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Felipy Arantes Castro
1. DNIT MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES DIRETORIA DE PLANEJAMENTO E PESQUISA COORDENAÇÃO GERAL DE ESTUDOS E PESQUISA INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS 2005 Publicação IPR - 714
2. MINISTRO DOS TRANSPORTES Alfredo Pereira do Nascimento DIRETOR GERAL DO DNIT Alexandre Silveira de Oliveira DIRETOR DE PLANEJAMENTO E PESQUISA Luziel Reginaldo de Souza COORDENADOR-GERAL DE ESTUDOS E PESQUISA Wagner de Carvalho Garcia COORDENADOR DO INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS Chequer Jabour Chequer CHEFE DE DIVISÃO - IPR Gabriel de Lucena Stuckert
3. MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
4. REVISÃO Engesur Consultoria e Estudos Técnicos Ltda EQUIPE TÉCNICA: Eng° José Luis Mattos de Britto Pereira (Coordenador) Eng° Zomar Antonio Trinta (Supervisor) Eng° Wanderley Guimarães Corrêa (Consultor) Tec° Marcus Vinícius de Azevedo Lima (Técnico em Informática) Tec° Alexandre Martins Ramos (Técnico em Informática) Tec° Reginaldo Santos de Souza (Técnico em Informática) COMISSÃO DE SUPERVISÃO: Eng° Gabriel de Lucena Stuckert (DNIT / DPP / IPR) Eng° Mirandir Dias da Silva (DNIT / DPP / IPR) Eng° José Carlos Martins Barbosa (DNIT / DPP / IPR) Eng° Elias Salomão Nigri (DNIT / DPP / IPR) COLABORADORES: Eng° Arjuna Sierra (DNIT / DPP / IPR) Eng° Jorge Nicolau Pedro (DNIT / DPP / IPR) Brasil. Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes. Diretoria de Planejamento e Pesquisa. Coordenação Geral de Estudos e Pesquisa. Instituto de Pesquisas Rodoviárias. Manual de pavimentos rígidos. 2.ed. - Rio de Janeiro, 2005. 234p. (IPR. Publ., 714). 1. Pavimento de concreto – Manuais. I. Série. II. Título. Impresso no Brasil / Printed in Brazil
5. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES DIRETORIA DE PLANEJAMENTO E PESQUISA COORDENAÇÃO GERAL DE ESTUDOS E PESQUISA INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS Publicação IPR - 714 MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS 2ª Edição Rio de Janeiro 2005
6. MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES DIRETORIA DE PLANEJAMENTO E PESQUISA COORDENAÇÃO GERAL DE ESTUDOS E PESQUISA INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS Rodovia Presidente Dutra, Km 163 – Vigário Geral Cep.: 21240-000 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (0XX21) 3371-5888 Fax.: (0XX21) 3371-8133 e-mail.: ipr@dnit.gov.br TÍTULO: MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Primeira Edição: 1989 Revisão: DNIT / Engesur Contrato: DNIT / Engesur PG – 157/2001-00 Aprovado Pela Diretoria Colegiada do DNIT em 26 / 07 / 2005
7. APRESENTAÇÃO O Instituto de Pesquisas Rodoviárias do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes, dando prosseguimento ao Programa de Revisão e Atualização de Normas e Manuais Técnicos vem apresentar à comunidade rodoviária o seu Manual de Pavimentos Rígidos, objeto de revisão dos Volumes I, II e III do homônimo Manual do DNER de 1989. A presente edição erradica as normas de pavimentos rígidos que compunham o antigo Manual, que agora revisadas passam a integrar a Coletânea de Normas .do DNIT. Assim sendo este Manual foi integralmente reformulado não só para aperfeiçoar metodologias, como também incluir novas tecnologias que estão sendo adotadas na pavimentação rígida, tais como "Whitetopping e o pavimento estruturalmente armado". Por outro lado, o IPR apreciaria receber quaisquer comentários, observações, sugestões e críticas que possam contribuir para o aperfeiçoamento da técnica e do estado da arte dos pavimentos rígidos, os quais serão analisados e, se for o caso, aproveitados numa próxima edição. Eng° Chequer Jabour Chequer Coordenador do Instituto de Pesquisas Rodoviárias Endereço para correspondência: Instituto de Pesquisas Rodoviárias A/C Divisão de Capacitação Tecnológica Rodovia Presidente Dutra, Km 163, Centro Rodoviário, Vigário Geral, Rio de Janeiro CEP – 21240-330, RJ Tel.: (21) 2471-5785 Fax.: (21) 2471-6133 e-mail: ipr@dnit.gov.br
8. SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .......................................................................................................... 3 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 11 2. MATERIAIS PARA CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND ............................... 15 2.1. Estudo dos Agregados ............................................................................... 17 2.1.1. Introdução ....................................................................................... 17 2.1.2. Estudo Geológico ............................................................................ 18 2.1.3. Prospecção de Jazidas e Pedreiras ................................................ 19 2.1.4. Caracterização Tecnológica ............................................................ 22 2.2. Estudo do Cimento Portland ....................................................................... 26 2.2.1. Introdução ....................................................................................... 26 2.2.2. Seleção das Fontes de Abastecimento ........................................... 28 2.2.3. Caracterização Tecnológica ............................................................ 29 2.2.4. Exigências Normativas para os Diversos Tipos de Cimento para Uso em Pavimentação ............................................................................ 29 2.3. Estudo da Água de Amassamento ............................................................. 31 2.3.1. Introdução ....................................................................................... 31 2.3.2. Impurezas e suas Influências .......................................................... 31 2.3.3. Água do Mar .................................................................................... 35 2.3.4. Águas Residuais de Indústrias ........................................................ 36 2.3.5. O Efeito das Impurezas na Água de Mistura, Segundo Abrams ..... 36 2.3.6. A Prática Corrente para Verificação da Qualidade da Água Empregada no Amassamento dos Concretos para Pavimentos ......................... 37 2.3.7. Normas Aplicáveis............................................................................ 38 2.4. Estudo dos Aditivos e Adições ................................................................... 39 2.4.1. Definições ........................................................................................ 39
9. 2.4.2. Uso dos Aditivos .............................................................................. 39 2.4.3. Classificação ................................................................................... 39 2.4.4. Descrição dos Efeitos dos Aditivos mais Usados sobre o Concreto ..40 2.4.5. Retardadores ................................................................................... 47 2.5. Estudo dos Selantes de Juntas .................................................................. 48 2.5.1. Objetivos da Selagem de Juntas ..................................................... 48 2.5.2. Requisitos Necessários aos Materiais Selantes .............................. 49 2.5.3. Dimensionamento do Reservatório do Selante - Fator de Forma ... 53 2.5.4. Conclusão ....................................................................................... 58 3. ESTUDO DOS CONCRETOS ............................................................................... 59 3.1. Introdução .................................................................................................. 61 3.2. Estudo do Traço do Concreto ..................................................................... 62 3.3. Ensaios de Caracterização dos Materiais .................................................. 62 3.4. Ensaios de Caracterização do Concreto .................................................... 63 3.5. Controle de Qualidade dos Materiais e do Concreto................................... 63 3.6. Normas Aplicáveis....................................................................................... 63 3.6.1. Para o Estudo do Traço, Caracterização dos Materiais e Ensaios no Concreto........................................................................................... 63 3.6.2. Para os Ensaios de Controle da Qualidade do Concreto Durante a Execução do Pavimento................................................................... 63 4. PROJETO E DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS........................ 65 4.1. Introdução ................................................................................................... 67 4.2. Características do Subleito.......................................................................... 69 4.3. Estudo de Traçado ...................................................................................... 70 4.4. Projeto de Sub-base.................................................................................... 71 4.4.1. Objetivos .......................................................................................... 71 4.4.2. Recomendações .............................................................................. 72
10. 4.4.3. Tipos de Sub-Base........................................................................... 73 4.4.4. Coeficiente de Recalque .................................................................. 77 4.5. Projeto de Drenagem .................................................................................. 82 4.5.1. Objetivos ......................................................................................... 82 4.5.2. Sistemas de Drenagem ................................................................... 82 4.5.3. Dimensionamento da Drenagem ..................................................... 83 4.6. Dimensionamento da Espessura dos Pavimentos Rígidos ......................... 87 4.6.1. Objetivo ............................................................................................ 87 4.6.2. Pavimentos de Concreto Simples – Método da Portlad Cement Association – PCA – 1984................................................................ 87 4.6.3. Pavimentos de Concreto Simples – Método da Portland Cement Association – PCA – 1966................................................................ 119 4.6.4. Pavimento Tipo Whitetopping........................................................... 132 4.6.5. Sobrelaje Sobre Estrutura de Concreto............................................ 133 4.6.6. Pavimento Estruturalmente Armado................................................. 134 4.6.7. Pavimento com Peças Pré-Moldadas de Concreto .......................... 151 4.7. Projeto Geométrico do Pavimento Rígido ................................................... 152 4.7.1. Introdução ....................................................................................... 152 4.7.2. Característica das Juntas em Pavimentos Rodoviários de Concreto (Tipos e Funções) ........................................................................... 153 4.7.3. Tipos de Materiais Selantes e de Enchimento de Juntas ................ 164 4.8. Projeto de Acostamentos ............................................................................ 167 4.8.1. Espessura ....................................................................................... 167 4.8.2. Geometria ........................................................................................ 168 4.8.3. Subleito ........................................................................................... 168 4.8.4. Projeto de Juntas ............................................................................ 168 4.8.5. Continuidade entre a Pista e o Acostamento .................................. 170
