ensaio e modelação de comportamento térmico de betões de elevado desempenho nas primeiras idades...
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O objetivo desta dissertação é a compreensão do comportamento térmico nas primeiras idades, isto é até às 48 horas, em betões de alto desempenho. Através da comparação de resultados obtidos em ensaios laboratoriais e modelos numéricos, realizou-se um estudo de compreensão do calor expectável a ser libertado por um betão de elevado desempenho na reação de hidratação do cimento. Este estudo permitirá um controlo de qualidade dos betões de alto desempenho para diferentes misturas, assim como uma previsão do efeito que certas adições ou diferentes proporções de constituintes poderão ter no comportamento térmico destes. Todos os ensaios laboratoriais foram complementados com ensaios não destrutivos, como o estudo da resistividade e da propagação dos ultrassons de maneira a obter uma melhor interpretação da diferença das propriedades mecânicas entre amostras. Procedeu-se a ensaios de diferentes razões de água cimento de pastas, com o objetivo de perceber o efeito que a variação da quantidade de cimento tem na produção de calor devido à hidratação do cimento, assim como as máximas temperaturas verificadas nos provetes. Por último foram realizados ensaios de argamassas de alto desempenho para compreender a influência que adições nas argamassas poderão provocar na reação da hidratação do cimento, e também perceber a variação de comportamento devido à presença de areia fina na mistura. Desenvolveram-se modelos numéricos, que graças às capacidades de simulação do processo de hidratação do cimento e da interação com o meio envolvente, que proporcionaram resultados aproximados dos medidos no molde instrumentado, tais como curvas de temperatura ao longo do tempo, e também permitiram que se gerassem mapas de temperatura. Conclui-se que é possível obter valores próximos entre os resultados obtidos por via de ensaios laboratoriais e a modelação numérica, sendo necessário um desenvolvimento futuro de um estudo de calibração da convecção térmica assim como um estudo num calorímetro adiabático de pastas e argamassas para que seja feita uma melhor caraterização das taxas de libertação de calor e do efeito que o uso de superplastificante poderá ter na reação de hidratação do cimento. Este trabalho está relacionado com o projeto FCT PTDC/ECM/122446/2010 Betofibra – Betões de elevado desempenho reforçado com fibras em solução inovadoras: conceção, caracterização e controlo de qualidade.TRANSCRIPT
- 1. Ensaio e Modelao de Comportamento Trmico de Betes de Elevado Desempenho nas Primeiras Idades Autor: Lus Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira Orientador: Doutor Joo Filipe Meneses Espinheira Rio Co-Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques Faria Porto, 22 de Julho de 2014 Mestrado Integrado em Engenharia Civil Especializao em Estruturas 1
2. Sumrio Objetivos Objetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Compreenso do comportamento trmico de pastas e argamassas de elevado desempenho; Calibrao de modelos numricos; Controlo de qualidade de pastas e argamassas; Desenvolvimento de um novo molde instrumentado. 2 3. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Primeiras Idades e Libertao de Calor Processo de Hidratao do Cimento: Advm da reao qumica da gua com o cimento; Carcter Exotrmico; Gera expanso volumtrica seguida de uma contrao podendo provocar fissurao; Divide-se em trs perodos. 3 4. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Perodos de Libertao de Calor: (Maekawa, K. [et al.], 1999) (Azenha, M..D., 2004) Primeiras Idades e Libertao de Calor 4 5. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses (Azenha, M..D., 2004) Mecanismos de transferncia de Calor: Conduo Conveco Radiao Primeiras Idades e Libertao de Calor 5 6. