ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA POROSIDADE DE PASTA DE CIMENTO POR ULTRASSOM

V. S. Menezes(1), D. N. L. Ferronatto(1), E. M. Santos(1), J.F. S. Feiteira(1)

(1) Universidade Federal Fluminense – UFF

email: vandersmenezes@hotmail.com

Avenida dos trabalhadores, 420 CEP 27255-125 Vila Santa Cecília Volta Redonda-RJ

RESUMO

As propriedades mecânicas do concreto ou argamassa são fortemente

influenciadas pela microestrutura do material, que são compostas por agregados,

produtos de hidratação do cimento e poros. Uma forma para determinar

propriedades mecânicas nestes materiais é com a aplicação do ensaio não

destrutivo por ultrassom. O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade de estimar

a porosidade da pasta de cimento em função da velocidade de propagação de

ondas ultrassônicas correlacionando os dados obtidos por ensaios destrutivos. Para

isso foram analisadas 15 amostras de pasta de cimento, produzidas com cimento

Votornan CP III e razão água/cimento variando de 0,3 a 0,7. Os resultados indicaram

que o monitoramento da variação de velocidade de propagação permitiu determinar

de forma indireta o efeito da adição de água na porosidade do material e

consequentemente nas propriedades mecânicas. Tais resultados comparados com

ensaios convencionais destrutivos se mostraram muito eficientes com a vantagem

de serem não destrutivos.

Palavras-chave: ensaio de ultrassom, porosidade, argamassa, resistência mecânica.

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1 – INTRODUÇÃO

A investigação proposta neste trabalho, visa desenvolver em torno da análise

não destrutiva de materiais, um levantamento da estimativa da porosidade de pasta

de cimento, com diferentes razões água:cimento, onde utilizará a aplicação da

tecnologia de propagação de ondas ultrassônicas.

Chama-se ultrassom a uma onda mecânica com frequência superior a 20

kHz, logo, fora do alcance do ouvido humano. De acordo com ANDREUCCI (1) a

onda ultrassônica, como onda mecânica que é, precisa de um meio para se

propagar e, geralmente, apresenta maiores velocidades de propagação em meios

mais densos, sofrendo reflexão e refração na interface de dois meios com diferentes

densidades.

Ultrassom é uma técnica não destrutiva comumente usada para detectar,

localizar e dimensionar descontinuidades. Atualmente o ultrassom vem agregando

possibilidades a engenharia como a avaliação de texturas dos materiais,

determinação do tamanho de grão, estudo de constantes elásticas, avaliação de

porosidade em materiais cerâmicos entre outros casos.

De acordo com SOUZA (2) as ondas ultrassônicas propagam-se nos meios

elásticos com a passagem da energia acústica que faz com que as partículas que

compõe o mesmo, executem o movimento de oscilação em torno da posição de

equilíbrio e tendo sua amplitude de vibração reduzida com o tempo devido à perda

de energia adquirida pela onda.

Neste trabalho são empregadas ondas longitudinais, cujas partículas oscilam

na direção de propagação da onda. A vibração das partículas transfere a energia

cinética para os outros planos que passam a oscilar fazendo todo o meio elástico

vibrar na mesma direção de propagação da onda (3).

BUNGEY (4) diz que a velocidade da onda depende principalmente dos

seguintes fatores: coeficiente de Poisson, módulo de elasticidade e massa

específica da amostra.

As propriedades estruturais, fundamentais para a descrição dos materiais

porosos, são: a porosidade, a área específica e a distribuição dos poros por

tamanho.

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Segundo CAMPITELLI (5), a porosidade de um material é a sua propriedade

de apresentar poros ou vazios. É representada pela fração do volume total de uma

amostra porosa, que é ocupada por poros ou por espaços vazios.

De acordo com QUARCIONI (6) a formação de poros na pasta de cimento

geralmente está associada à hidratação do cimento e à evaporação da água livre

nos poros capilares.