11. 4.8.6. Selagem de Juntas .......................................................................... 171 4.8.7. Características da Superfície de Rolamento ................................... 172 4.8.8. Acostamento de Solos Estabilizados ............................................... 172 5. EXECUÇÃO E CONTROLE TECNOLÓGICO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS ......... 175 5.1. Execução de Sub-Base............................................................................... 177 5.2. Execução de Pavimentos Rígidos............................................................... 178 5.2.1. Concreto Simples ............................................................................. 178 5.2.2. Pavimento Tipo Whitetopping........................................................... 179 5.2.3. Pavimento Estruturalmente Armado................................................. 181 5.2.4. Concreto Rolado .............................................................................. 183 5.2.5. Pavimento com Peças Pré-Moldadas de Concreto ......................... 184 6. CONSERVAÇÃO DOS PAVIMENTOS RÍGIDOS .................................................. 189 6.1. Introdução ................................................................................................... 191 6.2. Inspeção de Pavimento Rígido.................................................................... 192 6.3. Critérios de Severidade............................................................................... 192 6.4. Tipologia dos defeitos.................................................................................. 192 6.5. Procedimento para o cálculo do ICP - (Índice da Condição do Pavimento) ............................................................ 192 6.6. Diretrizes para Operação de Pavimentos Rígidos e Práticas de Conservação .......................................................................................... 193 6.6.1. Diretrizes para Operação de Pavimentos Rígidos ........................... 193 6.6.2. Práticas de Conservação de Pavimentos Rígidos ........................... 198 6.7. Reabilitação dos Pavimentos Rígidos ........................................................ 215 6.7.1. Diretrizes Gerais para a Avaliação das Condições Estruturais do Pavimento a ser Reabilitado ............................................................ 215 6.7.2. Levantamento dos Dados do Pavimento Existente ......................... 215 6.7.3. Avaliação da Condição Global do Pavimento Existente .................. 217
12. 6.7.4. Análise das Soluções Potenciais para a Reabilitação ..................... 218 6.7.5. Escolha da Alternativa de Reabilitação Mais Adequada ................. 219 6.7.6. Tipos de Reabilitação ...................................................................... 220 APÊNDICE I ................................................................................................................... 223 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ 229
13. 11 11 -- IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO
14. 13 1 INTRODUÇÃO O Manual de Pavimentos Rígidos foi editado inicialmente em 1989, como sendo o resultado de uma pesquisa sobre o assunto, na qual foi realizada uma ampla consulta bibliográfica para compilação e análise das metodologias adotadas por órgãos rodoviários nacionais e internacionais, além da revisão e elaboração de normas técnicas, que contou com a participação de especialistas nas áreas de pavimentação rígida, tecnologia do concreto, geologia e geotécnica. Foram desenvolvidos, ainda, estudos experimentais complementares, sobre temas não consensuais na época, tais como: o comportamento dos materiais selantes de juntas, a utilização de correlação entre as resistências mecânicas do concreto e as técnicas de inspeção dos defeitos e avaliação de pavimentos. Após cerca de 12 anos de utilização deste Manual considerou-se necessária a sua revisão, não apenas para aperfeiçoar metodologias e normas técnicas, bem como torná-lo mais atualizado, incluindo novas tecnologias que estão sendo adotadas na pavimentação rígida, tais como o "Whitetopping" e o pavimento estruturalmente armado, para as quais também foram desenvolvidos estudos experimentais e de acompanhamento de desempenho. Outra alteração introduzida na revisão deste Manual foi a supressão dos textos das normas técnicas, para as quais são feitas apenas referências. A revisão deste Manual é composta das seguintes partes: a) Materiais para concreto de cimento Portland b) Estudo dos concretos c) Projeto e dimensionamento d) Execução e controle tecnológico de sub-bases e de pavimento e) Conservação e Reabilitação A aplicação criteriosa das recomendações contidas neste Manual, por pessoal técnico especializado, certamente conduzirá à obtenção de pavimentos seguros, duráveis e mais econômicos, tanto em relação a investimentos iniciais, quanto os recursos necessários para a sua manutenção.
15. 15 22 –– MMAATTEERRIIAAIISS PPAARRAA CCOONNCCRREETTOO DDEE CCIIMMEENNTTOO PPOORRTTLLAANNDD
16. 17 2 MATERIAIS PARA CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND Os principais materiais empregados em pavimentos de concreto de cimento Portland, são o cimento portland, agregados graúdos, agregados miúdos, água, aditivos e materiais selantes de junta. Nesta seção são apresentados os tipos destes materiais mais adequados e o modo de aferir suas qualidades e critérios para a seleção de fornecedores. O estudo dos materiais foi subdividido nos seguintes itens: a) Estudo dos Agregados b) Estudo do Cimento Portland c) Estudo da Água de Amassamento d) Estudo dos Aditivos e) Estudos dos Materiais Selantes de Juntas Em cada um desses itens são descritos os aspectos peculiares que o material deve apresentar quando empregado em obras de pavimentação, os critérios para a seleção de fontes ou de fornecedores, os procedimentos para a sua caracterização tecnológica e a indicação das Normas da ABNT (em suas últimas edições), DNER e DNIT para a qualificação destes materiais. 2.1 ESTUDO DOS AGREGADOS 2.1.1 INTRODUÇÃO Nas obras rodoviárias são produzidos agregados para diversos fins, cada um deles exigindo características tecnológicas específicas. Para os agregados destinados à produção de concreto de cimento portland destinado para as obras de pavimentação rígida, são exigidas condições especiais que diferem daquelas adotadas para concreto de edificações, pontes e outros tipos de estruturas. Isto se deve ao fato de ser necessário para o concreto de pavimentação, que ele tenha maior resistência à tração, menores variações volumétricas, menor suscetibilidade à fissuração, resistência à fadiga e elevada durabilidade à ação do meio ambiente e à ação abrasiva do tráfego. A investigação das ocorrências de areais, cascalheiras e pedreiras, bem como os ensaios de caracterização tecnológica realizados em amostras extraídas destas ocorrências, deverão ser programados visando a obtenção daqueles objetivos.
17. 18 2.1.2 ESTUDO GEOLÓGICO Estes estudos deverão ser desenvolvidos em linhas gerais conforme o estabelecido nas instruções IS-02 do DNER – "Instruções de Serviço para Estudo Geológico" - devendo, entretanto, ser considerados na escolha de ocorrências para exploração, os aspectos geológicos e petrográficos peculiares aos materiais rochosos e granulares naturais destinados à produção de agregados para concreto de cimento portland. Tais aspectos estão relacionados com a compatibilidade que os agregados devem apresentar com o cimento Portland e a influência da sua forma e textura na trabalhabilidade do concreto. No caso de materiais granulares naturais, principalmente aqueles de dimensão maior do que 4,8 mm, devem também ser considerados na escolha das ocorrências, os requisitos granulométricos e de dimensão máxima exigidos na produção do concreto. A origem e processo de formação de um depósito mineral têm influência fundamental nas características dos agregados dele extraídos e, também, na maior ou menor aptidão que esta ocorrência terá para se transformar em uma jazida produtiva, técnica e economicamente. No caso de jazidas de areia e pedregulho, a sua origem pode estar ligada a solos residuais provenientes da decomposição de rochas, devida aos processos intempéricos, ou solos transportados pelos diversos agentes naturais, sendo esta segunda hipótese é a mais comum para a maioria das regiões brasileiras. Quanto às pedreiras, a natureza petrográfica da rocha e o sistema produtivo empregado na obtenção do material britado, assim como a sua origem, condicionarão fortemente suas características e, deste modo, pode-se esperar boa qualidade quando a matéria prima mineral é rocha ígnea intrusiva isotrópica, como por exemplo o granito. Quanto às rochas extrusivas, tais como o basalto, podem resultar agregados mais lamelares e angulosos, além do mais, sujeitos à ocorrência de minerais deletérios, como as argilas expansivas do tipo da nontronita. No caso de rochas sedimentares, pode-se esperar uma homogeneidade menor ao longo de uma mesma pedreira, proveniente de sua origem, que envolve produtos de degradação física e química de outras rochas aglutinadas por cimento natural. Dentre as rochas sedimentares, os melhores agregados para concreto são provenientes de calcários que os tornam menos friáveis, menos porosos e, portanto, mais coerentes e resistentes a ações mecânicas. Quanto às rochas metamórficas, que são o resultado da ação de pressão e temperatura sobre rochas pré-existentes, aquelas que apresentam o melhor desempenho, quando transformadas em material granular, são os gnaisses, desde que sua foliação não seja exagerada. A presença de sistemas de descontinuidades no maciço rochoso pode, às vezes, inviabilizar o seu aproveitamento como fonte de matéria prima para agregado,
