universidade federal do rio de janeiro desenvolvimento...

Universidade Federal do Rio de Janeiro

DESENVOLVIMENTO DA TÉCNICA “CONCRETO FRESCO 2D - CF2D”

PARA FABRICAÇÃO DIGITAL DE ARTEFATOS DE CONCRETO

Ítalo Arruda de Carvalho

2018




Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Civil da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador (es): Romildo Dias Toledo Filho

Oscar Aurelio Mendoza Reales

Rio de Janeiro

Março de 2018




PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO

DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO

GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.

Examinado por:

_____________________________________________ Prof. Romildo Dias Toledo Filho, D.Sc. (orientador)

_____________________________________________ Eng. Oscar Aurelio Mendoza Reales, D.Sc. (orientador)

_____________________________________________ Prof. Leandro Torre Di Gregorio, D.Sc.

RIO DE JANEIRO – RJ – BRASIL

MARÇO DE 2018

iii

Arruda de Carvalho, Ítalo

Desenvolvimento da técnica “concreto fresco 2D –

CF2D” para fabricação digital de artefatos de concreto/ Ítalo

Arruda de Carvalho. - Rio de Janeiro: UFRJ / ESCOLA

POLITÉCNICA, 2018.

XIV, 96p.: il.; 29,7 cm.

Orientadores: Romildo Dias Toledo Filho, Oscar

Aurelio Mendoza Reales.

Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Engenharia

Civil, 2018.

Referências Bibliográficas: p. 92-96.

1. Concreto Fresco 2D 2. Usinagem 3. Concreto

Digital 4. Corte em concreto

I. Toledo Filho, Romildo Dias et al. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Civil III. IV.

Desenvolvimento da técnica “concreto fresco 2D – CF2D”

para fabricação digital de artefatos de concreto.

iv

Agradecimentos

Quero agradecer sobretudo a Deus, o criador dos céus, da terra e de todo o

conhecimento. Autor da fé, força e vitalidade que me possibilitaram chegar ao final de uma

jornada e início de outra. Por Sua vontade e direção segura à minha vida.

Aos meus amados pais Maria e Pedro, dedico especial gratidão pelos princípios

fundamentais que forjaram o meu carácter, meus valores, minhas prioridades e a minha

busca pelo saber. Por serem os que primeiro acreditaram em mim, quando colocaram o meu

futuro como prioritário perante as suas próprias necessidades.

Ao meu querido irmão Pierre, desbravador de um novo mundo, para mim um pioneiro

tangível no universo da Engenharia. Por ser exemplo de dedicação, mostrando-me ser

possível alcançar o conhecimento com esforço.

À minha amada e apaixonante esposa Larissa, companheira fiel e confidente das minhas

idas e vindas. Por ser conselheira, amiga e minha parceira. Por ajudar-me a enxergar as

oportunidades e topar os desafios. Por me mover quando a inércia era um estado natural e

cômodo. Por ser competente em tudo o que faz, e assim me mostrar que é preciso lutar

para vencer.

Aos amigos e familiares que me ajudaram a sorrir mesmo quando tudo parecia caótico,

que fizeram entender que a vida sem alegria é uma matéria inanimada. Aos irmãos em

Cristo que comigo estiveram em comunhão, chorando e nos alegrando juntos.

Aos meus orientadores. Romildo, pelas oportunidades oferecidas, confiança depositada

e pelo conhecimento compartilhado. Oscar, por me ensinar a transformar ideias em

soluções fundamentadas e pelo pronto auxílio diário.

A toda equipe do Laboratório NUMATS/COPPE, onde pude desenvolver um prazeroso e

gratificante trabalho. À Escola Politécnica/UFRJ por me abrir as portas à ciência.

Aos milhões de brasileiros e brasileiras que, com o suor do seu trabalho, contribuíram

indiretamente para que eu pudesse receber um ensino público gratuito e de excelência. A

esta sociedade a qual espero retribuir com profissionalismo, através da geração de

conhecimento, que leve ao desenvolvimento econômico e social do nosso país.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil




Março/2018

Orientador: Romildo Dias Toledo Filho / Oscar Aurelio Mendoza Reales

Curso: Engenharia Civil

A necessidade de uma maior produtividade nas obras civis tem impulsionado a busca

por avanços tecnológicos nos métodos construtivos. A automatização da construção com

uso de mecanismos assistidos por computador, notabilizada recentemente por avanços na

impressão 3D em concreto, é um campo promissor à idealização de técnicas similares que a

complementem. Este trabalho propõe uma técnica para produção de artefatos de concreto

por usinagem de peças bidimensionais constituintes em formatos quaisquer, por meio de

cortes automatizados em uma placa de concreto no estado fresco e faz uma avaliação a

respeito da relação entre a resistência ao cisalhamento do material fresco e a qualidade do

corte. Mediante uma análise, para diferentes dosagens, do limite de escoamento do

concreto nos tempos iniciais de repouso e da distorção das amostras submetidas ao corte,

esta relação foi estabelecida. Conclusões foram obtidas sobre o intervalo de valores da

tensão de escoamento no qual o corte deve ser feito, chegando-se em seguida a uma janela

de tempo ideal para cada dosagem adotada. A viabilidade técnica da tecnologia proposta é

abordada mediante um catálogo dos possíveis problemas de execução, chegando a

perspectivas positivas sobre a sua factibilidade e a continuidade do seu desenvolvimento.

Palavras – chave: Concreto Fresco 2D, Usinagem, Concreto Digital, Corte em concreto.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to Escola Politécnica/UFRJ as a partial

fulfillment of the requirements for the degree of Engineer

DEVELOPMENT OF “CONCRETO FRESCO 2D – CF2D” TECHNIQUE

FOR DIGITAL MANUFACTURE OF CONCRETE ARTIFACTS


March/2018

Advisor: Romildo Dias Toledo Filho / Oscar Aurelio Mendoza Reales

Course: Civil Engineering

The need for greater productivity in civil works has driven the search for technological

advances in construction methods. Automation of construction using computer-aided

mechanisms, recently noted for advances in 3D concrete printing, is a promising field for the

idealization of similar techniques that complement it. This work proposes a technique for

machining artifacts in any two-dimensional shape, by means of automated cuts in a concrete

slab in the fresh state and evaluates the relation between the shear strength of the fresh

material and the cutting quality. By means of an analysis, for different dosages, of the yield

stress of the concrete in the initial times of curing and the distortion of the samples submitted

to the cut, this relation was established. Conclusions were obtained about the range of

values of the yield stress at which the cut should be made, and then reached an ideal

window of time for each dosage adopted. The technical viability of the proposed technology

is addressed through a catalog of possible implementation problems, reaching positive

perspectives on its feasibility and the continuity of its development.

Keywords: 2D fresh concrete, Machining, Milling, Digital Concrete, Concrete Cutting.

vii

SUMÁRIO

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................... ix

ÍNDICE DE TABELAS ......................................................................................................... xiii

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 1

2. REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 4

2.1. Elementos pré-fabricados de concreto .................................................................... 4

2.2. Tecnologias de prototipagem rápida aplicáveis a materiais diversos. ...................... 9

2.2.1. Prototipagem Rápida Aditiva ............................................................................... 9

2.2.2. Prototipagem Rápida Subtrativa .........................................................................14

2.3. A construção automatizada em concreto: concreto digital ......................................18

2.3.1. Tecnologias de prototipagem aplicadas na construção civil ................................19

2.3.1. Similaridades entre as tecnologias aplicadas na construção civil ........................24

2.4. Conclusão da revisão da literatura .........................................................................25

3. DESENVOLVIMENTO DO CONCEITO - Concreto Fresco 2D (CF2D) .........................27

3.1. Definição do problema ...........................................................................................27

3.2. Hipótese .................................................................................................................28

3.3. A tecnologia CF2D .................................................................................................28

3.4. Escopo do presente trabalho ..................................................................................31

3.5. Objetivos do estudo científico .................................................................................31

3.5.1. Objetivo geral .....................................................................................................31

3.5.2. Objetivos específicos ..........................................................................................32

3.6. Estabelecimento das variáveis para o estudo científico ..........................................32

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL ...............................................................................35

4.1. Materiais ................................................................................................................35

4.1.1. Composição química ..........................................................................................35

4.1.2. Massa específica ................................................................................................36

4.1.3. Distribuição granulométrica ................................................................................37

4.2. Programa experimental ..........................................................................................38

4.3. Métodos de ensaios ...............................................................................................40

4.3.1. Ponto de saturação do superplastificante ...........................................................40

4.3.2. Limite de escoamento (Vane test) ......................................................................41

viii

4.3.2.1. Janela de corte................................................................................................45

4.3.3. Abatimento do tronco de cone (minislump) e espalhamento. ..............................45

4.3.4. Distorção de corte ...............................................................................................46

4.3.5. Catálogo de defeitos ...........................................................................................49

4.3.6. Resistência à compressão ..................................................................................50

5. RESULTADOS ..............................................................................................................52

5.1. Ponto de saturação do superplastificante ...............................................................52

5.2. Matriz de experimentos ..........................................................................................53

5.3. Dosagem dos concretos .........................................................................................54

5.4. Espalhamento e abatimento ...................................................................................60

5.5. Limite de escoamento no tempo.............................................................................61

5.5.1. Janela de corte ...................................................................................................66

5.6. Distorção de corte ..................................................................................................72

5.7. Catálogo de defeitos ..............................................................................................75

5.8. Resistência à compressão .....................................................................................80

6. DISCUSSÃO GERAL ....................................................................................................83

7. CONCLUSÕES .............................................................................................................89

8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .............................................................91

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................92

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Importância relativa de impacto na produtividade. ................................................. 2

Figura 2 - Ilustração dos diferentes tipos de artefatos de concreto. ....................................... 6

Figura 3 - Fluxograma de produção de artefatos de concreto................................................ 7

Figura 4 – Produção em relação ao ano de 2012 da indústria nacional de artefatos de

concreto. ............................................................................................................................... 8

Figura 5 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de

Modelagem por Fusão e depósito (FDM). ............................................................................10


Sinterização Seletiva a Laser (SLS). ....................................................................................11


Estereolitografia (SLA). ........................................................................................................12


Manufatura de Objetos Laminados (LOM). ...........................................................................12

Figura 9 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de Impressão

Tridimensional (3D Print). .....................................................................................................13

Figura 10 - Principais tipos de usinagem, convencionais e não convencionais. Adaptado de

(COSTA, 2006) ....................................................................................................................15

Figura 11 – Ilustração dos tipos de prototipagem subtrativa por Serramento. (a) Circular. (b)

Retilíneo – Serra de fita. .......................................................................................................16

Figura 12 – Exemplos de fresamento cilíndrico tangencial. (a) Fresamento tangencial. (b)

Fresamento tangencial (c) Fresamento tangencial de encaixes "rabo de andorinha”. (d)

Fresamento tangencial de perfil.. .........................................................................................17

Figura 13 - Exemplos de fresamento frontal. (a) Fresamento frontal (caso especial). (b)

Fresamento frontal com fresa de topo. (c) Fresamento composto. (d) Fresamento frontal. ..18

Figura 14 - Comparação entre os tipos de fresamento: tangencial e frontal. ........................18

Figura 15. Cordão contínuo da pasta durante impressão por contour crafting. .....................20

Figura 16 – Ilustração de um bico de impressão contour crafting (a) Bico de Impressão com

placa lateral (b) Bico com 3 eixos de rotação. .....................................................................21

Figura 17 – Uso do Contour Crafting na construção civil. (a) Ilustração de um Canteiro de

obra para impressão Contour Crafting.(b) Ilustração de uma casa em impressão. ...............21

Figura 18 - Impressão de lados interno, externo, e enchimento da parede através de Contour

Crafting. ...............................................................................................................................22

Figura 19 - Construção com robôs através de contour crafting. ............................................22

x

Figura 20 – Detalhe de elemento impresso através da técnica Concrete Printing. ...............23

Figura 21 – Canteiro de impressão e detalhe de elemento produzido através da técnica D-

Shape. ..................................................................................................................................24

Figura 22 - Similaridade entre os processos de prototipagem comumente aplicados na

construção civil. ....................................................................................................................24

Figura 23 - Fluxograma de produção de uma estrutura qualquer utilizando-se de elementos

produzidos através de CF2D. ...............................................................................................29

Figura 24 - Fluxograma do procedimento de corte em uma placa de concreto fresco através

da tecnologia CF2D. .............................................................................................................29

Figura 25 - Ilustração da máquina CF2D. (a) Perspectiva isométrica da máquina CF2D. (b)

Corte de uma placa de concreto. ........................................................................................30

Figura 26 - Possíveis aplicações do CF2D em estruturas paramétricas. (a) Construção em

coceito paramétrico realizada madeira, localizada em Sevilla/ESP. (b) Banco em concreto

composte de placas cortadas após o endurecimento, em Nuevo Leon/MEX. .......................31

Figura 27 - Curva de distribuição granulométrica da areia natural utilizada. .........................37

Figura 28 - Programa experimental ......................................................................................38

Figura 29 - Conjunto de paletas em forma de cruz(vane spindle)de uso no Reômetro

Brookfield modelo DV-III Ultra. .............................................................................................41

Figura 30 - Equipamentos utilizados para mistura e acomodação das amostras no ensaio de

reologia. (a) Misturador planetário de bancada Hobart. (b) Beakeres de 600ml ...................43

Figura 31 - Equipamentos utilizados para ensaio de abatimento e espalhamento. (a) Placa,

Haste, Régua metálica e espátula. (b) Detalhe do tronco de cone .......................................46

Figura 32 - Procedimento de corte para avaliação da distorção. (a)corte da placa com um

aro metálico. (b) retirada do excesso de material para que não haja contenção lateral. (c)

retirada do anel metálico para o recalque e distorção espontâneos do material ...................47

Figura 33 - Materiais utilizados para ensaio de qualidade de corte. (a) Molde em formato de

placa com laterais removíveis e fundo em acrílico. (b)Aro metálico com dimensões

conhecidas ...........................................................................................................................47

Figura 34 - Eixos de análise da distorção das placas cortadas .............................................48

Figura 35 - Nomenclatura adotada para as dimensões da peça cortada. (a) Placa dividida

em quatro partes. (b) Seção lateral de uma das quatro partes com as nomenclaturas de

suas dimensões ...................................................................................................................48

Figura 36 - Régua metálica e ferramenta de corte manual. ..................................................50

Figura 37 - Ponto de saturação do Glenium 51 para o cimento CP-V ARI na presença de

sílica ativa e sílica 325..........................................................................................................52

xi

Figura 38 - Detalhe do procedimento de medição do abatimento e espalhamento em mistura

mais seca. (a) Abatimento. (b) Espalhamento ......................................................................60

Figura 39 – Detalhe do espalhamento da mistura mais fluida...............................................60

Figura 40 – Curvas típicas do limite de escoamento no tempo para misturas com mesmo

%SP e diferentes A/C, linha de valor máximo leitura do equipamento em 8,8 kPa .(a) curvas

para %SP=0,4, abaixo do ponto de saturação. (b) curvas para %SP=0,6, aproximadamente

no ponto de saturação.(c) curvas para )%SP=0,8, acima do ponto de saturação. ................63

Figura 41 - Curvas típicas do limite de escoamento no tempo para misturas com mesmo A/C

e diferentes %SP.(a) curvas para A/C igual a 0,43. (b) cruvas para A/C igual a 0,45.

(c)curvas para A/C igual a 0,46. ...........................................................................................65

Figura 42 - Corte superficial no concreto em beaker de 600ml. ............................................66

Figura 43 - Ensaio qualitatativo de corte. (a)retirada de um fielete de material com a

espátula. (b)suspensão do material ......................................................................................67

Figura 44 - Aspecto característico de um corte qualificado como "corte ruim".(a) corte com

fechamento total. (b)corte com fechamento parcial. .............................................................67

Figura 45 - Aspecto característico do corte qualificado como "corte bom". ...........................68

Figura 46 - Aspecto característico de um corte qualificado como "corte ótimo". (a) Superfície

cortada do material. (b) detalhe de um filete de material levantado com a mão....................68

Figura 47 - Linhas de tendência do limite de escoamento ao longo do tempo. (a) curvas para

A/C igual a 0,43. (b) cruvas para A/C igual a 0,45. (c)curvas para A/C igual a 0,46 .............70

Figura 48 - Representação gráfica do tempo inicial de corte perante a variação de SP(%) e

A/C. ......................................................................................................................................72

Figura 49 - Placas cortadas pelo aro metálico com uma mistura, porém nos tempos

equivalentes a 15, 30 ,45 e 60 minutos. ...............................................................................74

Figura 50 - Peças cortadas em quatro partes para medição da distorção em cada face. .....74

Figura 51 - Placa bidimensional obtidas por corte manual linear ..........................................75

Figura 52 - Variação da altura(espessura) em uma placa de concreto fresco submetida ao

corte linear. 1 – diminuição da espessura. 2 – aumento da espessura .................................78

Figura 53 - Interferência entre cortes perpendiculares. ........................................................78

Figura 54 - Interferência entre cortes paralelos. ...................................................................78

Figura 55 - Acúmulo de material na trilha de corte ...............................................................79

Figura 56 - Perda de formato do corte pela vibração da superfície de apoio. (a) Material

submetido ao corte em seu formato original, antes de sofrer a vibração. (b) Material no início

da vibração da superfície de apoio. (c) material após sofrer vibração e perder o formato

original conferido ..................................................................................................................79

xii

Figura 57 - Problemas em peças de concretos fresco cortadas. 11 - Superfície superior

irregular. 12 – Bolhas no acabamento. 13 – Rugosidade na superfície cortada ...................79

Figura 58 - Corpo de prova com trasndutores elétricos. ......................................................81

Figura 59 - Corpos de provas após o ensaio mecânico. (a) mistura 1.2. (b) mistura 1.3. (c)

mistura 2.2. (d) mistura 2.3 ...................................................................................................81

Figura 60 - Resistência à compressão aos 28 dias ..............................................................82

Figura 61 - Módulo de eslasticidade aos 28 dias ..................................................................82

Figura 62 - Fluxograma do desenvolvimento da CNC Concreto fresco 2D ...........................91

xiii

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Possíveis áreas de estudo para desenvolvimento da fresagem automatizada em

concreto fresco .....................................................................................................................33

Tabela 2 - Areas de estudo realizadas por este trabalho para desenvolvimento da fresagem

automatizada em concreto fresco .........................................................................................34

Tabela 3 - Composição química do cimento CP-V ARI fornecido pelo fabricante ................36

Tabela 4 - Composição química da sílica ativa segundo o fabricante ...................................36

Tabela 5 - Massa específica dos materiais utilizados ...........................................................37

Tabela 6 - Matriz de experimentos modelo ...........................................................................39

Tabela 7 - Especificações das palhetas ...............................................................................44

Tabela 8 - Matriz de experimentos final ................................................................................54

Tabela 9 – Traço utilizado na mistura 1.1. %SP igual a 0,4% e A/C igual a 0,43 ..................55

Tabela 10 - Traço utilizado na mistura 1.2. %SP igual a 0,4% e A/C igual a 0,45.................56








Tabela 18 - Abatimento do tronco de cone com relação à altura inicial. ..............................61

Tabela 19 - Espalhamento máximo do tronco de cone com relação ao diâmetro inicial. ......61

Tabela 20 - Palhetas utilizadas para ensaios no Reômetro ..................................................62

Tabela 21 - Qualificação de corte segundo o limite de escoamento .....................................68

Tabela 22 - Matriz das equações das linhas de tendências para cada dosagem de estudo. 70

Tabela 23 - Matriz com a janela de corte para cada mistura correspondente .......................71

Tabela 24 - Distorção total de amostras submetidas ao corte segundo o seu tempo de

repouso ................................................................................................................................74

xiv

Tabela 25 - Catálogo de defeitos em peças submetidas ao corte em estado fresco. ............80

Tabela 26 - Tensão de ruptura (fc) e Módulo de elasticidade (E) para cada mistura

equivalente, aos 28 dias. ......................................................................................................82

Tabela 27 - Influência do fator água-cimento na reologia do concreto em função do teor de

aditivo superplastificante na mistura. ....................................................................................84

Tabela 28 - Afastamentos admissíveis para dimensões angulares. Adaptado de NBR ISO

2768-1 ..................................................................................................................................85

Tabela 29 - Distorção admissível para peças segundo as classes de acabamento ..............86

Tabela 30 - Classificação TRL do presente trabalho. ...........................................................87

Tabela 31 - Áreas de estudo sugeridas para trabalhos futuros .............................................91

1

1. INTRODUÇÃO

O concreto é, depois da água, o material mais utilizado no planeta. É um material com

excelentes aplicações e possui comportamento plástico, ou seja, permite sua modelagem

em formas e tamanhos variados, tendo aparência similar à das rochas naturais depois de

endurecido. Por isso se trata do principal material de engenharia utilizado pelo homem.