Em materiais cerâmicos à base de cimento existem diferentes técnicas para

estimar a porosidade, dentre elas cita-se porosidade por imersão, porosimetria por

mercúrio, tomografia, microscopia eletrônica de varredura (MEV), ultrassom, entre

outras. Neste trabalho utiliza-se a técnica de propagação de ondas ultrassônicas,

comparando com os dados encontrados no ensaio por imersão, que é um ensaio

mais convencional. Sendo o principal objetivo deste trabalho, avaliar a viabilidade de

estimar a porosidade da pasta de cimento em função da velocidade de propagação

de ondas ultrassônicas.

A relação entre a propagação de ondas ultrassônicas e a porosidade, baseia-

se no modelo proposto por YAMAN et. al. (7). Primeiro, as velocidades da onda

longitudinal estão relacionadas com o módulo de elasticidade e a densidade,

conforme equação (A).

(A)

Onde E é o módulo de Young, ν é o coeficiente de Poisson e é a densidade.

Pressupõe na equação (A) que haja homogeneidade no material que recebe a onda

ultrassônica, além da condição do comprimento de onda ser muito maior do que o

tamanho do grão (8).

Logo após, a relação entre o módulo de Young e a porosidade p é expressa

utilizando um parâmetro de ajuste empírico (9).

(B)

Na equação (B) o termo n é um parâmetro de ajustamento empírico e E0 é o

módulo de Young do material com porosidade zero (nos próximos termos, índice 0

estará se referindo ao material de porosidade zero). Segue também a densidade

relacionada com a porosidade, conforme equação (C).

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(C)

A porosidade não influencia no coeficiente de Poisson, isto é, . A

inserção das equações (B) e (C) na equação (A) produz:

(D)

Onde

Conforme estudos de MARTIN (10), para baixos valores de porosidade, a

equação (D) pode ser aproximada para a seguinte relação linear:

(E)

(F)

Os estudos realizados e publicados por MARTIN (10), demonstram que o

melhor parâmetro de ajuste para a velocidade longitudinal no que diz respeito à

porosidade, no material cerâmico, é dado por n = 1,51. A velocidade longitudinal à

porosidade zero, encontrada por MARTIN (10) foi 5.972,9 m/s.

Já nas análises realizadas por YAMAN (7) no material cerâmico, mais

especificamente no concreto, foram encontrados os seguintes valores, presentes na

Tabela 1, para as propriedades mecânicas considerando um material à porosidade

zero. A Tabela 1 exibe os valores de propriedades mecânicas do concreto à

porosidade zero (7).

Tabela 1: Propriedades mecânicas do concreto à porosidade zero

Propriedades

Mecânicas

Velocidade do ultrassom

[m/s]

Densidade

[Kg/m³]

Módulo Elástico

[GPa]

5337 2487 45,35

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2 – MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 - Preparação das Amostras

Para o desenvolvimento deste trabalho foram preparadas amostras de pasta

de cimento, utilizando o cimento Portland CPIII-40, e água potável do sistema de

abastecimento da cidade de Volta Redonda/RJ. Estas amostras de pasta de cimento

foram preparadas com diferentes valores de razão água:cimento, variando de 0,3 a

0,7.

A água e o cimento foram pesados previamente e misturados na misturadora

de areia ML.7 (FUNGEL – Roterid Companhia Mecânica), na qual foram misturados

gradativamente com adição de água em pequenas parcelas, com tempos de mistura

de 1:30, 1:30 e 2:00, totalizando 5:00 minutos de mistura. A mistura foi depositada

em molde de PVC, e vibrada em mesa vibratória durante 2:00 minutos com 3000

ciclos por minuto, sendo depois curada em ambiente saturado em água a 25ºC por

28 dias. Para cada razão de água:cimento foram obtidos 3 corpos de prova,

totalizando 15 corpos de prova. Os corpos de prova foram moldados em formatos

cilíndricos, conforme norma regulamentadora NBR 5738:2007, para realização dos

ensaios por ultrassom e compressão.

2.2 Ensaio por Ultrassom

Utilizou-se um gerador de pulsos ultrassônicos (emissor/receptor), modelo

5058PR alta voltagem – Olympus NDT [Nondestructive testing Products], 100 –

900V com configurações de tensão contínua e gradual, atenuador de 0 – 80dB em

passos de 1dB e escala de 1dB - 60 dB.

