Tecnologia do Concreto

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O concreto é um dos materiais mais utilizados nas construções no Brasil. Esta obra apresenta todos os aspectos da tecnologia do concreto, desde os mais básicos, evoluindo para os mais complexos. Inclui materiais constituintes, efeitos do meio ambiente, durabilidade, concretos especiais, ensaios, etc.

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Capítulo 1 - Concreto como um Material Estrutural

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Concreto como um

Material Estrutural

O leitor deste livro provavelmente é alguém interessado na utilização do concreto em estruturas, sejam pontes, edifícios, rodovias ou barragens. Do ponto de vista dos autores, para que seja possível utilizar o concreto de maneira satisfatória, o projetista e o executante devem estar familiarizados com a tecnologia do concreto.

Atualmente dois materiais estruturais são os mais utilizados: o concreto e o aço.

Algumas vezes eles se complementam e, outras, competem entre si, de maneira que muitas estruturas de mesmo tipo e função podem ser construídas com qualquer um desses materiais. Ainda assim, as universidades e escolas de engenharia ensinam muito menos sobre concreto do que sobre o aço. Isso poderia não ser importante se, na prática, o engenheiro de campo não precisasse saber mais sobre concreto do que aço. Segue uma explicação.

O aço é produzido sob condições rigidamente controladas, sempre em um ambiente industrial sofisticado. As propriedades de cada tipo de aço são determinadas em laboratório e apresentadas no certificado do fabricante. Portanto, o projetista de estruturas metálicas precisa somente especificar o aço conforme as normas, e o construtor deve somente garantir que o aço correto seja utilizado e que as conexões entre os elementos sejam adequadamente executadas.

 

Capítulo 2 - Cimento

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Cimento

Os antigos romanos foram, provavelmente, os primeiros a utilizarem um concreto

(palavra de origem latina) baseado em um cimento hidráulico, que é um material que endurece pela ação da água. Essa propriedade e a característica de não sofrer alterações químicas pela exposição à água ao longo do tempo são as mais importantes e contribuíram para difundir o uso do concreto como material de construção. O cimento romano caiu em desuso, e somente em 1824 o cimento moderno, conhecido como cimento Portland, foi patenteado por Joseph Aspdin, um construtor de Leeds.

Cimento Portland é o nome dado ao cimento obtido pela mistura íntima de calcário, argila ou outros materiais silicosos, alumina e materiais que contenham óxido de ferro. Essa mistura é queimada à temperatura de clinquerização, sendo o material resultante dessa queima, o clínquer, moído. As definições das normas britânicas, bem como das normas europeias e americanas são baseadas nestes princípios: nenhum material, além de gipsita (sulfato de cálcio), água e agentes de moagem, deve ser adicionado após a queima.

 

Capítulo 3 - Agregados

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Agregados

Aproximadamente ¾ do volume de concreto são ocupados pelos agregados, então

é de se esperar que sua qualidade seja de grande importância. Os agregados não só limitam a resistência do concreto, como também suas propriedades afetam significativamente a durabilidade e o desempenho estrutural do concreto.

Os agregados eram tidos no início como materiais inertes, de baixo custo, dispersos na pasta de cimento de forma a produzir um grande volume de concreto. Na realidade, eles não são realmente inertes, já que suas propriedades físicas, térmicas e algumas vezes químicas influenciam no desempenho do concreto, por exemplo, melhorando sua estabilidade dimensional e durabilidade em relação às da pasta de cimento. Do ponto de vista econômico, é vantajoso produzir misturas com o maior teor de agregados e a menor quantidade de cimento possível, mas a relação custo/ benefício deve ser contrabalançada com as propriedades desejadas do concreto no estado fresco e endurecido.

 

Capítulo 4 - Qualidade da Água

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Qualidade da Água

No Capítulo 6, no qual será analisada a resistência do concreto, a importância fundamental da quantidade de água de amassamento na resistência ficará clara. Nesta etapa, a abordagem está focada nos ingredientes individuais do concreto: cimento, agregados e água. Este capítulo trata da qualidade da água.

A qualidade da água é importante porque suas impurezas podem interferir na pega do cimento, afetar negativamente a resistência do concreto ou causar manchamento de sua superfície, podendo ainda levar à corrosão das armaduras. Por essas razões, a adequabilidade da água de amassamento e de cura deve ser verificada.