(PEDROSO, 2009).

Desde a antiguidade, misturas contendo água, agregados e compostos aglomerantes

têm sido utilizadas na construção de estruturas que resistem, mesmo após milhares de

anos, a ações intempéricas diversas. A elevada resistência mecânica, aliada a fatores como

custo relativamente baixo, versatilidade de formas e rapidez na construção, garante o uso

do concreto em aplicações diversificadas, como edificações, pontes, viadutos, túneis,

barragens e pavimentos. Estimativas preveem uma produção de cerca de 1,7 bilhões de

toneladas de cimento Portland anualmente no mundo, quantidade suficiente para a

produção de mais de 6 km3 de concreto por ano ou pelo menos 1 m3 de concreto por

habitante. (GARTNER, 2004).

Como umas das suas propriedades mais relevantes, está a adaptação do concreto aos

mais diferentes formatos, que até o presente século vinha sendo feito em grande parte

através de fôrmas. Entretanto, tecnologias de automação e robótica cresceram nos últimos

anos, ocorrendo então avanços no campo da automatização das construções em concreto,

tais como: mecanismos de extrusão de pasta para contornos de alvenarias, impressão 3D

de protótipos ou elementos, pulverizadores de argamassa para execução de chapisco, etc.

Isto em decorrência dessa adaptabilidade do material, que juntamente com o avanço

tecnológico podem contribuir significativamente para este novo mundo da construção

digitalizada.

Wangler et al. (2016) afirma que dentre as inúmeras vantagens da construção digital em

concreto estão: a liberdade de formatos, a eficiência no uso de matéria prima, maior

velocidade de construção, redução de custos com fôrmas e ganhos em segurança dos

trabalhadores.

Dentre estas vantagens destaca-se a liberdade de formatos, que pode representar uma

resposta para demandas cada vez mais crescentes por estruturas que não podem ser

construídas pelos métodos atuais. (BUSWELL et al.(2007).

2

Já a eficiência no uso de matéria prima propicia ganhos do ponto de vista ambiental,

dado que o concreto digital se notabiliza por um uso racional do material, onde o seu

posicionamento se dá somente em pontos onde é necessário, minimizando desperdícios.

Quanto ao ganho tecnológico dado ao setor de construção civil a partir de métodos

construtivos mais velozes e eficientes, Ferreira e Zancul (2014) afirmam ser este umas das

três mais importantes alavancas de produtividade em cima das quais o setor da construção

civil tinha se esforçado nos dois anos anteriores a 2015.

A Figura 1 apresenta de forma gráfica os dados referentes ao estudo de Ferreira. A

baixa qualificação da mão de obra e métodos construtivos ineficientes figuram entre as

quatro características mais relevantes e impactantes na produtividade do setor, estando a

má qualidade da mão de obra em primeiro lugar, o que pode ser mitigado com tecnologia.

Figura 1 - Importância relativa de impacto na produtividade. Adaptado de (FERREIRA; ZANCUL, 2014)

Temos a construção digitalizada como uma alternativa que permeia tanto o

desenvolvimento de novas técnicas construtivas quanto à redução da necessidade de mão

de obra artesanal, dada a automatização do processo construtivo por meio de execução

direta ou por montagem de elementos pré-fabricados. Salienta-se que, no caso da aplicação

aos pré-fabricados, a possibilidade de remanejamento da mão de obra antes de moldagem

para a montagem desses elementos em canteiro pode ser um efeito compensador para

manutenção da oferta de emprego e papel social da construção civil. Assim, pode-se pensar

em uma construção por montagem, de forma a garantir produtividade, à semelhança de

outras indústrias.

Outras indústrias como, por exemplo, a automobilística, naval e aeronáutica, apresentam

graus de complexidade tal qual a construção civil, dada a variedade de componentes e

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

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3

elementos que caracterizam um projeto de engenharia. Porém, olhando para o método

executivo, vemos que a produção seriada de peças e replicação destes nos produtos tornam

as demais indústrias diferentes da construção civil, assumindo aquelas uma característica

predominantemente de montagem frente à característica de moldagem que a construção

civil possui.

O método executivo através da moldagem manual em canteiro de obras pode influenciar

significativamente no desempenho do setor, especificamente na sua produtividade e

eficiência no uso dos materiais. A mão de obra passa então a ter impacto significativo na

qualidade, aparência, uniformidade, tempo de construção, etc.

Nota-se, por exemplo, que estruturas pré-fabricadas, oriundas da industrialização da

construção civil, levam menor tempo de execução que aquelas moldadas no local, pois o

elemento de construção em si é pré-elaborado, restando para a etapa de obra somente o

seu posicionamento no todo. A facilidade de montagem faz com sistemas pré-fabricados se

apresentem mais produtivos, seguros e de melhor qualidade. (SERRA; FERREIRA;

PIGOZZO, 2005).

Outro fator de relevante impacto na produtividade é o grande número de tomadas de

decisões no canteiro de obras, que faz com que não haja uma uniformidade de prazos e

muitas vezes de custos em obras de mesma natureza, muitas vezes influenciado pela má

qualidade dos projetos.

Então se torna necessário o desenvolvimento de métodos que:

Minimizem o trabalho de moldagem e impulsione a característica de montagem;

Estimulem o desenvolvimento da etapa de projeto, em face de sua influência

sobre a produtividade. (PAIVA, 1989);

Automatize o máximo possível os processos, criando rotinas que minimizem

erros e sistematize as etapas construtivas. O progresso tecnológico tem sido

apontado como causa de incremento de produtividade a todos os fatores de

produção. (CBCI; FGV, 2009).

Este trabalho apresenta uma ferramenta tecnológica que parte do pressuposto do

cumprimento destas condições, levando em consideração a argumentação apresentada até

aqui para contribuir em nova tendência na construção civil, fazendo-a assumir cada vez

mais a sua característica de indústria propriamente dita, tomando-se partido dos benefícios

da pré-fabricação, montagem, redução de desperdícios, assim como demais benefícios

citados, e contribuindo finalmente para o desenvolvimento do setor.

4

2. REVISÃO DA LITERATURA

2.1. Elementos pré-fabricados de concreto

Elementos pré-fabricados são aqueles que se caracterizam por serem moldados fora do

local da obra, ou seja, que não são moldados in loco, e que dispõem de sua fabricação em

ambiente industrial, dotado de controle de qualidade e pessoal qualificado para execução

das tarefas necessárias à sua produção. Muitas vezes relacionados aos elementos pré-

moldados, os elementos pré-fabricados são entendidos pelo mercado como aqueles

oriundos de fornecedores especializados, enquanto os pré-moldados aqueles moldados fora

do local de sua aplicação final, ainda que dentro do canteiro. (LOTURCO, 2005).

A NBR 9062: 2006 define pré-fabricados de concreto como elementos "produzidos fora

do local definitivo da estrutura, em usina ou instalações análogas que disponham de pessoal

e instalações laboratoriais permanentes para o controle da qualidade". A norma define ainda

os pré-moldados, como aqueles elementos "produzidos em condições menos rigorosas de

controle da qualidade, sem a necessidade de pessoa, laboratório e instalações congêneres

próprias".

O CNAE (Código de Atividades Empresarias) considera que porque os pré-moldados ou

pré-fabricados de concreto são, em geral, peças de médio e grande porte que assumem

função estrutural na construção, como arquibancadas, lajes alveolares e cortinas de

contenção. (IBGE, 2018).

De modo similar, dentre os elementos concreto com pré-fabricação, podemos destacar

aqueles que apesar de não possuírem função estrutural, conferem funcionalidade e

acabamentos às obras: os artefatos de concreto.

Os artefatos de cimento e concreto

Apesar de não existir uma definição precisa para artefatos de cimento e concreto na

indústria da Construção Civil, o termo é comumente utilizado em referência a produtos

decorativos ou peças pré-fabricadas para acabamento de obras. (BONAFÉ, 2016).

Os termos “artefatos de cimento” e “artefatos de concreto” são muito comuns na

indústria da construção civil e definem, de forma geral, peças de diferentes tamanhos,

constituídas respectivamente de argamassa (cimento, areia e água) ou de concreto

(cimento, areia, brita e água), podendo receber a adição de diferentes materiais, fibras,

aditivos, pigmentos, bem como de armaduras, no caso do concreto armado.

(TETRACONIND, 2015).

5

Os artefatos de concreto são importantes em virtude de sua adaptabilidade, sendo que a

matéria-prima pode ganhar diferentes formas e volumes, conforme a definição de cada obra.

(SEBRAE, 2016).

Tipos de artefatos de concreto

Os tipos de artefatos variam segundo cada aplicação, englobando os mais diversos

produtos: blocos, telhas, objetos decorativos, ladrilhos, molduras, peças de mobiliário

urbano, entre outros.

Alguns visam conferir adorno ou e acabamento às obras, sendo utilizados em

paisagismo, jardinagem e edificações multifuncionais, unifamiliares e multifamiliares. Dentro

dessa concepção, encontram-se molduras, pináculos, ladrilhos, capitéis, bancos, chafarizes,

chaminés, balaústres, entre outros. (BONAFÉ, 2016).

Estes artefatos também podem ser utilizados em obras de portes maiores, como por

exemplo, nas vedações verticais e horizontais, bem como nas infraestruturas prediais e

urbanas. Nesse campo de aplicação, destacam-se os blocos para alvenaria, pisos

intertravados, aduelas, canaletas, caixas de passagem elétrica ou hidráulica, escadas,

fossas sépticas, mourões, parapeitos, postes, entre outros. (BONAFÉ, 2016).

Os tipos, formatos e variações destes materiais podem ser inúmeros, de acordo com a

aplicação desejada. Seu uso pode se dar em diversas áreas da engenharia, tais como:

Pavimentação, Redes de esgoto, Redes de águas pluviais, Edificações, Mobiliário urbano,

etc. Este trabalho irá abordar de forma sucinta os tipos de artefatos para estes usos

enumerados, para contextualização.

A Figura 2 apresenta um quadro ilustrativo com os tipos mais comuns de artefatos de

concreto utilizados no mercado, bem como uma breve descrição da aplicação de cada um.

As imagens estão referenciadas por letras, e cada uma das descrições é apresentada no

quadro na parte inferior da Figura.

6

(a)

(b) (c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(a) Aduelas – Peças de encaixe utilizadas em galerias de água ou esgoto;

(b) Anéis – Utilizados em redes de esgoto e águas pluviais;

(c) Tubos simples ou armados – Utilizados em redes de esgoto e águas pluviais;

(d) Canaletas – Utilizadas para escoamento de águas pluviais a “céu aberto”;

(e) Blocos – Elementos constituintes de alvenarias de vedação;

(f) Caixas – Partes constituintes de sistemas de esgoto / águas pluviais;

(g) Canaletas com grelha – Utilizadas para drenagem e escoamento de águas pluviais;

(h) Pisos intertravados – Uso em pavimentação com diferentes formatos e resistências;

(i) Elementos vazados – Uso em paredes e divisórias com passagem de luminosidade;

(j) Guias – Popularmente chamado de “meio-fio”. Utilizado em pavimentação;

(k) Mourões – São peças utilizadas em cercamentos;

(l) Outros

Figura 2 - Ilustração dos diferentes tipos de artefatos de concreto. Adaptado de (FKCOMERCIO, 2018)

7

Processos de fabricação de artefatos de concreto

A produção de artefatos de concreto é algo que requer um ambiente controlado e

organizado. Por este motivo, deve-se sempre dar preferência à produção industrial das

peças em unidade fora do canteiro de obras, garantindo sua qualidade e um rigoroso

controle tecnológico.

A fabricação das peças se dá em diversas etapas: projeto; controle de matérias-primas;

preparo do material, seja ele argamassa ou concreto; transporte até as fôrmas;

concretagem; adensamento; cura; desforma; controle de qualidade; estoque e transporte.

A Figura 3 apresenta um fluxograma do processo produtivo generalizado para

fabricação de artefatos, com cada uma destas etapas.

A concepção do artefato é realizada na etapa de projeto, de acordo com a aplicação a

que se destina.

Em chão de fábrica, as principais matérias primas são submetidas a controle para

armazenamento em condições ideais, assim como gerenciamento de estoque. Os materiais

são então preparados e separados segundo a dosagem estabelecida em projeto, e então

encaminhados a uma área de mistura (concretagem).

A mistura é realizada através de processos adequados, o concreto é lançado e

adensado nas fôrmas para então ser encaminhado a uma área onde ficará em repouso para

a realização da cura. Todo esse processo é submetido a um controle de qualidade para que

sejam garantidos: a resistência mecânica, a durabilidade, a precisão dimensional e demais

requisitos de acordo com a aplicação a que se destina o artefato.

Após a cura do material, a peça é retirada da fôrma já em seu formato final e enviada à

área de estoque para aguardar o seu destino final em obra mediante o seu transporte.

Figura 3 - Fluxograma de produção de artefatos de concreto

8

As fôrmas utilizadas para a produção de artefatos são usualmente em madeira, aço,

polímeros, podendo assumir diferentes formas, de acordo com a concepção da peça em

concreto e cimento. Estas representam um relevante papel no processo produtivo, assim

como na qualidade da peça fabricada.

Deve-se realizar um projeto específico para fôrma no caso de não haver um modelo

pronto para o artefato desejado, de forma a garantir uma fácil desmoldagem e por sua vez, a

integridade da peça. (TETRACONIND, 2015).

Produção e mercado de artefatos de concreto

Estima-se um aumento do uso de artefatos de cimento e concreto na indústria da

construção civil, em decorrência da necessidade cada vez mais crescente de se aumentar a

eficiência, melhorar o controle de qualidade e se utilizar de conceitos mais sustentáveis nas

obras. A partir destas necessidades, associando-se a recentes pesquisas relacionadas a

aos artefatos e ao desenvolvimento de novos tipos de concreto, se contribuirá para sua

expansão no mercado. (TETRACONIND, 2015).

A crise econômica dos últimos anos e a consequente queda generalizada na indústria da

construção civil ocasionou uma queda na produção nacional destes produtos, atingindo no

ano de 2016 o seu menor nível deste o ano de 2010. A Figura 4 apresenta a produção física

de artefatos de concreto no Brasil no período compreendido entre 2010 e 2016. Os valores

são apresentados como o percentual em relação à quantidade produzida no ano de 2012.

Mostra-se que em Janeiro de 2016, foi o produzido o equivalente a 64,2% do produzido em

2012.

Figura 4 – Produção em relação ao ano de 2012 da indústria nacional de artefatos de concreto. Adaptado de

SEBRAE, 2017.

9

Por outro lado, espera-se uma retomada da produção nos próximos, juntamente com o

ritmo do reaquecimento da economia nacional, que desempenhará um papel chave nesta

reversão de tendência esperada, representando então uma atual demanda reprimida que

tenderá a crescer nos próximos anos. (SEBRAE, 2017).

2.2. Tecnologias de prototipagem rápida aplicáveis a materiais diversos.

Tecnologias de prototipagem rápida (PR) são técnicas de produção utilizadas na

fabricação de modelos, protótipos e produtos, mediante processos de mecanizados e

automatizados. Sendo um processo operados por CNC – Comando Numérico por

Computador, se pode conferir um formato final a estas peças segundo um modelo

previamente estabelecido, com precisão e qualidade dimensionais superiores a processos

manuais.

Segundo Volpato (2007), embora a prototipagem rápida apresente os seus primeiros

registros desde a década de 70, sua popularização se deu de forma recente devido ao

barateamento da tecnologia, tanto dos equipamentos quanto dos insumos, já que as

primeiras patentes passaram a ser de domínio público. Isto tem favorecido a criação de

máquinas e tecnologias genéricas com preços mais acessíveis, atraindo atenções de

empresas, inclusive as pequenas e médias.

As técnicas de PR podem ser executadas por meio de sobreposição sucessiva de

camadas (aditiva), como a impressão 3D, ou por meio da remoção de materiais a partir de

um bloco (subtrativa), como a usinagem, por exemplo. (NISHIMURA et al., 2016).

A principal vantagem do uso das tecnologias aditivas está na facilidade com que a

máquina constrói os mais elaborados tipos de geometrias, inclusive com detalhes em

espaços internos, dispensando o uso de moldes e outras ferramentas de fabricação. Já a

vantagem da prototipagem rápida subtrativa, está no fato de que a produção de peças

através das tecnologias subtrativas costuma ser mais barata do que nas aditivas, por conta

de um menor custo dos insumos e de hora/máquina. Outra vantagem da PR subtrativa é

permitir o uso de uma vasta gama de materiais, como madeira, MDF, plástico e alumínio.

(NISHIMURA et al., 2016).

2.2.1. Prototipagem Rápida Aditiva

De acordo com Raulino (2011) a Prototipagem Rápida Aditiva é um processo de

fabricação baseado na adição de material em camadas planas. Segundo Nishimura et

al.(2016), neste tipo de tecnologia, a máquina decodifica o arquivo em 3D, fatia esse arquivo

em camadas, e produz a peça através da sobreposição sucessiva das camadas de material.

10

Dentre os principais tipos de prototipagem rápida subtrativa destacam-se: Modelagem

por fusão e depósito; Sintetização Seletiva a Laser; Estereolitografia; Manufatura de objetos

laminados; Jato aglutinante.

Modelagem por fusão e depósito (FDM)

Esta técnica é baseada na extrusão de termoplásticos para formação, camada a

camada, do objeto a ser construído.

A Figura 5 apresenta a ilustração do processo. Um cabeçote se movimenta nos eixos x e

y, enquanto uma plataforma se movimenta verticalmente. O injetor de material aquece e

puxa o filamento plástico que fica enrolado em uma bobina. O material passa através de

bicos extrusores situados no cabeçote e é depositado na plataforma de poliuretano ou

policarbonato. Assim que uma camada fica pronta, a plataforma se descoloca para baixo

num valor equivalente a espessura da nova camada para que uma próxima camada seja

adicionada. (PORTO, 2016)

Figura 5 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de Modelagem por Fusão e

depósito (FDM). Adaptado de (VOLPATO, 2007)

Sinterização Seletiva a Laser (SLS)

É um processo que constrói objetos tridimensionais pela superposição de camada

homogênea de polímeros em pó. As camadas são ligadas quimicamente entre si, pela ação

do calor gerado por um equipamento de emissão de laser. (GRIMM, 2005)

11

A Figura 6 apresenta a ilustração do processo. Uma câmara contendo o polímero em pó

recebe a incidência de um laser de alta potência, que atua fazendo o material entrar em

fusão nos pontos de acordo com a seção horizontal da peça a ser formada. Forma-se a

camada e então a plataforma central desce para a passagem de um rolo sobre a superfície

recém-criada, cobrindo-a com mais uma camada do pó. O laser atua novamente em

procedimento análogo, repetindo este processo até que o objeto esteja formado. (PORTO,

2016)

Figura 6 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de Sinterização Seletiva a Laser

(SLS). FONTE: (ICHI, 2010)

Estereolitografia (SLA)

Similarmente à Sinterização Seletiva, a Estereolitografia consiste no endurecimento de

camadas através de laser, porém o objeto é formado pelo endurecimento de camadas de

resina ao invés de polímeros em pó. A tecnologia baseia-se no uso de um feixe de laser

ultravioleta para polimerização de uma resina acrílica, epóxi ou vinil, composta de

monômeros, fotoiniciadores e aditivos que a fazem fotossensível. (BADOTTI, 2003).

