Testes de compressão em concreto endurecido

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

Há duas etapas distintas em um projeto de construção envolvendo concreto. A primeira etapa envolve loteamento, transporte e fundição de concreto fresco. Nesta fase, o material é viscoso, e a capacidade de trabalho e acabamento são os principais critérios de desempenho. A segunda etapa ocorre quando o processo de hidratação começa logo após o concreto ser colocado na forma, e o concreto vai definir e começar a endurecer. Esse processo é muito complexo, e nem todas as suas fases são bem compreendidas e caracterizadas. No entanto, o concreto deve alcançar sua força de projeto pretendida e rigidez em cerca de 14 a 28 dias após o fundamento. Neste ponto, uma série de testes serão realizados em cilindros de concreto moldado no momento da colocação para determinar as forças compressivas e de tração do concreto, bem como, ocasionalmente, sua rigidez.

Os objetivos deste experimento são três vezes: (1) realizar testes de cilindro compressivo para determinar a força de concreto de 7, 14 e 28 dias, (2) determinar o módulo de elasticidade aos 28 dias, e (3) demonstrar o uso de um simples teste não destrutivo para determinar a força concreta in situ.

Assim que o concreto for misturado e colocado nas formas, o processo de hidratação começará. O processo de hidratação começa com a dissolução do cimento na água, o que leva a uma saturação de íons na solução. Os principais componentes do cimento são os sílicatos de tricálsio (C₃S, cerca de 45-60%), os silicatos de dicárcio (C₂S, 15-30%), os aluminatas tricalcário (C₃A, 6-12%) e os aluminoferrites de tetracálcio (C₄AF, 6-8%). Na presença de água, ocorrem as seguintes reações principais:

Após o início da hidratação, os hidratos de sulfoaluminato de cálcio (ettringite - estruturas semelhantes à agulha) começam rapidamente a se desenvolver. Dentro de poucas horas, grandes cristais prismáticos de hidróxido de cálcio e pequenos cristais fibrosos de hidrato de cálcio aparecerão e começarão a preencher o espaço entre a água e o cimento. Eventualmente, os cristais ettringite podem se decompor em hidratos monossulfados. A estrutura do silicato de cálcio hidrata (CSH) varia de pouco cristalino a amorfo, ocupa 50-60% do volume sólido da pasta de cimento hidratado, e possui uma enorme área de superfície (100-700 m²/g). Os CSHs derivam de sua força a partir de laços covalentes e iônicos (~65%), bem como o vínculo van der Waals (~35%) dentro da estrutura complexa.

Do ponto de vista dos materiais, os fatores que mais afetam a força concreta são os seguintes:

1. Misturar proporções Quanto menor a relação água-cimento(c/c) por massa, maior a força compressiva (f'_c),a resistência à tração (f_t)e o módulo de Young (E). Outros fatores, como a razão do cimento para agregado, gradação, textura superficial, forma e rigidez dos agregados, demonstram uma influência secundária.
2. Tipo de cimento A taxa do processo de hidratação é altamente dependente da fineza das partículas de cimento. Se uma alta resistência inicial for desejada, é comum usar cimento Tipo 3, que é apenas cimento normal (Tipo 1) que foi moído para uma fineza muito maior.
3. Cura Outro fator que afeta significativamente a força é a temperatura e a umidade em que o concreto é curado. Em geral, quanto maior a temperatura e umidade, mais rápida a hidratação. Por exemplo, é comum curar membros de concreto pré-estressados a temperaturas em torno de 140°F com vapor, a fim de obter 70% ou mais da força especificada dentro de um dia de fundição.
4. Uniformidade e consolidação Essas características referem-se à homogeneidade da mistura e quão bem ela foi inicialmente compactada. A ausência de zonas fracas ou grandes vazios de ar (má consolidação) e a presença de um concreto com propriedades uniformes devem obviamente aumentar a força, com todas as outras variáveis permanecendo a mesma.

