prolongar a vida Útil de estruturas de betÃo armado...

VOL. 1 - Nº 3 – 2003 ISSN 1645-5576

Revista Internacional Construlink; Vol. 1 - Nº 3 - 2003 1

PROLONGAR A VIDA ÚTIL DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO

COM CPF

JOANA SOUSA COUTINHO ENG CIVIL PROF.AUXILIAR FEUP

SUMÁRIO Caminhar para a Sustentabilidade na Construção envolve, sempre que possível, utilizar agregados e água reciclados no betão assim como substituir parcialmente o tradicional cimento Portland por subprodutos com propriedades cimentícias e sobretudo, prolongar a vida útil das estruturas. CPF – Cofragem de Permeabilidade Controlada é uma cofragem inovadora que produz uma “pele” protectora à superfície do betão aumentando substancialmente a durabilidade da estrutura. Descreve-se a investigação realizada em laboratório e aplicações em obra com CPF e a sua influência na durabilidade do betão armado.

Prolongar a vida útil de estruturas de betão armado com CPF


1. INTRODUÇÃO O nosso planeta não precisa que a humanidade o salve e mesmo que se se tentasse destruí-lo não seria possível. A humanidade tem vindo a aperceber-se que o que realmente é necessário é salvar a Terra com o seu clima, ar, água e biomassa, tudo isto num equilíbrio que suporta bem a vida mas equilíbrio esse que é destrutível. Estrague-se este equilíbrio e o planeta pura e simplesmente extinguirá a raça humana, como já o fez com um número incontável de espécies anteriores... Afinal, não se está mais do que a tentar salvar a nossa própria espécie… (Kluger e Dorfman, 2002). Se se aprendeu alguma coisa com anos de falsas partidas em termos de ambiente, está na altura de se parar de olhar para a tarefa de limpar o mundo como um jogo de não-leva-a-nada travado entre, por um lado o progresso industrial e por outro, um planeta saudável. A verdade é que só o desenvolvimento – bem planeado, bem executado – desenvolvimento sustentável nos poderá tirar desta situação (Kluger e Dorfman, 2002). Com 6,1 biliões de pessoas a depender de recursos do mesmo pequeno planeta, tem-se vindo a compreender que se está a “gastar” de uma conta finita. Neste momento, a quantidade de produtos agrícolas, animais e outros tipos de biomatéria que são extraídos da Terra anualmente, excede em cerca de 20% a quantidade que o Planeta é capaz de repor. Isto é, leva cerca de 14.4 meses a repor os recursos que utilizamos em 12 meses. Está-se portanto a gastar do “capital”. O desenvolvimento sustentável funciona invertendo esta situação, expandindo a base de recursos e ajustando o modo como se utiliza essa base de maneira a se viver apenas de “juros” biológicos sem nunca se tocar no capital (...). Neste momento a chave da questão reside em dar prioridade à humanidade relativamente ao ambiente sem esquecer que esgotar os recursos implica destruir a humanidade (Kluger e Dorfman, 2002). É possível que o desenvolvimento se torne sustentável se os materiais que se produzem e utilizam e as estruturas que se projectam e constróem, apresentam um desempenho satisfatório em serviço durante a respectiva vida útil especificada, são rentáveis e amigos do ambiente. Para além disto é necessário garantir que as capacidades dos materiais e elementos estruturais que são usados sejam totalmente exploradas e maximizadas em serviço no respectivo período de vida útil (Swamy, 2000). E em relação ao betão? Como se pode tornar o desenvolvimento sustentável na construção continuando a utilizar betão? De facto a construção sustentável é possível se forem considerados e postos em prática os seguintes aspectos: 1 - Minimizar o uso de cimento Portland continuando a satisfazer as necessidades crescentes de betão. De facto o consumo de cimento deverá atingir um valor próximo de 2 × 1012 toneladas em 2010 e existem quantidades suficientes de subprodutos pozolânicos e cimentícios que podem substituir (parcialmente) o cimento Portland, pelo que não será então necessário aumentar a produção de clínquer Portland (Mehta, 2001). 2 - Maximizar a utilização de agregados reciclados. Na América do Norte, Europa e Japão cerca de dois terços dos resíduos de construção e demolição provem de escombros de alvenaria e de betão (Mehta, 2001) que podem ser reciclados. Presentemente apenas uma pequena parcela de agregados reciclados de escombros de alvenaria e de betão são utilizados para fabrico de betão, no entanto devido a restrições ambientais e aos elevados custos de armazenamento de resíduos, muitos países Europeus já estabeleceram cotas a curto prazo de modo a serem reciclados 50 a 90% dos resíduos de construção e demolição (Mehta, 2001). 3 - Minimizar o uso de água potável no fabrico de betão utilizando águas residuais industriais recicladas. 4 - Maximizar a durabilidade das estruturas de betão. De facto esta é uma solução com um enorme impacto e um grande passo no sentido da melhoria da produção de recursos na industria do betão (Mehta, 2001). A redução de consumo de recursos causada pela melhoria da durabilidade das estruturas será drástica e eficaz se os projectistas puserem em prática a filosofia de “projectar para a durabilidade” que já transparece na normalização actual. As estruturas correntes são projectadas para uma vida útil de 50 a 60 anos mas devido à falta de qualidade na construção, sobretudo em Portugal, a vida útil efectiva, em muitos casos, não chega a 20 anos... Executar obras que terão uma “morte prematura” corresponde a sobreconsumir recursos. Além disso em Portugal tem-se verificado um sobreconsumo de energia também devido à falta de qualidade na construção. (De facto