18. 19 especialmente se houver preenchimento por material secundário inconsistente. Além disso a ocorrência de camada espessa de estéril recobrindo a ocorrência mineral e o excesso de alteração intempérica podem inviabilizar a exploração comercial de jazimentos minerais. Assim, um criterioso levantamento geológico de campo deve ser executado para avaliação das características da jazida. 2.1.3 PROSPECÇÃO DE JAZIDAS E PEDREIRAS Na investigação das ocorrências de areais, cascalheiras e pedreiras deverão ser procuradas ocorrências que apresentem menores custos de escavação, transporte e beneficiamento e que os materiais delas provenientes, além de serem adequados como agregados para concreto de pavimentação, possam originar concretos econômicos e mais duráveis. Na escolha dessas fontes, portanto, o importante é avaliar o custo do concreto obtido com os diversos tipos de agregados disponíveis e não apenas o custo direto da produção desses agregados. Os principais aspectos tecnológicos a serem observados nos agregados para concreto de pavimentação são: a) Influência do agregado na resistência mecânica do concreto, principalmente na resistência à tração na flexão; b) Presença de materiais deletérios nos agregados que possam ao longo do tempo provocar variações volumétricas ou então causar-lhes degradação, conferindo-lhes a condição de "não-inerte". 2.1.3.1 NA FASE DE ANTEPROJETO Os procedimentos recomendáveis para prospecção de jazidas e pedreiras, na fase de anteprojeto, podem ser divididos em duas etapas: a) 1ª Etapa A primeira etapa envolve a localização, inspeção geológica e geotécnica e cadastramento de ocorrências. Ela deverá ser iniciada com a coleta de informações regionais, inspeção visual e registro de ocorrências que tenham se efetivado anteriormente no sentido da exploração de materiais rochosos na região de interesse. Os materiais rochosos destinados à produção de agregados devem apresentar como condição limite de resistência, aquela que permita sua britagem, isto é, que seja produzido no mínimo cerca de 70% de material com grãos de tamanho superior a 4,8 mm para cada m³ de rocha britada. Caso contrário, o material rochoso é anti- econômico para a produção de agregado, devendo essa ocorrência ser descartada. Para se avaliar simplesmente a resistência da rocha, existe o ensaio de compressão puntiforme, que pode ser realizado no campo. Entretanto, para se ter idéia da
19. 20 possibilidade de obtenção econômica de britas do material pétreo em estudo, podem ser realizados os ensaios de esmagamento ou impacto, que informam de maneira expedita se a rocha apresenta resistência suficiente para ser britada. Estes ensaios apresentam, contudo, a dificuldade de não poderem ser feitos no campo e, portanto, exigirem transporte de amostras para Laboratórios Centrais. As cartas topográficas, levantamentos aerofotogramétricos e bibliografia técnica devem ser procurados para o acervo de dados que irá complementar as informações colhidas no campo. No caso de areia e pedregulho, devem ser obtidas informações preliminares sobre composição granulométrica, constituição mineralógica que possa ser reconhecida à vista desarmada ou lupa portátil, e estimativa grosseira de espessura das camadas etc. A friabilidade dos pedregulhos e o tipo de matriz que os envolve, são características que devem ser verificadas nesta fase, devido à influência delas no rendimento de produção de agregados com os materiais dessas ocorrências. Para pedreiras, devem ser colhidas informações preliminares sobre o tipo de rocha, descontinuidades presentes, grau de intemperismo e, quando possível, espessura de estéril. b) 2ª Etapa A segunda etapa constará da pré-seleção das ocorrências mais promissoras, que serão alvo de detalhamento; baseia-se, geralmente, no resultado de programas de prospecção por sondagem, orientados pelos dados iniciais da primeira etapa, objetivando uma avaliação do volume e da qualidade do material disponível. É importante uma racionalização do número de sondagens a ser efetuado, evitando-se os excessos que oneram sensivelmente os custos da prospecção e, neste caso, a primeira etapa adequadamente conduzida contribuirá com resultados extraordinários neste sentido. Quando a pesquisa se destina a areia ou pedregulho, as técnicas de prospecção são condicionadas principalmente pelo tipo de depósito, características geométricas da ocorrência, topografia, vias de acesso e, quando for o caso, pela espessura da lâmina d'água. Nesta etapa pode-se lançar mão, nos depósitos submersos, da "sondagem a varejão", na qual uma barra metálica ou de madeira com ponteira de aço é introduzida no fundo do rio, a partir de uma pequena embarcação que se movimenta de forma sistemática. Essa técnica permite o reconhecimento da distribuição do depósito e uma noção da granulometria de seu material constituinte. Para investigação em depósitos não submersos, as técnicas mais comumente empregadas são os trados manuais, trincheiras e poços de inspeção. Com o trado manual é possível alcançar até 10 metros de profundidade; entretanto, há limitações devidas ao nível d'água, compacidade e granulometria do depósito. As trincheiras, em geral, alcançam profundidades bem menores, mas permitem melhor visualização da distribuição espacial da ocorrência. Os poços de inspeção também possuem, em escala menos ampla, essa característica, porém vão além das profundidades
20. 21 atingidas pelas trincheiras e podem ter seu alcance ampliado, efetuando-se sondagens a trado a partir do seu fundo. Quando se tratar de pesquisa de pedreiras, esta etapa deverá envolver técnicas prospectivas, tais como as sondagens manuais para avaliação de estéril, sondagens rotativas e métodos geofísicos (que podem ser elétricos ou sísmicos). As amostras podem ser colhidas, portanto, por percussão com ponteira e marreta, pela coleta de blocos e fragmentos que estejam visualmente inalterados ou serem constituídas de testemunhos de sondagem. Uma verificação importante a ser feita nessa fase é a presença de materiais deletérios não-inertes, tanto no material pétreo como nos materiais granulares naturais, que poderão se constituir no futuro, em elementos destruidores do pavimento, reduzindo a sua durabilidade e conseqüentemente a sua vida útil. Alguns desses elementos poderão ter seus efeitos neutralizados por meio de providências corretivas não sendo, portanto, fatores de restrição ao uso do material no concreto, mas tais providências poderão trazer ônus desnecessários para a obra. Para outros elementos deletérios, tais como a pirita e argilo-minerais expansivos, não se dispõe de providências corretivas e as ocorrências, onde for detectada a presença deles, não devem ser consideradas como fontes de obtenção de agregados. 2.1.3.2 NA FASE DE PROJETO Na fase de projeto deverá ser complementada a caracterização dos depósitos que foram levantados na fase de anteprojeto, envolvendo a determinação dos volumes disponíveis e possibilidade de produção. Nessa fase deve-se visar o conhecimento mais acurado das ocorrências mais promissoras que foram selecionadas na etapa de anteprojeto. Assim, quando se tratar de jazida de areia ou pedregulho, promover-se-á a intensificação das sondagens a trado ou poços, ou então a investigação de profundidades maiores, utilizando-se sondagens mecânicas, em geral com diâmetro de até 20 cm. A malha de sondagens, com distância entre os pontos que pode variar de 20 metros a 60 metros, deve ser criteriosamente estudada em função dos dados geológicos levantados na fase de anteprojeto. Nesta fase devem ser executados ensaios completos de caracterização, sendo recomendável para cascalho com dimensão máxima até 5,0 cm, a coleta de 50 a 100 kg de material por camada. Para pedreiras, nesta fase, deverão ser completadas as informações sobre o volume do material lavrável da jazida e do estéril, com sondagens rotativas de diâmetro de 20 a 30 cm. Blocos de rocha, também, quando possível, deverão ser retirados com marreta e ponteira, ou por pequenas cargas explosivas. Para testes de britagem podem ser coletados blocos de 30 cm a 60 cm de aresta; estes testes podem ser efetuados por esmagamento, ou mais raramente por impacto, dependendo dos equipamentos que se pretenda utilizar
21. 22 durante a exploração da pedreira. Tais testes são de grande importância, pois permitem estimar as quantidades e a forma das britas de cada graduação que poderão ser obtidas, as perdas e os finos resultantes, incluindo a areia artificial, também denominada de pó-de- pedra. Para reconhecimento e amostragem para fins de caracterização de pedregulho e areia deverá ser adotada a norma NBR 6491. 2.1.4 CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA 2.1.4.1 NA FASE DE ANTEPROJETO Na fase de anteprojeto, por ocasião da pré-seleção das fontes de suprimento dos agregados para concreto, a caracterização tecnológica deles terá por objetivo a seleção definitiva destas fontes, mediante ensaios nos próprios agregados ou em argamassas e concretos obtidos com eles, segundo estabelecido nas normas da ABNT (em suas últimas edições), DNER e DNIT. Nas amostras provenientes dessas fontes, deverá ser feita inicialmente a apreciação petrográfica dos materiais rochosos e dos pedregulhos e a análise mineralógica do agregado miúdo, conforme a Norma NBR 7389, para verificar a existência de minerais deletérios neles ocorrentes, que podem prejudicar o desempenho deles como agregado para concreto. Para completar esta seleção de fontes deverão ser pelo menos analisadas as características discriminadas a seguir: a) Material Rochoso • absorção e massa específica (NBR 9937); • abrasão Los Angeles (NBR 6465); • esmagamento (NBR 9938). b) Pedregulhos • granulometria, dimensão máxima característica e módulo de finura (NBR 7217); • teor de argila em torrões e materiais friáveis (NBR 7218); • absorção e massa específica (NBR 9937); • teor de material pulverulento (NBR 7219); • índice de forma (NBR 7809); • abrasão Los Angeles (NBR 6465); • esmagamento (NBR 9938);
22. 23 • teor de partículas leves (NBR 9936); • 10% de finos (DNER-ME 96/98). c) Agregados Miúdos • granulometria, dimensão máxima característica e módulo de finura (NBR 7217); • teor de argila em torrões e materiais friáveis (NBR 7218); • massa específica e absorção (NBR 9776); • teor de material pulverulento (NBR 7219); • teor de impurezas orgânicas húmicas (NBR 7220); • teor de partículas leves (NBR 9936). Dependendo das informações fornecidas pela apreciação petrográfica, outros ensaios deverão ser realizados. Entre eles: a) resistência à compressão axial da rocha (NBR 5739); b) ciclagem artificial e acelerada, para rochas e pedregulhos (NBR 12696 / NBR 12697); c) reatividade potencial aos álcalis, para agregados miúdos, pedregulhos e rochas (Método Acelerado ASTM-C-1260). • quando houver dúvidas sobre a reatividade do material, utilizar a Norma NBR 9733; • para as rochas carbonáticas, utilizar a Norma NBR 10340; d) teor de cloretos e sulfatos solúveis em água para o agregado miúdo natural, quando houver suspeita de contaminação por essas substâncias (NBR 9917). A freqüência de cada ensaio deverá ser fixada em função das características da jazida, da obra, do clima e da confiança nos fornecedores, podendo estar ela relacionada a amostras simples ou compostas, de acordo com o programa de controle definido. No caso de haver disposições específicas para amostragem, os procedimentos para este fim deverão seguir os princípios gerais da norma NBR NM-27. 2.1.4.2 NA FASE DE PROJETO Na fase de projeto deverão ser realizados, nas amostras coletadas por ocasião do detalhamento das jazidas, além dos ensaios especificados na fase de anteprojeto, os seguintes ensaios: a) ensaio de consistência, comparando a quantidade necessária de água para manter a mesma plasticidade em argamassa de mesmo traço, variando apenas os tipos de areia em estudo.
