O tema aqui apresentado é RETRAÇÃO POR SECAGEM. Esse estudo fez parte da pesquisa de doutoramento da Profa. Giana Sena Rodrigues, e trás uma contribuição muito relevante na avaliação experimental da retração.
Boa leitura a todos
Prof. E. Bauer
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Giana Sousa Sena Rodrigues. Contribuição ao estudo da retração e da fluência e seus mecanismos de atuação a baixas idades em concretos estruturais. 2010. Tese (Estruturas e Construção Civil) - Universidade de Brasília
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Retração por Secagem a Baixas Idades em Concretos Estruturais
Giana Sousa Sena Rodrigues (1); Elton Bauer (2)
(1) Professora Dra., Departamento de Engenharia Civil – PUC-GOIÁS gianasena@uol.com.br
(2) Professor Dr, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil - UnB elbauerlem@gmail.com
1 Introdução
Após as etapas de mistura e lançamento, o concreto encontra-se submetido a intensas alterações internas devido a gradientes de origens térmicas e higro-térmicas. Ao mesmo tempo, encontra-se afetado por condições externas que dependem, principalmente, dos efeitos do meio ambiente no qual as estruturas encontram-se inseridas. A junção dos efeitos ocasionados pelas ações internas e externas sobre o concreto pode levar a deformações autógenas e térmicas, além de retração por secagem e fluência. Quando as deformações apresentadas pelo elemento estrutural de concreto excedem sua capacidade de deformação por tração, ocorre a formação de fissuras. A abertura, número e quantidade dessas fissuras podem limitar a capacidade de serviço da estrutura de concreto e exercer um efeito crucial sobre sua durabilidade frente à ação de agentes deletérios.
A fissuração do concreto a baixas idades, seja pelo desenvolvimento excessivo de deformações por fluência ou pelo fenômeno da retração, pode não influenciar a segurança estrutural imediatamente, mas afeta a durabilidade a longo-prazo da estrutura por facilitar o ingresso de agentes deletérios para a parte interna do concreto. Cabe salientar que a durabilidade das estruturas de concreto e materiais cimentícios é altamente influenciada pelos estágios iniciais de hidratação. Assim, o melhor conhecimento acerca das propriedades micro-mecânicas durante o processo de hidratação do cimento e a baixas idades do concreto proverá informações sobre as alterações volumétricas incidentes, em especial no que diz respeito ao desenvolvimento da retração e fluência.
1.1 Retração por Secagem
O efeito físico da retração está sempre associado a uma contração volumétrica na estrutura da pasta de cimento, decorrente de fenômenos de diferentes naturezas (autógena, química, térmica, por carbonatação), mas principalmente pela perda de água por evaporação. Além disso, a retração pode ocorrer em diferentes fases do endurecimento do compósito e ser impedida de ocorrer livremente, conforme a restrição imposta pela construção ao elemento de concreto. Em suma, a retração total do concreto é resultado de vários tipos de retração que podem ocorrer simultaneamente, durante a vida útil da estrutura, conforme ilustrado no esquema da Figura 1 (BASTOS & CINCOTTO, 2000).
Segundo Bisschop (2003), a retração por secagem pode ser definida como uma deformação dependente do tempo devida à perda de água em condições de temperatura e umidade relativa constantes. Embora a retração por secagem tenha sido extensivamente investigada em pastas e concretos convencionais de cimento Portland, a exemplo da retração autógena, seus mecanismos básicos de desenvolvimento ainda não foram precisamente estabelecidos. De acordo com o autor, para traços convencionais, os principais mecanismos de retração propostos seriam: (i) energia de superfície livre; (ii) teoria da pressão capilar; (iii) movimento da água interlamelar e (iv) teoria da variação da pressão de disjunção. De forma geral, o consenso é de que mais do que um destes mecanismos pode estar envolvido no desenvolvimento da retração por secagem, dependendo basicamente dos valores de umidade relativa no ambiente onde o elemento (pasta de cimento ou concreto) esteja inserido.
No que diz respeito ao comportamento dos concretos convencionais, Jensen (1995) afirma que normalmente a umidade relativa em sistemas cimentícios não atinge valores inferiores a 75%, de forma que os mecanismos da variação da energia de superfície e da pressão de disjunção não afetariam o comportamento de grande parte dos concretos convencionais frente ao desenvolvimento da retração por secagem. Assim, estima-se que a variação da pressão capilar seja o mecanismo mais adequado para a explicação do fenômeno.