como se constrói “mal”, o isolamento térmico de muitos edifícios é deficiente e por exigências de conforto torna-se necessário climatizar os espaços com o consequente sobreconsumo de energia). Cabe-nos portanto transformar a filosofia de “projectar e construir para a durabilidade” em prática corrente! Neste trabalho é apresentada uma solução para aumentar a durabilidade das estruturas de betão armado – Cofragem de Permeabilidade Controlada – CPF (Controlled Permeability Formwork). A abordagem clássica para aumentar a durabilidade tem sido procurar modificar a composição do betão, sobretudo por redução da razão água/ligante e por utilização de materiais com propriedades pozolânicas ou hidráulicas latentes tais como cinzas volantes, sílica de fumo, etc.. Para aumentar a durabilidade do betão armado será mais eficaz actuar a nível da superfície do betão, que corresponde à primeira linha de “defesa” contra os agentes agressivos tais como os cloretos ou a carbonatação (Price e Wilson, 1999). É de facto a zona superficial do betão, quando cofrado tradicionalmente, que corresponde à zona mais permeável e porosa constituindo uma “porta aberta” aos agentes agressivos. CPF é um tipo de cofragem que corresponde a uma das poucas técnicas que melhoram a superfície do betão reduzindo a razão água/ligante nas camadas superficiais e também reduzindo os efeitos de cura deficiente (Price e Wilson, 1999). CPF consiste em utilizar um filtro/dreno sobre um molde tradicional (cofragem de madeira, contraplacado, ou metálica) – Figura 1, com o fim de permitir a expulsão de bolhas de ar e o escoamento de água a mais, mas retendo à superfície do betão (junto ao filtro) partículas de cimento arrastadas do interior, pela água durante sobretudo a fase de compactação. Como consequência, as camadas superficiais do betão ficam muito mais ricas em cimento, mais densas e impermeáveis isto é, correspondem a valores da razão água/ligante muito mais baixas. Além disso o filtro, saturado em água, permite a formação de uma verdadeira pele à superfície do betão pois está sempre disponível a água necessária a uma hidratação óptima do cimento presente (Sousa Coutinho, 1998; Sousa Coutinho, 2000, Basheer, 2000 e Sousa Coutinho, 2001).

compactação armadura filtro/dreno

filtro/dreno

fora de escala!

molde

partículas de cimento

movimento de água

areia grossa

areia fina

agregado

Figura 1 – Representação esquemática do funcionamento de CPF – cofragem de permeabilidade controlada.



