2010ME_TobiasACPereira - Copia

7/23/2019 2010ME_TobiasACPereira - Copia

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UNIVERSIDADE DE SO PAULOESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ESTRUTURASLABORATRIO DE MATERIAIS AVANADOS BASE DE CIMENTO

USP EESC SET LMABC

TOBIAS AZEVEDO DA COSTA PEREIRA

Concreto auto-adensvel, de alta resistncia, com baixo consumode cimento Portland e com adies de fibras de l de rocha ou

poliamida

So Carlos

2010


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TOBIAS AZEVEDO DA COSTA PEREIRA

Concreto auto-adensvel, de alta resistncia, com baixo consumode cimento Portland e com adies de fibras de l de rocha oupoliamida

Dissertao apresentada Escola deEngenharia de So Carlos, da Universidadede So Paulo, como parte dos requisitospara obteno do Ttulo de Mestre emEngenharia de Estruturas.

Orientador: Prof. Dr. Jefferson B. L. Liborio

So Carlos

2010


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Ofereo minha famlia:Humberto, Zlia, Maria

Vanderlei, Humberta,Germana, Llian, Eduarda,Joo, Sofia e Maria Pereira.


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AGRADECIMENTOS

minha esposa, Llian Bastos Leal Pereira, que acompanhou e incentivou todo este

trabalho.Ao professor Jefferson B. L. Liborio que me confiou esta tarefa, orientou todas as etapas

da pesquisa e disponibilizou, sem restries, a cultura LMABC.

USP-EESC pela excelncia em recursos humanos e infra-estrutura.

Aos professores da UFPE: zio da Rocha Arajo e Paulo Rgis que me recomendaram a

esta Ps-Graduao.

Aos profissionais que inspiraram e/ou influenciaram na minha formao como Engenheiro

civil, especialmente no campo dos concretos: Humberto Luiz da Costa Pereira, Amaro Jos do

Rgo Pereira, zio da Rocha Arajo, Felisberto Jauhar Fonseca, Juarez Jos Gomes e Jos Vieira.Aos colegas do LMABC, predecessores e contemporneos, e demais colegas da ps-

graduao do SET pela convivncia nas disciplinas e discusso das pesquisas.

Aos companheiros de concretagens e ensaios: Rodrigo Vieira da Conceio, Jos Eduardo

Rodrigues Sanches Junior, Jorge Luis Rodrigues Brabo e Ana Paula Moreno Trigo.

Em especial ao Rodrigo, que muitas vezes deixou o prprio trabalho de lado para ajudar

no s a mim como a qualquer outro que necessitava de auxlio no laboratrio.

Ao Sr. Wilson Moreira e dona Neuza Gasparim P. Nascimento pelos servios de apoio

manuteno do laboratrio.Aos professores da ps-graduao dos quais fui aluno: Jefferson B. L. Liborio, Mounir

Khalil El Debs, Wilson Sergio Venturini, Jos Samuel Giongo, Joo Bento de Hanai, Sergio

Persival Baroncini Proena, Libnio Miranda Pinheiro e Roberto M. Gonalves.

Rosi Aparecida Jordo Rodrigues, Maria Nadir Minatel e Sylvia Helena Morette pelo

pronto atendimento nas questes administrativas.

Ao laboratrio central de Estruturas, atravs de Luiz Vicente Vareda e Amaury Igncio da

Silva e ao da Geotecnia, atravs do professor Oswaldo Augusto Filho, Jos Luis e do Sr. Antnio

Garcia.Aos professores Ercio Thomaz e Mrcio Raymundo Morelli pelas valiosas contribuies

no ato da defesa pblica.

UFSCAR/DEMA, atravs do professor Mrcio Raymundo Morelli e do doutorando

Daniel Vras Ribeiro, pela viabilizao dos ensaios dos concretos submetidos s altas

temperaturas.

Ao povo de Pernambuco do qual sou servidor e que financiou minha estada em So

Carlos-SP e aos colegas do Tribunal de Contas do Estado de Pernambuco que me apoiaram no

difcil processo de afastamento para executar esta tarefa.


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RESUMO

PEREIRA, T. A. C. Concreto auto-adensvel, de alta resistncia, com baixo consumo de

cimento Portland e com adies de fibras de l de rocha ou poliamida . 2009. 281f.Dissertao (Mestrado) - Departamento de Estruturas, EESC. Universidade de So Paulo, SoCarlos SP, 2010.

O objetivo deste trabalho apresentar uma metodologia que possibilita a obteno de umalinha de concretos auto-adensveis de alta resistncia, econmicos e com reduzido impactoambiental quando comparados com os concretos correntes. Para atingir estes resultados foramestabelecidos critrios de dosagem e de produo visando sinergia entre os materiaisconstituintes do concreto. Foram pesquisados mtodos de empacotamento dos agregados eadies minerais, estudada a interao entre o aditivo superplastificante e os materiaiscimentcios e a incorporao de fibras de l-de-rocha ou poliamida. Os concretos com matriz

densa sob efeito de temperaturas elevadas tendem a sofrer lascamentos explosivos. Diantedisso foi verificado o comportamento de corpos de prova e os resultados indicaram aimportncia da adio da fibra de poliamida nessa condio, onde o concreto resistiu a umatemperatura de 400C. Ensaios de resistncia abraso indicaram que a fibra de l-de-rochamelhora essa propriedade do concreto e, como esperado, essa adio no inibe o lascamentoexplosivo do concreto. Tambm foram determinadas as propriedades mecnicas dos concretose concluiu-se que possvel o emprego de um concreto estrutural auto-adensvel comconsumo de cimento Portland da ordem de 325 kg/m, fc7= 53 MPa, fc28= 71 MPa e Ec28= 43GPa. Devido ao das adies minerais, estes concretos atingiram uma grande reserva deresistncia compresso aps a idade de referncia de 28 dias, obtendo-se 89 MPa aos 131dias de idade. A densificao da pasta hidratada, a melhoria da zona de interface desta com osagregados, alm da fissurao reduzida decorrente do baixo consumo de cimento e da adiode fibras indicam que este material tem desempenho superior ao prescrito pela NBR 6118para as diversas classes de agressividade ambiental e de resistncia.

Palavras-chave: Concreto de alta resistncia. Concreto auto-adensvel. L de rocha.Poliamida. Consumo de cimento. Temperatura. Abraso.


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ABSTRACT

PEREIRA, T. A. C. High strength self-consolidating concrete, with low content of cement

Portland and addition of polyamide or rock wool fibers. 2009. 281 f. M.Sc. Dissertation -Departamento de Estruturas, EESC. Universidade de So Paulo, So Carlos SP, 2010.

The aim of this work is to show a methodology that allows to realize a set of high strengthself-consolidating concrete, economic and with lower environmental impact when comparedwith current concretes. To get these results, criteria for production and mix design had beenestablished aiming at to synergy between constituent materials of the concrete. Methods ofparticles packing (aggregates and mineral additions), the interaction between thesuperplasticizer and cementitious materials and the fiber incorporation were researched. Theconcretes with dense matrix under effect of high temperatures are susceptible to explosivespalling. In this situation, concretes were evaluated by testing cylindrical specimens and

results evidenced the importance of the polyamide fiber when the concrete supported 400C.Tests of abrasion resistance indicated a good application for the wool-of-rock fiber, but thismaterial not avoids explosive spalling. The mechanical properties of the concretes weredetermined and show that is possible to product a self consolidate concrete with low cementcontent (325 kg/m), fc7= 53 MPa, fc28= 71 MPa and Ec28= 43 GPa. Due to action of themineral additions, these concretes had a great reserve of compressive strength after the age ofreference of 28 days and achieved 89 MPa at 131 days of age. The high density cement paste,the improvement of the matrix-aggregate interfacial zone and the reduced cracking due to thelow cement content and the fibre addition indicate that these materials has superiorperformance to those prescribed for the NBR 6118 for diverse strength classes and aggressiveenvironmental exposure.