Os pulsos gerados excitam o transdutor piezelétrico que transmite ao material

em análise as ondas ultrassônicas. Estas ondas percorrem o material e incidem no

transdutor receptor, mostrando na tela do osciloscópio os ecos relativos ao tempo

decorrido para a onda se propagar ao longo da espessura do corpo de prova.

Foram utilizados dois transdutores Olympus (emissor/receptor) na frequência

50KHz, de ondas longitudinais e incidência normal, acoplados em faces opostas

com graxa como acoplante, pela técnica da transparência de ensaio por ultrassom.

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2.3 Ensaio de Compressão e Ensaio por Imersão

Realizou-se o ensaio de compressão mecânico na máquina universal, modelo

EMIC DL 6000, com capacidade de 600kN (60000 kgf), carregamento constante de

velocidade 1mm/min até ruptura do corpo de prova, conduzido de acordo com as

normas NBR 5738:2007 e NBR 5739:2007. Logo após o ensaio de compressão,

realizou-se, segundo a norma NBR 9778:2005, os ensaios de porosidade por

imersão. A equação (G) refere-se ao cálculo da porosidade por imersão em água à

temperatura de (232)ºC, durante 72 horas.

(G)

3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 – Porosidade via ultrassom e imersão em água

Conforme relatado por CUETO (11), a velocidade da onda ultrassônica está

relacionada às propriedades específicas do meio pelo qual a onda se propaga. Na

Figura 1 observa-se este fato, através da queda da velocidade de propagação da

onda ultrassônica longitudinal em função do aumento da razão água:cimento das

amostras analisadas, onde o desvio padrão amostral é de 46,56 m/s.

Figura 1: Velocidade da onda ultrassônica em função da razão água:cimento

Observa-se ainda, com a razão menor entre água:cimento, as amostras são

mais compactas, diminuindo os espaços microscópios no seu interior, favorecendo o

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aumento da velocidade de propagação da onda ultrassônica nos corpos de prova

que possuem menor razão água:cimento.

Tendo em vista que a medição da porosidade por ultrassom se relaciona com

a velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal, pois maiores são as

perdas do sinal no meio com elevado nível de porosidade, ou seja, quanto maior a

razão água:cimento menor é a velocidade da onda ultrassônica.

O gráfico na figura 2 compara os valores de porosidade encontrados nos dois

ensaios realizados para este trabalho, ensaio por ultrassom e ensaio por imersão.

No gráfico da Figura 2 pode-se visualizar a proximidade dos valores encontrados

nos dois ensaios. Sabendo-se que o ultrassom é o ensaio mecânico mais apropriado

e viável, para a determinação da porosidade em estruturas à base de pasta de

cimento em execução.

Os percentuais de porosidade encontrados nos ensaios por ultrassom e por

imersão confirmam as afirmações de QUARCIONI (6), onde o volume de poros

capilares na pasta de cimento endurecida depende da quantidade de água de

amassamento adicionada no início da hidratação e do grau de hidratação do

cimento. Sendo assim, quanto maior o volume de água presente nas amostras,

maior é o percentual de poros formados no interior das mesmas.

Figura 2: Valores percentuais de porosidade por ultrassom e imersão em água

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A porosidade encontrada nos ensaios também está de acordo com as

afirmações de CAMPITELI (5), após o esqueleto estrutural tenha se formado, a água

em excesso é atraída para as superfícies sólidas da pasta de cimento, constituindo a

formação de poros no interior das amostras.

A Tabela 2 apresenta os valores percentuais de porosidade dos ensaios por

ultrassom e por imersão, com os respectivos erros amostrais para cada razão de

água:cimento.

Tabela 2: Valores percentuais de porosidade dos ensaios por ultrassom e imersão

Razão 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Porosidade por ultrassom 16,08 21,74 28,93 39,53 42,26

Porosidade por Imersão 18,16 25,11 30,54 38,15 43,39

Erro 0,11 0,13 0,05 0,04 0,03

De acordo com os dados apresentados na tabela 2, o maior erro entre os

ensaios mecânicos foi de 0,11.

