS
24,5% 49,0% 64,7% 100,0%
Figura 6. Comparativo das curvas de crescimento do cimento CP-V ARI e o ARS. (No gráfico, resultados de resistência à compressão; na tabela, percentual de crescimento da resistência).
Habitualmente, na indústria do pré-fabricado faz-se opção pela utilização de cimentos com elevada resistência inicial (ARI), a fim de liberar a fôrma metálica no menor tempo possível. Para adequar esse material ao ciclo produtivo foram realizados estudos de traço, envolvendo o elevado teor de agregado graúdo, característico de um traço para o processo de centrifugação, com o uso da cura a vapor, possibilitando assim manter o mesmo ciclo.
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Contribuição do Processo de Centrifugação Por se tratar de estruturas em contato permanente com a água, o concreto deve resultar numa estrutura bem compacta e com baixa permeabilidade. O processo de adensamento do concreto por centrifugação consiste em aplicar altas rotações no concreto fresco dentro de um molde metálico em torno de um eixo fixo. Os materiais submetidos à elevada força centrífuga tendem a se ordenar segundo o peso específico de cada componente, do maior para o menor. Devido ao maior peso específico do cimento ( γ ≈ 3,05 g/cm3), uma parte adere à face interna do molde metálico, formando uma capa externa lisa com baixo coeficiente de permeabilidade; em seguida dispõem-se uma camada densa de concreto formada pelos agregados ( γ ≈ 2,70 g/cm3). Internamente, devido a sua menor densidade, a água livre é impulsionada para fora da mistura de concreto, carreando os elementos inertes e leves ( γ ≈ 1,00 - 1,50 g/cm3). Comparado ao modo de dosagem de traços para concreto adensado por vibração, a energia de compactação devido à força centrífuga permite ao processo utilizar concretos com elevadas taxas de agregados graúdos. Para o traço utilizado no projeto, o processo de centrifugação contribuiu (Tabela 2) para a diminuição da água livre da mistura, através da redução do fator a/c, incrementando em 14% a resistência à compressão, e modificando a formação e conexão dos capilares. Isso possibilitou o aumento da massa específica do concreto, que somado ao maior teor de agregado graúdo utilizado resultou num incremento do módulo de elasticidade. Parâmetros do concreto Centrifugação Antes Depois Tabela 2. Efeitos do processo de centrifugação ao concreto fresco.
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Fator a/c
0,40
0,34
Massa específica (kg/m3)
2390
2530
Resistência à compressão
100%
114%
O fato de o concreto ser projetado por uma força centrífuga contribui para um maior confinamento do concreto com as barras da armação, proporcionando melhor aderência. Mais adiante será apresentada uma série de ensaios que permitem caracterizar os parâmetros de permeabilidade e durabilidade do concreto centrifugado.
Especificações dos Materiais A degradação das estruturas de concreto armado depende, dentre outros fatores, do tipo e concentração do agente químico agressivo existente, da resistência e impermeabilidade do concreto, da presença de água pura ou com íons dissolvidos - especialmente os íons cloreto e sulfatos - e da presença do oxigênio. Para o projeto em questão, as principais preocupações devem-se à possibilidade de reações expansivas geradas por sulfatos ou entre componentes do cimento e dos agregados, e pela ação de despassivação e corrosão das armaduras ocasionadas pelos cloretos. Essas substâncias agressivas podem ser provenientes dos materiais constituintes do concreto ou do meio externo, conforme analisado anteriormente. Todas essas considerações demonstram que os projetistas além de estabelecerem os requisitos estruturais do concreto devem conhecer também os “esforços químicos”, aos quais estará submetida à estrutura, prevendo os efeitos em longo prazo da exposição ambiental e especificando requisitos no projeto. A NBR 12655 faz referência a estes limites e aos cuidados com os materiais a serem empregados no concreto, de acordo com sua classe de agressividade ambiental e agentes químicos presentes no meio. Além disso, o cliente pré-estabeleceu algumas condições mais rigorosas a serem consideradas a fim de atender a especificação de vida útil de 100 anos. A seguir serão exibidas algumas recomendações das normas com relação à especificação e compatibilidade dos materiais, e o uso de ensaios de desempenho.