Keywords: High strength concrete. Self-consolidating concrete. Rock Wool. Polyamide.Cement content. Temperature. Abrasion.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Conselhos de Mehta para atingir a sustentabilidade da indstria do cimento(1). ..... 27

Figura 2 - Fases do concreto armado segundo Liborio(2)

. ....................................................... 28Figura 3 Formao de aglomerados de poros para diversas porosidades. Adaptado de Kinget al.(15). ..................................................................................................................................... 39Figura 4 Arranjo de poros em malha retangular finita, King et al.(15). .................................. 40Figura 5 - Diferentes valores de P para a mesma porosidade p, em malha finita, King etal.(15). ......................................................................................................................................... 40Figura 6 Frao de poros conectados em funo da porosidade. Adaptado de King et al.(15)................................................................................................................................................... 41

Figura 7 - Modelo simplificado da estrutura da pasta. Powers(20 p. 8). ...................................... 43Figura 8 - Composio das pastas de cimento para diferentes graus de hidratao e vriasrelaes a/c. Adaptado de Powers(20 p. 3). .................................................................................. 43

Figura 9 Representao grfica da hidratao, a/c=0,60. Adaptado de Jensen e Hansen apudAtcin (22 p. 177;179). ...................................................................................................................... 48Figura 10 - Representao grfica da hidratao, a/c=0,42. Adaptado de Jensen e Hansen apudAtcin (22 p. 178;180). ...................................................................................................................... 48Figura 11 - Passos na formao da microestrutura. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). .......... 50Figura 12 - Imagem virtual tridimensional da microestrutura da pasta endurecida. Bentz(23). 52Figura 13 - Frao de poros conectados em funo do grau de hidratao para pastas comvrias relaes a/c. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). ............................................................ 53Figura 14 - Frao de poros conectados em funo da porosidade capilar para pastas purascom vrias relaes a/c. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). .................................................... 54Figura 15 - Frao de poros conectados em funo da porosidade capilar para pastas puras epastas com adio de fler. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). ................................................ 54Figura 16 - Frao de poros conectados em funo da porosidade capilar para pastas puras epastas com adio de slica ativa. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). ...................................... 55Figura 17 - Relao entre coeficiente de permeabilidade e porosidade capilar. Adaptado dePowers(20). ................................................................................................................................. 58Figura 18 Distribuio do tamanho dos poros em pastas de cimento hidratado comdiferentes relaes a/c. Adaptado de Mehta e Manmohan apud Mehta e Monteiro(19 p. 28;35)... 59Figura 19 - Fluxo em um meio poroso. Adaptado de Kanaoka(26 p. 318). ................................... 60Figura 20 - Variao relativa do coeficiente de permeabilidade com a porosidade. ................ 63Figura 21 - Dopagem de agregados. Liborio(2). ........................................................................ 64

Figura 22 - Difusividade relativa como funo da porosidade capilar de pastas. .................... 66Figura 23 - Tipos de gua associados ao C-S-H. Feldman e Sereda apud Mehta e Monteiro(19 p.31). .............................................................................................................................................. 68Figura 24 - Representao grfica da hidratao, a/c=0,356. Adaptado de Jensen e Hansenapud Atcin (22 pp. 179-184). ........................................................................................................... 73Figura 25 - Representao grfica da hidratao, a/c=0,30. Adaptado de Jensen e Hansen apudAtcin (22 pp. 179-184). .................................................................................................................... 73Figura 26 Retrao autgena de pastas de cimento Portland. Adaptado de Baroghel-Bouny eMounanga (36 p. 30). ..................................................................................................................... 74Figura 27 Retrao por secagem de pastas de cimento Portland. Adaptado de Baroghel-Bouny e Mounanga (36 p. 44). ...................................................................................................... 75

Figura 28 Retrao total de pastas de cimento Portland. Adaptado de Baroghel-Bouny eMounanga (36 p. 45). ..................................................................................................................... 75Figura 29 - Diagrama tenso x deformao para concreto, agregado e pasta, T.C. Hsu apud


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Mehta e Monteiro (19 p. 84)......................................................................................................... 85

Figura 30 - Parmetros de dosagem para atender determinada especificao, adaptado deDeacon e Dewar 28. .................................................................................................................. 89Figura 31 Influncia do fler na frao de poros conectados em funo do grau dehidratao. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). ........................................................................ 97Figura 32 Efeito da substituio volumtrica do cimento por fler em pasta com relaoa/c=0,20. ................................................................................................................................... 99Figura 33 Influncia da slica ativa na frao de poros conectados em funo do grau dehidratao. Adaptado de Bentz e Garboczi(16). ...................................................................... 101Figura 34 - Variao do grau de hidratao do cimento necessrio para atingir a desconexodos poros em funo da relao a/c e do teor de slica ativa. ................................................ 102Figura 35 - Variao do grau de hidratao do cimento necessrio para atingir a desconexo

dos poros em funo do teor de slica ativa para vrias relaes a/c. .................................... 103Figura 36 - Evoluo da temperatura do LHHPC. Adaptado da patente US005531823A (55)................................................................................................................................................. 105Figura 37 - Partculas usuais e fatores de influncia no comportamento do concreto. .......... 112Figura 38 Floculao de partculas de cimento(60). ............................................................. 116Figura 39 - Mecanismos de estabilizao de suspenses. Pandolfelli et al.(58 p. 31). ............... 117Figura 40 - Foras atuando em um agregado imerso em uma pasta. Adaptado de Bonen eShah(62). .................................................................................................................................. 118Figura 41 - Comportamento bsico dos fluidos. Adaptado de Pandolfelli et al.(58 p. 15). ........ 122Figura 42 - Pastas com relao a/c=0,3 (esquerda) e 0,6 (direita). Adaptado de Helene eAndrade(47 p. 921). ..................................................................................................................... 125

Figura 43 - Ilustrao da teoria do excesso de pasta, adaptada de Oh, Noguchi eTomosawa(69). ......................................................................................................................... 127Figura 44 - Diminuio do consumo de pasta a partir do empacotamento dos agregados,adaptado de Wong e Kwan(70). ............................................................................................... 127Figura 45 - Ilustrao do efeito parede, adaptado de Scrivener et al.(71)................................ 129Figura 46 - corpo de prova escovado pouco tempo depois do incio da pega do concreto.... 129Figura 47 - Mecanismo de bloqueio do agregado grado. Wstholz apud Gomes e Barros(64 p.14). ........................................................................................................................................... 132Figura 48 - Distribuies granulomtricas para CAA pelo mtodo de Su et al., Adaptado deBrouwers e Radix(74). ............................................................................................................. 134Figura 49 - Distribuies granulomtricas para CAA pelo mtodo de Alfred, adaptado deBrouwers e Radix(74). ............................................................................................................. 135Figura 50 - Diversas distribuies granulomtricas ............................................................... 136Figura 51 - Diagrama de fases da gua(80). ............................................................................. 146Figura 52 - Curvas de TG e DTG de pastas com CP V ARI RS aos 28 dias, Gianotti(30 pp. 162-163). .......................................................................................................................................... 149Figura 53 Representao simplificada dos processos fsico-qumicos durante o aquecimentodo concreto de cimento Portland, Khoury(83). ........................................................................ 149Figura 54 - Comportamento do concreto submetido s altas temperaturas. .......................... 150Figura 55- Resistncia compresso em funo da temperatura, corpos de prova aquecidossem carga e ensaiados mantida a mxima temperatura atingida. Phan e Carino(87). .............. 153

Figura 56 - Resistncia compresso residual em funo da temperatura, corpos de provaaquecidos sem carga e ensaiados a frio. Phan e Carino(87). .................................................... 154Figura 57 Distribuio de temperatura, presso e umidade em concretos aquecidos em uma


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face, Khoury e Anderberg (88). ................................................................................................ 157Figura 58 Tenses atuando no concreto aquecido, Khoury e Anderberg (88). ..................... 158Figura 59 Comparao entre o lascamento do CCV e do CAR depois de submetidos aofogo. Kodur(91). ....................................................................................................................... 160

Figura 60 Relao entre o inverso do limite de percolao com o ndice de forma, Garbocziet al.(96). ................................................................................................................................... 162Figura 61 - Diferenas entre figuras geomtricas com mesma rea e diferentes ndices deforma, 1, 32, 127 e 508. .......................................................................................................... 162Figura 62 - Corpos de prova aps ensaios de resistncia ao fogo. Adaptado de Han et al(98)................................................................................................................................................. 164

Figura 63 Parmetros reolgicos do concreto em funo do tipo de aplicao, Nunes(100 p.3.3). ........................................................................................................................................... 168Figura 64 Regularizao em laje executada com CAA, EPG(7 p. 36). ................................... 169Figura 65 Seo transversal do tronco de cone para ensaio do mini-abatimento, dimensesem mm, Liborio(2). .................................................................................................................. 174

Figura 66 Determinao do ponto de saturao do aditivo superplastificante, Liborio(2). .. 174Figura 67 - Ensaio do cone de Marsh, Gomes(79 p. 27). ............................................................ 175Figura 68 - Ensaio do slump-flow, dimenses em mm, Schutter(109). ..................................... 176Figura 69 - Exemplos de classificao VSI, adaptado da ASTM C 1611(108). ....................... 177Figura 70 - Ensaio do anel J, dimenses em mm, adaptado de Schutter(109). ..................... 178Figura 71 - Ensaio da caixa L. Koehler e Fowler(59 p. 309). .................................................. 179Figura 72 - Ensaio do Funil V, dimenses em mm, Schutter(109)........................................ 180Figura 73 - Ensaio do tubo "U", dimenses em mm, Gomes(79 p. 71). ..................................... 182Figura 74 Coluna para avaliar segregao. Adaptado da ASTM C 1610(111). ..................... 183Figura 75 Diagrama do procedimento de dosagem de Gomes et al., Gomes e Barros(64 p. 145)................................................................................................................................................. 188

Figura 76 Esquema do procedimento de dosagem, Alencar (73 p. 67).................................... 191Figura 77 Passos do mtodo de dosagem de Tutikian e Dal Molin. Gomes e Barros(64 p. 127)................................................................................................................................................. 193

Figura 78 - Distribuio Normal de Gauss com =0 e =1. .................................................. 200Figura 79 - Teor de vazios de diversas misturas de slica ativa e metacaulinita por diversosmeios de compactao. ........................................................................................................... 204Figura 80 Resistncia compresso de argamassas para diversas misturas de slica ativa emetacaulinita. .......................................................................................................................... 205Figura 81 Foto do ensaio do mini-abatimento. .................................................................... 206Figura 82 - Distribuio granulomtrica das diversas areias. ................................................. 209

