Testes em concreto fresco

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

O concreto é um dos materiais de construção mais comuns e consiste em duas fases: a fase de argamassa, composta por concreto, água e ar, e a fase agregada, composta por agregados grosseiros e finos. Há duas considerações-chave ao projetar uma mistura de concreto. Primeiro, o concreto deve ser viável e fácil de lançar nas formas em sua nova condição, mesmo quando as formas são embaladas com reforço de aço. Nessa condição, é a reologia do concreto que é importante. Em segundo lugar, a mistura deve produzir um concreto endurecido de resistência especificada em 28 dias (ou tempo especificado semelhante) que seja durável e forneça boa manutenção.

Neste exercício laboratorial, será explorado um método de proporção de mistura concreta, chamado de método de lote de ensaio. O concreto produzido será utilizado na realização de testes típicos para determinar as principais características do concreto fresco, incluindo queda, fluidabilidade, conteúdo de ar e densidade. O método do lote de ensaio é uma abordagem simples e empírica para o design da mistura.

Os objetivos deste experimento são quatro vezes: (1) utilizar o método de mixagem de lotes de ensaio para determinar as proporções ideais de agregados, cimento e água para o concreto para atender aos requisitos de queda especificados, (2) aprender prática de mistura de concreto em ambiente laboratorial, (3) observar as propriedades características do concreto fresco e (4) preparar cilindros de concreto de 4"x8" para avaliação subsequente.

No método do lote de ensaio, uma relação água-cimento apropriada(w/c, por massa) é selecionada pela primeira vez para obter a força desejada (Tabela 1) e durabilidade (Tabela 2); em seguida, uma mistura é feita com aquele c/cespecífico, incorporando agregado fino e grosseiro para alcançar a consistência plástica desejada (ou seja, queda e capacidade de trabalho). Na prática, esse processo muitas vezes é iterativo, onde diversos lotes são preparados e, consequentemente, modificados para alcançar a mistura mais econômica com as propriedades desejadas.

Mesa 1. Mínimo c/c para alcançar a força do projeto.

Mesa 2. C/c máximo para categorias de durabilidade selecionadas.

O método de ensaio começa com a especificação dos constituintes básicos: cimento, água, agregados grosseiros e finos, e conteúdo de ar alvo. Os agregados grosseiros e finos são considerados inertes, assim, as principais variáveis na mistura são o cimento, a água e o ar. A relação água/cimento (c/c)é o parâmetro mais importante, pois a resistência ao concreto (Tabela 1) depende diretamente dessa quantidade, que normalmente varia de cerca de 0,35 para concreto de alta resistência, até cerca de 0,6 para concreto de baixa resistência (calçadas e calçadas). Uma relação c/c mais baixa diminui a permeabilidade do concreto, melhorando sua durabilidade reduzindo as taxas nas quais íons de sal penetram no concreto e levam à corrosão do reforço (Tabela 2). Arbitrariamente, a força é normalmente medida em 28 dias após o casting.

Uma queda, ou medida da fluida do concreto, também é comumente especificada para facilitar a colocação do concreto no trabalho de forma. O teste de queda consiste em encher com concreto fresco e compactar um cone de aço invertido em três camadas. Uma vez que o cone é preenchido, o cone é levantado verticalmente e a quantidade que o concreto cai é medida. Para uma boa capacidade de trabalho, quedas na faixa de 3 a 5 in. são comumente especificadas. O comportamento do concreto sob este teste também é uma valiosa indicação da coesão da mistura. Uma mistura bem proporcionada cairá gradualmente para diminuir a elevação e manterá sua forma original, enquanto uma mistura pobre desmoronará, segregará e desmoronará.

O conteúdo aéreo também desempenha um papel importante na durabilidade, especialmente se o concreto é destinado para uso em uma região que sofre ciclos de congelamento e descongelamento. Quando ocorre o congelamento, a água livre vira rapidamente para o gelo, expandindo-se cerca de 10%. Assim, é preciso haver muitas bolhas de ar muito pequenas e espaçadas na mistura para permitir essa expansão sem quebrar o concreto. Para aumentar a resistência ao congelamento, os agentes de entrada de ar são adicionados ao concreto para elevar a quantidade de ar de 1-2% para cerca de 5-7% do volume total. A maior quantidade de ar resulta em uma menor resistência, portanto, para uma determinada força, é necessário um maior c/c se a entrada de ar for usada (ver Tabela 1). Existem várias técnicas que podem ser utilizadas para medir o conteúdo do ar em concreto fresco, e a seleção de qual técnica usar é baseada na disponibilidade do equipamento.

