as mais recentes inovaÇÕes na aplicaÇÃo do betÃo...
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1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 1
AS MAIS RECENTES INOVAÇÕES NA APLICAÇÃO DO BETÃO ESTRUTURAL
ANGELA NUNES
Engª Civil Centro Desenvolvimento Aplicações de Cimento,
Secil S.A. Portugal
SUMÁRIO A evolução do betão estrutural nos últimos anos tem sido notável, pretende-se neste trabalho proceder ao levantamento dos principais marcos que permitiram acrescentar caraterísticas determinantes ao material, alargando assim a sua utilização e valor arquitectónico e estrutural. Os materiais constituintes, as tecnologias de fabrico e aplicação, a optimização dos métodos de cálculo e dimensionamento e a nova visão de design estrutural foram decisivos para estes resultados. 1. INTRODUÇÃO A notável evolução do betão nos últimos anos tem prespectivado uma enorme abertura ao nível das potenciais aplicações, alargando a sua utilização a novas áreas estruturais e arquitectónicas, com vantagens significativas quer ao nível técnico, funcional, do conforto, da economia e da durabilidade. 2. A EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS CONSTITUINTES Os marcos mais importantes dessa evolução passam necessáriamente pelos desenvolvimentos conseguidos ao nível dos materiais constituintes. De facto e tendo em conta que os agregados constituem aproximadamente 70% do seu volume, a garantia da qualidade dos mesmos à
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partida permite garantir uma estabilidade da performance dos betões que até à aplicação da normalização nesta área era muito mais díficil de se conseguir. Este aspecto foi especialmente importante para os betões à vista, nomeadamente os betões brancos, conduzindo a uma maior facilidade de controlo da estabilidade da cor. Efectivamente a marcação CE e a normalização, a que agora estão sujeitos, levou a uma melhoria significativa da qualidade, facilitando bastante a tarefa de produzir betão. A evolução ao nível dos cimentos foi também marcante, quer sob o ponto de vista das performances técnicas, quer ao nível da redução dos impactos ambientais, contribuindo este esforço, de forma importante para o desempenho ambiental do betão, justamente denominado como um dos mais sustentáveis materiais de construção disponíveis. A optimização e estabilidade da qualidade dos clinqueres, foi um dos pontos de partida. De facto a composição química e mineralógica deste material é determinante para a performance actual dos cimentos, onde o desenvolvimento de resistências é necessariamente muito rápido, atingindo valores muito elevados de forma a fazer face às necessidades actuais de obras técnica e economicamente cada vez mais exigentes. O teor de silicatos, especialmente os silicatos tricálcicos, presentes nos clinqueres actuais, a sua forma e tamanho de grão são condicionantes para a obtenção de cimentos de muito elevada resistência, como os actuais cimentos da classe 52,5, que facilmente apresentam valores médios de resistência à compressão da ordem dos 70MPa a 28 dias. Mas também veio a permitir o desenvolvimento dos cimentos compostos, pois clinqueres mais reactivos, possibilitam maiores incorporações de adições, valorizando outras propriedades como menor retracção, ou um menor calor de hidratação, factores determinantes em certas aplicações. Na fig. 1 é possível verificar o aumento considerável do teor de silicato tricálcico no clinquer nos últimos anos. Já na fig. 2 é visível o aumento do performance do clinquer nos últimos anos, permitindo atingir aumentos significativos das resistências nos cimentos, mesmo no caso dos cimentos compostos.
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1990 2002 2008
Variação da Composição Mineralógica Básica dos clinquers nos últimos 18 anos - Outão
C3SC2SC3AC4AF
Figura 1: Evolução composição minerálogica do clinquer nos últimos 18 anos.
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Resistência média compressão dos cimentos (1980-2006)
19 20 20
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Cem I 32,5 Cem II/A-L 32,5 Cem II/B-L 32,5 Cem I 42,5 Cem II/A-L 42,5 Cem I 52,5 Cem II/A-L 52,5
1980 1990 2001 1990 2001 2001 2006
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% a
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2 dias28 dias% adições
Figura 2: Resistência média vs percentagem de adições dos cimentos nos últimos anos em Portugal.