Figura 83 Planilha eletrnica para obteno da combinao dos agregados cuja mistura maisse aproxima da curva alvo (Meta). ......................................................................................... 210Figura 84 - Recurso do solverutilizado na planilha eletrnica para otimizao da mistura dosagregados. ............................................................................................................................... 210Figura 85 - Empacotamento timo das areias (Alfred, q=0,37). ............................................ 211Figura 86 Aproximao da curva dos agregados (mistura) da curva ideal (meta),considerando Alfred, q=0,37 na frao fina, q=0,22 na frao grossa e zona de transio naspeneiras intermedirias. .......................................................................................................... 212Figura 87 - Distribuio granulomtrica dos agregados selecionados. .................................. 213Figura 88 - Estudo da argamassa e do concreto frescos. ........................................................ 219Figura 89 Comparao entre a distribuio tima terica dos agregados (Alfred, q=0,37 na

frao fina, q=0,22 na frao grossa e zona de transio nas peneiras intermedirias) e aobtida nos concretos dosados. ................................................................................................ 220Figura 90 - Ensaios de caracterizao do concreto fresco. ..................................................... 222


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Figura 91 - Estudo da segregao. ......................................................................................... 222

Figura 92 - C1, variao de fcmcom a idade, cura em temperatura ambiente. ...................... 225Figura 93 - Evoluo da resistncia compresso. ............................................................... 226Figura 94 - Faces dos corpos de prova do C1 rompidos aos 7 dias trao por compressodiametral................................................................................................................................. 227Figura 95 - Corpo de prova ensaiado trao na flexo, corpos de prova, 10x10x50 cm. ... 227Figura 96 Instrumentao do corpo de prova para ensaio do mdulo de elasticidade. ....... 228Figura 97 - Diagrama tenso-deformao tpico, at a ruptura.............................................. 229Figura 98 - Detalhe da ascenso capilar com soluo de fenolftalena. ................................ 230Figura 99 Curvas de temperatura do programa trmico padro e dos ensaios realizados. . 231Figura 100 - Concreto com adio de l-de-rocha aps ser submetido temperatura de 400C................................................................................................................................................. 232

Figura 101 - Ensaio para avaliao da resistncia abraso. ................................................ 233Figura 102 - Ausncia de qualquer carbonatao na idade de 200 dias. ............................... 233Figura 103 Foto dos corpos de prova de concreto de mesmo lote, vibrados direita e novibrados esquerda. ............................................................................................................... 234Figura 104 - Segregao do agregado grado em CAA vibrado. .......................................... 234Figura 105 - Resistncia compresso do cimento utilizado a partir da argamassa padro. 253Figura 106 Foto da metacaulinita, com auxlio da lupa MIC-D-OLYMPUS, aumento de 255vezes. ...................................................................................................................................... 256Figura 107 Foto da metacaulinita com aumento de 3.000 vezes(131). ................................. 256Figura 108 Foto da slica ativa, com auxlio da lupa MIC-D-OLYMPUS, aumento de 255vezes na parte a e 132 vezes na parte b. ................................................................................. 257

Figura 109 Foto da areia AR-01, com auxlio da lupa MIC-D-OLYMPUS, aumento de 183vezes. ...................................................................................................................................... 259Figura 110 Foto da areia AR-04, com auxlio da lupa MIC-D-OLYMPUS, aumento de 57vezes. ...................................................................................................................................... 259Figura 111 Foto do fler, com auxlio da lupa MIC-D-OLYMPUS, aumento de 255 vezes................................................................................................................................................. 259Figura 112 - Anlise granulomtrica do fler. ........................................................................ 260Figura 113 - Distribuio granulomtrica do fler. ................................................................ 261Figura 114 - Aparas de l de rocha utilizadas na pesquisa. ................................................... 262Figura 115 Foto da fibra de poliamida. ............................................................................... 262Figura 116 - Composio, em volume, da pasta endurecida do LHHPC com 100% dehidratao. .............................................................................................................................. 270Figura 117 Composio, em volume, da pasta fresca do C1 antes de qualquer hidratao.271Figura 118 - Composio, em volume, da pasta endurecida do C1 com 100% de hidratao................................................................................................................................................. 272Figura 119 - Composio, em volume, da pasta endurecida do C1 com 70,2% de hidratao................................................................................................................................................. 273Figura 120 - Resistncia ao escoamento residual em funo da temperatura para vrios tiposde ao. .................................................................................................................................... 274Figura 121 - Distribuio de temperatura para laje com 200 mm de espessura, considerandodiversos tempos de exposio ao fogo, em minutos, e a distncia da camada para a face

exposta, x (mm), Eurocode 2 (EN 1992-1-2)

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. ................................................................... 280


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Fases da pasta de cimento Portland com o mximo grau de hidratao possvel de

acordo com as condies de cura. Calculado de acordo com as equaes 1 a 8. ..................... 47Tabela 2 - Volume dos produtos da hidratao por unidade de volume de cimento anidro.Bentz e Garboczi(16). ................................................................................................................. 49Tabela 3 Algumas caractersticas das pastas de cimento Portland de Powers (24)na fronteiraque define a descontinuidade do sistema de poros. .................................................................. 59Tabela 4 Classificao da qualidade do concreto com vista durabilidade em funo daabsoro de gua por imerso e do ndice de vazios. ............................................................... 67Tabela 5 - Classificao dos tamanhos de poros na pasta de cimento endurecida. Silva, I. J. (3p. 79). ........................................................................................................................................... 69Tabela 6 - Grau de hidratao necessrio para atingir as porosidades de 18% e 30%, em pastade cimento Portland. ................................................................................................................. 76

Tabela 7 - Resistncia mdia do concreto, em MPa, em funo da relao a/c para vrios tiposde cimentos brasileiros. Helene e Andrade(47 p. 931). .................................................................. 90Tabela 8 Relao fcj/fc28admitindo cura mida em temperatura de 21C a 30C. Helene eAndrade(47 p. 932). ........................................................................................................................ 90Tabela 9 - Relao entre classes de agressividade ambiental com as classes de resistncia econsumos mnimos de cimento (NBR 12655:2006). ............................................................... 91Tabela 10 - Composio do LHHPC ...................................................................................... 104Tabela 11 - Planilha eletrnica para otimizar a mistura de agregados ................................... 139Tabela 12 - Indicador visual da estabilidade atravs do ensaio do Slump flow, ASTM C1611(108). ................................................................................................................................. 176Tabela 13 Parmetros para classificao e especificao do CAA, EPG(7 pp. 10-14; 44-45). ..... 184Tabela 14 - Valores recomendados para ensaios de aceitao do CAA. ................................ 185Tabela 15 - Valores de desvios mximos em relao mdia conforme Chauvenet. ............ 200Tabela 16 - Perda relativa de resistncia compresso do concreto aos 28 dias em relao cura normal conforme Melo(45). .............................................................................................. 202Tabela 17 Agregados grossos e finos indicados para a produo do CAA. ........................ 212Tabela 18 - Composio dos principais concretos estudados. ................................................ 220Tabela 19 - Caracterizao do concreto fresco. ...................................................................... 221Tabela 20 Resultados dos ensaios de resistncia compresso, concreto C1. .................... 224Tabela 21 Resultados dos ensaios de resistncia compresso, concretos C2 e C3. .......... 225Tabela 22 Resultados dos ensaios de resistncia trao por compresso diametral. ........ 226

Tabela 23 Resultados dos ensaios de resistncia trao na flexo. .................................. 227Tabela 24 Resultados dos ensaios de mdulo de elasticidade aos 28 dias. ......................... 228Tabela 25 - Caracterizao da absoro. ................................................................................ 229Tabela 26 - Deteriorao percentual do concreto com a ao da temperatura. ...................... 231Tabela 27 Estudo do efeito da vibrao na resistncia compresso, concreto C1. ............ 234Tabela 28 Resumo da caracterizao dos concretos endurecidos. ...................................... 237Tabela 29 Ajuste dos dados experimentais da resistncia compresso do cimento aomodelo de Powers e Brownyard. ............................................................................................ 254Tabela 30 - Composio qumica mdia da metacaulinita. .................................................... 255Tabela 31 - Composio qumica mdia da slica ativa. ........................................................ 256Tabela 32 - Distribuio granulomtrica dos agregados grados, NBR 7217(133).................. 257

Tabela 33 - Caractersticas dos agregados grados. ............................................................... 258Tabela 34 - Distribuio granulomtrica dos agregados midos, NBR 7217(133). ................. 258Tabela 35 - Caractersticas dos agregados midos. ................................................................ 258


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18

Tabela 36 - Caractersticas das fibras de poliamida dados do fabricante(120). ..................... 262

Tabela 37 - Composio dos concretos auxiliares. ................................................................ 265Tabela 38 Resultados dos ensaios de caracterizao das propriedades do concreto fresco, C4a C7. ....................................................................................................................................... 265Tabela 39 - Caracterizao do concreto endurecido, C4 a C7. .............................................. 266Tabela 40 - Coeficientes que relacionam os produtos da hidratao com os volumes dosmateriais anidros que os originou. ......................................................................................... 267Tabela 41 - Pasta Endurecida do LHHPC com 100 % de hidratao. ................................... 269Tabela 42 - Pasta Endurecida do concreto C1 com 100 % de hidratao. ............................. 271Tabela 43 - Pasta Endurecida do C1 com 18 % de porosidade capilar. ................................. 272


