OS ENSAIOS MECÂNICOS DO CONCRETO: À QUE ELES SERVEM, E O QUE ELES DIZEM?

Ensaios de materiais

Marco Antônio de Morais Alcantara

Os ensaios mecânicos do concreto... a que eles servem, e quais tipos deles existem?

Muitas vezes, são pouco conhecidos os ensaios para a avaliação da resistência mecânica do concreto, com exceção dos especialistas da área. De modo geral eles são importantes para beneficiar toda a sociedade, assim como, são de interesse para os construtores e empreendedores, para os projetistas, e para o usuário, pois eles envolvem a segurança, ausência de sinistros, a economia de material, e de se evitar o superdimensionamento e o subdimensionamento de estruturas. Os ensaios mecânicos constituem-se em um diálogo com as obras; as perguntas tem que ser bem definidas, e as respostas, devem ser bem entendidas. 

Fatores que podem influenciar nos resultados de ensaios mecânicos e os contextos de avaliação 

Dos ensaios mecânicos se permite com que se obtenham os resultados que desejamos.

Estes resultados poderão variar conforme o tipo de esforço solicitante, o qual implicará na adequação da simulação do experimento, e ainda se pode falar dos condicionantes da execução do ensaio. Da simulação se implica em hipóteses, condições de contorno, e dos condicionantes se pode compreender como o rigor da montagem, os alinhamentos, o modo pelo qual são aplicadas as ações, como por exemplo, a velocidade da cargas, poderão influenciar nos resultados.

Existe um contexto para o ensaio, de modo a se definir a história do material, de modo que, este poderá estar totalmente sendo realizado no laboratório, ou parte dele pode estar integrado á obra, e ainda, na indústria, como nos casos da indústria de pré-fabricados. Isto define a trajetória do material, em termos de suas condições de preparo, adensamento, cura, lançamento e condições de exposição, fatores que influenciar na qualidade e nas características do material.

Os valores alcançados em ensaios de avaliação da resistência do concreto, refletem, então, o procedimento sistemático adotado nos ensaios de ruptura, tanto na condução do ensaio, assim como, desde as condições do preparo dos corpos de prova, e das condições de cura. Neste sentido, são diferentes as condições de um corpo de prova preparado em laboratório, e de um testemunho extraído de uma estrutura, dentro de suas condições de execução e de cura.

As justificativas para a realização de ensaios podem ser diferentes, como, dentro de um estudo tecnológico de otimização do concreto, na avaliação de resistência tendo por fim se realizar a desforma, na avaliação da resistência mecânica tendo por fim se colocar uma estrutura em serviço, e na avaliação da resistência dentro do controle sistemático do concreto.

Aspectos da dispersão dos resultados e um valor alvo para a resistência

 

Os ensaios mecânicos podem buscar, evidentemente, as informações sobre a capacidade portante do concreto, isto é, sobre o quanto ele resiste. 

Esta é a primeira informação que intuitivamente buscamos. Contudo, a informação em si não é completa, sem um processamento de dados que vem da estatística. Deste modo, podemos conhecer não somente os valores médios de resistência, como também a dispersão sobre os resultados. 

O valor médio dos resultados, "fcj", é interessante, contudo, como dito, existe sempre uma dispersão de resultados. Isto permite, para algum deles, um possível distanciamento com relação ao valor médio, dentro de um valor que não desejamos. 

Este distanciamento poderá ser maior ou menor conforme o valor do "desvio padrão", "S".

Como saber se o valor máximo de distanciamento é maior ou menor? De posse do valor médio, e do desvio padrão, obtém-se o "coeficiente de variação", "C%". É uma relação matemática entre o valor do desvio padrão e o valor médio, de forma que:

C%= S/fcj 

O coeficiente de variação pode nos dar noção da qualificação do nosso processo de produção.

A dispersão de resultados é inerente ao modo de produção do concreto, e assume um papel primordial na classificação do "modo de preparo" do concreto, estando intimamente relacionada com as classes de resistência que pretendemos alcançar.

Além do valos médio de resistência mecânica, podemos obter também o chamado "valor característico", "fck" de resistência do concreto. Este é um valor definido pela probabilidade e estatística, e aponta para um determinado valor de resistência particular, que buscaremos, e que apresente uma determinada probabilidade, adotada normalmente em 5%, de que resultados possam potencialmente ocorrer abaixo dele. Em outras palavras, seria: "Qual é o valor de resistência mecânica que apresente 5% de chances, de que valores de resistência ocorrem do lado desfavorável, para esta condição do concreto?". 

A Figura 1 ilustra a disposição dos valores médios de resistência à "j" dias, assim como, o valor característico nesta idade.

