comportamento em fadiga do concreto geopolimérico sob tensão

V JORNADAS LUSO-BRASILEIRAS
DE PAVIMENTOS: POLÍTICAS E TECNOLOGIAS
COMPORTAMENTO EM FADIGA DO CONCRETO GEOPOLIMÉRICO SOB TENSÃO VARIÁVEL
ALISSON CLAY
RIOS DA SILVA
Doutorando – MSc.
Instituto Militar de
Engenharia (IME)
RJ - Brasil
FELIPE JOSÉ DA
SILVA
Prof. - Dr
Instituto Militar de
Engenharia (IME)
RJ - Brasil
CLELIO
THAUMATURGO
Prof. - Dr
Instituto Militar de
Engenharia (IME)
RJ - Brasil
Resumo
Neste trabalho, através de uma dosagem adequada dos componentes que constituem o geopolímero, foi desenvolvido o
concreto de cimento geopolimérico (CCG), que teve suas características comparadas com o concreto de cimento
Portland (CCP), através da fixação de alguns parâmetros de dosagem, como consumo de aglomerantes, relação
água/aglomerante e teor de argamassa. Foram realizados ensaios para avaliar as propriedades mecânicas dos concretos,
com ênfase nos ensaios de fadiga. O estudo deste comportamento, foi realizado por meio de ensaios dinâmicos, nos dois
tipos de concretos, avaliando os efeitos de diferentes tensões máximas (crescentes e decrescentes). Os resultados de
fadiga nas diversas variações realizadas, mostram um melhor desempenho ao comportamento em fadiga do CCG. Sua
resistência à fadiga, quanto a aplicação de tensões da ordem de 70%, da resistência estática do concreto, apresentou
valores 15% mais elevadas em relação à mesma tensão aplicada no CCP. Já em tensões mais altas, em torno de 80%,
esses resultados chegam a valores 96% mais elevados para o CCG. Na análise microestrutural foi observado a melhor
aderência matriz/agregado desenvolvida no CCG, compara côa do CCP, provavelmente devido a natureza mais massiva
da matriz geopolimérica.
Palavra-Chave: Concreto geopolimérico, fadiga.
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1
INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, o avanço na tecnologia do concreto foi voltado principalmente ao desenvolvimento de novos
materiais e componentes que resultaram no aumento da resistência e melhoria do desempenho dos concretos de cimento
Portland para adequação aos novos requisitos de durabilidade das estruturas de concreto. Neste contexto, surgiram os
concretos de alto desempenho (CAD) [7].
No concreto geopolimérico, o geopolímero é utilizado como aglomerante ao invés de cimento Portland. Os Concretos
de Cimento Geopolimérico (CCG) apresentam propriedades físicas e mecânicas bem similares àquelas apresentadas
pelos CAD Portland. Um estudo sobre o desempenho mecânico do CCG foi feito pela comparação das resistências à
compressão de um traço fixado a partir de um estudo estatístico com mais de 200 traços diferentes de Concreto de
Cimento Portland (CCP) existentes na literatura [7]. Os resultados de resistência à compressão variaram entre 45 MPa e
60 MPa, bem semelhantes aos resultados encontrados na literatura para CCP’S de composição similar. Outro fator
considerado foi a excelente trabalhabilidade apresentada pelo CCG, que atingiu um abatimento da ordem de 110 mm
com uma relação água/aglomerante igual a 0,384.
A durabilidade da matriz cimentícia é outro aspecto muito importante para os CAD. Os agentes agressivos podem
exercer ação química ou física que deterioram o cimento Portland. Conforme resultados de Dias [4], os geopolímeros
constituem uma nova classe de materiais cimentícios de elevada resistência aos agentes agressivos (sulfatos e ácidos).
Um dos maiores desafios enfrentados pela indústria do concreto atualmente é o impacto da produção de cimento ao
meio ambiente, dada a necessidade de redução de consumo de energia e de emissão de CO2. Os cimentos
geopoliméricos contribuem para a redução da emissão de CO2, já que sua produção não implica na calcinação de
carbonato de cálcio, nem requer o emprego de altas temperaturas, além de empregar resíduos industriais e agrícolas (6).
1.1
1.1.1
Fadiga
Fadiga no concreto
As fissuras por fadiga nos concretos de cimento Portland são de natureza frágil, por apresentar pouca, ou nenhuma,
deformação plástica associada à fissuração, ocorrendo a ruptura pela iniciação e propagação de microfissuras, sendo que
em geral, a superfície de fratura é perpendicular à direção de tensão aplicada [2].
Um dos maiores problemas encontrados por profissionais no campo da pavimentação está associado à formação de
fissuras nas placas de concreto em um determinado período de serviço, pois, tais fissuras são a causa de diversos
processos de deterioração em fases posteriores na estrutura do pavimento, caracterizando um estado limite de utilização
da estrutura [5].