Deve ficar clara a diferença entre os efeitos da água de amassamento e o ataque ao concreto endurecido por águas agressivas, pois algumas destas últimas podem ser prejudiciais ou mesmo benéficas quando utilizadas na mistura.

Água de amassamento

Em muitas especificações, a qualidade da água é definida por uma cláusula que estabelece que a água potável é adequada para uso em concreto.

 

Capítulo 5 - Concreto Fresco

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Concreto Fresco

Tendo analisado os ingredientes individuais do concreto, serão estudadas agora as propriedades do concreto fresco.

Uma vez que as propriedades de longo prazo do concreto endurecido, como resistência, estabilidade de volume e durabilidade, são bastante afetadas pelo grau de adensamento, é de vital importância que a consistência ou a trabalhabilidade do concreto fresco seja tal que ele possa ser adequadamente transportado, lançado, adensado e acabado de forma relativamente fácil, sem sofrer segregação, o que pode ser prejudicial ao adensamento.

Trabalhabilidade

Rigorosamente falando, a trabalhabilidade pode ser definida como a quantidade de trabalho interno útil necessário à obtenção do adensamento total. O trabalho interno útil é uma propriedade física inerente do concreto e é o trabalho ou energia exigido para vencer o atrito interno entre as partículas individuais do concreto. Entretanto, na prática é necessária energia adicional para vencer o atrito superficial entre o concreto e as fôrmas ou as armaduras. Também é desperdiçada energia pela vibração das fôrmas e pela vibração de concreto já adensado. Portanto, na prática é difícil medir a trabalhabilidade conforme a definição e o que se avalia é a trabalhabilidade resultante do método específico adotado.

 

Capítulo 6 - Resistência do Concreto

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Resistência do Concreto

A resistência do concreto normalmente é considerada a propriedade mais importante, embora, em muitas situações práticas, outras características, como durabilidade, impermeabilidade e estabilidade de volume podem ser de fato mais importantes. No entanto, a resistência normalmente dá uma ideia geral da qualidade do concreto, por estar diretamente ligada à estrutura da pasta de cimento.

A resistência, bem como a durabilidade e alterações de volume da pasta de cimento endurecido, parece não depender tanto da composição química quanto da estrutura física dos produtos de hidratação do cimento e de suas proporções volumétricas relativas. Em especial, a presença de falhas, descontinuidades e poros é significante e, para entender suas influências na resistência, é importante considerar a mecânica da fratura do concreto sob tensão. No entanto, uma vez que nosso conhecimento desta abordagem fundamental é inadequado, é necessário relacionar a resistência a parâmetros mensuráveis da estrutura da pasta de cimento hidratada. Será mostrado que um fator de fundamental importância é a porosidade, isto é, o volume relativo de poros ou vazios na pasta de cimento. Os vazios podem ser considerados como causas de diminuição da resistência. Outras fontes de enfraquecimento vêm da presença do agregado, que pode conter falhas em sua estrutura, além de ser causador de microfissuração na interface com a pasta de cimento. Infelizmente, a porosidade da pasta de cimento hidratada e a microfissuração são de difícil quantificação de maneira eficiente, de modo que para fins de engenharia é necessário recorrer a um estudo empírico dos efeitos de vários fatores sobre a resistência do concreto. Na realidade, será visto que o fator primordial é a relação água/cimento, sendo as demais proporções das misturas de importância secundária.

 

Capítulo 7 - Mistura, Transporte, Lançamentoe Adensamento do Concreto

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Mistura, Transporte, Lançamento e Adensamento do Concreto

Até agora foi apresentado o que pode ser considerado uma receita para o concreto. Foram conhecidas as propriedades dos ingredientes, mas não muito sobre suas proporções.

Também são conhecidas as propriedades da mistura, o concreto fresco; agora deve-se dar atenção aos meios práticos de produção do concreto fresco e do lançamento nas fôrmas de maneira que possa endurecer, tornando-se um material estrutural ou de construção, ou seja, o concreto endurecido – normalmente denominado apenas concreto. A sequência de operações é a seguinte: as quantidades corretas de cimento, agregados e

água (possivelmente também aditivos) são colocadas e misturadas em uma betoneira. O concreto fresco produzido é transportado do misturador até seu destino final e, então, lançado nas fôrmas e adensado de modo a obter uma massa densa que irá endurecer, eventualmente com alguma ajuda. Cada uma dessas operações será analisada.

