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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁPrograma de Pós-Graduação em Construção Civil

ESTUDO COMPARATIVO DE MÉTODOS DE DOSAGEM PARA CONCRETOS DE ALTA RESISTÊNCIA COM O USO DE AGREGADOS GRAÚDOS DISPONÍVEIS NA REGIÃO

METROPOLITANA DE CURITIBA

Mestrando José de Almendra Freitas Jr.

Orientador

Dr. Kleber Franke Portella

Co-orientadores

Msc. José Marques Filho

Msc. Sandro Mendes

http://www.cesec.ufpr.br/~asantos/index.htm

IMPORTÂNCIA DA PESQUISA

Demanda por concretos mais duráveis e mais resistentes;

Métodos de dosagem tem desempenho afetado p/ características regionais dos materiais.

Necessidade de estudos locais sobre $ com uso de CAR

OBJETIVOS

Comparar métodos de dosagem para CAR, parâmetro: custos X resistências à compressão;

Estudo de caso dos pilares do ed. corporativo do Evolution Towers, em situação real;

Ferramenta e incentivo p/ uso de CAR em Curitiba.

CONCEITOS

CAD - concreto de alto desempenho• alta durabilidade (ensaios específicos)• alta resistência

CAR - concreto de alta resistência• alta resistência

(NBR-8953, fck 50 MPa)

• baixa relação água/aglomerante• alto consumo de aglomerante (cimento + adições)• baixo consumo de água• necessidade de aditivos superplastificantes (SP)

(trabalhabilidade é governada mais pelo SP que pela água)

• freqüente uso de adições minerais ao cimento (sílica ativa, argila calcinada)• Agregados de boa qualidade

CAR – características básicas da composição

Pontos positivos

• Resistência à compressão por custo, peso e volume;• Diminuição peças estruturais, + espaços livres;• Redução peso estruturas;• Redução deformações imediatas;• Redução fluência; • Aumento durabilidade, menor permeabilidade;• Redução volume de concreto necessário;• Maior rapidez de execução.

Alta Resistência E-Tower - fck 125 MPa

(42 andares, 162 m)

CAR – propriedades

Pontos negativos

• Dificuldade de aplicação - maior coesão - sílica ativa - perda de abatimento• Controle qualidade mais apurado• Necessidade de cura, p/ baixo consumo de água • Alto calor de hidratação - consumos cimento até > 500 kg/m3

• Retração - autógena – água solidifica ao hidratar o cimento - por secagem - saída da água dos vazios capilares

CAR – propriedades

Controle de temperatura

HISTÓRICO DO CAR

Final anos 70 – superplastificante possibilitou redução água/aglomerante c/ trabalhabilidade

Anos 80 – sílica ativa, aumento de resistência

EDIFÍCIO LOCAL ANO fck (MPa)

Water Tower Place Chicago 1975 62

Grand Arche de la Défense Paris 1988 65

Two Union Square Seattle 1989 115

One Wacker Place Chicago 1990 80

225 W. Wacker Drive Chicago 1989 96

Suarez Trade Salvador 1993 60

Petronas Towers Kuala Lumpur 1998 80

e-Tower São Paulo 2003 125

EDIFÍCIO LOCAL ANO fck (MPa)

Water Tower Place Chicago 1975 62

Grand Arche de la Défense Paris 1988 65

Two Union Square Seattle 1989 115

One Wacker Place Chicago 1990 80

225 W. Wacker Drive Chicago 1989 96

Suarez Trade Salvador 1993 60

Petronas Towers Kuala Lumpur 1998 80

e-Tower São Paulo 2003 125

Instituto de Educação

1968, fck 40 MPa

CAR em Curitiba

Museu Oscar Niemeyer 2000

fck 35 MPa aos 7 dias

Evolution Towers 2000

fck 60 MPa

PESQUISAS SOBRE DOSAGEM DE CAR

MENDES (2002) - estudou agregados graúdos da região de Curitiba-PR p/ uso em CAR. ALVES (2000) comparou métodos de dosagem, materiais da região de Porto Alegre-RS. IPT/EPUSP, Mehta/Aïtcin, Toralles-Carbonari e Aïtcin PINTO et al. (2003), comparou métodos dosagem, materiais região de Goiânia-GO. Mehta/Aïtcin, Aïtcin e Furnas. PINHO et al. (2004), comparou métodos dosagem, materiais região de Belém-PA. IPT/EPUSP modificado e Aïtcin.

