Propriedades do concreto - Properties of concrete

O concreto tem resistência à compressão relativamente alta (não trinca com o peso), mas possui resistência à tração significativamente menor (trinca ao ser puxado). A resistência à compressão é normalmente controlada com a proporção de água para cimento na formação do concreto, e a resistência à tração é aumentada por aditivos, normalmente aço, para criar concreto armado. Em outras palavras, podemos dizer que o concreto é feito de areia (que é um agregado fino), lastro (que é um agregado grosso), cimento (pode ser referido como um aglutinante) e água (que é um aditivo).

Concreto reforçado

O concreto tem resistência à compressão relativamente alta , mas resistência à tração significativamente menor . Como resultado, sem compensação, o concreto quase sempre falha devido às tensões de tração (tensão (mecânica) # círculo de Mohr ), mesmo quando carregado em compressão. A implicação prática disso é que os elementos de concreto sujeitos a tensões de tração devem ser reforçados com materiais resistentes à tração (geralmente aço). A elasticidade do concreto é relativamente constante em níveis de tensão baixos, mas começa a diminuir em níveis de tensão mais elevados à medida que a fissuração da matriz se desenvolve. O concreto tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo e, à medida que amadurece, encolhe. Todas as estruturas de concreto irão rachar até certo ponto, devido ao encolhimento e à tensão. O concreto sujeito a forças de longa duração está sujeito à fluência . A densidade do concreto varia, mas é de cerca de 2.400 quilogramas por metro cúbico (150 lb / pés cúbicos).

O concreto armado é a forma mais comum de concreto. O reforço costuma ser vergalhão de aço (malha, espiral, barras e outras formas). Fibras estruturais de vários materiais estão disponíveis. O concreto também pode ser protendido (reduzindo a tensão de tração ) usando cabos de aço internos (tendões), permitindo vigas ou lajes com um vão mais longo do que o prático apenas com o concreto armado. A inspeção de estruturas de concreto existentes pode ser não destrutiva se realizada com equipamentos como um martelo Schmidt , que às vezes é usado para estimar as resistências relativas do concreto no campo.

Design de mistura

A resistência final do concreto é influenciada pela relação água-cimento (w / cm) , os constituintes do projeto e os métodos de mistura, colocação e cura empregados. Se todas as coisas forem iguais, o concreto com uma relação água-cimento (cimento) mais baixa torna um concreto mais resistente do que aquele com uma relação mais alta. A quantidade total de materiais cimentícios ( cimento Portland , cimento de escória , pozolanas ) pode afetar a resistência, a demanda de água, o encolhimento, a resistência à abrasão e a densidade. Todo o concreto irá rachar independentemente de ter ou não resistência à compressão suficiente. Na verdade, misturas com alto teor de cimento Portland podem rachar mais facilmente devido ao aumento da taxa de hidratação. À medida que o concreto passa de seu estado plástico, hidratando-se para um sólido, o material sofre retração. Rachaduras de retração de plástico podem ocorrer logo após a colocação, mas se a taxa de evaporação for alta, elas podem realmente ocorrer durante as operações de acabamento, por exemplo, em climas quentes ou dias de vento.

Em misturas de concreto de alta resistência (maior que 70 MPa), a resistência ao esmagamento do agregado pode ser um fator limitante para a resistência à compressão final. Em concretos magros (com alta relação água-cimento) a resistência ao esmagamento dos agregados não é tão significativa. As forças internas em formas comuns de estrutura, como arcos , abóbadas , colunas e paredes são forças predominantemente compressivas, com pisos e pavimentos sujeitos a forças de tração. A resistência à compressão é amplamente utilizada para requisitos de especificação e controle de qualidade do concreto. Os engenheiros conhecem seus requisitos de tração (flexão) alvo e os expressarão em termos de resistência à compressão.