Segundo [3], nos pavimentos de concreto simples, o principal esforço é a de tração na flexão, sendo a resistência à
fadiga sob flexão representada pelo confronto entre as tensões solicitantes e o número de ciclos alcançados. A fadiga
devido à aplicação de cargas repetidas, em pavimentos de concreto, é dependente do tipo de carga aplicada, da sua
duração, bem como do número de ciclos de aplicações de cargas.
As tensões atuantes em um pavimento estão intimamente relacionadas ao tráfego e ao clima a que o pavimento está
sujeito.
1.1.2
Hipótese de Palmgren-Miner (Dano contínuo linear)
Diversas pesquisas mostram que as propriedades de fadiga do concreto limitam-se à aplicação de cargas a uma tensão
constante, entretanto, isto não ocorre no campo. O histórico de tensões irá determinar níveis de carregamento com
tensão variada, números de ciclos, seqüências de carregamentos e tempos de relaxação diferentes. Na análise da
influência da história de tensões na resistência à fadiga dos materiais, a hipótese clássica de MINER (1945) é
amplamente utilizada. PALMGREN em 1924, foi quem primeiro sugeriu um modelo linear de dano por fadiga, no qual
é possível considerar o efeito de carregamento, por meio do acúmulo do dano que cada intensidade de tensão provoca
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no material. MINER em 1945, apresentou uma equação linear de dano por fadiga, hoje conhecida como modelo de
PALMGREN-MINER. Este modelo assume que a resistência à fadiga não consumida pela repetição de uma dada carga
fica disponível para a repetição de outras cargas, podendo ser determinado por:
D' = ∑
n'
=1
N'
(EQ.1)
onde D’ é uma fração de dano, n’ é o número de ciclos aplicado num nível determinado de tensão e N’ é o número de
ciclos que causará a ruptura por fadiga no mesmo nível de tensão.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Concreto De Cimento Geopolimérico (CCG)
Para a síntese do geopolímero foram utilizados os seguintes materiais: como fonte de Si e Al, um caulim e como fonte
suplementar de SiO2 e álcalis, silicato de sódio. Como fonte suplementar de álcalis, KOH comercial. A fonte de CaO foi
a escória granulada de alto-forno (EGAF).
2.2 Concreto de Cimento Geopolimérico (CCP)
O cimento Portland, utilizado como referência de comparação, foi o cimento de alta resistência inicial do tipo CP V ARI – RS, da Holcim.
2.3 Agregados
A areia quartzosa foi lavada e seca em estufa, aproveitando-se todo o material passante na peneira de 4,8 mm. O
agregado graúdo caracterizado como brita graduação 0 foi identificado como traquito por ensaio petrográfico. O mesmo
foi lavado durante o peneiramento para eliminar o material passante na peneira #200.
2.4 Moldagem de corpos-de-prova
Todos os corpos-de-prova de (100 x 100 x 400) mm foram moldados em uma única camada e vibrados em mesa
vibratória por 15 segundos; posteriormente as amostras foram arrasadas. A figura 1, apresenta a moldagem destes
corpos-de-prova. Após a moldagem, os corpos-de-prova foram cobertos por sacos plásticos e mantidos nos moldes por
um período de 48 horas.
Figura 1: Corpos-de-prova de (100 x 100 x 400) mm em mesa vibratória, (a) antes da vibração, (b) após vibração e
rasamento.
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2.5 Resistência à flexão
Os ensaios de resistência à tração na flexão foram determinados segundo a Norma NBR 12142 (1991). A distância entre
o apoio extremo do corpo-de-prova de (100 x 100 x 400) mm e sua seção transversal externa, foi tomada
proporcionalmente ao corpo-de-prova padrão, resultando em 20 mm, o que definiu a distância entre os apoios de 360
mm (com distâncias de 120 mm entre os terços médios do vão de 400 mm). A figura 2 mostra os pontos de aplicação de
carga e pontos de apoio. Já na figura 3 é mostrada a configuração do ensaio.
P
20 mm
120 mm
P
120 mm
120 mm
20 mm
Figura 2: Posição dos apoios e da carga aplicada para os ensaios em corpos-de-prova de 400 mm de comprimento.
Figura 3: Tração na flexão estática – Corpos-de-prova (100 x 100 x 400) mm, (a) Prensa equipada com LVDT, (b)
Ruptura à tração do CP.
2.6 Fadiga
Os ensaios de fadiga foram realizados em uma máquina servo-hidráulica da marca MTS (Material Test System) com
capacidade máxima de 10.000 kgf e equipado com osciloscópio, existente no Laboratório de Ensaios Mecânicos do
IME-SE4, onde todos os ensaios dinâmicos foram realizados.