MICROESTRUTURA DO CAR FASE AGREGADO • Rocha c/ alta resistência; • Lamelaridade prejudica;

FASE PASTA MATRIZ • Baixas relações A/A minimizam vazios;

• Sílica ativa, mais C-S-H e efeito microfiler.ZONA DE TRANSIÇÃO

• Baixas relações A/A e a SA melhoram ZT.

MATERIAIS CONSTITUINTES

CIMENTO• ACI 363R-92 primordial que varie pouco;

AGREGADOS • Seleção é importante;

• Miúdos - arredondados, s/ impurezas e s/ muitos finos;• Graúdos, evitar grãos lamelares;

ADIÇÕES MINERAIS •Adição ou substituição de parte do cimento;

•Aumentam resistência mecânica e durabilidade;•Aumentam coesão, diminuem segregação e exsudação;

•Reduzem retração, porosidade e permeabilidade;

ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE •Sem SP, impraticável A/A < 0,4;

•Compatibilidade c/ o cimento é vital.

MATERIAIS CONSTITUINTES

ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE • 2a geração – naftalênicos/lignosulfonados – perda abatimento 45 min.;

• 3a geração – éter carboxílico modificado – alto custo;• Interação dos SP c/ cimento é complicada;

• Aplicação simultânea de aditivos diferentes.

COMPATIBILIDADE CIMENTO-ADITIVO • Combinação adequada p/ fluidez requerida por mais tempo;

• Ensaio de fluidez de pasta de aglomerante com aditivo;• Método do funil de Marsh p/ det. ponto de saturação.

METODOLOGIA

PROGRAMA EXPERIMENTAL

Parâmetro de controle:•Ensaios à compressão simples sobre CPs 10 x 20 cm,

Fatores controláveis:•Concretos produzidos por 3 métodos de dosagem (MEHTA/AÏTCIN, AÏTCIN e IPT/EPUSP modificado)•Relações A/A – variáveis de 0,20 a 0,45;•Rupturas em três idades - 3,7 e 28 dias.

Fatores constantes:

Materiais - usuais em centrais de concreto•Cimento e agregados testados em MENDES (2002);•CPV-ARI RS, s/ adições, alta resist. baixas idades;•Sílica ativa - 8 % substituição massa do aglomerante;•Aditivo SP – 3a geração – éter carboxílico modificado;

MATERIAIS UTILIZADOS NO PROGRAMA EXPERIMENTAL

AGREGADOS:

•Geraram bons resultados em MENDES (2002).

Miudo: Areia natural

Graúdo: Brita de granito

METODOLOGIA

MÉTODOS DE DOSAGEM

Foram escolhidos três métodos específicos para CAR:

• Método MEHTA/AÏTCIN, (MEHTA & AÏTCIN 1990);

Método AÏTCIN, (AÏTCIN 2000);

• Método IPT/EPUSP modificado, (CREMONINI et al., 2001).

MÉTODO MEHTA/AÏTCIN

Projetado para resistências de 60 a 120 MPa.

Otimiza principalmente o aditivo SP.

Passos:

a) Estimou-se consumos de água entre 120 e 190 l/m3;

b) Volume total pasta é 0,35 m3/m3. Subtraiu-se volume da água e 2% de ar incorporado;

c) Volumes de cimento e SA, conhecendo suas M.E. e SA é 8% do peso total de aglomerante;

d) Dividiu-se intervalo em cinco resistências, previstas para 65, 75, 90, 105 e 120 MPa, criou-se mais uma de 50 MPa;

MÉTODO MEHTA/AÏTCIN

e) Volume total agregados 0,65 m3/m3. Relação miúdos/graúdos variou c/ a resistência, devido ao decréscimo no consumo de água e o aumento de consumo do SP;

f) Define-se consumos em massas com as ME de cada um;

g) Dosagem preliminar de SP, 1% sólidos s/ massa de aglomerante;

h) Corrigiu-se água dos agregados e do SP;

i) Ajustou-se quantidade de SP p/ abatimento de 150 20 mm.

