ensaios de secagem e retração em pastas de cimento e...
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European Union Governo da República Portuguesa
PROJECTOS DE INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICA E DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
RELATÓRIO REFERENTE AO PROJETO
PTDC/ECM/099250/2008
“Comportamento em serviço de estruturas de betão: uma abordagem multi-
física das tensões auto-induzidas”
Ensaios de secagem e retração em pastas de cimento e
betões
Autores:
Margarida Vieira
Miguel Azenha
Christoph Sousa
José Granja
Joaquim Barros
Rui Faria
Guimarães, UM, 2012
1
ÍNDICE
Índice ............................................................................................................................... 1
1. Introdução ............................................................................................................... 2
2. Ensaios complementares à Tarefa 1 ......................................................................... 4
3. Programa experimental alargado com betão ........................................................... 7
3.1 Material ................................................................................................................... 7
3.2 Provetes de ensaio e monitorização ........................................................................ 7
3.3 Procedimento de ensaio ........................................................................................ 11
3.4 Resultados preliminares. ....................................................................................... 14
4. Relação retração vs humidade ................................................................................. 18
4.1 Provete e procedimento de ensaio ........................................................................ 18
4.3 Ensaio iniciado e resultados preliminares ............................................................ 22
Referências Bibliográficas ........................................................................................... 23
2
1. INTRODUÇÃO
No âmbito do projeto de investigação SeLCo - “Comportamento em serviço de
estruturas de betão: uma abordagem multi-física das tensões auto-induzidas” – está
prevista a realização de 3 tarefas iniciais de cariz experimental, com as seguintes
denominações (e cujos objetivos estão detalhados na candidatura do projeto):
Tarefa 1 – Seleção de técnica experimental para caracterização da humidade interna no
betão.
Tarefa 2 – Monitorização da humidade interna do betão tendo em vista a estimativa de
parâmetros para simulação numérica.
Tarefa 3 – Caracterização laboratorial da retração e da sua relação com a humidade
interna do betão.
A Tarefa 1 considerou-se fechada com o Relatório 4 do Projeto (Granja 2011) No
entanto, após o fecho da tarefa, foi feita uma experiência adicional que ainda se
enquadra no âmbito dessa tarefa, relacionada com a validação da utilização de sistemas
integrados comerciais de medição de humidade. No capítulo 2 do presente relatório será
dada informação detalhada sobre este ensaio, que serviu de base às metodologias a
aplicar no contexto das tarefas subsequentes do projeto.
O principal objetivo deste relatório centra-se na descrição dos progressos efetuados no
âmbito das tarefas 2 e 3 do projeto, fazendo-se a descrição dos trabalhos experimentais
encetados com vista ao cumprimento dos objetivos das mesmas. No capítulo 3 são
descritos os trabalhos efetuados num programa experimental alargado com aplicação a
betão, tendo em vista o cumprimento de objetivos das tarefas 2 e 3, na medida em que é
efetuada a monitorização de perfis de humidade e medição da retração em provetes de
betão de várias dimensões, e sujeitos a condições ambientais distintas (quer em câmaras
climáticas, quer em ambiente exterior). Os resultados correspondentes aos 4 meses de
ensaio em secagem serão também reportados, evidenciando o cariz extremamente lento
deste tipo de ensaios e a necessidade de alguns meses adicionais de monitorização para
obter informação suficiente para simulação numérica integradora.
3
No capítulo 4 do relatório será apresentada a conceção do sistema experimental para
ensaios de secagem e retração em pastas de cimento, bem como o programa
experimental iniciado para caracterização da relação entre a humidade da matriz porosa
e a tendência de retração da pasta de cimento. Serão também apresentados os resultados
iniciais deste procedimento experimental.
4
2. ENSAIOS COMPLEMENTARES À TAREFA 1
Os ensaios descritos neste capítulo complementam os trabalhos reportados aquando do
relatório da Tarefa 1 (Granja 2011).