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2.6.1
Metodologia dos ensaios de fadiga
Nos ensaios de fadiga para ambos os concretos, CCG e CCP, buscou-se determinar o comportamento destes materiais
quando submetidos aos seguintes casos:
1.
para a freqüência de 10 Hz, foi determinado o número de ciclos (N) necessário para a ruptura da
amostra quando submetida a variações na relação entre tensões (RT);
2.
para a freqüência de 10 Hz, foi determinado o número de ciclos (N) necessários para a ruptura da
amostra quando submetida a variações na relação entre tensões (RT) de uma forma crescente (ensaio à tensão variável);
3.
para a freqüência de 10 Hz, foi determinado o número de ciclos (N) necessários para a ruptura da
amostra quando submetida a variações na relação entre tensões (RT) de uma forma decrescente (ensaio à tensão
variável);
Os ensaios dinâmicos foram realizados com a finalidade de determinar a resistência à fadiga dos concretos em estudo.
Para tanto, os corpos-de-prova foram submetidos à carregamento cíclico, com freqüência de 10Hz, sendo que o valor de
tensão mínimo foi de 7% e o máximo assumindo valores entre 70% e 85% da resistência estática de cada concreto.
Cada nível de tensão máxima aplicado foi mantido constante até a ruptura de cada corpo-de-prova.
Quanto aos ensaios de fadiga com tensão variável, o modo de carregamento foi realizado da seguinte maneira: (a)
variando a tensão de forma crescente; e (b) variando a tensão de forma decrescente. No primeiro caso, foram
determinados três níveis de relação entre tensões que variaram de forma crescente, estes níveis de relação entre tensões
empregados foram de RT1 = 0,70, RT2 = 0,75 e RT3 = 0,80, sendo que foram aplicados para cada um dos três níveis de
tensões, os seguintes números de ciclos: RT1 = 50.000 ciclos, RT2 = 30.000 ciclos e RT3 = livre (até ruptura do corpode-prova). No segundo caso, em que a relação entre tensões variou de maneira decrescente, foram determinados dois
níveis de relações entre tensões que foram, RT1 = 0,85 e RT2 = 0,80, sendo aplicado um número de 3.000 ciclos para
RT1 e um número de ciclos livre (até a ruptura) para RT2. Estes níveis de variação de tensão máxima foram
determinados em função de que seria possível comparar estes resultados com aqueles obtidos para relação entre tensões
constante e igual a 0,80. A freqüência adotada nos ensaios de tensão variável foi de 10 Hz para ambos os concretos.
O método utilizado nos ensaios foi PCA/66, que leva em consideração a curva tensão e o número de ciclos alcançado.
Na figura 4 é apresentada a configuração do ensaio.
(a)
(b)
Figura 4: Ensaio de fadiga: (a) Fadiga do CP, Vista lateral; (b) Ruptura do CP, vista geral.
5
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3 RESULTADOS
3.1 Resistência à flexão
Os resultados de resistência a flexão média encontrada para o CCP foi de 5,4 MPa e serviu de base para os
ensaios de fadiga. No caso do CCG, o resultado médio encontrado foi de 5,9 MPa.
Foram analisadas ainda, as deformações sofridas para ambos os concretos quando submetidos à aplicação de
carga estática. Os resultados mostraram uma deformação final para o CCG 50% mais elevada que o CCP. Estes valores
estão apresentados na figura 5.2.5 a seguir.
20
18
16
14
P(KN)
12
10
8
6
4
2
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformação(mm)
Figura 5: Relação entre carga e deformação para os dois concretos
3.2 Fadiga
3.2.1
Ensaios com tensão constante
Os resultados mostram que com o aumento da tensão máxima aplicada, menor a resistência à fadiga do
material. Em contra partida, para níveis de tensão mais baixos, o número de ciclos suportado aumenta.
A figura 6 mostra a curva Relação entre tensões versus Número de ciclos, para os dois concretos. É possível
perceber que no caso de relações entre tensões de 0,70, a diferença média do CCG em relação ao CCP, para as mesmas
condições, apresentou valores 15% superiores. Para relações entre tensões de 0,85, o CCG exibiu valores 96% mais
elevados, quando comparado ao CCP. Isto indica um comportamento favorável sob fadiga do CCG, não só em tensões
baixas, como também em tensões mais altas.
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160000
CCP
CCG
Número de ciclos
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
0,70
0,75
0,80
0,85
Relação entre tensões
Figura 6: Variação do Número de ciclos de fadiga com a Relação entre as tensões aplicadas, para o CCG e CCP.