23. 24 b) qualidade do agregado graúdo, comparando-se as resistências obtidas em concretos de traços de iguais características, nos quais varia-se apenas o tipo do agregado graúdo. c) qualidade do agregado miúdo, comparando-se as resistências obtidas em argamassas de traços iguais, variando-se apenas o tipo de agregado conforme a Norma ABNT- NBR 7221. De posse dos resultados obtidos nas amostras das fontes selecionadas, tanto na fase de anteprojeto como na fase de projeto, deverão ser estabelecidos os índices de qualidade dos agregados na especificação da obra. Esses índices de qualidade deverão ser, em princípio, aqueles de uso corrente e padronizado, que constam na Norma NBR 7211. É possível, entretanto, dependendo do tipo de material encontrado ou do processo executivo de pavimentação, que haja necessidade de se estabelecer outros índices ou a modificação dos valores exigidos nos índices normalmente utilizados. O controle de qualidade do agregado, a ser exercido durante a obra, visa detectar alterações na sua qualidade, que podem ocorrer, entre outras causas, por: a) Mudança nos pontos de extração, que poderá provocar até mesmo o fornecimento de agregados de rochas de diferentes estruturas e falta de homogeneidade granulométrica; b) Intempéries, que alteram sensivelmente os teores de impurezas orgânicas, materiais argilosos e pulverulentos; c) Problemas relacionados com a britagem do material rochoso, tais como alteração na calibração dos britadores, britagem em dias chuvosos, britadores trabalhando afogados ou mais vazios; d) Excesso de abertura da malha nas peneiras classificatórias, devido ao seu uso prolongado, ou utilização de malhas com abertura sem conformidade com a especificação; e) Misturas nas pilhas de estocagem, etc. Todas as características dos agregados que afetam a qualidade do concreto, deverão ser consideradas no programa de controle de qualidade elaborado para a obra. 2.1.4.3 DURANTE AS CONCRETAGENS As características dos agregados miúdos e graúdos que deverão ser verificadas no transcorrer da obra são: a) granulometria, dimensão máxima característica e módulo de finura (NBR 7217); b) teor de argila em torrões e materiais friáveis (NBR 7218);
24. 25 c) massa específica e absorção (NBR 9937); d) teor de material pulverulento (NBR 7219); e) teor de impurezas orgânicas húmicas (NBR 7220); f) teor de umidade (NBR 9775). Em relação aos ensaios indicados, deve ser observado que as análises do próprio concreto, nos estados frescos e endurecido, poderão indicar a necessidade de introdução de outros ensaios no programa de controle. 2.1.4.4 ASPECTOS A SEREM CONSIDERADOS NAS NORMAS DE ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS a) No ensaio de resistência ao esmagamento (NBR 9938), deverá ser adotada a média de pelo menos duas determinações, induzindo maior confiabilidade aos resultados obtidos. b) Na determinação da resistência mecânica pelo método de 10% de finos (DNER-ME 96/98), a utilização de amostras provenientes da cominuição de grãos maiores deve ser evitada e somente empregada, quando o exame visual sob a lupa não revelar danos nos grãos a serem ensaiados, que possam interferir no resultado do ensaio. Recomenda-se que o resultado deva ser a média de duas determinações, o que aumentará a confiabilidade no resultado do ensaio, pela possibilidade de que eventuais enganos possam ser detectados. c) O ensaio de equivalente de areia, originalmente desenvolvido como um procedimento de determinação quantitativa expedita de partículas finas em solos, não tem aplicação consagrada na tecnologia de agregados para concreto, mas é muito utilizado no controle de pavimentação, principalmente quando se utilizam britas graduadas. Na tecnologia de concreto, são utilizados tradicionalmente os ensaios de determinação do teor de argila em torrões e de materiais pulverulentos, que são bastante simples e utilizam utensílios amplamente disponíveis em todo o território nacional. Assim, deve ser adotada neste ensaio a norma DNER-ME 054/63. d) A determinação da sanidade do agregado com a utilização de ciclagem em solução saturada de sulfato de sódio ou magnésio foi criada com a finalidade de simular as condições de congelamento e degelo a que se submetem os concretos em regiões frias. Esse tipo de clima, envolvendo queda de neve e formação de gelo por temporadas mais ou menos prolongadas não ocorre em nosso país, o que torna desnecessário esse ensaio na prática habitual da tecnologia de concreto. A realização desse ensaio somente se justifica como uma informação acessória sobre o estado de degradação intempérica do agregado, quando não for disponível a apreciação petrográfica ou ensaios específicos de ciclagem. Nesse caso, deve ser adotada a norma DNER-ME 89/97. e) Em relação à Foto-interpretação Geológica, deve-se dar continuidade à aplicação da Norma DNER-PRO 12/95 - Foto-interpretação Geológica Aplicada à Engenharia Civil.
25. 26 Esta norma deverá ser reavaliada pelo DNIT, por se tratar de um texto bastante completo, envolvendo desde definições básicas até indicações de entidades que dispõem de documentação foto-geológica, a escolha de escalas compatibilizadas com a fase de trabalho da engenharia a que se destina o levantamento, incluindo critérios de interpretação e simbologias empregadas. f) A massa específica dos agregados adotada e utilizada em tecnologia de concreto, especialmente na dosagem dos materiais, é a massa específica no estado saturado superfície seca, definida como sendo a relação entre a massa do agregado na condição saturada superfície seca e o seu volume, excluídos os vazios permeáveis. Os vazios permeáveis são definidos como sendo as descontinuidades ligadas diretamente à superfície que, na condição saturada superfície seca, são passíveis de reter água. g) A determinação do teor de partículas leves, baseia-se na separação por imersão em líquidos densos (solução de cloreto de zinco e tetrabromoetano), das partículas leves com densidade, em geral, inferior a 2,00 g/cm³, tais como carvão, lignito, fragmentos vegetais etc. h) Os cloretos e os sulfatos podem interferir negativam i) ente nas características do concreto fresco e endurecido e na sua durabilidade. Assim, a contribuição que o agregado pode dar para incrementar suas concentrações no concreto pode ser avaliada por esse método. j) A reatividade de certos tipos de agregados com o álcalis do cimento ou proveniente de outras fontes, é atualmente determinada pelo método acelerado ASTM-C-1260, que em 16 dias informa sobre a probabilidade de ocorrer esta reação expansiva. Se a expansão observada naquela idade for inferior a 0,10%, considera-se o agregado inócuo. Se esta expansão for maior que 0,20%, o agregado é considerado reativo. Se a expansão estiver entre 0,10% e 0,20% há dúvidas quanto à ocorrência da reação, dúvida esta que deverá ser esclarecida com o ensaio de longa duração (6 meses) da Norma NBR 9733. Para avaliar a reatividade de agregados de natureza calcárea, deve ser adotada a Norma NBR 10340. 2.2 ESTUDO DO CIMENTO PORTLAND 2.2.1 INTRODUÇÃO O cimento Portland é composto de clinquer e de adições, que são misturadas ao clinquer na fase de moagem e que podem variar de um tipo de cimento para outro, sendo elas um dos fatores que definem os diferentes tipos de cimentos. Estas adições, que devem ser finamente moídas, são: • A escória de alto forno, obtida durante a produção de ferro gusa nas indústrias siderúrgicas e que tem forma e granulometria de areia, média para grossa, para as
26. 27 quais se exige que tenham o índice de basicidade, definido na Norma NBR 5735, igual ou maior que 1. • Os materiais pozolânicos podem ser provenientes de rochas vulcânicas, de certos tipos de argilas queimadas em elevadas temperaturas e as cinzas provenientes da queima de carvão mineral. Estes materiais devem apresentar uma atividade pozolânica com o cimento, determinada conforme a Norma NBR 5752, maior que 75% aos 28 dias. • Materiais carbonáticos, com pelo menos 85% de CaCO3. Em função do tipo e teor de adições, são normalizados pela ABNT os seguintes tipos de cimento: a) Cimento Portland comum - tipo CPI (NBR 5732) • Sem adição : tipo CPI • Com adição de materiais carbonáticos: tipo CPI-S b) Cimento Portland composto - tipo CPII (NBR 11578) • Com adição de escória: tipo CPII-E • Com adição de materiais pozolânicos: tipo CPII-Z • Com adição de materiais carbonáticos: tipo CPII-F c) Cimento Portland de alto forno - tipo CPIII (NBR 5735) d) Cimento Portland Pozolânico - tipo CPIV (NBR 5736) e) Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (ARI) - tipo CPV (NBR 5733) f) Outros tipos: • Cimento Portland Branco Estrutural - tipo CPB (NBR 12989) • Cimento Portland resistente aos sulfatos (NBR 5737) • Cimento Portland de baixo calor de hidratação (NBR 13116) Quanto à resistência à compressão, os cimentos CPI, CPII e CPIII, são classificados em CP-25, CP-32 e CP-40, que apresentam resistência mínima a compressão pelo ensaio padrão ABNT, na idade de 28 dias de respectivamente 25 MPa, 32 MPa e 40 MPa. Para o cimento CPIV são produzidos apenas os tipos CP25 e CP32, enquanto para o cimento CPV, é normalizado apenas um tipo quanto à resistência. Para a execução dos pavimentos de concreto não são feitas exigências especiais quanto ao tipo de cimento e quanto aos índices físicos e químicos que estes tipos devem apresentar. Entretanto, os cimentos que apresentam maior eficiência no concreto (com maiores resistências para menores consumos) são aqueles cujo processo de endurecimento com o tempo seja mais lento (desde que não haja necessidade de abertura rápida ao tráfego), têm-se mostrados mais adequados para este tipo de obra. A
27. 28 escolha do tipo ou marca do cimento mais conveniente, quando esta escolha for possível, poderá trazer maior economia para a obra, além de maior qualidade e durabilidade, pela redução da probabilidade de fissuração. Para a execução de pavimentos de concreto, os tipos de cimento recomendados são: a) Cimento Portland Comum (NBR 5732); b) Cimento Portland Composto (NBR11578); c) Cimento Portland de Alto Forno (NBR 5735); d) Cimento Portland Pozolânico (NBR 5736). Eventualmente, no caso de reparos em pequenas áreas, onde deve ser mínima a interrupção do tráfego, pode-se utilizar o Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (NBR 5733). O cimento branco estrutural, desde que se disponha deste tipo de cimento, pode ser uma boa opção, principalmente quanto à segurança no tráfego, devido à sua cor mais clara. 2.2.2 SELEÇÃO DAS FONTES DE ABASTECIMENTO O cimento, diferentemente das rochas, cujas características são determinadas por processos naturais, tem suas propriedades dentro de limites bastante variáveis, originadas por formulações do produtor. Certas propriedades específicas dos cimentos, conferem às argamassas e concretos variações de desempenho, que podem vir a ser técnica e economicamente significativas. Os fabricantes de cimento produzem os tipos que mais lhes convém, de acordo com a localização de cada fábrica e a facilidade de obter insumos. Portanto, o primeiro critério para a seleção dos fornecedores de cimento diz respeito à disponibilidade do tipo adequado a uma determinada obra. Esse tipo adequado será relacionado às características do meio ambiente, dos outros constituintes do concreto e do sistema construtivo previsto. A escolha será feita levando-se em consideração ensaios conjuntos com os demais constituintes do concreto, visando obter concreto mais econômico e com menor suscetibilidade à fissuração e à exsudação. Quando o agregado disponível for reativo com os álcalis do cimento, deverá ser escolhido para uso na obra, um cimento que seja eficaz na inibição desta reação. De uma maneira geral, um cimento com adição de no mínimo 50% de escória e 30% de material pozolânico, costuma ser eficaz na neutralização daquela reação. Esta condição deve entretanto ser confirmada em ensaios.