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ACI American Concrete InstituteASTM American Society for Testing and MaterialsCA Concreto armadoCAA Concreto auto-adensvelCAD Concreto de alto desempenhoCAR Concreto de alta resistnciaCCV Concreto convencionalCEB Comit Euro-International du BtonCP Concreto protendido; Cimento PortlandCP V ARI RS Cimento Portland de alta resistncia inicial e resistente a sulfatosDTG Termogravimetria derivada

EESC Escola de Engenharia de So CarlosEPG European Project GroupINT Instituto Nacional de TecnologiaLHHPC Low-heat high performance concreteLMABC Laboratrio de Materiais Avanados Base de CimentoNIST National Institute of Standards and Technology (EUA)NBR Norma Brasileira RegistradaPCA Portland Cement Association (EUA)PCI Precast/Prestressed Concrete InstituteSET Departamento de Engenharia de Estruturas da EESCSP SuperplastificanteTG TermogravimetriaTRRF Tempo requerido de resistncia ao fogoUSP Universidade de So Paulo


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LISTA DE SMBOLOS

a Massa de gua

A rea da seo transversal do elementoa/ag Relao gua/aglomerante em massaa/c Relao gua/cimento em massaa/s Relao gua/slidos da pasta em massaAl2O3 xido de alumnioc Massa do cimentoCV Coeficiente de variaoC3A; 3CaO. Al2O3 Aluminato triclcicoC4AF; 4CaO. Al2O3. Fe2O3 Ferroaluminato tetraclcico; FerritaC2S;2CaO. SiO2 Silicato diclcico; BelitaC3S;3CaO. SiO2 Silicato triclcico; Alita

CaO;C xido de clcioCa(OH)2; C-H;CH Hidrxido de clcio; PortlanditaCO2 Dixido de carbonoCPFT porcentagem de partculas menores do que DpC-S-H Silicato de clcio hidratadoDp dimetro da partculaDL dimetro da maior partculaDS dimetro da menor partculaEc Mdulo de elasticidade do concretofcj Resistncia compresso do concreto aos j diasfck Resistncia caracterstica compresso do concretofct,f Resistncia do concreto trao na flexofct,sp Resistncia do concreto trao indiretaFe2O3;F xido de ferrog acelerao da gravidade; frao volumtrica dos agregadosh1, h2 Medidas obtidas no ensaio da Caixa LH2O;H guaH2SO4 cido sulfricoK Coeficiente de permeabilidade do concretok Constante em equaes relacionando resistncia e porosidadeKOH Hidrxido de potssio

L comprimento do elementom Massa dos agregados secos totais / massa do cimentoma Massa dos agregados finos secos totais / massa do cimentoMF Mduo de finuran Nmero de clulas em uma malha para estudo da percolaon Constante na equao da retraoNaOH Hidrxido de sdioO2 OxignioP ou P(p) Frao de poros conectados em um aglomerado de percolaoP(p)pasta Frao de poros conectados da pastap Porosidade

pc Porosidade crtica de percolaopH Potencial hidrogeninicoq Mdulo de distribuio


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r Relao gel/espao; raio da partculaRH Raio hidrulico

RS Relao de segregaoS Superfcie especfica; segregaoSiO2;S Dixido de silcioSc Retrao do concretoSp Retrao da pastaSF Slump flowT500 Tempo para atingir o dimetro de 500 mm, ensaio slump-flowx Mdia da amostras Desvio padro da amostraU.R. Umidade relativat Espessura de pasta

v VelocidadeVP Volume de pastaVv Volume de vaziosVS Volume de slidos

Letras gregas

Teor de argamassa; Grau de hidratao Constante da teoria da percolao; Percentual do agregado aj Diferena; Desvio Dimetro Massa especfica Mdia da populao Viscosidade Desvio padro da populao Tenso cisalhante


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SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................................................................................ 27

1.1 OBJETIVO E LIMITES DA PESQUISA ..................................................... .................................................. 31

1.2 IMPORTNCIA DA PESQUISA ....................................................... ........................................................... . 33

1.3 ORGANIZAO DO TRABALHO .............................................................................................................. 35

2 ESTUDO DA INFLUNCIA DO TEOR E DA POROSIDADE DA PASTA NAS PROPRIEDADES DO

CONCRETO ENDURECIDO E NO CONSUMO DE CIMENTO PORTLAND ......................................... 37

2.1 TEORIA DA PERCOLAO EM MEIOS POROSOS ................................................................................. 38

2.2 MODELO DE POWERS E BROWNYARD PARA HIDRATAO DO CIMENTO PORTLAND E

CLCULO DA POROSIDADE CAPILAR DAS PASTAS......................................... ........................................ 41

2.3 MODELO DO NIST PARA SIMULAO DIGITAL DA ESTRUTURA DAS PASTAS E OBTENO

DA POROSIDADE CRTICA RELATIVA DESCONTINUIDADE DOS POROS ........................................ 49

2.4 DURABILIDADE ........................................................... ........................................................... ..................... 55

2.4.1 PERMEABILIDADE ................................................................................................................................... 57

2.4.2 RETRAO ................................................................................................................................................ 68

2.4.3 RESISTNCIA ABRASO ......................................................... ........................................................... . 77

2.5 PROPRIEDADES MECNICAS ....................................................... ........................................................... . 79

2.6 CONSUMO DE CIMENTO PORTLAND ..................................................................................................... 87

2.6.1 EFEITO DO FLER ..................................................................................................................................... 96

2.6.2 EFEITO DA ADIO POZOLNICA ..................................................... ................................................ 100

2.6.3 ESTUDO DE CASO .................................................................................................................................. 104

2.7 RESUMO DO CAPTULO 2 ........................................................................................................................ 107

3 ESTUDO DA INFLUNCIA DO SISTEMA DE PARTCULAS NO COMPORTAMENTO DO

CONCRETO .................................................... ............................................................ ...................................... 111

3.1 ANLISE DA DISPERSO E SEGREGAO DOS SISTEMAS PARTICULADOS ............................. 113

3.2 REOLOGIA DOS SISTEMAS PARTICULADOS ......................................................... ............................. 119

3.3 DISCUSSO DOS MODELOS DE EMPACOTAMENTO DE PARTCULAS ......................................... 126

3.4 MTODO DAS MISTURAS SUCESSIVAS ............................................................................................... 137

3.5 ROTINA DE OTIMIZAO PARA OBTER A CURVA "IDEAL" .................................................. ......... 138

3.6 RESUMO DO CAPTULO 3 ........................................................................................................................ 140

4 DETERIORAO E LASCAMENTO EXPLOSIVO DO CONCRETO EM ALTAS

TEMPERATURAS ........................................................................................................................................... 145

4.1 DETERIORAO DO CONCRETO EM ALTAS TEMPERATURAS ...................................................... 146


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SSUUMMRRIIOO

24

4.2 LASCAMENTO EXPLOSIVO DO CONCRETO ................................................... ..................................... 155

4.3 RESUMO DO CAPTULO 4 ................................................................................... ..................................... 165

5 CONCRETO AUTO-ADENSVEL .................................................... ......................................................... 167

5.1 CARACTERSTICAS ........................................................................................................ ........................... 168

5.2 ENSAIOS AUXILIARES PARA ESTUDO DA PASTA E DA ARGAMASSA E ENSAIOS ESPECFICOS

PARA AVALIAO DO CAA ....................................................... ........................................................... ........ 173

5.2.1 MINI-ABATIMENTO (KANTRO) .............................. ........................................................... .................. 173

5.2.2 CONE DE MARSH ....................................................... ........................................................... .................. 174

5.2.3 SLUMP-FLOW............................................................................................ ............................................... 175

5.2.4 ANEL J ................................................................................................................................................... 178

5.2.5 CAIXA L .......................................................... ............................................................ ........................... 179

5.2.6 FUNIL V .................................................................................................. ............................................... 180

5.2.7 TUBO U ................................................................................................... ............................................... 182

5.2.8 TCNICA DA COLUNA ........................................................ ........................................................... ........ 182

5.3 ESPECIFICAO ........................................................................................................................................ 184

5.4 METODOLOGIAS DE DOSAGEM .................................................... ......................................................... 186

5.4.1 MTODO DE GOMES, GETTU E AGULL .......................................................................................... 187

5.4.2 MTODO DMDA (DENSIFIED MIXTURE DESIGN ALGORITHM) ...................................................... 188

5.4.3 MTODO DE ALENCAR E HELENE ..................................................................................................... 189

5.4.4 MTODO DE TUTIKIAN E DAL MOLIN ................. ........................................................... .................. 191

5.4.5 ALGUNS COMENTRIOS SOBRE OS MTODOS DIANTE DO CONTEXTO DA PESQUISA ....... 193

5.5 RESUMO DO CAPTULO 5 ................................................................................... ..................................... 195

6 PROGRAMA EXPERIMENTAL ........................................................ ......................................................... 197

6.1 METODOLOGIA ................................................... ............................................................ ........................... 198