 

Capítulo 8 - Aditivos

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Aditivos

Frequentemente, em vez da utilização de um cimento especial, é possível alterar algumas das propriedades dos cimentos de uso mais comum pela incorporação de uma adição, um aditivo para cimento ou um aditivo para concreto. Em alguns casos, essa incorporação é a única maneira de se alcançar um determinado efeito. Existe um grande número de produtos registrados disponíveis. Seus efeitos desejados são descritos pelos fabricantes, mas alguns outros efeitos podem não ser conhecidos, de modo que um enfoque cauteloso, incluindo ensaios de desempenho, é sensato. Deve ser ressaltado que os termos “adição”* e “aditivo”**

Este capítulo trata principalmente dos aditivos químicos. Os agentes incorporadores de ar que têm como objetivo principal a proteção do concreto contra os efeitos deletérios de ciclos de gelo-degelo serão considerados no Capítulo 15. Os aditivos químicos são, essencialmente, os redutores de água (plastificantes), retardadores de pega e aceleradores, classificados pela ASTM C 494–05a, respectivamente, como

 

Capítulo 9 - Problemas de Temperatura em Concretagem

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Problemas de Temperatura em Concretagem

Existem alguns problemas relacionados às concretagens em climas quentes advindos tanto de uma temperatura elevada do concreto como, em muitos casos, da elevada taxa de evaporação da mistura fresca. No caso de grandes volumes ou massas de concreto, os problemas são associados com uma possível fissuração decorrente da elevação e queda da temperatura devido ao calor de hidratação do cimento e pela ação concomitante da restrição às variações de volume. Por outro lado, em concretagem em climas frios são necessárias precauções para evitar os efeitos danosos do congelamento no concreto fresco ou novo. Em todos esses casos, devem ser tomadas providências adequadas na mistura, no lançamento e na cura do concreto.

Problemas devido a climas quentes

Uma temperatura do concreto fresco mais elevada que o normal resulta em uma hidratação do cimento mais rápida e leva, portanto, a pega acelerada e menor resistência em longo prazo do concreto endurecido (ver Fig. 9.1), já que é formada uma estrutura de gel menos uniforme (ver Capítulo 10). Além disso, se a alta temperatura é acompanhada por uma baixa umidade relativa do ar, ocorre a rápida evaporação de parte da água de amassamento, causando uma maior perda de trabalhabilidade, maior retração plástica e maior formação de fissuras (ver Capítulo

 

Capítulo 10 - Cura do Concreto

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Cura do Concreto

Com objetivo de obter um concreto de boa qualidade, o lançamento de uma mistura adequada deve ser seguido pela cura em um ambiente adequado durante os primeiros estágios de endurecimento. Cura é o nome dado aos procedimentos utilizados para promover a hidratação do cimento e, com isso, o desenvolvimento da sua resistência. Os procedimentos de cura consistem em controle da temperatura e do movimento de água de dentro para fora concreto e vice-versa, que afetam não somente a resistência, mas também a durabilidade. Este capítulo trata dos vários métodos de cura, tanto em temperatura normal, como em temperatura elevada.

Esta última acelera a velocidade das reações químicas de hidratação e o ganho de resistência. Entretanto, deve ser destacado que a aplicação precoce de uma temperatura mais alta pode afetar negativamente a resistência em longo prazo, ou seja, a influência da temperatura deve ser cuidadosamente analisada.

Cura normal

O objetivo da cura à temperatura normal é manter o concreto saturado ou o mais próximo disso possível, até que os espaços na pasta de cimento fresca, inicialmente preenchidos com água, sejam ocupados até um nível desejado, pelos produtos de hidratação do cimento. No caso de concretos aplicados em canteiros, a cura quase sempre cessa bem antes de atingir a máxima hidratação possível. A influência da cura úmida na resistência pode ser verificada na Fig. 10.1, sendo que as resistências à tração e à compressão são afetadas de maneira similar. A deficiência no ganho de resistência em consequência da cura inadequada, ou seja, devido à perda de água por evaporação,

 

Capítulo 11 - Outras Propriedades da Resistência do Concreto

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Outras Propriedades da

Resistência do Concreto

O título deste capítulo se refere à resistência do concreto submetido a diversos tipos de solicitações diferentes da compressão estática. No projeto de estruturas, o concreto é utilizado de modo a não depender de sua resistência à tração, que é baixa.

Entretanto, obviamente as tensões de tração não podem ser evitadas. Elas estão relacionadas com o cisalhamento e são geradas por movimentos diferenciais, como a retração, que com frequência resulta em fissuração e diminuição da durabilidade.