A Wired.com relatou em 13 de abril de 2007 que uma equipe da Universidade de Teerã , competindo em uma competição patrocinada pelo American Concrete Institute , demonstrou vários blocos de concreto com resistência à compressão anormalmente alta entre 340 e 410 MPa (49.000 e 59.000 psi) aos 28 dias. Os blocos pareciam usar um agregado de fibras de aço e quartzo - um mineral com resistência à compressão de 1100 MPa, muito maior do que os agregados de alta resistência típicos, como granito (100-140 MPa ou 15.000-20.000 psi). O concreto em pó reativo, também conhecido como concreto de ultra-alto desempenho, pode ser ainda mais resistente, com resistências de até 800 MPa (116.000 PSI). Estes são feitos eliminando-se completamente o grande agregado, controlando cuidadosamente o tamanho dos agregados finos para garantir o melhor empacotamento possível e incorporando fibras de aço (às vezes produzidas pela trituração de lã de aço) na matriz. Os concretos em pó reativo também podem fazer uso da sílica ativa como um agregado fino. Os concretos em pó reativo comerciais estão disponíveis na faixa de resistência de 17–21 MPa (2.500–3.000 psi).

Elasticidade

O módulo de elasticidade do concreto é função do módulo de elasticidade dos agregados e da matriz de cimento e suas proporções relativas. O módulo de elasticidade do concreto é relativamente constante em níveis de tensão baixos, mas começa a diminuir em níveis de tensão mais elevados à medida que a fissuração da matriz se desenvolve. O módulo de elasticidade da pasta endurecida pode ser da ordem de 10-30 GPa e agrega cerca de 45 a 85 GPa. O composto de concreto está então na faixa de 30 a 50 GPa.

O American Concrete Institute permite que o módulo de elasticidade seja calculado usando a seguinte equação:

( psi )

Onde

peso do concreto (libras por pé cúbico) e onde
resistência à compressão do concreto em 28 dias (psi)

Esta equação é totalmente empírica e não se baseia em teoria. Observe que o valor de E c encontrado está em unidades de psi. Para concreto de peso normal (definido como concreto com a w c de 150 lb / ft 3 e subtraindo 5 lb / ft 3 para aço) E c pode ser considerado como .

A publicação usada pelos engenheiros de pontes estruturais é o Manual de projeto do fator de carga e resistência AASHTO , ou "LRFD". Do LRFD, seção 5.4.2.4, E c é determinado por:

( ksi )

Onde

fator de correção para a fonte agregada (considerado como 1,0, a menos que determinado de outra forma)
peso do concreto (kips por pé cúbico), onde e
resistência à compressão especificada do concreto em 28 dias (ksi)

Para concreto de peso normal ( w c = 0,145 kips por pés cúbicos) E c pode ser considerado como:

( ksi )

Propriedades térmicas

Expansão e encolhimento

O concreto tem um coeficiente de dilatação térmica muito baixo . No entanto, se nenhuma provisão for feita para expansão, forças muito grandes podem ser criadas, causando rachaduras em partes da estrutura que não são capazes de suportar a força ou os ciclos repetidos de expansão e contração . O coeficiente de expansão térmica do concreto de cimento Portland é de 0,000009 a 0,000012 (por grau Celsius) (8 a 12 micro deformações / ° C) (8-12 1 / MK).

Condutividade térmica

O concreto tem condutividade térmica moderada , muito mais baixa do que os metais, mas significativamente mais alta do que outros materiais de construção, como madeira, e é um isolante pobre.

Uma camada de concreto é freqüentemente usada para 'proteção contra fogo' de estruturas de aço. No entanto, o termo à prova de fogo é inapropriado, pois incêndios em altas temperaturas podem ser quentes o suficiente para induzir mudanças químicas no concreto, o que, em casos extremos, pode causar danos estruturais consideráveis ​​ao concreto.

Rachaduras

À medida que o concreto amadurece, ele continua a encolher, devido à reação contínua que ocorre no material, embora a taxa de retração caia relativamente rapidamente e continue reduzindo ao longo do tempo (para todos os fins práticos, o concreto geralmente é considerado não encolher devido à hidratação depois 30 anos). O encolhimento e expansão relativos do concreto e da alvenaria requerem uma acomodação cuidadosa quando as duas formas de construção fazem interface.

Todas as estruturas de concreto irão rachar até certo ponto. Um dos primeiros projetistas de concreto armado, Robert Maillart , empregou concreto armado em várias pontes em arco. Sua primeira ponte foi simples, com grande volume de concreto. Ele então percebeu que grande parte do concreto estava muito rachado e não poderia fazer parte da estrutura sob cargas de compressão, embora a estrutura funcionasse claramente. Seus projetos posteriores simplesmente removeram as áreas rachadas, deixando belos e delgados arcos de concreto. A ponte Salginatobel é um exemplo disso.