6.2 SELEO E COMPOSIO DOS AGLOMERANTES ................... ......................................................... 2006.3 ESCOLHA DO TIPO E ESTABELECIMENTO DO TEOR DE ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE..... 205

6.4 SELEO E COMPOSIO DOS AGREGADOS ............................................... ..................................... 207

6.5 ESTUDO DOS CONCRETOS ................................................... ........................................................... ........ 214

6.5.1 CARACTERIZAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS DOS CONCRETOS ............................... 224

6.5.2 AVALIAO DA POROSIDADE PERMEVEL DOS CONCRETOS ................................................. 229

6.5.3 COMPORTAMENTO DOS CONCRETOS SUBMETIDOS S ALTAS TEMPERATURAS ................ 230

6.5.4 RESISTNCIA AO DESGASTE SUPERFICIAL .......................................................... ........................... 232

6.5.5 VERIFICAES COMPLEMENTARES ......................................................................................... ........ 233

7 DISCUSSO DOS RESULTADOS ..................................................... ......................................................... 235


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SSUUMMRRIIOO 25

8 CONCLUSES .............................................................................................................................................. 241

8.1 SUGESTES PARA SEGUIMENTO DA PESQUISA ............................................................................... 243

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................ ........................................................... ......... 245

APNDICE A CARACTERIZAO DOS MATERIAIS ...................................................... ................... 253

A.1 CIMENTO PORTLAND .......................................................... ........................................................... ......... 253

A.2 METACAULINITA ..................................................................................................................................... 255

A.3 SLICA ATIVA .................................................... ........................................................... ............................. 256

A.4 AGREGADOS ............................................................................................................................................. 257

A.5 FIBRAS ........................................................................................................................................................ 261

A.5.1 FIBRA DE L DE ROCHA...................................................................................................................... 261

A.5.2 FIBRA DE POLIAMIDA (NYLON) ......................................................................................................... 262

A.6 GUA .......................................................................................................................................................... 263

A.7 ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE .......................................................... ................................................ 263

APNDICE B DADOS DOS CONCRETOS AUXILIARES PESQUISA ............................................. 265

APNDICE C CLCULO DA COMPOSIO DAS PASTAS A PARTIR DOS CONCEITOS DE

POWERS/BROWNYARD E BENTZ/GARBOCZI .......................................................... ............................. 267

C1 PASTAS CONTENDO CIMENTO PORTLAND, SLICA ATIVA E FLER .......................................... 267

C1.1 ESTUDO DO LHHPC ......................................................... ........................................................... ......... 269

C1.2 ESTUDO DO CONCRETO C1 ..................................................... .......................................................... 270

APNDICE D ALGUMAS CONSIDERAES SOBRE AS ESTRUTURAS DE CONCRETO

ARMADO EM SITUAO DE INCNDIO ........................................................... ...................................... 274


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IINNTTRROODDUUOO

1 INTRODUO

Para se obter um concreto de alta resistncia e durvel, geralmente especifica-se altoconsumo de cimento Portland. Esse procedimento pode trazer alguns inconvenientes no

desempenho de uma estrutura, como uma maior tendncia de desenvolver fissuras decorrentes

da retrao trmica e qumica.

Alm disso, entre os materiais componentes do concreto, o cimento Portland o que

demanda maior custo e consumo energtico para a sua produo e segundo Mehta(1)emite em

torno de 1 t de CO2para cada 1 t de clnquer produzido, o que representaria cerca de 90% da

emisso de CO2da indstria do concreto.O concreto, por ser verstil, compete com os diversos materiais em grande diversidade

de aplicaes. Com um consumo crescente ao longo dos anos, tem sido apontado como um

dos viles na emisso de CO2. O fato que qualquer comparao somente correta quando se

considera a diferena em emisses ou consumo energtico frente s demais alternativas

tecnolgicas e no no consumo global. Entretanto, o uso desse concreto pode ser melhorado.

A deteriorao ambiental em escala global impe que cada parcela do setor produtivo

se aperfeioe visando diminuio dos danos natureza. Na indstria da construo isso pode

ser conseguido de diversas formas, entre elas: a obteno de uma estrutura mais durvel, que

necessitar de menos recursos de manuteno e de intervenes ao longo do tempo; com a

utilizao de materiais mais resistentes, que atravs de projetos adequados possibilitem o

menor consumo desses materiais e por fim, atravs da utilizao de resduos ou subprodutos

advindos de outros meios produtivos. Caso se produza um material que possibilite o

atendimento a esses trs requisitos estar se alcanando de forma sinrgica as necessidades

ambientais impostas sociedade atual.

Em outras palavras, esses so os conselhos de Mehta para atingir a sustentabilidade da

indstria do cimento(1), ou de forma mais ampla, da indstria do concreto, Figura 1.

Figura 1 - Conselhos de Mehta para atingir a sustentabilidade da indstria do cimento (1).


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IINNTTRROODDUUOO

Mehta (1)sugere algumas medidas para atingir tais objetivos:

a) diminuio do consumo de concreto atravs da otimizao dos projetos e do

uso do concreto de alta durabilidade;

b) reduo do consumo dos aglomerantes:

b1)alterao do critrio da aceitao da resistncia do concreto de alguns tipos

estrutura, por exemplo, fundaes, para idades de 56 ou 91 dias;

b2)incremento no uso de aditivos plastificantes e certos tipos de adies

minerais, em detrimento do aumento do consumo de gua e de cimento, no

caso da necessidade de aumentar a trabalhabilidade;

b3)reduo do volume da pasta, a partir da otimizao do tamanho egraduao dos agregados;

c) reduo do consumo de clnquer, por meio da substituio, entre 50% e 70%,

do cimento Portland comum por outros materiais cimentcios ou pozolnicos.

A tecnologia dos concretos estruturais, apoiada em princpios cientficos, tem dado sua

contribuio para esse desafio. O desenvolvimento dos concretos de alta resistncia, com uso

de adies minerais provenientes de resduos industriais, o uso intensivo de aditivos

superplastificantes e o empacotamento de partculas permitindo a diminuio do consumo deaglomerantes, sem prejuzo na durabilidade, so alguns exemplos desta evoluo. Pode-se

afirmar que os recursos tecnolgicos j existem, cabendo indstria da construo a sua

popularizao.

Para fazer bom uso dessa tecnologia importante o conhecimento da interao dos

materiais constituintes do concreto.

Os concretos estruturais no podem ser definidos apenas como a associao do

material concreto com uma armadura de reforo resistindo s aes diversas. preciso umaviso mais ampla. Os concretos armados devem ser entendidos como um material contendo

pelos menos cinco fases, conforme a Figura 2:

Figura 2 - Fases do concreto armado segundo Liborio (2).


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IINNTTRROODDUUOO

O entendimento dessas fases, entre elas a zona de transio1, permite que seja

desenvolvido um material para atender todas as hipteses assumidas no projeto e que leve em

conta o meio ambiente, com um prognstico da situao futura, obtendo-se um concreto dealto desempenho.

Assim, conforme Liborio(2), o material concreto armado no apenas uma simples

definio das associaes de cimento Portland, agregados midos e grados, a gua de

amassamento e armadura de reforo. Cada material ter sua importncia no produto final e se

no houver a sinergia entre eles, dificilmente se obter um concreto durvel.

Alm dos materiais tradicionais, cimento Portland, agregados e gua, aos concretos de

alto desempenho, freqentemente, so includas as adies minerais e fleres, os aditivos

qumicos e as fibras. Isso implica em mais fatores influenciando o comportamento desse

material, trazendo novas demandas de pesquisa.

Por exemplo, o lascamento explosivo dos concretos submetidos s altas temperaturas,

tem sido apresentado como uma questo crtica dos concretos de baixa porosidade, enquanto

que nos concretos convencionais, mais porosos, este fenmeno menos provvel.

A adio das fibras proporciona o realce de algumas propriedades, de forma a atender

s necessidades de projeto. A escolha do tipo de fibra depende da aplicao. Por exemplo, as

de baixo ponto de fuso, como as de polipropileno e as de poliamida, diminuem a

possibilidade do lascamento explosivo, uma vez que, ao se extinguirem, propiciam a liberao

do vapor de gua aprisionado, o que alivia a presso interna do elemento estrutural. As fibras

polimricas ainda aumentam a coeso do concreto fresco e torna o concreto menos vulnervel

s fissuras por retrao nas primeiras idades.

Como o desempenho ser mencionado ao longo do texto, cabe conceitu-lo. O

conceito do concreto de alto desempenho (CAD) difere entre diversos autores, seja o

associando ao concreto de alta resistncia ou ao com baixa relao gua-cimento, ou aindaclassificando-o atravs de alguma caracterstica especfica de durabilidade, propriedades

reolgicas, entre outras.

Entretanto, o conceito de alta resistncia mutante. Silva, I. J.(3 p. 2) observa que os

limites que definem as classes de resistncia elevam-se ao longo do tempo, medida que a

utilizao de concretos mais resistentes se torna comum na prtica.

1A zona de transio ou de interface uma regio de maior porosidade da pasta com espessura daordem de 10 a 50 m a partir da superfcie dos agregados (notadamente os grados), armaduras eformas. Constitui, em geral, a fase mais fraca do concreto. Mehta e Monteiro (17 p. 18).


