CONCRETORetração e propriedades do

concreto endurecido

PCC 32222019

Objetivos da aula

• Entender o fenômeno da fluência e o processo deretração do concreto e os riscos de fissuração a elaassociados

→ Conhecer os parâmetros influenciam a retração e afluência do concreto

• Ter domínio do conceito de resistência e módulo deelasticidade do concreto

→ Conhecer os parâmetros que influenciam essaspropriedades

Por que as fissuras ocorrem?

Tensão acima da resistência do material

• Carregamento externo

• Recalques de fundação

• Reações expansivas • Alcali-agregado

• Corrosão de armaduras

• Retração restringida• secagem, carbonatação, resfriamento

• Gradientes

• Estruturas contiguas

• Gradientes térmicos (calor de hidratação)

Fissuras & & suas causas

Uma das principais causas de fissuras é a retração restringida

σ = E(ΔL/L0) = Eε ΔL

L0

Retração livre: gera apenas redução de volume

Retração restringida: gera tensões

σ = E(ΔL/L0) = Eε

Toda estrutura é restringida pelo contato com o solo.

Res

triç

ão e

xter

na

Retração restringida & tensões

• Gradientes de umidade• Para que a retração por secagem produza fissuras deve haver restrição

à deformação.

Restrição interna

Tipos de retração

Retração

Estado fresco

Estado endurecido

Assentamento plástico

Retração plástica

Retração autógena

Retração por secagem

Retração por carbonatação

Retração por origem térmica

Transição do concreto estado fresco → endurecido

• Sedimentação das partículas (movimentação da água)→ Água concentra-se na camada superficial (>> a/c local)→ Evaporação na superfície

• Redução no volume do concreto (retração química) → Vol. cimento hidratado = Vol. Cimento + 0,75 água combinada

• O concreto aquece e se resfria

• Concreto torna-se rígido (3h-7h), mas ainda pouco resistente

• Concreto torna-se poroso no estado endurecido e retrai durante a secagem

• Há riscos de fissuras!

Retração por assentamento plástico do concreto

• Partículas começam asedimentar deslocando aágua e o ar aprisionado.

• Diminuição de volumepor redução de altura depeça.

• Se houver restrições,pode ocorrer fissuras.

Fonte: Illston (2010)

Taxa de evaporação da água > Taxa de exsudação da água

Retração plástica

Retração plástica: solução é a cura

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Solução é a cura do concreto

advancedcivilengineering.blogspot.com www.structuremag.org

Processos de cura

MOLHAGEM CONSTANTE

Processos de cura

CURA COM MANTA GEOTÊXTIL

Processos de cura

CURA COM SACOS ÚMIDOS

Processos de cura

CURA QUÍMICA/PELÍCULA

Até quando curar?

NBR 14931: Execução de estruturas de concreto –Procedimento (2004)

→ Realizar cura até atingir fck ≥ 15 MPa

American Concrete Institute (ACI) Committee 301 recommendsa minimum curing period corresponding to concrete attaining70% of the specified compressive strength.

GANHO DE RESISTÊNCIA - NBR 6118/2014

IDADE (dias) CP III E IV CP II CPV - ARI

1 0,16 0,20 0,22

3 0,47 0,60 0,66

7 0,68 0,78 0,82

28 1,00 1,00 1,00

Por que devemos curar o concreto até endurecer?

Tensão capilar

• Quanto menor o poro, maior a tensão capilar e a retração

• A perda de água adsorvida (nos menores poros) é a principalresponsável pela retração por secagem do concreto endurecido

• Umidade relativa, vento, temperatura e radiação controlam a evaporação.

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Fissuração

Retardando a secagem, diminui volume de poros capilares (responsáveis pela retração) e em consequência aumenta a resistencia.

Tensão da retração por secagem

σ

tempo

fissura

Resistência à tração do concreto

σ

tempo

Sem fissura

Retração (reversível e irreversível)

00

200

400

600

800

1000

10 20 30 40 50 60 70 80

Secagem Molhagem

Def

orm

ação

neg

ativ

a(x

10

-6)

Tempo (dias)

Retração reversível

Ret

raçã

oto

tal

Retração irreversível

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Quais parâmetros controlam a evaporação de água no concreto?

Evaporação da água

• Temperatura do ar

• Umidade relativa

• Temperatura do concreto

• Velocidade do vento

• Uso de ábacos

• Qual a quantidade

de água que evapora

em uma laje de

concreto (1 m x 1 m),

com espessura de 5

cm, em 1 dia?

