Dosagem de Concreto Utilizando a Ferramenta Computacional Betonlab
Rafael Araújo de Sousa | comentários
Feira de Santana- BA Setembro/2011
Monografia apresentada à disciplina Projeto Final I do Curso de Engenharia Civil, da Universidade Estadual de Feira de Santana, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr.Sc. Koji de Jesus Nagahama Co-Orientadora: Profª. Drª.Sc. Cintia Maria Ariani Fontes
Feira de Santana - BA Setembro/2011
Esta monografia foi julgada e aprovada como parte dos requisitos para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Feira de Santana.
Feira de Santana, 13 de setembro de 2011.
Dedico este trabalho aos meus pais, Miguel e Ruth, fonte de minha inspiração.
Primeiramente a Deus, pelo dom da vida, e por sempre guiar os meus caminhos.
Aos meus pais, Miguel e Ruth, por terem me ensinado que gratidão, humildade, respeito, honestidade, vontade de vencer e amor a Deus e ao próximo são os maiores valores que um homem pode ter. Vocês são simplesmente tudo o que sempre precisei em minha vida.
À minha família, em especial aos meus avôs, Maria, Nucila, Albino e Miguel, pelas orações.
À minha irmã, Milena, pela cumplicidade de todos os momentos. O tempo que moramos juntos me fez aprender que as pessoas precisam respeitar e amar as diferenças dos outros. Você é a minha maior companheira.
À minha namorada, Fabiana, por me ensinar que posso qualquer coisa, e para isso, basta eu ter vontade, e lutar.
Aos professores, e meus orientadores, Koji e Cintia, pela excelente orientação, confiança depositada em mim, ensinamentos, apoio, amizade, paciência, e por estarem sempre dispostos a me ajudar. Não teria conseguido sem a sua ajuda.
Aos amigos verdadeiros que fiz nessa universidade, e por todos os momentos que passamos juntos. Minha caminhada foi muito mais serena, e feliz, por causa de vocês. Levarei vocês em meu coração, para onde quer que eu vá.
À Professora Mônica, pelo auxílio em parte da fase laboratorial do meu trabalho.
Aos professores do curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Feira de Santana, pela amizade, ensinamentos e exemplo de profissionalismo.
Aos amigos do Mestrado, Jodilson, Adolfo e João, pelo companheirismo nos intermináveis ensaios de caracterização no laboratório.
Ao Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ, pela contribuição na realização de alguns ensaios e pela presteza em disponibilizar o Betonlab Pro.
Aos técnicos do Laboratório de Materiais de Construção (LABOTEC) da UEFS, pela ajuda.
A todos que fizeram parte da minha história na UEFS, e me ajudaram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.
Diversos são os métodos de dosagem de concreto, sejam para concretos convencionais, autoadensáveis e de alto desempenho. Todavia, cada metodologia de dosagem apresenta suas respectivas restrições. Surge então, uma ferramenta computacional, com o objetivo de dosar concretos, denominada Betonlab Pro, cuja fundamentação teórica se dá através de um modelo denominado de MEC (Modelo do Empacotamento Compressível), desenvolvido por De Larrard (1999). Nesse trabalho, procurou-se verificar a potencialidade dessa ferramenta de dosagem, para concretos convencionais. Como não há ainda uma metodologia para dosar concretos contendo agregados reciclados de resíduos de construção e demolição (RCD), verificou-se, também, a potencialidade do software para a dosagem desse tipo de concreto, com substituição de 100% dos agregados naturais (miúdo e graúdo) por agregados de RCD. Os resultados mostraram que o Betonlab Pro é preciso para a dosagem de concretos convencionais e com agregados de RCD, apresentando boas correlações entre os resultados teóricos e práticos.
Palavras-Chave: dosagem, Modelo do Empacotamento Compressível, concreto, Betonlab Pro
There are several methods for proportion for conventional, self compact and high performance concrete. However, each method has its respective restrictions. A computational tool, Betonlab Pro, based in a packing model denominated CPM (Compressible Packing Model), developed by De Larrard (1999).was used.The aim of this study was to evaluate the potential of this proportioning tool for conventional concrete. The absence of a proportioning method for concrete containing recycled aggregate of construction and demolition waste (CDW) allows verification of the softwares capability when used to proportioning this type of concrete, with 100% replacement of natural aggregates (fine and coarse) aggregates of RCD. The results demonstrated that the Betonlab Pro is a good proportioning tool when used with conventional and recycled concrete. It presents good agreement between theoretical and practical results.