2. INVESTIGAÇÃO EM PORTUGAL A metodologia utilizada para verificar os efeitos de melhoria de durabilidade do betão pela utilização de CPF foi comparar o desempenho do betão cofrado com CPF e o mesmo betão cofrado tradicionalmente. Foram levados a cabo vários programas de investigação que a seguir se descrevem sucintamente: 2.1 Primeira Fase Nesta primeira fase foram estudados vários sistemas CPF, incluindo, por exemplo, o Molde Textil preconizado no Japão ou o sistema CPF com o filtro/dreno Zemdrain MD. Este filtro/dreno não precisa de ser tensionado sobre a cofragem, como é o caso de todos os outros tipos de filtro/dreno. A cofragem base utilizada foi a tradicional portuguesa de tábuas de madeira de pinho. Esta cofragem foi portanto considerada a de controle. O betão utilizado nesta fase foi betão de duas classes diferentes – C12/15 e C30/37. O programa de investigação envolveu uma série de ensaios nomeadamente a determinação da resistência superficial, absorção por capilaridade, penetração de água sob pressão, porosimetria de mercúrio (que permitiu determinar não só a porosidade mas também as curvas de distribuição de poros no betão segundo a sua dimensão), ensaios de abrasão, de cloretos no betão, carbonatação acelerada e de difusão. Todos os resultados confirmaram a melhoria da durabilidade do betão pelo uso de CPF sobretudo no que respeita a resistência à carbonatação e resistência à penetração de cloretos. O betão da classe C12/15 tratado com CPF provou ser mais durável, sob todos os aspectos, do que um betão da classe C30/37 cofrado tradicionalmente. Os ensaios de porosimetria confirmaram a enorme diferença da estrutura e dimensão da rede porosa das camadas superficiais comparando o mesmo betão cofrado com e sem CPF. Assim, nesta fase, foi possível concluir que será altamente vantajoso utilizar CPF em obras onde seja necessário garantir uma qualidade do betão de recobrimento para que a estrutura seja efectivamente durável durante o período de vida útil correspondente ao valor do projecto (Sousa Coutinho, 1998). 2.2 Segunda Fase O programa de ensaios relativo a esta fase correspondeu a ensaios em laboratório em que se estabeleceram as vantagens de utilização de CPF aplicado a betão branco. Foram betonados muretes de betão branco – classe C30/37 com três sistemas diferentes de cofragem. Pôde-se então concluir que o sistema CPF com o filtro/dreno Zemdrain MD1 melhorou significativamente a durabilidade do betão embora a brancura tenha sido ligeiramente afectada (Sousa Coutinho, 2001). 2.3 Terceira Fase Esta fase correspondeu ao estudo da aplicação de sistemas CPF a betão com cinza de casca de arroz, metacaulino ou sílica de fumo. Utilizaram-se estes materiais cimentícios como substitutos parciais do cimento de clínquer Portland. A cinza de casca de arroz e o metacaulino foram ambos obtidos em laboratório e são de origem portuguesa – Figura 2. Foram levados a cabo uma série de ensaios respeitantes à aplicação de CPF a betões onde o cimento foi parcialmente substituído por 10, 15 e 20% de cinza de casca de arroz (RHA) portuguesa e betão com substituição de 10% de cimento por metacaulino (MTK) português e ainda betão com 10% do cimento substituído por sílica de fumo (SF) (comercializado). RHA foi obtido em laboratório por queima controlada a 650oC durante 8 horas e depois moída. Obtiveram-se valores para a massa volúmica de 2.15 g/cm3 e para a superfície específica BET de 22.36 m2/g. A difracção por raio X confirmou que a sílica da cinza se encontrava no estado sobretudo amorfo (Sampaio, Sousa Coutinho e Sampaio, 2000) MTK foi obtido em laboratório por queima a 450oC durante 3 horas e depois moída. O valor para a massa volúmica foi de 2,6 g/cm3 e para a superfície específica BET de 22,36 m2/g (Sampaio, Sousa Coutinho e Sampaio, 2001).



Os muretes de cada tipo de betão foram betonados e curados do mesmo modo sendo a composição idêntica para todos incluindo a quantidade total do ligante, excepto no que se refere à quantidade de cimento: Para o betão de controle (CTL) o ligante era integralmente constituído por cimento; para o betão (10% RHA) com 10% de cinza de casca de arroz, o ligante era constituído por 90% de cimento e 10% de cinza de casca de arroz; para o betão (15% RHA) com 15% de cinza de casca de arroz, o ligante era constituído por 85% de cimento e 15% de cinza de casca de arroz, etc.. Os muretes de dimensões 90 x 40 x 20 cm foram betonados numa das faces com CPF e na outra com cofragem impermeável (contraplacado marítimo). Após a descofragem observou-se a superfície de acabamento e todas as faces correspondentes a CPF (para todos os tipos de betão) não apresentaram qualquer imperfeição. Após a avaliação da resistência superficial foram retirados provetes dos vários muretes e submetidos a ensaios de absorção por capilaridade, carbonatação acelerada e permeabilidade aos cloretos quer pelo método AASHTO (1993) e ASTM (1994), quer pelo Método Rápido CTH (Luping, 1996). Apresentam-se resultados no Quadro 1. Foi possível concluir, deste programa de ensaios, que CPF aumenta ainda mais a durabilidade do betão com materiais cimentícios tais como cinza de casca de arroz, metacaulino ou sílica de fumo.