Os procedimentos de medição de humidade interna do betão por parte dos sistemas
integrados disponíveis no mercado, nomeadamente os sistemas Vaisala e Proceq
utilizados no âmbito do projeto, pressupõem a colocação do sensor num macro-poro
(manga plástica) selado por tampa. O acesso do sensor ao macro-poro selado acarreta a
necessidade de remover a tampa de selagem durante alguns segundos para colocação do
sensor, procedendo-se de forma análoga após o procedimento de medição. No ensaio
aqui reportado pretendeu-se confirmar se os períodos de abertura do macro-poro para
colocação e remoção do sensor têm influência sobre os resultados obtidos para a
monitorização. Para isso foi efetuada uma montagem experimental que compreendeu o
uso de dois sistemas Vaisala em provetes idênticos de pasta de cimento e com medição
de humidade à mesma profundidade, sendo um deles usado de acordo com a indicação
do fornecedor (i.e. removendo e colocando o sensor em instantes discretos), e o outro
sistema foi usado com permanência do sensor dentro do macro-poro selado (i.e., sem
abertura do macro-poro em nenhum instante durante o ensaio).
A experiência foi efetuada com recurso a 2 provetes de pasta de cimento (w/c= 0.5;
CEM II 42.5R) com dimensões 5×5×5 cm. Para materialização do macro-poro em
ambos os provetes foi utilizada a manga plástica em PVC com 6 cm de comprimento e
3 cm de diâmetro interior. A profundidade de monitorização da humidade em relação à
superfície exposta à secagem foi de 1cm, sendo a manga plástica introduzida pela
superfície oposta. Com este procedimento evita-se que haja perturbação da matriz
cimentícia em secagem por parte da manga plástica. Na Figura 1 pode observar-se a
foto dos moldes com as mangas plásticas pré-colocadas nos moldes.
5
Figura 1 – Moldes para monitorização de humidade a 1cm de profundidade
Os provetes foram mantidos em condições seladas durante os primeiros 7 dias de idade,
sujeitos a T=20ºC. Após a descofragem, ocorrida aos 7 dias de idade, e de modo a
garantir fluxo de humidade unidirecional, foram seladas todas as superfícies com
parafina, exceto as superfícies perpendiculares ao eixo longitudinal da manga plástica.
O ensaio decorreu em câmara climática com temperatura e humidade controlada
(T=20ºC e HR=60%). Um dos sensores VAISALA (denominado “normal”) foi utilizado
de acordo com as indicações do fabricante, sendo retirado e recolocado nos instantes em
que se pretendeu fazer a medição (VN), e o outro sensor foi colocado em permanência
no interior do macroporo, estando sempre selado (VF). Na figura. 2 pode observar-se
fotografias do ensaio em curso.
Figura 2 Fotos do ensaio em curso.
Os resultados das medições desde o instante de exposição à secagem estão
representados na Figura 3, onde se pode confirmar que as medições registadas pelas
duas metodologias foram praticamente idênticas em todos os instantes analisados. Esta
constatação permitiu confiança acrescida na adoção de sistemas comerciais integrados
6
baseados na aplicação do sensor ao macro-poro em instantes discretos durante o período
de ensaio. Consequentemente, nos restantes ensaios a realizar no âmbito do projeto de
investigação, serão utilizados os sistemas Vaisala e Hygropin para este tipo de
medições.
Figura 3 Resultados do ensaio para avaliação do efeito de acesso ao macro-poro em
instantes discretos
7
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ALARGADO COM BETÃO
No âmbito dos objetivos das Tarefas 2 e 3 do projeto SeLCo, que envolvem a
caracterização de perfis de humidade e correspondente retração em provetes de betão,
foi efetuado um programa experimental alargado envolvendo estas grandezas. O
presente capítulo pretende dar informação sobre os materiais, provetes e procedimentos
experimentais, bem como dos resultados obtidos até à data de emissão do presente
relatório.