Key words: proportioning, Compressible Packing Model, concrete, Betonlab Pro
Figura 3.1 - Empacotamento virtual de partículas cúbicas 24
Figura 3.2 - Misturas binárias com diferentes dominâncias: classe 1 dominante (a) e classe 2 dominante (b) 25
Figura 3.3 - Efeito do afastamento 26
Figura 3.4 - Efeito de parede 26
Figura 3.5 - Fases do empacotamento durante o ensaio de demanda de água 29
Figura 3.6 - Fases do empacotamento 30
Figura 3.7 - Cilindro e pistão para o ensaio de compactação 31
Figura 3.8 – Criação do registro dos materiais 32
Figura 3.9 – Escolha do tipo de material a ser inserido e do seu número de classes granulométricas 3
Figura 3.10 – Formação do banco de dados do cimento: informações (a) e composição (b) 34
saturação (a) e granulometria (b) 35
sem o superplastificante 36
absorção de água e parâmetros "p" e "q" (b) 37
absorção de água e parâmetros "p" e "q" (b) 39
Figura 3.18 – Calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados naturais 41
Figura 3.19 – Escolha dos materiais constituintes da mistura 42
Figura 3.20 – Definição dos parâmetros a serem calculados pelo Betonlab 43
Figura 3.21 – Simulação do traço inicial e otimizado no Betonlab 43
Figura 4.1 – Configuração do ensaio do Funil de Marsh 46
Figura 4.2 – Posição do pistão antes (a) e depois (b) do ensaio de compactação 48
Figura 4.3 – Resultado do ensaio de ponto de saturação 50
Figura 4.4 – Curva granulométrica do cimento 51
Figura 4.5 - Curva granulométrica do agregado miúdo 53
Figura 4.6 - Curva granulométrica do agregado graúdo 54
Figura 4.7 – Leitura do abatimento do tronco de cone 5
Figura 4.8 – Adensamento dos corpos-de-prova 56
LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 - Formação do banco de dados do cimento: resistência à compressão, massa específica e ponto de Figura 3.12 - Formação do banco de dados do cimento: compacidade experimental com o superplastificante e Figura 3.13 – Formação do banco de dados do agregado miúdo: informações do agregado (a); massa específica, Figura 3.14 - Formação do banco de dados do agregado miúdo: granulometria (a) e compacidade experimental Figura 3.15 - Formação do banco de dados do agregado graúdo: informações do agregado (a); massa específica, Figura 3.16 - Formação do banco de dados do agregado graúdo:granulometria (a) e compacidade experimental Figura 3.17 – Formação do banco de dados do aditivo superplastificante: informações, massa específica e teor de Figura 4.9 – Corpos-de-prova capeados ................................................................................................................ 57
Figura 5.1 – Proporção final (em kg/m³) dos materiais constituintes do concreto 59
Figura 5.2 – Comparação entre a granulometria do concreto dosado e uma granulometria contínua 60
Figura 5.3 – Ensaio de abatimento realizado na mistura: vista frontal (a) e vista superior (b) 61
Figura 5.4 - Limites de resistência à compressão aos 07 dias 63
Figura 5.5 - Limites de resistência à compressão aos 28 dias 63
Figura 6.1 – Curva granulométrica do agregado miúdo RCD 65
Figura 6.2 – Configuração do ensaio de absorção de água para os agregados de RCD 6
Figura 6.3 – Curva de absorção do agregado miúdo de RCD 68
Figura 6.4 – Curva granulométrica do agregado graúdo RCD 70
através da bomba de vácuo (a) e conjunto picnômetro + agregado + água + placa de vidro (b) 72
Figura 6.6 – Curva de absorção do agregado graúdo de RCD 73
Figura 6.7 - Calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados reciclados 75
Figura 6.8 - Proporção final (em kg/m³) dos materiais constituintes do concreto reciclado 76
Figura 6.9 – Granulometria do concreto reciclado, gerada no Betonlab Pro 7
Figura 6.10 – Abatimento da mistura 78
Figura 6.1 – Limites de resistência à compressão aos 07 dias 79
Figura 4.10 - Configuração do ensaio de resistência à compressão axial: antes do ensaio (a) e depois do ensaio Figura 6.5 – Configuração do ensaio de massa específica do agregado graúdo reciclado: retirada das bolhas de ar Figura 6.12 – Limites de resistência à compressão aos 28 dias ............................................................................. 79
Tabela 3.1 - Índice k para diferentes protocolos de empacotamento 27