Quadro 1 – Resultados (média de 3 provetes) relativos às propriedades analisadas. Coef. de absorção

Permeabilidade aos cloretos Resistência

Carbonatação

S AASHTO CTH

Betão -

cofragem MPa mm mg/mm2×min1/2 Coulombs Dns(cm2/s)

CTL 5 0.0938 2349 25.6 × 10-8

CTL-CPF 35.1

0 0.0571 1916 16.6 × 10-8 MTK 2.5 0.0715 806 6.7 × 10-8 MTK-CPF

36.4 0 0.0421 684 4.5 × 10-8

10% SF 2.3 0.0630 464 5.7 × 10-8 10% SF-CPF

38.7 0 0.0473 389 3.2 × 10-8

10% RHA 2 0.0769 435 4.0 × 10-8 10%RHA-CPF

41.5 0 0.0412 385 1.1 × 10-8

15% RHA 1.8 0.0583 322 3.2 × 10-8 15% RHA-CPF

41.7 0 0.0363 245 2.0 × 10-8

20% RHA 2,2 0.0624 260 2.0 × 10-8 20% RHA-CPF

43.0 0 0.0375 202 0.1 × 10-8

2.4 Quarta Fase Esta fase diz respeito à aplicação de CPF em obra. A primeira aplicação diz respeito à utilização de CPF numa Fábrica de Produtos Pré-fabricados de betão. O acabamento obtido nas peças betonadas foi perfeito e a melhoria da resistência superficial foi superior a 72% aos 28 dias (Sousa Coutinho, 2000). A segunda aplicação de CPF foi levada a cabo num elemento de uma ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais em Aveiro em construção (mais 12000 m3 de betão colocado em obra). O elemento betonado com CPF, quer pelo interior quer pelo exterior, era um elemento circular 2,5 m de altura e 11,3 m de diâmetro. O mesmo sistema CPF foi utilizado 4 vezes na betonagem dos 4 sectores e entre as reutilizações o sistema foi lavado com jacto de água. O acabamento final obtido em todos os sectores foi de elevada qualidade e a resistência superficial foi bastante superior ao mesmo betão cofrado sem CPF correspondente a outro elemento.

Figura 3 – Aplicação do filtro/dreno sobre a cofragem. Primeiro sector do elemento já betonado.

Foi também betonado um murete de 20 x 100 x 100 cm com cofragem de madeira de pinho em que apenas numa das faces se utilizou CPF. Foi possível retirar provetes e avaliar algumas propriedades relativas à durabilidade do mesmo betão usado para betonar o elemento. 3. CONCLUSÕES Como conclusão de todos os programas de ensaio descritos, poder-se-á dizer que é possível melhorar a durabilidade das estruturas de betão armado pela utilização de CPF Cofragem de Permeabilidade Controlada



prevenir a corrosão, melhorando significativamente a qualidade e portanto a impermeabilidade do betão de recobrimento. 8. REFERÊNCIAS [1] Kluger, J. E Dorfman, A. The challenges we face. TIME, Special Report, pp. 10-16, Set., 2002.

[2] Swamy, R.N. Sustainable concrete for infrastructure regeneration and reconstruction. Sustainable

Construction into the next Millennium: Environmentally friendly and innovative cement based materials. Proceedings of the International Conference, Ed. N.P. Barbosa, R.N. Swamy e C. Linsdale, pp. 15-43, João Pessoa, Brasil, 2-5 Nov. 2000.

[3] Mehta, K. Reducing the environment impact of concrete – concrete can be durable and environmentally friendly. Concrete International, pp 61-66, Out. 2001.

[4] Price, W.F. e Wilson, D. Durability of reinforced concrete structures: Improving the first line of defence! Infrastructure Regeneration and Rehabilitation. Improving the Quality of Life Through Better Construction. A Vision for the Next Millennium. Proceedings of an International Conference, University of Sheffield, Ed. N. Swamy, pp. 633-643, 1999.

[5] Sousa Coutinho, J. Melhoria da durabilidade dos betões por tratamento da cofragem. Tese de doutoramento , FEUP, Portugal, 1998.

[6] Sousa Coutinho, J. Controlled Permeability Formwork. Progress Report, COST 521, Working Group A: Prevention, Proceedings, COST 521 Workshop, pp. 57-64, Ed. P.A.M. Basheer and T.D. Sloan. The Queen’s University of Belfast, 28-31, August 2000.

[7] Basheer, P.A.M. Protection of rebar from corrosion by providing good quality cover Crete. Working Group A, Summary Paper, COST 521 Corrosion of Steel in Reinforced Concrete Structures pp. 57-80, Proceedings of the Workshop. Ed. T.D. Sloan and P.A.M. Basheer, The Queen’s University of Belfast, U.K., 28-31 Agosto, 2000.