Certamente, a necessidade da Indústria em aumentar a sua eficiência técnica e ambiental forçou esta procura incessante de optimização, tentando-se rentabilizar ao máximo os recursos materiais e energéticos, ao que está associado um esforço notório de optimização dos processos, aliado a um forte controlo e monitorização quer do fabrico, quer do produto. Este esforço é já bem evidente e é hoje possível colocar no mercado cimentos compostos de elevado desempenho como é o caso do cimento branco Cem II/A-L 52,5 (br), com emissões e consumos energéticos bem menores face a um cimento de igual classe do tipo I. Na fig. 3 apresenta-se a evolução sentida pela Indústria nas últimas décadas, quer ao nível do consumo de água, com a passagem para um processo em via seca, quer ao nível das emissões, com a optimização da produção de clinquer e introdução dos cimentos compostos.
Evolução percentual das emissões de CO2 e do consumo de água na produção de cimento
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1975 1990 2000 2008
%
Redução deemissões de CO2Redução consumode água
Figura 3: Emissões de CO2 e consumo de água na produção de cimento.
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Outros constituintes que sofreram um grande impulso tecnológico foram os adjuvantes. A normalização e marcação CE introduziram uma fiabilidade que até então não estava garantida, conduzindo á generalização do seu uso no fabrico dos betões. De entre estes produtos, um especial destaque para os superplastificantes, especialmente os de última geração (éteres-policarboxilatos) que nos permitiram ultrapassar as necessidades de reologia e atingirmos os betões autocompactáveis. De facto estes betões possuíem uma fluidez tal que dispensam vibração, garantindo o perfeito envolvimento das armaduras, mesmo em situações de elevada densidade de armaduras, ou em peças de grande esbelteza de difícil betonagem. Nestas situações os riscos de uma menor protecção eram acrescidos, pondo em causa a durabilidade das estruturas. Com estes adjuvantes conseguem-se elevadas consistências com relações água/cimento na amassadura bastante baixas, obtendo-se por isso betões de muita elevada compacidade e durabilidade. Na fig 4, a título de curiosidade, apresenta-se a tipologia quimica desta familia de produtos e na fig.5 é bem patente a fluidez destes betões, procedendo-se á medição do respectivo espalhamento. Na fig. 6 um aspecto final de uma parede de forma inregular, com elevada densidade de armadura, onde não fora a utilização deste tipo de betão muito dificilmente se obteria a qualidade de efeito de parede pretendido (Edifício Vodafone-Porto).
Figura 4: Tipologia química da molécula dos
superplastificantes de última geração.
Figura 5: Aspecto do betão autocompactável no
estado fresco.
Figura 6 – Parede em betão Autocompactável-
Edifício Vodafone- Porto
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Outra nova família de adjuvantes que veio apoiar o desenvolvimento destes novos betões foram os agentes de controlo de retracção (ACR’s), que através de um mecanismo de controlo da tensão superficial da solução intersticial dos poros do betão, conduz a uma redução significativa da retracção autogénea. Efectivamente o controlo da retracção nos betões à vista é fundamental para garantir uma boa durabilidade de aparência da obra, possibilitando compatibilizar as deformações e fissuração, com as elevadas dosagens de ligante, necessárias para se atingirem compacidades compatíveis com uma elevada durabilidade e excelente aspecto superficial. Existem várias famílias químicas de produtos para este efeito, sendo recomendado, caso a caso a verificação da eficiência respectiva e dosagem mais adequada. Na fig. 7 apresentam-se resultados obtidos, numa mesma composição de betão, com e sem o adjuvante de controlo de retracção, onde é bem visível a redução efectiva obtida que rondou os 30%, sendo proporcionalmente mais eficaz o efeito em betões de maior retracção autogénea.
Efeito do ACR
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28 dias 90 dias
idade
Ret
racç
ão x
10-6
s/adjuvc/adjuv
Figura 7: Efeito na redução da retracção em betão branco com e sem adjuvante ACR.