Do ponto de vista dos testes, os fatores que mais afetam a força concreta são os seguintes:

1. Condição de umidade Quanto mais úmido o espécime, maior a força.
2. Rugosidade da superfície de carga Quanto mais áspera a superfície, maior a força.
3. Taxa de carregamento Quanto mais rápido o carregamento, maior a força.
4. Temperatura de cura e umidade Quanto maior a temperatura e a umidade em que os espécimes foram armazenados antes do teste, maior a força.
5. Contenção final O tipo de cabeça de carregamento influencia a distribuição de tensões em toda a amostra de teste. A cabeça de carregamento ideal é uma "bandeja de pincel", porém, esse tipo de cabeça de carregamento é cara de fabricação, e a repetibilidade é um problema. Cabeças de aço são tipicamente usadas, mas sua rigidez leva a aparentes forças mais altas. O uso de compostos de tampa para distribuir as tensões de forma mais uniforme em todo o espécime amenizou grande parte desse problema.
6. Tipo de máquina de teste As máquinas de teste podem ser classificadas como duras (muito rígidas) ou macias (menos rígidas) em termos de rigidez. Uma máquina macia segue melhor a curva de tensão do estresse à medida que o espécime falha; no entanto, a energia armazenada adicional será liberada e levará a uma propagação mais rápida da rachadura e, portanto, uma menor força aparente.
7. Geometria do espécime Nos Estados Unidos, cilindros (tradicionalmente de 6" de diâmetro por 12" de altura, mas mais recentemente 4" x 8" são comumente usados. Na Europa, são utilizados cubos (6" por 6" ou menores. Embora a razão entre a força do cubo e a força do cilindro diminua à medida que a força do concreto aumenta, muitas vezes se presume que a força de um espécime cubo será cerca de 1,25 maior que a de um cilindro. Nos testes do cilindro, a relação comprimento sobre diâmetro (1/d) também influencia a força medida. O cilindro padrão tem uma relação l/d de 2,00, e fatores de correção podem ser encontrados para outras relações.

Os testes de compressão são executados em uma máquina de teste hidráulico. Esta máquina é diferente da máquina de teste universal que temos usado em outros laboratórios, pois é alimentada por uma bomba simples e hidráulica. Esta máquina de teste funciona apenas em compressão e tem um curso relativamente curto. Para o teste de compressão, a capacidade de carga tem que ser muito alta (300.000 lbs ou 300 kips ou mais) para testar concretos de alta resistência, já que os cilindros de 12 in. têm uma área de 28,2 in.², e as forças de concreto podem variar até 20 ksi em aplicações práticas. Este tipo de concreto exigirá uma máquina com capacidade de pelo menos 600 kips.

O teste para o módulo de Young e a razão de Poisson é realizado utilizando um compressômetro. Este dispositivo é instalado em um cilindro de concreto durante um teste de compressão e é usado para medir deformações longitudinais e aros. A gagem de discagem longitudinal é usada para calcular as cepas longitudinais, que em combinação com o estresse são usadas para calcular o módulo de Young. A razão do estresse do aro com o estresse longitudinal pode ser usada para calcular a razão de Poisson. Tanto o módulo de Young quanto a razão de Poisson são válidos apenas em níveis baixos de carga (certamente menos de 40% do ultimate), já que a microcracking do concreto começará em cerca de 30% do máximo, e o comportamento do concreto será claramente não linear a partir de cerca de 60% do final. Após esse ponto, a razão de Poisson perde sentido, pois o concreto começará a apresentar comportamento dilatational devido ao crescimento da rachadura (ou seja, a razão de Poisson ficará negativa).

Embora os testes de cilindro sejam úteis para determinar a qualidade do concreto entregue ao local, este teste não nos diz qual é a força concreta in situ. Mesmo a cura de cilindros no local não fornece resultados muito confiáveis. Como resultado, houve um grande esforço para desenvolver técnicas econômicas de teste não destrutivo (NDT) para avaliar a força concreta in situ nos últimos 40 anos. Duas das técnicas iniciais mais comuns estão usando o martelo Schmidt e a sonda Windsor. Ambas as técnicas são exemplos de testes de dureza superficial, que podem estar relacionados à força através de procedimentos adequados de calibração.