Trincas de concreto devido a tensões de tração induzidas por retração ou tensões que ocorrem durante a pega ou uso. Vários meios são usados ​​para superar isso. O concreto reforçado com fibra usa fibras finas distribuídas por toda a mistura ou metal maior ou outros elementos de reforço para limitar o tamanho e a extensão das rachaduras. Em muitas estruturas grandes, juntas ou cortes ocultos são colocados no concreto à medida que ele endurece para fazer com que as fissuras inevitáveis ​​ocorram onde podem ser gerenciadas e fora da vista. Tanques de água e rodovias são exemplos de estruturas que requerem controle de fissuras.

Rachadura por contração

Rachaduras por contração ocorrem quando os membros de concreto sofrem alterações volumétricas restritas (contração) como resultado de secagem, contração autógena ou efeitos térmicos. A restrição é fornecida externamente (ou seja, suportes, paredes e outras condições de contorno) ou internamente (contração de secagem diferencial, reforço). Uma vez que a resistência à tração do concreto é excedida, uma rachadura se desenvolverá. O número e a largura das fissuras de contração que se desenvolvem são influenciados pela quantidade de contração que ocorre, a quantidade de contenção presente e a quantidade e espaçamento do reforço fornecido. Estas são indicações secundárias e não têm impacto estrutural real na barra de concreto.

As rachaduras de retração de plástico são imediatamente aparentes, visíveis dentro de 0 a 2 dias após a colocação, enquanto as rachaduras de retração de secagem se desenvolvem com o tempo. A retração autógena também ocorre quando o concreto é bastante jovem e resulta da redução de volume resultante da reação química do cimento Portland.

Quebra de tensão

Os membros de concreto podem ser tensionados por cargas aplicadas. Isso é mais comum em vigas de concreto, onde uma carga aplicada transversalmente colocará uma superfície em compressão e a superfície oposta em tensão devido à flexão induzida . A parte da viga que está em tensão pode rachar. O tamanho e o comprimento das fissuras dependem da magnitude do momento fletor e do projeto da armadura na viga no ponto em consideração. As vigas de concreto armado são projetadas para trincar por tração e não por compressão. Isso é obtido fornecendo aço de reforço que cede antes que ocorra a falha do concreto na compressão e permitindo a remediação, o reparo ou, se necessário, a evacuação de uma área insegura.

Rastejar

Fluência é o movimento ou deformação permanente de um material para aliviar as tensões no material. O concreto sujeito a forças de longa duração está sujeito à fluência. Forças de curta duração (como vento ou terremotos) não causam fluência. A fluência às vezes pode reduzir a quantidade de fissuras que ocorrem em uma estrutura ou elemento de concreto, mas também deve ser controlada. A quantidade de armadura primária e secundária em estruturas de concreto contribui para a redução na quantidade de retração, fluência e fissuração.

Retenção de água

O concreto de cimento Portland retém água. No entanto, alguns tipos de concreto (como o concreto permeável ) permitem a passagem de água, sendo alternativas perfeitas às estradas de Macadame , pois não necessitam de drenagem pluvial .

Teste de concreto

Teste de compressão de um cilindro de concreto
Mesmo cilindro após a falha

Os engenheiros geralmente especificam a resistência à compressão necessária do concreto, que normalmente é dada como a resistência à compressão de 28 dias em megapascais (MPa) ou libras por polegada quadrada (psi). Vinte e oito dias é uma longa espera para determinar se as resistências desejadas serão obtidas, portanto, as resistências de três e sete dias podem ser úteis para prever a resistência à compressão final de 28 dias do concreto. Um ganho de resistência de 25% entre 7 e 28 dias é frequentemente observado com misturas de 100% OPC (cimento Portland comum), e entre 25% e 40% de ganho de resistência pode ser realizado com a inclusão de pozolanas, como flyash e materiais cimentícios complementares ( SCMs), como cimento de escória. O ganho de força depende do tipo de mistura, seus constituintes, o uso de cura padrão, testes adequados por técnicos certificados e cuidados com os cilindros durante o transporte. Para considerações práticas imediatas, é necessário testar com precisão as propriedades fundamentais do concreto em seu estado plástico fresco.