MÉTODO AÏTCIN

Projetado p/ resist. entre 40 e 160 MPa.Segue o ACI 211/2001, basedo em resultados empíricos e do critério do volume absoluto.Otimiza o consumo de cimento.

Passos:

a) Estabeleceu-se o abatimento 150 20 mm;

b) Definiu-se seis relações A/A (0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40 e 0,45) para comparação entre os métodos;

c) Com o ábaco do método, (teor de água x ponto de saturação do SP), e baseando-se em MENDES (2002), definiu-se o consumo fixo de água de 135 l/m3;

MÉTODO AÏTCIN

d) Dosagem inicial do SP deduzida a partir do ponto de saturação do ensaio de fluência da pasta, 0,4%;

e) Quantidade ag.graúdos estimada em função da forma dos grãos. C/ ábaco do método - 1.050 kg/m3;

f) Ar incorporado estimado em 1,5%;

g) C/ planilha do método, e c/ características dos materiais, procede-se cálculos p/ definição das quantidades dos materiais.

MÉTODO IPT/EPUSP MODIFICADO

Baseado em CREMONINI et al. (2001), objetiva produzir CAR c/ mínimo consumo de cimento.

Adaptação p/ CAR IPT/EPUSP (HELENE & TERZIAN, 1992).

Passos:

a) Fixou-se relação água/materiais secos, H = 6%;

b) Calculou-se relação água/aglomerante usando a “Lei de Lyse”, através da Equação:

água / aglomerante = H% x ( 1+ m )

m = massa total de agregados secos

c) Determinou-se teor de argamassa “α” em 51%, seguindo metodologia do IPT/EPUSP com o traço 1:5;

MÉTODO IPT/EPUSP MODIFICADO

d) Definiu-se 5 valores p/ “m” p/ comparar métodos. Com “m”, “α” calculou-se valores p/ agregados miúdos “a” e graúdos “p”;

e) Calculou-se massas de cimento e SA (8% do peso total de aglomerante);

f) Quantidades do SP necessárias p/ abatimento desejado de 150 20 mm.

1 + a α = ——————— e m = a+ p 1 + a + p

PROGRAMA EXPERIMENTAL DE DOSAGEM

Procedimentos

a) Betoneira previamente imprimada;

b) Colocação mesma seqüência: brita, areia, cimento, SA, água e SP. Adicionou-se pequenas qtd. SP até abatim. 150 20 mm;

c) Mistura por 10 min. antes da 1a verificação de abatimento;

d) Verificação das massas específicas e o adensamento dos CPs 10 x 20 cm o c/ vibrador de agulha de ¾”;

e) CPs 10 x 20 cm, p/ ensaios à compressão: 3 CPs-3 dias; 3 CPs-7 dias e 3 CPs-28 dias;

PROGRAMA EXPERIMENTAL DE DOSAGEM

Procedimentos

f) Feitas dosagens de repetição, para cada concreto, em dias diferentes;

g) CPs foram protegidos por uma película plástica, até desmoldagem, 24 horas após a moldagem. CPs em câmara úmida até data da ruptura, qdo foi feita a retificação e capeamento.

DOSAGENS DOS CONCRETOS

Método Mehta/Aïtcin – Consumos


Método Aïtcin – Consumos

Método IPT/EPUSP modificado – Consumos


PREPARAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA

< Retificando o topo

Capeamento >

< Aspecto da superfície

Torno utilizado em MENDES (2002) está indisponível.

Resultados por este método são inferiores.

ENSAIOS DE RUPTURA

Prensa EMIC, para 200 t servo-controlada

RESULTADOS DA PESQUISA ENSAIOS PREPARATÓRIOS

SOBRE OS AGREGADOS

a) Agregados miúdos: areia natural

DMC = 4,80 mm

MF = 2,60 – média

Material pulverulento = 4,4 %

b) Agregados graúdos: granito britado

DMC = 25 mm (brita 2)

MF = 6,89

RESULTADOS DA PESQUISA

ENSAIOS PREPARATÓRIOS

VERIFICAÇÃO DA COMPATIBILIDADE CIMENTO-ADITIVO

Ensaio de fluidez da pasta, com o cone de Marsh. Teores de aditivo 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,8 e 1,0%