O ganho de força do concreto também depende de vários outros fatores, com a temperatura de cura e a umidade representando os outros maiores fatores contribuintes para a força. A cura a altas temperaturas e umidade acelera o ganho de força significativamente.

Os seguintes dados são dados para os materiais neste laboratório:

• Cimento: Cimento normal (Tipo I) com gravidade específica (SG) de 3,15
• Queda: A queda inicial desejada é de 3,5 + 0,5 in. Este concreto é facilmente moldado, mas exigirá vibração se houver pequenos espaços entre o reforço de aço e as formas.
• Conteúdo de ar: A mistura de concreto será especificada como não-ar-entrained. No entanto, haverá algum ar preso. Assuma 1,5% de ar preso.
• Relação água/cimento (c/c): Este valor será variável, mas a mistura original será para um c/c = 0,45.
• Agregados grossresos: Será utilizada uma #67 gradação de granito esmagada. O agregado grosseiro possui uma gravidade específica (SSD a granel) de 2,65, uma capacidade de absorção de 0,58%, um peso unitário de rodded seco de 100 pcf e um tamanho agregado máximo (MSA) de 3/4".
• Agregados Finos: Uma areia natural será usada. O agregado fino tem uma gravidade específica (SSD a granel) de 2,63 e uma capacidade de absorção de 0,40%.
• O conteúdo real da umidade (MC) para agregar tanto grosseiro quanto fino deve ser determinado: O desenho da mistura será para a condição de saturado de superfície seca (SSD).

As quantidades dos materiais utilizados para este experimento estão listadas na Tabela 3 abaixo. A quantidade de material deve ser suficiente para produzir concreto para lançar dez 4 em diâmetro por 8 in. espécimes de cilindros longos. A quantidade de agregado grosseiro e areia será ajustada durante o loteamento para alcançar a capacidade de trabalho adequada e a queda para a mistura de concreto.

Mesa 3. Quantidade inicial de materiais para laboratório de loteamento de concreto (lb.).

O design da mistura descrito aqui não contém inicialmente nenhuma mistura. Misturas são aditivos químicos que são usados tanto para melhorar a capacidade de trabalho e a economia do concreto fresco quanto para aumentar a durabilidade do concreto a longo prazo. Exemplos de misturas usadas para melhorar a capacidade de trabalho incluem superplastificantes, ou produtos químicos que reduzem consideravelmente a viscosidade de uma mistura por um curto período de tempo, a fim de permitir a facilidade de colocação nas formas. Outros exemplos de misturas utilizadas por razões econômicas incluem redutores de água de alta faixa, ou aditivos que mantêm a mesma capacidade de trabalho com menos água e, consequentemente, menos cimento (para uma relação contínua de c/c). Finalmente, exemplos de misturas usadas para melhorar a durabilidade incluem agentes de entrada de ar, ou produtos químicos que criam muitas pequenas bolhas de ar bem dispersas que permitem que a água livre no concreto endurecido se expanda após o congelamento sem rachaduras.

O procedimento abaixo descreve primeiro o processo de mistura e, em seguida, os testes típicos (queda, densidade e conteúdo do ar) utilizados no campo para determinar a capacidade de trabalho, consistência e qualidade. O procedimento descrito aqui foi encontrado para funcionar bem com uma pequena batedeira de concreto.

