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ANAIS DO 56º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2014 – 56CBC 1

Caracterização termo física mecânica de pavimento confeccionado com concreto permeável destinado à pavimentação urbana

Thermophysical mechanical characterization of pervious concrete for urban paving

Renata Alves Fernandes da Silva (1); Ivan Julio Apolonio Callejas (2); Albéria Cavalcanti Albuquerque (3); Angela Santana de Oliveira (4)

(1) Discente do Departamento de Arquitetura e Urbanismo, UFMT. E-mail: [email protected] (2) Professor Dr. do Departamento de Arquitetura e Urbanismo, UFMT. E-mail:[email protected] (3) Professora Dra do Departamento de Construção Civil, IFMT. E-mail: [email protected]

(4) Professora Dra do Departamento de Construção Civil, IFMT. E-mail: [email protected]

Resumo O uso de pavimento permeável de concreto tem-se difundido nos últimos anos com a finalidade de elevação da permeabilidade do solo, visando à redução do escoamento superficial e dos picos de chuva. Além das propriedades físicas e mecânicas, o seu desempenho térmico frente às condições ambientais é importante, quando se pretende melhorar as condições térmicas do ambiente. Nota-se que várias pesquisas têm sido desenvolvidas com este pavimento com intuito de caracteriza-lo sob os aspectos físico-mecânico. Entretanto, são escassos os estudos que se propõem avaliar as suas propriedades térmicas (transmitância e condutividade térmica). Neste sentido, este trabalho teve por objetivo avaliar as propriedades físicas e mecânicas do concreto denominado de permeável, bem como sua condutividade e transmitância térmica. Para tanto, foram confeccionados corpos-de-prova com traço 1:4,12 (a/c = 0,38), sem presença de finos para os ensaios de caracterização físico-mecânico e corpos-de-prova com dimensões 40x40x7cm para ensaio em câmara térmica de acordo com procedimentos normativos da ISO 9869 (1998). A resistência média a compressão atingida aos 28 dias foi de 11,50 MPa e a permeabilidade de 1,02 x 10

-2 cm/s. A

transmitância e condutividade térmica ficaram compreendidas nos intervalos de 3,49 ≤ UT ≤ 4,01 W/(m2 K) e

0,60 ≤ ≤ 0,88 W/(m K), respectivamente. Os resultados indicam a necessidade de aperfeiçoar o traço com intuído de melhorar do desempenho estrutural. Com relação da permeabilidade e condutividade térmica, os resultados foram satisfatórios, pois notou-se que o pavimento apresenta boa percolação a água e conduz

menos energia do que o concreto convencional, proporcionando menor estoque de energia no meio urbano. Palavra-Chave: concreto poroso, desempenho térmico, condutividade térmica, transmitância térmica.

Abstract

The use of pervious concrete pavement has spread in recent years for the purpose of raising the soil permeability in order to reduce rain peaks and runoff. Besides the physical and mechanical properties, it is important to characterize thermal performance of these concrete, especially when aim to improve environmental thermal conditions. It is observed that several studies have been developed in order to characterize physical -mechanical of pervious concrete properties. However, there are few studies that assess their thermal properties such as thermal conductivity and transmittance. Thus, this study aimed to evaluate the physical and mechanical properties of pervious concrete pavement and its conductivity and thermal transmittance. To do that, it was molded species with 1:4.12 trace (a /c = 0.38) without the presence of fine material for testing physical-mechanical characterization as well as specimens with dimensions 40x40x7cm for thermal characterization according to ISO 9869 (1998) procedures. The average compressive strength after 28 days was 11.50 MPa and permeability of 1.02 x 10

-2 cm/s. The transmittance

and thermal conductivity were in the ranges of 3.49 ≤ UT ≤ 4.01 W /(m2 K) and 0.60 ≤ ≤ 0.88 W /(m K),

respectively. The results indicate that it is necessary to improve structural performance. Regarding to permeability and thermal conductivity, the results were satisfactory since it was noted that the pavement has good water percolation and presented lower thermal conductivity than conventional concrete which provides lower energy stock in urban areas. Keywords: porous concrete, thermal performance, thermal conductivity, thermal transmittance.