3.2 – Estimativa da porosidade via ultrassom

O gráfico presente na figura 3 mostra a relação da porosidade do corpo de

prova, em função da velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal.

Figura 3: Estimativa da porosidade via velocidade ultrassônica

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A Figura 3 está de acordo com as afirmações apresentadas por ANDREUCCI

(1), onde se verifica maiores velocidades de propagação da onda em amostras com

menores porosidades. Enquanto que nas amostras com maiores valores percentuais

de porosidade, encontram-se as menores velocidades de propagação da onda

ultrassônica.

A estimativa da porosidade, utilizando a técnica da transparência no ensaio

por ultrassom, está coerente com as conclusões de BUNGEY (4), uma vez que a

velocidade da onda depende da massa específica da amostra, ou seja, os poros

fechados, abertos e capilares presentes nos corpos de prova influenciam na

velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal.

A metodologia aqui utilizada demonstra, em caráter experimental e

introdutório, a possibilidade do ensaio por ultrassom ser utilizado na avaliação da

porosidade de amostras à base de pastas de cimento. Entretanto, sua aplicação

definitiva como método de avaliação não destrutivo exige mais pesquisas para

formulação do método, considerando-se outros tipos de materiais, tais como

argamassa e concreto. O resultado final para esta estimativa é apresentado

relacionando os valores representativos das variáveis de velocidade de propagação

da onda ultrassônica longitudinal e porosidade, conforme Tabela 3 a seguir.

Tabela 3: Intervalos de Valores de Velocidade x Porosidade

Velocidade [m/s] Porosidade [%]

4000 – 4200 98,16 – 83,46

4200 – 4400 83,46 – 68,76

4400 – 4600 68,76 – 54,06

4600 – 4800 54,06 – 39,36

4800 – 5000 39,36 – 24,66

5000 – 5330 24,66 – 0,41

> 5330 0

3.3 – Ensaio de compressão

Os dados referentes aos ensaios de compressão são apresentados na tabela

4. Na tabela 4 temos as médias dos valores de carga máxima [KN] e compressão

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máxima [MPa], onde a maior resistência encontrada foram nos corpos de prova com

menor razão água:cimento.

Tabela 4: Dados dos Ensaios de Compressão (28 dias de cura)

Razão água:cimento 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Carga Máxima [KN] 208,27 110,92 100,61 101,37 88,07

Compressão Máxima [MPa] 50,61 27,75 24,61 25,44 21,64

Desvio Padrão 32,8 15,02 8,34 12,27 7,12

Os ensaios de compressão confirmam que a quantidade de água adicionada

em cada mistura é de grande importância na resistência à compressão das amostras

de pasta de cimento analisadas.

De acordo com as tensões obtidas nos ensaios de compressão, estima-se

uma relação com tendência polinomial entre a tensão de compressão e a velocidade

de propagação da onda ultrassônica em materiais cerâmicos à base de cimento

portland do tipo CPIII-40.

As estimativas da tensão de compressão, em função da velocidade de

propagação da onda ultrassônica são apresentadas na Figura 4, possibilitando o

levantamento de dados referente à compressão por meio do ensaio de ultrassom,

não necessitando danificar ou destruir a amostra a ser analisada.

Figura 4: Gráfico da Velocidade de Ultrassom x Tensão

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Os dados encontrados demonstram a existência de uma relação entre

resistência e velocidade da onda ultrassônica. O ajuste foi obtido pela regressão

polinomial de grau 4 (quatro), exibindo coeficiente de correlação igual a 1 (um).

4 – CONCLUSÕES

Conclui-se que os estudos realizados nesta pesquisa apontam para a

viabilidade de utilização do ensaio por ultrassom como recurso de estimativa da

porosidade de materiais à base da pasta de cimento portland CPIII-40.

REFERÊNCIAS

1 ANDREUCCI, R. Ensaio por Ultrassom. ANDREUCCI, Assessoria e Serviços

Técnicos Ltda. São Paulo-SP, p. 98. 2008.