A Figura 7 apresenta a ilustração do processo. Uma cuba é preenchida com resina e em

seu interior há uma plataforma capaz de se movimentar verticalmente. De acordo com os

comandos do controle numérico, o laser é projetado na superfície do líquido, que se

solidifica no local em que o laser foi projetado. Com a formação da camada, a plataforma

movimenta-se para baixo, imergindo o material recém-solidificado na resina e permitindo a

criação de uma nova camada. Ao fim da impressão é necessária a remoção do excesso de

líquido das peças e em seguida completar o processo de cura em um forno. (PORTO,

2016).

12

Figura 7 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva por Estereolitografia (SLA).FONTE: (ICHI,

2010)

Manufatura de objetos laminados (LOM)

O procedimento consiste em colar diversas camadas sucessivas de papel, cortando-as

com um laser no contorno exato da peça a ser elaborada. (JUNIOR et al., 2007)

A Figura 8 apresenta a ilustração do processo. Um papel impregnado de cola

termoplástica é desenrolado sobre um suporte e prensado por um rolo aquecido, de maneira

a provocar a sua união com a camada inferior. Um feixe de laser é emitido de forma

coordenada por um conjunto composto de espelhos e uma cabeça ótica, cortando o

contorno da camada equivalente da peça. Este mecanismo se repete camada a camada e

em seguida é retirado o material de suporte, formando a peça final. (GRIMM, 2005).

Figura 8 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de Manufatura de Objetos

Laminados (LOM). FONTE: (ICHI, 2010)

13

Jato Aglutinante (Binder Jetting)

Semelhantemente ao conceito de impressão a jato de tinta dos computadores, um

cabeçote expele um agente aglutinante composto de uma solução aquosa e cola, ao invés

de tinta.

A Figura 9 apresenta a ilustração do processo. Um reservatório é preenchido com pó

cerâmico ou polimérico. Um cabeçote se movimenta ao logo das coordenadas X e Y

depositando o material aglutinante na superfície superior do volume de pó contido no interior

do reservatório, de maneira a aglutinar as partículas de pó exatamente no formato desejado

da primeira seção horizontal (camada) da peça a ser prototipada. Uma plataforma na parte

inferior do reservatório se movimenta para baixo em distância igual ao tamanho da camada

do objeto. Outra plataforma, localizada em um reservatório lateral realiza um movimento

para cima, empurrando uma quantidade de pó que é espalhada por um rolo formando uma

nova camada, que por sua vez recebe novo movimento coordenado do cabeçote aglutinante

para formação de mais uma seção do protótipo. Este ciclo é repetido até que todas as

camadas do protótipo sejam aglutinadas. (GRIMM, 2005).

Figura 9 – Esquema de funcionamento da prototipagem rápida aditiva através de Impressão Tridimensional (3D

Print). FONTE: (JUNIOR et al., 2007)

14

2.2.2. Prototipagem Rápida Subtrativa

Neste tipo de tecnologia, o modelo final é obtido através de usinagem, ou seja, remoção

de material a partir de um bloco. A prototipagem rápida subtrativa é muitas vezes também

referida genericamente como fabricação digital (CELANI; PUPO, 2002).

A base da tecnologia é a mesma para todos os casos, que é o desbaste de um bloco de

material até a obtenção da forma final desejada. Utilizam-se normalmente os três eixos

comuns de usinagem, ou seja, XYZ. Em alguns casos, adiciona-se um quarto eixo de giro

do protótipo, conforme mencionado por Junior et al. (2007). Segundo Curtis (2006), as

propriedades mecânicas dos protótipos ficam por conta do material utilizado, que no

presente caso pode ser uma grande variedade, tais como: madeira, MDF, plástico e

alumínio.

O termo “usinagem” é tradicionalmente conhecido como o processo de desbaste

mecânico que visa dar forma a uma peça qualquer. Pode se valer de variadas técnicas para tal,

que partem basicamente desse mesmo conceito geral. Dentre estas técnicas, estão

incluídos não somente procedimentos empregados de forma automatizada visando a

realização da prototipagem rápida, como também aqueles parcialmente mecanizados ou até

mesmo os procedimentos manuais. Entende-se neste estudo que prototipagem rápida

subtrativa corresponde, por definição, a procedimentos de usinagem que são

automatizados.

Costa (2006) divide os processos de usinagem nas categorias convencional, que são

aquelas mais utilizadas, e a não convencional, que são aquelas alternativas, com menor uso

pela indústria. A Figura 10 apresenta um quadro resumo com os principais tipos de

usinagem apresentados pelo autor.

15

Figura 10 - Principais tipos de usinagem, convencionais e não convencionais. Adaptado de (COSTA, 2006)

São diversos os tipos de usinagem apresentados, porém, dentre eles se destacam o

Serramento (ou Corte) e a Fresagem. Estas técnicas possibilitariam a prototipagem rápida

subtrativa (usinagem automatizada) de placas bidimensionais, dada a sua possibilidade de

utilização de uma ferramenta movimentada em dois eixos, XY, além da variação relativa de

altura entre a base e a ferramenta, operadas por CNC – Comando Numérico por

Computador. Diante de tal constatação, este estudo adota adiante um enfoque especial a

estas duas técnicas citadas, dada a sua maior relação ao tema principal do trabalho.

Serramento (Corte)

O serramento consiste em seccionar uma peça ou volume inicial, retirando-se material

com auxílio de uma ferramenta dentada. Utilizado como principal processo na indústria da

madeira, sua utilização pode se dar por mecanismos automatizados, através de um sistema

que controla o avanço da madeira e o desvio da lâmina. (SANTINI, 2000).

O serramento pode ser dividido em duas categorias: circular ou retilíneo. O Serramento

circular é o processo no qual a ferramenta gira ao redor do seu próprio eixo, e a peça ou a

16

ferramenta se desloca. O serramento retilíneo é o processo no qual a ferramenta se desloca

segundo uma trajetória retilínea, com movimento alternativo ou não. (COSTA, 2006).

As serras utilizadas podem ser do tipo circular, para serramento circular, ou de fita, para

serramento retilíneo. Segundo Santini (2000), as serras de fita possuem as vantagens de

trabalhar em alta velocidade, alto rendimento, baixo desperdício de material, fácil manuseio

e, no caso das lâminas estreitas, possibilidade de cortar curvas e formas irregulares

complexas ou até mesmo impossíveis de serem feitas com outras ferramentas.

A Figura 11 apresenta a ilustração dos principais tipos de serramento.

(a)

(b)

Figura 11 – Ilustração dos tipos de prototipagem subtrativa por Serramento. (a) Circular. (b) Retilíneo – Serra de

fita. FONTE: (COSTA, 2006)

Fresamento (ou Fresagem)

O fresamento, ou fresagem, é o processo mecânico de usinagem destinado à obtenção

de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas geralmente multicortantes e rotativas.

Para tanto, a ferramenta gira enquanto a peça ou a ferramenta se desloca segundo uma

trajetória qualquer. Divide-se basicamente em dois tipos: cilíndrico tangencial ou frontal.

(COSTA, 2006)

O fresamento cilíndrico tangencial é o processo pelo qual a superfície resultante da

abrasão é paralela ao eixo de rotação da ferramenta. A Figura 12 ilustra alguns exemplos

deste tipo de fresamento.

17

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 12 – Exemplos de fresamento cilíndrico tangencial. (a) Fresamento tangencial. (b) Fresamento tangencial

(c) Fresamento tangencial de encaixes "rabo de andorinha”. (d) Fresamento tangencial de perfil. Adaptado de

(COSTA, 2006).

O fresamento frontal é o processo pelo qual a superfície resultante da abrasão é

perpendicular ao eixo de rotação da ferramenta. A Figura 13 ilustra alguns exemplos deste

tipo de fresamento.

A Figura 14 faz ainda um comparativo entre os tipos de fresamento. Note-se a mudança

entre um tipo e outro está principalmente na posição da superfície que sofre a abrasão,

relativamente ao eixo de rotação da ferramenta.

18

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 13 - Exemplos de fresamento frontal. (a) Fresamento frontal (caso especial). (b) Fresamento frontal com

fresa de topo. (c) Fresamento composto. (d) Fresamento frontal. Adaptado de (COSTA, 2006).

Figura 14 - Comparação entre os tipos de fresamento: tangencial e frontal.

2.3. A construção automatizada em concreto: concreto digital

A construção digitalizada, entendida como uma aplicação das ferramentas de

modelagem digital e tecnologias de produção de objetos com materiais modificados têm sido

tratadas recentemente como a “Terceira revolução industrial”. (WANGLER et al., 2016)

Objeto de estudos e aplicações atualmente, processos como a impressão 3D em

concreto podem representar uma revolução na construção civil quando, por meio de um

processo extremamente automatizado e eficiente, reduzir o grau de dependência da mão de

obra artesanal, conferindo então aos seus produtos uma maior uniformidade, qualidade,

desempenho e produtividade, em pleno acordo com padrões, requisitos e modelos pré-

estabelecidos, além de contribuir de forma significativa para um ambiente construtivo mais

seguro e com menores índices de acidentes. (WANGLER et al., 2016).

19

Segundo Gosselin et al. (2016) a prototipagem digital em material cimentício, ou

concreto digital, trata-se de um trabalho interdisciplinar, que envolve diversas áreas do

conhecimento, como por exemplo: Ciência dos materiais, computação, robótica, arquitetura

e design.

A literatura tem apontado com forte tendência para aplicação da impressão 3D em

habitações tradicionais em concreto, bem como para futuras construções de edificações em

outros planetas, dado a sua possível integração com outros mecanismos de automatização,

tendo-se então um processo construtivo totalmente ou majoritariamente automatizado,

fazendo com que seja viável a construção sem mão-de-obra humana. (CESARETTI et al.,

2014).

2.3.1. Tecnologias de prototipagem aplicadas na construção civil

A prototipagem aditiva tem se tornado uma forte ferramenta de produção, principalmente

em casos onde há grande necessidade de personalização de formatos, como é o caso da

construção civil, onde cada elemento da edificação é único em dimensão. Isto se deve ao

fato de que há grande redução do tempo de produção, uso de material e eliminação da

necessidade de suportes temporários ou fôrmas, conferindo a liberdade arquitetônica para

explorar formas diferentes, tornando cada parte única. (LIM et al., 2012).

A construção civil tem tido resultados no desenvolvimento de técnicas de prototipagem

rápida, tendo surgido vários grupos de pesquisa ultimamente, sobretudo baseados em

estudos sobre impressão 3D, os quais têm desenvolvido aplicações em escala real.

(WOLFS, R, 2015).

A construção de habitações se mostra uma possível área beneficiada da aplicação da

impressão 3D em concreto. Em uma habitação o nível de personalização dos seus

componentes é relativamente alto, dado à característica única que cada edifício possui. A

impressão torna-se então adequado a habitações à medida que permite a personalização

dos componentes fabricados, restringindo-se a mudança ao modelo feito no computador,

sem prejuízo do método executivo. Espera-se assim, conferir melhorias no custo, eficiência,

e velocidade de construção. (GARTNER, 2004).

Alguns métodos foram então aplicados na última década. Segundo Quan et al. (2015) os

principais métodos de impressão para a indústria da construção na década passada foram

as tecnologias Countor Crafting, Concrete Printing e D-Shape.

20

Countor Crafting (CC)

Este processo consiste na “construção por contorno” através de um bico extrusor. Trata-

se de um bico de impressão ou braço robótico, montado em uma espécie de ponte

mecânica, que imprime um cordão contínuo de argamassa (Figura 15) ao longo de uma

base de apoio ou da camada anterior, imprimindo então todo o contorno de edificações e

compartimentos habitáveis. (KHOSHNEVIS, 2004).

Figura 15. Cordão contínuo da pasta durante impressão por contour crafting. FONTE: (CONTOUR CRAFTING,

2018)

Segundo Khoshnevis (2004), o CC destaca-se pelo bom acabamento e pela rapidez de

execução, indicado principalmente para construções em larga escala. A construção é

executada camada a camada e permite formatos exóticos. Como aspecto negativo,

Gosselin et al.(2016) afirmam que a pressão hidrostática e baixa resistência mecânica do

concreto extrudado, além de ocorrências de interrupções da sequência de lançamento de

concreto fazem com que se criem pontos de fraqueza entre as camadas.

A Figura 16 (a) apresenta detalhes do bico de impressão. O bocal de extrusão tem uma

espátula na parte superior e outra ao lado visando aplanar a rugosidade da superfície.

Conforme o material é extrudido, a espátula lateral faz com que se tenha um acabamento

aproximadamente liso na parte externa do cordão de argamassa, que assume uma forma

com seção transversal aproximadamente retangular. A possibilidade de um bico com seis

eixos (Figura 16 (b)) confere mais liberdade para a impressão, permitindo formas que o

tradicional eixo XYZ não permite.

21

(a)

(b)

Figura 16 – Ilustração de um bico de impressão contour crafting (a) Bico de Impressão com placa lateral (b) Bico

com 3 eixos de rotação. Adaptado de (KHOSHNEVIS, 2004)

Segundo Khoshnevis (2004), existem possíveis evoluções para esta tecnologia. As

countor crafting conseguiriam imprimir de maneira in situ toda a elevação da edificação,

conforme exibido pela Figura 17. A elevação das paredes pode se dar através da execução

do contorno e de um preenchimento interno semelhante a uma seção treliçada (Figura 18).

A evolução deste projeto aponta ainda para pequenos braços robóticos que possuem mais

mobilidade e podem ser transportados facilmente, além de trabalharem em conjunto em

uma determinada obra (Figura 19).

(a)

(b)

Figura 17 – Uso do Contour Crafting na construção civil. (a) Ilustração de um Canteiro de obra para impressão

Contour Crafting.(b) Ilustração de uma casa em impressão. FONTE: (CONTOUR CRAFTING, 2018)

22

Figura 18 - Impressão de lados interno, externo, e enchimento da parede através de Contour Crafting. FONTE:

(CONTOUR CRAFTING, 2018)

Figura 19 - Construção com robôs através de contour crafting. FONTE (KHOSHNEVIS, 2004)

Concrete Printing

Desenvolvida por uma equipe de pesquisa na Loughborough University, a tecnologia

chamada de Concrete Printing trata-se de um processo de construção com base em

extrusão de argamassa de cimento, semelhantemente à contour crafting. No entanto, em

comparação com CC, a tecnologia tem uma resolução menor de deposição (4-6 mm de

profundidade em termos de camada) para alcançar uma maior liberdade tridimensional, tal

como permite um maior controle de geometrias internas e externas (Figura 20). (LIM et al.,

2012).

23

Figura 20 – Detalhe de elemento impresso através da técnica Concrete Printing. FONTE:(LIM et al., 2012)

D-Shape

Trata-se de uma técnica em que é lançada uma camada 2D de material pulverulento e

em seguida é jateado um líquido aglomerante no formato desejado. Em seguida deposita-se

mais uma camada de pó e é jateada mais uma camada do líquido aglomerante. Este

processo é repetido camada a camada, e ao final do processo, retira-se o excesso e pó no

contorno do objeto com simples agitação ou até mesmo através de aspiração. Sendo

totalmente automatizado, faz com que, ao final do mesmo, haja um artefato na forma

desejada inicialmente.

O líquido aglomerante varia de acordo com o material que se deseja trabalhar, onde no

caso do concreto, a camada de pó pode ser constituída de cimento e o líquido água. Uma

vez concluída, a peça é escavada para fora da camada de pó solto. A areia não endurecida

atua como um suporte temporário para as camadas acima, o que permite formas (Figura 21)

que não podem ser criados por uma camada de material único de extrusão. (LIM et al.,

2012).

No entanto, apresenta-se problemático quanto ao uso de reforço de fibras ou outros

elementos em seu interior. Apesar de ser uma técnica que sugere o reaproveitamento do

material em pó não utilizado, isto se apresenta problemático devido à exposição do pó com

a umidade. (WANGLER et al., 2016).

24

Figura 21 – Canteiro de impressão e detalhe de elemento produzido através da técnica D-Shape. FONTE:

(CESARETTI et al., 2014)

2.3.1. Similaridades entre as tecnologias aplicadas na construção civil

As tecnologias CC, Concrete Printing e D-Shape foram os principais métodos de

impressão para a indústria da construção na década passada. Estes processos de

impressão serviram como referência para o surgimento de novas tecnologias e para as

recentes experiências na impressão de edifícios. (PORTO, 2016).

Os três processos possuem semelhanças que são abordadas por diversos autores. No

entanto, de forma sintética pode-se apresentar as similaridades dessas três tecnologias de

prototipagem rápida mais aplicadas na construção civil. (LIM et al., 2012).

A Figura 22 exibe uma ilustração das similaridades entre estes processos.

Figura 22 - Similaridade entre os processos de prototipagem comumente aplicados na construção civil. Adaptado

de (LIM et al., 2012)

25

2.4. Conclusão da revisão da literatura

Uma das vertentes atuais de debates no setor da construção civil trata do uso de

tecnologias, entre elas a automação, para a melhora da produtividade e redução dos

desperdícios no setor, sejam eles de material, mão de obra ou demais recursos.

A automação figura entre as principais tecnologias que são apontadas atualmente como

responsáveis por este incremento esperado na produtividade do setor, com impactos

positivos em quesitos como: qualificação da mão de obra, redução de retrabalhos e

segurança do trabalho. (SEBRAE, 2017)

Os estudos recentes a respeito da construção digital ainda se apresentam em suas

fases iniciais, já que tais tecnologias não são empregadas em larga escala no mercado da

construção civil no cenário atual, com aquisições e implantações ainda se restringido a

algumas das grandes construtoras. (SANTOS, 2017).

Qualquer tecnologia que possa ser aplicada em escala produtiva deve passar por uma

análise a respeito de suas vantagens e desvantagens, sejam elas econômicas,

operacionais, funcionais ou até mesmo do ponto de vista ecológico. Neste contexto, possuir

uma variedade de opções é algo desejável e extremamente vantajoso, face à possibilidade

de complementação entre diferentes tecnologias. Entretanto, observa-se ainda na

construção civil certa carência de variedade tecnológica, ou seja, de opções que possam

servir de alternativas de acordo com a aplicação esperada e garantir maior eficácia do

sistema perante os resultados previstos.

Sob outro ponto de vista, a variedade tecnológica estimula a competição de mercado,

contribuindo diretamente para o aumento da produtividade e diminuição de desperdícios nos

setores industriais que fazem o seu uso. Segundo Santos (2017) casos de sucesso no

agronegócio, que por causa da concorrência imposta por outros países, precisou se unir em

torno da tecnologia e da inovação, inspiram a construção civil a buscar o desenvolvimento

tecnológico e a investir nas chamadas “máquinas inteligentes”.

No atual cenário onde se apresentam algumas inovadoras técnicas para automatização

dos sistemas construtivos, boa parte se caracteriza pelo conceito de prototipagem aditiva,

através da qual o protótipo é obtido a partir da adição de material. As principais técnicas que

começam a surgir no campo da pesquisa, e que foram apresentadas na revisão da

bibliografia partem desse conceito. Neste sentido pode ser observada uma lacuna, ou seja,

a ausência de estudos ou desenvolvimentos no campo das técnicas de prototipagem rápida

subtrativa em concreto.

Para que esta lacuna possa ser preenchida e para que seja complementada a estrutura

de conhecimento existente neste ramo, tornam-se necessárias proposições de novas ideias,

fazendo com que haja mais opções e contribuindo para o desenvolvimento tecnológico da

26

construção civil. Entendeu-se neste estudo que prototipagem rápida subtrativa corresponde,

por definição, a procedimentos de usinagem que são automatizados, entendidos ainda como

fabricação digital.

De posse da problemática estabelecida no contexto setorial da construção civil, o

estudo e o desenvolvimento de uma técnica de usinagem automatizada aplicável ao

concreto mostram-se adequados e contemporâneos ao cenário atual, motivando a

proposição deste trabalho. Esta técnica se mostra factível não somente para aplicações in

situ, mas também para criação de artefatos de concreto pré-fabricados, unindo então, dois

vetores de desenvolvimento da produtividade do setor.

27

3. DESENVOLVIMENTO DO CONCEITO - Concreto Fresco 2D

(CF2D)

3.1. Definição do problema

Os artefatos de concreto são preparados em um ambiente próprio, dotado de todos os

requisitos, ferramental e pessoal necessários à sua perfeita e eficiente execução em série, e

que após a sua preparação fabril, são levados às obras e assentes sob um regime de

montagem, não mais de moldagem. São elementos que demandariam elevados tempos e

recursos para serem moldados diretamente na obra.