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IINNTTRROODDUUOO

Em geral, o concreto de alta resistncia tem elevado desempenho quanto s aes

mecnicas e quanto resistncia ao ingresso dos agentes agressivos, uma vez que estes dois

aspectos esto relacionados com a porosidade e por isso os conceitos so confundidos.

Entretanto, conforme a aplicao, um concreto de alta resistncia mecnica pode no

ser adequado ou suficiente, citando-se aqui alguns exemplos: o concreto pode no resistir

ao de gelo/degelo; pode ser mais suscetvel ao lascamento explosivo quando sujeito s altas

temperaturas decorrentes de um incndio; pode gerar alto calor de hidratao, criando

problemas para execuo de elementos de grande dimenso, entre outras situaes.

claro que todos esses possveis inconvenientes podem ser evitados, a partir de

medidas adequadas na dosagem e execuo do concreto de alta resistncia, mas os exemplosservem para ilustrar que apenas a resistncia no define o desempenho.

Silva, I. J.(3 p. 3)afirma que um concreto de alta resistncia produzido por um cimento

contendo elevado teor de C3A e C3S, que durante a sua hidratao produz entre outras fases

hidratadas grande quantidade de etringita, portlandita e possibilidade de produo do

monossulfoaluminato, reduz muito o seu campo de atuao.

A utilizao dos concretos estruturais tem evoludo e se diversificado, tanto no sentido

de aprimorar as tcnicas mais antigas quanto no desenvolvimento de novas tecnologias,podendo exemplificar os concretos com os mais diversos tipos de fibras, o concreto auto-

adensvel, o projetado, o de baixa retrao, o com polmeros, o colorido, o translcido, o

ecolgico, entre outros. Abranger em um conceito, alto desempenho, toda essa gama de

opes e ainda especificar propriedades e impor limites numricos no possvel, at porque

no teria sentido produzir um concreto que atendesse qualquer expectativa, algumas delas

inclusive opostas.

Se o conceito do concreto de alto desempenho controverso, o mesmo vale para o seuoposto, o concreto convencional. Uma vez que o que excepcional em uma determinada poca

ou local pode se tornar comum adiante. Portanto neste trabalho, apenas para facilitar

comparaes com os resultados experimentais obtidos, ser admitido como concreto

convencional (CCV) aqueles que atendem aos limites impostos pela NBR 6118(4) quanto

classe de resistncia compresso e massa especfica e com abatimento do tronco de cone,

NBR NM67(5), entre 5 cm e 15 cm, valores usualmente utilizados na construo civil.

Liborio(6)define o CAD assim:

O concreto de alto desempenho deve ser entendido como um material, cientificamente

produzido, que atende s expectativas do cliente do ponto de vista estrutural, da esttica, de


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durabilidade frente ao meio ambiente atual e futuro, para fins pr-determinados. Deve ser

econmico (custo/benefcio) e propiciar vantagens frente a outras alternativas tecnolgicas.

Este conceito elimina os conflitos anteriormente comentados porque associa o

concreto de alto desempenho s necessidades da aplicao a qual o material destinado e

ressalta que o CAD deve ter algum ou vrios atributos realados em comparao a um

concreto corrente.

Segundo o EPG(7 p. 1), o concreto auto-adensvel um concreto inovador que no requer

vibrao. Flui sobre o prprio peso, preenche completamente as frmas e atinge completo

adensamento, mesmo em elementos congestionados por armaduras. As propriedades do

concreto endurecido e de durabilidade no devem diferir do concreto vibrado.

1.1 OBJETIVO E LIMITES DA PESQUISA

A pesquisa teve com objetivo mais amplo o projeto e a produo de concretos auto-

adensveis, de alta resistncia, com baixo consumo de cimento Portland e com indicativos de

durabilidade que atendam s classes de agressividade ambiental definidas na NBR 6118(4).

De forma a tornar esse concreto verstil, ampliando o seu campo de aplicao, props-

se o uso das fibras de l de rocha e a de poliamida. Estas fibras, dependendo do teoradicionado, influenciam o comportamento frente ao das altas temperaturas, a resistncia

abraso, as propriedades mecnicas e a reologia do concreto.

Considerando a facilidade com que esse material dever permitir sua conformao em

moldes, para fins diversos, definiu-se pelo concreto auto-adensvel (CAA).

A utilizao de aditivo superplastificante um fato imperativo no CAA e esta pesquisa

adotou os policarboxlicos. Para controle da segregao existe a possibilidade do uso dos

aditivos modificadores de viscosidade e/ou das partculas finas. Nesta pesquisa optou-se pelautilizao de um fler (p de quartzo) e de materiais pozolnicos (slica ativa e metacaulinita)

porque, alm de controlar a segregao, esses materiais influenciam na durabilidade e na

resistncia do concreto, ao densificar a pasta que envolve os agregados.

Para atingir o objetivo principal foram definidos os seguintes objetivos especficos:

a) estabelecimento de critrios de dosagens e produo para obter a sinergia entre

cimento Portland, aditivos, adies pozolnicas e fleres, agregados, fibras e

gua de amassamento;


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b) estudo de critrios para aceitao do material, com base na literatura

disponvel, inclusive a j existente no LMABC-EESC-USP, com respeito s

aes da carbonatao e cloretos;

c) elaborao de concretos auto-adensveis, com resistncia compresso (fc28)

65 MPa, slump-flow65 cm e consumo de cimento Portland limitado a 350

kg/m.

d) estudo da adio de fibras de poliamida visando obter indicativos quanto

inibio do lascamento explosivo do concreto em alta temperatura;

e) estudo da viabilidade da adio da l-de-rocha;

Os objetivos implicaram na determinao das principais propriedades mecnicas dos

concretos: resistncia compresso, trao por compresso diametral e por flexo, mdulo de

elasticidade; avaliao da porosidade permevel dos concretos a partir de ensaios de absoro

de gua por imerso e capilaridade; verificao do comportamento de corpos de prova sob

efeito de temperaturas elevadas quanto possibilidade do lascamento explosivo dos concretos

com e sem fibras polimricas; determinao da resistncia abraso dos concretos.

De incio no foi imposta qualquer limitao ao consumo total dos aglomerantes,

entretanto a idia inicial foi adotar um teor de materiais pozolnicos de at 10% em adio

massa de cimento Portland e incrementar este teor apenas no caso da impossibilidade de

atingir as metas estabelecidas.

Tambm no foram pr-estabelecidos critrios para avaliao da permeabilidade, mas

a pesquisa teve como objetivo obter um concreto com indicativos que h grande dificuldade

ao ingresso dos agentes agressivos atravs do seu sistema de poros, que o caminho para

obter concretos de alta durabilidade.

O comportamento do concreto em alta temperatura foi um objetivo secundrio para

subsidiar futuras pesquisas. Fez-se apenas uma investigao preliminar com intuito de obter

informaes iniciais sobre concretos com baixo consumo de cimento Portland nesta situao.

A confirmao da possibilidade do lascamento explosivo no concreto pesquisado

refora a associao desse fenmeno estrutura densa do concreto, mesmo quando se adota

consumo reduzido de cimento Portland. As perdas das propriedades mecnicas aps o

aquecimento tambm foram pesquisadas.

Apesar das aparas de l-de-rocha, pela sua natureza, tenham potencial para influenciaras propriedades de condutividade trmica do concreto, este aspecto no foi abordado nesta


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pesquisa, que se resumiu a verificar a viabilidade da sua adio ao concreto e os efeitos nas

propriedades associadas aos ensaios de caracterizao determinados. Devido ao seu alto ponto

de fuso, a l-de-rocha no diminui a possibilidade do lascamento explosivo do concreto emalta temperatura.

1.2 IMPORTNCIA DA PESQUISA

A obteno de concretos auto-adensveis com baixo consumo de cimento Portland

(baixo calor de hidratao), alta resistncia compresso e baixa permeabilidade, tem uma

significativa importncia na construo civil.

Um material com essas caractersticas atende aos conselhos de Mehta(1) visando

garantir a sustentabilidade da indstria do concreto, atravs da diminuio da emisso de CO2.

Concretos com algumas dessas propriedades pesquisadas podem ser adequados para

diversos fins, tais como pavimentao; utilizao em elementos estruturais que necessitam de

alta resistncia compresso e/ou elevado mdulo de elasticidade; aplicao como material

em restauro e reforo de estruturas.

Uma boa aplicao pode ser encontrada na indstria de pr-moldados onde o concreto

de alta resistncia (CAR) essencial. A utilizao do CAR, em geral associado protenso no

caso de elementos fletidos de grande vo, permite o projeto de peas mais leves e a

diminuio do ciclo de produo, desde que a evoluo dessa resistncia nas primeiras horas

ou dias esteja de acordo com as necessidades de desenforma, protenso e manuseio.

Valores tpicos de resistncias compresso de 40 a 60 MPa, corpos de prova cbicos,

e mdulo de elasticidade de 28 a 32 GPa so indicados em Elliott (8 p. 124)como usuais para o

projetos dos elementos pr-moldados de edifcios.

El Debs (9 p. 22) indica algumas aplicaes especficas na Finlndia onde se utilizouconcreto com fckde 100 MPa. Nas obras de arte especiais o CAR tem uso intenso. Nikzad et.

al. (10) relatam o uso do concreto com fckde 69 MPa para vigas pr-moldadas de pontes com

vo de 55m.

