3º Congresso Ibéroamericano sobre betão auto-compactável
Avanços e opórtunidades
Madrid, 3 e 4 de Dezembro de 2012
Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
T. Tojal Lima, P. C. Correia Gomes
U. Federal de Alagoas, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Brasil.
J. Marie Désir
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Brasil.
RESUMO
O material concreto armado quando solicitado depende diretamente da aderência Açoconcreto. Devido à boa aderência existente entre esse dois materiais é possível
considerar o concreto armado como um único material que trabalha em conjunto, capaz
de resistir aos diferentes esforços solicitantes. Qualquer mudança nesses materiais que
possa influenciar nesta aderência aço-concreto se faz necessaria uma verificação do
comportamento de aderência. Quando, por exemplo se substitui o Concreto
Convencional pelo Concreto Autoadensável (CAA) a investigação da aderência açoconcreto autoadensável é importante uma vez que a aderência é garantida apenas pela
composição do CAA. Diferentes composições de CAA são obtidas e consideraveis
mudanças nas propriedades do concreto são observadas, muitas delas originadas pelas
modificações nas dosagens e uso de aditivos químicos e minerias. Testes de aderência
aço-CAA comprovam que a aderência melhora ou é semelhante ao concreto
convencional. Diferentes testes são utilizados para comprovar a condição de aderência,
podendo citar dentre eles, o Pull Out Test (RILEM-CEB-FIP), também conhecido como
Ensaio de Arrancamento. No estudo, um trabalho experimental de aderência aço-CAA,
usando o Pull Out Test, com CAA contendo na composição aditivo mineral, resíduo de
marmoraria, é desenvolvido. Os resultados foram comparados com os obtidos em
amostras de concreto convencional. Os resultados mostram que o concreto
autoadensável apresenta maior carga na ruptura por perda de aderência em relação ao
concreto convencional, assim como diferenças nos modos de ruptura.
PALAVRAS-CHAVE: Concreto autoadensável; Aderência concreto-aço; Ensaio de
arrancamento.
1.- INTRODUÇÃO
A aderência do sistema concreto-aço é uma das razões que levou o concreto armado, a
ser considerado um material heterogêneo que trabalha de forma conjunta, quando se
trata de tensões/deformações. É a aderência que faz com que dois materiais que
possuem propriedades diferentes consigam transmitir entre si esforços e deslocamentos
[1].
A aderência é fortemente influenciada pelo aparecimento de fissuras no concreto. As
primeiras fissuras internas surgem devido à força de arrancamento ultrapassarem a
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Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
resistência à tração do concreto. Após a primeira fissuração interna, a distribuição da
tensão ao longo da interface depende das distribuições de carregamento e de contorno.
A qualidade da aderência é também influenciada pela exsudação que ocorre durante a
concretagem e nas primeiras horas após a concretagem e durante o processo de
adensamento. Um acúmulo de água com partículas finas se aloja sob as barras de aço,
provocando uma diminuição na resistência e na aderência concreto-aço. Isso é
influenciado pelo diâmetro e posicionamento da barra de aço, [2].
Independente do tipo de concreto esses fatores devem ser observados. Atualmente, o
uso de aditivos químicos e minerais tem sido muito comum para melhoramento das
propriedades tanto no estado fresco como no estado endurecido. A eliminação da
exsudação e segregação pode ser um dos benefícios alcançados com o uso de tais
aditivos. Além disso, alguns concretos especiais como os concretos submerso e
autoadensável são bons exemplos de elevado desempenho alcançados pelo uso desses
aditivos.
A principal característica do concreto autoadensável (CAA) é a capacidade de
preencher todo o vazio da fôrma sem a necessidade de nenhum tipo de vibração
mecânica, garantindo uma distribuição uniforme da mistura em todo o elemento, [3].
Esse alto desempenho no estado fresco se deve ao alcance de três propriedades: alta
fluidez, moderada viscosidade e resistência à segregação. A fluidez caracteriza a
facilidade com que o concreto flui através da armadura; a viscosidade garante que as
partículas sejam suspensas e se movimentem sem atrito e choque, impedindo a colisão e
proporcionando uma distribuição uniforme e a resistência a segregação juntamente com
a coesão dos componentes tem a finalidade de impedir a ocorrência de separação dos
componentes, como a exsudação, [4], [5].
O CAA ao preencher uma forma de concreto estrutural deve garantir uma boa aderência
com o aço. Estudos de aderência com CAA comprovam que a aderência é melhorada e
que a máxima força de arrancamento da barra de aço para o CAA é significativamente
maior do que para o concreto convencional, porém o CAA mostra uma ruptura mais
frágil do que o concreto convencional, [6].