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Cimento Para ambientes de agressividade SEVERA com a presença de sulfatos, e nas condições desse CASE a NBR 12655 especifica o uso do cimento tipo RS (resistente aos sulfatos), normatizado pela NBR 5737. Para este projeto foi utilizado cimento de alta resistência aos sulfatos (tipo ARS, normatizado pela ASTM 150C), que além de possuir como característica principal o controle de C3A do clinquer (<4%), possui 35% de escória em sua composição. Isto confere ao material:
• Um incremento na parcela de material fino do cimento (contribui para redução da permeabilidade
do concreto, fechando os vazios da estrutura). • Controle (redução) de retração. • Baixo calor de hidratação. • Inibidor de reações álcali-agregado (RAA).
Pela especificação do cliente, o controle das propriedades do cimento ARS deveria ser realizado pelas características químicas do clinquer (de acordo com a norma IRAM 50000) através da condição: C3A + C4AF < 22% O C3A (Aluminato Tricálcico) é responsável pelo controle de início de pega do cimento, atuando diretamente nas resistências iniciais. Por outro lado, é o componente do cimento com o qual os íons de sulfato reagem para a formação de compostos expansivos. Por isso, a defesa contra o ataque dos sulfatos consiste na redução e controle do C3A livre no cimento pela adição de Óxido de Ferro (Fe2O3), formando C4AF (Ferroaluminato Tetracálcico), que atua diretamente na resistência química do cimento. É importante lembrar que não se deve eliminar totalmente o C3A do clinquer, pois este possui efeito amortecedor ao ataque dos íons de cloreto às armaduras dentro do concreto.
Variaç ção Dimensional (%)
O comportamento do concreto em relação à penetração dos sulfatos pode ser verificado através de ensaios que medem a expansão de um corpo de prova imerso em solução contendo sulfatos. A Figura 7 apresenta um resultado dos ensaios para verificação do desempenho do cimento ao ataque dos sulfatos (NBR 13583). 0,06 0,05 0,04
Não-resistente aos Sulfatos
0,03
Resistente aos Sulfatos
0,02 0,01 0,00 -0,01 -0,02 0
7
14
21
28
35
42
49
Idade (dias)
Figura 7. Ensaio de caracterização do cimento ARS, de acordo com a NBR 13583. Dado do catálogo do fabricante.
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Agregados Além dos controles de impureza orgânica, massa específica, curva granulométrica e dimensão característica, existe a preocupação dos agregados levarem para dentro da mistura algum tipo de contaminação química, como sulfatos ou sulfetos. Adicionalmente, a composição mineralógica do agregado pode conter minerais que interagem com a pasta de cimento, gerando reações expansivas (deletéricas) denominadas reatividade álcali-agregado (RAA). A RAA é uma reação lenta ocasionada pela formação de um gel expansivo, que pode promover fissuração no concreto ao se acumular nos vazios e regiões de interface entre a pasta de cimento e o agregado. A ação conjunta da água, álcalis do cimento e agregados reativos são requisitos para a formação desse gel. A eliminação direta de um desses fatores costuma ser uma solução economicamente inviável. Em certas condições, pode-se fazer necessário o uso de uma adição mineral para combater seus efeitos. Nessas situações, o controle preventivo consiste na caracterização e determinação dos constituintes mineralógicos dos agregados, compatibilizando-os com o tipo de cimento, inibindo assim esta condição. No tocante aos agregados, a presença de materiais potencialmente reativos em sua constituição pôde ser detectada através da análise petrográfica (normatizado pela NBR 7389 e NBR 15577-Parte 3). Este ensaio caracteriza-se pela identificação de sua composição mineralógica, seu estado de alteração e textura. A NBR 15577 – Partes 4 e 5 - descreve métodos acelerados para avaliar o grau de reatividade e desempenho dos agregados com o cimento à reação álcali-agregado. Estes ensaios medem, em diversas idades, as expansões dimensionais de barras de argamassa curadas em solução de hidróxido de sódio (NaOH) ao longo do tempo.
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Neste ensaio são moldados corpos de prova prismáticos a partir de uma argamassa composta pelo agregado a ser avaliado, moído, combinado com um cimento não inibidor da reação (Parte 4), no caso um CP-V ARI com composição química conhecida. Após a moldagem, as barras são curadas em solução de hidróxido de sódio, sendo então medida sua expansão ou retração em diversas idades. A Figura 8 apresenta um esquema da montagem do ensaio.
Figura 8. Esquema de execução do ensaio de RAA – de acordo com a NBR 15577.