1 Introdução

O concreto permeável de cimento Portland, também denominado de poroso, vem sendo cada vez mais utilizado em vias de tráfego leve, áreas urbanas e até mesmo estacionamento, pelo fato deste material apresentar desempenho físico e mecânico satisfatório, mas também por apresentar condições de resistência a derrapagem, por permitir a percolação da água em seu interior, evitando a hidroplanagem pelo fato do mesmo não acumular água sobre a sua superfície. Para que o concreto permeável possa ser classificado como tal, segundo Marchioni e Silva (2011), este deve possuir um alto índice de vazios interligados, com pouca ou nenhuma porção de areia na sua composição, permitindo a percolação de grande quantidade de águas pluviais. Quando o concreto é dimensionado adequadamente, o seu grau de permeabilidade é suficiente para permitir a passagem de todo o fluxo precipitado na maioria dos eventos de chuva, praticamente anulando o escoamento superficial. A alta permeabilidade é uma das principais razões porque esse concreto vem sendo investigado e produzido atualmente. Segundo Holtz (2011), quando o concreto poroso/ permeável é utilizado em pavimentação externa, a água da chuva pode infiltrar diretamente no solo, diminuindo a vazão que segue para o sistema de drenagem urbano. Além disso, a sua adoção também contribui para a manutenção dos aquíferos subterrâneos e à redução da velocidade e da quantidade do escoamento superficial dessas águas. Outra razão é porque estes materiais podem ser considerados como frescos, visto que as temperaturas que se desenvolvem em sua superfície não menores que as observadas nos pavimentos de concreto convencional e pavimentos asfálticos (GARTLAND, 2008). Para que o pavimento permeável possa ser caracterizado como um pavimento fresco, este deve apresentar elevada refletância à radiação solar (albedo) em conjunto com alta emissividade e baixa condutividade térmica. Com estas características, estudos tem demonstrado que este tipo de pavimento minimiza os efeitos de ilhas de calor nos centros urbanos devido a menor temperatura superficial e menor taxa de armazenamento de energia, principalmente quando este é utilizado em substituição à pavimentação asfáltica convencional. Isso ocorre, porque usualmente estes materiais apresentam elevado índice de reflexão, elevada quantidade de espaços vazios e baixa densidade, o que reduz a sua condutividade e efusividade térmica, favorecendo a menor absorção de calor e ao desenvolvimento de temperaturas superficiais menos elevadas. Estas propriedades fazem com que o pavimento permeável se resfrie mais rapidamente do que os pavimentos de asfalto/ concreto convencional, melhorando as condições de conforto térmico dos pedestres.

Alguns estudos têm sido desenvolvidos com o objetivo de caracterizar o comportamento destes pavimentos. Entre os trabalhos, pode-se citar o de Merighi, Fortes e Bandeira (2007), o de Sales (2008) e mais recente os de Holtz (2011), Batezini (2012) e Linhares et al. (2013), que tem focado os estudos na determinação da permeabilidade e a resistência à compressão de corpos de prova moldados com concreto permeáveis. No campo térmico, pode-se citar o trabalho de Paula (2013) que através de simulação computacional substituiu o pavimento asfáltico pelo pavimento permeável/poroso em região de área de estacionamento. Os resultados indicaram que a substituição do pavimento asfáltico pelo pavimento permeável resultou em diminuição de 4ºC na


temperatura superficial, 0,56ºC de redução de temperatura do ar e elevação de 2,36% na umidade do ar. Violante (2013), em estudo comparativo de desempenho térmico entre revestimentos convencional e poroso, verificou que o albedo no revestimento poroso foi de 15% enquanto que no convencional, de 22%. A temperatura superficial no revestimento poroso foi 1,64ºC superior ao convencional, enquanto a temperatura radiante foi 1,27ºC menor. O comportamento foi associado à cor de produção dos pavimentos porosos que eram da cor cinza escuro, enquanto os convencionais, cinza claro. Apesar do menor albedo e maior temperatura superficial, devido as suas propriedades térmicas, o fluxo de calor armazenado no revestimento poroso foi 14,34W/m² inferior ao revestimento convencional. O autor recomenda que o albedo destes pavimentos seja aumentado a partir da fabricação com cimentos claros, ou que seja adicionado corante com intuito de clareá-lo.

Diante das escassas pesquisas sobre o tema no campo desempenho térmico, o objetivo geral desse trabalho foi inicialmente desenvolver e caracterizar um traço de concreto permeável físico e mecanicamente adequado para uso em pavimentação. Posteriormente, foram realizados ensaios com intuito de avaliar o seu desempenho térmico. Como objetivos específicos estão: a constituição de um traço ideal de concreto permeável, levando em consideração questões de resistência, permeabilidade e condutividade térmica, através de realização de ensaios de caracterização do agregado e do material aglomerante, bem como ensaios de resistência mecânica, massa específica, absorção de água, índice de vazios e permeabilidade do concreto endurecido, e por fim análise térmica de placas de concreto.