28. 29 Objetivando assegurar a continuidade do suprimento à obra, sempre que o volume da obra permitir e houver disponibilidade de fornecedores a distâncias de transporte economicamente viáveis, deverão ser selecionadas, no mínimo, duas fontes de fornecimento. 2.2.3 CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA Na fase de anteprojeto, as características da qualidade dos cimentos devem ser obtidas por coleta de informações junto aos próprios fabricantes. A caracterização tecnológica na fase de projeto deverá ser feita segundo prescrições da especificação correspondente ao tipo de cimento escolhido. Os contratos de fornecimento, portanto, deverão contemplar tais prescrições. Deve-se ressaltar, entretanto, que em contratos objetivando o fornecimento contínuo por vários meses, a introdução de cláusulas especiais de controle de uniformidade tem se mostrado conveniente. Estas cláusulas são imprescindíveis para a obtenção de informações necessárias à correta interpretação dos ensaios e à constatação da manutenção das características do produto ao longo do tempo. Durante a obra, é aconselhável que os lotes, antes de liberados pelo produtor, sejam submetidos a inspeção na própria fábrica, procedimento que não dispensaria o controle de recepção a ser executado no laboratório da obra ou de terceiros. Não sendo estabelecido nenhum critério especial, a amostragem deverá seguir os princípios da norma NBR 5741 – "Extração e Preparação de Amostras - Cimento Portland". Para compatibilizar as características diferentes dos cimentos produzidos por mais de uma fonte, com as necessidades da obra, a utilização de mistura de cimentos de marcas diferentes deverá, quando for o caso, ser prevista na especificação da obra, onde serão estabelecidas as condições para realização dessa mistura. 2.2.4 EXIGÊNCIAS NORMATIVAS PARA OS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO PARA USO EM PAVIMENTAÇÃO As exigências estabelecidas para o cimento Portland destinado a obras de pavimentação rígida constam da Norma DNIT 050/2004-EM. Tais exigências, em resumo, constam nas Tabelas 1, 2 e 3, apresentadas a seguir:
29. 30 TABELA 1 – Teores dos componentes (% em massa) TIPO SIGLA CLASSE DE RESISTÊNCIA CLÍNQUER + SULFATO DE CÁLCIO (GESSO) ESCÓRIA GRANULA DA DE ALTO- FORNO MATERIAL POZOLÂNICO MATERIAL CARBONÁTICO CIMENTO PORTLAND COMUM CPI CP-IS 25-32-40 25-32-40 100 99 - 95 - - - - - 1 - 5 CPII E 25-32-40 94 - 56 6 - 34 - 0 - 10 CPII Z 25-32-40 94 - 76 - 6 - 14 0 - 10 CIMENTO PORTLAND COMPOSTO CPII F 25-32-40 94 - 90 - - 6 - 10 CIMENTO PORTLAND DE ALTA RESISTÊNCIA INICIAL CPV ARI - 100 - 95 - - 0 - 5 CIMENTO PORTLAND DE ALTO FORNO CPIII 25-32-40 65 - 25 35 - 70 - 0 - 5 CIMENTO PORTLAND POZOLÂNICO CPIV 25-32 85 - 45 - 15 - 50 0 - 5 TABELA 2 – Exigências químicas (% em massa) TIPO DE CIMENTO PORTLAND RESÍDUO INSOLÚVEL PERDA AO FOGO MgO SO3 CO2 S CPI CPI-S ≤ 1,0 ≤ 5,0 ≤ 2,0 ≤ 4,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤1,0 ≤3,0 - - CPII-E CPII-Z CPII-F ≤ 2,5 ≤ 16,0 ≤ 2,5 ≤ 6,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 5,0 - - - CPIII ≤ 1,5 ≤ 4,5 - ≤ 4,0 ≤3,0 ≤ 1,0 CPIV (1) ≤ 4,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤3,0 - CPV-ARI ≤ 1,0 ≤ 4,5 ≤ 6,5 ≤ 3,5 (2) ≤ 4,5 (2) ≤3,0 - (1) O teor de material pozolânico no cimento pode ser avaliado pelo ensaio de resíduo insolúvel. (2) O teor de SO3 igual a 3,5 aplica-se quando C3A ≤8,0%. O teor de 4,5% quando C3A >8,0%. Nota: As exigências químicas do cimento Portland resistentes aos sulfatos e do cimento Portland de baixo calor de hidratação constam das normas NBR 5737 e NBR 13116, respectivamente.
30. 31 TABELA 3 – Exigências físicas e mecânicas Finura Tempos de pega (h) Expansibilidade (mm) Resistência à compressão (MPa) Tipo de Cimento Portland Classe de Resistência Resíduo na peneira 75 µ (%) Área específica (m2 /kg) Início Fim A frio A quente 1 dia 3 dias 7 dias 28 dias 91 dias CPI CPI-S 25 32 40 ≤12,0 ≤12,0 ≤10,0 ≥240 ≥260 ≥280 ≥1 ≤10 (1) ≤5(1) ≤5 - ≥8,0 ≥10,0 ≥15,0 ≥15,0 ≥20,0 ≥25,0 ≥25,0 ≥32,0 ≥40,0 - CPII-E CPII-Z CPII-F 25 32 40 ≤12,0 ≤12,0 ≤10,0 ≥240 ≥260 ≥280 ≥1 ≤10 (1) ≤5(1) ≤5 - ≥8,0 ≥10,0 ≥15,0 ≥15,0 ≥20,0 ≥25,0 ≥25,0 ≥32,0 ≥40,0 - CPIII 25 32 40 ≤8,0 - ≥1 ≤12 (1) ≤5(1) ≤5 - ≥8,0 ≥10,0 ≥12,0 ≥15,0 ≥20,0 ≥23,0 ≥25,0 ≥32,0 ≥40,0 ≥32,0 ≥40,0 ≥48,0 CPIV 25 32 ≤8,0 - ≥1 ≤12 (1) ≤5(1) ≤5 - ≥8,0 ≥10,0 ≥15,0 ≥20,0 ≥25,0 ≥32,0 ≥32,0 ≥40,0 CPV-ARI ≤6,0 ≥300 ≥1 ≤10 (1) ≤5(1) ≤5 ≥14,0 ≥24,0 ≥34,0 - - (1) Ensaio facultativo. Outras características podem ser exigidas, como a inibição da expansão devida à reação álcali- agregado, tempo máximo de início de pega. 2.3 ESTUDO DA ÁGUA DE AMASSAMENTO 2.3.1 INTRODUÇÃO A água destinada ao amassamento e cura deve ser isenta de substâncias prejudiciais ao processo de pega e endurecimento do concreto, presumindo como satisfatórias as águas tratadas e utilizadas para o abastecimento das populações das cidades. Entretanto, a idéia geral que parte da premissa de que "se a água é boa para beber, também será boa para o uso na fabricação do concreto", nem sempre traduz a verdade. A presença de pequenas quantidades de açúcar, por exemplo, não torna a água imprópria para beber, mas pode torná-la insatisfatória como água de amassamento. Em caso de dúvidas ou então quando a água disponível para uso no concreto for não tratada, isto é, quando for proveniente de poços, córregos, rios ou reservatórios naturais, deverão ser realizados ensaios de caracterização tecnológica em amostras desta água. 2.3.2 IMPUREZAS E SUAS INFLUÊNCIAS A respeito da adequação da água à fabricação do concreto, algumas especificações requerem apenas que ela seja limpa e livre de substâncias deletérias. Outras especificações estabelecem que, se a água não provém de fonte de qualidade comprovada, devem ser feitos ensaios comparativos de tempo de pega e de resistência à
31. 32 compressão. No entanto, a possibilidade de uma água ser ou não empregada como água de amassamento, fica condicionada a duas questões fundamentais: a) Como e quais as impurezas que, carreadas pela água, afetam negativamente o concreto? b) Qual o teor máximo permissível de impureza? 2.3.2.1 SUBSTÂNCIAS EM SUSPENSÃO Normalmente, as substâncias que se encontram em suspensão na água são o silte e a argila, caracterizando-se sua existência pela turbidez do líquido. O Bureau of Reclamation estabelece o índice máximo de turbidez em 2000 partes por milhão, para águas de amassamento. A prática corrente brasileira limita a ocorrência máxima de resíduo sólido em 5000 mg/l. Quanto à influência dessas partículas, observa-se que uma pequena quantidade de argila bem dispersa, de dimensões coloidais (iguais ou inferiores a 2 µm), poderá fechar os poros capilares do cimento endurecido, ou os que existem entre o cimento e o agregado, contribuindo para o aumento de compacidade da massa. Apesar disso, a presença de maior quantidade desse material impede a cristalização perfeita dos produtos da hidratação, interpondo-se entre os cristais em crescimento e em vias de colagem e comprometendo a coesão interna do meio resultante. Quantidades de substâncias em suspensão superiores à mencionada podem não afetar as resistências mecânicas do concreto, mas, sim, outras propriedades da mistura. 2.3.2.2 SUBSTÂNCIAS EM SOLUÇÃO As substâncias em solução encontradas nas águas naturais são compostas principalmente de sais, cuja influência se manifesta pela ação dos seus íons, que pode ser classificada em três tipos: a) íons que alteram as reações de hidratação do cimento; b) íons que podem levar à expansão a longo prazo (como, por exemplo, os sulfatos e os álcalis); c) íons capazes de provocar a corrosão das armaduras. No primeiro caso, a pega e o endurecimento podem ser prejudicados pela combinação com o cálcio, que elimina ou reduz o teor de hidróxido de cálcio livre, alterando a hidratação dos componentes, em especial dos aluminatos. As águas mais enquadráveis nessa situação são as magnesianas e as que contêm matéria orgânica sob a forma de ácidos húmicos.