3.1 Material
O betão utilizado para este programa experimental tem a composição indicada na
Tabela 1
Tabela 1 Componentes das mistura de betão
Componente Quantidade (kg/m3)
Brita 14/20 478
Brita 6/14 417
Areia Média 786
Areia fina 245
CEM II 42,5 R 280
Cinzas Volantes-Pégo 40
Rheobuild 1000 6
Água 143
3.2 Provetes de ensaio e monitorização
Os provetes de ensaios deste programa experimental dividem-se em dois grupos
principais: um grupo de provetes destinados a medição de perfis de humidade; outro
grupo de provetes para medição de retração. Foram consideradas 3 geometrias distintas
para os provetes de ensaio: 10cm×10cm×40cm; 15cm×15cm×60cm e
20cm×20cm×60cm. No que diz respeito a condições de secagem, foram considerados 4
ambientes distintos: T=20ºC; HT=60%; T=35ºC; HR=30%; ambiente exterior abrigado
8
da chuva; ambiente exterior exposto à chuva. Dado o grande número de provetes que
seriam implicados caso fossem feitas todas as combinações possíveis de monitorização,
geometria de provetes e condições ambientais, definiu-se um programa de ensaios
racionalizado aos recursos disponíveis no âmbito do projeto. Esse programa incluiu as
quatro condições ambientais e as duas grandezas a monitorizar (humidade e retração),
sendo efetuada uma limitação do número de provetes em ensaio. Organizando os
provetes de ensaio em função das condições de exposição, pode resumir-se o programa
experimental da seguinte forma:
Ambiente T=20ºC e HR=60%
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição de perfil de humidade
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição retração de secagem
1 provete 15cm×15cm×60cm para medição de perfil de humidade
1 provete 15cm×15cm×60cm para medição retração de secagem
1 provete 20cm×20cm×60cm para medição de perfil de humidade
1 provete 20cm×20cm×60cm para medição retração de secagem
2 provetes cilíndricos (15cm de diâmetro e 30 cm de comprimento) para
caracterização da fluência
3 provetes cilíndricos (15cm de diâmetro e 30 cm de comprimento) para
caracterização do módulo de elasticidade
Ambiente T=35ºC e HR=30%
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição de perfil de humidade
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição retração de secagem
Ambiente exterior abrigado da chuva
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição de perfil de humidade
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição retração de secagem
Ambiente exterior não abrigado da chuva
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição de perfil de humidade
2 provetes 10cm×10cm×40cm para medição retração de secagem
9
Refira-se que todos os provetes para medição de perfis de humidade e monitorização da
retração foram selados com parafina em 4 faces, deixando duas das faces maiores
paralelas sujeitas à secagem. Com este procedimento foi garantida a ocorrência de
fluxos unidimensionais de humidade, facilitando a posterior simulação numérica com
recurso a modelos 1D. No que diz respeito às medições de perfis de humidade, foram
efetuadas em todos os provetes medições a 3 profundidades distintas relativamente a
uma das superfícies em secagem: 2cm, 4cm e a metade da profundidade do provete
(5cm, 7.5cm e 10cm respetivamente para os provetes com secção transversal 10×10cm,
15×15cm e 20×20cm). O resumo das profundidades de monitorização de humidade nos
vários tipos de provete encontra-se esquematicamente representado na Figura 4. Na
Figura 5 pode observar-se os moldes utilizados para a betonagem dos provetes de
monitorização de perfis de humidade, já com mangas plásticas pré-embebidas (para
materialização do macro-poro).
Figura 4 Profundidades de monitorização de humidade para os vários tipos de provete
10
Figura 5 – Aspeto dos moldes para monitorização de perfis de humidade
No que diz respeito à monitorização da retração de secagem, foram utilizados
extensómetros de cordas vibrantes de embeber do betão (Gage Technique TES/5.5/T –
comprimento de referência de 14 cm), colocados longitudinalmente aos provetes e
centrados com a sua secção transversal. A Figura 6 mostra o molde dum provete para
monitorização da retração com o extensómetro de cordas vibrantes devidamente
colocado na sua posição final.
