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DESEMPENHO AO FOGO DE DIFERENTES TÉCNICAS DE UNIÃO DE CONCRETOS DE DIFERENTES IDADES

J. M. A. ALMEIDA J. L. CAMPAGNOLO MSc Eng.º Civil Prof. Eng.º Civil UFRGS UFRGS Porto Alegre/RS; Brasil Porto Alegre/RS; Brasil jasscarnival@gmail.com campagnolo@ppgec.ufrgs.br D. L. KLEIN L C. P. SILVA FILHO Prof. Eng.º Civil Prof. Eng.º Civil UFRGS UFRGS Porto Alegre/RS; Brasil Porto Alegre/RS; Brasil dariolklein@gmail.com lcarlos66@gmail.com

RESUMO Na literatura especializada é possível encontrar resultados comparando diferentes técnicas de união de concretos com diferentes idades, no entanto, pouco se sabe quanto ao seu comportamento no fogo. Este trabalho teve como objetivo avaliar a resistência residual após exposição a altas temperaturas de diferentes técnicas de união, tais como: apicoamento simples, apicoamento com aplicação de argamassa (1:3) com adição de 10% de sílica ativa e apicoamento com aplicação de resina epóxi. Foram testados 3 patamares de temperatura: 23°C, 300°C e 600°C. Os resultados obtidos mostram que a técnica de união com resina epóxi foi a mais eficaz na temperatura ambiente. Após a exposição a 600°C a resistência residual dos concretos unidos com resina epóxi foi praticamente nula. O desempenho ao fogo das restantes técnicas de união foi, de forma geral, superior, sendo que nos 600°C mantiveram cerca de 50% da resistência padrão. Palavras-chave: União entre concretos, altas temperaturas, resistência residual. 1. INTRODUÇÃO A união entre concretos de diferentes idades é uma técnica habitualmente associada a concretagens divididas por etapas, denominadas de juntas frias, ou à recuperação de estruturas deterioradas e ao reforço estrutural. O acréscimo de um novo volume de concreto ao concreto velho deve proporcionar uma monoliticidade ao sistema, de forma que os concretos novo e antigo trabalhem juntos. Para garantir a continuidade da união, a superfície de concreto deverá receber um tratamento adequado de forma a criar uma interface de ligação eficaz entre os concretos de diferentes idades ou de diferentes resistências. De acordo com Marek Filho e Vanderlei [1] a interface de contato entre concretos de diferentes idades é, geralmente, a região mais propícia a problemas, já que além de ser a região com maior risco de segregação de materiais, é também a região onde a aderência pode ser menor, devido ao acúmulo de camadas de nata de cimento, que atuam como uma camada de baixa resistência. Na ligação de concretos de diferentes idades ou resistências é necessário garantir a aderência física dos materiais. A superfície de concreto velho deve ter alguma rugosidade e deve estar limpa; para isso é necessário remover a nata superficial de cimento devido à sua baixa resistência de aderência; no preparo do substrato podem ser utilizados marteletes elétricos ou pneumáticos, apicoamento manual, fresadoras mecânicas, equipamentos de hidro demolição de alta pressão e, eventualmente, o jateamento de areia, seco ou úmido [2].