Segundo este mecanismo, a capilaridade gera interfaces curvas entre o fluido (água) e o ar contido no interior dos poros. Na interface líquido-gás desenvolve-se um gradiente de pressão designado por pressão ou depressão capilar, que é função da tensão superficial líquido-gás, do raio de curvatura e do ângulo de molhamento (SANTOS et al., 2007). Pode-se definir a pressão capilar como a diferença entre a pressão atmosférica que atua acima do menisco formado entre as paredes num poro capilar, devido à tensão superficial entre o líquido e a parede sólida, e a pressão abaixo do menisco do mesmo poro capilar. Assim, quanto mais estreitos forem os poros em processo de esvaziamento, maior a intensidade da pressão capilar. Com a redução da umidade relativa e conseqüente secagem do material, ocorre primeiramente a criação de meniscos dentro dos capilares, seguida da diminuição progressiva do raio de curvatura desses meniscos, como forma de manter o equilíbrio entre o líquido e a fase gasosa. Desenvolve-se então uma diferença de pressão entre a fase líquida e a fase gasosa que se acentua à medida que a secagem se intensifica. Conseqüentemente, a depressão do líquido deve ser globalmente equilibrada por uma retração do sólido. Em outras palavras, o mecanismo de variação da pressão capilar ocorre pelo fato de que, em uma rede capilar não saturada, a fase líquida é tracionada devido à criação de um menisco na interface líquido-gás, que induz a pressão negativa sobre as paredes dos capilares, tendendo a aproximá-las. A retração macroscópica observável é proveniente da compressão à qual o sólido é submetido (SILVA, 2007). No concreto, a água dos meniscos apresenta uma curvatura entre as partículas mais próximas da superfície ou do ponto onde a pressão do ar alcança internamente a mistura, conforme mostrado no esquema da Figura 2.
Assim, quando ocorre perda de água na pasta de cimento, ocorre movimentação capilar da água nos poros capilares. Como conseqüência, há o desenvolvimento de tensões hidrostáticas que induzem tensões de compressão no interior da estrutura sólida. As tensões hidrostáticas são desenvolvidas quando um menisco é formado no capilar. Quanto menor o raio do menisco, maior é a pressão capilar. A umidade relativa também determina o valor do raio do menisco; com umidade relativa abaixo de 40 a 45 % não existem tensões capilares, pois nesta situação os meniscos não são estáveis (MINDESS e YOUNG, 1981). Ishai (1968) apud Kovler & Zhutovsky (2006) afirmou que o mecanismo da pressão capilar ocorre para valores de umidade relativa superiores a 40%, devido à continuidade da água capilar, que favorece o desenvolvimento de maiores tensões internas na rede capilar. Baroghel-Bouny (1994) concorda que o mecanismo da pressão capilar é válido pelo menos em fortes umidades relativas, ou seja, quando os poros capilares estão cheios de líquido.
2 Metodologia
2.1 Variáveis Aplicadas
Visando analisar a retração por secagem medida através do ensaio prescrito pela ASTM C 157/2004 (para corpos-de-prova imersos em água durante 28 dias) foram escolhidos concretos com resistência à compressão estimada aos 28 dias de 20, 35 e 50 MPa, denominados, respectivamente, C1, C2 e C3. Nesta pesquisa, foram escolhidos patamares de resistência mais utilizados nas obras de pequeno, médio e grande porte da região da Grande Goiânia, através de consulta a empresas especializadas na produção de concreto.
2.2 Materiais Utilizados e Concretos Produzidos
O aglomerante hidráulico empregado foi um cimento Portland CP V, produzido e fornecido diretamente para indústrias de produção de concreto, cuja caracterização encontra-se na Tabela 1. Os agregados miúdos utilizados foram do tipo areia natural de leito de rio e areia artificial (proveniente de rocha britada). Utilizou-se ainda agregado graúdo com dimensão máxima característica referente a britas 0 e 1. As características físicas dos agregados graúdo e miúdo estão relacionadas na Tabela 2.
Tabela 1 – Caracterização física, química e mecânica do cimento Portland CP V utilizado na pesquisa (Laboratório de Ensaios da Cimento Tocantins S/A).
Tabela 2 – Características Físicas dos Agregados Utilizados na Pesquisa.