As variações dimensionais aos 28 dias de cura em solução de NaOH caracterizam a reatividade do agregado: se a barra apresentar expansão inferior a 0,19% em relação a dimensão original, o material é considerado potencialmente inócuo. Para o estudo da composição do traço foram avaliados diversos agregados disponíveis na região das fábricas, sendo apresentadas suas curvas de expansão dimensional na Figura 9.
18
0,30
Reatividade Álcali-Agregado - NBR 15577-4
Mitigação da Reação RAA - NBR 15577-5
0,30
Agregado A + Cimento ARS Agregado B + Cimento ARS
0,25 Variação d dimensional (%)
Variação d dimensional (%)
0,25
Agregado Potencialmente Reativo
0,20
Agregado Potencialmente Inócuo 0,15
0,10 Agregado A Agregado B Agregado C
0,05
Agregado C + Cimento ARS
0,20
0,15 Combinação não adequada (cimento+agregado) 0,10
Combinação adequada (cimento+agregado)
0,05
Agregado D Agregado E
0,00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Idade de cura em solução agressiva (dias)
Figura 9. Ensaio de reatividade álcali-agregado: expansão dimensional para avaliação do agregado.
0,00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Idade de cura em solução agressiva (dias)
Figura 10. Ensaio de reatividade álcali-agregado: expansão dimensional para avaliação da compatibilidade cimento-agregado.
Posteriormente foi avaliada a compatibilidade entre o agregado e o cimento ARS (NBR 15577- Parte 5), definindo se a combinação dos materiais apresenta características favoráveis ao uso neste projeto. A combinação adequada entre os materiais ocorre quando a expansão destas barras for inferior a 0,10% aos 14 dias de cura em NaOH. Foram realizadas medições aos 14 dias de idade obtendo variações dimensionais para a brita de 0,05% e para a areia inferior a 0,02% (Figura 10).
Corpo utilizado em ensaio de velocidade de sucção capilar
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Compatibilidade do traço com o Aditivo Com a necessidade de trabalhar com reduzidos valores do fator a/c (≤ 0,40) e pelas características do traço de concreto para centrifugação, faz-se uso de um aditivo capaz de atender ao ciclo industrializado e ao processo utilizado. Por isso, fez-se necessário avaliar o desempenho deste aditivo, as possíveis alterações que seu uso poderia ocasionar na estrutura do concreto e a sua compatibilidade química com o cimento ARS. Isto foi realizado através de um traço de referência com e sem o uso do aditivo (Tabela 3). O aditivo utilizado é um superplastificante à base de policarboxilato com características de alta plasticidade para o índice de consistência do concreto. Tabela 3. Compatibilidade traço de concreto e aditivo.
Parâmetros
Concreto com aditivo
Concreto sem aditivo
Abatimento (mm)
130
Zero
Teor de ar (%)
1,4
na
Massa específica (kg/m3)
2435
na
Resistência à compressão (MPa)
1 dia
17,0
17,7
3 dias
31,4
31,4
7 dias
44,0
45,2
28 dias
52,5
54,3
Notas: na - não aplicável
A partir dos resultados de compatibilidade obtidos, verifica-se que o aditivo ocasionou alteração apenas na plasticidade do concreto fresco, o que está de acordo com suas características, sem modificar o desempenho do concreto quanto à resistência mecânica. Em seguida o aditivo foi caracterizado quimicamente em função do pH, teor de sólidos, coloração e densidade, sendo definidos os parâmetros e faixas de variação destas propriedades juntamente com o fabricante durante o fornecimento para o projeto.
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Influência da Água de Amassamento A água de mistura do concreto pode trazer para dentro da estrutura contaminantes, que ao longo do tempo podem desenvolver reações químicas com os diversos componentes do concreto. O mais comum é íon de cloreto, cuja influência pode ser observada no comportamento mecânico do concreto. A NM 137 especifica como características químicas da água (Tabela 4) a faixa do pH, o conteúdo máximo de sólidos e de substâncias químicas presentes (Fe, SO4-2 e Cl- ). Quanto à influência nas propriedades mecânicas, estabelece as faixas de variações para o início e fim de pega do concreto, e avalia as alterações na resistência à compressão (entre o traço avaliado e o de referência). Os ensaios comparativos foram realizados com pasta de consistência normal, com cimento do tipo CP-I-S-32. Para a avaliação da influência na resistência à compressão prepararam-se dois traços, um com água destilada e o outro com a água a ser investigada (Tabela 5). Os resultados atenderam aos limites estabelecidos pela NBR.