1. Mistura de concreto pelo método de ensaio

1. Pesar quantidades de agregado grosseiro e agregado fino e armazená-los em recipientes separados. Regissos exatos na ficha técnica.
2. Pesar a quantidade de cimento dada acima na Tabela 1 e colocá-lo em um recipiente separado.
3. Pese a quantidade de água de mistura dada acima na Tabela 1 e coloque-a em um recipiente.
4. Umedeça o interior da batedeira e todas as ferramentas que serão utilizadas, para que estejam molhadas, mas não com água parada.
5. Coloque o agregado grosseiro, agregado fino, e cerca de 1/5 da água no pequeno misturador de concreto e misture por cerca de 2 minutos.
6. Com a batedeira ainda girando, comece a adicionar o cimento e água adicional em pequenos incrementos (10% a 20% do total em cada etapa) e misture por mais 5 minutos.
7. Pare a batedeira e teste a queda da mistura de concreto. Ao testar a queda, umedeça o cone de queda e coloque na panela de mistura. Segure o cone de queda firmemente contra a panela. Encha o cone de queda com concreto em três camadas, cada uma aproximadamente um terço do volume do cone de queda para cada camada.
8. Rod cada camada com 25 tacadas, distribuída uniformemente sobre a seção transversal do cone. A haste deve penetrar ligeiramente na camada anterior. Depois que a camada superior for arrancada, golpee o excesso de concreto com a haste de tampão, de modo que o cone seja preenchido exatamente.
9. Remova imediatamente o cone do concreto, levantando-o cuidadosamente em uma direção vertical. Meça a "queda" do concreto determinando a diferença entre a altura do molde e a altura do concreto subsidiado.
10. Após a medição da queda ser concluída, toque na lateral do frustum de concreto suavemente com a haste de tampão.
11. Neste ponto, a queda da mistura deve estar na faixa de 3 a 4 in. Se a queda for muito baixa, ou a mistura parecer dura, adicione gradualmente pequenas quantidades de agregado fino ou grosseiro (ou ambos), remixe completamente o concreto e teste novamente a queda. Repita este processo até que a mistura atinja a queda e consistência desejadas. Certifique-se de que acompanhe as quantidades adicionais de material utilizado.
12. Quando o lote for julgado satisfatório pelo teste de queda, pese os demais agregados e regise na ficha técnica. Calcule a quantidade real de agregados grossresos e finos utilizados na mistura de concreto a partir dos pesos iniciais.
13. Determine o peso unitário da mistura de concreto, preenchendo e pesando um recipiente de 1 pé cúbico. O recipiente deve ser preenchido e rodded da mesma forma que o cone para o teste de queda.

2. Teste de aero-entramento

Se a mistura de concreto foi projetada para uma região com ciclos de congelamento, é provável que um conteúdo de mistura de entrada de ar teria sido especificado para levar o conteúdo total do ar a uma faixa de 6% a 8%. Para demonstrar esse efeito, pegue o concreto restante e remixe-o enquanto adiciona a mistura de entrada de ar. Primeiro, misture por cerca de 3 minutos e, em seguida, realize um teste de conteúdo aéreo usando um aparelho de entrada de ar. Tenha em mente que o procedimento para a realização do teste é específico do dispositivo, de modo que o procedimento a seguir refere-se exclusivamente ao dispositivo usado neste vídeo, ou similar.

1. Encha o recipiente inferior com concreto seguindo as instruções para obter um peso unitário.
2. Feche a válvula de ar principal de cor vermelha na parte superior do receptor de ar.
3. Abra os dois petcocks localizados na parte superior da tampa.
4. Coloque a tampa no recipiente do material e feche os quatro grampos de alternação.
5. Despeje água no funil até que a água saia do petcock no centro da tampa.
6. Jar o medidor suavemente até que nenhuma bolha de ar saia através do petcock centro. Feche os dois petcocks.
7. Feche a válvula de ar principal e a válvula de sangramento na extremidade do receptor de ar.
8. Bombeie suavemente o ar para dentro do receptor até que a mão do medidor se aproxime da linha vermelha. Certifique-se de que a mão passe no ponto de partida inicial. Não importa se a mão está de um lado ou do outro lado da linha vermelha.
9. Toque suavemente no medidor com uma mão. Ao mesmo tempo, quebre a válvula de sangramento até que a mão do medidor repouse exatamente no ponto de partida inicial.
10. Feche rapidamente a válvula de sangramento. Abra a válvula de ar principal entre o receptor de ar e o recipiente de material.
11. Jare o recipiente ligeiramente depois de liberar a pressão para permitir que as partículas se reorganizem. Toque no medidor suavemente até que a mão do medidor descanse. Registo a leitura como a porcentagem de ar preso.

3. Preparação do cilindro de teste de concreto

1. Encha os moldes do cilindro colocando o concreto no molde do cilindro em três camadas de volume aproximadamente igual.
2. Rode cada camada com 25 traçados usando uma pequena haste de tampão (1/4 in. vara de diâmetro). Distribua os traços uniformemente sobre a seção transversal do molde.
3. Depois que a camada superior foi arrancada, atinja a superfície do concreto com uma espátula. Encha um total de dez espécimes de cilindro de concreto. Meça o peso de todos os dez moldes de cilindros cheios de concreto e regise o peso na folha de dados.
4. Cubra os cilindros de concreto com um saco plástico para evitar a evaporação da água do concreto.
5. Para a mistura final, calcule o peso necessário dos materiais para fazer um metro cúbico de concreto. Regissos resultados na ficha técnica.
6. Após 24 + 8 horas, retire os moldes de plástico descartáveis dos espécimes do cilindro de concreto. Os cilindros são então colocados no ambiente de cura listado na Tabela 1. Os regimes típicos de cura são: (1) sala de neblina curando a 73,5+3,5^oF (23+2^oC) e 100% RH, por ASTM C 192, (2) cura ambiente no laboratório e (3) cura de caixa isolada (ou seja, caixa de cura). Usaremos a cura ambiente neste experimento.