Dados de mercado mostram que no auge da construção civil brasileira, em 2013, havia

uma enorme quantidade importada deste tipo de material, em quantidade superior à

exportada. Com a frenagem do crescimento econômico brasileiro esta relação se inverteu e

as exportações superam as importações. Então, apresenta-se um importante alerta sobre a

incapacidade de se atender a demanda interna em momento de alto crescimento econômico

e consequente aquecimento da construção civil. (DIAS, 2008).

Assim, esta área do conhecimento carece do desenvolvimento de técnicas produtivas

complementares, que podem encontrar na automação dos processos fabris um forte aliado

para incremento da produtividade e atendimento à demanda, que pode ser cada vez maior

por um produto com qualidade e variedade.

Segundo o Sebrae (2016) os artefatos de concreto tornam-se tão importantes em virtude

principalmente de sua adaptabilidade, dado que a sua matéria prima pode assumir

diferentes formatos e volumes, conforme definição de cada obra.

Entretanto, a execução desta gama de formatos e volumes possíveis encontra

resistência na necessidade do uso de moldes ou formas, o que pode tornar o processo

custoso ao ponto de inviabilizar a produção em pequena escala de um determinado

elemento. Segundo Lim et al. (2012) o custo unitário de uma peça moldada torna-se de mais

barato em grandes quantidades, para ser muito mais caro do que o de uma peça obtida por

prototipagem a medida em que o número total de peças produzidas é decrescido.

Desta maneira, a prototipagem destes artefatos, tanto aditiva quanto subtrativa, parece

ser um caminho interessante para conferir essa liberdade de formatos até aqui freada pela

necessidade dos moldes, sem grandes adições de custos.

Quando falamos em prototipagem em matéria prima “concreto”, o método por adição de

material tem se notabilizado como uma vertente em desenvolvimento, diferente do método

por subtração de material, que não tem se apresentado usual até o presente momento.

28

3.2. Hipótese

Assim, propõe-se adiante uma maneira para confecção de peças em concreto através

de prototipagem subtrativa por meio de usinagem CNC de placas de concreto no estado

fresco.

Entende-se que a partir de placas de concretos, pode-se utilizar uma máquina para

elaborar diferentes peças em duas dimensões que ao serem unidas tem o potencial de

formar um elemento tridimensional. Desta forma o trabalho poderá ser realizado sobre uma

placa inicialmente moldada, mas com os produtos (peças individuais) obtidos sem

necessidade nenhum molde adicional.

O fato de se trabalhar com placas de concreto no estado fresco facilita o procedimento

de corte, eliminando assim um de seus principais impedimentos, que é a sua dureza após

seco. Isto deve ser possibilitado pela reologia adequada a ser encontrada para o concreto

para garantir uma precisão ao corte.

A reologia adequada será atingida a partir do processo de ganho de limite de

escoamento do concreto no tempo durante os primeiros minutos após a mistura,

identificando-se a janela de tempo mais adequada para o inicio e o fim do corte.

3.3. A tecnologia CF2D

A técnica de usinagem automatizada em concreto fresco, daqui em diante referida

simplesmente como “concreto fresco 2D” ou através da sua sigla, CF2D, trata-se de um

procedimento de usinagem automatizada de elementos bidimensionais, mediante comando

numérico computadorizado (CNC), que se utiliza de concreto em seu estado fresco como

matéria prima. A sua utilização é prevista em estruturas e elementos construídos a partir da

utilização de uma ou mais peças complementares entre si, feitas em concreto.

A Figura 23 apresenta um fluxograma do processo sugerido para produção de estruturas

3D a partir do método proposto. Trata-se de uma primeira etapa onde ocorre a concepção e

modelagem da peça em conformidade com a aplicação e o processo produtivo, e a segunda

etapa que é a materialização em si, ou seja, o corte dos elementos 2D a partir da placa

inicial. Assim, ao unir cada peça 2D se obtém a estrutura desejada.

29

Figura 23 - Fluxograma de produção de uma estrutura qualquer utilizando-se de elementos produzidos através

de CF2D.

A Figura 24 apresenta o fluxograma idealizado para o procedimento de corte em uma

placa em concreto fresco. Os passos a serem realizados devem concordar com o seguinte:

1. Mistura. Preparo do concreto em conformidade com a dosagem mais adequada a

ser obtida a partir deste estudo

2. Vibração ou auto adensamento. No ato do lançamento do concreto no molde

para confecção da placa a ser cortada, pode ser necessária ou não a sua

vibração, de acordo com a consistência do concreto utilizado.

3. Corte. Procedimento de corte ou entalhe das peças.

4. Cura. Secagem do concreto em ambiente controlado

5. Produto final. Tratam-se das peças recortadas da placa inicial, que ao unidas na

montagem poderão formar o aspecto final da estrutura a ser construída.

6. Resíduos. O reaproveitamento dos resíduos é um conceito a ser estudado, já que

estando o material em seu estado fresco, pode-se reaproveita-lo para

retroalimentação e moldagem de novas placas para corte. Para isto é necessário

conhecer uma janela de corte em tempo, na qual o material permanece apto a

ser submetido ao procedimento de corte.

Figura 24 - Fluxograma do procedimento de corte em uma placa de concreto fresco através da tecnologia CF2D.

30

Para aplicação desta técnica, faz-se o uso de uma máquina CNC automatizada para

corte em concreto fresco, capaz de realizar movimentos em dois eixos, de maneira a usinar

artefatos em formatos com duas dimensões principais (2D).

A Figura 25 apresenta uma ilustração da máquina. Um carrinho com a ferramenta de

corte em forma de haste fina de seção circular se movimenta da direção X, enquanto as

laterais se movimentam simultaneamente na direção Y. A sincronia entre os movimentos

nas direções X e Y definem o formato a ser transmitido para a matéria prima, o concreto

fresco.

(a)

(b)

Figura 25 - Ilustração da máquina CF2D. (a) Perspectiva isométrica da máquina CF2D. (b) Corte de uma placa

de concreto. FONTE: O próprio autor

A disponibilidade de uma tecnologia que forneça facilmente placas de concreto em

diferentes formatos possibilitaria inúmeras aplicações, dentre elas a construção de

31

estruturas em conceito paramétrico, onde cada peça apresenta dimensões que variam

segundo um parâmetro, de maneira a compor juntas um formato bem definido.

A arquitetura paramétrica poderá então utilizar desta ferramenta na concepção de

formas antes concebidas para serem construídas em madeira, ou que ainda apresentam

grande complexidade para a sua construção em concreto, como o exemplo demonstrado

pela Figura 26.

(a)

(b)

Figura 26 - Possíveis aplicações do CF2D em estruturas paramétricas. (a) Construção em coceito paramétrico

realizada madeira, localizada em Sevilla/ESP. FONTE: http://www.pedrokok.com.br. (b) Banco em concreto

composte de placas cortadas após o endurecimento, em Nuevo Leon/MEX. FONTE: https://www.behance.net.

3.4. Escopo do presente trabalho

O presente trabalho pretende avaliar factibilidade desta tecnologia. Um estudo científico

será feito para avaliação da possibilidade do uso do concreto para a aplicação proposta,

com foco nas propriedades deste material no estado fresco que possam influenciar

significativamente na sua capacidade de uso como matéria prima, bem como as implicações

destas propriedades na qualidade dimensional de peças produzidas.

Desta maneira, o desenvolvimento da máquina CF2D, além de estudos de produção e

aplicação de peças através da técnica proposta não serão objeto do presente trabalho, dado

o entendimento de que dependem condicionalmente de comprovação prévia a respeito da

factibilidade do conceito em si.

3.5. Objetivos do estudo científico

3.5.1. Objetivo geral

Avaliar a factibilidade da fabricação de elementos de concreto a partir do corte de placas

em estado fresco.

32

3.5.2. Objetivos específicos

Estudar a evolução do limite de escoamento do concreto no tempo e a sua

correlação com a resistência ao cisalhamento do material fresco no processo de

corte;

Obter um intervalo de tempo de repouso do concreto tal que o procedimento de

corte seja viável a partir do seu início até o seu fim, de maneira eficiente.

Elencar as principais dificuldades ou problemas encontrados no procedimento de

corte, para que estudos futuros possam ser desenvolvidos em complementação

ao tema;

3.6. Estabelecimento das variáveis para o estudo científico

Após uma análise das áreas de estudos necessários ao desenvolvimento desta

tecnologia, apresentam-se dois campos de atuação principais: Material e Processo. O

campo do material deve abordar as características mais relevantes da matéria prima

utilizada (concreto), enquanto o campo do processo deve focar em como o procedimento

deve ser realizado, ou seja, como se dá a produção das peças.

A Tabela 1 apresenta uma hipótese a respeito das principais variáveis a serem

exploradas para o estabelecimento da tecnologia CF2D. As áreas foram divididas entre

material e processo e apresentam em cada uma das colunas correspondentes os itens que

representam possibilidades de implicação direta na qualidade das peças.

Tabela 1 – Possíveis variáveis de estudo para desenvolvimento do concreto fresco 2D

Material Processo

Fator água-cimento Ferramenta de corte

Aditivo superplastificante Mecanismo de corte

Granulometria dos materiais Força de corte

Tempo de espera até o corte Distorção das peças

Resistência Modelagem

Durabilidade Automatização

Alto desempenho

Resíduos do corte

Compósitos ou Fibras

33

Espera-se, no entanto, que alguns destes itens possam apresentar considerável

relevância para os resultados em comparação aos demais. A resistência ao cisalhamento do

material no estado fresco pode implicar diretamente na qualidade de corte, dado que é esta

a característica do material que implica na sua capacidade de permanecer em um formato

inicial após a sua submissão ao seu peso próprio ou a uma tensão cisalhante, como por

exemplo, uma solicitação por corte.

Convém assim estudar a relação entre a tensão de escoamento do material fresco e a

qualidade do corte, representada pela distorção medida na peça após passar pelo processo

de sua produção. Para tal, espera-se que uma análise do limite de escoamento do concreto

nos tempos iniciais de repouso possa ser de extrema relevância. Desta maneira, devem-se

identificar possíveis fatores que impactam no limite de escoamento do concreto, e utilizá-los

como variáveis de análise, que associado com a variável tempo, se poderá estabelecer uma

relação mensurável estas grandezas e os dados de resposta.

Assumiu-se no presente estudo que o fator água-cimento, o aditivo superplastificante e o

tempo de espera até o corte possuem a princípio as principais influências no limite de

escoamento do material. A água atua diretamente no contato entre as partículas do material,

possuindo relação direta sobre o seu comportamento durante o escoamento do material. Por

outro lado, o papel dispersante realizado pelo aditivo superplastificante (ou simplesmente

superplastificante) evidencia o seu enorme potencial de influência sobre o escoamento.

Finalmente o tempo de espera ao corte relaciona-se diretamente com a evaporação da água

e ganho de resistência inicial do concreto.

Quanto ao processo, uma análise a respeito da distorção gerada em peças cortadas

linearmente pode servir de modelo simplificado para o comportamento do processo mais

complexo a ser realizado em duas ou mais dimensões. A distorção pode fornecer, pura e

simplesmente, uma boa caracterização a respeito da qualidade da peça, relacionando-a

com a dosagem e tempo de espera ora utilizados. O procedimento de corte, ao ser estudado

linearmente, confere mais condições de controle em laboratório, favorecendo a análise dos

dados para correlação entre as variáveis de estudo.

A Tabela 2 apresenta as variáveis de estudo enfatizadas, com maior influência esperada

para as aplicações propostas, em conformidade com o até aqui exposto. Desta maneira,

espera-se ser possível estabelecer uma relação entre resistência ao cisalhamento do

material fresco e qualidade do corte, mediante a análise, para diferentes dosagens, do limite

de escoamento do concreto nos tempos iniciais de repouso e da distorção das amostras

submetidas ao corte.

34

Tabela 2 - Variáveis avaliadas por este trabalho para desenvolvimento do concreto fresco 2D

Material Processo

Fator água-cimento Mecanismo de corte (corte linear)

Aditivo superplastificante Distorção das peças

Tempo de espera até o corte

35

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

4.1. Materiais

Foram utilizados os seguintes materiais para produção do concreto: (i) Cimento Portland

de Alta Resistência Inicial (CP-V ARI); (ii) Areia natural de quartzo; (iii) Sílica Ativa; (iv) Sílica

325#; (v) Cinza Volante; (vi) Aditivo superplastificante (Glenium 51); (vii) Modificador de

viscosidade (Rheomac UW 410 – BASF); (viii) Água.

A areia natural de quartzo é proveniente do leito do Rio Guandu, localizado no estado do

Rio de Janeiro, por se tratar de um material de fácil obtenção e com disponibilidade no

laboratório onde a pesquisa foi realizada.

O cimento utilizado foi o Cimento Portland de Alta Resistência inicial – CPV ARI – da

Lafarge Holcim, oriundo da fábrica Pedro Leopoldo.

A Sílica ativa foi fornecida pela Silmix (Camargo Corrêa) e a Sílica 325# pela Mineração

Jundu. A Cinza volante utilizada foi fornecida pela marca PozoFly.

O aditivo superplastificante utilizado foi o Glenium 51 de terceira geração, a base de

éter carboxílico. Segundo o seu fabricante, o material apresenta 30% de sólidos e massa

específica de 1,11 g/cm.

Foi utilizado Modificador de Viscosidade (Rheomac UW 410 – BASF), um produto com

base química de polímeros de celulose de alto peso molecular, em forma de pó e de cor

branca, e que é especialmente produzido para evitar a segregação de concretos.

A água foi obtida do sistema de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. Para a sua

incorporação nos concretos de pesquisa, a água foi antes deionizada, mantendo-se o pH

aproximadamente igual a 7,0.

4.1.1. Composição química

Foram obtidas as composições químicas somente para os materiais cimentícios, a partir

de dados fornecidos pelos fabricantes dos materiais, para registro neste trabalho.

Os resultados da composição química do cimento foram obtidos junto à Lafarge Holcim,

para o lote referente ao período entre 29/05/2016 e 22/06/2016. Estão apresentados pela

Tabela 3.

.

36

Tabela 3 - Composição química do cimento CP-V ARI fornecido pelo fabricante

Determinações Composição (%)

Perda ao Fogo 1000°C 3,67

Perda ao Fogo 500°C 0,74

Oxido de Cálcio (𝐶𝑎𝑂) 63,82

Anidrido Silícico (𝑆𝑖𝑂2) 19,27

Aluminato tricálcico (𝐶3𝐴) 7,67

Óxido de Alumínio (𝐴𝑙2𝑂3) 5,10

Óxido Férrico (𝐹𝑒2𝑂3) 3,01

Anidrido Sulfúrico (𝑆𝑂3) 2,99

Dióxido de carbono (𝐶𝑂2) 2,56

R.I 0,94

Óxido de Magnésio ( 𝑀𝑔𝑂) 0,86

Óxido de Potássio (𝐾2𝑂) 0,80

A composição química da sílica ativa foi fornecida pelo fabricante (SILMIX). A Tabela 4

apresenta os dados sobre a composição química da sílica ativa.

Tabela 4 - Composição química da sílica ativa segundo o fabricante

Determinações Composição da Sílica Ativa (%)

Anidrido Silícico (𝑆𝑖𝑂2) 91,00

Óxido de fosforo V (𝑃2𝑂5) 0,10

Óxido de Alumínio (𝐴𝑙2𝑂3) 0,10

Óxido de Potássio (𝐾2𝑂) 0,44

Óxido de Cálcio (𝐶𝑎𝑂) 1,10

Óxido Férrico (𝐹𝑒2𝑂3) 0,70

Óxido de Magnésio ( 𝑀𝑛𝑂) 1,50

4.1.2. Massa específica

A massa específica dos materiais granulares foi obtida utilizando-se um picnômetro a

gás hélio (He), modelo AccuPyc 1340 da Micromeritics, no Laboratório de Estruturas e

Materiais da COPPE/UFRJ O ensaio consiste em obter o volume de massa da amostra

37

através da variação da pressão do gás em certo volume calibrado. A massa específica do

aditivo superplastificante foi obtida do fabricante.

A Tabela 5 apresenta os resultados para massa específica dos materiais.

Tabela 5 - Massa específica dos materiais utilizados

Material Massa especifica

(g/cm³)

Agregado (Areia) 2,32

Cimento CP-V ARI (Holcim) 3,18

Cinza Volante (PozoFly) 2,35

Sílica Ativa (Silmix) 2,28

Sílica 325 (Jundu) 2,68

Superplastificante (Glenium 51) 1,11

Modificador de Viscosidade (Rheomac UW 410 – BASF) 1,51

4.1.3. Distribuição granulométrica

A distribuição granulométrica foi feita somente para a areia, a partir do peneiramento a

seco, através de conjunto de peneiras dispostas sobre um agitador mecânico, localizado no

Laboratório de Tecnologia Mineral (LTM) do PEMM/COPPE/UFRJ. Os ensaios foram

executados de acordo NBR 7217/1987, utilizando-se peneiras da série normal acrescida de

uma peneira da série intermediária de abertura de malha igual a 6,3mm.

Os resultados são apresentados através da Figura 27. Todo o material (100%) passa até

a abertura igual ao tamanho máximo característico da areia 4,7mm (terceiro ponto da curva).

Figura 27 - Curva de distribuição granulométrica da areia natural utilizada.

100 100 10095

74

39

14

3

0

20

40

60

80

100

0,1110

Mate

rial passante

(%

)

Abertura de malha da peneira (mm)

38

4.2. Programa experimental

Após a hipótese sobre as principais influências na qualidade das peças cortadas pelo

procedimento proposto, um programa experimental foi definido com objetivo da obtenção

dos resultados esperados. A Figura 28 apresenta o programa experimental adotado.

Figura 28 - Programa experimental

O primeiro passo trata-se da obtenção de uma dosagem referencial para solução do

problema. O concreto pode apresentar características reológicas distintas a depender das

proporções entre os materiais utilizados, bem como a sua capacidade de adensamento.

Este passo visa então obter uma dosagem de partida para que os demais estudos aplicados

possam ser efetuados.

A segunda etapa consiste em obter o ponto de saturação do aditivo superplastificante na

mistura de trabalho escolhida. Desta forma, uma referência central poderá ser estabelecida

para o intervalo de valores que será estudado para esta variável.

A terceira etapa trata da determinação do intervalo de variação das variáveis de estudo,

a partir dos dados iniciais obtidos da literatura, da segunda etapa e de possíveis hipóteses

efetuadas.

39

De posse destes intervalos, torna-se possível então o estabelecimento de uma matriz de

variáveis (matriz de experimentos) pela qual as dosagens seriam balizadas. Esta matriz

deveria ser norteadora das dosagens em cada etapa, quando seriam adotadas as

respectivas proporções para o fator água-cimento e para o percentual de aditivo

superplastificante na mistura, variáveis estas identificadas como as de estudo que, mediante

esta condição, determinariam as colunas e linhas da matriz de experimentos. A Tabela 6

apresenta a configuração adotada para a matriz.

Todas as dosagens atenderam à matriz de experimentos e foram nomeadas por dois

algarismos separados por um ponto, de forma que o primeiro algarismo representasse a

linha e o segundo a coluna da referida matriz de experimentos. Portanto, a Dosagem 1.1

equivaleria àquela pela qual se adota como balizadores a linha 1 (com o valor do % de

superplastificante igual a um certo valor A) e coluna 1 (Fator água-cimento igual a um certo

valor D), e assim sucessivamente para as demais dosagens.

Tabela 6 - Matriz de experimentos modelo

Alcançado o quinto nível do programa experimental, a pesquisa se divide em duas áreas

de investigação que deverão posteriormente convergir para um resultado integrado, são

elas: “Reologia” e “Ensaios de Corte”.

No que se refere à reologia, serão estudados o limite de escoamento do material no seu

estado fresco ao longo do tempo para mensuração da resistência ao cisalhamento desse

material e observação de seu comportamento durante as fases iniciais, onde está o foco do

trabalho. Serão realizados ensaios para determinação do abatimento e espalhamento da

mistura, como uma maneira de obter dados numéricos sobre a consistência do material

fresco.