Tabela 3.2 – Ensaios necessários para a formação do banco de dados do Betonlab Pro 28
Tabela 4.1 – Teor de sólidos e massa específica do aditivo 49
Tabela 4.2 – Características físico-químicas e mecânicas do cimento, e compacidade experimental 52
Tabela 4.3 – Caracterização física do agregado miúdo e compacidade experimental 53
Tabela 4.4 – Caracterização física do agregado graúdo e compacidade experimental 54
calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados 58
Tabela 4.6 – Resultado da calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados naturais 58
Tabela 5.1 – Valores de abatimento 60
Tabela 5.2 – Resultados experimentais e teóricos de resistência à compressão axial do concreto 62
Tabela 6.1 - Módulo de finura e dimensão máxima do agregado miúdo de RCD 64
Tabela 6.2 – Massa específica do agregado miúdo RCD 65
Tabela 6.3 – Resultado do ensaio de absorção do agregado miúdo de RCD 67
Tabela 6.4 –Compacidade experimental do agregado miúdo RCD 69
Tabela 6.5 - Módulo de finura e dimensão máxima do agregado graúdo RCD 69
Tabela 6.6 - Massa específica do agregado graúdo RCD 72
Tabela 6.7 – Resultado do ensaio de absorção do agregado miúdo de RCD 73
Tabela 6.8 – Compacidade experimental do agregado graúdo RCD 74
calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados reciclados 74
Tabela 6.10 – Resultado da calibração dos parâmetros "p" e "q" dos agregados reciclados 75
Tabela 6.1 – Valores de abatimento 7
LISTA DE TABELAS Tabela 4.5 – Consumo (kg/m³) dos materiais constituintes dos concretos e resistência à compressão para a Tabela 6.9 – Consumo (kg/m³) dos materiais constituintes dos concretos e resistência à compressão para a Tabela 6.12 – Resultados experimentais e teóricos de resistência à compressão axial do concreto reciclado ...... 78
1.1.2 Objetivos Específicos 14
1.2 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA 14
2.1 MÉTODO DO IPT/EPUSP (HELENE E TERZIAN, 1992) 16
2.1.1 Requisitos para a dosagem 16
2.1.2 Conceitos importantes do método 17
2.1.3 Metodologia experimental 17
2.1.4 Vantagens do método 18
2.1.5 Desvantagens do método 19
2.2 MÉTODO DO ACI/ABCP (RODRIGUES, 1995) 19
2.2.1 Requisitos para a dosagem 19
2.2.2 Conceitos importantes do método 20
2.2.3 Metodologia experimental 20
2.2.4 Vantagens do Método 21
2.2.5 Desvantagens do Método 21
3 FERRAMENTA COMPUTACIONAL BETONLAB PRO 23
2 MÉTODOS PARA DOSAGEM DE CONCRETO CONVENCIONAL16
GRANULARES (MEC) 23
3.1.1 Empacotamento Virtual 23
3.1.2 Empacotamento Real 26
FORMAÇÃO DO BANCO DE DADOS DO BETONLAB PRO 28
3.2.1 Ponto de saturação e compatibilidade com o cimento 28
3.2.2 Compacidade experimental do cimento 29
3.2.3 Compacidade experimental de empacotamento dos agregados 30
3.2.4 Parâmetros "p" e "q" dos agregados 31
3.3 PASSO-A-PASSO DE DOSAGEM UTILIZADO NO BETONLAB PRO 32
3.3.3 Composição do banco de dados do agregado miúdo 36
3.3.4 Composição do banco de dados do agregado graúdo 38
3.3.5 Composição do banco de dados do aditivo químico 40
3.3.6 Calibração dos parâmetros "p" e "q" 40
3.3.7 Etapa de dosagem do concreto 42
4 MATERIAIS E MÉTODOS 45
4.1 MATERIAIS 45
4.1.1 Procedimentos para determinação das propriedades dos materiais 45
4.1.2 Resultados dos ensaios de caracterização 49
4.2 MÉTODOS 54
4.2.1 Procedimento de mistura do concreto 5
4.2.2 Ensaio de abatimento do tronco de cone 5
4.2.3 Moldagem, adensamento e cura dos corpos-de-prova 56
4.2.4 Ensaio de resistência à compressão 56
4.2.5 Determinação dos parâmetros "p" e "q" 57
5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 59
5.1 ABATIMENTO 60
5.2 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO 61
6 ESTUDO DE CASO: RCD 64
6.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS 64
6.1.1 Agregado miúdo 64
6.1.2 Agregado graúdo 69
6.1.3 Determinação dos parâmetros "p" e "q" dos agregados de RCD 74
6.2 DOSAGEM DOS CONCRETOS RECICLADOS 75
6.3 RESULTADOS 76
6.3.1 Abatimento do tronco de cone 76
6.3.2 Resistência à compressão 78
7 CONCLUSÕES 81
O concreto é o material mais utilizado na construção civil. Os primeiros a serem produzidos pela humanidade eram compostos por cimento Portland, agregado miúdo, agregado graúdo e água, cujas resistências à compressão dificilmente ultrapassavam o valor de 10 MPa (FORMAGINI, 2005).