Consequentemente é necessário entender como a resistência à tração se relaciona com a resistência à compressão.

Em algumas estruturas, são aplicadas solicitações cíclicas e, nesse caso, é necessário conhecimento sobre a fadiga do concreto. A resistência a impactos também pode ser de interesse e, em algumas situações, as superfícies de concreto são submetidas ao desgaste, de modo que a resistência à abrasão é importante.

 

Capítulo 12 - Elasticidade e Fluência

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Elasticidade e Fluência

Para ser possível o cálculo da deformação e deflexão de componentes estruturais, deve-se conhecer a relação entre tensão e deformação. Em comum com a maioria dos materiais estruturais, o concreto se comporta de modo aproximadamente elástico quando a carga é aplicada pela primeira vez. Entretanto, sob carga de longa duração

(ou carga mantida), o concreto apresenta fluência, ou seja, a deformação aumenta com o tempo sob uma tensão constante, mesmo com tensões muito pequenas e sob condições ambientais de temperatura e umidade normais. O aço, por outro lado, sofre fluência à temperatura normal somente com tensões muito elevadas ou mesmo com baixas tensões em temperaturas muito elevadas e, em ambos os casos, ocorre a ruptura em função do tempo. Em compensação, no concreto sujeito a uma tensão cerca de 60 a 70% da tensão de curta duração, não ocorre ruptura por fluência ou por fadiga estática (ver Capítulo 11). Da mesma forma que o concreto, a madeira também sofre fluência sob condições ambientais normais.

 

Capítulo 13 - Deformação e Fissuração Sem Carregamento

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Deformação e Fissuração sem Carregamento

Além da fissuração causada por aplicação de tensões, variações de volume devido a retração e a mudanças de temperatura são de considerável importância. Esses movimentos são parcial ou totalmente restringidos e, portanto, induzem tensões. Assim, embora a retração (ou expansão) e a variação térmica sejam consideradas como independentes da ocorrência de tensões, a situação real infelizmente não é tão simples.

O maior risco é a presença de tensões de tração induzidas por algumas formas de restrição a esses movimentos, já que o concreto possui uma resistência à tração muito baixa, sendo suscetível à fissuração. As fissuras devem ser evitadas ou controladas e minimizadas, pois afetam a durabilidade e a integridade estrutural, além de serem também esteticamente indesejáveis.

Retração e expansão

A retração é causada pela perda de água por evaporação ou pela hidratação do cimento, e também pela carbonatação. A redução do volume, ou seja, deformação volumétrica é igual a 3 vezes a contração linear e, na prática, mede-se a retração simplesmente como uma deformação linear. Suas unidades são, portanto, mm por mm, normalmente expressas em 10–6.

 

Capítulo 14 - Permeabilidade e Durabilidade

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Permeabilidade e Durabilidade

A durabilidade do concreto é uma de suas propriedades mais importantes, pois é essencial que ele seja capaz de suportar as condições para as quais foi projetado durante a vida da estrutura.

A falta de durabilidade pode ser causada por agentes externos advindos do meio ou por agentes internos ao concreto. As causas podem ser classificadas como físicas, mecânicas e químicas. As causas físicas vêm da ação do congelamento (ver Capítulo

15) e das diferenças entre as propriedades térmicas do agregado e da pasta de cimento (ver Capítulo 13), enquanto as causas mecânicas estão associadas principalmente

à abrasão (ver Capítulo 11).

Neste capítulo, o enfoque será nas causas químicas: ataques por sulfatos, ácidos,

água do mar e cloretos, que induzem a corrosão eletroquímica da armadura. Como esses ataques ocorrem no interior da massa de concreto, o agente agressivo deve ser capaz de penetrar no concreto, que, por sua vez, tem de ser permeável. A permeabilidade é, portanto, de fundamental interesse. O ataque é favorecido pelo transporte interno dos agentes agressivos por difusão devido aos gradientes internos de umidade e temperatura e pela osmose.

 

Capítulo 15 - Resistência ao Gelo-Degelo

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Resistência ao Gelo-Degelo

No Capítulo 9, foram discutidos os problemas específicos associados ao concreto em clima frio e a necessidade de proteção adequada do concreto fresco de modo que, quando endurecido, seja resistente e durável. Neste capítulo, o enfoque será na vulnerabilidade do concreto, produzido em temperaturas normais, a ciclos repetidos de gelo-degelo.