Figura 6 – Molde para betonagem de provete para medição de retração
11
3.3 Procedimento de ensaio
Posteriormente à betonagem os provetes foram mantidos em condições seladas durante
os primeiros 7 dias de idade com filme plástico colado nas superfícies não cofradas. A
descofragem ocorreu aos 7 dias de idade, sendo os provetes de medição de retração e
perfis de humidade selados de acordo com a técnica já mencionada na secção anterior
(parafina em 4 superfícies de cada provete). Os provetes foram então distribuídos pelas
quatro condições ambientais em estudo, sendo que as condições de T=20ºC;HR=60% e
T=35ºC e HR=30% foram garantidas com recurso a câmaras climáticas (ver fotos nas
Figuras 7 e 8). No caso dos provetes deixados em ambiente exterior, e devido à
necessidade de proximidade relativa ao sistema de aquisição, optou-se pela zona
exterior do laboratório adjacente às câmaras climáticas do ensaio. Na Figura 9 pode
observar-se uma fotografia dos provetes em ambiente exterior, sendo possível
identificar os provetes abrigados do efeito da chuva, bom como os provetes não
abrigados.
Figura 7 – Provetes colocados no interior da câmara climática T=20ºC; HR=60%
12
Figura 8 - Provetes colocados no interior da câmara climática T=35ºC; HR=30%
Figura 9 - Provetes colocados em ambiente exterior compreendendo a zona abrigada e a
zona não abrigada
13
No que diz respeito a sistemas de aquisição e procedimentos de monitorização, indica-
se o recurso a um sistema de aquisição autónomo Datataker DT80G para monitorização
das extensões medidas pelos sensores de cordas vibrantes. A frequência de aquisição foi
normalmente superior a 1 medição por dia, a menos de falhas elétricas e alocações
provisórias do sistema de aquisição a outras tarefas. No que diz respeito à medição de
humidade, foram respeitados os procedimentos de medição do sistema Vaisala (Granja
2011) efetuando-se medições regulares com periodicidade ditada pelos gradientes
observados na evolução da humidade. Independentemente dos gradientes observados,
garante-se sempre pelo menos uma medição mensal em cada sensor.
Relativamente ao ensaio de fluência, efetuou-se aos 28 dias de idade em bastidor de
fluência, com monitorização das extensões num dos provetes através de sensor
embebido de cordas vibrantes. No segundo provete foi feita a medição das extensões
com comparador externo. No que diz respeito ao ensaio de módulo de elasticidade, este
efetuou-se aos 7, 14 e 28 dias de idade.
Figura 10 – Ensaio de fluência aos 28 dias de idade
Comprador
externo
Provete com CV
embebida
14
3.4 Resultados preliminares.
Nas figuras que se seguem são mostrados os resultados obtidos até à data de elaboração
do presente relatório, compreendendo resultados relativos à retração (Figura 11),
resultados relativos aos perfis de humidade (Figuras 12, 13, 14 e 15). Da análise das
várias figuras que acabam de ser mencionadas é possível observar que os resultados
estão a seguir as tendências expectáveis, com maior retração nos provetes mais
pequenos, associada a secagem mais rápida que é claramente evidenciada pelo sensor de
humidade colocado no centro dos provetes. No entanto, apesar de se dispor de mais do
que 100 dias de monitorização de humidade e retração, é ainda notória a evolução das
várias grandezas, pelo que o ensaio irá ser continuado por mais alguns meses para que
se possa fazer a regressão de parâmetros para modelação numérica. Apesar do atraso
que tal facto representa para as tarefas 2 e 3 em particular, não terá qualquer impacto no
desenvolvimento das restantes tarefas do projeto.
Figura 11 – Retração medida em todos os provetes de ensaio
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1 4 7 10 12 15 18 21 23 26 28 31 28 31 36 42 47 52 57 62
Exte
nsã
o (
mic
rost
an)
Tempo (dias)
Camara de 20ºC e 60 %HR Sujeito a chuva
Abrigado da chuva Camara 35 ºC e 30 % HR
15
Figura 12 – Humidade nos provetes 10×10×40cm no ambiente T=20ºC;HR=60%.
Figura 13 – Humidade nos provetes 10×10×40cm no ambiente T=35ºC;HR=30%.