2 Materiais e Métodos

Ainda não existem normas brasileiras para orientar a confecção ou o controle do concreto permeável, portanto este presente trabalho apresenta um caráter exploratório, tomando como base algumas poucas referências de traços disponíveis na literatura nacional e internacional. Utilizou-se como referência para definição do traço inicial o trabalho de Merighi, Fortes e Bandeira (2007). A partir de alguns ensaios preliminares, chegou-se a configuração de um traço ideal para o concreto permeável, com a inclusão de aditivo e microsílica, em função dos resultados em relação à resistência, permeabilidade e a condutividade térmica do material.

2.1 Agregado e aglomerante

Para confecção dos traços, utilizou-se o Cimento Portland CPIIF32 por ele apresentar coloração mais clara, seguindo a recomendação de Violante (2013) para produção de pavimentos mais claros com vistas a provocar maior reflexão da radiação solar incidente, diminuindo desta forma a energia absorvida e transmitida (Figura 1). Para a caracterização do cimento, realizou-se o ensaio de determinação da massa específica segundo a NBR NM 23 (ABNT, 2001).


.....Cimento Portland CPIIF32 Brita 0 de rocha calcária

Figura 1 – Aspecto do cimento e do agregado utilizados

Os agregados utilizados para o estudo e caracterização na pesquisa foram agregados calcários, oriundos do Distrito de Nossa Senhora da Guia, localizado próximo a capital de Mato Grosso, Cuiabá. Para sua caracterização foram realizados ensaios para determinação da composição granulométrica e determinação da massa específica, massa específica aparente e absorção de água, segundo as normas NBR NM 248 (ABNT, 2001) e NBR NM 53 (ABNT, 2009), respectivamente.

2.2 Concreto Permeável

Para a composição do traço, tomou-se como referencia valores da literatura internacional e trabalhos de Merighi, Fortes e Bandeira (2007). De acordo com National Concrete Pavement Technology Center (NCPTC, 2006), a composição básica desse tipo de mistura tem sido na razão de: consumo de cimento de 180 a 360 kg/m3; brita variando de 1400 a 1600 kg/m3, lembrando que esse tipo de concreto não tem agregado miúdo. A relação água/cimento é recomendada pelo ACI 522R-06 (ACI, 2006) que esteja na faixa de 0,26 a 0,45. Esses valores conduzem a uma massa específica da ordem de 1600 a 2000 kg/m3. O NCPTC (2006) preconiza que a resistência a compressão simples esteja na ordem de 17 MPa enquanto a resistência a tração por flexão na faixa dos 3 a 4 MPa.

A relação água cimento (a/c) de um concreto é importante para o desenvolvimento da resistência à compressão e do seu índice de vazios, porém a relação a/c de um concreto permeável não é tão bem definida quanto no caso de concretos convencionais. Segundo o ACI 522R-06 uma relação a/c elevada pode resultar em uma pasta muito fluida que acaba preenchendo os vazios do concreto permeável. Por sua vez, uma relação a/c muito baixa pode resultar em pouca adesão entre as partículas.

Diante destas informações, o concreto permeável foi dosado a partir dos estudos realizados por Merighi, Fortes e Bandeira (2007). O traço utilizado foi o de 1:4,12 em peso com fator água cimento (a/c) de 0,38. Para garantir uma melhor trabalhabilidade do concreto foi utilizado aditivo plastificante e retardador Sikament PF171, devido à baixa reação água cimento. Também foi adicionado Microsílica na mistura na proporção de 10% em substituição ao volume do cimento.

Na caracterização do concreto fresco, realizou-se o ensaio de abatimento conforme NBR NM 67 (ABNT, 1998). Com o concreto endurecido foram realizados os ensaios de compressão axial e diametral de corpos-de-prova cilíndricos e determinação da absorção de água por imersão, índice de vazios e massa específica, em conformidade com as normas técnicas NBR 5739 (ABNT, 2007), NBR 7222 (ABNT, 2011) e NBR 9778 (ABNT, 2009), respectivamente.


Foram moldados corpos de prova cilíndricos de 100 x 200 mm, para ensaios de resistência à compressão aos 7 e 28 dias (Figura 2) e corpos de prova cilíndricos de 150 x 180 mm para ensaio de permeabilidade aos 28 dias. Moldou-se também duas placa de 40,5 x 40,5 x 7 cm para execução do ensaio de determinação da transmitância e condutividade térmica, conforme apresentado na Figura 3.

Figura 2 - Corpos de prova cilíndricos de 100 x 200 mm aos 7 dias

Figura 3 - Placas de concreto moldadas para ensaio térmico

Para a verificação das propriedades do concreto endurecido, os corpos de prova permaneceram em câmara úmida, com controle de temperatura e da umidade relativa do ar até a realização dos ensaios de ruptura, permeabilidade, transmitância/ condutividade térmica.