Exercício

Resolução

Temperatura ambiente = 20°C

UR = 80%

Volume/área do concreto = 0,05 m³ / 1 m² = 0,05 m

TCONCRETO = 20°C + 5°C = 25°C

Velocidade do vento = 16 km/h

Taxa de evaporação = 0,8 kg.m-².h-1

Período = 24 h

Quantidade de água = 0,8 x 24 = 19,2 kg/m²

Como combater o risco de fissuração devido à retração por secagem? Justifique.

Resposta

• Cura “prolongada”

• Aumentar a resistência à tração do concreto nasprimeiras idades

→ Concretos mais resistentes

→ Fibras

• Reduzir a deformação do concreto

• Aumentar o volume de agregados, que são maisrígidos que a pasta de cimento

Gradientes térmicos

“Retração” térmica

• O cimento gera calor durante sua hidratação

• O concreto é mau condutor e conserva o seu interior aquecido

• A parte externa perde calor para o ambiente

Lançamento do concreto

Aquecimentodo concreto

pelas reações de hidratação

Resfriamentodo concreto das

bordas para o centro (baixa

condutividade)

Retração da superfície com

restrição da parte interna gerando

fissuração

O problema não é a temperatura máxima, mas o gradiente em relação à temperatura de equilíbrio.

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

= a . DT . E

Ccimento= 223 kg/m³

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Estimativa da elevação de temperatura do concreto

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Estimativa da elevação de temperatura do concreto

Exercício

Faça uma verificação simplificada do risco defissuração de um bloco de concreto com as seguintescondições:

• Temperatura de lançamento: 32oC

• Elevação da temperatura: 26oC

• Módulo de elasticidade do concreto: E = 19.000 MPa.m/m

• Coef. de dilatação térmica do concreto: a = 10-5 m/moC

• Resistência à tração do concreto: fct = 4 MPa

Exercício simplificado: resolução

• Cálculo da deformação específica:e = a . DT

e = 10-5.(26°C) e = 0,00026

• Cálculo da tensão devido ao aumento da temperatura: = e . E

= 0,00026 . 19000 = 4,94 MPa > fct = 4 MPa

Logo, risco significativo de fissura

• Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?

•Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?

Fonte: Maria João Henriques. Relatório 425/2013. LEVANTAMENTO TÉRMICO DE PARAMENTOS DE BARRAGENS DE BETÃO PARA APOIO AO ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DE PATOLOGIAS

Quais estratégias podem ser adotadas

para controlar a gradientes térmicos

do concreto?

Estratégias

• Reduzir o consumo de cimento na dosagem

• Cimento com < taxa de liberação de calor (adições)

• Concretagem em etapas (“juntas frias”)

• Reduzir a temperatura dosmatérias primas

→ Gelo moído substituindo a água

→ Refrigerar concreto com nitrogênio líquido

→ Refrigerar agregados

• Instalar bombas com sistemas trocadores de calor na estrutura

http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/190/artigo286974-2.aspx

Fluência

O concreto endurecido continuase deformando com o tempo

http://www.panoramio.com/photo/9236090

http://www.panoramio.com/photo/9236090

Deformação lenta ou fluência do concreto

• Ocorrem em peças submetidas a cargas de longa duração

• Causas:→ Devido à movimentação de água pelos poros do

concreto

→ Devido à acomodação dos cristais na pasta de cimento hidratada

• Tendem a se estabilizar com o tempo (esforços majoritários de compressão)

Deformação por fluência também é parcialmente reversível

e

200

600

400

800

1000

0 4020 60 80 100 120

Tempo após o carregamento (dias)

Fluência irreverssívelConcreto

descarregadoDeformaçãoelástica

Deformaçãopor fluência

Recuperação elástica

Recuperação da fluência

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

Quais estratégias devem ser adotadas para controlar a fluência do concreto? Justifique.

Diminuindo a deformação por fluência

• Reduzir o volume de pasta e a quantidade de água ou aumentar o volume relativo de agregado;

• Usar agregados de maior módulo de elasticidade.

Fonte: Mehta & Monteiro (2008)

a)1( gC

C

P

C −=

Onde:

→ CC: fluência do concreto

→ CP: fluência da pasta de cimento

→ g: teor de agregados

→ a: constante

Deformação por fluência

• Considerar adequadamente as condições ambientais locais.

Atividade: Indique como a geometria da estrutura e a taxa de armadura podem influenciar a deformação por fluência.

Propriedades mecânicas do concreto endurecido

Comportamento mecânico

• É a resposta obtida do concreto quando submetida a esforços

mecânicos (diagrama tensão x deformação).