40
50
60
70
80
90
100
0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131
Hu
mid
ade
re
lati
va (
%)
Tempo (dias)
5 cm 2 cm 4 cm
40
50
60
70
80
90
100
0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131
Hu
mid
ade
re
lati
va (
%)
Tempo (dias)
5 cm 2 cm 4 cm
16
Figura 14 – Humidade no provete 15×15×60cm no ambiente T=20ºC;HR=60%.
Figura 15 – Humidade no provete 20×20×60cm no ambiente T=20ºC;HR=60%.
40
50
60
70
80
90
100
0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131
Hu
mid
ade
re
lati
va (
%)
Tempo (dias)
7.5 cm 2 cm 4 cm
40
50
60
70
80
90
100
0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131
Hu
mid
ade
re
lati
va (
%)
Tempo (dias)
2 cm 4 cm 10 cm
17
No que diz respeito à caracterização mecânica, o módulo de elasticidade aos 28 dias de
idade teve o valor de 32 GPa, e o resultado do ensaio de fluência está representado na
Figura 16.
Figura 16 – Ensaio de fluência do betão aos 28 dias
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 28 30 32 35 37 39 42 44 46 49 51 54 56 58 61
Exte
nsã
o (
mic
rost
an)
Tempo (dias)
18
4. RELAÇÃO RETRAÇÃO VS HUMIDADE
Pretende-se com o programa experimental aqui detalhado aferir a relação existente entre
o estado de humidade da matriz porosa da pasta de cimento e a correspondente
tendência de retração. Para isso foi concebido um sistema de ensaio de pequenas
lâminas de pasta de cimento, sujeitas a ambientes de humidade controlada
sucessivamente decrescente (desde a saturação), com registo da retração medida para
cada patamar de humidade considerado.
4.1 Provete e procedimento de ensaio
Dada a intenção de conduzir os ensaios dentro do tempo de realização deste projeto de
investigação, optou-se por reduzir ao mínimo possível a espessura dos provetes,
levando-a à ordem dos ~2mm. Dada a ausência de normalização ou recomendações de
ensaio para provetes tão finos, foi necessário conceber um sistema de ensaio. Após
várias tentativas falhadas, principalmente relacionadas com problemas de fissuração do
provete, foi possível definir um sistema experimental adequado que se detalha de
seguida.
O provete de pasta de cimento tem espessura de 2mm e dimensões em planta de 30mm
por 100mm. Concebeu-se uma pequena moldura metálica com espessura idêntica à do
provete a colocar, sob a qual é colocada uma placa de teflon (ver peças que compõem o
sistema experimental na Figura 16, e o sistema experimental montado na Figura 17). O
princípio do sistema de ensaio consiste em encastrar o provete numa das extremidades
(paralela à aresta de 30 mm) e medir o encurtamento do provete na extremidade oposta
com recurso a microscópio ótico. Para materializar o encastramento do provete foi
necessário conceber uma peça específica para o efeito, compreendendo uma placa de
madeira na parte superior do molde, com 3 pernos metálicos que atravessam o provete.
Conforme está representado na Figura 17, o molde está pronto a receber a pasta de
cimento. Após a presa do cimento, é possível retirar a placa de teflon inferior, fixar o
sistema de medição ao provete e ao molde e iniciar o processo de monitorização da
retração.
19
Figura 17 Resultado final da montagem da cofragem.
A medição da deformação do provete é feita com recurso à medição do movimento
relativo entre a extremidade livre do provete e a moldura metálica que o envolve. Para
isso é colocada uma mira em cada um dos materiais para a medição sem contacto poder
ser efetuada. A mira baseia-se em chips de SIMs eletrónicos, dado o baixo custo e
qualidade das marcações. Na Figura 18 pode observar-se um provete endurecido com
colocação das duas miras em questão.
Figura 16 Pormenorização do material necessário para realizar à cofragem.
20
Figura 18 – Provete endurecido, com colocação de mira para medição de deformação
O movimento relativo das duas miras foi monitorizado com recurso a microscópio ótico
USB (Figura 19), segundo a metodologia desenvolvidas no âmbito de dissertação de
Mestrado Integrado desenvolvida no âmbito deste projeto de investigação (Sousa 2011).