O CAR tambm permite a execuo de estruturas com seo transversal em caixo

protendido com pequena espessura de parede, Conceio(11).

Os concretos com resistncia maior do que 70 MPa tem aplicaes mais restritas,

como os grandes vos de pontes e pilares de edifcios altos. A utilizao desse material paraos tipos estruturais correntes, em geral, no a melhor soluo, porque devido s restries de


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esbeltez, as sees projetadas so maiores do que aquelas necessrias apenas para atender

resistncia dos materiais.

Entretanto, a utilizao do concreto de alta resistncia pode ser adotada apenas por

questo de durabilidade no caso onde a baixa porosidade a caracterstica fundamental.

Portanto, o concreto aqui proposto, resistncia mdia aos 28 dias de 65 MPa, o que

pode significar um fckda ordem de 55 MPa, tem grande campo de aplicao.

Outra possibilidade da adoo do CAR acelerar o ritmo da construo, com retirada

mais prematura do cimbramento sem causar deformaes excessivas.

Tambm pode se elevar a resistncia para compensar a perda que ocorre quando o

concreto submetido cura trmica. Por exemplo, se esperado uma perda de 20%, umconcreto com fckespecificado em 40 MPa, pode ser dosado para fckigual a 50 MPa de forma

que a resistncia final no seja comprometida.

Os concretos auto-adensveis (CAA) representam uma evoluo tecnolgica frente

aos concretos vibrados. Devido ao crescente custo da mo-de-obra, da necessidade de

melhoria das condies de trabalho, da popularizao do uso dos aditivos superplastificantes,

reduzindo o custo deste material, o CAA deve ter seu uso intensificado na indstria do

concreto.Para inibio do lascamento explosivo, usualmente tem sido utilizada a fibra de

polipropileno que tem um ponto de fuso da ordem de 170C, inferior de poliamida que da

ordem de 260C. Como existem poucas pesquisas sobre a adio de poliamida, este material

foi adotado neste estudo.

O uso de fibras de l-de-rocha, que so aparas resultantes da fabricao da l para fins

de revestimento no tem sido explorado nos concretos estruturais. O estudo da aplicao

desse material tem importncia porque, alm do seu potencial para melhoria das propriedadestrmicas do concreto, compatvel com a matriz base de cimento e trata-se de um resduo,

onde o seu aproveitamento atende aos princpios de sustentabilidade.

A maior importncia da pesquisa que o concreto auto-adensvel proposto rene essas

diversas caractersticas de resistncia e durabilidade, com baixo consumo de cimento

Portland, o que indica que atende sustentabilidade da construo e que o seu custo no deve

ser elevado. A ampla caracterizao proposta para o concreto permite maior confiana na sua

aplicao.


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1.3 ORGANIZAO DO TRABALHO

Este trabalho divide-se em oito captulos incluindo esta introduo.

A reviso bibliogrfica dos assuntos pertinentes pesquisa compreende do segundo ao

quinto captulo.

No segundo captulo discutida a influncia da porosidade e do teor da pasta nas

propriedades do concreto endurecido e no consumo de cimento Portland. A porosidade tem

um papel chave no desempenho dos concretos pesquisados e a reduo do teor de pasta

implica em reduo do consumo dos aglomerantes. Quando este consumo reduzido de

acordo com os critrios discutidos neste trabalho tambm implica em ganho de desempenho

do concreto.

O captulo dois inicia introduzindo as teorias necessrias discusso, compreendendo

a teoria da percolao, o clssico modelo de hidratao do cimento proposto por Powers e

Brownyard(12)e o modelo de simulao digital da microestrutura de pastas contendo cimento

Portland, fler e slica ativa, desenvolvido no NIST.

Uma vez revisadas essas teorias, o captulo dois aborda a influncia da porosidade nos

aspectos de durabilidade e nas propriedades mecnicas. Ainda discute como o consumo de

cimento Portland influenciado neste contexto e quais os critrios, em termos da estrutura deporos, composio e volume da pasta, que podem ser adotados para reduzir esse consumo sem

prejuzo do desempenho do concreto.

Definidos os requisitos de porosidade, preciso saber como construir um sistema de

partculas que permita que o concreto seja lanado nas frmas e adensado satisfatoriamente,

sob pena de no se atingir as propriedades requeridas. Nesse sentido, o terceiro captulo

aborda a disperso e o empacotamento de partculas, para explicar a influncia da distribuio

do tamanho das partculas na obteno de concretos com baixa porosidade e trabalhabilidadeadequada. So discutidas ainda algumas tcnicas que facilitam a busca do sistema particulado

requerido a partir dos materiais disponveis.

Apesar do captulo dois discutir a influncia da porosidade no comportamento do

concreto, o que incluiria o lascamento explosivo do concreto, este assunto foi separado para

ser abordado no quarto captulo que revisa algumas propriedades do concreto quando

submetido s altas temperaturas. Se a baixa porosidade, em geral, benfica, um efeito

colateral potencializar o risco do lascamento explosivo. Neste captulo so discutidos os


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fatores intervenientes neste processo de forma a se obter um concreto mais tolerante ao do

fogo, onde o papel das fibras polimricas ressaltado.

Os temas abordados entre os captulos dois e quatro so gerais e vlidos tanto para os

concretos auto-adensveis quanto para os vibrados. Finalizando a reviso bibliogrfica, o

quinto captulo discute exclusivamente os concretos auto-adensveis, onde se detalham

aspectos de produo, propriedades reolgicas, aplicaes, materiais constituintes, ensaios de

controle e metodologias de dosagem.

O sexto captulo corresponde ao programa experimental, constando da rotina de

trabalho adotada, que envolve a caracterizao dos materiais, tcnicas de empacotamento dos

agregados e materiais cimentcios, disperso das partculas, adio das fibras, dosagem ecaracterizao dos concretos, o que culminou na proposta de alguns procedimentos para

dosagem para os CAA com as caractersticas pretendidas.

No stimo captulo so discutidos os resultados, enfocando o desempenho quanto s

propriedades mecnicas e reolgicas, a durabilidade e a sustentabilidade dos concretos

produzidos.

No oitavo e ltimo captulo so apresentadas as concluses e as sugestes para

seguimento da pesquisa.Nos apndices A, B e C so detalhados clculos, dados, ensaios, caracterizao dos

materiais e informaes auxiliares pesquisa. Como complemento ao quarto captulo, o

apndice D faz algumas consideraes sobre as estruturas de concreto armado em situao de

incndio. Embora o desempenho da estrutura sujeita ao fogo dependa fundamentalmente do

concreto estrutural, as solues envolvem providncias mais amplas, como medidas de

preveno e proteo e at mesmo a prpria concepo estrutural. Devido especificidade do

tema, ele foi apartado para o final do texto e a omisso da sua leitura no compromete acompreenso da parte central da dissertao. Com isso no se quebra a seqncia geral do

texto que procura reunir as bases do conhecimento para produzir o concreto auto-adensvel

proposto.


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EESSTTUUDDOODDAAIINNFFLLUUNNCCIIAADDOOTTEEOORREEDDAAPPOORROOSSIIDDAADDEEDDAAPPAASSTTAANNAASSPPRROOPPRRIIEEDDAADDEESSDDOOCCOONNCCRREETTOOEENNDDUURREECCIIDDOOEENNOOCCOONNSSUUMMOODDEECCIIMMEENNTTOOPPOORRTTLLAANNDD

2 ESTUDO DA INFLUNCIA DO TEOR E DA POROSIDADE DA PASTA NASPROPRIEDADES DO CONCRETO ENDURECIDO E NO CONSUMO DE CIMENTOPORTLAND

A distribuio espacial, a dimenso e o volume dos vazios no concreto, ocupados por

ar e gua, caracterizam a porosidade. Esta porosidade, particularmente a capilar e a decorrente

do ar incorporado e aprisionado, tem forte correlao com as propriedades mecnicas dos

concretos e com a dificuldade ao ingresso dos agentes agressivos, onde a baixa porosidade

benfica para estes aspectos.A movimentao da umidade no interior dos elementos estruturais e o

desenvolvimento de foras capilares so influenciados pela porosidade o que tambm

repercute no comportamento do concreto.

Ao aquecer o concreto, como nas situaes de incndio, se o vapor dgua formado

no puder escapar para o exterior, haver aumento da presso interna, tornando-o mais

suscetvel ao lascamento explosivo. Portanto, nesse caso, a baixa porosidade negativa. O

concreto em altas temperaturas ser analisado no quarto captulo.No outro extremo da temperatura, quando a gua dos poros congela e aumenta de

volume, tambm preciso certo teor de vazios para acomodar essa expanso. Este assunto

no ser aqui abordado e maiores informaes sobre o comportamento do concreto em baixas

temperaturas podem ser obtidas na literatura, por exemplo, o trabalho de Lima, S. M.(13),

desenvolvido no LMABC.