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Primeiras Idades e Libertao de Calor 6 Principais frmulas utilizadas: = + + + = + + + = + = 5.6 + 3.95 7.6 0.78 5 / > 5 / = 1 1 + 1 = = = = ( , 0 a 1 7. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses (Ferreira, D.C.S., 2009) Hidratao do Cimento: Primeiras Idades e Libertao de Calor 7 8. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses (Ferreira, D.C.S., 2009) Hidratao do Cimento: Primeiras Idades e Libertao de Calor 8 9. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Molde Instrumentado 9 10. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Definio da Malha de Elementos Finitos: Modelao Numrica 10 11. Srie S1 Molde com tampa Srie S2 Molde sem tampa Srie S3 Molde sem malhas metlicas Srie S4 Molde com tampa e com isolamento Srie S5 Apenas base (temperatura ambiente) SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Caracterizao Trmica do Molde 11 12. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 16 21 26 31 36 0 5 10 15 20 25 Temperatura-C Idade - Horas S1 S2 S3 S4 S5 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperatura-C Idade - Horas S1 S2 S3 S4 Caracterizao Trmica do Molde 12 13. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 17 22 27 32 37 0 5 10 15 20 25 Temperatura-C Idade - Horas DIANA Medido y = -1,979x + 32,379 y = -1,952x + 33,679 18 20 22 24 26 28 30 32 34 0 1 2 3 4 5 6 7 Temperatura-C Idade - Horas Calibrao da Conveco 13 14. Sumrio A/C = 0,3 A/C = 0,4 A/C = 0,5 A/C = 0,6 Volume 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt Cimento 1,638 kg 1,127 kg 0,922 kg 0,827 kg Filer Calcrio 0,737 kg 1,176 kg 1,352 kg 1,434 kg Superplastificante 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg gua 1 (81% gua Total) 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg gua 2 (19% gua Total) 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg Estabilizador 0,000 kg 0,000 kg 0,005 kg 0,005 kg Razo de gua Cimento 14 15. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 18 23 28 33 38 43 48 0 10 20 30 40 50 60 Temperatura(C) Idade - Horas A/C 0.6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3 AMB Razo de gua Cimento 15 16. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50 60 Resistividade(m) Idade A/C 0,6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3 Razo de gua Cimento 16 17. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 30 40 50 60 Velocidade-m.s Idade - Horas A/C 0.3 A/C 0,4 A/C 0.5 A/C 0,6 Razo de gua Cimento 17 18. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses y = -43.39x + 55.183 R = 0.9634 0 10 20 30 40 50 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Temperatura-C Razo de gua Cimento y = -26511x + 83544 R = 0.9598 6.6E+04 6.8E+04 7.0E+04 7.2E+04 7.4E+04 7.6E+04 7.8E+04 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Integral-C.Min Razo de gua Cimento Razo de gua Cimento 18 19. Sumrio Conveco de clculo 3,75: 18 28 38 48 58 68 0 10 20 30 40 50 Tempertaura-C Idade - Horas Medido CA CB Tmd (DIANA) 59,7 Tmx (Molde) 43,18 Variao 38% Modelao Numrica 19 20. Sumrio Conveco de clculo 6,2: 18 23 28 33 38 43 48 0 10 20 30 40 50 Temperatura-C Idade - Horas CA CB Medido Modelao Numrica Tmd (DIANA) 41,15 Tmx (Molde) 43,18 Variao 5% 20 21. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Conveco de clculo 6,2: Modelao Numrica 21 22. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Diferentes Razes de gua/Cimento: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Calculado Calibrado Temperatura-C A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6 Modelao Numrica 22 23. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Diferentes Razes de gua/Cimento: 0.00E+00 5.00E+07 1.00E+08 1.50E+08 2.00E+08 2.50E+08 3.00E+08 3.50E+08 4.00E+08 Calculado Calibrado QJ/(K.m3) A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6 Modelao Numrica 23 24. Sumrio Constituintes Slica de Fumo Metacaulino P de Vidro Referncia (A/C = 0,3) Volume 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt Cimento (CEM I 42.5 R) 1112,86 g 768,08 g 768,08 g 768,075 g Slica de Fumo 111,29 g 0 g 0 g 0 g Metacaulino 0 g 256,03 g 0 g 0 g P de Vidro 0 g 0 g 242,55 g 0 g Filer Calcrio 436,00 g 438,90 g 606,38 g 848,932 g Areia Fina 1427,81 g 1427,81 g 1427,81 g 1427,807 g gua 1 (80 %) 172,21 g 229,60 g 184,80 g 184,8 g gua 2 (20%) 43,05 g 57,40 g 46,20 g 46,2 g Superplastificante 1 (75%) 14,44 g 20,85 g 19,40 g 19,4 g Superplastificante 2 (25%) 4,81 g 6,95 g 6,47 g 6,5 g Influncia de Diferentes Adies 24 25. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 22 24 26 28 30 32 34 36 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Temperatura-C Idade - horas MET PVI SIL REF AMB Influncia de Diferentes Adies 25 26. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Resistividade-m Idade - Horas MET PVI SIL REF 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 10 20 30 40 50 60 Velocidade-m.s Idade - horas MET PVI SIL REF Influncia de Diferentes Adies 26 27. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses 18 20 22 24 26 28 30 32 0 10 20 30 40 50 Temperatura-C Idade - Horas CA - Cond. Pasta CA - Cond. Argamassa 18 23 28 33 38 0 10 20 30 40 50 Temperatura-C Idade - Horas CA-Argamassa CA-Pasta Modelao Numrica 27 28. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Nova Geometria 28 Paredes em L Tampa e Base Vista da Tampa + Ecr LCD Vista Lateral + Chapa Metlica 29. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Arduino - Componentes 29 30. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Arduino - Dados 30 ID Hora TempINT Humidade TempEXT 1 00:00:00 27 43 27 2 00:00:30 27 44 27 3 00:01:00 27 44 27 4 00:01:30 27 44 27 5 00:02:00 27 44 27 6 00:02:30 27 43 27 7 00:03:00 27 43 27 8 00:03:30 27 43 27 9 00:04:00 27 43 27 10 00:04:30 27 43 27 11 00:05:00 27 43 27 12 00:05:30 27 43 27 13 00:06:00 27 43 27 14 00:06:30 27 43 27 15 00:07:00 27 43 27 16 00:07:30 27 43 27 17 00:08:00 27 43 27 18 00:08:30 27 43 27 19 00:09:00 27 43 27 20 00:09:30 27 43 27 21 00:10:00 27 43 27 22 00:10:30 27 43 27 23 00:11:00 26 43 26 24 00:11:30 26 43 26 25 00:12:00 26 43 26 26 00:12:30 26 43 26 27 00:13:00 26 43 26 28 00:13:30 26 43 26 29 00:14:00 26 44 26 30 00:14:30 26 44 26 31 00:15:00 26 44 26 32 00:15:30 26 44 26 33 00:16:00 26 44 26 34 00:16:30 26 44 26 Ficheiro .csv Ficheiro Excel 31. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses Foi possvel fazer modelao numrica do comportamento trmico; Supe-se que a variao entre os valores dos ensaios e dos modelos numricos se devem falta de calibrao da conveco trmica, da incerteza do uso do superplastificante e da falta de caracterizao do cimento; Com a reduo da razo de gua cimento verifica-se um aumento da temperatura mxima registada, uma acelerao da hidratao e um aumento da resistividade lida; Foi possvel verificar a influncia da presena de diferentes adies no comportamento trmico das argamassas; Concluses 31 32. SumrioObjetivos Introduo Terica Ensaio de gua Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Concluses necessrio o estudo com um calormetro adiabtico para uma melhor avaliao da hidratao do cimento, assim como da influncia do superplastificante; O uso do Arduino permitir a leitura e registo dos dados obtidos, assim como uma reduo significativa do custo; Estudo rigoroso da conveco trmica graas a uma modelao total do molde. Perspetivas Futuras 32 33. Obrigado pela ateno Lus Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira Porto, 22 de Julho de 2014 Mestrado Integrado em Engenharia Civil Especializao em Estruturas 33