• Depende dos tipos de esforços

mecânicos:a) Traçãob) Compressãoc) Flexãod) Torçãoe) Flambagemf) Cisalhamento

• O concreto trabalha bem à

compressão e este tipo de esforço

é priorizado para a concepção

estrutural

Deformação específica

Ten

são

aatgE =

Δε

Δσ

Módulo de elasticidade

0

)/(L

Lmmmm

D=e

Aresistente

F

ΔL

L0

e

D

D=E

Medida da curvaTensão x deformação

extensômetros fixos no concreto

σ

ε

Comportamento não linear

extensômetros fixos nos pratos da prensa

cria erro de acomodação

Módulo de elasticidade ou módulo de deformação do concreto

Relógio comparador Clip gage

Metrologia é difícil e depende muito do equipamento.Exige medir deformações com precisão de 1/1000mm

Deformações do concreto e seus constituintes

O concreto apresenta comportamentoelástico linear?

Processo de propagação das fissuras

Determinação do módulo é uma convenção

E = (2 - 1)(e2 - e1)

Deformação específica = DL/L0

Ten

são

(M

Pa)

2 = 0,3.fc

1 = 0,5MPa

e1 e2

2 = 0,3 fc para Etang

2 = 0,4 fc para Esec

Ciclos de carregamento previstos pela norma brasileira (ABNT NBR 8522:2008)

Previsão do módulo de elasticidade segundo a norma ABNT NBR 6118:2014

Exercício

• Um corpo-de-prova de 10 cm de diâmetro e 20 cmde altura, foi destinado à determinação do módulode elasticidade. Carregaram o corpo de prova até40% da carga máxima anterior (500.000 N) emediram uma deformação de 0,07 mm com umextensômetro com base inicial de medida de100mm. Estime o módulo de elasticidade desseconcreto (GPa).

Área = .102 = 78,54 cm2 = 7854 mm2

4

Carga = 0,40x500.000 N = 200.000 N

Tensão = 200.000 N ÷ 7854 mm2 = 25,4 MPa

Deformação específica = 0,07 ÷ 100 = 0,0007 mm/mm

Módulo de elasticidade = 25,4÷ 0,0007 = 36.268 MPaMódulo de elasticidade = 36,3 GPa

Resolução

Pontos importantes

• Quanto maior o módulo de elasticidade, maior é arigidez do concreto

• Menor é a deformação de uma estrutura para umadada geometria

• Menor é a deformação por retração

• Maiores são as tensões para o mesmo nível dedeformação imposta

• Menor é a deformação lenta

Comportamento estrutural

• Fundamental: parametrização do comportamentodo material para prever comportamento estrutural

• Combinação de esforços

• Combinação de comportamentos (concreto e aço)

• Modelos de dimensionamento devem garantirsegurança do conjunto

Comportamento mecânico do concreto e a segurança da estrutura

• Em um pilar a resistência do concreto define a capacidade resistente do elemento estrutural.

→ Esforço principal de compressão.

• Em uma viga ou laje o vergalhão de aço tem papel mais relevante para segurança da estrutura.

→ Esforço de tração resistido pelo aço.

• Num pavimento de concreto simples a resistência à tração do concreto é o parâmetro mais importante.

• Segue ensaios padrão

• Parametriza o material e se utiliza em conjunto com modelos de dimensionamento validados:

Determinação da resistência

Medida da resistência à compressão do concreto no Brasil

• Moldagem e cura segundo

NBR5738

• Ensaio segundo NBR5739

• Corpos-de-prova cilíndricos:

• Dimensões F15cm x 30cm

ou F10 x 20 cm;

→ Proporção h/d = 2

• Adensamento padrão

manual ou mecânico;

• Desforma com 24 h;

• Cura → câmara úmida

▪ Temperatura e HR controlada

→ Imersão;

• Acabamento superficial

• Ruptura → velocidade controlada

As faces paralelas no carregamento são garantidas pelo capeamento ou polimento das superfícies

Resistência à compressão e o corpo de prova

Corpo de prova padrão Mercosul/Europeu

http://buildingresearch.com.np/services/mt/mt1.php

Corpo de prova padrão Brasil

Correlações

cilindrocubo fcfc 2,1

Por que?