2 SOUZA, R. G. Processamento de Sinais de Ultrassom para Determinação da

Direção de Laminação em Materiais Metálicos. Universidade Federal Fluminense.

Volta Redonda-RJ, p. 93. 2014.

3 SANTIN. ULTRASSOM: Técnica e Aplicação. Curitiba-PR: Artes Gráficas e

Editora Unificado, 2003.

4 BUNGEY, J. H. The Testing of Concrete in Structures. 2 ed. ed. London: Surrey

University Press, 1989.

5 CAMPITELI, V. C. Porosidade do Concreto. Departamento de Construção Civil

da Escola Politécnica da USP. São Paulo, p. 20. 1987. (ICS/CIN).

6 QUARCIONI, V. A. . C. F. F. . Â. S. C. . M. S. . C. G. D. R. . C. A. L. . M. A.

Estimativa da porosidade de argamassas de cimento e cal pelo método de

cálculo de volumes. Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído.

Porto Alegre, p. 175 - 187. 2009. (ISSN 1678-8621).

7 YAMAN, I. O. . A. H. M. . N. Active and non-active porosity in concrete Part II:

Evaluation of existing models. RILEM Journal of Materials and Structures 35 (246).

[S.l.], p. 110 - 116. 2002.

8 PESSOA, D. B. Estudo dos Efeitos da microestrutura do material e da

frequência do sinal ultrassônico na análise de flutuações. Universidade Federal

do Ceará. Fortaleza, p. 106. 2013.

9 CARMICHAEL, R. S. (. ). Handbook of Physical Properties of Rocks. [S.l.]: CRC

press, v. II, 1982.

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10 MARTIN, L. P. . D. D. A. R. M. Evaluation of ultrasonically determined

elasticity-porosity relations in zinc oxide. Journal of the American Ceramic

Society 79 (5). [S.l.], p. 1281 - 1289. 1996.

11 CUETO, A. R. Ensayos no destructivos por la técnica de ultrasonido

industrial. México. 1989.

12 OLIVEIRA, L. S. Reaproveitamento de Resíduos de Marmoraria em

Compósitos Cimentícios. Universidade Federal de São João Del-Rei. São João

Del-Rei. 2015.

13 OGUNSOTE, O. Reaproveitamento de Resíduos de Marmoraria em

Compósitos Cimentícios. The Department Of Architecture School of Environmental

Technology Federal University of Technology. Akure. 2008.

14 GOMES, I. Aquisição e Reprodução do Som. Site da Weebly, 2010. Disponivel

em: <http://aibsomig.weebly.com>. Acesso em: 29 Agosto 2015.

15 NEVILLE, A. M. Properties of concrete. 3ª ed.. ed. [S.l.]: Singapure, 1997.

16 NBR 5738. Moldagem e Cura de Corpos de Prova Cilíndricos ou Prismáticos

de Concreto. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio deJaneiro, p. 6. 2003.

(ICS/CIN).

17 NBR 5739. Concreto - Ensaios de compressão de corpos-de-prova

cilíndricos. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, p. 9. 2007.

(ICS/CIN).

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speed. These results compared to conventional destructive tests proved very

effective with the advantage of being nondestructive.

Keywords: ultrasound test, porosity, mortar, mechanical resistance.

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POROSITY BEHAVIOR STUDY OF PASTE CEMENT IN ULTRASOUND

ABSTRACT

The mechanical properties of concrete and mortar are strongly influenced by

the microstructure of the material, which is composed of aggregates, anhydrous

cement, hydration products and pores. One way to determine mechanical properties

of these materials is the application of non-destructive ultrasound test. The objective

of this study was to evaluate the feasibility of estimating the porosity of the cement

paste by ultrasonic wave propagation speed, correlating the data obtained by

destructive testing. To achieve this, 15 samples of cement paste produced with

cement Votornan CP III and water / cement ratio from 0.3 to 0.7 were analyzed. The

results indicated that the effect of added water on the porosity of the material and

mechanical properties can be monitored indirectly by the change in propagation