Durante o desenvolvimento da hidratao dos aglomerantes, a porosidade reduz-se, o

que aumenta a resistncia e diminui a permeabilidade dos concretos. Neste processo, o

concreto obter mximo desempenho se for curado at um ponto no qual a troca de umidade

da estrutura com o exterior no afete mais o desenvolvimento da hidratao. Este ponto pode

estar associado a uma porosidade crtica que marca a descontinuidade dos poros

No CAD, a cura mida atenua a retrao por auto-dessecamento e retarda a retrao

total. Aps a cura, a retrao ocorre em um estgio onde o concreto j desenvolveu alguma

resistncia trao, o que, em geral, diminui a fissurao.

O volume da pasta no concreto tem relao com as propriedades mecnicas,

estabilidade volumtrica, durabilidade, fluidez no estado fresco e com o consumo dos

aglomerantes.


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Como se v, o entendimento da porosidade e do teor da pasta e seus fatores

intervenientes tm grande interesse tecnolgico e, portanto, este trabalho inicia discutindo esteassunto.

2.1 TEORIA DA PERCOLAO EM MEIOS POROSOS

A teoria da percolao tem sido utilizada para estudar o fluxo em meios porosos,

propagao de incndios em florestas, condutividade eltrica, propagao de epidemias, entre

muitas outras aplicaes.

No caso do concreto interessa saber a porosidade que define a fronteira entre a

continuidade e a descontinuidade do sistema de poros e como se comporta o transporte dos

fluidos nesta regio.

Este limiar da percolao teve o primeiro estudo formal em 1957 por Broadbent e

Hammersley2 apud Kirkpatrick(14) que estudaram o transporte de um fluido em um meio

poroso. Neste estudo foram pesquisados diversos tipos de malhas, onde se demonstrou,

atravs de um modelo matemtico, que, para cada tipo de malha, existe certo valor crtico de

porosidade, a partir do qual no haver o fluxo.

Alguns conceitos e resultados dessa teoria sero mostrados a seguir a partir de

informaes de King et al.(15), entretanto, as terminologias foram aqui alteradas de forma a

adapt-las para a linguagem do concreto.

Para este estudo da percolao, o concreto ou a pasta idealizado como um espao

preenchido por materiais slidos impermeveis e poros.

A teoria da percolao consiste em um modelo matemtico para representar a

conectividade e o transporte em sistemas com geometrias complexas. Apesar da

complexidade dos modelos, os resultados so simples e podem ser expressos a partir algumas

relaes algbricas.

Inicialmente deve-se imaginar uma malha retangular, n linhas e n colunas,

portanto n clulas, inicialmente todas impermeveis, representadas por clulas em branco. A

porosidade, p, pode ser associada ao nmero de clulas preenchidas, sendo a distribuio

aleatria. Clulas hachuradas so consideradas como poros onde se pode estabelecer o fluxo,

2BROADBENT, S.R. e HAMMERSLEY, J.M., 1957, Proc. Camb. Philos, Soc. 53, 629.


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desde que haja conexo entre eles. Poros conectados so chamados de aglomerao, duas

clulas esto conectadas quando elas tm ao menos uma face em comum. Para p=0 no h

qualquer poro, p=1 representa a situao oposta.

Assume-se que n.

Suponha-se agora que as clulas impermeveis da malha sero substitudas, de forma

aleatria, por vazios (clulas hachuradas), de forma que uma porosidade p seja estabelecida.

A Figura 3 mostra distribuies espaciais dos poros para diversos valores de p.

Nesta figura, as cores servem para diferenciar uma aglomerao, que um conjunto de poros

interligados. Os pontos em branco correspondem aos slidos, considerados impermeveis.

Quando um aglomerado, regio com uma mesma cor, atravessa de uma borda outraoposta da malha, fica caracterizada a percolao. A porosidade que define a fronteira entre a

descontinuidade e a continuidade dos poros seria a porosidade crtica, pc, onde apareceria o

primeiro aglomerado capaz de percolar o espao, chamado de aglomerado de percolao. Esse

ponto chamado de limiar de percolao. Visualmente se percebe que para maiores valores

de p mais fcil se estabelece o fluxo e que tambm h uma tendncia dos aglomerados se

unirem em um nico e grande aglomerado quando p cresce.

Figura 3 Formao de aglomerados de poros para diversas porosidades. Adaptado de King et al.(15).

Essa porosidade crtica, pc, est associada ao tipo de malha e dimenso. No caso da

malha retangular bidimensional, com n, esse valor de 0,593, para malha de tringulos de 0,5 e a de hexgonos, 0,692. Se o problema for levado ao espao 3D e considerando as

clulas como cubos, o valor de pc igual a 0,312. Todos esses valores indicados so

resultados de modelos matemticos resolvidos analiticamente ou por mtodos numricos.

Scher e Zallen3 apud Bentz e Garboczi (16) estudaram vrios problemas prticos de

percolao, onde a estrutura da malha era construda de forma aleatria por partculas que no

3SCHER, H. and ZALLEN, R., 1970, J. Chem. Phys. 53, 3759.


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se sobrepem, e encontraram o mesmo valor de pc, 0,45 em 2D e 0,16 em 3D. Esses valores

foram posteriormente confirmados em experimentos reais.At o momento foi dito que para p=1 todos os poros esto conectados e que para p 0,70 Impossvel --- ---

Estudo de Mehta e Manmohan8 apud Mehta e Monteiro(19 p. 28;35) demonstra que adistribuio do tamanho dos poros difere para pastas de cimento Portland com relao a/c

diferentes, parte a da Figura 18. Entretanto, quando vista apenas a distribuio dos poros

menores do que 1.320 para pastas com relao a/c no intervalo entre 0,60 e 0,90, a

distribuio a mesma, parte b da Figura 18.

Figura 18 Distribuio do tamanho dos poros em pastas de cimento hidratado com diferentes relaes

a/c. Adaptado de Mehta e Manmohan apud Mehta e Monteiro

(19 p. 28;35)

.Esta observao importante porque est de acordo com o modelo de Powers e

Brownyard(12)que assume que a composio das fases hidratadas a mesma, independente da

relao a/c. O que vai diferenciar a estrutura das pastas o volume dos produtos hidratados e

dos poros capilares. Na verdade h uma mudana na morfologia dos produtos hidratados

quando a relao a/c ou a porosidade total se reduz, mas isso ser tratado mais adiante. O que

8MEHTA, P.K. e MANMOHAN, D., Proc. 7thInt. Congress on Chemistry of Cement, Paris, 1980.


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interessa no momento que a permeabilidade governada pelos poros capilares ou maiores e

pela conexo entre eles, pois estes poros que marcadamente diferenciam as pastas.Neville (21 p. 484)expressa o escoamento laminar atravs dos poros capilares pela lei de

Darcy, equao 9.

O fluxo do fluido no concreto pode ser associado ao escoamento em mltiplos tubos

ou canais, Figura 19.

Figura 19 - Fluxo em um meio poroso. Adaptado de Kanaoka(26 p. 318).

O raio hidrulico pode ser expresso em funo da porosidade, Rh, Kanaoka(26 p. 318),

equao 10.

A soma dos volumes dos tubos representa a porosidade, p, e a rea molhada de todos

os tubos representa a superfcie que delimita todos os vazios.


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Segundo Kanaoka(26 p. 318)essa superfcie especfica est relacionada com a superfcie

especfica das partculas, S, de forma que o raio hidrulico pode ser representado apenas em

funo desses parmetros, equao 11.

Como A = x Rh2, a lei de Darcy pode ser reescrita pela equao 12:

Entretanto, o fluxo atravs dos poros no direto, como visto na Figura 19, h uma

mudana de direo do fluxo em cada encontro com uma partcula slida.

Seja um caminho L e o efetivo devido tortuosidade, Le=L+L. Carman9

apudKanaoka(26 p. 319) estabeleceu uma relao, entre o escoamento no meio poroso nessas duas

situaes, conforme equaes 13 e 14.

A relao Le/L chamada de tortuosidade e seu valor depende da forma da partcula e

da densidade de empacotamento, mas em muitos casos o valor de (Le/L)2 proporcional a 5,

que a chamada constante de Kozoney segundo Kanaoka(26 p. 319).

Expressando as constantes em um nico coeficiente, k, a equao do escoamento em

poros capilares resulta na equao 15.

Powers e Brownyard(12 p. 867) observaram que a formulao de Darcy com o conceito de

tortuosidade de Carman-Kozoney indicava valores de permeabilidade maiores do que o

esperado e citam que Carman ao estudar a permeabilidade de argilas, para obtercorrespondncia com os resultados experimentais, assumiu que parte do espao entre as

partculas no eram efetivos para conduzir a gua. Consideraram ento que a permeabilidade

da pasta de cimento Portland tinha que ser expressa em funo de uma porosidade efetiva,

dependente da gua no evaporvel e da rea superficial dos slidos, entretanto afirmaram

que no tinham confirmao experimental dessa hiptese.

9Carman, P. C., Trans. Inst. Chem. Eng., 15, 150156, 1937


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Realmente, esta formulao a partir da lei de Darcy com as consideraes de Carman-

Kozoney assume que todos os poros esto interligados, o que no verdade de acordo com ateoria da percolao, onde quanto menor a porosidade, menor a frao dos poros conectados.

Foi visto na teoria da percolao que a frao de poros conectados depende do limite

de percolao e da dimenso da malha. Resultados similares foram obtidos por Bentz e

Garboczi, conforme curva indicada na Figura 16. Esta curva pode ser expressa atravs da

equao 16 que indica a frao de poros conect

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