Para obtenção dos corpos-de-prova utilizados na pesquisa, foram utilizados traços fornecidos por indústria especializada na produção de concreto para a região da Grande Goiânia, possibilitando, desta forma, avaliar o desenvolvimento da retração por secagem em concretos aplicados nas obras de médio e grande vulto na região. Além dos materiais listados e caracterizados anteriormente, foram utilizados aditivo plastificante polifuncional retardador de pega, com características conforme listado na Tabela 3 e micro-sílica, com caracterização conforme listado na Tabela 4. Os traços utilizados e parâmetros de mistura dos concretos estudados encontram-se listados na Tabela 5.
Pela análise da Tabela 5 verifica-se que os parâmetros de dosagem escolhidos pela concreteira se baseiam no aumento da quantidade de cimento das misturas e no incremento do uso do aditivo polifuncional, de forma a reduzir o consumo de água e a relação água/cimento. Além disso, especificamente para o traço de resistência estimada igual a 50 MPa (C3), foi inserido o uso da sílica ativa, a fim de proporcionar o aumento da resistência pela reação pozolânica.
Para cada um dos três traços de concreto selecionados, foram moldados três corpos-de-prova prismáticos, com dimensões de 75mm x 75mm x 285mm. Os concretos foram produzidos numa sala com temperaturas registradas no intervalo de 21 ± 2 ºC, com constituintes também nessa temperatura.
2.3 Ensaio Realizado
Conforme mencionado no item anterior, a produção dos concretos foi realizada numa sala com temperatura registrada, seguindo-se a moldagem de três corpos-de-prova prismáticos, adensados em duas camadas, provenientes de uma mesma amassada. Os prismas para este ensaio tinham as dimensões de 75mm x 75mm x 285mm. Imediatamente após a moldagem, os corpos-de-prova de concreto permaneceram em ambiente úmido até a idade 24 h, quando foram desformados e imediatamente imersos em água saturada com cal. Depois de 30 minutos, os corpos-de-prova foram retirados, um de cada vez, enxutos com pano úmido, procedendo-se à leitura de referência no relógio comparador, conforme mostrado na Figura 3, correspondendo à deformação zero, dentro de uma sala com registros de temperatura situados no intervalo 21 ±2 ºC. Em seguida, retornaram para o recipiente com água saturada de cal e permaneceram submersos por 28 dias. Decorrido esse período, procedeu-se à leitura final de cura no relógio comparador, na sala climatizada. Após a leitura de 28 dias de cura, os corpos-de-prova foram armazenados ao ar, numa sala com registros de umidade relativa no intervalo de 50% ± 2% e temperaturas de 21 ± 2 ºC, com secagem nas 6 faces dos prismas. Para cada corpo-de-prova foram realizadas leituras no relógio comparador até idades próximas aos 50 dias. O cálculo da retração foi realizado de acordo com a Equação 1.
Onde:
εsec = deformação unidirecional, após a desforma com corpo-de-prova não selado, para determinação da retração por secagem após 28 dias de imersão em água com cal;
L0c = leitura inicial no extensômetro acoplado à base de medida, após a desforma;
Lic = leituras no extensômetro do aparelho comparador, no tempo i;
G = comprimento de referência para cálculo da deformação por secagem.
Figura 3 – Esquema da determinação da variação relativa de comprimento após os 28 dias de cura submersa (adaptado de SILVA, 2007).
Pelo ensaio da ASTM C 157 (2004), com o início da secagem aos 28 dias, o incremento de deformação é a soma da retração autógena e de secagem, onde a contribuição da primeira é esperado que seja desprezível. Essa hipótese simplificadora é fundamentada no fato da retração autógena apresentar maior intensidade nas primeiras idades, diminuindo sua magnitude com o tempo. Muitas vezes se encontram na literatura técnica os resultados provenientes desse método de ensaio com a terminologia de retração por secagem, feito para fins de simplificação, embora seja sabido que há uma parcela de retração autógena embutida no resultado. Assim, nesta pesquisa é usada a nomenclatura retração por secagem, embora seja conhecido que há uma parcela embutida de retração autógena. É importante mencionar, também, que esse ensaio não considera a deformação autógena + térmica ocorrida nas primeiras 24 horas, já que a determinação se inicia após essa idade. Se a deformação térmica pode ser desprezível em função dos motivos mencionados, a retração autógena nesse período é de magnitude expressiva (Aïtcin, 1998).