O martelo Schmidt é um dispositivo simples, acionado pela mola que dispara um peso de aço em uma superfície e mede sua recuperação. Com a calibração adequada do dispositivo para uma determinada mistura, podem ser obtidos resultados confiáveis. Como leva apenas alguns segundos para ser executado, este teste é uma maneira muito eficiente de medir a consistência do concreto em uma ou mais sequências de fundição.

A sonda Windsor, por outro lado, é uma arma acionada por pó que dispara três sondas no concreto em um padrão triangular e mede a penetração média. Como com o martelo de Schmidt, a calibração para uma determinada mistura é importante para obter resultados confiáveis. A sonda Windsor não é exatamente não destrutiva, pois as sondas precisam ser removidas, e o concreto da superfície remendado. A profundidade e extensão dessas manchas é pequena, por isso o reparo não é um grande problema. Existem inúmeros dispositivos e técnicas mais novos e sofisticados em uso hoje para caracterizar a força concreta in situ, mas esses métodos estão além do escopo deste laboratório.

Teste de compressão

1. Remova os cilindros de concreto da área de armazenamento ou da sala de cura, e seque os cilindros.
2. Selecione seis cilindros para este teste e meça o diâmetro de cada um dos cilindros.
3. Certifique-se de que as extremidades dos cilindros estão o mais nivelados possível. Como a parte superior dos cilindros provavelmente não é muito plana, deve-se (a) moer as extremidades do cilindro de concreto com a pedra de esfregar de um pedreiro para remover irregularidades superficiais e lançar uma tampa asfáltica em ambas as extremidades do cilindro, ou (b) colocar uma tampa final de neoprene em cada extremidade. Neste laboratório, usaremos tampas finais de neoprene, pois este método é de longe o mais simples. No entanto, mesmo usando essa técnica, as principais imperfeições da superfície devem ser removidas com antecedência.
4. Aplique a carga compressiva lentamente e continuamente até que a carga máxima seja atingida. A taxa de carregamento deve ser entre 20 psi e 50 psi por segundo (150 lb. a 300 lb. por segundo). A falha do cilindro é iminente durante o teste quando o indicador de carga desacelera e finalmente pára. Deixe que a carga compressiva continue até que o cilindro seja esmagado. Examine minuciosamente o tipo de falha do cilindro.
5. Regissua a carga máxima e determine a força compressiva para cada amostra testada.

Determinando o Módulo de Young

1. Para um dos testes de compressão do cilindro, instale um compressômetro ao redor do cilindro seguindo as etapas 2.2 a 2.10.
2. Desaparafusar os sete parafusos de contato (2 no anel de bloqueio superior, 3 no anel de bloqueio inferior e 2 no anel médio) até que os pontos estejam alinhados com a superfície interna dos anéis.
3. Coloque o compressômetro sobre o espécime de concreto que localiza o espécime no centro do anel.
4. Coloque três blocos de comprimento iguais sob o anel inferior. O comprimento dos blocos (cilindros) deve ser vertical para fornecer a altura correta.
5. Aperte manualmente os 3 parafusos de contato no anel de bloqueio inferior e os 2 parafusos de contato no anel superior contra a amostra.
6. Aperte manualmente os 2 parafusos de contato no anel médio certificando-se de que a haste vertical do indicador de discagem de tensão axial esteja no meio do caminho entre as duas porções do anel médio.
7. Remova as hastes de dois espaçadores.
8. Remova os três blocos de metal sob o anel inferior.
9. Zerar o indicador de discagem de tensão axial com a haste próxima à posição totalmente estendida.
10. Zero o indicador de discagem de tensão diamétrica com sua haste perto da posição totalmente empurrada.
11. Aplique uma série de cargas em etapas de cerca de 10.000 libras., até cerca de 60.000 libras. A cada etapa de carga, registe as deformações longitudinais e aro.