Quanto a ensaios de corte, serão observados os principais defeitos ocorridos durante as

etapas de corte e também mensuradas as distorções com relação a um formato inicial

40

esperado de peças submetidas a este procedimento, para que se possa ter uma medida real

da qualidade conferida por este procedimento.

Desta forma, chega-se a um sétimo nível onde se dá o cruzamento dos dados das duas

grandes áreas de investigação referidas acima, através do tratamento dos dados e de

procedimentos específicos a serem abordados nas seções equivalentes e subsequentes.

Por fim, espera-se chegar a uma dosagem ótima para a aplicação proposta, oferecendo

como conteúdo adicional uma breve caracterização mecânica para embasamento a futuras

aplicações.

4.3. Métodos de ensaios

4.3.1. Ponto de saturação do superplastificante

Para avaliação do ponto de saturação do superplastificante sobre a mistura de partículas

de cimento, foi utilizado o ensaio de fluidez de pastas através do funil de Mars, conforme a

norma (NBR 7681: 2013). O método consiste em medir o tempo de escoamento de 1 litro de

pasta fluida através do funil com diâmetro pré-determinado, tendo sido adotado 5 mm para o

presente estudo.

Para a mistura, foi utilizado o misturador para pastas. O procedimento de mistura

consistiu nos seguintes passos:

Pesagem de cada componente: cimento, sílica ativa, sílica 325, água e

superplastificante.

Introdução de toda a água e superplastificante no misturador e homogeneização

da mistura por 15 segundos;

Adição progressiva do material sólido ao misturador, estando o mesmo desligado.

Mistura por 8 minutos e em seguida uma pausa de 1 minuto e 30 segundos com

o misturador desligado.

Mistura da pasta por mais 30 segundos

Fim do procedimento de mistura, pasta pronta para adicioná-la imediatamente no

funil.

Para execução do ensaio propriamente dito, utilizou-se de uma proveta graduada com

capacidade suficiente para um litro, dentro da qual o concreto é despejado após a

passagem pelo funil.

Um cronômetro é acionado imediatamente após a liberação do escoamento da pasta

pelo bico do funil, e em seguida paralisado tão logo o concreto alcança a graduação de 1

litro na proveta, sendo este tempo marcado o resultado direto deste ensaio.

41

Formagini (2005) afirma que o ponto de saturação do dispersante em relação ao cimento

ocorre quando a superfície das partículas de cimento não consegue mais absorver as

moléculas do dispersante que se encontram livres na fase líquida. Que a partir desse ponto,

qualquer aumento na quantidade de dispersante na fase líquida influenciará muito pouco a

dispersão das partículas de cimento. E que em termos gráficos, o ponto de saturação

caracteriza-se então pelo instante no qual o incremento da concentração de aditivo

superplastificante não ocasiona mais a diminuição do tempo de fluxo da pasta através do

funil de Marsh.

4.3.2. Limite de escoamento (Vane test)

A tensão de escoamento mostra-se um dado de extrema relevância para o presente

estudo, já que a tecnologia de corte proposta utiliza-se do concreto nos seus primeiros

instantes de repouso, ou seja, o estado fresco. Torna-se então sumariamente necessário o

conhecimento do comportamento mecânico do material neste instante inicial, como forma de

estabelecer um parâmetro para uma posterior relação com a qualidade das peças cortadas.

O limite de escoamento representa para o estudo presente como sendo a máxima

tensão de cisalhamento que o material pode ser submetido no seu estado fresco. (BAUER

et al., 2007; MAHAUT et al., 2008).

O ensaio de tensão de escoamento foi realizado a partir da utilização do reômetro

BrookField, modelo DV-III Ultra, com geometria de palhetas em formato de cruz (Vane

spindle) (Figura 29).

Figura 29 - Conjunto de paletas em forma de cruz(vane spindle)de uso no Reômetro Brookfield modelo DV-III

Ultra. FONTE: (SIQUEIRA, 2014)

Para realização do ensaio através deste método insere-se, por meio do equipamento a

palheta na mistura a ser analisada. O princípio de funcionamento do equipamento trata-se

42

de girar vagarosamente a palheta que está imersa no fluido por meio de uma mola calibrada

e que é conectada à palheta por uma rosca. Para a mensuração do movimento, um

transdutor rotativo efetua a medição da deflexão da mola.

O procedimento realizado para o ensaio de reologia foi o seguinte:

1. Procedimento de Mistura

a. Pesagem de cada material correspondente a dosagem de ensaio, em

quantidade suficiente para preenchimento do volume equivalente a 7

(sete) beakeres de 600ml;

b. Todos os materiais, exceto a água e aditivo superplastificante, foram

adicionados ao recipiente do misturador planetário (Figura 30) e pré-

homogeneizados com a mão;

c. Mistura pelo tempo de 1 (um) minuto em velocidade baixa (velocidade 1).

d. Adição de metade da quantidade de água com o misturador desligado.

e. Misturaram-se a água e demais materiais por 10 (dez) segundos na

velocidade baixa (velocidade 1) para evitar a perda de material ainda seco

em decorrência da rotação abrupta do misturador, e em seguida por mais

50 segundos em velocidade média (velocidade 2), totalizando 1 (um)

minuto.

f. Com o misturador desligado, adicionaram-se toda a quantidade de

superplastificante e a segunda metade de água. Utilizou-se a água para

aproveitamento de todo o resíduo de superplastificante nas paredes do

recipiente de pesagem, mediante o despejo e agitação da água no

mesmo e posterior adição ao material em mistura.

g. Procedeu-se à mistura por 1 (um) minuto em velocidade média

(velocidade 2) para evitar perda de material, e mais 7 (sete) minutos em

velocidade alta (velocidade 3). Totalizando 8 (oito) minutos de mistura

após a adição do superplastificante, tempo este necessário à sua

atuação.

2. Após a mistura, o material foi despejado em 7 (sete) beakeres de 600ml cada

(Figura 30). Cada Beaker foi utilizado para os tempos T0, T15, T30, T45, T60,

T90, T120. As suas superfícies foram cobertas por papel alumínio para evitar

perda de água por evaporação.

3. Respeitado o tempo de início de ensaio conforme a sua identificação, o Beaker

foi posicionado na base de aço com o eixo da palheta em posição central ao

mesmo.

43

4. A palheta correspondente foi atarraxada ao equipamento e então baixada até que

o nível da superfície da amostra coincidisse com a marcação superior indicada

na própria paleta.

5. Procedeu-se ao início do ensaio.

(a)

(b)

Figura 30 - Equipamentos utilizados para mistura e acomodação das amostras no ensaio de reologia. (a)

Misturador planetário de bancada Hobart. (b) Beakeres de 600ml

Os ensaios foram realizados com uma velocidade de 0,1 rpm, como também utilizada

por Bauer et al. (2007) e os pontos obtidos a cada 5 segundos. O equipamento era zerado

Toda vez que o reômetro era ligado, o que é um procedimento recomendado pelo

fabricante.

O torque máximo oriundo da resistência da mistura à rotação da palheta deve estar entre

10 e 100%, visando a confiabilidade dos resultados. Em misturas mais viscosas, deve-se

utilizar uma palheta tal que a sua área menor contribua para que o torque máximo não

ultrapasse o limite superior de 100% e, para as misturas fluidas, devem-se utilizar palheta

cuja área seja suficiente para gerar um torque acima do limite inferior de 10%. (SIQUEIRA,

2014).

A Tabela 7 apresenta as especificações das palhetas disponíveis para utilização no

equipamento, em conformidade com o manual de instruções do mesmo, onde YMC é a

constante relacionada com as dimensões da palheta, fornecida pelo manual do

equipamento.

44

Tabela 7 - Especificações das palhetas

Palheta YMC Comprimento

(cm) Diâmetro(cm)

V-71 0,50 6,878 3,439

V-72 2,00 4,333 2,167

V-73 10,00 2,535 1,267

V-74 100,00 1,176 0,69

V-75 40,00 1,610 0,803

Para o cálculo do limite de escoamento, assume-se que a superfície de cisalhamento

criada pela palheta seja a de um cilindro de diâmetro igual ao da palheta e que a tensão

esteja uniformemente distribuída em toda a superfície. (NGUYEN, N. Q.; BOGER, 1985).

A taxa de cisalhamento foi calculada segundo a equação (1):

𝛾 =

2𝜔𝑅𝑐2𝑅𝑏

2

𝑋2[𝑅𝑐2 − 𝑅𝑏

2]

(1)

Onde:

𝛾 é a taxa de deformação (s-1);

𝑅𝑐 é o raio do beaker que contém a amostra (cm);

𝑅𝑏 é o raio da palheta (cm);

X é o raio em que a superfície de cisalhamento ocorre, é igual a 𝑅𝑏 (cm) para

palheta em cruz;

𝜔 é a velocidade angular da palheta (rad/s);

A velocidade angular 𝜔 foi obtida pela equação (2):

𝜔 =

2𝜋

60Ω

(2)

Onde:

Ω é a velocidade da palheta em rpm.

A Tensão de cisalhamento foi obtida pela equação (3):

𝜏 =

𝑇𝐾 × 𝑌𝑀𝐶 × 𝑇

10

(3)

Onde:

𝜏 é a tensão de cisalhamento (Pa);

TK é a constante relacionada com o modelo do reômetro, igual a 8 para o modelo

HBDV-III Ultra;

YMC é a constante relacionada com as dimensões da palheta;

T é o valor do torque medido pelo equipamento, em porcentagem.

45

4.3.2.1. Janela de corte

Buscou-se estabelecer uma janela ideal para o procedimento de corte no concreto fresco

a partir dos dados obtidos nos ensaios de limite de escoamento. Foi realizada uma inspeção

visual nas misturas após a execução do ensaio no reômetro, de forma a identificar

qualitativamente o ponto onde o material começaria a apresentar um comportamento

favorável ao corte e o ponto onde o mesmo apresentaria o início de resistência ao corte

manual, representando assim o fim da janela de corte pelo fato de que esta resistência

representa uma ineficiência energética para uma possível aplicação tecnológica.

O procedimento adotado trata-se dos seguintes passos:

1. Com o auxílio de uma espátula, realizam-se dois cortes na superfície do material

contido no interior do beaker para inspeção visual, qualificação e fotografia.

2. Retirada de uma fatia de concreto do interior do recipiente com a espátula, a

mesma é suspensa com a mão de forma a verificar a sua capacidade de se

manter tracionada pelo peso próprio.

3. Qualificação do corte.

4.3.3. Abatimento do tronco de cone (minislump) e espalhamento.

A avaliação da consistência e capacidade de adensamento das misturas é um dado

extremamente relevante para conclusões a respeito da sua possibilidade de aplicação

industrial. Um concreto auto adensável possibilita a eliminação do uso de mecanismos de

vibração, contribuindo para redução do uso de energia elétrica, tornando a tecnologia mais

barata e sustentável. Por outro lado, um material menos fluido apresenta comportamento

favorável ao procedimento de corte em instantes mais iniciais de repouso, reduzindo assim

o tempo de espera até a finalização do processo e a necessidade de maiores áreas para

repouso de placas, com consequente diminuição do custo de infraestrutura e aumento da

capacidade produtiva.

Para avaliação da consistência e adensabilidade das misturas em estudo, foi adotado o

ensaio de abatimento do tronco de cone (minislump), procedimento baseado na norma

ABNT NBR NM-67, porém com uso de um tronco de cone de menores dimensões, além da

medição do espalhamento, utilizando-se dos materiais mostrados na Figura 31.

1. Após o mesmo procedimento de mistura realizado para o item 4.3.2, adicionou-se

o material camada a camada no interior do tronco de cone com o auxílio da

espátula. Com a haste aplicou-se 15, 10, e 5 golpes uniformemente distribuídos

na primeira, segunda e terceira camada, respectivamente. O topo foi rasado com

a haste para retirada do excesso de material.

46

2. O tronco foi retirado cuidadosamente com movimento para cima na direção

vertical.

3. A medida do abatimento foi tomada colocando-se o tronco de cone ao lado do

material consistente, apoiando-se a haste metálica no tronco de cone e

efetuando a medição do recalque vertical do material em relação ao topo do cone

com o auxílio da régua metálica para medição e haste para referência conforme

Figura 38.

4. A medida de espalhamento foi retirada com auxilia da haste para referência e

régua para medição do diâmetro da base do material abatido, nas direções onde

se foram observadas a menor e maior dimensão da base do material abatido.

(a)

(b)

Figura 31 - Equipamentos utilizados para ensaio de abatimento e espalhamento. (a) Placa, Haste, Régua

metálica e espátula. (b) Detalhe do tronco de cone

4.3.4. Distorção de corte

Para avaliação da qualidade de corte, um novo método de ensaio foi desenvolvido neste

trabalho, especificamente para este propósito. Foram moldadas placas de concreto para

sua submissão ao procedimento de corte, onde se esperava obter uma distorção das faces

cortadas desta placa, que deveriam ser mensuradas, gerando assim um valor numérico que

representasse a qualidade de corte propiciada por cada mistura selecionada.

O conceito do experimento elaborado e adotado para o presente estudo é gerar uma

distorção na face de uma peça cortada com o auxílio de um aro metálico, conforme a

ilustração mostrada pela Figura 32, onde se pode observar uma placa horizontal sendo

submetida ao corte vertical por aro. A distorção da seção é caracterizada pela tangente do

ângulo ∅. A Figura 33 apresenta os materiais utilizados.

47

(a)

(b)

(c)

Figura 32 - Procedimento de corte para avaliação da distorção. (a)corte da placa com um aro metálico. (b)

retirada do excesso de material para que não haja contenção lateral. (c) retirada do anel metálico para o recalque

e distorção espontâneos do material

(a)

(b)

Figura 33 - Materiais utilizados para ensaio de qualidade de corte. (a) Molde em formato de placa com laterais

removíveis e fundo em acrílico. (b)Aro metálico com dimensões conhecidas

O procedimento de mistura foi feito conforme o mesmo padrão adotado nos demais

ensaios, em conformidade com o item 4.3.2. O procedimento de corte é realizado para cada

tempo de repouso a ser investigado, de forma a obter a distorção de corte para cada tempo

em cada mistura escolhida.

Após o corte e completo repouso do material são realizadas as medidas da distorção em

cada uma das fases da peça cortada, de forma que os eixos 𝑥1𝑒 𝑥2 situam-se no sentido

menor da placa e os eixos 𝑦1𝑒 𝑦2 no sentido maior da placa, dispostos conforme a ilustração

da Figura 34.

48

Figura 34 - Eixos de análise da distorção das placas cortadas

Cada placa é então dividida em quatro partes com o auxílio de uma serra de bancada.

As medidas da seção aproximadamente trapezoidal de cada uma das quatro partes são

efetuadas com o auxílio de um paquímetro. São feitas as medidas base maior da seção (𝐿),

base menor (𝑙) e altura (ℎ). A Figura 35 apresenta uma ilustração com a nomenclatura

adotada.

(a) (b)

Figura 35 - Nomenclatura adotada para as dimensões da peça cortada. (a) Placa dividida em quatro partes. (b)

Seção lateral de uma das quatro partes com as nomenclaturas de suas dimensões

A distorção em cada eixo foi assumida como a média da distorção em cada face, de tal

forma que uma medida de distorção total pode ser obtida pela média de todas as distorções,

obtidas em cada eixo. Assim sendo as expressões (4) a (12) foram adotadas para o cálculo.

𝐷𝑥𝑖̅̅ ̅̅ ̅ =

𝐷𝑥𝑖,𝑎 + 𝐷𝑥𝑖,𝑏

2=

(𝑋𝑖,𝑎

ℎ𝑖,𝑎 ) + (

𝑋𝑖,𝑏

ℎ𝑖,𝑏 )

2

(4)

𝑋𝑖,𝑎 = 𝐿𝑥𝑖,𝑎 − 𝑙𝑥𝑖,𝑎 (5)

𝑋𝑖,𝑏 = 𝐿𝑥𝑖,𝑏 − 𝑙𝑥𝑖,𝑏 (6)

Placa de concreto

𝑥1 𝑥2

𝑦1

𝑦2

𝑋1,𝑏

𝑋2,𝑎 𝑋1,𝑎

𝑌1,𝑏

𝑌2,𝑏

𝑋2,𝑏

𝑌2,𝑎

𝑌1,𝑎

𝐿𝑥1,𝑏

𝑙𝑥1,𝑏 𝑋1,𝑏

ℎ1,𝑏 𝑥1,𝑏

49

𝐷𝑦𝑖̅̅ ̅̅̅ =

𝐷𝑦𝑖,𝑎 + 𝐷𝑦𝑖,𝑏

2=

(𝑦𝑖,𝑎

ℎ𝑖,𝑎 ) + (

𝑦𝑖,𝑏

ℎ𝑖,𝑏 )

2

(7)

𝑌𝑖,𝑎 = 𝐿𝑥𝑖,𝑎 − 𝑙𝑖,𝑎 (8)

𝑌𝑖,𝑏 = 𝐿𝑖,𝑏 − 𝑙𝑖,𝑏 (9)

𝐷𝑥̅̅ ̅̅ =𝐷𝑥̅̅ ̅̅

1 + 𝐷𝑥̅̅ ̅̅2

2 ; 𝐷𝑦̅̅ ̅̅ =

𝐷𝑥̅̅ ̅̅1 + 𝐷𝑥̅̅ ̅̅

2

2

(10)

𝐷𝑇𝑂𝑇 =𝐷𝑥̅̅ ̅̅ + 𝐷𝑦̅̅ ̅̅

2

(11)

𝐷𝑇𝑂𝑇(%) = 100 × 𝐷𝑇𝑂𝑇 (12)

Onde:

𝑋 é a diferença entre as bases da seção trapezoidal da peça

𝐿 é o comprimento da base maior da seção trapezoidal da peça

𝑙 é o comprimento da base menor da seção trapezoidal da peça

ℎ é a medida de altura da peça obtida no eixo específico

𝐷𝑥𝑖,𝑎 representa a distorção na face X correspondente ao índice i,a.

𝐷𝑌𝑖,𝑎 representa a distorção na face Y correspondente ao índice i,a.

𝐷𝑥𝑖̅̅ ̅̅ ̅ representa a distorção média em um eixo i qualquer na direção X

𝐷𝑦𝑖̅̅ ̅̅̅ representa a distorção média em um eixo i qualquer na direção Y

𝐷𝑥̅̅ ̅̅ representa a distorção média na direção X

𝐷𝑥̅̅ ̅̅ representa a distorção média na direção Y

𝐷𝑇𝑂𝑇 representa a distorção média da peça como um todo

𝐷𝑇𝑂𝑇(%) representa a distorção média da peça em termos percentuais à sua altura.

4.3.5. Catálogo de defeitos

O catálogo de defeitos trata-se de uma listagem com dados qualitativos sobre os

possíveis defeitos e demais implicações sobre a qualidade das peças oriundas do processo

de corte, sejam elas de aspecto dimensional, estético, funcional ou operacional. São dados

oriundos da observação em laboratório dos possíveis problemas tanto durante o

procedimento de corte realizado sobre uma placa de concreto fresco, quanto sobre as peças

finalizadas. Trata-se de um método expedito, com o propósito de identificar possíveis

impactos na qualidade do corte, que se mostram aparentes de maneira simples e que sejam

50

constitutivos de um panorama geral sobre este quesito. Assim evidenciam-se possibilidades

de áreas para estudos futuros mais específicos.

Como procedimento experimental adotou-se o seguinte:

1. Foi realizada a mistura do material na dosagem em conformidade com o

estabelecido no programa experimental. O procedimento de mistura foi o mesmo

adotado na seção 4.3.2;

2. Após a mistura despejou-se o material em um molde em forma de placa. São

efetuados cortes a mão livre ou auxiliado por uma régua quando da necessidade

de conferir linearidade. Os cortes foram executados utilizando-se de uma

ferramenta de corte em formato de haste fina metálica com seção circular,

auxiliando-se com um a régua metálica para conferir linearidade à peça cortada.

(Figura 36)

3. Um catálogo com as principais observações foi elaborado.

Figura 36 - Régua metálica e ferramenta de corte manual.

4.3.6. Resistência à compressão

A resistência à compressão dos concretos aos 28 dias de idade, foi avaliada através da

ruptura de corpos de prova cilíndricos com 50 mm de diâmetro e 100mm de altura. Os

ensaios mecânicos foram realizados em conformidade com o descrito pela norma NBR 5739

(2007), utilizando-se de prensa servo-controlada Shimadzu, modelo UH-F1000kNI, operada

a uma velocidade de compressão de 0,1 mm/minuto.