Neste sentido, o estudo avalia a aderência CAA-aço de um CAA produzido com aditivo
mineral proveniente do resíduo do corte de blocos de mármore e granito, através do
ensaio de arrancamento (pull-out test), normatizado pela RILEM-CEB-FIP, [7], e tem
como foco principal avaliar a influência do CAA nas cargas de ruptura, nos
deslocamentos e nos modos de ruptura dos corpos de prova, e compará-la com a do
concreto convencional (CC).
2.-MATERIAIS E PROGRAMA EXPERIMENTAL
Os materiais utilizados na composição dos concretos foram: cimento Portland composto
CP II-Z 32, com massa específica de 3150 kg/m³; adição mineral, passante na peneira
com malha de abertura de 300 µm, proveniente do resíduo do corte de blocos de
mármore e granito (RCMG), com propriedades mostradas no quadro 1;
superplastificante (SPL) a base de éter carboxílico modificado, com propriedades
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apresentadas no quadro 2; agregado graúdo de origem granítica com dimensão máxima
de 12,5mm e o agregado miúdo com dimensão máxima característica de 2,4mm,
propriedades apresentadas no quadro 3.
A barra de aço utilizada nos corpos de prova dos ensaios de arrancamento (pull out test)
são do tipo CA-50, aço para concreto armado, cuja resistência ao escoamento é de 500
MPa. Foram utilizadas barras com diâmetro nominais de 10 mm e 16 mm. A massa
específica do aço é de 7850 kg/m³.
Quadro 1. Propriedades da adição RCMG
RCMG # 300 µm
Propriedade
Inerte
Tipo
2,685 g/cm³
Massa Específica Real (método do picnômetro)
208,5 m²/kg
Superfície Específica (método de Blaine)
Material retido na peneira de #300
0,558%
%
Passante [µm]
Granulometria à laser
3
24,08
32
82,97
45
91,77
63
94,78
88
97,56
100
98,06
150
99,15
Nome
Glenium 51
Quadro 2. Propriedades do superplastificante
Tipo
pH
Densidade
[g/cm³]
Policarboxilato
6,00 - 7,00
1,20
Quadro 3. Caracterização dos agregados
Caracterização
Massa específica [g/cm³]
Massa unitária no estado solto [g/cm³]
Massa unitária no estado compactado [g/cm³]
Módulo de finura
Absorção [%]
Pedra Britada
2,650
1,381
1,456
0,82
Teor de
sólidos [%]
32,5
Areia Média
2,611
1,449
2,492
0,60
As composições dos concretos autoadensáveis, com e sem fibras de aço, e do concreto
convencional, são apresentadas no quadro 4.
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Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
Quadro 4. Composição dos diferentes tipos de concreto
Dosagens dos concretos
Materiais
(kg/m³)
CAA
CC
Cimento
400
400
Areia
785
718
Brita
790
1060
Água
195
199
RCMG
200
SPC (spc/c) = 0,6%
8
PLC* (plc/c) = 0,162 %
1,8
(*) - plastificante
Os ensaios realizados no estado fresco foram: o do abatimento do Tronco de Cone, para
determinação da consistência do concreto convencional, de acordo com a NBR NM 67
[8] e o de Espalhamento para concretos autoadensáveis. No ensaio de espalhamento o
concreto foi lançado no interior do cone sem nenhum tipo de adensamento, e ao ser
içado o cone o tempo foi marcado até o momento em que o concreto atingisse um
diâmetro de 500 mm. O tempo de espalhamento do concreto autoadensável deve está
entre 5 ± 2s, [4]. Após cessar o espalhamento, se mede dois diâmetros perpendiculares.
A Figura 2 mostra o espalhamento obtido do concreto autoadensável.
Figura 2. Detalhe do espalhamento do CAA
Para obtenção da resistência à compressão e do módulo de elasticidade foram
confeccionados corpos-de-prova cilíndricos de 20 cm de altura por 10 cm de diâmetro,
de acordo com as recomendações das normas ABNT NBR 5739e ABNT NBR 8522,
[9], [10], respectivamente.
Para a realização do ensaio de arrancamento de barra de aço proposto, foram
confeccionadas formas que atendessem à recomendação da RILEM/CEB/FIP [7],
principalmente quanto às dimensões necessárias, seguindo modelos propostos por [11]
e [12], os detalhes são mostrados na Figura 3.
Na Figura 4 é mostrado os corpos-de-prova moldados em formas cilíndricas e sobre a
mesa; e já prontos para o ensaio de arrancamento, respectivamente. Para cada tipo de
concreto foram moldados 5 corpos-de-prova para cada diâmetro da barra de aço.