A nanotecnologia está a ser utilizada no fabrico dos betões. De facto existem neste momento aplicações em pelo menos duas famílias de produtos. As nano sílicas, partículas á escala nano de sílica reactiva que ao serem introduzidas no fabrico dos cimentos podem contribuir para adensarem a microestrutura e assim contribuírem de forma significativa para o aumento da durabilidade dos betões. Também ao nível de soluções com aplicação superficial na pele do betão, diminuem de forma importante a absorção capilar, conduzindo à impermeabilização superficial. O desenvolvimento da utilização das nano partículas de dióxido de titânio (anatase), com as suas propriedades foto-catalíticas, contribuiem para o efeito de auto limpeza superficial, promovendo, na ausência de luz, a condensação superficial e um efeito repelente, não deixando que a sujidade vá incrustando, o que é estraordináriamente útil nos betões á vista expostos a
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atmosferas com muitas partículas suspensas, como temos nas nossas cidades. Na presença de luz a anatase, poderá decompor compostos orgânicos poluentes, existentes na atmosfera, contribuindo para a melhoria da qualidade do ar do espaço envolvente ás nossas estruturas. O resultado destes desenvolvimentos ao nível de todos os materiais constituintes do betão tem um efeito imediato na performance do material. Efectivamente no fig.8 é bem notável a evolução do comportamento mecânico do material, nomeadamente da sua resistência á compressão, tendo-se atingido nos últimos anos a meta dos 200MPa.
Evolução das Resistências dos Betões Cimento Portland nos últimos 100 anos
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Figura 8 Evolução da resistência á compressão dos betões de cimento portland nos últimos 100 anos.
3. A EVOLUÇÃO DAS TECNOLOGIAS A compreensão dos fenómenos associados a hidratação dos cimentos, formação da microestrutura e seus condicionantes, o acesso à escala micro e nano e o desenvolvimento da ciência dos materiais, tiveram também um papel fundamental para estes resultados e sobretudo para o controlo dos principais factores que afectam a durabilidade do material. Efectivamente na fig.9 é visível o efeito provocado por diferentes relações A/C da amassadura, na compacidade do betão. Sendo facilmente perceptível a enorme importância deste efeito facilitador, na entrada de agentes agressivos e sujidades que afectarão, de forma significativa, a durabilidade física e durabilidade de aparência.
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Figura 9: Diferença de diâmetros de poros entre betões relação A/C=0,4( esquerda) e A/C=0,6 (direita)- ampliação (X500).
As propriedades mais afectadas por este efeito da falta de compacidade são as responsáveis principais pela deterioração das nossas estruturas, com especial referência para a penetração de cloretos, no caso da envolvente marinha, e a carbonatação que conduz á despassivação das armaduras e consequente corrosão. De salientar na fig. 10 a relação inversa existente entre a porosidade e a resistência à compressão, com a variação exponencial da penetração de cloretos em função do aumento da porosidade. Na fig 11 é visível a degradação, infelizmente muito comum em zonas próximas da envolvente marinha, provocada pela corrosão por cloretos: Porto de Mar, Outão-Setúbal.
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Porosidade
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Pene
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Figura 10: Penetração de cloretos em função da
porosidade e da resistência á compressão. Figura 11: Exemplo de corrosão por cloretos; Cais marítimo Secil Outão.
Na fig. 12 é visível a importância da dosagem de cimento, isto é da compacidade do betão, na carbonatação acelerada, sendo bem mais preponderante do que uma eventual diferença entre tipos de cimento utilizados no fabrico do betão. Acresce ainda que a este factor da relação água de amassadura/dosagem de cimento estão também associados outros efeitos prejudiciais, como seja o aumento considerável da retracção plástica e consequentemente da fissuração, ou a degradação da resistência ao desgaste.
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Carbonatação acelerada
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2
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3
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5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
idade
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Cem I 42,5
CemII/A-L 42,5
260 kg/m3 cimentoA/C= 0,65
370 kg/m3 cimentoA/C=0,4
Figura12: Importante influência da compacidade na carbonatação acelerada.