Figura 1: Valor médio de resistência e valor característico à "j" dias de cura 

Com base em uma série de resultados, para se determinar o valor característico, é necessário conhecer o valor médio da resistência, o desvio padrão, e ainda precisamos de um coeficiente, o qual depende do número de unidades do experimento. 

No caso, tem-se:

fck= fcj + 1,65 S 

Uma coisa muito importante, é que os conceitos de valor médio e valor característico não sejam confundidos, visto que eles representam coisas diferentes. O projetista de estrutura normalmente adota o valor característico para o cálculo da estrutura, e este valor recebe ainda um coeficiente de minoração, em favor da segurança. Já o tecnologista de concreto, este deve, com base no conhecimento da dispersão de resultados, decorrente do seu processo de fabricação, calcular o valor médio da resistência do concreto, de modo que, o valor característico seja atendido para a obra.

Avaliação da resistência à compressão e a importância deste ensaio no meio técnico

Os ensaios de resistência à compressão do concreto podem ser realizados levando-se os corpos de prova até à ruptura, registrando-se a carga máxima. É a resistência última de ruptura. Pode-se também resgistrar as deformações do corpo de prova, de modo a que, com os valores dos esforços, e das deformações, se conhecer o valor do módulo de elasticidade.

Os ensaios de resistência à compressão simples podem ser utilizados, primeiramente, em estudos de otimização de composições, de modo a se validar composições propostas, a partir de métodos diversos de dosagem. É o que caracteriza o processo de dosagem experimental. 

 

Também, os ensaios de resistência à compressão são utilizados com vistas ao valor da capacidade resistente, no controle sistemático de estruturas (Figura 2), sendo, os corpos de prova, preparados com procedências fundamentadas em áreas de concretagens do edifício, volume de concreto aplicado, e da localização ou proveniência do concreto no caminhão. São "lotes" que são constituídos, de modo a serem representativos para um tipo de concreto. 

Figura 2: Corpos de prova confeccionados para o controle tecnológico do concreto

Tirando a teima...

Dentro de um outro tipo de contexto, são realizados ensaios quando na avaliação de materiais provenientes da extração de corpos de prova, testemunhos, para a verificação da resistência, em caso de dúvidas.

Aos valores de resistência, oriundos de ensaios de preparação de corpos de prova em laboratório, dá-se o nome de "resistência potencial do concreto", enquanto que nos casos de ensaios de testemunhos, se denominam em "resistência real" do concreto.

É claro que, em ambos os casos, os valores dos resultados estão sujeitos à contingências, tais como a forma dos corpos de prova, as dimensões, à influência do diâmetro máximo, às dispersões características; e, no caso de testemunhos, ao local da estrutura, e a sua condição de integridade. 

No caso de testemunhos, existem algumas diferenças com relação aos corpos de prova moldados em laboratório, como, a condição de preparo quando na execução da estrutura, e da cura a que o material foi submetido. poderia se considerar, também, as diferenças com relação às direções e sentidos de concretagem, e a direção dos esforços, no ensaio.

De acordo com Neville (2016), de modo geral, a resistência alcançada para os casos de testemunhos é menor do que às que são alcançadas para os corpos de prova moldados em laboratório, podendo ser da ordem de 0,85 ou mesmo 0,75 vezes a resistência do laboratório.

Algumas influências na qualidade e nos valores dos corpos de prova à base de testemunhos são: interface agregado/pasta, assim como o diâmetro máximo do agregado; a forma do corpo de prova extraído; o local de extração conforme a posição na estrutura, onde possa haver maior riscos de segregação e de exsudação durante a concretagem; direção de concretagem e a direção dos esforços.

Ainda se pode considerar a integridade do material extraído, como testemunho, resultante do processo de extração.

As dimensões do testemunho podem implicar na maior dispersão de resultados, sendo, os de menores dimensões, sujeitos à essa maior dispersão; se requere, neste caso, um número amior de unidades experimentais do que em casos de testemunhos de maiores dimensões. 

A forma do testemunho deve ser preferencialmente similar à dos corpos de prova moldados em laboratório, cilíndricos, da ordem da relação 2:1 para a altura o diâmetro do corpo de prova. 

A relação entre os resultados de resistência mecânica à compressão com outros tipos de avaliações, corroborativas ou comparativas, e as possíveis correlações entre si

Em pesquisas, o valor da resistência mecânica serve para diferenciar alguns benefícios do concreto, em especial quando se propõe a variação da composição, do tipo de adições, da idade de cura, e até mesmo dos cuidados particulares sobre a cura. 

Dos valores alcançados nos ensaios mecânicos, pode-se inferir sobre o grau de cimentação, da redução da porosidade, do entrelaçamento de cristais, e as informações podem ser corroboradas com outras, procedentes de outros tipos de ensaios, como de imagens obtidas em microscópio eletrônico de varredura, de análises térmicas e de raio-X, conforme os contextos particulares.