2.3 Permeabilidade do concreto endurecido

O concreto permeável tem a características de apresentar vazios interligados, o que garante a permeabilidade das águas pluviais. Como não há um ensaio específico preconizado pela ABNT para avaliação do coeficiente de permeabilidade para concreto permeável, realizou-se a adaptação do método de ensaio aplicado a solos: NBR 13292:1995: Solo - Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos granulares à carga constante - Método de ensaio (ABNT, 1995).

Inicialmente, confeccionou-se corpos de prova cilíndricos com dimensões de 150 x 180 mm para que pudessem adaptar-se aos moldes cilíndricos utilizados para determinar a permeabilidade à carga constante de solos. Para que a água não percolasse pelos vazios entre a parede externa do corpo de prova e o molde, inseriu-se parafina derretida nesses espaços, garantindo assim, que a água passasse apenas por dentro do corpo de prova. Este procedimento garantiu a aferição de um resultado mais realístico do coeficiente de permeabilidade do concreto pesquisado (Figura 4).

Após esse procedimento, esperou-se a parafina esfriar e o conjunto (corpo de prova, cilindro e parafina) foram imersos em água, durante 24 horas, para que os mesmos estivessem totalmente saturados durante a realização do ensaio.

O equipamento foi montado, e de início deixou-se a água percolando pelo cilindro durante aproximadamente uma hora a fim de se obter vazão constante por entre o corpo de prova (Figura 5).


Figura 4 - Detalhe do corpo de prova com parafina nas bordas

Figura 5 – Ensaio de permeabilidade do concreto permeável

Captou-se a água passante pelo corpo de prova no período de 120 segundos e mediu-se a quantidade por meio de provetas, obtendo assim o volume de água percolado, o que permitiu o cálculo da vazão d’água. Esse procedimento foi realizado três vezes, com intuito de se obter a vazão média que percolou pelo concreto. Os dados obtidos permitiram estimar o índice de permeabilidade do concreto permeável pesquisado.

2.4 Determinação da Transmitância e Condutividade Térmica

Para realizar os ensaios de transmitância térmica dos corpos de prova de concreto permeável, construiu-se uma câmara térmica de teste conforme apresentado na Figura 6. A câmara tem dimensões internas de 0,65x0,50x0,50cm. Os materiais utilizados para confeccionar a câmara térmica foram: placas de madeira MDF (16mm), placas de poliestireno expandido (25 e 50 mm), folhas de alumínio para revestimento do poliestireno, uma lâmpada de infravermelho (250W) para produção de fonte de calor no interior da câmara e um dispositivo Dimmer para ajustar a intensidade da luz de infravermelho. As placas de poliestireno expandido (50 mm) foram revestidas por uma folha de alumínio e instaladas no interior da estrutura de placas de madeira MDF, a fim de proporcionar isolamento térmico do meio exterior (para evitar a dissipação de calor do interior da câmara). O interior da câmara foi denominado de "câmara quente". Um dos lados da câmara foi mantido aberto e os corpos-de-prova foram instalados neste lado da câmara, a fim de serem expostos a radiação infravermelha emitida pela lâmpada. Foi confeccionada posteriormente outra câmara (denominada "câmara ambiental"), com dimensões internas de 0,50x0,50x0,35m para isolar o lado de fora dos corpos-de-prova da exposição direta às condições climáticas externas. Após a realização de testes preliminares, verificou-se que esta câmara ajudou a estabilizar a temperatura externa, fazendo com que os fluxos de calor fossem menos dependentes das condições climáticas externas e também para melhorar as condições de estado estacionário entre as duas câmaras. Nesta câmara foi utilizada apenas placas de poliestireno expandido (25 mm).

O ensaio de transmitância térmica dos corpos-de-prova de concreto permeável foi realizado como se tivesse sendo realizado uma medição in situ, conforme técnica de medição de fluxo de calor estabelecida pela ISO 9869 (ISO, 1994). As placas de concreto a serem testadas foram instrumentadas por meio de sensores de temperatura do tipo NTC 10k para a medição da temperatura superficial interna (Tsi) e externa (Tse) dos corpos de prova (Figura 6). Para tanto, foram instalados dois sensores TMC20HD da marca OnsetComp na parede, ambos virados para o interior da câmara quente. Os