32. 33 No segundo caso, dentre os íons capazes de agir prejudicialmente a longo prazo, encontram-se os cátions Na+ e K+ , e o ânion SO4 -- , podendo atuar diretamente sobre o cimento (íon SO4 -- ) ou sobre o agregado (íons SO4 - - , Na+ , K+ ), uma vez que o cimento, meio altamente alcalino, favorece as reações expansivas; daí, resulta a necessidade de limitar a concentração destes íons. Normalmente, os álcalis (expressos em Na2O), se superiores a 0,6 % da massa de cimento, são perigosos quando o agregado contém sílica criptocristalina, devendo limitar- se o teor de álcalis da água nessa proporção. Também o teor permissível de sulfatos (expresso em íons SO4 - - ) é limitado, tolerando-se uma ocorrência máxima de 600 mg/l. Quanto aos íons que agem na corrosão das armaduras, os mais importantes são os cloretos, os sulfetos, os nitratos e o amônio, com danos, principalmente quando se trata de concretos protendidos, nos quais, por estar a armadura submetida a tensões muito elevadas, a energia interna é grande, facilitando o desenvolvimento das reações químicas. No caso do concreto para pavimentos a única restrição feita é quanto à concentração de cloretos, expressa em íons Cl - , permitindo-se uma taxa máxima de 1000 mg/l. Há ainda outros sais comumente encontrados nas águas naturais, como o carbonato de sódio (Na2CO3) e o bicarbonato de sódio (NaHCO3) que, segundo resultados de ensaios, exercem influência que depende do tipo de cimento empregado. Grandes quantidades de carbonato de sódio aceleram a pega, ao passo que o bicarbonato de sódio pode funcionar como acelerador ou retardador de pega, conforme o tipo de cimento; assim, torna-se aconselhável a execução de ensaios para a determinação do tempo de pega e da resistência à compressão aos 28 dias, sempre que a soma das concentrações de carbonato e bicarbonato de sódio ultrapasse a 1000 ppm. 2.3.2.3 A INFLUÊNCIA DO PH Embora o pH das águas naturais praticamente não tenha influência nas propriedades dos concretos, algumas considerações merecem destaque. Raramente tais águas apresentam valores de pH inferiores a 4, sendo o ácido contido rapidamente neutralizado pelo contato com o cimento. A acidez das águas naturais é comumente atribuída à concentração de dióxido de carbono (CO2) em solução, que raramente excede a 10 ppm de CO2. O ácido clorídrico (HCl) e o ácido sulfúrico (H2SO4) são outros indicadores de acidez do meio, funcionando como retardadores de pega do cimento, cuidando-se, no entanto, que os teores de íons SO4 -- e Cl- não se elevem acima dos limites permitidos. A alcalinidade das águas é conferida pelos carbonatos e bicarbonatos alcalinos. Os bicarbonatos, conforme já mencionado, retardam ligeiramente a pega; em proporções superiores a 0,2 % - conforme a composição química do cimento - aceleram-na, diminuindo, no entanto, as resistências em idades elevadas.
33. 34 2.3.2.4 A INFLUÊNCIA DAS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS Dentre as substâncias orgânicas que, presentes na água, podem alterar as características dos concretos, os óleos minerais, hidratos de carbono e os açúcares merecem especial atenção. Os óleos minerais, numa concentração de até 2 % da massa do cimento, não afetam a resistência mecânica do concreto; o aumento dessa concentração - por exemplo, de 10% provocam reduções que podem exceder 30%. A natureza da matéria orgânica determina a influência mais provável: se composta de ácidos húmicos ou hidratados de carbono, normalmente retarda a pega, mas não tem qualquer outro efeito prejudicial a longo prazo, o que não se verifica quando a matéria orgânica provém de certas algas, podendo nesse caso ocasionar sensíveis variações, para menos, na resistência à compressão. Quanto aos açúcares, tidos como agentes retardadores de pega e redutores da resistência do concreto, requerem um estudo mais aprofundado, pois nem sempre eles se comportam da maneira mencionada. Os estudos de laboratório têm mostrado que pequenas quantidades de açúcar retardam a pega mas melhoram as resistências desenvolvidas ao longo do tempo. Aumentando a quantidade de açúcar, observa-se um retardamento muito grande da pega e uma redução acentuada das resistências nas primeiras idades (entre 2 e 7 dias), sendo que nas idades posteriores às resistências, se não melhoram, também não são prejudicadas. Concentrações ainda maiores tornam ultra-rápidas a pega, reduzindo efetivamente as resistências finais do concreto. A quantidade de açúcar que causa esses diferentes efeitos, depende, entre outros fatores, do tipo de cimento. Tuthill, Adams & Hemme verificaram que a sacarose, em concentrações entre 0,03 % e 0,06 % da massa de cimento, provoca atraso na pega do concreto e aumenta as resistências mecânicas nas idades de 2 e 3 dias. Bloem verificou que concentrações de 0,1 % em relação à massa de cimento retardam consideravelmente a pega, mas aumentam a resistência aos 3 dias de idade da argamassa, e concluiu que parece ocorrer aceleração da pega quando a concentração de açúcar está em torno de 0,15 %. A mesma referência mostra que essa concentração e a de 0,2 % afetam prejudicialmente as resistências aos 3 dias; a taxa de 0,2 % reduz a resistência aos 7 dias, mas melhora a de 28 dias. Os trabalhos desenvolvidos por Burchartz & Wrochem, Dautreband, Brocard, Vaicum mostram resultados de ensaios de laboratório que analisam detalhadamente o comportamento dos concretos em função da concentração de açúcar, fornecendo bons subsídios para estudos posteriores.
34. 35 2.3.2.5 SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS Dentre as substâncias inorgânicas carreadas pelas águas, algumas merecem especial atenção: os iodatos, os fosfatos, os arseniatos e os boratos de sódio, os cloretos e sulfatos de zinco e cobre, os óxidos de zinco, os sulfetos de sódio e potássio, que, dependendo da concentração em que se encontram na água de amassamento, podem causar sérios distúrbios tanto na pega, como nas resistências do concreto. Existem vários trabalhos que discorrem sobre o assunto, apresentando dados quantitativos e as conclusões dos pesquisadores, entre os quais o de Brocard. 2.3.2.6 GASES DISSOLVIDOS As quantidades de gases dissolvidos na água de amassamento são, em geral, bem pequenas, e de influência quase nula no concreto fresco ou endurecido. O Manual on Industrial Water, da ASTM, indica que os gases mais comuns e as suas concentrações mais prováveis nas águas naturais são: a) dióxido de carbono livre (CO2), que raramente excede a 10 ppm; b) oxigênio, cujo teor varia de 2 ppm a 8 ppm; c) ácido sulfídrico (H2S), com teores de até 15 ppm; d) amônia, cujo teor pode atingir até 4 ppm. 2.3.3 ÁGUA DO MAR As águas marítimas, que contêm por volta de 3,5 % de sais dissolvidos, não apresentam inconvenientes quando usadas como água de amassamento dos concretos simples. Os sais dissolvidos são compostos principalmente pelo cloreto de sódio (cerca de 78 %) e os cloretos e sulfatos de magnésio (cerca de 15 %); os teores de carbonatos são variáveis, mas seguramente baixos (cerca de 75 ppm de CO3). Quanto às resistências do concreto com água do mar, Narver verificou um decréscimo de apenas 6 % na resistência à compressão aos 90 dias, em relação às obtidas com a água doce; Mather obteve reduções de resistências variando de 10 % a 20 % e McCoy constatou decréscimos de 8 % a 15 %, na mesma idade. De um modo geral, a experiência tem mostrado que, no concreto simples, a água do mar apresenta resultados praticamente iguais àqueles obtidos com água doce padrão, verificando-se, às vezes, ligeira aceleração de pega, aumento das resistências iniciais e leve diminuição das resistências finais, dependendo do tipo de cimento empregado. No concreto armado, a opinião geral é a favor de não utilização da água do mar, uma vez que, provavelmente, ocorrerá a corrosão do aço.
35. 36 Alguns autores atentam para o inconveniente das eflorescências, ocorridas nas superfícies dos concretos, em função do emprego da água do mar como água de amassamento, e de condições propícias para a sua formação: existência de uma certa umidade no interior do concreto e uma taxa lenta de evaporação. Coutinho assim resume as recomendações sobre o emprego das águas marítimas no concreto: podem ser utilizadas sem qualquer precaução no concreto simples; só deverão ser usadas no concreto armado quando a relação água/cimento for menor ou igual a 0,70; não deverão ser empregadas quando se tratar de concreto protendido. 2.3.4 ÁGUAS RESIDUAIS DE INDÚSTRIAS Em se tratando de águas residuais, cada caso deve ser tratado separadamente, pois é impossível generalizar os tipos de impurezas carreadas, uma vez que é função do próprio processo industrial e do tipo de serventia da água. Abrams analisou o comportamento de concretos executados com águas contendo diversos tipos de resíduos industriais, obtendo bons resultados na maioria dos casos. O assunto será tratado no item a seguir, quando da apresentação das conclusões de Abrams sobre o comportamento de diversos tipos de águas utilizadas na mistura do concreto. 2.3.5 O EFEITO DAS IMPUREZAS NA ÁGUA DE MISTURA, SEGUNDO ABRAMS Uma grande série de experimentos sobre esse tema foi realizada por Abrams. Aproximadamente 6000 corpos-de-prova de argamassa e concreto e 68 tipos diferentes de água foram ensaiados durante a pesquisa. Dentre os tipos de águas testadas – marítimas, alcalinas, minerais, residuais e de pântano – foram incluídos ensaios com água potável de qualidade comprovada, para fins de comparação dos resultados. Determinaram-se os valores dos tempos de pega do cimento e das resistências à compressão do concreto, nas idades compreendidas entre 3 dias e cerca de dois anos e meio, para cada tipo de água empregada. Algumas das principais conclusões baseadas nos resultados finais dos ensaios: a) O tempo de pega do cimento portland praticamente não sofre grandes alterações, exceto em poucos casos; as amostras com baixos valores de resistência à compressão tiveram, na maioria das vezes, pega bem lenta. Verificou-se, ainda, que o tempo de pega não é indicativo satisfatório da conveniência ou não da água para fins de uso no concreto. b) A despeito da grande variação quanto ao tipo e à origem das águas, a maioria das amostras proporcionaram concretos de boa qualidade, porque a quantidade de substâncias prejudiciais constatadas foi relativamente pequena.
