Dosagem de Concreto Utilizando a Ferramenta Computacional Betonlab

Dosagem de Concreto Utilizando a Ferramenta Computacional Betonlab

(Parte 1 de 4)

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 cúbicas24
Figura 3.2 - Misturas binárias com diferentes dominâncias: classe 1 dominante (a) e classe 2 dominante (b)25
Figura 3.3 - Efeito do afastamento26
Figura 3.4 - Efeito de parede26
Figura 3.5 - Fases do empacotamento durante o ensaio de demanda de água29
Figura 3.6 - Fases do empacotamento30
Figura 3.7 - Cilindro e pistão para o ensaio de compactação31
Figura 3.8 – Criação do registro dos materiais32
Figura 3.9 – Escolha do tipo de material a ser inserido e do seu número de classes granulométricas3
Figura 3.10 – Formação do banco de dados do cimento: informações (a) e composição (b)34
saturação (a) e granulometria (b)35
sem o superplastificante36
absorção de água e parâmetros “p” e “q” (b)37
(b)38
absorção de água e parâmetros “p” e “q” (b)39
(b)39
sólidos40
Figura 3.18 – Calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados naturais41
Figura 3.19 – Escolha dos materiais constituintes da mistura42
Figura 3.20 – Definição dos parâmetros a serem calculados pelo Betonlab43
Figura 3.21 – Simulação do traço inicial e otimizado no Betonlab43
Figura 4.1 – Configuração do ensaio do Funil de Marsh46
Figura 4.2 – Posição do pistão antes (a) e depois (b) do ensaio de compactação48
Figura 4.3 – Resultado do ensaio de ponto de saturação50
Figura 4.4 – Curva granulométrica do cimento51
Figura 4.5 - Curva granulométrica do agregado miúdo53
Figura 4.6 - Curva granulométrica do agregado graúdo54
Figura 4.7 – Leitura do abatimento do tronco de cone5
Figura 4.8 – Adensamento dos corpos-de-prova56

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

(b)57
Figura 5.1 – Proporção final (em kg/m³) dos materiais constituintes do concreto59
Figura 5.2 – Comparação entre a granulometria do concreto dosado e uma granulometria contínua60
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 dias63
Figura 5.5 - Limites de resistência à compressão aos 28 dias63
Figura 6.1 – Curva granulométrica do agregado miúdo RCD65
Figura 6.2 – Configuração do ensaio de absorção de água para os agregados de RCD6
Figura 6.3 – Curva de absorção do agregado miúdo de RCD68
Figura 6.4 – Curva granulométrica do agregado graúdo RCD70
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 RCD73
Figura 6.7 - Calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados reciclados75
Figura 6.8 - Proporção final (em kg/m³) dos materiais constituintes do concreto reciclado76
Figura 6.9 – Granulometria do concreto reciclado, gerada no Betonlab Pro7
Figura 6.10 – Abatimento da mistura78
Figura 6.1 – Limites de resistência à compressão aos 07 dias79

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 empacotamento27
Tabela 3.2 – Ensaios necessários para a formação do banco de dados do Betonlab Pro28
Tabela 4.1 – Teor de sólidos e massa específica do aditivo49
Tabela 4.2 – Características físico-químicas e mecânicas do cimento, e compacidade experimental52
Tabela 4.3 – Caracterização física do agregado miúdo e compacidade experimental53
Tabela 4.4 – Caracterização física do agregado graúdo e compacidade experimental54
calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados58
Tabela 4.6 – Resultado da calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados naturais58
Tabela 5.1 – Valores de abatimento60
Tabela 5.2 – Resultados experimentais e teóricos de resistência à compressão axial do concreto62
Tabela 6.1 - Módulo de finura e dimensão máxima do agregado miúdo de RCD64
Tabela 6.2 – Massa específica do agregado miúdo RCD65
Tabela 6.3 – Resultado do ensaio de absorção do agregado miúdo de RCD67
Tabela 6.4 –Compacidade experimental do agregado miúdo RCD69
Tabela 6.5 - Módulo de finura e dimensão máxima do agregado graúdo RCD69
Tabela 6.6 - Massa específica do agregado graúdo RCD72
Tabela 6.7 – Resultado do ensaio de absorção do agregado miúdo de RCD73
Tabela 6.8 – Compacidade experimental do agregado graúdo RCD74
calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados reciclados74
Tabela 6.10 – Resultado da calibração dos parâmetros “p” e “q” dos agregados reciclados75
Tabela 6.1 – Valores de abatimento7

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 INTRODUÇÃO12
1.1 OBJETIVOS13
1.1.1 Objetivo Geral13
1.1.2 Objetivos Específicos14
1.2 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA14
2.1 MÉTODO DO IPT/EPUSP (HELENE E TERZIAN, 1992)16
2.1.1 Requisitos para a dosagem16
2.1.2 Conceitos importantes do método17
2.1.3 Metodologia experimental17
2.1.4 Vantagens do método18
2.1.5 Desvantagens do método19
2.2 MÉTODO DO ACI/ABCP (RODRIGUES, 1995)19
2.2.1 Requisitos para a dosagem19
2.2.2 Conceitos importantes do método20
2.2.3 Metodologia experimental20
2.2.4 Vantagens do Método21
2.2.5 Desvantagens do Método21
3 FERRAMENTA COMPUTACIONAL BETONLAB PRO23

2 MÉTODOS PARA DOSAGEM DE CONCRETO CONVENCIONAL16

GRANULARES (MEC)23
3.1.1 Empacotamento Virtual23
3.1.2 Empacotamento Real26
FORMAÇÃO DO BANCO DE DADOS DO BETONLAB PRO28
3.2.1 Ponto de saturação e compatibilidade com o cimento28
3.2.2 Compacidade experimental do cimento29
3.2.3 Compacidade experimental de empacotamento dos agregados30
3.2.4 Parâmetros “p” e “q” dos agregados31
3.3 PASSO-A-PASSO DE DOSAGEM UTILIZADO NO BETONLAB PRO32
3.3.3 Composição do banco de dados do agregado miúdo36
3.3.4 Composição do banco de dados do agregado graúdo38
3.3.5 Composição do banco de dados do aditivo químico40
3.3.6 Calibração dos parâmetros “p” e “q”40
3.3.7 Etapa de dosagem do concreto42
4 MATERIAIS E MÉTODOS45
4.1 MATERIAIS45
4.1.1 Procedimentos para determinação das propriedades dos materiais45
4.1.2 Resultados dos ensaios de caracterização49
4.2 MÉTODOS54
4.2.1 Procedimento de mistura do concreto5
4.2.2 Ensaio de abatimento do tronco de cone5
4.2.3 Moldagem, adensamento e cura dos corpos-de-prova56
4.2.4 Ensaio de resistência à compressão56
4.2.5 Determinação dos parâmetros “p” e “q”57
5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS59
5.1 ABATIMENTO60
5.2 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO61
6 ESTUDO DE CASO: RCD64
6.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS64
6.1.1 Agregado miúdo64
6.1.2 Agregado graúdo69
6.1.3 Determinação dos parâmetros “p” e “q” dos agregados de RCD74
6.2 DOSAGEM DOS CONCRETOS RECICLADOS75
6.3 RESULTADOS76
6.3.1 Abatimento do tronco de cone76
6.3.2 Resistência à compressão78
7 CONCLUSÕES81

1 INTRODUÇÃO

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).

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Geral

O objetivo principal desse trabalho é utilizar a ferramenta computacional Betonlab Pro para dosar concreto, validando experimentalmente os valores teóricos simulados no programa.

1.1.2 Objetivos Específicos

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%).

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