sensores foram instalados na posição central (centrados com a fonte de calor), em posição vertical, numa área representativa da placa de concreto. Os sensores internos foram adequadamente protegidos da exposição direta ao calor emitido pela fonte de calor (luz infravermelha) e fixados com a ajuda de uma fita adesiva. Os sensores externos foram fixados na face voltada para a câmara ambiental. Os dois sensores de temperatura foram posicionados entre o sensor de fluxo de calor (fluxímetro), modelo HFP01, fabricado por Hukseflux, instalados na posição vertical e também fixados com auxílio de fita adesiva, para evitar o contato direto com o ar e com a finalidade de medir o fluxo de calor entre a placa de concreto (Figura 6a e 6b). O sensor foi fixado na posição central da placa com auxilio de fita adesiva em todo o seu contorno (Figura 6b) e imediatamente na posição oposta aos sensores de temperatura instalados internamente na câmara quente. Os sensores de temperatura foram conectados ao registrador de dado automático U12-13 da marca Onsetcomp e o sensor de fluxo de calor (fluxímetro) foi acoplado a um amplificador de tensão e posteriormente a um registrador de dados automático U30 da marca Onsetcomp. Os dados foram coletados a cada 5 minutos, pois este intervalo foi considerado adequado para captar variação dos parâmetros ambientais pesquisados. A região do entorno da placa foi vedada com auxílio de poliestireno para evitar a dissipação de calor por entre as frestas do corpo-de-prova, o que dificulta alcançar condições de fluxo de calor estacionário. A câmara ambiental é instalada após a instalação de todos os sensores com intuito de diminuir a influencia das condições ambientais onde a câmara fica instalada (Figura 6b).

(a) (b)

Figura 6 – (a) Interior da câmara quente de ensaio (placas de poliestireno expandido revestidas por folhas de alumínio e lâmpada infravermelha) e (b) câmara quente, câmara ambiental e dimmer para ajuste de intensidade da luz de infravermelho

A determinação da transmitância térmica (U) foi feita através do método da média progressiva de acordo com a norma ISO 9869 (1994). Para este caso, o valor da transmitância térmica (U) é avaliado pela seguinte equação:

∑

∑

(Equação 1)

onde Tsi é a temperatura interna, Tse a temperatura externa, q o fluxo de calor entre os dois lados do elemento testado e j representa cada medição realizada no intervalo de


tempo estabelecido durante o ensaio do corpo-de-prova. O cálculo Un é feito para cada uma das medições realizadas sucessivamente a partir da primeira (neste caso, a cada cinco minutos). O valor calculado converge assintoticamente para o valor real se forem satisfeitas as condições prescritas pela ISO 9869 (1994) (condição de estado estacionário). O valor da transmitância (U) do corpo-de-prova do concreto permeável, expresso em W/(m2K), foi avaliado utilizando a média das temperaturas e das taxas de fluxo de calor através do espécime, em um período representativo de menos de um dia (24h) de medição após as condições de fluxo de calor estacionário terem sido

alcançadas. A condutividade térmica () do concreto permeável, expressa em W/(m K), foi determinada multiplicando-se a espessura da placa pela transmitância térmica determinada no ensaio descrito. A transmitância térmica total do pavimento permeável (Ut) foi avaliada somando-se a transmitância térmica superficial interna e externa do ar.

(a) (b)

Figura 6 – (a) Sensores de temperatura instalados na face interna voltada para câmara quente e (b) sensores de temperatura e termo-fluxímetro instalado na face externa voltada para câmara ambiental

Como o valor de U a ser calculado converge assintoticamente para o valor final do Un e como se está interessado apenas no valor médio final, utilizou-se o conceito de incerteza combinada para estimar o erro introduzido na medição devido ao erro dos sensores, do desvio observado no experimento durante as últimas 24 horas, bem com devido a variação ambiental. A norma NBR ISO 17025 (ABNT, 2005) prescreve que a incerteza da medição pode ser feita assumindo-se o erro de calibração de instrumentos declarado pelos fabricantes, mais o desvio padrão (s.d) do período médio considerado de Un. A incerteza estatística de medição (incerteza expandida) pode ser estimada assumindo um fator de abrangência (k) igual a 2, sendo este um valor típico neste tipo de medição. O uso deste fator de abrangência leva a um nível de confiança de 95%, aproximadamente. O valor de U final pode ser expresso pela seguinte equação:

U = Un k. Un (Equação 2)

onde Un representa a incerteza total da estimativa de Un, denominada de incerteza combinada (BAKER, 2011).


3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Agregado e aglomerante

3.1.1 Análise granulométrica

Os resultados na análise granulométrica do Pedrisco (Brita 0) são apresentados na Figura 7. Conforme se observa, os diâmetros se enquadraram nas recomendações do ACI 211.3R-02 (ACI, 2002) que sugere que o agregado utilizado para a fabricação do concreto permeável deve ter dimensões com diâmetro máximo entre 9,5 e 2,4 mm.

Figura 7 - Curva granulométrica do Pedrisco (Brita 0)

3.1.2 Massa específica e absorção de água

Os resultados da massa específica, massa específica aparente e absorção de água do agregado estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1: Resultados Massa específica e absorção de água do Pedrisco.