Tabela 4. Ensaio de água de amassamento: substâncias químicas.
Ensaio
Limites NM 137-97
FÁBRICA A
FÁBRICA B
5,5 a 9,0
7,68
5,15
Teor de sólidos totais (mg/l)
<5000
303,2
41,4
Ferro (Fe) - (mg/l)
≤ 1,0
0,29
0,69
Sulfatos (SO42- ) - (mg/l)
<2000
6,79
3,29
Cloreto (Cl-) - (mg/l)
<700
12,9
5,78
pH
Tabela 5. Ensaio de água de amassamento: ensaio de pega do cimento e resistência à compressão.
Ensaio
FÁBRICA A FÁBRICA B Cimento + Água Dif. Cimento + Água Destilada Ensaiada Destilada Ensaiada
Dif.
Faixas de variação NM 137
Água da pasta de consistência normal (%)
26,9
6,9
-
27,3
27,3
-
-
Início de pega (mín)
225
235
+10
205
215
+10
± 30
Fim de pega (mín)
330
315
-15
270
285
+15
± 30
Resistência à 7 dias compressão (MPa) 28 dias
35,1
33,6
4,3%
34,3
34,9
1,7%
10%
43,6
43,6
0%
43,4
43,9
1,2%
10%
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Permeabilidade do concreto - resultados Por ser um material composto de vários componentes, o concreto irá possuir em sua microestrutura uma complexa rede de poros interconectada e comunicante, com diferentes dimensões. Este sistema dependerá de diversos fatores, como a composição e granulometria dos inertes, a hidratação do cimento, o adensamento e o processo de cura do concreto. Os capilares são vazios com diâmetros na ordem de dezenas de nanômetros formados pela evaporação do excesso de água durante as reações de hidratação e cura do concreto. Quanto mais finos os canais formados, maior o efeito de sucção de fluidos do exterior para o interior da estrutura. Dentre estes fluidos, a água é um dos principais meios de transporte de substâncias agressivas do meio para o interior do concreto, estando presente em quase todos os fenômenos de deterioração físico-química de sua estrutura. Na água, o transporte dessas substâncias pode ocorrer por diferenças de concentração, de pressão, de temperatura, de densidade ou de potencial elétrico ou ainda, por sucção capilar e penetração de água sob pressão. Esses efeitos geralmente ocorrem em conjunto, podendo haver a preponderância de um em relação aos demais. Uma condição agravante decorre da formação de fissuras ou pequenas fendas nas fases transitórias devido à manipulação das peças, pois são caminhos preferenciais para a entrada dos agentes agressivos, acelerando a degradação da estrutura, como explicado anteriormente. Para as fundações, nesse CASE em estudo, existem duas regiões com mecanismos dominantes distintos de transporte da água para o interior do concreto (Figura 11). A primeira (1ª situação) encontra-se próxima ao nível de variação do lençol freático, onde há ocorrência de ciclos de molhagem e secagem, cujo mecanismo preponderante é a absorção capilar.
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Figura 11. Mecanismos de transporte de fluidos para o caso da estaca nas duas situações de interação com o meio.
Já próximo à ponta da estaca (2ª situação), devido à modificação do solo do entorno e da carga hidráulica, atua sobre o concreto um incremento de pressão gerada pela água (denominada pressão neutra ou poropressão - u), que atua nos vazios da estrutura. Neste caso para as estacas com comprimento cravado de 28,0 m e considerando a massa específica da água γW de 9,8 kN/m3, teríamos uma pressão máxima atuante u=275 kN/m2 (ou 0,28 MPa) devido à água em torno da ponta da estaca. Entretanto, devido às reduzidas seções dos capilares, estas pressões são bastante elevadas em seu interior.