Relação altura/diâmetro do corpo de prova

Altura/Diâmetro (mm/mm)2

Incremento de Resistência(MPa/MPa)

1

0,5

2

Variação da velocidade de carregamento

OZBOLT,RAH, MESTROVI. Influence of loading rate on concrete cone failure. International Journal of Fracture (2006) 139:239–252

Baixa velocidade de carregamento

Dinâmica do efeito Rüsch(fadiga estática ou ruptura por carga mantida)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Rel

ação

res

istê

nci

a im

edia

ta/r

esis

tên

cia

de

carg

a d

e lo

nga

du

raçã

o

Tempo

Variabilidade da resistência do concreto

• Há uma variabilidade naturalmente esperada para a resistência do concreto

• Vários fatores interferem:

→Variação da relação a/c (Exemplo: erros de pesagem)

→Defeitos (Exemplo: falhas de compactação)

→Variabilidade das matérias primas

• Deve-se controlar o nível de variação para garantir a segurança da estrutura (a corrente rompe no elo mais fraco).

htt

p:/

/ww

w.a

lto

qi.c

om

.br/

gale

ria-

de-

pro

jeto

s/ga

leri

a/ed

ific

io-m

ult

ifam

iliar

-2/

Resistência Característica do Concreto

Camacho (2006) - UNESP

• fcm = resistência média à compressão (dosagem)

• fck= resistência característica à compressão

• sd = desvio-padrão da produção (dosagem)

• Importantíssimo: amostragem deve ser confiável para o controle (aula de controle de qualidade)

Resistência é parâmetro estatístico

Resistência x desvio de produção do concreto

Origem primordial da dispersão dos valores de resistência:

• Alterações:

→Nos materiais constituintes

→No proporcionamento:

▪ Consumo de cimento

▪ Relação água/cimento

fck fcm1 fcm2

sd sd

sd sd

Qual é o principal parâmetro tecnológico que define a resistência do concreto?

Controle da resistência do concreto

Para agregados convencionais, a relação água/cimento (em massa) e a idade definem a porosidade e a resistência do concreto.

Considerações de projeto• Trabalha-se com fck

• Considera-se para o projeto fcd = fck÷ gc

• gc: coef. de segurança minorador de resistência → gc = 1,4

• Minora-se a capacidade resistente utilizando 0,85.fcd

• 0,85 = α1. α2 .α3

→ α1: ganho de resistência após 28 dias (~1,2)

→ α2: relacionado ao efeito Rüsch (~0,8)

→ α3: relacionada ao fator de correção geométrica (~0,9)

O controle da resistência do concreto é intrinsecamente ligado à garantia da segurança da estrutura.

Por que materiais frágeis resistem menos à tração do que à compressão?

Concentração de tensões

• A ocorrência de singularidades ou falhas internas ou externas irão impor uma concentração de tensões

• Isto ocorre principalmente para tensões de tração

m = 0[1+2(a/e)½]

• m = tensão na extremidade da fissura

• 0 = tensão de tração aplicada no material

• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial

• e = raio de curvatura da extremidade da fissura

• Quando a >>>> e tem-se nova situação:

m = 20(a/e)½

• m = tensão na extremidade da fissura

• 0 = tensão de tração aplicada no material

• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial

• e = raio de curvatura da extremidade da fissura

• Ke = m/0 = 2(a/e)½

• Ke = fator de concentração de tensões

a2a

m

0

Concentração de tensões

O que acontece com o concreto?

Resistência à tração do concreto

• A resistência à tração é bem inferior à resistência àcompressão do concreto

• Aproximadamente 10%

• A relação depende do método de determinação daresistência à tração

• No dimensionamento de estruturas de concretoarmado despreza-se a resistência à tração do concreto

• Estruturas de concreto simples (pavimentos, porexemplo) considera-se e controla-se a resistência àtração (fctk)

Resistência à tração na flexão 4 pontos

Momentos

Cortante

2be

PL

W

MMOR ==

M = Momento no vão centralW = momento de inérciaP = cargaL = vãob = largura da vigae = altura de viga

Resistência à tração (compressão diametral)

petcivilufjf.wordpress.com

Finalizando:• Quanto menor o volume de pasta:

→ Menor é o calor de hidratação liberado

→ Menor é a retração

→ Menor é a deformação lenta

→ Menor é o volume de material susceptível à entrada

de agentes agressivos

→ Menor é o custo

→ Menor é o impacto ambiental

• Melhor o concreto garantidas as exigências de

trabalhabilidade e comportamento mecânico.

Leitura recomendada

• Capítulo 3 – Resistência em Mehta; Monteiro.IBRACON. P.49-84

• Capítulo 4 – Estabilidade dimensional em Mehta;Monteiro. IBRACON. P.85-120