4. O NOVO POTENCIAL Todos estes desenvolvimentos permitiram-nos chegar um pouco mais longe e explorar novas potencialidades do material no domínio da arquitectura, dotando o material de capacidade de resposta aos grandes desafios da arquitectura actual, exigente na forma, na textura, na cor, na esbelteza e leveza das soluções e minimalistas no consumo de recursos e nos custos. O desenvolvimento dos cimentos brancos (fig.13 - Betão branco; Biblioteca de Viana do Castelo) e dos pigmentos inorgânicos á base de óxidos metálicos, para garantirem a estabilidade de cor durante os longos anos de durabilidade destas obras, (fig. 14 -aspecto de alguns destes pigmentos) permitiram-nos uma variedade de colorações nos betões enorme, fig. 15 - betão cor tijolo no Museu Paula Rego.
Figura 14: Aspecto dos pigmentos para
betão á base de óxidos metálicos. Figura 13: Betão branco- Biblioteca Viana do Castelo.
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Figura 15: Betão cor tijolo; Museu Paula Rego em Cascais.
O uso de adições, nomeadamente dos fileres, veio também apoiar este desenvolvimento, permitindo compatibilizar as dosagens de cimentos, com retracções e módulos de elasticidade compatíveis com deformações admissíveis e abertura de fenda mínimas, sem prejuízo de uma boa opacidade e homogeneidade da pele destes betões. Ao nível da textura muito trabalho tem sido desenvolvido, quer antes ou após endurecimento. De facto temos disponíveis muitas técnicas como seja a moldagem a partir de moldes de elastómero com textura pré-definida, á estampagem superficial efectuada ainda antes do início de presa. Na fig.16, temos o exemplo de um molde de silicone, para colar á cofragem tradicional de contraplacado marítimo ou aço. Este molde possui já a textura final pretendida. Estes betões de elevada performance são de tal forma sensíveis que agarram na sua superfície mesmo indeléveis riscagens, possibilitando explorar artisticamente este efeito, especialmente no domínio da escultura.
Figura16: Molde em silicone a revestir cofragem em contraplacado marítimo.
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Outra técnica muito usada é a desactivação superficial, que pode funcionar quer na face positiva (aplicação do desactivante sobre um pavimento, por exemplo, antes do inicio de presa) quer como negativa, quando a aplicação do descativante é efectuada directamente na cofragem. Neste caso o efeito do retardador de superfície não permite que ocorra o endurecimento até á profundidade de ataque pretendida. Após a descofragem ou o endurecimento superficial, apresentando o betão a resistência adequada, procede-se á lavagem e escovagem da superfície, retirando a nata e expondo o agregado da matriz. Daqui podem resultar interessantes efeitos de combinações de cor, forma dimensão e tipo de agregado versus a coloração da matriz. Na fig. 17 podemos observar a técnica aplicada em pavimento urbano, de betão branco desactivado, na Cidadela de Cascais.
Figura 17: Betão branco desactivado em pavimento urbano; Cidadela de Cascais.
Alguns detalhes constructivos devem ser desde logo definidos na fase de projecto, como o eventual tratamento das armaduras, para evitar manchas e escorrências (Fig. 18), o uso de espaçadores que garantam os correctos recobrimentos e a utilização de impermeabilizantes de forma a minimizar a absorção capilar e assim aumentar consideravelmente a durabilidade de aparência dos paramentos. Para além dos produtos referidos anteriormente no texto, são muito usados os silanos e siloxanos e no caso do risco de grafites, os filmes de base acrílica, na forma de película superficial, a remover com apoio de um solvente, no caso de ocorrerem graffitis.
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Figura 18 – Manchas de óxido de ferro provenientes da falta de tratamento das armaduras que acabam por provocar escorrências sobre os painéis de cofragem e betonagens anteriores.