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Por isso, o desempenho da estrutura sob a ação de agentes agressivos dependerá, além das propriedades químicas do cimento e mecânicas do concreto, de sua capacidade de resistir aos mecanismos de transporte (absorção, capilaridade e penetração sob pressão). Nesse contexto, a camada de cobrimento do concreto desempenha um importante papel por constituir o material resistente de interface entre o meio e a armação, sendo por isso a parte do produto final a ser avaliada. Isso definiu o sentido e a direção das extrações utilizadas como corpos de prova para os ensaios de durabilidade definidos com o cliente, permitindo acompanhar e monitorar as propriedades do concreto endurecido. Os ensaios estabelecidos e normatizados foram: • Absorção por fervura e índice de vazios - NBR 9778: Argamassa e concreto endurecidos: Determinação da absorção de água, índice de vazios e massa específica. • Velocidade de sucção capilar - IRAM 1871: Hormigón. Método de ensayo para determinar la capacidad y la velocidad de succión capilar de agua del hormigón endurecido. • Penetração de água sob pressão - NBR 10787: Concreto endurecido: Determinação da penetração de água sob pressão: Método de ensaio. Para cada lote mensal produzido nas duas unidades fabris era selecionado aleatoriamente um elemento, realizando-se extrações de testemunhos para a formação das amostras. Estas eram constituídas por seis corpos de prova cilíndricos, com dimensões de 100 x 100 mm. Para o ensaio de penetração de água sob pressão, foram utilizadas placas extraídas com a curvatura do diâmetro da estaca (Ø 500 mm) com base de 250 x 250 mm. Neste caso, foi desenvolvido um apoio para auxiliar o desenvolvimento dos testes, que será mostrado posteriormente. Todos os ensaios foram realizados em laboratório externo credenciado, com periodicidade mensal. A seguir serão descritos estes ensaios e apresentados os resultados que caracterizam a solução executada com concreto adensado pelo processo de centrifugação.
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Absorção e índice de vazios (e) O ensaio tem como objetivo determinar a máxima quantidade de água que pode ser absorvida pelo material, ou seja, quando todos os vazios estão ocupados por água. Quando medida em relação à massa é denominada de absorção e quando em relação ao volume chamada de índice de vazios ou porosidade. Para as amostras extraídas de concreto centrifugado obtiveram-se para absorção valores médios de 3,5%, e para o índice de vazios, média de 9,0%. A Figura 12 apresenta a variabilidade dos resultados em função dos lotes para as duas unidades fabris.
22,0 20,0
Concreto Deficiente
FÁBRICA A FÁBRICA B
18,0
Índice de Vazios (%)
16,0 14,0
Concreto Normal
12,0 10,0
média
8,0 6,0 4,0
Concreto Durável
2,0 0,0
mar-09
jul-09
out-09
Mês
jan-10
mai-10
ago-10
10,0 9,0
Concreto Deficiente
FÁBRICA A FÁBRICA B
8,0
Ab bsorção (%)
7,0 6,0
Concreto Normal
5,0 40 4,0 média
3,0 2,0
Concreto Durável
1,0 0,0 mar-09
jul-09
out-09
jan-10
mai-10
ago-10
Mês
Figura 12. Curva de variabilidade da absorção e índice de vazios por fervura ao longo dos lotes ensaiados.
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Velocidade de Sucção Capilar Neste ensaio avalia-se a capacidade de absorção do concreto por capilaridade ao longo do tempo. Para a execução deste ensaio, as laterais dos corpos de prova são impermeabilizadas de forma a obrigar uma ascensão capilar unidirecional, no sentido de baixo para cima. Esse sentido respeitou a direção que a estrutura atua em campo. Os corpos de prova são secos em estufa e colocados em contato com uma lâmina de água com altura contínua de 5,0 mm. Em intervalos de tempo definidos, mede-se a massa de água absorvida até que as medições atinjam constância. Um esquema simplificado do ensaio é apresentado na Figura 13.
Figura 13. Ensaio de absorção por capilaridade.
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A razão entre os incrementos de massa e a área de contato (ACP) determinará sua capacidade de sucção capilar (C), que tende a se estabilizar com o tempo (tß ∞). A Figura 14 apresenta os resultados de um ensaio executado em que a velocidade de sucção capilar pode ser obtida graficamente pela inclinação da reta ajustada. 400,0
Sucção capilar do concreto (g/m2)
350,0
C
0,9 C
300,0 250,0 200,0 Velocidade de sucção
150,0
y = 0,572x + 37,31 R² = 0,976
100,0 50,0
0,1 C
0,0 0
100
200
300
400
500
600
Tempo (s½)
Figura 14. Resultados de uma série de ensaios de Velocidade de Sucção Capilar.