O concreto é tipicamente amostrado enquanto é colocado, com protocolos de teste exigindo que as amostras de teste sejam curadas em condições de laboratório (cura padrão). Amostras adicionais podem ser curadas em campo (não padronizadas) para fins de resistência à 'remoção' inicial, ou seja, remoção da forma, avaliação da cura, etc., mas os cilindros curados padrão compreendem os critérios de aceitação. Os testes de concreto podem medir as propriedades "plásticas" (não hidratadas) do concreto antes e durante a colocação. Como essas propriedades afetam a resistência à compressão endurecida e a durabilidade do concreto (resistência ao congelamento-degelo), as propriedades de trabalhabilidade (abatimento / escoamento), temperatura, densidade e idade são monitoradas para garantir a produção e colocação de concreto de 'qualidade'. Dependendo da localização do projeto, os testes são realizados de acordo com a ASTM International , European Committee for Standardization ou Canadian Standards Association . Como a medição da qualidade deve representar o potencial do material de concreto entregue e colocado, é imperativo que os técnicos de concreto que realizam testes de concreto sejam certificados para fazê-lo de acordo com essas normas. O projeto estrutural , o projeto do material de concreto e as propriedades são frequentemente especificados de acordo com os códigos de projeto nacionais / regionais, como o American Concrete Institute .

Os testes de resistência à compressão são conduzidos por técnicos certificados usando um cilindro hidráulico instrumentado que foi calibrado anualmente com instrumentos rastreáveis ​​ao Laboratório de Referência de Cimento e Concreto (CCRL) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) nos EUA, ou equivalentes regionais internacionalmente. Os fatores de forma padronizados são amostras cilíndricas de 6 "por 12" ou 4 "por 8", com alguns laboratórios optando por utilizar amostras cúbicas. Essas amostras são compactadas até falhar. Os testes de resistência à tração são conduzidos por flexão de três pontos de uma amostra de viga prismática ou por compressão ao longo dos lados de uma amostra cilíndrica padrão. Esses testes destrutivos não devem ser comparados a testes não destrutivos usando um martelo de rebote ou sistemas de sondagem que são indicadores manuais, para a resistência relativa dos poucos milímetros superiores, de concretos comparativos no campo.

Propriedades mecânicas em temperatura elevada

Temperaturas elevadas acima de 300 ° C (572 ° F) degradam as propriedades mecânicas do concreto, incluindo resistência à compressão, resistência à fratura, resistência à tração e módulo de elasticidade, no que diz respeito ao efeito deletério em suas mudanças estruturais.

Mudanças químicas

Com a temperatura elevada, o concreto perderá seu produto de hidratação por causa da evaporação da água. Portanto, sua resistência ao fluxo de umidade do concreto diminui e o número de grãos de cimento não hidratados aumenta com a perda de água quimicamente ligada, resultando em menor resistência à compressão. Além disso, a decomposição do hidróxido de cálcio em formas de concreto cal e água. Quando a temperatura diminui, o calcário reage com a água e se expande para causar uma redução da resistência.

Mudanças físicas

Em temperaturas elevadas, pequenas fissuras se formam e se propagam dentro do concreto com o aumento da temperatura, possivelmente causadas por coeficientes térmicos diferenciais de expansão dentro da matriz de cimento. Da mesma forma, quando a água evapora do concreto, a perda de água impede a expansão da matriz de cimento por retração. Além disso, quando as temperaturas atingem 573 ° C (1.063 ° F), os agregados siliciosos se transformam da fase α, sistema de cristal hexagonal, para fase β, estrutura bcc, causando expansão do concreto e diminuindo a resistência do material.

Spalling

A fragmentação em temperatura elevada é pronunciada, impulsionada pela pressão de vapor e tensões térmicas. Quando a superfície do concreto é submetida a uma temperatura suficientemente alta, a água próxima à superfície começa a se mover do concreto para a atmosfera. No entanto, com um gradiente de alta temperatura entre a superfície e o interior, o vapor também pode entrar onde pode condensar com temperaturas mais baixas. Um interior saturado de água resiste ao movimento adicional de vapor na massa de concreto. Se a taxa de condensação do vapor for muito mais rápida do que a velocidade de escape do vapor do concreto devido à taxa de aquecimento suficientemente alta ou à estrutura de poro adequadamente densa, uma grande pressão de poro pode causar fragmentação. Ao mesmo tempo, a expansão térmica na superfície irá gerar uma tensão compressiva perpendicular que se opõe à tensão de tração dentro do concreto. A fragmentação ocorre quando a tensão de compressão excede a tensão de tração.

Veja também

Referências