É também possível aplicar a estes betões de elevada compacidade, tratamentos de superfície idênticos aos utilizados com a pedra, como o polimento, a bujarda, jateamento a granalha ou mesmo a flamejagem no caso de se utilizarem agregados graníticos. Outras técnicas têm-se desenvolvido mais recentemente como a serigrafia em betão, através do recurso a impressões fotográficas que ao serem colocadas na base da cofragem permitem ao betão, ainda no estado fresco, a sua absorção superficialmente com efeitos muito interessantes. Novas técnicas em estudo, como as superficies interactivas em betão, serão possíveis num futuro próximo. Por último, a propriedade mais notável destes betões é a plasticidade, que possibilita uma enorme liberdade artística. De facto a sua adaptação a qualquer forma é potencialmente muito interessante, pois dá azo á criatividade arquitectónica, possibilitando projectos de grande beleza e inovação (Fig. 19 e 20).
Figuras 19 e 20: Exemplos da plastecidade do betão; Faculdade Medicina Braga e Casa da Musica no
Porto.
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. O desenvolvimento deste potencial está muito relacionado com o desenvolvimento dos sistemas de cofragem. Também nesta área tem-se conseguido inovar bastante, como é o caso das cofragens de aço com revestimento a chapa de aço inox, usadas essencialmente em situações de betonagens em betão branco ou claro em peças com curvaturas, especialmente no caso de várias reutilizações, para obviar á formação de manchas e assim minimizar custos de limpeza (Fig. 21 a e 21 b).
Figura 21a e 21b: Exemplos da plastecidade do betão; Aeroporto Sá Carneiro, aspecto da cofragem
metálica revestida a aço inox para a betonagem dos pórticos e vista conjunta das peças após betonagem. Outro exemplo a referir são as cofragens pneumáticas que possibilitam a execução de peças de elevada esbelteza como sejam as cascas e os domos. Propriedades também relevantes destes betões são o seu excelente comportamento ao fogo, bem como a sua elevada inércia térmica que possibilita, quando bem gerida, uma maior eficiência energética dos edifícios. Efectivamente os sistemas térmicos passivos, especialmente em climas como o nosso podem conduzir a gastos mínimos de energia. Uma boa resistência á lixiviação é também uma característica interessante nos nossos dias, permitindo capsular com segurança matérias potencialmente perigosas, o que em obras de reabilitação ambiental pode ser muito útil. Na Fig. 22 encontra uma comparação resumida para as principais características destes betões de elevado e muito elevado desempenho com os betões correntes de estrutura. Neste resumo fica bem patente o desenvolvimento que se tem conseguido atingir no domínio dos betões nos últimos anos.
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Aparência:CorIndice Reflectância % <40Textura s/especificação c/especificação c/especificaçãoavaliação acabamento superficial s/especificação c/especificação c/especificação
Características Betão Fresco:
Relação A/C >0,48 < 0,4 <0,37Dosagem Ligante kg/m3 270-310 350 - 500 > 500
Características Betão Endurecido:Comportamento Mecânico
Resistência à Compressão MPa 25-30 70 - 120 > 120Resistência à Flexão MPa 3 - 4 5 - 12 > 12Retracção 700 x 10-6 especificada especificadaMódulo Elastecidade MPa 10 - 13 especificado especificado
DurabilidadePorosidade em vazio % >13 8 - 12 < 8Permeabilidade aos cloretos C >4000 < 1500 < 800
Consistência S3: 100 - 150 S4:160-210 F6:> 630mm
S4:160-210 F6:> 630mm
Betão corrente Betão Alta Performance
Betão Mto. Alta Performance
mm
Figura 22: Resumo das Principais caracteristicas dos betões correntes, de alta performance e de muito alta
performance. REFERÊNCIAS [1] Mats Öberg; NCC Construction Sweden AB, Sweden, “Sustainable benefits of concrete
structures; European Concrete Platform. [2] “The European Guidelines for self-Compacting Concrete BIBM,Cembureau,
EFCA,EFNARC, ERMCO [3] Concrete Admixtures Handbook”:Properties, Science and technology; V.S.Ramachandran [4] “Espaces urbains en beton desactivé : conception e realisation »
Cimbeton – F.T. 53 [5] Concrete for energy-efficient buildings : the beneficts of thermal mass”; CEMBUREAU [6] “Properties of concrete” ; A.M. Neville“CONCRETE FOR ENERGY EFFICIENT AND
[7]COMFORTABLE BUILDINGS”; Francesco Biasioli;Politecnico di Torino, Italy
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