Antes da ruptura, os corpos-de-prova cilíndricos foram capeados com mistura de enxofre

fundido e quartzo moído (relação 1:3, em massa) de forma a garantir planicidade e

paralelismo entre as bases e perpendicularidade ao cilindro.

51

O comportamento tensão versus deformação foi obtido com emprego de transdutores

elétricos para medição dos deslocamentos longitudinais. O cálculo do módulo de

elasticidade secante, conforme NBR 8522 (2008), foi realizado de acordo com a expressão

(13).

𝐸 =

𝜎1 − 𝜎2

𝜀1 − 𝜀2 (13)

onde,

𝐸 é o módulo de elasticidade secante;

𝜎1 é a tensão correspondente à deformação de 5 × 10−5;

𝜎2 é a tensão correspondente a 30% da tensão máxima;

𝜀1 é a deformação de 5 × 10−5;

𝜀2 é a deformação correspondente a 𝜎2

52

5. RESULTADOS

5.1. Ponto de saturação do superplastificante

A Figura 37 e apresenta a curva resultante do ensaio de ponto de saturação realizado

em conformidade com o procedimento descrito, executado em pasta de cimento produzida

com cimento CPV-ARI, sílica ativa, sílica 325 e aditivo superplastificante Glenium51. O eixo

vertical apresenta o tempo de fluxo da pasta através do funil de Mash e o horizontal

representa a quantidade da parte sólida do aditivo relativamente à de cimento.

A relação água/cimento foi mantida constante no valor de 0,43 em todas as dosagens

para execução do ensaio. Foi utilizada um relação em massa de [Cimento : Sílica 325 :

Sílica Ativa] na proporção de [1: 0,12 : 0,08].

Figura 37 - Ponto de saturação do Glenium 51 para o cimento CP-V ARI na presença de sílica ativa e sílica 325

O ponto de saturação mostrou-se bem definido em (0,6%), ponto acima do qual qualquer

incremento de aditivo torna-se antieconômico, já que a partir deste valor o tempo de fluxo da

pasta variou em torno de 140 segundos, evidenciando que a sua adição pouco ou nada influi

no comportamento reológico da mistura a partir deste.

Formagini (2005) afirma ainda que a melhor relação custo/benefício ocorre exatamente

na adição em quantidade equivalente à saturação da mistura, ou seja, no ponto de

saturação. Então, é de suma importância o seu conhecimento para a mistura utilizada, de

forma que qualquer atividade desenvolvida através do uso do concreto aditivado com

material dispersante possa fazer uso da exata quantidade necessitária de material, evitando

desperdícios.

53

O ponto de saturação é influenciado pela presença de sílica ativa e sílica 325 na mistura,

de forma a apresentar valores elevados em comparação com o ensaio realizado somente

com cimento. Segundo De larrard (1999) o ponto de saturação para sílica ativa é muito

superior ao do cimento em decorrência à sua elevada área superficial, o que demanda uma

maior quantidade de aditivo para que toda a sua superfície se envolva. (apud FORMAGINI,

2005).

Sendo assim, foram utilizadas tanto a presença de sílica ativa quanto sílica 325 nas

misturas para este ensaio, dada à sua influência nos possíveis resultados, respeitando-se as

proporções referidas à dosagem original utilizada para os demais ensaios.

5.2. Matriz de experimentos

A matriz de experimentos foi determinada pelo programa experimental, com valores em

função dos resultados a respeito do ponto de saturação do superplastificante, além de

dados da literatura, e demais constatações experimentais a serem discutidas.

Na definição dos valores numéricos para estas variáveis, o ponto de saturação do aditivo

Supeiplastificante serviu de balizador conforme o esperado. O mesmo foi adotado como

referência, abaixo da qual duas das linhas da matriz deveriam respeitar em seus valores, e

acima da qual uma das linhas deveria estar, propositalmente, como forma de estudar o

comportamento do material acima do ponto de saturação para os propósitos estabelecidos

por este trabalho.

Os valores referentes ao fator água-cimento foram determinados através de análise tátil

visual de amostra recém-misturada. A quantidade de água foi variada na mistura partindo-se

de uma consistência menos fluida (A/C=0,43) até que se obtivesse outra mais fluida

(A/C=0,46). O intervalo foi anotado e valores arredondados com duas casas decimais foram

tomados para o menor e maior valor. Um valor intermediário aproximadamente equivalente

à média dos extremos (A/C = 0,45) também foi tomado para composição do trio de valores:

(0,43; 0,45 e 0,46). Estes valores deveriam ser ou não corroborados posteriormente pelos

resultados dos ensaios de abatimento e espalhamento.

Justifica-se a adoção de três valores (0,4%, 0,6% e 0,8%) estabelecidos para o

percentual de superplastificante, estando o primeiro destes abaixo, o segundo no valor

equivalente, e o terceiro deles acima do ponto de saturação.

O valor de 0,4% apresenta-se como aquele que se encontra abaixo do ponto de

saturação (PS), cujo valor é 0,6%. Já o valor de 0,6% é aquele que se encontra no PS, onde

podemos considerar a amostra como saturada. Por fim, temos um ponto acima de PS, cujo

valor %SP iguala 0,8%.

A Tabela 8 apresenta a matriz de experimentos adotada na pesquisa.

54

Tabela 8 - Matriz de experimentos final

Para análise dos resultados serão adiante denominadas “amostras insaturadas” aquelas

abaixo do ponto de saturação (no presente estudo quando %SP=0,4), “amostras saturadas”

aquelas próximas ou exatamente no ponto de saturação (no presente estudo quando

%SP=0,6) e “amostras supersaturadas” aquelas acima do ponto de saturação (no presente

estudo quando %SP=0,8). (RIBAS et al., 2017)

5.3. Dosagem dos concretos

Os concretos utilizados para as seções que seguem atenderam à dosagem segundo a

matriz de variáveis do programa experimento. As variáveis de estudo apresentadas, que se

tratam justamente das linhas e colunas da referida matriz, foram respectivamente o

percentual de superplastificante e o fator água-cimento.

Como dosagem de referências, optou-se pelo concreto de altíssima resistência estudado

por Formagini (2005) e do concreto similar produzido por Rambo (2012), ambos obtidos

através de método de dosagem científica. Uma composição das duas dosagens foi realizada

de forma a obter uma específica para o presente trabalho.

As alterações realizadas na dosagem do concreto de Formagini e Rambo foram:

Substituição do cimento CPV ARI (Alta Resistência Inicial).

Adoção de areia natural em diâmetro máximo de 4,75mm

Exclusão das Fibras de Wollastonita e Aço

55

A substituição do cimento se deu em decorrência do objetivo de alcançar uma maior

resistência nas fases iniciais de repouso, característica deste tipo de cimento, face à

necessidade de aplicação do concreto ao corte ainda em estado fresco.

A adoção de areia em estado natural visa a simplificação de aplicação prática futura da

tecnologia. Atende-se, entretanto, à uma limitação quanto ao uso de agregado graúdo na

mistura, dada a sua consequente inviabilização do procedimento de corte na presença das

britas na matéria prima. Sendo assim, foi adotada granulometria dos agregados não superior

a 4,75mm.

A exclusão das fibras, que estavam presentes nas dosagens de referência citadas, parte

do conceito de que a sua presença no concreto dificultaria o trabalho de corte e

comprometeria a qualidade das faces recortadas, já que as fibras carregariam os outros

materiais ao serem submetidas ao esforço realizado pela ferramenta de corte.

Segundo Epg (2005) os aditivos promotores de viscosidade são utilizados para auxiliar

na redução da segregação, da exsudação e da sensibilidade da mistura a variações em sua

composição, especialmente com relação ao teor de umidade. Assim, a fim de evitar tais

fenômenos, optou-se por manter este aditivo na mistura.

As dosagens realizadas atenderam ao propósito de cada ensaio, de forma que os

materiais foram calculados proporcionalmente segundo o volume de concreto necessário e

os valores esperados para as variáveis de estudo.

As Tabelas 9 a 17 a seguir mostram as dosagens utilizadas em cada etapa do trabalho.

Tabela 9 – Traço utilizado na mistura 1.1. %SP igual a 0,4% e A/C igual a 0,43

Materiais Fração

Volumétrica Massa (Kg/m³)

Areia natural – tamanho máximo 4,75mm 0,5207 1196,3

Sílica 325 0,0226 59,9

Cimento CP-V ARI 0,1588 500,0

Cinza Volante (POZO FLY) 0,0618 143,8

Sílica Ativa (SILMIX) 0,0171 38,5

Superplastificante (Glêniuim 51) - Sólidos 0,0018 2,0

Modificador de viscosidade (Rheomac UW 410 - BASF) 0,0002 0,3

Água 0,2171 215,0

SOMA 1,0000 2155,7

Parâmetros de dosagem Valor

Percentual de superplastificante (%SP) 0,4

Relação água/cimento (A/C) 0,43

Relação água/materiais cimentícios (A/MC) 0,31

56

Tabela 10 - Traço utilizado na mistura 1.2. %SP igual a 0,4% e A/C igual a 0,45

Materiais Fração



Sílica 325 0,0223 59,6






Água 0,2259 225,4

SOMA 1,0000 2159,3






Materiais Fração



Sílica 325 0,0222 59,5






Água 0,2298 230,1

SOMA 1,0000 2160,9





57


Materiais Fração



Sílica 325 0,0226 59,9






Água 0,2169 215,0

SOMA 1,0000 2157,0






Materiais Fração



Sílica 325 0,0223 59,6






Água 0,2257 225,4

SOMA 1,0000 2160,6





58


Materiais Fração



Sílica 325 0,0222 59,5






Água 0,2296 230,1

SOMA 1,0000 2162,2






Materiais Fração



Sílica 325 0,0225 59,9






Água 0,2168 215,1

SOMA 1,0000 2158,3





59


Materiais Fração



Sílica 325 0,0223 59,6






Água 0,2255 225,4

SOMA 1,0000 2161,9






Materiais Fração



Sílica 325 0,0221 59,5






Água 0,2293 230,1

SOMA 1,0000 2163,5





60

5.4. Espalhamento e abatimento

A medida do abatimento foi tomada conformidade com os procedimentos descritos em

seção anterior. As amostras apresentaram faixa de variação que compreenderam desde

pequenos abatimentos, quando da ocasião de mistura mais seca ,conforme Figura 38, até

amostras como maiores abatimentos, quando utilizadas misturas mais fluidas, conforme

Figura 39.

(a)

(b)

Figura 38 - Detalhe do procedimento de medição do abatimento e espalhamento em mistura mais seca. (a)

Abatimento. (b) Espalhamento

Figura 39 – Detalhe do espalhamento da mistura mais fluida

São apresentados o abatimento e espalhamento para cada mistura da matriz de ensaios

através da Tabela 18 e da Tabela 19, respectivamente. As medidas são apresentadas em

porcentagem da medida inicial, sendo a altura para o abatimento e o diâmetro para o

espalhamento.

61

Tabela 18 - Abatimento do tronco de cone com relação à altura inicial.

A/C

0,43 0,45 0,46

% S

P 0,4 14% 42% 30%

0,6 49% 65% 68%

0,8 60% 75% 77%

Tabela 19 - Espalhamento máximo do tronco de cone com relação ao diâmetro inicial.

A/C

0,43 0,45 0,46 %

SP

0,4 8% 35% 16%

0,6 24% 65% 105%

0,8 57% 103% 108%

Diante dos resultados pode-se perceber que a faixa de valores adotados se mostra

conveniente para os objetivos propostos já que se puderam obter resultados que variaram

entre 14% e 77% de abatimento, e entre 8% e 108% de espalhamento, o que se mostra

bem abrangente. Assim, apresentam-se para estudo amostras com características desde as

mais consistentes até as mais fluidas, fornecendo desta forma mais opções de escolha.

Um espalhamento de 108% significa que aproximadamente o dobro de seu diâmetro

inicial foi atingido ao se retirar o molde, sendo julgado por este estudo como um bom

extremo para a consistência mais fluida. Similarmente, um espalhamento de 8% representa

um valor que sequer atinge a segunda casa decimal, mas que permite ainda um pequeno

trecho para ganhar consistência ao longo do tempo de espera até o corte. Em termos

práticos, julga-se então como um bom extremo para a consistência menos fluida do material.

Portanto, concluiu-se por estes resultados que os intervalos de variação para o fator

água-cimento mostraram adequados ao estudo proposto, dado que o espalhamento das

amostras variou entre 8 e 108%, estando tal intervalo satisfatório para uma aplicação onde o

material fresco não pode apresentar grandes deslocamentos, como é o caso do Concreto

Fresco 2D.

5.5. Limite de escoamento no tempo

De posse da matriz de variáveis definida pelo programa experimental, os ensaios para

obtenção do limite de escoamento de cada um dos seus elementos foram realizados de

maneira a investigar o comportamento no tempo destas misturas. Foram estabelecidos para

análise os tempos T0, T15, T30, T45, T60, T90 e T120, que correspondem respectivamente

pelos tempos de 0, 15, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos.

62

Para escolha das palhetas foi observado o limite do equipamento em cada mistura

utilizada. Como para cada mistura foram investigados tempos diferentes de repouso do

material, o que levava a limites de escoamento maiores nos tempos maiores, tornou-se

necessária a diminuição do tamanho da palheta quando o limite do equipamento era

superado. Quando o resultado extrapola o limite do equipamento mesmo utilizando-se a

menor palheta, o tempo correspondente é então descartado do programa experimental.

Assim, mostram-se através da Tabela 20 os números das palhetas utilizadas para os

ensaios, onde a representação da mistura refere-se ao elemento correspondente da matriz

de experimentos da Tabela 8.

Tabela 20 - Palhetas utilizadas para ensaios no Reômetro

Mistura Tempo(s) de repouso Palheta

1.1 T0, T15, T30 V74

1.2 T0, T15, T30, T45 V74

1.3 T0, T15, T30, T45, T60 V74

2.1 T0, T15, T30, T45, T60, T90 V74

2.2 T0, T15, T30, T45, T60, T90 V74

2.3 T0, T15, T30, T45, T60, T90, T120 V74

3.1 T0, T15, T30 V75

3.1 T45, T60, T90, T120 V74

3.2 T0, T15, T30 V75

3.2 T45, T60, T90, T120 V74

3.3 T0, T15, T30 V75

3.3 T45, T60, T90, T120 V74

A matriz de variáveis apresenta duas variáveis de estudo, o percentual de

superplastificante (%SP) e o fator água-cimento (A/C), sendo assim, foram realizadas duas

análises de dados, de forma a exibir os dados com uma das variáveis fixas em um valor,

com a segunda variando em conformidade com a matriz.

Os ensaios possibilitaram obter o limite de escoamento para cada uma das misturas,

tendo sido cada uma delas realizadas três vezes. Serão apresentados a seguir os

resultados médios obtidos.

A primeira bateria de resultados se apresenta de forma a fixar %SP e variar A/C. A

Figura 40 apresenta curvas que relacionam o limite de escoamento do material com o tempo

de repouso esperado até o início do ensaio. O eixo vertical corresponde ao limite de

escoamento do material, o eixo horizontal o tempo de repouso. Três curvas são plotadas

em cada gráfico, representando as três variações do fator A/C analisadas, além da reta

63

horizontal superior, que corresponde à tensão na qual se atinge o limite do equipamento

utilizado para análise.

(a)

(b)

(c)

Figura 40 – Curvas típicas do limite de escoamento no tempo para misturas com mesmo %SP e diferentes A/C,

linha de valor máximo leitura do equipamento em 8,8 kPa .(a) curvas para %SP=0,4, abaixo do ponto de

saturação. (b) curvas para %SP=0,6, aproximadamente no ponto de saturação.(c) curvas para )%SP=0,8, acima

do ponto de saturação.

Pode-se observar através do gráfico da Figura 40 (a) que as misturas que se encontram

abaixo do ponto de saturação apresentam um limite de escoamento com considerável

dependência do fator agua cimento, dado que para a curva com fator a/c igual a 0,46, ou

seja, o maior dos valores estudados, o limite de escoamento (LE) no tempo igual a zero

esteve no intervalo entre de 2,0 a 3,0 kPa e para curva com fator a/c igual a 0,43, ou seja, o

menor dos valores estudados, o limite de escoamento (LE) no tempo igual a zero teve valor

aproximadamente igual a sete, ou seja, aproximadamente 280% maior, fato que se mostra

afirmativo ainda para tempos maiores de repouso, dado que as três curvas apresentaram-se

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

%SP = 0,4

Máx Equip

A/C = 0,43

A/C = 0,45

A/C = 0,46

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

%SP = 0,6

Máx Equip

A/C = 0,43

A/C = 0,45

A/C = 0,46

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

%SP = 0,8

Máx Equip

A/C = 0,43

A/C = 0,45

A/C = 0,46

64

aproximadamente paralelas, mantendo o mesmo comportamento para diversas faixas de

tempo. Este comportamento não ocorreu em (b) e (c), estando os casos de (b)

imediatamente abaixo do ponto de saturação os de (c) acima do ponto de saturação.

No gráfico (b) nota-se que para os instantes iniciais, ou seja, aqueles onde assumiremos

entre 0 a 5 minutos, o limite de escoamento do material não depende do fator A/C, já que os

valores para as suas três curvas se apresentam aproximadamente iguais, com sobreposição

das faixas de valores. Já para os tempos intermediários e finais, na escala de tempo

analisada e mostrada no gráfico, o fator A/C já começa a retomar a sua influência dado o

crescente distanciamento entre as curvas.

No gráfico (c), as curvas apresentam-se praticamente sobrepostas desde os instantes

iniciais até os instantes finais da escala de tempo analisada, evidenciando que não há

grandes influências do fator água-cimento no limite de escoamento do material estando ele

acima do ponto de saturação.

Os gráficos apresentam ainda uma linha horizontal superior, identificada como o máximo

do equipamento. Este valor equivale à tensão calculada para o instante em que o

equipamento mede 110%, ou seja, após o seu limite equivalente a 100% de percentual de

torque, até onde os resultados são confiáveis, conforme descrito na seção 4.3.2,

acrescentando-se ainda uma margem de 10% de tolerância.

A partir da primeira bateria de resultados que, sejam os instantes iniciais, intermediários

e finais, aqueles correspondentes aos intervalos [0min a 15min], [15min a 60min], [60min a

120min] respectivamente, podemos afirmar que:

i. Para misturas abaixo do ponto de saturação do superplastificante, o fator A/C

apresenta grande influência no comportamento reológico do concreto fresco,

especificamente o seu limite de escoamento, tanto para instantes iniciais quanto

aqueles intermediários e finais.

ii. Chegando ao ponto de saturação, a influência da água passa a ser relevante

somente nos instantes intermediários e finais.

iii. Depois de atingido o ponto de saturação, a influência da água passa a não ser

relevante para a reologia nos instantes iniciais, intermediários e finais no intervalo

de tempo analisado.

Estes dados mostram uma forte influência do aditivo superplastificante, já que se pode

inferir que as evidências indicam que a água influencia timidamente na reologia em

comparação ao aditivo quando o material alcança o ponto de saturação.

A segunda bateria de resultados se apresenta de forma a fixar A/C e variar %SP. A

Figura 41 apresenta curvas que relacionam o limite de escoamento do material com o tempo

de repouso esperado até o início do ensaio.

65

(a)

(b)

(c)

Figura 41 - Curvas típicas do limite de escoamento no tempo para misturas com mesmo A/C e diferentes

%SP.(a) curvas para A/C igual a 0,43. (b) cruvas para A/C igual a 0,45. (c)curvas para A/C igual a 0,46.

Pode-se observar através da Figura 41 que uma grande diferença ocorre com relação à

analise anterior, já que nos três gráficos - (a),(b) e (c) – apresentados, as curvas apresentam

distanciamento umas das outras, o que mostra que a variação do %SP produz efeitos para

quaisquer valores de A/C, confirmando o protagonismo da quantidade do aditivo no

comportamento reológico.