36. 37 c) A qualidade da água é melhor avaliada pela comparação das resistências à compressão de corpos-de-prova feitos com a água suspeita e com a de qualidade comprovada. São consideradas não satisfatórias as que mostrarem uma relação entre as resistências inferior a 90 %. d) Nem o cheiro nem a cor representam a qualidade da água para fins de uso nos concretos. Observou-se que águas de aparência desagradável originaram concretos de qualidade aceitável. Águas destiladas e potáveis compuseram concretos com praticamente os mesmos valores de resistência e) Tomando como base um valor mínimo de 90 % para a relação entre as resistências, foram consideradas não satisfatórias as seguintes águas: • águas ácidas; • águas residuais de curtumes; • águas minerais carbonatadas; • águas contendo mais de 3,0% de cloreto de sódio, ou mais de 3,5 % de sulfatos; • águas contendo açúcares ou compostos similares. Foram dadas como satisfatórias, para emprego como água de amassamento do concreto: • águas de pântanos e brejos; • águas mostrando concentração máxima de 1,0 % do íon SO4 -- ; • águas alcalinas, contendo até 0,15 % de sulfato de sódio (Na2SO4) e até 0,15 % de cloreto de sódio (NaCl); • águas provenientes de minas de carvão e gesso; • alguns tipos de águas servidas, como as provenientes de matadouros, cervejarias, fábricas de tintas e sabão. 2.3.6 A PRÁTICA CORRENTE PARA A VERIFICAÇÃO DA QUALIDADE DA ÁGUA EMPREGADA NO AMASSAMENTO DOS CONCRETOS PARA PAVIMENTOS Antes de ser iniciada uma obra de pavimentação de concreto, ou quando houver dúvidas a respeito da água a ser empregada na mistura do concreto, deve-se proceder à análise química e aos ensaios comparativos de comportamento executados em pastas e argamassas padrão. Os resultados obtidos nestes ensaios devem atender às exigências feitas para a água de amassamento e cura dos concretos nas normas DNIT 047/2004-ES, DNIT 048/2004-ES e DNIT 049/2004-ES. Nos ensaios químicos executados conforme a Norma DNIT 036/2004-ME, a água deverá apresentar:
37. 38 a) pH entre 5,0 e 8,0; b) matéria orgânica (expressa em oxigênio consumido) até 3 mg/l; c) resíduo sólido até 5000 mg/l; d) sulfatos (expresso em íons SO4 -- ) até 600 mg/l; e) cloretos (expresso em íons Cl- ) até 1000 mg/l; f) açúcar até 5 mg/l. Nos ensaios comparativos de pega e de resistência à compressão, executados de acordo com a Norma DNIT 037/2004-ME, adotando como comparação uma água de boa qualidade, ou de preferência, uma água destilada, os resultados obtidos com a pasta e argamassa executadas com a água suspeita deverão apresentar: a) o tempo de início de pega deverá ser igual, no mínimo, ao tempo de início de pega da pasta confeccionada com água de boa qualidade menos 30 minutos; b) o tempo de fim de pega deverá ser igual, no máximo, ao tempo de fim de pega da pasta confeccionada com água de boa qualidade mais 30 minutos; c) a redução da resistência da argamassa executada com a água suspeita, em relação à argamassa executada com a água considerada satisfatória, não poderá ser maior que 10 %, em qualquer das idades de ensaio. 2.3.7 NORMAS APLICÁVEIS As normas a serem adotadas na qualificação de águas destinadas ao amassamento e cura do concreto são as normas brasileiras da ABNT e DNIT, a saber: a) NBR 12654 - Água de Amassamento - Coleta de Amostra para Ensaios; b) DNIT 036/2004-ME - Água de Amassamento - Ensaios Químicos - Método de Ensaio; c) DNIT 037/2004 - ME - Água de Amassamento - Ensaios Comparativos - Método de Ensaio. d) DNIT 047/2004 – ES – Concreto de Cimento Portland em equipamento de pequeno porte-Especificação de Serviço. e) DNIT 048/2004 - ES - Concreto de Cimento Portland em equipamento de fôrma-trilho- Especificação de Serviço. f) DNIT 049/2004 – ES - Concreto de Cimento Portland em equipamento de fôrma- deslizante-Especificação de Serviço.
38. 39 2.4 ESTUDO DOS ADITIVOS E ADIÇÕES 2.4.1 DEFINIÇÕES Aditivo pode ser definido como toda substância não plenamente indispensável à composição ou à finalidade do concreto em si, mas que, quando nele colocada em pequenas quantidades, antes ou durante a mistura, gera ou reforça certas características do concreto, quer no estado plástico, como no endurecido. Segundo o Comitê 212 do American Concrete Institute (ACI), aditivo é "uma substância distinta da água, dos agregados e do cimento, que se usa como ingrediente em concretos e argamassas, adicionado durante a mistura". 2.4.2 USO DOS ADITIVOS Os aditivos são incorporados ao concreto para que se obtenham efeitos diversos, tais como: a) melhorar a trabalhabilidade; b) acelerar ou retardar o tempo de pega; c) reduzir a permeabilidade; d) acelerar o desenvolvimento da resistência nas idades iniciais; e) torná-lo mais resistente aos agentes agressivos; f) retardar ou diminuir o calor de hidratação; g) desenvolver propriedades fungicidas, germicidas ou inseticidas etc. Para cada finalidade há um ou mais aditivos adequados. Seu uso deve ser cuidadosamente estudado e as prescrições dos fabricantes seguidas à risca, pois, sendo o aditivo uma espécie de vitamina para o concreto, como tal seu emprego indiscriminado pode trazer efeitos colaterais indesejáveis. 2.4.3 CLASSIFICAÇÃO É possível classificar os aditivos com base em seus efeitos, o que, apesar do menor rigor científico se comparado com a classificação fundada nas ações químicas ou físico- químicas, é de maior interesse prático. Seguindo a classificação proposta por Coutinho, os aditivos distribuem-se em oito grupos, a saber (sempre baseado nos efeitos): a) redutores de água (plastificantes e superplastificantes); b) incorporadores de ar;
39. 40 c) aceleradores de pega; d) retardadores de pega; e) aceleradores de endurecimento; f) impermeabilizantes; g) expansores; h) anticorrosivos, fungicidas, germicidas e inseticidas. Aqui serão objetivo de consideração apenas os aditivos de maior interesse, em pavimentos de concreto. 2.4.4 DESCRIÇÃO DOS EFEITOS DOS ADITIVOS MAIS USADOS SOBRE O CONCRETO 2.4.4.1 AGENTES REDUTORES DE ÁGUA (PLASTIFICANTES) Os redutores de água são compostos orgânicos cujas moléculas têm estrutura extremamente complexa e que conferem ao concreto uma determinada trabalhabilidade, medida pelos meios usuais (como o ensaio de abatimento e ensaio Vebe), possibilitando a redução da relação água/cimento. Podem ser de cinco tipos, dependendo das adições que contenham, a saber: a) Agentes redutores de água normais, que permitem a redução da quantidade de água sem alterar, de maneira significativa, a pega do cimento; são designados pela ASTM C 494 por TIPO A. b) Redutores de água e retardadores, do TIPO D, sendo utilizados quando há necessidade de se manter a consistência por um período maior, como por exemplo no caso de concretagem de grandes peças, longo percurso de transporte etc c) Redutores de água e aceleradores, denominados TIPO E, que, além de fluidificantes, são aceleradores de pega. d) Redutores de água e incorporadores de ar, os quais introduzem na pasta de cimento, minúsculas bolhas de ar, além de manter a trabalhabilidade, com redução da relação água/cimento; é encontrado no mercado sob as formas de normal e retardador, ambas possuindo dois níveis de incorporador de ar: • o normal introduz aproximadamente de 1% a 2% de ar, sendo usado normalmente para suprir a ausência de finos, • o retardador introduz aproximadamente de 3% a 6% de ar, sendo usado para aumentar a resistência do concreto aos agentes agressivos (a vantagem do emprego do aditivo redutor de água em relação ao incorporador de ar é a minimização dos efeitos nocivos causados pelas bolhas, que reduzem a resistência à compressão do concreto, como mostra a Figura 1).