RESULTADOS COM OS CONCRETOS PRODUZIDOS

RESULTADOS OBTIDOS COM OS CONCRETOS PRODUZIDOS – Método MEHTA/Aïtcin

RESULTADOS OBTIDOS COM OS CONCRETOS PRODUZIDOS – Método Aïtcin

RESULTADOS OBTIDOS COM OS CONCRETOS PRODUZIDOS – Método IPT/EPUSP modificado

VALIDAÇÃO DOS RESULTADOSCurvas dos Valores Potenciais

ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS MÉTODOS DE DOSAGEM

ANÁLISE QUANTO AOS CUSTOS DOS CONCRETOS

ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS MÉTODOS DE DOSAGEM

CUSTOS x RESISTÊNCIAS

ANÁLISE DOS RESULTADOS

CUSTOS x RESISTÊNCIAS – 28 dias


CUSTOS x RESISTÊNCIAS – 3 dias

CUSTOS – Método MEHTA/Aïtcin


Resultados de MENDES (2002) – método Aïtcin.


Comparações com os resultados de MENDES (2002).

Aditivo SP de MENDES (2002) – naftalênico de 2a geração

custo atual R$ 3,80/kg

Aditivo SP desta pesquisa - éter carboxílico modificado de 3a geração custo atual R$ 14,30/kg

P/ igualar $ dos concretos de MENDES (2002), com os desta pesquisa, o aditivo de 3a geração a base de éter carboxílico modificado deverá custar R$ 4,50/kg.

Aditivo de 3a geração, vantagens: - mais tempo sem perda de abatimento; - menor necessidade de re-dosagens do SP; - menor necessidade de outros aditivos.


QUANTO AOS CONSUMOS DE CIMENTO

Provável redução futura dos $ do SP e da SA, possibilitará método Aïtcin produzir CAR c/ $ menores.

ESTUDO COMPARATIVO DA APLICAÇÃO DE CAR NO CASO DO EVOLUTION TOWERS

Três edifícios: Flat, Residencial e Corporativo. 46.210 m2, 37 pav. e 132 m de altura

Construção: Irmãos Thá S/A Projeto estrutural: TESC Proj. Estruturais

S/C Estrutura: 14.000 m3 de concreto C-20 a C-60.


FUNDAÇÕES

Estacas escavadas;Bloco mais importante 80.000 kN;Concretados em duas camadas,

inferior em C-30 e superior (+- 1/3) em C-60;Inibidores de pega no C-30 e de cura no C-60.


PAVIMENTOS TIPO

Flat e Residencial- C-30 e C-20

Corporativo - lajes nervuradas protendidas

Pilares em CAR C-60


PAVIMENTO DE TRANSIÇÃO

Topo do Corporativo, nasce o Residencial, total 37 pav. Pavimento c/ diversas vigas de transição. A mais importante com MF de 25.000 kNm e Q de 13.000 kN.

Concreto da classe C-40.

Plano de concretagem, c/ enchimento preliminar de uma camada de 1 m,

p/ dar às vigas de transição resistência

suficiente p/ suportar a complementação do

concreto.

ESTUDO COMPARATIVO DA APLICAÇÃO DE CAR NOS PILARES DO CORPORATIVO

AS ALTERNATIVAS

Estudos p/ os seis 1os pav. Corporativo, onde aplicou-se concreto C-60.

Projeto real sob supervisão do projetista - Moacir Inoue.

Além da solução C-60 executada, estudou-se mais duas: concreto convencional C-40 e CAR C-80.

P/ cálculo pilares, em C-40, aplicou-se a NBR-6118/2003.

P/ CAR, confrontou-se normas internacionais: CEB-FIP MC(90), Eurocode EC 2(95), NS-3473 (92), ACI 441R‑96(97), ACI 363R‑92(2001) e CSA–A233-(94).


CRITÉRIOS DAS NORMAS INTERNACIONAIS

Observou-se os seguintes itens:

Diagrama tensão/def. tende ao diagrama triangular;

Encurt. específico inferior em CAR que concreto conv.;

Ef. fluência, 0,85 fixo NBR-6118, cons.variável com o fck.