Nota-se ainda pela Figura 41 que nos instantes iniciais, quando comparadas amostras

insaturadas perante as saturadas e supersaturadas, o limite de escoamento apresentou

grande variação. Conforme se pode verificar em (a), por exemplo, no tempo igual a zero as

amostras insaturadas apresentaram limite de escoamento na ordem de 7,0 kPa, enquanto

as amostras saturadas e supersaturadas apresentaram conjuntamente valores na ordem de

1,0 kPa. As curvas em (b) e (c) apresentaram aproximadamente este mesmo

comportamento. Conclui-se então que o ponto de saturação representa para esta

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,43

Máx Equip

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,770

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,45

Máx Equip

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,77

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,46

Máx Equip

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,77

66

abordagem o ponto onde ocorre o mínimo valor do limite de escoamento nos instantes

iniciais, na ordem de 1,0 kPa, ou seja, a partir deste ponto não haverá mais decréscimo no

valor de LE.

Nota-se ainda ao mudar do gráfico (a) para o gráfico (b) e em seguida para o (c), ou

seja, em um acréscimo ao A/C, as amostras insaturadas (%SP=0,4) apresentaram

significativas reduções no valor do LE nos instantes iniciais, variando de aproximadamente

7,0 kPa em (a), para aproximadamente 5,0 kPa em (b) e em seguida aproximadamente 3,0

kPa em (c). Já as amostras saturadas e insaturadas permaneceram na ordem de 1,0kPa.

Esta observação corrobora o fato da influência da água ser maior em amostras insaturadas

do que nas demais, conforme visto anteriormente.

A partir dos dados mostrados, pôde-se concluir então que a influência do

superplastificante é maior do que a do fator água-cimento para a aplicação desejada.

5.5.1. Janela de corte

Foram seguidos os passos descritos em seção 4.3.2.1 acima, conforme o mostrado

pelas Figuras Figura 42 e Figura 43. O procedimento foi realizado para cada um dos tempos

de repouso estabelecidos, para todas as misturas da matriz de ensaios. Dois cortes

superficiais foram feito na superfície superior do material, para a sua qualificação. Em

seguida, retirada uma fatia do material com a espátula. A mesma foi suspensa com a mão

de forma a verificar a sua capacidade de se manter tracionada pelo peso próprio, tudo

conforme o procedimento experimental.

Figura 42 - Corte superficial no concreto em beaker de 600ml.

67

(a)

(b)

Figura 43 - Ensaio qualitatativo de corte. (a)retirada de um fielete de material com a espátula. (b)suspensão do

material

Todas as amostras, referentes a cada mistura, em cada tempo de repouso, foram

qualificadas pela qualidade de corte conforme o seguinte:

“Corte ruim”. Quando o corte se fechava total ou parcialmente imediatamente

após o procedimento. (Figura 44);

“Corte bom”. Quando o corte permanece aberto após o procedimento descrito.

(Figura 45);

“Corte ótimo”. Quando o corte permanece aberto e a fatia retirada é capaz de ser

suspensa com a mão sem romper. (Figura 46);

“Corte ineficiente”. Quando ocorre a resistência ao corte no material, ou seja, o

ponto onde há uma dificuldade, mesmo que pequena, de efetuar o movimento

manual com a espátula. No aspecto estético se assemelha a um “corte ótimo”.

(a)

(b)

Figura 44 - Aspecto característico de um corte qualificado como "corte ruim".(a) corte com fechamento total.

(b)corte com fechamento parcial.

68

Figura 45 - Aspecto característico do corte qualificado como "corte bom".

(a)

(b)

Figura 46 - Aspecto característico de um corte qualificado como "corte ótimo". (a) Superfície cortada do material.

(b) detalhe de um filete de material levantado com a mão.

A partir da qualificação de todas as amostras e o cruzamento de dados com os seus

resultados de limite de escoamento (LE) obtidos do Vane Test, identificaram-se os valores

de LE diante dos quais foi possível obter a qualificação de “corte bom” e “corte ineficiente”.

A Tabela 21 apresenta a relação entre a qualidade de corte e o limite de escoamento do

material.

Tabela 21 - Qualificação de corte segundo o limite de escoamento

Qualificação do corte Limite de

escoamento (kPa)

Bom >5,7

Ineficiente >8,8

69

Assim, admitiu-se para os passos seguintes que a janela de corte ideal corresponde ao

intervalo cujo limite de escoamento do material apresente valores entre 5,7kPa e 8,8 kPa.

Esta janela de corte passa a representar então o intervalo aconselhável para a realização do

procedimento, em unidade de tensão. Significa que abaixo dos 5,7kPa a peça cortada não

apresenta boa a capacidade conservar o formato a ela atribuído, e que acima dos 8,8kPa, o

concreto passa adquirir uma resistência tal que um esforço adicional é necessário para

cisalhar a sua estrutura e conferir o formato desejado através do corte, comprometendo

assim a eficiência no uso de energia mecânica aplicada no processo. Diante da janela de

corte, os estudos passam então a possuir enfoque em seu interior, restringindo o universo

da pesquisa a uma faixa delimitada entre dois valores de tensão.

Para que a janela de corte possa ser expressa em função do tempo é necessário o

conhecimento da relação entre a tensão de escoamento do material e o tempo, para cada

um dos elementos da matriz de ensaios, ou seja, para cada mistura estudada. Através de

uma análise gráfica, realizada com o auxílio do Microsoft Excel, podemos traçar a linha de

tendência linear e obter uma equação que relacione estas variáveis.

A Figura 47 apresenta as linhas de tendências e suas respectivas equações para cada

uma das curvas obtidas dos ensaios de reologia.

A Tabela 22 apresenta em forma de matriz, as equações obtidas a partir da análise

gráfica, de forma que cada um dos seus elementos corresponde ao elemento de mesma

posição na matriz de ensaios. Então, para cada uma das dosagens, obteve-se em equação

de reta tal que podemos facilmente mudar a variável em evidência.

70

(a)

(b)

(c)

Figura 47 - Linhas de tendência do limite de escoamento ao longo do tempo. (a) curvas para A/C igual a 0,43. (b)

cruvas para A/C igual a 0,45. (c)curvas para A/C igual a 0,46

Tabela 22 - Matriz das equações das linhas de tendências para cada dosagem de estudo.

y = 0,0997x + 7,024R² = 1 y = 0,0978x + 1,85

R² = 0,9215

y = 0,0575x + 0,6699R² = 0,9748

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,43

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,77

y = 0,0967x + 4,3063R² = 0,9622

y = 0,0876x + 0,9429R² = 0,9953

y = 0,0482x + 0,4567R² = 0,9821

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,45

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,77

y = 0,0997x + 2,8905R² = 0,9479 y = 0,055x + 1,0342

R² = 0,9505

y = 0,045x + 0,7232R² = 0,9817

0

2

4

6

8

10

0 15 30 45 60 75 90 105 120

LE(kPa)

t(min)

A/C = 0,46

%SP = 0,39

%SP = 0,58

%SP = 0,77

71

Desta forma, com um tratamento algébrico simples pode-se chegar a uma expressão

para a janela de corte em tempo, para cada uma das misturas estudadas da seguinte forma:

As retas apresentam suas equações características. A expressão (14) contém a

demonstração da expressão genérica obtida a partir da evidencia da variável “tempo” no

lado esquerdo da equação.

As expressões (15) e (16) apresentam as equações para obtenção dos tempos inicial

(𝑡0) e final (𝑡𝑓) em função das tensões de escoamento do material. Assim é possível,

mediante uma substituição de valores, obter a janela de tempo ideal para o corte, para cada

uma das misturas da matriz de ensaios.

𝜏 = 𝑎𝑡 + 𝑏 ⇒ 𝑡 =

𝜏 − 𝑏

𝑎

(14)

𝑡0 =

𝜏 − 𝑏

𝑎 , 𝑡 ≥ 0

(15)

𝑡𝑓 =

𝜏 − 𝑏

𝑎 , 𝑡 > 0

(16)

A Tabela 23 apresenta a matriz obtida após a substituição dos valores tensão de

escoamento da janela de corte em cada uma das equações, obtendo-se assim a janela de

corte em tempo para cada mistura. Cada elemento da matriz apresenta valores

correspondentes a “t0” e “tf” que equivalem a 𝑡0 𝑒 𝑡𝑓 definidos acima e representam,

respectivamente, o tempo inicial e final da janela de corte correspondente.

Tabela 23 - Matriz com a janela de corte para cada mistura correspondente

Para a aplicação do procedimento de corte em nível de produção industrial, é de suma

importância o conhecimento do tempo inicial onde se pode efetuar o procedimento de corte

72

das placas. Este tempo terá impacto, sobretudo, no fluxo das atividades no chão de fábrica,

dado que em um processo produtivo necessita-se que todas as suas etapas sejam

sincronizadas de forma a obter a máxima qualidade e eficiência possível.

É de se observar então que a mistura escolhida será o fator determinante para este

planejamento. Especificamente para este trabalho as duas variáveis de estudo, que

compõem respectivamente as linhas e colunas da matriz apresentada, serão aquelas que

determinarão conjuntamente o tempo onde o corte deverá ser executado.

No intuito de evidenciar como estas variáveis impactam conjuntamente no tempo inicial

de corte, apresenta-se a Figura 48 com uma representação gráfica em escala de

cores/curvas de nível, que corresponde ao tempo inicial de corte ideal para cada uma das

combinações de A/C e %SP. O eixo vertical corresponde ao A/C e o horizontal corresponde

ao %SP. Cada cor correspondente representa o tempo ideal para o corte em minutos.

Observa-se na Figura 48, que o eixo correspondente ao %SP é tocado por diversas

curvas de nível, enquanto o mesmo não acontece no eixo correspondente a A/C. Isto

significa que a variação do tempo de corte em decorrência da variação da quantidade de

superplastificante é muito maior, confirmando a sua maior relevância no estudo.

Figura 48 - Representação gráfica do tempo inicial de corte perante a variação de SP(%) e A/C.

5.6. Distorção de corte

Para os testes de distorção, optou-se por escolher somente uma mistura para a sua

realização, denominada mistura de trabalho. Partiu-se do conceito de que o comportamento

73

da peça ao ser cortada dependeria sobretudo da resistência ao cisalhamento do material,

que a esta altura do trabalho já se apresenta como uma grandeza conhecida e com o

comportamento expresso para cada uma das misturas da matriz através de expressões

algébricas. Com os resultados anteriores, pôde-se conhecer como esta resistência se

comporta em cada uma das misturas, ao longo do tempo, e estabelecer equações que

relacionem estas grandezas. Desta maneira, basta avaliar o comportamento de uma mistura

de trabalho e generalizar as conclusões obtidas às demais, dado que todas possuem a

mesma janela de corte em tensão.

Em outras palavras, a janela de corte em tensão é um dado único válido para todas as

misturas e ao se alternar entre as misturas, muda-se somente o tempo necessário para o

início e o término em que esta janela vai ocorrer. Assim, toda e qualquer conclusão que se

possa obter representará um dado sobre o corte realizado perante um determinado valor de

resistência ao cisalhamento do concreto. Desta forma, conclusões obtidas sobre os testes

de distorção para uma mistura podem ser facilmente transportadas e/ou assumidas para as

demais misturas a partir das relações anteriormente estabelecidas entre as grandezas

tempo, tensão e dosagem.

Portanto, para escolha da mistura de trabalho todas as misturas da matriz inicialmente

apresentaram-se plausíveis de utilização, dado que em todas elas consegue-se trabalhar no

interior da janela de corte (entre 5,7 kPa e 8,8 kPa), bastando-se somente respeitar a janela

de corte em tempo em que estas resistências ocorrem, que varia para cada uma delas,

conforme mostrado anteriormente pela Tabela 23.

Assim, resta a liberdade de utilizar o critério de escolha mais conveniente à aplicação

desejada, que no presente caso consistiu em um tempo de início de corte que não fosse

demasiadamente longo a ponto de se ter um processo moroso, e nem demasiadamente

curto a ponto de comprometer a segurança e a qualidade de execução tarefas realizadas.

Julgou-se como conveniente um tempo de início de corte em torno de trinta minutos.

Desta forma foi adotada a mistura 1.3 da matriz de experimentos como mistura de

trabalho, caracterizada por uma relação água-cimento igual a 0,46 e percentual de

superplastificante igual a 0,4. A sua janela de tempo ideal de corte foi apresentada pela

Tabela 23 como o intervalo compreendido entre 28 e 59 min. Convencionou-se, portanto, a

realizar experimentos de cortes para estas amostras com tempos de 15, 30, 45 e 60

minutos, de maneira a adotar valores múltiplos para facilitação do ensaio, além de

incorporar um tempo que não esteja no intervalo de tempo da janela de corte, para base de

comparação dos resultados.

74

As peças foras moldadas em uma única placa e posteriormente cortadas individualmente

com o aro metálico, segundo cada tempo de repouso, conforme a Figura 49. A Figura 50

apresenta as mesmas peças após a sua divisão em partes na serra de bancada.

Figura 49 - Placas cortadas pelo aro metálico com uma mistura, porém nos tempos equivalentes a 15, 30 ,45 e

60 minutos.

Figura 50 - Peças cortadas em quatro partes para medição da distorção em cada face.

Os resultados da medição da distorção das amostras no interior da janela de corte são

apresentados através da Tabela 24. A nomenclatura das amostras corresponde ao seu

número de mistura segundo a matriz de ensaios, seguida pelo tempo em minutos em que a

peça permaneceu em repouso até o procedimento de corte pelo aro metálico.

Tabela 24 - Distorção total de amostras submetidas ao corte segundo o seu tempo de repouso no interior da

janela de corte.

Amostra Dtot (%)

1.3 – T30 3,5%

1.3 – T45 3,5%

1.3 – T60 2,7%

Para o tempo de 15 minutos, fora da janela de corte, a distorção totalizou (4,3%),

expressão uma distorção superior à média da distorção no interior da janela (3,2%). Ao

efetuar o procedimento dentro da janela de corte, ou seja, após 30 minutos em diante, a

75

distorção apresentou um valor menor (3,5%), que se manteve no tempo de 45 minutos. Já

no fim da janela, este valor de distorção reduziu a (2,7%), o que significa uma melhora na

qualidade dimensional das peças no fim da janela. A tentativa de realização de corte fora de

sua janela, para além dos 60 minutos, especificamente aos 75 minutos de espera, resultou

em esforço manual adicional necessário, causando aparente dificuldade na sua realização,

o que pôde ser entendido como ineficiência.

5.7. Catálogo de defeitos

A Figura 51 apresenta uma das placas obtidas pelo processo, em formatos de tiras

retangulares obtidas a partir do corte reto e linear. A partir da observação do processo de

corte e da aparência final destas placas, foram levantados os defeitos para composição do

catálogo.

Figura 51 - Placa bidimensional obtidas por corte manual linear

Os defeitos forma divididos em quatro categorias: “Dimensional”, quando ocasiona

defeitos na dimensão da peça, tornando-a diferente do estabelecido previamente;

“Operacional”, quando ocasiona transtornos durante fase de execução do procedimento de

corte; “Estrutural”, quando o problema decorre da resistência do material a uma determinada

solicitação; “Estético”, quando incorre na aparência final da peça.

Apresentam-se ainda as fases correspondentes a cada defeito, se caracterizando pela

aquela na qual o mesmo ocorre primeiramente ou é percebido a olho nu, que pode ser a

fase de corte ou a fase onde a peça se encontra pronta.

Por fim, foi avaliada a ocorrência tais defeitos quando da realização do corte no interior

da janela de corte equivalente à mistura utilizada, de maneira a obter a informação sobre

quais dos principais defeitos observados são passíveis de ocorrência na janela citada.

Os principais defeitos encontrados são apresentados a seguir:

76

1. Diminuição de espessura - Ao executar o corte em uma reta, observa-se uma

leve perda de altura da placa na região onde o corte se inicia, levando a um

defeito de categoria dimensional. Isto ocorre em decorrência do carregamento de

material pela ferramenta de corte (Figura 52). Este problema foi encontrado em

misturas muito fluidas, antes da janela de corte.

2. Aumento de espessura - Ao executar o corte em uma reta, observa-se um leve

aumento de altura da placa na região onde o corte termina, tornando-se um

defeito de categoria dimensional. Isto ocorre em decorrência do carregamento de

material pela ferramenta de corte (Figura 52). Este problema foi encontrado em

misturas muito fluidas, antes da janela de corte;

3. Interferência entre linhas de corte perpendiculares - Ao executar o corte em um

sentido perpendicular a um corte anterior ocorre uma interferência, fazendo com

que se perca a sua linearidade (Figura 53), levando a um defeito de categoria

dimensional. Os cortes no sentido vertical da figura, realizados primeiro, ficam

deformados após os cortes realizados, no sentido horizontal, realizados depois.

Este problema está relacionado à energia (força) de corte empregada, assim

como natureza e dimensão da ferramenta de corte, podendo ocorrer no interior

da janela de corte;

4. Interferência entre linhas de corte paralelas – Ao executar dois cortes paralelos, o

segundo interfere no primeiro (Figura 54), comprometendo o aspecto

dimensional. O 1º corte sofre o seu fechamento, em decorrência do

deslocamento do material causado pela ação mecânica no 2º corte. Dependente

da distância entre duas linhas, este fenômeno pode ocorrer no interior da janela

de corte.

5. Alargamento do corte nas curvas - Este fenômeno ocorre por causa do formato

da ferramenta de corte. Pode ocorrer um alargamento do corte nas curvas pela

ação da rotação da parte traseira de uma ferramenta de corte que não seja de

seção circula, comprometendo o aspecto dimensional da peça;

6. Acúmulo de material na linha de corte - Ao ser carregado pela ferramenta de

corte, o material se deposita ao longo do caminho traçado (Figura 55).

Dependente principalmente da espessura da ferramenta, pode ocorrer

principalmente no estado mais seco, ao final da janela de corte;

7. Escoamento da face cortada - Após ser cortada, a face escoa por conta do baixo

limite de escoamento do material fresco. Trata-se do fenômeno que causaria um

ângulo ϕ, ilustrado pela Figura 32, em valor tão representativo a ponto de

77

comprometer a qualidade dimensional. Ocorre em cortes realizados antes da

janela;

8. Escoamento por vibração - Caso haja uma vibração da base onde está assente o

material, há um escoamento indesejado do mesmo, fazendo com que o formato

cortado seja totalmente descaracterizado (Figura 56). Pode ocorrer na janela de

corte, inclusive. Associado a um possível manejo inadequado da peça após o seu

corte em ambiente fabril, este defeito sugere que o processo produtivo das peças

deve prever uma transição suave da fôrma entre a área de corte e área de cura

na fábrica onde a tecnologia estiver em aplicação.

9. Irregularidade da face superior - Superfície superior com irregulares

possivelmente pela característica grosseira dos agregados e demais materiais

constituintes e/ou dificuldades no adensamento do material na etapa de

moldagem da placa. Não tem relação com o instante de corte;

10. Bolhas no acabamento - As bolhas são espaços vazios no interior do material,

decorrentes de ar incorporado ao longo do processo e que deixam o registro no

material após a sua secagem (Figura 57). Não tem relação com o instante de

corte;

11. Rugosidade de face cortada - Rugosidade na face cortada associada à

característica grosseira dos agregados e demais materiais constituintes do

concreto. Também pode ser causando por ferramenta de corte inadequada

(Figura 57); A diminuição da granulometria pode ser uma medida a mitigar este

problema. Não tem relação com o instante de corte;

78

Figura 52 - Variação da altura(espessura) em uma placa de concreto fresco submetida ao corte linear. 1 –

diminuição da espessura. 2 – aumento da espessura

Figura 53 - Interferência entre cortes perpendiculares.

Figura 54 - Interferência entre cortes paralelos.

79

Figura 55 - Acúmulo de material na trilha de corte

(a)

(b)

(c)

Figura 56 - Perda de formato do corte pela vibração da superfície de apoio. (a) Material submetido ao corte em

seu formato original, antes de sofrer a vibração. (b) Material no início da vibração da superfície de apoio. (c)

material após sofrer vibração e perder o formato original conferido

Figura 57 - Problemas em peças de concretos fresco cortadas. 11 - Superfície superior irregular. 12 – Bolhas no

acabamento. 13 – Rugosidade na superfície cortada

A Tabela 25 apresenta o resumo dos principais defeitos encontrados durante os testes

realizados, com suas respectivas categoria, fase e informação sobre a ocorrência ou não

quando da realização do corte no interior da janela.