Demonstração do Martelo de Schmidt

1. Marque uma grade de 2 pés x 2 pés em uma laje de concreto, cobrindo uma área de 10 pés x 10 pés. Selecione uma superfície de concreto lisa, seca e com pelo menos 4 polegadas (ou 102 mm) de espessura.
2. Em cada ponto da grade, conduza e registra um teste de martelo de rebote de Schmidt, conforme dado nas Etapas 3.3 a 3.4.
3. Antes que o martelo possa ser usado para testes, o pistão deve ser liberado do martelo na posição de teste. Se o pistão não for estendido, coloque a extremidade do pistão contra uma superfície rígida e pressione suavemente o martelo de Schmidt firmemente contra a superfície. Você ouvirá um clique, e o pistão se estenderá até a posição de teste.
4. Pressione suavemente o Martelo de Rebote contra a superfície de concreto a ser testado. Quando o pistão é pressionado todo o caminho para o Rebound Hammer, continue a empurrar mais forte até ouvir um barulho. Mantenha o Martelo de Rebotes firmemente pressionado contra a superfície de concreto e leia o número de rebote na escala.
5. Calcule o desvio médio e padrão para este conjunto de medições.

Os cilindros em compressão tendem a falhar ao longo de um plano inclinado, a cerca de 45 graus. Este recurso indica que a falha não foi impulsionada por compressão pura (esmagamento do cilindro), mas sim por forças de cisalhamento, ou mais precisamente por tensão dividida.

Os resultados dos testes compressivos são computados dividindo a carga máxima medida (P_max) pela área medida. O valor de resistência compressiva é tomado como a média dos testes de três cilindros, desde que nenhum deles resulte em um valor inferior a 500 psi da média.

O módulo de Young e a razão de Poisson são obtidos a partir da inclinação inicial da curva de tensão de estresse e da razão de cepas longitudinais para transversais. O valor do módulo de Young é frequentemente tomado como , enquanto a razão de Poisson varia entre 0,12 e 0,2.

A média das leituras do martelo de Schmidt foi de 32,4 com um desvio padrão de 1,3. Esses resultados são considerados aceitáveis, e a força concreta in situ foi determinada como sendo 4650 psi com base na calibração para testes paralelos de cilindros laboratoriais.

Foram realizados testes de compressão em cilindros de concreto, bem como medições do módulo de Young, razão de Poisson e uma demonstração de medições de NDT em concreto. Os resultados dos testes de compressão dos testes do cilindro, como os realizados neste exercício laboratorial, são relativamente simples de conduzir e produzir resultados com variabilidade aceitável. Medições da razão de Poisson e do módulo de Young são difíceis de fazer, e essas propriedades são muitas vezes calculadas por fórmulas empíricas a partir da força de compressão em vez de por metodologia experimental.

Os testes de compressão do tipo descrito aqui são usados para monitorar o ganho de força em estruturas de concreto. Os resultados aos 28 dias têm que atender a especificações discretas, mas, em geral, o teste não é executado apenas com o propósito específico de atender às especificações, ou verificar a força de um determinado membro. A ideia principal desses testes é monitorar a qualidade de todo o concreto entregue ao longo da vida útil de todo o projeto.

Outra aplicação comum de testes de cilindros é testar núcleos extraídos de estruturas existentes. Nestes casos, a intenção é determinar se a estrutura pode transportar cargas maiores do que inicialmente projetadas. Um exemplo é em pontes mais antigas, onde o aumento das cargas de caminhões exige que as pontes sejam avaliadas para novas combinações de carga (peso por espaçamento de eixo e eixo, por exemplo) ou em investigações forenses onde após uma falha ocorreu, é necessário descartar certos modos de falha.