Massa específica

agregado seco (g/cm3)

Massa específica

agregado saturado

superfície seca

(g/cm3)

Massa específica

aparente (g/cm3)

Absorção de água (%)

Resultados 2,70 2,73 2,78 1,07

A massa específica real do cimento, por sua vez é determinada pela diferença

entre as leituras inicial e final que representa o volume do líquido deslocado pelo material ensaiado. A Massa específica real (μ) do Cimento Portland CPIIF32 foi de 3,06 g/cm³.

3.2 Concreto

3.2.1 Determinação do traço

O traço escolhido para a confecção dos corpos de prova e da placa de concreto foi de 1:4 com fator água cimento (a/c) igual a 0,3. Após ajuste do traço na betoneira, obteve-se uma relação 1:m de 1:4,12 e relação a/c de 0,38. A Tabela 2 apresenta detalhes da composição e das características do concreto fresco e endurecido.

0102030405060708090

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Po

rce

nta

gem

pas

san

te (

%)

PENEIRAS - Abertura em mm


Tabela 2 – Composição do traço e algumas propriedades do concreto permeável.

Composição dos traços (cimento:sílica:pedrisco:a/c) 0,9:0,072:4,12:0,38

Cimento equivalente (kg/m3) 448

Cimento (kg/m3) 403

Micro Sílica (kg/m3) 32,2

Pedrisco (kg/m3) 1846

Água (kg/m3) 170,2

Aditivo (kg/m3) (1% do cimento equivalente) 4,48

Propriedades do concreto

Abatimento (cm) 0

Relação água cimento (a/c) 0,38

Absorção de água (%) 6,5

Índice de vazios do concreto (%) 13,8

Massa específica do concreto seco (kg/m3) 2,12

Massa específica do concreto saturado (kg/m3) 2,25

Massa específica real (kg/m3) 2,47

Os resultados se assemelham aos obtidos por Sales (2008) e Batezini (2012) para massa específica seca, iguais a 1,95g/cm3 e 1,85g/cm3, respectivamente. Com relação ao índice de vazios, os valores se aproximaram do obtidos por Sales (2008) (12%) e diferiram dos obtidos por Batezini (2012) (24%).

3.2.2 Resistência

Os resultados da resistência à compressão axial e resistência à tração por compressão diametral dos corpos de prova estão resumidos nas Figuras 8 e 9.

Figura 8 – Resistência à Compressão axial do

concreto permeável em função da idade Figura 9 – Resistência à tração por compressão

diametral do concreto permeável em função da idade

7,28

11,50

0

5

10

15

7 dias 28 dias

Re

sist

ên

cia

(MP

a)

Idade (dias)

Compressão Axial

1,66

2,36

0

0.5

1

1.5

2

2.5

7 dias 28 dias

Re

sist

ên

cia

(MP

a)

Idade (dias)

Compressão Diametral


Observa-se que houve uma evolução considerável da resistência à compressão axial entre os 7 e 28 dias. Comportamento similar se observa no ensaio de compressão diametral. Observa-se também que os resultados apesar de relativamente baixos, estão dentro da faixa mencionada pelo ACI (2006) apud Holtz (2011), para pavimentos permeáveis, que varia entre 2,8 e 28 MPa. No estudo realizado por Merighi, Fortes e Bandeira (2007), apesar dos traços desenvolvidos terem atingindo valores superiores ao deste trabalho, os traços pesquisados não foram capazes de atingir o nível de desempenho especificado pela NBR 9781 (1987). Sales (2008) com traço semelhante ao utilizado neste trabalho alcançou resistência média à compressão na ordem de 19,22 MPa. Nos trabalhos desenvolvidos por Holtz (2011) e Batezini (2012), a resistência média a compressão foram respectivamente de 8,54MPa para traço de 1:4 (a/c = 0,3) e 8,21MPa para traço de 1:4,44 (a/c = 0,3). A dificuldade de se encontrar resistências elevadas se dá em virtude da mesma estar intimamente ligada à porosidade presente no concreto (não avaliada), que é elevada neste tipo de concreto.

Não há normatização específica para peças de concreto permeável para pavimentação quanto à resistência mecânica. Tomando-se como referência a NBR 9781:1987 - Peças de concreto para pavimentação - Especificação, a resistência característica estimada à compressão do concreto deve ser maior ou igual a 35 MPa para solicitações de veículos comerciais de linha ou igual ou superior a 50 MPa para tráfego de veículos especiais ou capazes de produzir efeitos de abrasão. Verifica-se que a resistência atingida inviabilizaria o traço utilizado de concreto permeável para tráfego de veículos. Porém, ao se comparar os resultados com os sugeridos NCPTC (2006), verifica-se que os resultados encontrados no trabalho estão mais próximos. Acredita-se que com poucas modificações no traço do concreto, seja possível alcançar a resistência sugerida por este centro de tecnologia. Mesmo assim, o traço desenvolvido pode ser utilizado em calçadas e em estacionamentos, onde as cargas estruturais são bem menores.