Para o concreto convencional, foi necessário vibrar os corpos de prova em uma
mesa de consitência, a Fig. 5 mostra os detalhes.
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Figura 3. Detalhe dos corpos-de-prova com aço de Φ1.0 e Φ1.6 cm
Figura 4. Moldagem dos corpos-de-prova
cp para ensaio de
arrancamento
cp para ensaio de
compressão e módulo
de elasticidade
Figura 5. Detalhe da vibração dos corpos-de-prova na mesa
vibratória
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Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
Os corpos-de-prova foram desmoldados após 24 horas, identificados e colocados dentro
do tanque de imersão, onde permaneceram até a idade de realização dos ensaios de 28
dias.
A aquisição de dados foi tempo, carga e deslocamento obtida utilizando um computador
com o software CATMAN que recebia os dados simultaneamente a cada 0,2 segundos
durante todo o ensaio, através do sistema de aquisição de dados SPIDER 8 ao qual
estava conectado ao LVDT e a célula de carga. Os ensaios de arrancamento da barra
foram realizados como mostra a Fig. 6.
LVDT
Corpo de
Prova
Barra de Aço
Suporte para
o LVDT
Garra
Figura 6. Ensaio de arrancamento (Pull Out Test)
3.-RESULTADOS E DISCUSSÕES
O resultado do ensaio de abatimento de tronco de cone para o CC foi de 80 mm, e os
resultados do ensaio de espalhamento para o CAA são mostrados no quadro 5.
Quadro 5. Resultado do ensaio de espalhamento do CAA
Concreto
T50 (s)
D1 (mm)
D2(mm)
Df(mm)
CAA
2
810
790
800
No quadro 5, observa-se que os parâmetros encontrados estão dentro dos especificados
para o CAA. No quadro 6, são mostrados os resultados da resistência à compressão,
média de três corpos-de-prova, do desvio padrão e do coeficiente de variação.
Quadro 6. Resistência à compressão do CC e CAA, aos 28 dias
Tipo de Concreto Fc (MPa)
Desvio Padrão (MPa) Coef. de Variação (%)
CC
34,5
2,68
7,7
CAA
35,0
1,80
5,1
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Observa-se no quadro 6, que praticamente não houve diferença da resistência à
compressão obtida pelo CAA e CC. Fato que pode estar relacionado com a composição
que apresenta mesma dosagem de cimento e relação a/c. Entretanto, observou-se que
durante o ensaio de compressão axial, ao atingir a carga máxima os corpos de prova do
CC partiam-se em vários pedaços, já os corpos de prova de CAA apresentavam
fendilhamento, porém o corpo mantinha-se praticamente inteiro. Os resultados do
módulo de elasticidade, média de três corpos-de-prova, aos 28 dias, do desvio padrão e
do coeficiente de variação são apresentados no quadro 7. No quadro 8, é apresentado o
resultado da carga última aplicada nos corpos-de-prova do Pull Out Test, no momento
da perda de aderência entre a barra de aço e o concreto.
Quadro 7. Módulo de elasticidade dos concretos CC e CAA.
Tipos de Concreto
Ec (GPa)
Desvio Padrão GPa)
Coef. Variação (%)
CC
27,5
0,98
3,5
CAA
29,3
0,83
2,8
Quadro 8. Carga última aplicada no ensaio de arrancamento
CC
CAA
[mm]
Carga ult.
[KN]
10
16
24,02
22,16
25,98
53,44
56,87
56,18
Tipo
ruptur
a
D
D
D
D
D
F
Média
24,5
55,5
Carga
ult.[KN]
34,32
33,33
30,39
68,73
64,42
70,50
Tipo
ruptur
a
F
F
F
F
F
F
Média
32,26
67,88
F = Fendilhamento; D = Deslizamento da barra
No quadro 8, verifica-se que os CAA suportam uma maior carga de arrancamento do
que o CC. As cargas de ruptura do CAA, que provocaram o arrancamento das barras,
nos dois tipos de diâmetros usados, foram superiores as do CC. Nos corpos-de-prova do
CC verificou-se que a perda da aderência ocorria por deslizamento da barra dentro do
maciço de concreto, como é mostrado na Fig. 7, sem ocorrer fissuras. Já no CAA
verificou-se a quebra do maciço de concreto acarretando na perda da aderência. Esta
quebra algumas vezes se deu apenas pelo aparecimento de uma rachadura ao longo do
diâmetro do cilindro como é mostrado na Fig. 8, e alguns casos dividiu o cilindro em
partes iguais. Isto pode ter ocorrido devido a maior carga de ruptura do CAA que
elevou uma maior energia de fratura antes do rompimento, levando a uma ruptura frágil.