3.2.2
Ensaios com tensão variável
Os resultados encontrados neste item tanto para o CCP, quanto para o CCG, indicam a concordância dos
autores com relação aos níveis de aplicação das cargas, quanto a sua condição de tensão aplicada. Indicando também
que quando a tensão varia de forma crescente, a hipótese de Palmgren-Miner é válida. Entretanto, quando a tensão é
aplicada de forma decrescente, a hipótese para a determinação do dano acumulado pode não ser segura, como mostra a
figura 7.
100000
Número de ciclos
80000
CCP
CCG
1 Tensão constante (RT=0,80)
2 Tensão decrescente (RT=0,85 , 0,80)
3 Tensão crescente (RT=0,70 , 0,75 , 0,80)
60000
40000
20000
0
1
2
3
Condição de tensão aplicada
Figura 7: Influência das condições de aplicações de tensão para os dois concretos estudados.
3.3 Análise microestrutural
7
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Foram obtidas imagens por elétrons secundários da superfície de fratura dos concretos ensaiados à fadiga,
visando observar a morfologia e as características da zona de transição na interface dos agregados com a matriz
geopolimérica e com a matriz de cimento Portland. As amostras para a análise em MEV foram retiradas dos corpos-deprova após a ruptura por fadiga, onde a relação entre tensões para este caso foi de 0,80.
(a)
(b)
Figura 8: Micrografias obtidas por MEV de ambos os concretos. (a) Zona de transição no CCP. (b) Interface matriz
agregado no CCG.
A boa aderência entre a matriz do CCG e a areia pode ser notada na figura 8b, a partir da menor degradação da
zona de interface agregado/matriz do material após a aplicação do carregamento cíclico, devido à inexistência de
gradientes de concentração de Portlandita nesta zona. Já na figura 8a, é possível observar que a fissura tende a contornar
os agregados pela interface matriz agregado, assim como acontece no CCG, porém, no CCP observa-se uma maior
degradação na zona de transição devido a mesma ser mais porosa e rica em cristais de Portlandita, o que limita
consideravelmente as propriedades mecânicas do concreto.
4
CONCLUSÕES
Nos ensaios de flexão é possível notar uma maior deformação sofrida pelo CCG para cargas mais elevadas.
Este comportamento pode estar associado à boa aderência entre a matriz geopolimérica com os agregados, além boa
resistência a flexão apresentada pela matriz.
A resistência à fadiga quanto a variação de tensões em ambos os concretos, foi maior do que quando submetido
a resistência à fadiga com tensão constante, somente, quando a tensão variou de baixa para alta (tensão crescente). Para
a variação de tensão de um nível mais elevado para um mais reduzido, o número de ciclos obtido foi inferior àquele
alcançado com tensão constante.
As análises por microscopia eletrônica de varredura mostram que a interface entre os agregados e as fibras, no
caso do CCG reforçado por fibras é densa e contínua, assim como a da matriz. A estrutura mais densa e compacta do
CCG foi determinante no bom desempenho deste concreto, em relação aos ensaios do CCP.
5
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES e ao CNPq pelo suporte financeiro, a Companhia Siderúrgica de Tubarão pela
doação da EGAF e ao Laboratório de Materiais de Construção e Solos do IME.
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6
REFERÊNCIAS
1 - ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12142 (MB3483) – “Concreto – Determinação da
resistência à tração na flexão em corpos-de-prova prismáticos”. Rio de Janeiro. Dezembro. 1991.
2 - CALLISTER Jr, W. D. “Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução”. 5 ed. LTC Editora, 2002., 589 p.
3 - CERVO, T. C.; BALBO, J. T.; CURTI, R.; SILVA, C.; “Estudo sobre medidas de resistência à tração na flexão de
concretos para pavimentos com emprego de amostras reduzidas”. IN: Anais do 46º Congresso brasileiro do Concreto –
IBRACON, Florianópolis, 2004.
4-DIAS,
D.
P.
“Cimentos
Geopoliméricos:
Estudo
de
Agentes
químicos
Agressivos, Aderência e Tenacidade à Fratura”. Tese de Doutorado em Ciências dos Materiais, Instituto Militar de
Engenharia, 2001, 216p.
5 - SILVA, A. C. R. “Comportamento do concreto geopolimérico para pavimento sob carregamento cíclico”. 2006..
Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) – Instituto Militar de Engenharia, 2006, 184p.
6 - SILVA, F.J. “Reforço e Fratura em Compósitos de Matriz Álcali-ativada”. Tese de Doutorado em Ciências dos
Materiais – Instituto Militar de Engenharia (IME) – Rio de Janeiro, 2000, 269p.
7-THOMAZ,
E.
C.
Dissertação
de
Mestrado
Engenharia, 2000, 108p.
S.
em
“Desempenho
Ciência
dos
do
Materiais
–
concreto
Instituto
Geopolimérico”.
Militar
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