3.2.3 Permeabilidade

O ensaio de permeabilidade é normalmente realizado em solos e valores característicos de coeficientes de permeabilidade de solos do tipo areias médias estão compreendidas na ordem de grandeza de 10-4 m/s. Quanto menor o coeficiente de permeabilidade, menos permeável é o solo ou o material ensaiado.

O coeficiente de permeabilidade médio do concreto permeável moldado em laboratório determinado no ensaio foi de kmédio = 1,02 x 10-2 cm/s (desvio padrão – 0,01 cm/s), resultado considerado satisfatório com elevado índice de permeabilidade, visto que o concreto se mostrou mais permeável que a areia grossa. O resultado se aproxima dos valores determinados por Merighi, Fortes e Bandeira (2007) para as misturas D2, E1 e E2. Por outro lado, os resultados foram inferiores aos determinados por Sales (2008) e Holtz (2011) e Batezini (2012) que para mistura semelhante a utilizada neste trabalho (traço 1:4) determinaram valores médios na ordem de kmédio = 0,42 cm/s (desvio padrão – 0,15 cm/s), kmédio = 0,89 cm/s (desvio padrão – 0,36 cm/s) e kmédio = 0,14 cm/s (desvio padrão – 0,01 cm/s), respectivamente.


3.2.4 Transmitância e condutividade Térmica do pavimento permeável

O teste foi conduzido durante três dias em dois corpos-de-prova, como pode ser observado na Figura 10. É possível perceber que o valor da transmitância converge assintoticamente para o valor final em ambos os ensaios. A temperatura média superficial

interna na placa de concreto no ensaio 1 e 2 (Tsi) foram de 54,20 e 56,18 C, e as médias

externa (Tse) foram de 44,43 e 46,99C, respectivamente. A diferença média de temperatura superficial entre as duas faces dos corpos-de-prova foram de 9,76 e de

11,74 C e o fluxo de calor médio através das placas de 109,17 e 113,86 W/m2. Nota-se durante a realização do experimento que Un oscila até que a amplitude de oscilação se torne muito baixa. Isto ocorre até haja a estabilização entre a temperatura interna e externa e o estágio estacionário seja alcançado. Estabilizado o fluxo de calor por entre as placas de concreto, verifica-se que o valor de Un praticamente se torna constante atingindo uma variação de 0,02 W/(m2K) (ensaio 1) e de 0,13 W/(m2K) (ensaio 2) em torno do valor médio. Os valores de Un estimados e a incerteza na medição são apresentados na Tabela 3 e 4. A incerteza estimada (δUn) no ensaio 1 foi 0,57 W/ (m2 K) o que representa aproximadamente 5,9% no valor de Un1, enquanto que no ensaio 2 foi 0,71 W/ (m2 K) o que representa aproximadamente 6,4% no valor de Un2. A partir do valor de Un e da estimativa da incerteza da medição, é possível estimar o valor de U para as medições

realizadas: 9,69 2. 0,57 W/ (m2 K) no primeiro ensaio e 11,18 2. 0,71 W/ (m2 K) no segundo ensaio. Desta forma, a transmitância térmica está compreendia entre: 8,55 ≤ U ≤ 12,60 W/ (m2 K). Multiplicando-se os valores encontrados pela espessura da placa, chega-se aos valores de condutividade térmica do concreto permeável:

0,60 ≤ ≤0,88 W/(m K). Em ensaio realizado com fator água cimento de 0,35 e porosidade de 50%, Wong,

Glasser e Imbabi (2007) verificaram que a condutividade térmica do concreto permeável variou de 0,59 a 0,83 W/ (m2 K). Nota-se que o valor determinado nesta pesquisa se insere dentro do intervalo determinado neste trabalho. Ao se confrontar os resultados encontrados com o do concreto convencional, nota-se que a permeabilidade ocasiona redução considerável na condutividade térmica visto que o concreto convencional com densidade de 2000 a 2400 kg/m3 apresenta condutividade térmica na ordem de 1,75 W/(m K) (NBR 15220-parte 2, 2003). Desta forma, o concreto permeável é uma alternativa a ser utilizado nos ambientes urbanos devido a sua menor condução e armazenamento de calor, fato este já observado por Violante (2013) onde o concreto permeável estocou em média 20% de energia a menos que o concreto convencional.