Este é um item específico da durabilidade, mas sua importância é tão grande que a ele

é dedicado um capítulo separado. O problema está relacionado à presença de água no concreto, mas não pode ser explicado somente pela expansão da água no congelamento.

Ação do congelamento

A água pura em ambiente aberto congela a 0°C; no concreto, a “água” é na realidade uma solução de vários sais, de modo que seu ponto de congelamento é mais baixo.

Além disso, a temperatura em que a água congela é mais baixa quanto menor for a dimensão dos poros preenchidos com água. No concreto, a dimensão dos poros varia desde muito grandes até muito pequenos (ver página 100), de modo que não existe um ponto de congelamento único. Em especial, os poros de gel são muito pequenos para permitir a formação de gelo e a maior parte do congelamento ocorre nos poros capilares. Também pode ser observado que poros maiores, resultantes de um adensamento incompleto, estão em geral cheios de ar e não são significativamente afetados à ação inicial de congelamento.

 

Capítulo 16 - Ensaios

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Ensaios

É claro que não é suficiente ter o conhecimento de como selecionar uma mistura de concreto com a expectativa de que ela tenha determinadas propriedades e como especificar essa mistura. Também é necessário garantir que esta é a escolha correta.

O método básico para verificar se o concreto atende às especificações (ver Capítulo 17) é realizar ensaios de sua resistência utilizando cubos ou cilindros produzidos a partir de amostras de concreto fresco. O ideal seria planejar a realização de ensaios de conformidade para as misturas de concreto fresco, antes mesmo de ser lançado, mas infelizmente esses ensaios são bastante complexos e não apropriados para canteiros de obra. Por consequência, a resistência do concreto endurecido deve ser determinada em um momento em que uma quantidade considerável de concreto suspeito pode ter sido lançada. Para compensar essa desvantagem, algumas vezes são utilizados ensaios acelerados como base para a conformidade.

Deve-se ressaltar que a não conformidade em um ensaio de um único corpo de prova, ou mesmo um grupo, não significa necessariamente que o concreto de onde foram obtidos os corpos de prova seja inferior ao especificado. A reação do engenheiro deve ser a realização de uma investigação maior sobre o concreto. Isso pode ser feito por ensaios não destrutivos no concreto da estrutura (ver BS 1881–201:

 

Capítulo 17 - Conformidade com as Especificações

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Conformidade com as

Especificações

O projeto de estruturas de concreto é baseado na hipótese de que algumas propriedades mínimas (eventualmente máximas) do concreto, como a resistência (mas resistência real do concreto, tanto produzido em canteiro como em laboratório), sejam uma grandeza variável. As fontes de variabilidade são várias: variações nos componentes da mistura, mudanças na produção e lançamento do concreto e também, em relação aos resultados dos ensaios, as variações no procedimento de amostragem e no próprio ensaio. É importante minimizar essa variabilidade por meio de procedimentos de controle de qualidade e pela adoção dos procedimentos de ensaios normalizados descritos no Capítulo 16. Além disso, o conhecimento da variabilidade é necessário para que possa ser possível interpretar de maneira adequada os valores de resistência ou, em outras palavras, detectar alterações estatisticamente significativas na resistência contrapondo às variações aleatórias.

 

Capítulo 18 - Concreto Leve

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Concreto Leve

Este capítulo trata do concreto isolante e do concreto estrutural, cuja massa específica é consideravelmente menor que a dos concretos produzidos com agregados normais. As propriedades que distinguem o concreto leve do concreto normal são analisadas, bem como os tipos de agregados leves.

Classificação dos concretos leves

É conveniente classificar os vários tipos de concretos leves segundo o método de produção. São eles:

(a)

(b)

(c)

Pela utilização de agregados porosos leves, ou seja, de massa específica menor que 2,6 g/cm3. Este tipo de concreto é conhecido como concreto com agregados leves.

Pela introdução de vazios de grandes dimensões no concreto ou na argamassa. Esses vazios devem estar claramente distinguidos dos vazios extremamente pequenos produzidos pela incorporação de ar. Este tipo de concreto é conhecido por vários nomes: aerado, celular, espumoso.

Pela exclusão dos agregados miúdos da mistura de modo que existe um grande número de vazios intersticiais. Normalmente são utilizados agregados graúdos normais, sendo este concreto conhecido como concreto sem finos.

 

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