3 Apresentação e Discussão dos Resultados
3.1 Resistência à Compressão
A resistência à compressão dos concretos C1, C2 e C3 foi determinada em corpos-de-prova cilíndricos, com dimensões 100mm x 200mm, nas idades de 3, 7 e 28 dias, conforme prescrições da NBR 5739 (1994). Para determinação da resistência à compressão de cada um dos traços em estudo, foi realizado o cálculo da média entre os resultados dos dois corpos-de-prova ensaiados. Conforme citado anteriormente, os traços em estudo foram escolhidos a fim de obter os valores de resistência característica mais utilizados em obras convencionais, após pesquisa entre empresas especializadas na mistura e fornecimento de concreto. Assim, os traços escolhidos abrangiam valores de resistência característica de 20 MPa (C1), 35 MPa (C2) e 50 MPa (C3). Os resultados demonstram que as resistências apuradas para a idade de 28 dias atingiram os valores de 23,78 MPa para C1, 44,27 MPa para C2 e 58,65 MPa para C3. Especificamente em relação ao concreto C2, salienta-se que, já aos 7 dias de idade o concreto já havia atingido resistência característica de dosagem estipulada para os 28 dias. Como os concretos avaliados foram obtidos com o uso de traços fornecidos por indústria especializada na produção de concreto para a região da Grande Goiânia, vislumbra-se o fato de que, devido tanto às características de dosagem como ao tipo de cimento utilizado, foram produzidos concretos com resistências superiores aos patamares almejados. As resistências apuradas foram aproximadamente 18,9%, 26,5% e 17,3% que os valores de resistência característica (fck) de dosagem. Na Figura 4 ilustra-se o desenvolvimento de resistência à compressão das misturas em estudo, para 3, 7 e 28 dias.
3.2 Retração por secagem
3.2.1 Variação Relativa de Massa de Água
Nos concretos C1, C2 e C3, após 28 dias de cura submersa, os corpos-de-prova apresentaram um aumento expressivo de massa, igual à 13,4%, 12,1% e 11,4%, respectivamente. A partir da leitura de ganho de massa (imediatamente após a retirada dos corpos-de-prova da cura submersa) e até o final das leituras efetivadas, a variação de massa de água, em relação à massa total, atingiu os valores mínimos de -9,77%, para o concreto C1, de -3,3%, para o concreto C2 e de -2,06%, após aproximadamente 50 dias de secagem. O gráfico da Figura 5 ilustra o comportamento da saída de água para o ambiente de laboratório. Cada resultado médio da variação de massa de água correspondeu à média aritmética de três resultados individuais.
A análise dos valores de variação relativa de massa de água permite identificar a tendência linear para a saída de água dos corpos-de-prova, independentemente do tipo de concreto analisado. No entanto, a adequação desta linha de tendência foi prejudicada pela saída mais acentuada de água durante os primeiros dias de secagem. Como os corpos-de-prova permaneceram em cura submersa durante 28 dias, o estabelecimento inicial do equilíbrio da umidade interna dos corpos-de-prova com o ambiente de laboratório ocasionou este comportamento. Nota-se, pelo aspecto do gráfico, que esta tendência se suaviza até os 12 dias de secagem e que, a partir deste ponto, existe outro comportamento de secagem, menos acentuado, até o final das medidas registradas.
3.2 Valores Médios
A retração média dos corpos-de-prova, determinada imediatamente após os 28 dias de cura submersa, foi de -9,6 x 10-6, para o concreto C1, de -18,03 x 10-6, para o concreto C2 e de -21,33 x 10-6, para o concreto C3. Essa retração é a soma das parcelas autógena e térmica, em relação à leitura inicial, realizada com 24 horas após a moldagem. Desta forma, os valores de retração por secagem analisados neste item não incluem os valores de retração devidos às deformações autógena e térmica, que foram descontadas, conforme prescrições da ASTM C 157 (2004). Na Figura 6 ilustram-se os resultados médios de retração por secagem dos prismas, em função do tempo de secagem, para os concretos C1, C2 e C3. Os resultados apresentados correspondem à média aritmética dos resultados individuais.