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Para Pretto [3] o apicoamento é a técnica de tratamento superficial que fornece um maior aumento da área de contato para os materiais. Este método consiste no lascamento manual ou mecânico da superfície do concreto de forma a remover a nata superficial, obtendo uma superfície rugosa com exposição parcial dos agregados. Por outro lado, é necessário garantir a aderência química do concreto novo ao concreto velho. De acordo com Fagury [4], a maioria dos procedimentos adotados na recuperação de estruturas de concreto pressupõe a utilização de adesivos poliméricos para criar uma ponte de ligação entre o concreto velho e novo. Ainda de acordo com o autor, a utilização de produtos cimentícios bem dosados incorporando silíca ativa é uma técnica viável para garantir uma ligação eficaz, proporcionando uma matriz densa e de baixa porosidade. Uma das principais vantagens na utilização de resina epóxi é a ausência quase total de retração durante o processo de cura garantindo excelentes propriedades adesivas. Para se obter um adesivo de boa qualidade, a mistura dos seus componentes, resina epóxi e endurecedor, deve ser adequada, de modo a promover um maior número de ligações moleculares entre os elementos constituintes [5]. Por outro lado, o tempo de aplicação da resina é relativamente curto, condicionado pelo seu pot life, ou seja, pelo tempo limite de trabalhabilidade da resina [6]. Além disso, o risco de perda da integridade durante um incêndio constitui uma das principais preocupações, uma vez que o adesivo epóxi é altamente vulnerável ao efeito do calor [7]. Na literatura especializada é possível encontrar alguns resultados comparando diferentes técnicas de união de concretos, no entanto, pouco se sabe quanto ao seu comportamento no fogo. Este trabalho teve como objetivo principal avaliar o desempenho no fogo, através da determinação experimental da resistência residual após exposição a altas temperaturas, de concretos de diferentes idades unidos através de técnicas distintas: apicoamento simples, apicoamento com aplicação de argamassa com adição de 10% de sílica ativa (argamassa de alta resistência) e apicoamento com aplicação de resina epóxi adequada para união entre concretos de diferentes idades. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foi utilizado um traço convencional de concreto, de 1: 2,12: 2,88: 0,50, utilizando cimento Portland CPV ARI, areia quartzosa natural e brita 1 de origem basáltica, com consumo de cimento de 380 kg/m³, de forma a obter uma resistência de dosagem aos 28 dias de aproximadamente 45 MPa. Os primeiros corpos de prova (cps) foram desmoldados 24 horas após a concretagem e colocados em cura úmida durante 27 dias. Após a cura úmida, os cps foram cortados na diagonal, num ângulo de 60° relativamente à geratriz horizontal, para servirem como base para aplicar o concreto fresco. A superfície de união foi preparada utilizando apicoamento manual com martelete, para remover a nata superficial e deixar o agregado graúdo parcialmente exposto. Seguidamente, as bases de concreto endurecido foram acondicionadas nas formas metálicas para receber o tratamento de ligação, aplicado em substrato úmido: apicoamento simples, apicoamento com aplicação de argamassa (1:3) com adição de 10% de sílica ativa, dosada para uma resistência à compressão aproximadamente de 40 MPa, e apicoamento com aplicação de resina epóxi bi-componente, adequada para união entre concretos. A moldagem final foi feita utilizando concreto fresco com dosagem igual ao concreto endurecido. Os novos cps permaneceram em cura controlada durante 28 dias até aos ensaios de altas temperaturas. Foram testados 3 patamares de temperatura: 23°C (temperatura ambiente), 300°C e 600°C. Os patamares de temperatura foram estabelecidos de acordo com a literatura especializada. As amostras de concreto foram aquecidas, sem aplicação de carga, em forno elétrico industrial com controle de temperatura, utilizando uma taxa de aquecimento de 9°C/min. A taxa de aquecimento adotada foi superior à recomendada pela norma europeia RILEM TC 129-MHT [8] devido à limitação do equipamento. Atingida a temperatura de ensaio, manteve-se o patamar de temperatura constante durante 30 minutos. Utilizou-se um patamar reduzido de exposição por motivos de segurança, já que o laboratório não dispõe de equipamento para exaustão de gases tóxicos, libertados na decomposição da resina epóxi durante o aquecimento. Não foi medida a temperatura na interface da união. O resfriamento foi feito na temperatura ambiente. Após o resfriamento lento, os cps foram retificados e colocados na prensa servo-controlada, modelo Shimadzu UH–I, com capacidade de carga de até 2000 kN, centrados em relação ao eixo de carregamento, para serem submetidos a ensaio de compressão simples. A resistência à compressão simples foi determinada seguindo as recomendações da norma brasileira NBR 5739 [9]. A Tabela 1 resume a matriz experimental.

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Tabela 1 – Resumo da matriz experimental

União CPs Geometria Apicoamento (23°C, 300°C, 600°C) 9 (3/T)

Apicoamento + argamassa de alta resistência (23°C, 300°C, 600°C) 9 (3/T) Apicoamento + resina epóxi (23°C, 300°C, 600°C) 9 (3/T) Íntegro – concreto velho (23°C, 300°C, 600°C) 9 (3/T) Íntegro – concreto novo (23°C) 4

Total cps: 40

A Tabela 2 apresenta a caracterização física e química do cimento Portland CPV-ARI utilizado nas concretagens.