Os ensaios mecânicos de resistência à compressão podem ter correlação entre si;  ensaios de resistência à compressão simples com os do módulo de elasticidade, e da resistência à tração; ou com os da permeabilidade e da absorção. Na maioria dos casos, um concreto com elevado desempenho mecânico também se constitui em um material menos poroso e menos permeável.

O tempo de cura da obra e o tempo de cura do laboratório

Neville problematiza que: Um ensaio realizado na data padrão de 28 dias diz sobre a resistência do concreto após 28 dias após a concretagem. Este pode estar menos resistente, ou antieconômico. Por isso se torna interessante fazer ensaios que deem indicativos sobre a resistência do concreto um pouco de tempo após a concretagem, e que dê um conhecimento antecipado do valor da resistência aos 28 dias.

Para tanto, pode se recorrer aos métodos de cura acelerada. Cabe também considerar, que existem correlações entre os valores alcançados para a resistência mecânica, dentro das diversas idades de cura.  

A relação entre o desempenho do material com o tipo de esforço solicitante, e as possíveis interferências aleatórias

Os ensaios mecânicos do concreto devem levar em conta o tipo de esforço solicitante.

Um ensaios de avaliação da resistência à tração é realizado por meio da compressão diametral, segundo a geratriz do corpo de prova (Figura 3).

Figura 3: Ensaio de resistência à tração por meio da compressão diametral

Este ensaio apresenta um desempenho favorável, comparado aos ensaios de tração direta, que determinaria a resistência "real" á tração. Contudo, nos ensaios de tração direta, esforços parasitas de flexão são difíceis de serem evitados. 

Também, em casos comparativos com os ensaios de compressão simples, existe, conforme foi dito, correlação entre os valores da resistência à compressão simples e os valores da resistência à tração por meio de compressão diametral. No caso de haver dúvidas, mediante a ocorrência de um valor muito baixo para a resistência à compressão, deve-se certificar sobre as condições dos valores de resistência à tração, dando, assim, um possível indicativo de que houve algum problema de ruptura prematura, mediante condições da desfavoráveis da superfície do corpo de prova, de homogeneidade, de segregação, ou de exsudação.

Não basta saber o quanto o material resiste...

Uma outra questão é: como o material se deforma? 

Sabemos que o concreto tem um comportamento frágil, e que, a sua capacidade de deformação é variável com relação ao nível de solicitação. Uma informação importante, também, é saber como ele se deforma, ou, como quantificar isso, para que se possa fazer uso das informações em projetos. Existem então métodos preconizados para a avaliação da deformação do concreto com relação à variação das tensões aplicadas. São registradas as tensões aplicadas, e a deformação do corpo de prova, mediante a instrumentalização de captores de deformação (Figura 4).

Figura 4: corpo de prova instrumentalizado para a avaliação da tensão e deformação

Os valores da resistência à compressão simples apresentam, normalmente, correlação com os valores do módulo de elasticidade. Quando os valores da resistência à compressão simples tendem a crescer, os valores do módulo tendem também a crescer. Isto está em acordo com o ganho de rigidez do material, que normalmente ocorre com o aumento da resistência mecânica. Se extraordinariamente ocorrer em sentido contrário, o material pode ser considerado mais dúctil. Um exemplo disso foi um caso de concreto com crescentes adições de resíduos de pneu inservível.

Os valores do módulo de elasticidade podem variar também com o tipo de matriz do material. Por exemplo, quando se considera o concreto convencional vibrado e o concreto autoadensável. Não se deve admirar que os valores possam ser maiores para com os casos do concreto vibrado, mesmo apresentando um valor menor de resistência. O teor de pasta, assim como o volume de agregados graúdos, podem influenciar para esta diferença.  

A fragilidade do concreto mesmo quando muito resistente

Os concretos muito resistentes tendem a ser mais frágeis.

Neste sentido, vem um outro tipo de questão: como se dá a ruptura do concreto, brusca, ou gradual?

Como foi dito, o concreto tem comportamento frágil, e este tipo de comportamento é mais acentuado com o patamar mais elevado de resistência, tendência dos últimos tempos de termos concretos assim. É preocupante o fato de que o material apresente elevada resistência mecânica e, porém, tenha ruptura brusca, sem o aviso prévio. 

A ductilidade de estruturas é um assunto relevante, tendo em vista a ocorrência mais frequente de sismos. Uma coisa é o patamar de resistência mecânica, e outra é o trabalho que o material exige para a ruptura. 

A energia absorvida na ruptura é a tenacidade, a qual exprime esta propriedade.  De modo geral, os materiais mais tenazes são os que contém fibras. 