Com a exigência do mercado da construção civil, estruturas mais esbeltas tem sido criadas. Tais estruturas demandam concretos mais resistentes, novos mecanismos de lançamento e adensamento, bem como, buscam atender aos critérios de durabilidade impostos para cada caso. Por isso, esse material vem sendo alvo de pesquisas de modo a acompanhar todo esse desenvolvimento na área da construção sem perder a competitividade. Segundo Boggio (2000), há um consenso quanto a sua viabilidade econômica e capacidade de aplicação técnica. Esses fatores justificam o interesse permanente em pesquisas cujo objetivo é o aperfeiçoamento desse material, por meio da melhoria de suas propriedades quanto à trabalhabilidade, resistência mecânica e durabilidade.
Para cada aplicação, torna-se necessário que o concreto atenda a determinados parâmetros no estado fresco, os quais garantam adequados lançamento e adensamento, e no estado endurecido, propriedades suficientemente coerentes às solicitações estruturais, atendendo, simultaneamente, aos requisitos de durabilidade. Por exemplo, para concretos auto-adensáveis, é importantíssimo haver fluidez e coesão suficientes para o material se acomodar, através de seu peso próprio, por entre as fôrmas e armaduras da estrutura sem a necessidade de vibração, e sem segregar. Isso indica que o mercado tem demandado concretos cada vez mais distintos, e devido a esse fato, devem ser dosados de maneira adequada.
Dosar concreto adequadamente significa utilizar materiais (naturais ou não) cujas características e proporcionamento, incorporem à mistura, as propriedades necessárias para cada caso. Para isso, é importante a utilização de métodos de dosagem adequados a cada situação. Existem diversas metodologias para dosagem de concretos, como por exemplo, os métodos da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) e do Instituto de Pesquisas Tecnológicas/Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (IPT/EPUSP). Conhecidos como tradicionais, dosam concretos com resistência de até 50 MPa, de forma econômica. Para a dosagem de concretos compreendidos em faixas de resistências maiores, tornam-se inviáveis economicamente. É importante ressaltar que essas metodologias tradicionais foram desenvolvidas para a dosagem com a utilização de materiais naturais, sendo restritas à utilização de materiais não naturais (como aditivos e adições, os quais estão recebendo atenção especial ultimamente).
Há também alguns métodos para dosagem de concretos de alta resistência, como o de
Aïtcin, o qual, segundo Formagini (2005), é capaz de dosar concretos compreendidos na faixa entre 50 e 140 MPa, além de levar em consideração, diferentemente dos métodos citados anteriormente, os efeitos da inserção da sílica ativa e do aditivo plastificante na mistura. Porém, não é adequado para a dosagem de concretos nos quais sejam incorporados outros materiais, como cinza volante e resíduos de construção e demolição (RCD), e para concretos de resistências compreendidas fora da faixa citada.
Dos métodos citados, todos apresentam restrições quanto ao tipo de concreto a ser dosado. Porém, há o Modelo de Empacotamento Compressível (MEC), proposto por De
[...] é estruturado dentro de um quadro teórico científico solidamente estabelecido. Sua eficiência foi comprovada para diferentes tipos de concreto. Com essa formulação, podem ser dosados, dentre outros, concretos de resistência normal, de alto desempenho, com pós-reativos, jateados, auto-adensáveis, compactados a rolo e de diferentes densidades (FORMAGINI, 2005, p. 4).
Além de ser uma metodologia para a dosagem de concreto, pode ser implementada computacionalmente, a exemplo do programa Betonlab Pro, desenvolvido no Laboratoire
Central des Ponts et Chaussees (LCPC) com base no MEC.
O Betonlab Pro é um simulador para diferentes composições de misturas, com o propósito de selecionar de maneira adequada os materiais para atender às propriedades desejadas do concreto, tanto no estado fresco quanto após o endurecimento (CORDEIRO, 2006, p. 284).