Tabela 2 - Caracterização física e química do cimento CPV-ARI Propriedades Resultados Exigido NBR Área específica – Blaine (m²/g) 0,4401 ≥ 0,3 NM 76/98 Tempo de pega NM 65/02 Início (min) 140 ≥ 60 Término (min) 187 ≤600 Massa Específica (g/cm³) 3,11 - NM 23/01 Diâmetro médio (µm) 11,06 Perda ao Fogo (%) 2,56 ≤4,5 NM 18/04 SiO2 (%) 17,83

A Tabela 3 apresenta as principais propriedades da resina epóxi, bi-componente, utilizada na união dos concretos.

Propriedades Resultados Resistência à compressão (1 dia) 60 MPa

90 MPa 18,4 MPa 1,70 g/cm3

Resistência à compressão (7 dias) Resistência de aderência p/ concreto (14 dias) Densidade (25°C) Pot life (20°C; 50% u.r.) 35 minutos Temperatura de serviço Mín. +10°C / Máx. +60°C Temperatura de transição vítrea Não determinada

3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS A Tabela 4 apresenta os valores médios, desvios padrão (sd) e coeficientes de variação (cv) determinados com base nos resultados experimentais obtidos na resistência à compressão simples (fc) e na perda de massa (ΔM) das amostras.

Tabela 4 – Resultados experimentais

União T fcm sd cv fcm

resid ΔMm sd cv Mm resid

(°C) (Mpa) (Mpa) (%) (%) (g) (g) (%) (%)

ÍNTEGRO 23 48,89 1,10 2,26 1,00 0,00 ─ ─ 1,00

300 41,36 0,93 2,25 0,85 41,53 5,64 13,58 0,99 600 25,39 0,67 2,65 0,52 222,37 8,75 3,93 0,94

EPÓXI 23 44,63 3,50 7,85 1,00 0,00 ─ ─ 1,00

300 34,00 0,34 0,99 0,76 57,77 9,72 16,83 0,98 600 2,02 0,40 20,06 0,05 226,13 4,93 2,18 0,94

APICOAMENTO 23 29,24 4,95 16,93 1,00 0,00 ─ ─ 1,00

300 19,51 0,32 1,61 0,67 36,43 8,73 23,95 0,99 600 15,18 2,39 15,71 0,52 205,83 3,63 1,76 0,95

ARGAMASSA 23 18,42 2,91 15,78 1,00 0,00 ─ ─ 1,00

300 14,83 1,35 9,08 0,81 31,50 3,72 11,82 0,99 600 10,21 3,07 30,12 0,55 209,13 2,20 1,05 0,94

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Na temperatura ambiente, a ruptura das amostras unidas com resina epóxi ocorreu fora da interface de ligação e com valores próximos aos da ruptura no concreto íntegro, ou seja, a união apresentou um comportamento semelhante ao comportamento íntegro. Já nos cps onde foi aplicado apicoamento simples e apicoamento com argamassa aditivada a ruptura ocorreu ora por compressão, ora por cisalhamento na região da junta fria com resistências consideravelmente inferiores à resistência do concreto íntegro. Nos resultados obtidos por Sampaio [10] todas as uniões testadas em concretos de 30 MPa – apicoamento simples, apicoamento mais nata de cimento com adição de sílica ativa e apicoamento mais resina epóxi - resistiram ao rompimento por compressão, além disso, os cps romperam próximo da resistência a que foram dosados, neste caso de 30 MPa, ou seja, todos os tratamentos de ligação foram eficazes. Já para concretos de 35 MPa as juntas de ligação com tratamento com apicoamento simples não resistiram ao ensaio de compressão, apresentando desprendimento da junta de ligação antes do corpo de prova atingir a tensão de ruptura. Após a exposição à alta temperatura de 300°C, praticamente em todos os tipos de união a ruptura ocorreu por cisalhamento na junta de ligação, com exceção para 2 cps unidos com resina epóxi que tiveram ruptura normal por compressão. Geralmente, a resina epóxi começa a sofrer reduções significativas de massa a partir de 200 ºC. O fato de a resina estar contida no concreto poderá ter contribuído para o bom desempenho ao fogo da união com resina epóxi nos 300°C, onde a perda de resistência foi aproximadamente 25% relativamente à temperatura ambiente. Nos 600°C a resistência residual dos cps unidos com resina epóxi foi praticamente nula. A resistência obtida pelas outras uniões - apicoamento simples e apicoamento simples mais argamassa de alta resistência - nos 600°C foi cerca de 50% da resistência padrão. Nos 600°C a ruptura de todos os cps ocorreu por cisalhamento na junta de ligação. A Figura 1 ilustra os resultados obtidos na resistência à compressão dos concretos unidos.