80

Tabela 25 - Catálogo de defeitos em peças submetidas ao corte em estado fresco.

Nº Defeito Categoria Fase Ocorrência na janela de corte

1 Diminuição de espessura Dimensional Corte Não

2 Aumento de espessura Dimensional Corte Não

3 Interferência entre linhas de corte perpendiculares

Dimensional Corte Sim

4 Interferência entre linhas de corte paralelas


5 Alargamento do corte nas curvas (ferramenta não circular)


6 Acúmulo de material na linha de corte

Operacional Corte Sim

7 Escoamento da face cortada Estrutural Corte Não

8 Escoamento por vibração Estrutural Corte Sim

9 Irregularidade da face superior Estético Peça pronta -

10 Bolhas no acabamento Estético Peça pronta -

11 Rugosidade de face cortada Estético Peça pronta -

5.8. Resistência à compressão

Foram ensaiadas amostras referentes às misturas 1.2, 1.3, 2.2 e 2.3. Estas misturas

apresentaram resultados mais convenientes para suas janelas de corte para o caso de uma

produção com interesses econômicos e produtivos, ao passo que possuem tempos que

variam entre o mínimo valor de 15min da mistura 1.2 ao máximo caso onde a janela termina

2h20min, para a mistura 2.3. Esta faixa abrangência para o tempo é o suficiente para se

delimitar a necessidade da caracterização mecânica a essas quatro misturas, tendo assim

sido adotado o critério de escolha para esta caracterização.

Três amostras de cada mistura foram ensaiadas, de forma a obter um valor médio para

as grandezas tensão de ruptura e módulo de elasticidade secante. As amostras foram

ensaiadas até a sua ruptura (Figura 58).

.

81

Figura 58 - Corpo de prova com trasndutores elétricos.

A Figura 59 mostra os corpos de prova após o seu rompimento.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 59 - Corpos de provas após o ensaio mecânico. (a) mistura 1.2. (b) mistura 1.3. (c) mistura 2.2. (d) mistura

2.3

A Tabela 26 apresenta os resultados obtidos pela análise dos dados oriundos do ensaio

mecânico. A grandeza “fc” representa a tensão de ruptura à compressão da mistura aos 28

dias, e a grandeza “E” o seu módulo de elasticidade na mesma idade.

82

Tabela 26 - Tensão de ruptura (fc) e Módulo de elasticidade (E) para cada mistura equivalente, aos 28 dias.

Mistura fc (Mpa) E (Gpa)

1.2 67,37 ± (5,92) 33,16 ± (3,05)

1.3 60,99 ± (4,96) 31,68 ± (1,10)

2.2 76,82 ± (4,33) 36,92 ± (3,51)

2.3 71,39 ± (7,92) 34,75 ± (0,60)

A Figura 60 apresenta de forma gráfica a resistência à compressão aos 28 dias de cada

mistura, já a Figura 61 apresenta similarmente os seus módulos de elasticidade.

Figura 60 - Resistência à compressão aos 28 dias

Figura 61 - Módulo de eslasticidade aos 28 dias

A variação do A/C afeta a resistência mecânica do concreto, dado que a resistência

mecânica do concreto tende a ser menor tal qual maior é a quantidade de água na mistura.

No entanto, os intervalos de variação dos resultados mostraram-se sobrepostos entre as

misturas analisadas, obtendo-se uma resistência aproximadamente uniforme, não

permitindo uma conclusão estatística a respeito desta afirmativa.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

1.2 1.3 2.2 2.3

Resis

tência

à c

om

pre

ssão

(MP

a)

Misturas

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

1.2 1.3 2.2 2.3

Módulo

de e

lsaticid

ade (

GP

a)

Misturas

83

6. DISCUSSÃO GERAL

A linha de atuação para estudo a respeito da matéria prima utilizada na tecnologia CF2D

teve enfoque na reologia do material, no caso o concreto fresco.

Uma dosagem de referência foi necessária para ponto de partida, com modificações

consistentes que permitiram a aplicação proposta. Os concretos de Formagini (2005) e

Rambo (2012) mostraram-se bastante adequados para o ponto de partida deste trabalho,

dado que com as modificações efetuadas os resultados puderam ser alcançados.

No âmbito da reologia, assumiu-se certeiramente no presente estudo que o fator água-

cimento, o aditivo superplastificante e o tempo de espera até o corte se apresentam como

principais influências no limite de escoamento do material. Estas três variáveis de estudo:

%SP, A/C e t, foram consistentemente estudadas, onde as duas primeiras se referem ao

material e fizeram parte da matriz de ensaios, enquanto a terceira se refere ao processo de

corte. Dado o enfoque inicial sobre o material, se necessitava definir os valores numéricos

para %SP e A/C, para composição da matriz de ensaios.

O resultado do ponto de saturação, que se mostrou bem definido em (0,6%), serviu de

balizamento para definição dos valores de %SP, definidos para (0,4%, 0,6% e 0,8%), cujas

amostras foram definidas respectivamente como “Insaturadas”, “Saturadas” e

“Supersaturadas”.

Os valores de A/C (0,43; 0,45 e 0,46), que inicialmente foram definidos por inspeção tátil

visual, foram confirmados pelos resultados dos ensaios de abatimento e espalhamento e se

mostraram adequados ao estudo proposto, dado que o espalhamento das amostras variou

entre 8 e 108%, estando tal intervalo satisfatório para uma aplicação onde o material fresco

não pode apresentar grandes deslocamentos, como é o caso do concreto fresco 2D.

Algumas observações importantes puderam ser extraídas do estudo da reologia do

material:

O %SP apresentou-se mais influente no tempo de corte do que o fator A/C;

Foi possível identificar os valores para a janela de corte, estabelecido no intervalo

entre 5,7 kPa e 8,8 kPa;

O início da janela corte necessita ser investigado mais a fundo através de

experimentos de corte;

A influência do %SP sobre a reologia se mostrou determinante no concreto, ou seja, a

sua variação confere reflexos nos resultados em todos os casos. No caso do fator A/C, sua

influência na reologia do concreto se apresentou de forma relativa, ou seja, dependente da

condição e saturação da amostra.

84

A Tabela 27 apresenta uma síntese das conclusões a respeito da influência do fator

água-cimento, relacionado ao teor de superplastificante.

Tabela 27 - Influência do fator água-cimento na reologia do concreto em função do teor de aditivo

superplastificante na mistura.

Teor de superplastificante

Influência do fator A/C

Instante inicial (0<t<15)

Instantes intermediários

(15<t<60)

Instantes finais

(60<t>120)

Abaixo do ponto de saturação

Alta Alta Alta

No ponto de saturação Baixa Média Alta

Acima do ponto de saturação

Nenhuma Baixa Baixa

A janela de corte para o CF2D apresentou o intervalo compreendido entre 5,7 kPa e 8,8

kPa de limite de escoamento do material como o intervalo ideal para o procedimento. Estes

valores podem ser convertidos em uma janela de tempo equivalente de acordo com cada

dosagem adotada. As relações entre a janela de corte em tempo e tensão mostraram-se

satisfatórios ao passo que uma equação foi obtida para cada dosagem da matriz.

A respeito especificamente dos extremos da janela, o início foi determinado segundo o

instante em que peças cortadas tornaram-se em “corte bom” segundo a o método de

qualificação proposto e o fim de corte foi determinado pelo momento em que as amostras

apresentaram uma resistência empírica, ao corte manual.

Quanto o momento ideal de corte no interior da janela, convém salientar que a qualidade

desejada da peça depende de sua aplicação, e que esta relação será determinante para o

estabelecimento deste momento ideal. Por outro lado, a escolha pelo cortar nas fases

iniciais da janela possibilitaria o encaminhamento do material excedente para reuso em

outra placa, já que o material ainda estaria apto para o procedimento antes do término do

tempo ideal.

A definição exata dos valores em tensão dos extremos da janela, ou seja, os seus

valores inicial e final, mostraram-se confiáveis e aplicáveis a fins de produção industrial por

esta tecnologia. Porém, é importante salientar que postergar o fim da janela de corte, ou

seja, admitir um fim de janela para além dos 8,8kPa tornará o material mais resistente ao

cisalhamento, e por consequência, contribuirá para uma diminuição da distorção, conforme

já se pode perceber pelos resultados obtidos.

85

O fato de que, no fim da janela de corte, a distorção apresenta uma redução, deve-se ao

acréscimo no limite de escoamento do concreto, que apesar de conferir uma menor variação

dimensional para a peça final, confere também uma resistência mais acentuada ao corte, o

que pode representar mais energia necessária a este procedimento. Evidencie-se aqui a

importância do entendimento a respeito da relação entre a qualidade de corte e energia

gasta para tal, já que maior resistência implica em maior esforço para o procedimento.

Entendeu-se ainda que a janela de corte se apresenta como um dado confiável, já que

houve melhora na qualidade das peças quando cortadas dentro de seu intervalo. Este fato

pode ser justificado quando a ordem de grandeza para a distorção no interior da janela de

corte se manteve em torno de 3,2%, ao passo que imediatamente fora da mesma a

distorção apresentou aumento da ordem de grandeza para a faixa de 4,3%.

De maneira geral, conclui-se que os resultados para a distorção foram satisfatórios, ao

passo que os valores apresentaram-se em conformidade com as determinações sobre

tolerância dimensional segundo a NBR ISO 2768-1.

A Tabela 28 apresenta as tolerâncias angulares conforme à classe de tolerância de

qualidade normal de fabricação. Os dados desta tabela são utilizados como referência para

desenhos e fabricação de peças ou outros utensílios para aplicações diversas, dentre elas

peças mecânicas, onde caracteristicamente se dispõe de maior rigor dimensional que na

construção civil. A tabela é dividida em três classes de acabamento, sendo o acabamento

fino considerado o melhor acabamento. Para cada classe de acabamento, pode-se observar

em cada coluna da tabela uma tolerância angular de acordo com a menor dimensão linear

de onde é aferido o ângulo, ou seja, o seu menor lado.

Tabela 28 - Afastamentos admissíveis para dimensões angulares. Adaptado de NBR ISO 2768-1

Classe de acabamento

Menor dimensão (cm)

<1cm 1 a 5 5 a 12 12 a 40 >40

Tolerância angular (°)

fino/médio 1,00 0,50 0,33 0,17 0,08

grosso 1,50 1,00 0,50 0,25 0,17

muito grosso 3,00 2,00 1,00 0,50 0,33

Ao efetuar o cálculo da tangente de cada ângulo admissível da Tabela 28, obtém-se

então uma tolerância em termos de distorção admissível, já que por definição, a medida de

distorção das peças refere-se à tangente do ângulo ϕ, conforme descrito na seção 4.3.4

acima.

A Tabela 29 apresenta o resultado para as distorções admissíveis segundos as classes

de acabamento da NBR ISO 2768-1, de acordo com a medida observada de X, diferença

86

entre a base maior e a base menor da seção trapezoidal da peça cortada (ver Figura 35).

Esta medida de X, que nas peças cortadas se apresentou da ordem de 0,7mm a 1mm, é

sempre inferior à altura da peça (que variou na ordem de 1,7 a 2,0 cm), desta forma X é o

menor lado do ângulo avaliado. Logo, para o presente caso onde os valores de X são

menores que 1 cm, os valores grifados na tabela representam os aplicáveis a este estudo.

Tabela 29 - Distorção admissível para peças segundo as classes de acabamento

Classe de acabamento

X (cm)

<1cm 1 a 5 5 a 12 12 a 40 >40

Distorção admissível (%)

fino/médio 1,7% 0,9% 0,6% 0,3% 0,1%

grosso 2,6% 1,7% 0,9% 0,4% 0,3%

muito grosso 5,2% 3,5% 1,7% 0,9% 0,6%

O valor da distorção ao final da janela de corte, calculado 2,7%, mostra um acabamento

grosso, porém cujo valor se encontra no interior da Tabela 29. A NBR ISO 2768-1 afirma

ainda que a função da peça, ou seja, a sua aplicação, geralmente permite uma tolerância

maior que a tolerância geral e recomenda a rejeição de peças que excederem a tolerância

geral apenas quando o funcionamento estiver comprometido, uma análise de aplicação será

necessária para adequação destas tolerâncias.

Desta forma, pode-se concluir que os valores obtidos para a distorção foram

satisfatórios, ainda que passíveis de estudos sobre a sua diminuição através de um novo fim

de janela de corte. Conclui-se também que a tolerância à distorção pode ser maior em face

de uma função da peça em que não seja exigida grande precisão, o que tornariam estes

resultados ainda mais consistentes.

Na elaboração do catálogo de defeitos ficou evidenciado que, ainda que seja realizado o

procedimento no interior da janela de corte, defeitos podem ocorrer, em sua maioria como

consequência da relação entre a ferramenta de corte e características reológicas do

material. A necessidade do aprofundamento sobre as características adequadas para esta

ferramenta se tornará maior à medida que houver necessidade do refino das características

estéticas e dimensionais da peça.

O catálogo de defeitos servirá como uma boa base para identificação de problemas de

produção e uso, no caso de uma aplicação industrial deste estudo. O fato de terem sido

abordados os aspectos Dimensional, Operacional, Estrutural e Estético, mostrou-se

satisfatoriamente abrangente a etapas variadas do ciclo produtivo de uma peça.

87

Tais aspectos podem estar diretamente relacionados com, respectivamente, a

aplicação/adaptabilidade das peças em um determinado conjunto ou obra, a sua

exequibilidade em ambiente fabril, a adequação da matéria prima aos esforços solicitantes

durante e após sua produção, a apresentação da peça em seu estado bruto como elemento

decorativo ou arquitetônico. Desta maneira este catálogo norteia alguns desafios a serem

vencidos para implantação e uso do CF2D, evidenciando aqueles em que podem ocorrer no

interior da janela de corte.

Quanto à resistência mecânica à compressão, o material apresentou valores da ordem

de 60 MPa a 70 MPa. A resistência à compressão simples aos 28 dias não se mostrou

afetada diretamente pelas duas variáveis de estudo da matriz de ensaios: %SP e A/C. As

variáveis estudadas não exerceram influência significativa no desempenho mecânico do

concreto ao passo que os intervalos de resultados entre amostras de diferentes dosagens

se mostraram sobrepostos.

No âmbito do desenvolvimento tecnológico gerado pela pesquisa, cabe enquadrá-lo em

uma escala adequada que expresse o seu estágio atual, ou seja, uma forma de avaliar

dimensão da massa de conhecimento adquirida, conceitos estabelecidos e da necessidade

futura quanto à pesquisa e desenvolvimento da matéria em questão.

Tecnologias desenvolvidas podem ser classificadas segundo uma escala conhecida

como TRL (Technology Readiness Levels), que traduzido para o português significa “Escala

de Maturidade Tecnológica”. Esta escala apresenta nove níveis progressivos de maturidade.

(BANKE, 2015)

A Tabela 30 apresenta os níveis de maturidade tecnológica, bem como a suas condições

de classificação definidos pela agencia americana. Nela, apresenta-se a identificação em

negrito do nível equivalente a este trabalho.

Tabela 30 - Classificação TRL do presente trabalho. Adaptado de (BANKE, 2015)

Nível Condição

TRL9 Lançamento e teste operacional

TRL8 Sistema completo e qualificado

TRL7 Demonstração em ambiente operacional

TRL6 Demonstração em ambiente real

TRL5 Validação tecnológica em ambiente real

TRL4 Validação tecnológica em laboratório

TRL3 Prova de conceito

TRL2 Formulação do conceito tecnológico

TRL1 Princípios básicos observados

88

Entende-se que o trabalho chegou ao ponto de “prova de conceito”, atingindo assim o

nível (TRL3) da escala. Isto se deu através dos testes de distorção com resultados

compatíveis com a janela de corte teórica, mostrando que as relações estabelecidas

possuem resultados numéricos que as corroboram.

89

7. CONCLUSÕES

No âmbito geral, o trabalho atingiu resultados que permearam as esferas da

investigação, do conhecimento, da inovação, da viabilização e por fim da transmissão de

conhecimento.

A pesquisa na literatura evidenciou uma lacuna referente a prototipagem rápida

subtrativa no campo do concreto digital, fato este que motivou a proposição de ideias. A

inovação surgiu do desafio em solucionar, ainda que em parte, a carência por

desenvolvimento tecnológico da construção civil. Foi através da mesma que fora proposta

uma técnica original para usinagem 2D em concreto fresco, apresentada sob o nome de

“concreto fresco 2D” (CF2D).

As limitações técnicas existentes para subtração de material de uma massa de concreto

se reduzem drasticamente se utilizarmos o material ainda no estado fresco, ou parcialmente

endurecido. O conhecimento da reologia do material e de seus principais agentes de

influência se mostrou essencial para o desenvolvimento da técnica.

Em uma análise sobre o alcance do objetivo principal de avaliar a factibilidade do CF2D,

os resultados trouxeram dados conclusivos nos quesitos: Material - a respeito do caráter

técnico-científico da matéria prima; Operacional - carácter prático do procedimento de corte,

Qualitativo - No que concerne à qualidade do produto final. Podemos destacar, portanto, o

alcance dos seguintes objetivos:

Material: Uma avaliação da relação entre a resistência ao cisalhamento do

material fresco com qualidade do corte foi realizada, obtendo-se a tensão pela

qual o corte se mostra eficaz: 5,7kPa;

Operacional: Foi obtido um intervalo de tempo (janela de corte) tal que o

procedimento de corte seja viável e eficiente para cada dosagem;

Qualitativo: Foi realizado o levantamento das principais dificuldades ou

problemas encontrados no procedimento de corte, para que estudos futuros

possam ser desenvolvidos em complementação ao tema;

Pôde ser notada uma complementaridade entre as etapas efetuadas no

desenvolvimento da pesquisa, onde as decisões tomadas puderam ser fundamentadas em

resultados na sua maior parte mensuráveis. Desta maneira, este trabalho pôde então

transmitir uma estrutura de conhecimento capaz de fornecer subsídios técnicos consistentes

para aplicações presentes e estudos futuros sobre o Concreto Fresco 2D.

Finalmente, com relação ao desenvolvimento tecnológico alcançado por este trabalho, o

nível TRL3 representa um grau satisfatório de desenvolvimento ao passo que se trata de

uma nova tecnologia proposta, cuja viabilidade foi desenvolvida a partir de um estágio

90

embrionário. No entanto, para que o CF2D alcance o TRL4 será necessário o

desenvolvimento futuro de toda a automatização de mecanismo de corte, submetendo o

processo a testes em laboratório para produção de elementos em concreto, assistido por

computador.

Conclui-se finalmente que o CF2D é uma tecnologia iniciada, cujo conceito foi provado, e

cuja viabilidade esta demonstrada cientificamente, sendo esta tecnologia, portanto, passível

de continuidade em seu desenvolvimento.

91

8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

No que se refere a áreas em que houve atuação neste trabalho, embora se tenha

alcançado os resultados esperados, alguns detalhes técnicos necessitam de maior

investigação para melhor entendimento, em prol do avanço tecnológico do CF2D. Itens

específicos e complementares a este trabalho são sugeridos para o seu aprofundamento:

Fim da janela de corte - Viabilidade, vantagens e desvantagens do incremento de

energia no corte, em etapas além do fim da janela.

Influência do modificador de viscosidade na reologia da matéria prima;

Repetir os estudos de distorção para as demais misturas da matriz.

Desenvolvimento da automatização e equipamento para o corte segundo as

etapas contidas na Figura 62.

Figura 62 - Fluxograma do desenvolvimento da CNC Concreto fresco 2D

No desenvolvimento de áreas que complementem este trabalho, sugere-se para o

desenvolvimento de trabalhos futuros a abordagem dos assuntos restantes referentes ao

material e ao processo que são apresentadas pela Tabela 31

Tabela 31 - Áreas de estudo sugeridas para trabalhos futuros

Material Processo

Granulometria dos materiais Ferramenta de corte

Resistência Força de corte

Durabilidade Modelagem

Alto desempenho Automatização

Uso de Compósitos ou Fibras

Resíduos do corte

Automatização do corte unidimensional em

concreto fresco

Fresagem CNC em concreto fresco

Corte CNC em concreto fresco

92

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