[8] Sousa Coutinho, J. The effect of Controlled Permeability Formwork (CPF) on white concrete. ACI Materials Journal, Vol. 98, nº 2, pp. 148-158, Março-Abril, 2001.

[9] Sampaio, J.C., Sousa Coutinho, J., Sampaio, M.N. Portuguese rice husk ash as a partial cement replacement. Sustainable Construction into the next Millennium: Environmentally friendly and innovative cement based materials, Proceedings of the International Conference, Ed. N.P. Barbosa, R.N. Swamy and C. Lynsdale, pp. 125-137, João Pessoa, Brazil, 2-5 Nov. 2000.

[10] Sampaio, J. Sousa Coutinho, J. E Sampaio, M.N. Melhoria do desempenho de betões pelo metacaulino, IBRACON, 43º Congresso Brasileiro do Concreto, p. 244 – resumo, trabalho em CD-Rom), Foz do Iguaçu, Brasil, 18-23 Agosto, 2001.

[11] Sousa Coutinho, J. The effect of Controlled Permeability Formwork (CPF) on concrete with rice husk ash. Sustainable Construction into the next Millennium: Environmentally friendly and innovative cement based materials, Proceedings of the International Conference, Ed. N.P. Barbosa, R.N. Swamy and C. Linsdale, pp. 569-584, João Pessoa, Brazil, 2-5 Nov. 2000.

[12] AASHTO T 277-83. Rapid Determination of the Chloride Permeability of Concrete to Chloride ion penetration, FHWA, 1983.

[13] ASTM C 1202 (1994). Standard test method for electrical indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration, American Society for Testing Materials.



[14] Luping, T., Chloride Transport in Concrete – Measurement and Prediction. PhD Thesis.

Publication P-96: b Chalmers University of Technology, Department of Building Materials, Goteborg, Sweden, 1996.

[15] Sousa Coutinho, J. Cofragem de Permeabilidade Controlada (CPF): Durabilidade e Acabamento perfeito em Pré-fabricação. 1º Congresso Nacional da Industria de Pré-fabricação em Betão, Comunicações, Vol. I pp. 211-215 e Vol. II p.111, Porto, 29-30 Junho, 2000.

[16] Sousa Coutinho, J. Aplicação de Cofragem de Permeabilidade Controlada (CPF) num flotador de lamas de 40 m de perímetro. Construção 2001, Congresso Nacional da Construção. Por uma construção sustentável no séc. XX., pp. 495-502, volume 1, Instituto Superior Técnico, Lisboa, 17-19 Dec. 2001.

JOANA SOUSA COUTINHO Maria Joana Álvares Ribeiro de Sousa Coutinho completou a licenciatura de Engenharia Civil (FEUP) em Julho de 1978 e as Provas de Doutoramento na área de Materiais de Construção com a dissertação ”Melhoria da durabilidade dos betões por tratamento da cofragem”, tendo sido aprovada por unanimidade em 24 de Julho 1998, tendo passado à categoria de Professora Auxiliar daquela Faculdade. Tem leccionada várias disciplinas no Departamento de Engenharia Civil, entre as quais Materiais de Construção 1 e 2 e faz parte do corpo docente do Mestrado de Estruturas de Engenharia Civil (Novos Materiais). Tem publicado alguns textos de apoio ás aulas tais como “Ligantes e caldas”. É membro da Ordem dos Engenheiros. É membro das Comissões Técnicas “CT 104 Betões” e “CT 105 Cimentos” – ONS/ATIC – Organização de Normalização Sectorial/Associação Técnica da Indústria do Cimento. É Perito na CT 154 AGREGADOS na Subcomissão SC1 Agregados para argamassas e betões. Foi membro da organização da C.E. – Cooperative Organization of Science and Technology – no projecto COST 521 – Corrosion of steel in reinforced concrete structures, no grupo de trabalho “PREVENTIVE MEASURES”, com o projecto “CONTROLLED PERMEABILITY FORMWORK” até ao final desta acção. Em termos de investigação tem desenvolvido trabalho em áreas tais como a aplicação de Cofragens de Permeabilidade Controlada (CPF) ; materiais cimentícios que substituem parcialmente o cimento tais como metacaulino e cinza de casca de arroz ; betão auto-compactável; etc., que conduziram, nos últimos 5 anos, á publicação de 16 artigos em actas de conferências internacionais, 8 artigos em actas de conferências nacionais e de 2 artigos em revistas internacionais.

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