Figura 7. Corpo de prova com perda de aderência por deslizamento
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Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
Figura 8. Tipos ruptura de Corpos-de-prova ao longo do diâmetro
Os gráficos das Figuras 9(a e b) e 10 (a e b)mostram as curvas de deslocamento versus
carga do ensaio de arrancamento, assim, como a curva média, dos corpos-de-prova dos
concretos convencional e autoadensável, respectivamente.
(a)
(b)
Figura 9. Curva desl.carga para CC com barra: a) 10 mm e b) 16
mm
As diferentes curvas refletem um comportamento que pode ser classificado como rígido
com um ramo pós-fissuração de amolecimento, isto é, o material resiste muito,
quase sem deformação, até que atinge a sua tensão limite e depois começa a perder a
sua capacidade de carga, na qual a deformação se torna mais significativa.
A RILEM / CEB / FIP Recomendações, estabelece todas as dimensões da amostra como
uma função do diâmetro da barra. Esta abordagem minimiza o efeito de escala. No
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entanto, quando se compara a carga versus curvas de deslocamento de diâmetros
diferentes para o mesmo concreto, há uma diferença significativa entre os resultados.
(a)
(b)
Figura 10. Curva deslocamento x carga para CAA com barra: a)
10mm e b)16mm.
Nos gráficos, pode-se observar que, independentemente do concreto, as amostras
com barra de 16 milímetros requerem cargas mais elevadas do que aquelas com barra
de 10mm para iniciar o deslizamento na interface concreto-aço. Por outro lado, podese comparar o comportamento de diferentes tipos de concreto para mesmo diâmetro da
barra. O CAA chega a cargas muito maiores do que os valores observados com o CC.
4.-CONCLUSÕES
Os parâmetros medidos no ensaio de espalhamento, realizado no concreto fresco,
mostraram que o concreto tem características de autoadensamento. O concreto
autoadensável apresentou resistência à compressão e módulo de elasticidade
imediatamente superior ao concreto convencional. Um maior desvio padrão e
coeficiente de variabilidade foram obtidos nos resultados do concreto convencional.
Para o concreto convencional, todos os corpos-de-prova com barra de 10 e 16
milímetros alcançaram a falha através do deslizamento das barras. Já os corpos-deprova de concreto autoadensável apresentaram fendas, antes do deslizamento da barra,
nos casos das amostras com barra de 16 mm sempre era escutado um estalo. A máxima
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Comportamento de aderência concreto autoadensável-aço
força de arrancamento da barra de aço para o concreto autoadensável foi
significativamente maior do que para o concreto convencional, porém o concreto
autoadensável mostrou uma ruptura mais brusca do que a do concreto convencional.
REFERÊNCIAS
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Guanabara Dois, 464 p. 1975.
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[3] OKAMURA, H. - SCC-HPC. International Concrete, v. 19, n. 7. p. 50-54, 1997.
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Engenharia Civil)-Escola Tècnica Superior D’Enginyers de Camins, Canals i Ports,
Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, 140 p. 2002.
[5] BARBOSA M.P., COSTA O.J., SILVA L.M., SALLES F.M. - Concreto autoadensável: avaliação da aderência aço-concreto através dos ensaios de determinação do
coeficiente de conformação superficial das barras de aço. In: CONGRESSO
BRASILEIRO DO CONCRETO, 46º IBRACON. Florianópolis, p. 484-497. 2004.
[6] BILLBERG P. - Self-compacting concrete for civil engineering structures – The
Swedish experience. S.C.C.R.I., Stockholm, pp. 1-77. 1999.
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[8] ASS. BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR MN 67 – Concreto:
Determinação da consistência pelo abatimento do toco de cone. Rio de Janeiro, 1998.
[9] ABNT. NBR 15823-1: concreto auto-adensável: Parte 1: Classificação, controle e
aceitação no estado fresco. Rio de Janeiro, 2010.
[10] ABNT. NBR 5739: concreto: ensaio de compressão de corpos-de-prova
cilíndricos. Rio de Janeiro, 2007.
[11] ABNT. NBR 8522: concreto: determinação dos módulos de elasticidade e de
deformação e da curva tensão-deformação. Rio de Janeiro, 2008.
[12] FERNANDES R. M. - A influencia das ações repetidas na aderência aço-concreto.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)–Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, São Carlos, 2000.
[13] ALMEIDA FILHO F.M. - Contribuição ao estudo da aderência entre barras de aço
e concretos auto-adensáveis. Tese (Doutorado)–Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, São Carlos, 291 f. 2006.
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