CÁLCULO DOS PILARES

•Dimensionou-se c/ programas CONDE 3 e ESBELT, (prof. Lauro Modesto dos Santos) e flexão composta (TESC Proj. Estrut. Ltda).

•P/ C-40 e C-60, não se alterou seções p/ melhor aproveitamento formas. Obteve-se redução das armaduras até o mínimo de norma;

•P/ C-80 reduziu-se gradualmente seções conforme a altura.


COMPARATIVO DOS CUSTOS DAS ALTERNATIVAS

Construtora Santa Tecla orçou: aço, formas e a M. O. p/ montagem armaduras, formas e aplicação do concreto.



$ dos concretos, p/ um comparativo realista, levantou-se os valores de três formas:

a) concreteira de Curitiba;

b) concreteira de São Paulo;

c) custos desta pesquisa.

A concreteira de Curitiba informou: - O aditivo SP utilizado é de 3a geração; - Nos C-40 e C-60 não utilizam SA, só no C-80; - D. pad.: 3,5 MPa p/ C-40, 5,5 MPa p/ C-60 e 7,4 MPa p/ C-80.

A concreteira de São Paulo informou : - O aditivo SP utilizado também é de 3a geração; - Nos C-40 não utilizam SA, aplicam nos C-60 e C-80; - D. padrão p/ fck > a 35 MPa, utilizam 5,4 MPa.



Os valores calculados a partir desta pesquisa:

$ c/ eq. exponencial ajust. p/ valores mét. Mehta/Aïtcin;

P/ C-40 extrapolação, menor resist.Mehta/Aïtcin 58 MPa;

fcd calculado c/ d. pad. usados p/ central de Curitiba;

$ operacionais os mesmos de São Paulo, R$ 30,00/m3;

Estimado lucro 10% e 6,5% impostos.



Valores calculados a partir desta pesquisa:

Valores

levantados pelas três formas:



Totais para as três alternativas:

CONCLUSÕES DO ESTUDO DE CASO

Quanto aos concretos:

Diferenças regionais $/m3 de CAR - custos locais e Sd.;

Tendência p/ SP de 3a geração e SA em CAR;

SA + SP no C-80 forte aumento de $ do C-60 p/ C-80;

Quanto as três soluções para os pilares:

Fator importante: $ unitário do aço;

CAR C-60 otimizou custos em relação ao C-40;

Altenativa mais viável foi com C-60.

C-80 poderá ser mais econômica, c/ redução $ SP de 3a geração e produção maior de CAR em Curitiba (menor Sd.).

Não computados ganhos em área e durabilidade c/ uso de CAR.

CONCLUSÕES

Hoje método Mehta/Aïtcin - concretos mais baratos;- custos 10% em média menor que Método Aïtcin;

Método Aïtcin - concretos c/ menores consumos de cimento, potencial futuro p/ este método. Concretos c/ altos consumos de cimento são problemáticos.

- 60 a 70 Mpa – 25% menor consumo que mét. Mehta/Aïtcin.

- Menores problemas de termogenia e retração.

Método Aïtcin – futuro ?, CAR c/ custos mais baixos;

CAR otimiza custos e melhorar obras em Curitiba.

SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS

Estudos sobre as técnicas para a regularização dos topos dos CPs para CAR;

Avaliações sobre as propriedades relacionadas à durabilidade e a retração de concretos com altos consumos de cimento;

Avaliações sobre a perda de abatimento no tempo em CAR com aditivos SP de 2a e 3a gerações;

Estudos para a otimização do método Aïtcin, quanto a relação entre os consumos de água e SP para CAR com o uso de materiais disponíveis na região metropolitana de Curitiba;

Avaliação do impacto técnico e financeiro das re-dosagens de aditivos SP sobre os CAR.

Agradecimentos:

Aos meus amigos e orientadores, profs. Kleber Portella, José Marques Filho, Moacir Inoue e Sandro Mendes;

às empresas que disponibilizaram os materiais e informações necessários a pesquisa;

ao LAME/LACTEC, nas pessoas do prof. Paulo Chamecki e dos laboratoristas João Luis Alves, Marcelo e Amauri.

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