A adequação de curvas de tendência logarítmica aos valores apurados de retração por secagem após cura submersa resultou em coeficientes de determinação significativos, da ordem de 0,94, 0,95 e 0,93, para os concretos C1, C2 e C3, respectivamente. A partir dos dados obtidos e das curvas logarítmicas aplicadas estatisticamente, pode-se visualizar que o comportamento comumente visualizado para o desenvolvimento da retração (função logarítmica da idade) se verifica satisfatoriamente. Na Tabela 6 encontram-se detalhados os valores médios de retração por secagem (descontados os valores de retração autógena + térmica dos dias de cura submersa) para os concretos em estudo.
A análise dos resultados de retração por secagem expostos na Tabela 6 indica que o concreto C2 apresentou maiores valores de retração após 29 dias de secagem. Embora a diferença entre os valores apurados para retração após 53 dias de secagem tenham sido bastante próximos para os três concretos (diferença máxima de 12,8%), o comportamento foi contrário a alguns dados coletados na literatura pertinente. Segundo vários autores (Melo Neto, 2002; Pietra et al., 2003, Kalintzis & Kuperman, 2005; Esping, 2007), com o aumento da relação água/cimento, aumenta tanto o número de poros como a quantidade de água que se movimenta na rede de capilares, contribuindo para o aumento das pressões hidrostáticas capilares. Tomando como mecanismo básico da retração por secagem em umidades relativas acima de 50%, a aproximação das camadas de C-S-H através de forças hidrostáticas, uma pasta com maior relação água/cimento apresenta maior espaço médio entre os compostos hidratados. Assim, durante o desenvolvimento da retração, maior distância será percorrida pelas partículas durante sua aproximação e, portanto, maior será a contração volumétrica. No entanto, pelos resultados apurados, infere-se que a influência da grande disponibilidade de água livre nos microporos do material (após 28 dias de imersão em água) pode ter se sobreposto ao efeito da relação água/cimento, ocasionando o comportamento. Além disso, pode-se contabilizar que existe, mesmo após os 28 dias, uma parcela de retração, contabilizada como secagem, mas que se deve à auto-dessecação do concreto, principalmente nos traços de baixa relação água/cimento (C2 e C3). Portanto, o fenômeno contabilizado no ensaio como retração por secagem pode ser entendido como retração total, devido à soma das parcelas autógena e por secagem. Pelos resultados plotados no gráfico, verifica-se que, até aproximadamente 20 dias de secagem, a retração por secagem desenvolve-se segundo um regime de velocidade mais acentuada. A partir deste ponto e até o final das leituras, os valores registrados indicaram outro regime de desenvolvimento.
4 Considerações Finais
A retração por secagem da mistura C3 (relação água/aglomerante igual a 0,47) foi aproximadamente 11% menor que para a mistura C1 (relação água/cimento igual a 0,70), aos 53 dias. Esta mistura também demonstrou menores leituras de retração por secagem inicial (24 horas) e intermediárias. Este comportamento foi semelhante aos resultados apurados por vários pesquisadores (Weiss, 1999; Esping, 2007, Silva, 2007). Somente por estes resultados, pode-se inferir que a redução na relação água/cimento corresponde a uma redução na retração por secagem, embora essa redução não influencie a magnitude da retração total (devido ao incremento da retração autógena nas misturas de menor relação água/cimento). No entanto, para o concreto C2, a análise dos resultados de retração por secagem expostos indicaram maiores valores de retração após 29 dias de secagem, comparativamente ao concreto C1. Deste resultado isolado, infere-se que a influência da grande disponibilidade de água livre preenchendo os poros do material (após 28 dias de imersão em água) se sobrepôs ao efeito da relação água/cimento, ocasionando o comportamento.
Pelo ensaio prescrito pela ASTM C 157 (2008), com o início da secagem aos 28 dias, o incremento de deformação é a soma da retração autógena e de secagem, onde a contribuição da primeira é esperada que seja desprezível. Essa hipótese simplificadora é fundamentada no fato da retração autógena apresentar maior intensidade nas primeiras idades, diminuindo sua magnitude com o tempo. Além disso, este ensaio não considera a deformação autógena + térmica ocorrida nas primeiras 24 horas, já que a determinação se inicia após essa idade. Cabe salientar que, se a deformação térmica pode ser desprezível em função dos motivos mencionados anteriormente, a retração autógena nesse período ainda se apresenta com magnitude expressiva, podendo ocasionar a variação dos resultados retromencionados.
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