0

20

40

60

0 300 600

f c(M

Pa)

Temperatura de exposição (°C)

ÍntegroEpóxiApicoamentoArgamassa AR

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

0 300 600

f cm re

sidu

al (%

)

Temperatura de exposição (°C)

ÍntegroEpóxiApicoamentoArgamassa AR

(a) (b)

Figura 1: Resistência à compressão por temperatura de exposição (a) resistência absoluta (b) resistência média residual Na Figura 1 é possível observar as diferenças entre os tipos de união testados. Na união com resina epóxi a redução da resistência se acentuou a partir dos 300°C devido à vulnerabilidade da resina às altas temperaturas. Na união com argamassa de alta resistência a redução foi praticamente linear. Já na união com apicoamento simples a redução foi mais acentuada até aos 300°C. Convém salientar que, dadas as condições de aquecimento empregues, as temperaturas de exposição não correspondem à temperatura média da interface. A Figura 2 mostra os resultados obtidos na perda de massa dos concretos unidos expostos a altas temperaturas.

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5

0

100

200

300

0 300 600

Per

da d

e m

assa

(g)

Temperatura de exposição (°C)

ÍntegroEpóxiApicoamentoArgamassa AR

0,50

0,75

1,00

0 300 600M

m re

sidu

al (%

)Temperatura de exposição (°C)

ÍntegroEpóxiApicoamentoArgamassa AR

(a) (b)

Figura 2: Perda de massa por temperatura de exposição (a) perda de massa absoluta (b) perda de massa residual Na Figura 2 é possível observar que a perda de massa aumentou significativamente a partir dos 300°C em todos os concretos aquecidos. A fim de avaliar a significância das variáveis testadas, foi realizada uma análise de variância entre grupos (ANOVA), utilizando o software STATISTIC 7.0. Considerou-se a relação entre variáveis como sendo significativa estatisticamente para valores de p-value inferiores a 0,05. Na Figura 3 é possível observar que o tipo de união influenciou significativamente a resistência à compressão na temperatura ambiente, com p-value de 0,00001.

Current effect: F(3, 8)=51,079, p=,00001Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

Íntegro Epóxi Apicoamento Argamassa AR

União

0

10

20

30

40

50

fc (M

Pa)

Figura 3: Influência do tipo de união na resistência à compressão na temperatura ambiente

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A Figura 4 mostra que a combinação temperatura de exposição x tipo de união teve influência significativa na variável resposta resistência à compressão, com p-value de 0,00000.

Current effect: F(6, 22)=34,228, p=,00000Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

23 300 600

Temperatura (°C)

0

10

20

30

40

50

fc (M

Pa)

União Íntegro União Epóxi União Apicoamento União Argamassa AR

Figura 4: Influência da temperatura de exposição x tipo de união na resistência à compressão simples

Na Figura 5 é possível observar que a temperatura de exposição x tipo de união teve influência significativa na variável resposta perda de massa, com p-value de 0,00253.

Current effect: F(6, 24)=4,7519, p=,00253Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

23 300 600

Temperatura (°C)

0

50

100

150

200

250

Per

da d

e M

assa

(g)

União Íntegro União Epóxi União Apicoamento União Argamassa AR

Figura 5: Influência da temperatura de exposição x tipo de união na perda de massa

Na Figura 6 é possível visualizar o efeito na coloração e a degradação crescente da integridade das amostras após exposição às altas temperaturas de 300°C e 600°C.