Nesse trabalho foi verificada a potencialidade desse simulador de misturas, através da validação experimental dos valores simulados no programa (valores teóricos).
O objetivo principal desse trabalho é utilizar a ferramenta computacional Betonlab Pro para dosar concreto, validando experimentalmente os valores teóricos simulados no programa.
Os objetivos específicos desse trabalho são: a) Estudar os princípios fundamentais do modelo do empacotamento compressível; b) Demonstrar a precisão da ferramenta, através da correlação entre algumas das mesmas propriedades obtidas do concreto, simuladas no Betonlab Pro, e as propriedades da mistura experimental (neste trabalho foram verificados o abatimento do tronco de cone e a resistência à compressão); c) Realizar um estudo de caso, verificando a potencialidade do software para a dosagem de concreto reciclado, com substituição de 100% dos agregados naturais (miúdo e graúdo) por agregados de RCD.
1.2 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
No primeiro capítulo é realizada uma introdução à pesquisa, comentando sobre a evolução do concreto, ressaltando-se algumas das aplicações desse material, as quais justificam a necessidade crescente de se desenvolver novas metodologias de dosagem para que o material alcance as propriedades desejadas. São descritos também os objetivos geral e específicos desse trabalho.
O segundo capítulo discorre sobre duas metodologias para a dosagem de concretos convencionais: os métodos do IPT/EPUSP e da ABCP, abordando seus principais conceitos, caracterização preliminar do cimento e agregados, solicitações de projeto, metodologia experimental de dosagem e algumas considerações sobre cada um desses métodos.
Para a dosagem de concretos com a utilização do Betonlab Pro é necessário caracterizar os materiais os quais farão parte da mistura, para a composição do banco de dados do programa, e posterior otimização, para atender as propriedades almejadas para o concreto. O capítulo três apresenta o MEC (metodologia que fundamenta o programa), as metodologias de caracterização de todos os materiais que serão utilizados (cimento, agregados e aditivos) e o passo-a-passo de utilização do programa para realizar a dosagem. O capítulo quatro apresenta os resultados dos ensaios de caracterização dos materiais.
O capítulo cinco apresenta os resultados experimentais dos ensaios realizados no concreto dosado, correlacionando-os com os resultados teóricos referentes às mesmas propriedades simuladas no Betonlab Pro.
No capítulo seis é realizado um estudo de caso: Dosagem de concreto reciclado com 100% de agregados miúdo e graúdo de RCD. Verifica-se, com esse estudo de caso, a potencialidade do Betonlab Pro para a dosagem de concretos com a utilização do RCD. No último capítulo serão apresentadas as conclusões sobre esse trabalho.
2 MÉTODOS PARA DOSAGEM DE CONCRETO CONVENCIONAL
Dosar concreto é encontrar o proporcionamento adequado entre os materiais da mistura (cimento, água, agregados, aditivos e adições), com o propósito de se alcançar determinadas propriedades (tanto no estado fresco como no estado endurecido), previstas em projeto, e com o menor custo possível.
Existem diversas metodologias para dosagem de concretos, sejam convencionais, de alta resistência ou auto-adensáveis. Este capítulo tem como finalidade abordar duas metodologias para dosagem de concretos convencionais, objeto desse estudo.
2.1 MÉTODO DO IPT/EPUSP (HELENE E TERZIAN, 1992)
Esse método foi desenvolvido pelo IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) e pela
EPUSP (Escola Politécnica da Universidade de São Paulo). É uma metodologia experimental, e por apresentar um simples processo de proporcionamento dos materiais constituintes da mistura, é bastante utilizado no Brasil.
2.1.1 Requisitos para a dosagem
Para a dosagem adequada de um concreto, é necessário conhecer as características dos materiais os quais constituirão a mistura, bem como, deve-se saber a situação sob a qual o concreto será submetido. Os requisitos necessários para a dosagem são, segundo Helene e Terzian (1992): a) Tipo, classe e nível de resistência à compressão, aos 28 dias, do cimento; b) Granulometria, massa unitária, massa específica e coeficiente de inchamento do agregado miúdo; c) Granulometria, dimensão máxima característica, massa unitária e massa específica do agregado graúdo; d) Resistência característica do concreto à compressão de projeto (fck); e) Escolha da dimensão máxima característica do agregado graúdo; f) Escolha da consistência do concreto; g) Determinação da relação água/cimento (a/c) para corresponder aos requisitos de durabilidade de cada caso; h) Estimativa de perda de argamassa do concreto devido ao sistema de transporte e lançamento (varia em geral entre 2 e 4%).