Ensaios de flexão são realizados em vigas prismáticas (Figura 5), de modo a poder compreender o comportamento da variação da flecha com a força aplicada, com a utilização de captores de deslocamento durante o ensaio. São registradas normalmente os valores da força, da flecha e o valor da abertura de fissura. As áreas dos gráficos tensão x deformação ou deslocamento exprimem o trabalho envolvido na ruptura do material, de forma a poder se identificar as condições de ductilidade. 

Critérios são adotados para os julgamentos.

Figura 5: Ensaio de flexão em vigas prismáticas

A contrapartida do concreto na associação com a armadura

Ainda, pensando no caso do concreto como formando um compósito, a solidariedade entre o concreto e o aço é imprescindível. A interação entre o concreto e a armadura é um dos temas relevantes do concreto armado. A aderência entre o concreto e o aço pode variar conforme o tipo de superfície da barra de aço, as condições de confinamento desta, o comprimento de ancoragem, a direção da concretagem, e a resistência à tração do concreto. Ensaios de arranchamento da barra de aço são realizados de modo a se avaliar a força resistente, o deslocamento envolvido, e o modo de ruptura (Figura 6). São observados a fragilidade da ligação concreto-aço, a fissuração interna do concreto em decorrência do arranchamento. Corpos de prova são fabricados com a barra de aço imersa no seu interior, de modo a simular a posição da barra e o sentido da concretagem (Figura 7).

Figura 6: Realização do ensaio de arrancamento "pull-out"

Figura 7: Corpo de prova e armadura preparado para o ensaio de arrancamento "pull-out"

Ensaios indiretos da resistência mecânica

Em alguns casos, se torna inviável realizar os ensaios para avaliar a resistência mecânica, seja através de corpos de prova, ou da extração de testemunhos. os ensaios são então realizados por meios indiretos.

Ensaio por meio da resistência à penetração

Este método utiliza da intervenção de fazer penetrar um pino padronizado na estrutura do concreto, produzido para este fim, por meio de uma energia também padronizada.

O princípio deste método está em que a penetração do pino é normalmente inversamente proporcional ao valor da resistência do concreto.

É necessário o conhecimento da relação entre a penetração alcançada e a resistência do concreto, de modo a se constituir em uma tabela, para orientar os ensaios de resistência à penetração.

Este processo é bastante útil, por exemplo, para os casos de construção de túneis, com o uso do concreto projetado. Neste caso, se pode monitorar a evolução da resistência à compressão, o que, para este tipo de obra, é muito importante.

Ensaios de arrancamento

Este teste se baseia na resistência alcançada para se arrancar um inserto encravado no interior do concreto. A força necessária para o arrancamento é proporcional ao valor da resistência do concreto. Esta é expressa com relação à área do inserto, traduzindo-se pela resistência ao cisalhamento do concreto. Correlação existe entre este os valores da resistência ao cisalhamento e o valores da resistência à compressão do concreto.

  

O desempenho do concreto mediante as contingências do carregamento

Se por um lado podemos pensar em um elemento sendo solicitado por um esforço em particular, pode-se também considerar o caso da força. Até então tem-se falado de solicitações instantâneas, contudo, a força pode ser repetida, com alguma frequência, ou alternada, induzindo o material por um outro tipo de solicitação, o da fadiga. Neste sentido, ensaios são programados com a atuação da força de modo a poder reproduzir o contexto de aplicação.

Ainda, pode-se considerar o efeito de um carregamento permanente. Sabe-se que, quando se faz um descarregamento após um longo período de carga, pode-se observar o retorno do material à sua posição original quando se consideram as deformações elásticas, associadas à carregamento instantâneo, e uma outra parcela. É a fluência do material. Uma parcela da deformação continua como deformação permanente. Ensaios de fluência são realizados com a utilização de carregamentos prolongados, quando então é feito o descarregamento. Em todos os casos avaliadas as deformações. Estes ensaios não são interpretados isoladamente, dos ensaios de retração, de modo que estes são conhecidos como ensaios de retração-fluência.   

para maiores detalhes sobre a execução e contingências dos ensaios de resistência à compressão uniaxial e módulo de elasticidade, e de resistência à tração direta e por meios indiretos acesse em:

ENSAIOS MECÂNICOS DO CONCRETO: CONTINGÊNCIAS E PREOCUPAÇÕES PARA COM AS AVALIAÇÕES DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO UNIAXIAL E DO MÓDULO DE ELASTICIDADE  e ENSAIOS MECÂNICOS DO CONCRETO: COMPARAÇÕES ENTRE OS MÉTODOS PARA A AVALIAÇÃO E O CONHECIMENTO DO VALOR DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

Bibliografia de referência

ANDRADE, J.J.O; TUTIKIAN, B.F. Resistência mecânica do concreto, CONCRETO: CIÊNCIA e TECNOLOGIA, Editor Geraldo C. Isaia-IBRACON, 2011, pg.615-651

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