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300°C: epóxi 300°C: apicoa. (esq) e argamassa (dir)

600°C: epóxi 600°C: apicoa. (esq) e argamassa (dir)

Figura 6: Influência da temperatura de exposição por tipo de união na cor e integridade das amostras 4. CONCLUSÕES Após a análise dos resultados obtidos são apresentadas abaixo as conclusões, válidas apenas no âmbito deste trabalho. A análise de variância indica que o tipo de união de concretos de diferentes idades e a temperatura de exposição influenciaram significativamente a resistência à compressão simples do concreto. Na temperatura ambiente a união de concretos de diferentes idades utilizando apicoamento com aplicação de resina epóxi foi eficaz. Os cps romperam por compressão com valores próximos da resistência a que foram dosados, de 45 MPa, no entanto, a resistência foi cerca de 9% inferior à resistência nas amostras íntegras. Na temperatura ambiente as técnicas de união com apicoamento simples e apicoamento com argamassa de alta resistência não foram eficazes, tendo rompido por cisalhamento na região da junta, com valores de ruptura consideravelmente inferiores, respectivamente 60% e 40% da resistência das amostras íntegras. Após a exposição a 300°C, a resistência residual da união com resina epóxi foi aproximadamente 75% da resistência obtida com a resina epóxi na temperatura ambiente, mas nos 600°C a resistência foi praticamente nula. O desempenho ao fogo das restantes técnicas de união foi, de forma geral, superior, sendo que nos 600°C as amostras de concreto unidas com apicoamento simples e com apicoamento mais argamassa de alta resistência mantiveram cerca de 50% da resistência obtida na temperatura ambiente. 5. AGRADECIMENTOS Os autores do trabalho gostariam de agradecer aos técnicos do LEME/UFRGS e aos alunos da disciplina Patologia de Estruturas de Concreto do PPGEC/UFRGS pelo trabalho realizado na preparação das amostras e na aplicação das técnicas de união. 6. REFERÊNCIAS [1] MAREK FILHO, C. A.; VANDERLEI, R. D., “Estudo da ligação entre concretos de diferentes propriedades solicitados à flexão pura”, Anais do 1º Seminário de Engenharia Urbana da Universidade Estadual de Maringá, Maringá, 2007, pp. 163-173.

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[2] CAMPOS, O. C. et al., “Reforço em lajes de concreto armado”, REEC - Revista eletrônica de Engenharia Civil, Vol. 4, nº 2, 2012, pp. 69-81. [3] PRETTO, M. E. J., “Influência da rugosidade gerada pelo tratamento superficial do substrato de concreto na aderência do revestimento de argamassa”, Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, 2007. [4] FAGURY, S. C., “Concretos e Pastas de Elevado Desempenho: contribuição aos estudos de reparos estruturais e ligações entre concretos novo e velho, com tratamento da zona de interface”, Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais), Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2002. [5] FIRMO, J. P. L. C., “Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras de carbono (CFRP) - Desenvolvimento de sistemas de proteção ao fogo”, Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Instituto Superior Técnico, Lisboa, 2012. [6] ALMEIDA, J. M. A. et al., “Vigas de concreto armado reforçadas ao cisalhamento com elementos compósitos com fibras de vidro”, Anais dasXXXV Jornadas Sul Americanas de Engenharia Estrutural, Rio de Janeiro, 2012. [7] LIMA, R. C. A., “Investigação dos efeitos de temperaturas elevadas em reforços estruturais com tecidos de fibra de carbono”, Dissertação (Mestrado em Engenharia), Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, 2001. [8] RILEM TC 129 MHT, “Test methods for mechanical properties of concrete at high temperatures”, Materials and Structures, Vol. 37, 2004, pp. 139-144. [9] Associação Brasileira de Normas Técnicas, “NBR 5739: Concreto – Ensaios de compressão de corpos-de-prova cilíndricos”, Rio de Janeiro, 2007. [10] SAMPAIO, I.A., “Avaliação de materiais na ligação entre concreto novo/concreto velho”, Monografia (Graduação em Engenharia Civil), Universidade Federal do Ceará, Ceará, 2010.