A estimativa da transmitância térmica total, usualmente apresentada nas tabelas normativas, é estimada computando-se a transmitância superficial interna e externa do ar. Procedendo-se desta madeira, chegou-se ao intervalo da transmitância térmica total da placa de concreto permeável: 3,49 ≤ UT ≤ 4,01 W/ (m2 K). Comparando o resultado com o da transmitância de uma placa de concreto maciço convencional de 5 cm de espessura que apresentam transmitância de 5,04 W/ (m2 K) (NBR 15220-Parte 2, 2003), nota-se que devido a permeabilidade, que a transmitância total foi reduzida consideravelmente, transmitindo menos calor para as camadas inferiores do pavimento, o que corrobora para menor estoque de energia no meio onde está inserido.


Tabela 3 – Estimativa do valor da transmitância Un – ensaio 1 e da incerteza da medição

Sensor Valores médios Erro introduzido na medição W/(m2K)

Diferença 9,76C - -

Temperatura interna 54,20C Uerr_Tsi 11,48

Temperatura externa 44,43C Uerr_Tse 11,48

Fluxo de calor 109,17 W m-2

Uerr_Q 11,74

Valor de U médio 11,18 W/ (m2 K) Desvio padrão (s.d.) 0,13

Incerteza δUn 0,71 W/ (m2 K) Percentagem de erro 6,40%

Tabela 4 – Estimativa do valor da transmitância Un – ensaio 2 e da incerteza da medição

Sensor Valores médios Erro introduzido na medição W/(m2K)

Diferença 11,74C - -

Temperatura interna 56,18C Uerr_Tsi 9,91

Temperatura externa 46,99C Uerr_Tse 9,91

Fluxo de calor 113,86 W m-2

Uerr_Q 10,18

Valor de U médio 9,69 W/ (m2 K) Desvio padrão (s.d.) 0,02

Incerteza δUn 0,57 W/ (m2 K) Percentagem de erro 5,90%

(a) Ensaio 1

(b) Ensaio 2

Figura 10 – Transmitância térmica do concreto permeável: a) CP1 e b) CP 2

0

5

10

15

20

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3

Tra

nsm

itân

cia

térm

ica

(W/ m

2 K

)

Tem

p. su

perf

icia

l (

C)

Tempo de ensaio (dias)

Tsi Tse Un - Ensaio 1

0

5

10

15

20

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3

Tra

nsm

itân

cia

térm

ica

(W/(

m2 K

)

Tem

p. su

perf

icia

l (

C)

Tempo de ensaio (dias)

Tsi Tse Un - Ensaio 2


4 Conclusões

Constatou-se que apesar da permeabilidade ter proporcionado boa percolação da água no pavimento, ela reduziu consideravelmente a resistência mecânica da massa. Isto ocorre devido à presença elevada de poros no interior da massa endurecida, não avaliada neste trabalho. Neste sentido, um grande desafio a ser enfrentado em trabalhos futuros é melhorar o desempenho estrutural do traço do concreto permeável, sem alterar significativamente a sua permeabilidade. Uma alternativa seria a utilização de mesa vibratória, pois alguns estudos tem demonstrado que ela favorece o empacotamento, resultando em marcante incremento de resistência.

Notou-se que o aspecto final dos corpos-de-prova, permaneceu com a coloração cinza escuro, o que pode fazer com que o pavimento apresente baixo albedo (índice de reflexão da radiação solar) (ensaio ainda não realizado). Assim, em traços futuros será estudado a viabilidade de confeccionar os espécimes com cimento ainda mais claro ou com acréscimo de pigmentação à mistura, para se obter um pavimento com maior albedo.

Pelo ensaio de permeabilidade realizado, é possível concluir o concreto permeável se apresenta como uma boa alternativa para minimizar os problemas de drenagem urbana enfrentados nas cidades visto que o coeficiente de permeabilidade determinado foi superior ao de uma areia grossa. Desta forma, o seu uso pode evitar o escoamento superficial excessivo, pois sua utilização favorece a percolação da água no subsolo, permitindo o reabastecimento dos aquíferos subterrâneos. Destaca-se a necessidade de manutenção destes pavimentos, pois com o tempo seus poros podem ficar obstruídos. O desempenho térmico do pavimento foi muito satisfatório pois tanto os resultados de transmitância quanto a condutividade foram inferiores aos determinados para o concreto convencional. Menores valores de transmitância e condutividade térmica conduzem a menor transferência de energia para as camadas inferiores do pavimento, favorecendo o menor estoque de energia nestas camadas. Este comportamento evita que se forme o conhecido fenômeno de ilha de calor urbana, principalmente durante o período noturno, quando esta energia é liberada para atmosfera. Desta forma, o pavimento permeável é uma alternativa a ser empregada quando se pretende melhorar o desempenho térmico de áreas urbanas.

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Caracterização termo física mecânica de pavimento ... · ANAIS DO 56º CONGRESSO BRASILEIRO DO...

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