Por dados históricos, para atender a previsão de vida útil de 100 anos foi estabelecido pelo cliente como critério de atendimento para este ensaio que o valor médio da velocidade de sucção capilar fosse de 3,5 g/m2.s1/2, tendo como máximo 4,0 g/m2.s1/2. Considerando as duas fábricas, o valor médio obtido para a velocidade de sucção capilar foi de 2,1 g/m2.s1/2. Posteriormente, foram realizados ensaios na obra, com CP´s extraídos das estacas com idades entre 193 e 278 dias, apresentando velocidade de sucção média de 1,7 g/m2.s1/2 (Figura 15). 5,5 Velocidade d de sucção (g/m².s½)
5,0 4,5 40 4,0
LIMITE MÁXIMO
3,5
LIMITE MÉDIO
3,0 2,5
média
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
50
100
150
200
250
300
Idade (dias) FÁBRICA A
FÁBRICA B
OBRA - FAB A
OBRA - FAB B
Figura 15. Resultados da velocidade de sucção capilar em diferentes idades.
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Penetração de água sob pressão O ensaio tem como objetivo avaliar a profundidade de entrada de água na estrutura do concreto sob a ação de um gradiente de pressão. Os corpos de prova são submetidos a um ciclo de três incrementos de pressão: 0,1MPa durante 48h, 0,3MPa por mais 24h e 0,7 MPa por mais 24h. Ao final, o CP é rompido por compressão diametral, na região de aplicação de pressão, a fim de medir a altura e distribuição da penetração. Para caracterizar o produto final e o processo de adensamento por centrifugação, foram extraídas placas com as mesmas características e curvatura das estacas utilizadas no projeto. Por isso, foi necessário modificar a estrutura e a base do equipamento de ensaio a fim de permitir a vedação adequada da região de entrada de água e evitar perda de pressão. A Figura 16 apresenta o esquema e a base do equipamento de ensaio desenvolvido.
Figura 16. Sistema e detalhe da base do equipamento de ensaio de penetração de água sob pressão.
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A Figura 17 mostra os resultados de penetração de água sob pressão em função dos lotes ensaiados. O resultado médio obtido para penetração de água, aos 28 dias, foi (40±18) mm, considerando as duas unidades de produção. Ensaios posteriores realizados na obra, para estacas com idade entre 116 e 296 dias apresentaram resultados médios de penetração de (2,3 ± 0,8) mm. Estas variações de resultados com relação à idade do concreto estão diretamente ligadas à hidratação do cimento ARS, pronunciando-se nos parâmetros de durabilidade. Contudo, vale lembrar que a pressão de 0,70 MPa utilizada neste ensaio não se aplica em uma condição real de serviço, pois neste caso, a pressão máxima na ponta da estaca devido a água seria de 0,28 MPa, como descrito anteriormente. 70
Penettração Média (mm)
60 50 média
40 30 20 10 0
Lote FÁBRICA A
FÁBRICA B
OBRA - FAB A
OBRA - FAB B
Figura 17. Evolução dos resultados de ensaio de penetração de água sob pressão ao longo dos lotes.
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Considerações Finais Nesse projeto a SCAC contribui para o desafio de um empreendimento distante de suas unidades fabris, possuindo um modal logístico de transporte rodoviário e marítimo. Adicionalmente, possuía elementos a serem analisados como a questão de um solo com elevada agressividade por cloretos e sulfatos compatibilizando com a necessidade de uma vida útil de 100 anos. Para isso, foi necessário o desenvolvimento de estudos e pesquisas com o sentido de contribuir com as necessidades do cliente, adequando nossas unidades a um projeto específico. O desenvolvimento do produto pré-fabricado aliado as características do processo de centrifugação contribuíram para a obtenção de uma estrutura de concreto compacta, com elevada densidade e pouco porosa. O fruto desses estudos pode ser observado através dos resultados alcançados. Para o módulo de elasticidade secante (ECS) 28 GPa aos 7 dias, para a absorção, valores médios de 3,5%; para o índice de vazios, a média obtida está em 9,0%; a velocidade de sucção capilar média medida foi 2,1 g/m2.s1/2; e para penetração de água, aos 28 dias, média de (40±18) mm, apresentando diminuição ao longo do tempo.
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São Paulo Av. Engenheiro Billings, 2.300 Jaguaré - São Paulo - SP CEP: 05321-010 Tel.: 3769-4900 Rio de Janeiro Estrada de Paracambi - RJ 127, Km 1,5 Distrito Industrial - Paracambi – RJ CEP: 26600-000