Figura 19 Técnica de medição da deformação sem contato.
O processo de realização do ensaio compreende a colocação da pasta sobre o molde já
identificado na Figura 18, sendo posteriormente colocada película para manutenção da
saturação sobre o provete. O peso do provete é registado (por diferença com o peso
21
inicial do molde) e colocado em cura húmida até à idade em que se pretenda iniciar a
secagem (p.ex. 7 dias). O aspeto do provete nesta fase está documentado na Figura 19.
Figura 19 Molde com pasta de cimento apos ter colocado a pelicula.
Refira-se que a colocação das miras para medição da deformação pode ser efetuada
logo após a presa da pasta de cimento, permitindo que ainda durante a fase de cura
húmida se registem as deformações autogéneas da pasta. No instante em que se pretenda
iniciar o processo de secagem, o provete é mudado para localização com humidade
controlada (menor que 100%, por exemplo 97%) até estabilização da sua massa e da sua
deformação. Após estabilização, são registados os valores de massa e deformação,
passando-se o provete a novo patamar de secagem a humidade mais baixa (por exemplo
85%). O processo de registo de informação e redução de humidade repete-se até à
humidade mínima desejada (por exemplo 30%). No final do ensaio é registada a relação
HR-Peso e a relação HR-Extensão de retração, de utilidade para os modelos de
simulação numérica da retração de betões (após aplicação de homogeneização
contabilizando o efeito dos agregados).
Para evitar que a tomada de medições de deformação com microscópio ótico provoque
oscilações na humidade interna do recipiente de ensaio, efetuaram-se furações nas
tampas do recipiente (ver Figura 20) para minimizar a área de tampa aberta durante a
tomada de medições. Estas furações localizam-se na projeção vertical da zona de
interesse para medição da deformação do provete. A medição de deformação é sempre
feita previamente à medição da perda em peso no provete, para evitar erros de medição
da retração relacionados com variações volumétricas associadas ao processo de medição
22
do peso (uma vez que o provete tem que ser retirado do recipiente para pesagem na
balança localizada fora da câmara climática).
Figura 20 – Furação na tampa do recipiente de ensaio
4.3 Ensaio iniciado e resultados preliminares
Com base na técnica reportada nas secções anteriores procedeu-se a um ensaio com
pasta de cimento cuja composição coincide com a pasta de cimento contida no betão
ensaiado no âmbito do capítulo 3 deste relatório. O ensaio compreendeu a realização de
3 provetes idênticos, sempre mantidos a T=20ºC, e mantidos em ambiente saturado de
humidade até aos 7 dias de idade. A partir dos 7 dias de idade iniciou-se o procedimento
de secagem por patamares conforme indicado na secção anterior, compreendendo os
seguintes valores de humidade relativa: 97%; 85%; 75%, 54%, 33% e 11%. A
realização deste ensaio ainda se encontra numa fase inicial (ver resultados preliminares
nas Figuras 21 e 22), sendo no entanto já possível identificar os efeitos estabilização de
retração e peso para HR=97%, e o regime transiente ocorrido aquando da passagem do
provete para ambiente com HR=85%.
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Figura 21 - Resultados preliminares da evolução da retração
Figura 22 - Resultados preliminares da perda de peso
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Granja, J, Azenha, M, Barros, J, Faria, R (2011) Medição de humidade no betão: relatório final
da tarefa 1. Relatório do projeto PTDC/ECM/099250/2008 - Comportamento em serviço de
estruturas de betão: uma abordagem multi-física das tensões auto-induzidas.
Sousa, C. (2011). Concrete behaviour under restraindes shrinkage: Proposal of a new test
setup. MSc Thesis. University of Minho.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Exte
nsã
o (
mic
ro-s
trai
n)
Tempo (dias)
Provete 2 Provete 1 Provete 3
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Pe
rda
de
pe
so(g
)
Tempo (dias)
Provete 2 Provete 1 Provete 3
Provetes selados,
HR 97 %
HR 97 % HR 85 %
Provetes selados,
HR 97 % HR 97 % HR 85
%