4. Adicionando Superplásticos

1. Para demonstrar o uso de uma mistura, devolva todo o concreto ao misturador e adicione uma pequena quantidade de superplasticizador. Misture bem por 3 minutos e realize um teste de tabela de fluxo.
2. Molhe a mesa e o molde. Limpe o excesso de água.
3. Enquanto segura o molde firmemente, encha o molde com concreto em duas camadas. Rod cada camada 25 vezes, certificando-se de que rodding é uniforme através da área transversal.
4. Golpee o topo do molde, para que o molde seja preenchido exatamente.
5. Remova o molde com um puxão para cima constante.
6. Usando a alça, levante e solte a mesa de uma altura de 0,5 in, 15 vezes em cerca de 15 segundos.
7. Leve a média de seis medidas de pinça simetricamente distribuídas para o 1/4 mais próximo. Este valor será o diâmetro do concreto espalhado.

Em geral, misturas como a descrita acima terão quedas de 3 a 4 polegadas. Tais valores são comuns para pequenos trabalhos com pouco congestionamento de aço nas formas. Na construção moderna, o uso generalizado de superplastificantes significa que é econômico obter quedas muito maiores (6 a 10 polegadas, ou seja, concreto auto-nivelador). Misturas não-ar-entrained mostrarão conteúdo aéreo abaixo de 2%, enquanto misturas com ar, dependendo da dosagem admixatura, mostrarão 5% a 8% de conteúdo aéreo. O peso unitário dos concretos de peso normal é de cerca de 145 a 150 libras por pé cúbico, mas o concreto feito com agregados leves (ou seja, xistos expandidos) pode ser tão leve quanto 100 a 120 libras por pé cúbico.

Os testes de cone de queda e tabela de fluxo são resultados de testes in-situ usados para determinar se o concreto que está sendo entregue no local tem a capacidade de trabalho especificada. Estes testes visam garantir uma reologia adequada para a mistura, ou seja, uma boa "viscosidade" inicial que dura tempo suficiente para que o concreto para chegar da planta de loteamento até sua posição final nas formas sem deixar grandes vazios ou defeitos semelhantes em torno do reforço. Além disso, o teste de conteúdo de ar é fundamental para garantir a durabilidade a longo prazo em áreas onde ocorrem ciclos de congelamento. Deve-se notar que todos esses testes são, na melhor das hipóteses, uma tentativa de determinar quantidades difíceis de medir sob as melhores circunstâncias. Sob a pressão do tempo e o caos de um local de trabalho, esses testes fornecem medidas indiretas de importantes propriedades de curto e longo prazo.

O teste descrito aqui é usado todos os dias em milhares de canteiros de obras nos Estados Unidos e em todo o mundo. A principal aplicação para um teste deste tipo é fornecer controle de qualidade e garantia de qualidade. Alguns dos cilindros de teste lançados neste laboratório serão curados em condições especificadas (sala de neblina curando a 73,5+3,5^oF e 100% de umidade relativa) e testados em 28 dias para determinar se o desenho da mistura era apropriado. A temperatura e a umidade relativamente altas garantem que a maior parte do cimento se hidrate, assim a razão c/c para esta mistura fornecerá concreto forte e durável. Este trabalho experimental garante que as plantas de loteamento atendam às especificações necessárias. Alguns dos cilindros de teste serão curados em condições ambientais no local de trabalho para determinar a rapidez com que o concreto in-situ está se curando. No local, o desenvolvimento da força está ligado principalmente às condições de temperatura e umidade, que são aleatórias e podem variar substancialmente durante um período de 28 dias. Para compensar essas condições, o conceito de maturidade concreta é usado com frequência. A maturidade do concreto é calculada em dias de grau, geralmente somando o número de dias vezes a diferença entre a temperatura média diária e uma temperatura de referência (geralmente 32^oF). Quando o número de dias de grau chega a mil, o concreto se presume ter atingido sua força pretendida.