40. 41 e) Aditivos superplastificantes, produtos que permitem uma redução bastante significativa de água – bem acima da obtida com o uso de plastificantes comuns ou, mantida a quantidade de água, conferem ao concreto consistência fluida (a Figura 2 mostra o acréscimo de resistência alcançado pela redução da relação água/cimento, comparado com o concreto normal de mesma consistência). 2.4.4.1.1 EFEITOS DOS ADITIVOS REDUTORES DE ÁGUA NO CONCRETO FRESCO a) Redução no consumo de água para uma mesma consistência - pode atingir valores importantes, para aditivos comuns, dependendo do tipo e quantidade do aditivo, da dosagem do concreto e do tipo de cimento. No caso de superplastificantes, a redução de água pode chegar a valores ainda mais significativos. b) Aumentam a trabalhabilidade do concreto para a mesma relação água/cimento c) Para um mesmo abatimento, o concreto normalmente apresenta melhor trabalhabilidade, menor segregação e maior resposta à vibração. d) Podem reduzir, em pequena escala, o calor de hidratação, devido ao possível menor consumo de cimento. e) No caso de redutores-retardadores, seu uso permite concretagem em dias muito quentes, evitando, no caso de grandes peças, a formação de juntas frias de concretagem. Figura 1 - Influência da presença de aditivos redutores de água e incorporadores de ar na resistência do concreto
41. 42 Figura 2 - Relação entre a resistência à compressão e o tempo de cura, para concreto com superplastificante 2.4.4.1.2 EFEITOS DOS ADITIVOS REDUTORES DE ÁGUA NO CONCRETO ENDURECIDO a) Os aditivos redutores e redutores-aceleradores produzem no concreto um aumento na resistência à compressão, aos 28 dias, de 10% a 20%, sendo menor este acréscimos, nas primeiras idades – 24 horas a 3 dias. b) O concreto preparado com aditivos redutores-retardadores terá uma resistência, para as idades de 16 horas a 48 horas, no mínimo iguais as do concreto sem aditivos; aos 28 dias, sua resistência poderá ser de 15% a 25% maior. c) O aumento de resistência do concreto que contenha redutor de água é maior do que se poderia esperar pela simples redução da relação água/cimento. Com a mesma relação água/cimento e o mesmo consumo de cimento, o concreto com esse aditivo é quase sempre mais resistente do que o concreto simples. d) A resistência à flexão aumenta menos do que à compressão. e) O concreto preparado com aditivos redutores-incorporadores de ar é mais resistente a agentes agressivos. f) Os aditivos fluidificantes permitem uma melhor compactação; portanto, o concreto será mais impermeável. g) Apesar da redução da relação água/cimento, alguns destes aditivos, devido a sua composição provocam um significativo aumento da retração hidráulica. 2.4.4.2 AGENTES INCORPORADORES DE AR Os agentes incorporadores de ar são materiais orgânicos, normalmente em solução aquosa, ou inorgânicos, como o alumínio em pó, que introduzem no concreto uma
42. 43 quantidade limitada de ar, sob a forma de minúsculas bolhas, desempenhando simultaneamente o papel de lubrificante e de agregado fino. A utilização desses produtos deve ser feita de maneira bem mais cuidadosa do que os agentes redutores de água, pois aqui o volume de ar introduzido depende de fatores como a temperatura do concreto e a granulometria (principalmente quanto aos finos), trazendo variações imprevisíveis nas propriedades da mistura. 2.4.4.2.1 EFEITOS SOBRE O CONCRETO FRESCO a) Melhoria da trabalhabilidade: as minúsculas bolhas incorporadas ao concreto (Figura 3) funcionam como rolamentos, diminuindo o atrito entre as partículas dos agregados, melhorando a trabalhabilidade da massa; conseqüentemente, a quantidade de água de amassamento pode ser reduzida. Conforme Coutinho, essa redução pode ser avaliada em torno de V%/2, onde V% é o volume de ar incorporado em relação ao concreto. Figura 3 - Aspecto esquemático do conjunto areia - bolhas de ar - pasta grão de areia bolha de ar b) Redução da segregação, devido ao aumento da coesão. c) Diminuição da exsudação. d) Em concreto pobre de finos, supre-lhes a falta. e) No preparo de concretos leves, nos quais o agregado pode ser argila expandida, vermiculita ou outro, o incorporador de ar impede a segregação causada pela tendência do agregado flutuar na pasta ou argamassa. f) Reduz a retração plástica ou inicial. 2.4.4.2.2 EFEITOS SOBRE O CONCRETO ENDURECIDO a) Aumento da resistência ao ataque de águas agressivas, pois os vazios permitem a formação de sais expansivos sem induzir tensões prejudiciais ao concreto; ao mesmo tempo, os sais selam os espaços deixados pelas bolhas de ar, não permitindo que o ataque das águas ao cimento se propague para o interior do concreto. b) Diminuição da absorção capilar, uma vez que as bolhas interrompem os canalículos, reduzindo assim a capilaridade.
43. 44 c) Redução da massa específica aparente. d) Eliminação de zonas fracas no concreto, posto conferir-lhe melhor homogeneidade. e) Diminuição da ordem de 15% na resistência à compressão. 2.4.4.2.3 RECOMENDAÇÕES É obrigatória a medição periódica da porcentagem de ar incorporado na massa de concreto recém-misturada, que pode ser feita pelos métodos gravimétricos (NBR 9833), de pressão (NBR 11686) ou volumétrico (ASTM C 173). Bauer & Noronha recomendam, para pistas de rolamento, uma quantidade entre 4,0% e 7,0%. Segundo a Portland Cement Association (PCA), a porcentagem recomendada de ar incorporado é função da dimensão máxima característica do agregado, conforme o Quadro 1. QUADRO 1 Dimensão máxima característica do agregado (mm) Conteúdo de ar (%, em volume) (PCA) 38,0 a 64,0 19,0 a 25,0 9,5 a 12,5 2,5 a 4,0 3,5 a 5,5 4,5 a 6,0 2.4.4.3 ACELERADORES E RETARDADORES São aditivos que alteram o tempo de pega e a velocidade de endurecimento do concreto. Podem ser divididos em dois grupos: a) aceleradores, que em geral aumentam a velocidade de endurecimento, e eventualmente podem reduzir o tempo de início de pega, b) retardadores, que aumentam o tempo de início da pega. A ação dos aceleradores e retardadores é gerada por reações químicas, sendo necessário, antes de usá-los, realizar ensaios que determinem a quantidade necessária para cada tipo de cimento. 2.4.4.3.1 ACELERADORES DE PEGA E DE RESISTÊNCIA a) Aceleradores de resistência Os aceleradores de resistência podem ser subdivididos em dois grupos: os quimicamente ativos e os catalizadores. No primeiro grupo há os cloretos de cálcio e de sódio, os carbonatos, os silicatos, os fluossilicatos e os hidróxidos, enquanto os catalizadores podem ser, entre outros, a trietanolamina composta com outras substâncias. Dentre os aceleradores de resistência, o mais utilizado é o cloreto de cálcio, do qual sabe-se, comprovadamente, que vem sendo usado no concreto desde 1885. É um
44. 45 aditivo de ação química que acelera a velocidade de endurecimento da mistura, alterando pouco, conforme se verá mais adiante, o tempo de pega da argamassa ou do concreto. Para que seu efeito seja o desejado, o cloreto de cálcio deve obedecer a certas especificações - químicas e físicas - de acordo com a ASTM D 98: • propriedades físicas: – fração menor que 9,5 mm: 100 %; – fração maior que 6,4 mm: não mais que 20%; – fração maior que 0,8 mm: não mais que 10 %. • propriedades químicas: – cloreto de magnésio (MgCl2): não mais que 0,5%; – cloreto alcalino: não mais que 8%; – outras impurezas: não mais que 1%. Os efeitos do cloreto de cálcio no concreto são: • Resistência à compressão: o aumento da resistência à compressão do concreto, para uma mesma quantidade de cloreto de cálcio, é função da temperatura ambiente e da idade do concreto. O Quadro 2 apresenta o acréscimo da resistência ao concreto de mesmo traço e sem aditivos. QUADRO 2 Temperatura de cura (ºC) % do aumento de resistência aos 28 dias -10 0 10 20 40 90 25 16 12 7 • Resistência à tração na flexão: segundo Rixom, a presença de cloreto de cálcio poderá acarretar um decréscimo tanto nas resistências finais à tração, como na tração por flexão. • Efeito sobre o tempo de pega: a adição de 2% (em massa do cimento) de cloreto de cálcio no concreto causa uma redução média de uma hora no início de pega, e de aproximadamente duas horas no fim de pega, quando a temperatura de cura é de 20ºC; se a adição ultrapassar os 3%, poderá dar-se a pega instantânea do cimento; a Figura 4 mostra a variação da velocidade de endurecimento do concreto, para uma adição de 2% de CaCl2 e temperaturas de 2ºC, 10ºC e 19ºC.
45. 46 • Variações volumétricas: a retração hidráulica do concreto é incrementada, quando é adicionado o cloreto de cálcio ao concreto; o aumento ocorre tanto na cura úmida como ao ar. Figura 4 - Tempo de endurecimento do concreto com e sem acelerador A resistência do concreto ao ataque de águas contendo sulfatos é diminuída. • Em concretos nos quais os agregados reajam com os álcalis do cimento, a reação se intensifica na presença do cloreto de cálcio. • Acelera-se o desenvolvimento do calor de hidratação, sem efeito sobre a quantidade total do calor desenvolvido. • A presença do cloreto de cálcio poderá acelerar ou provocar a corrosão da armadura; o perigo pode ser minimizado usando-se um concreto de alta qualidade e baixa permeabilidade, garantindo-se, ainda, que a quantidade total de cloreto não exceda de 1,5% em relação à massa de cimento. A norma NBR 11768 (ABNT) proíbe o uso desse aditivo em pavimentos protendidos, já que as barras ou cordoalhas de aço estarão solicitadas por altas tensões, daí sendo mais susceptíveis à corrosão sob tensão, que, nesse caso, seria grandemente danosa à integridade da estrutura. • O cloreto de cálcio, ao ser dissolvido em água, aumenta-lhe a temperatura, por uma reação exotérmica, o que poderá acarretar significativa redução do tempo de pega do cimento; portanto; quando essa diminuição é indesejável, recomenda-se preparar a solução com alguma antecedência. 2.4.4.3.2 ACELERADORES DE PEGA São aditivos cuja função básica é acelerar a pega do cimento, o que os torna de menor utilidade no concreto destinado à pavimentação, empregável apenas em alguns casos particulares, como reparações limitadas a pequenas áreas.
46. 47 Tem a forma líquida e, se forem adicionados diretamente à argamassa seca, provocam a pega ultra-rápida do cimento - aproximadamente, 30 segundos - podendo, no entanto, serem dissolvidos em água para diminuir esse efeito. 2.4.5 RETARDADORES Os retardadores são substâncias que conferem ao concreto um maior período de trabalhabilidade, retardando a pega do cimento e permitindo maior tempo de transporte entre a usina e a obra ou, mesmo, concretagem em dias de elevada temperatura. Sua eficácia é função da quantidade utilizada e da temperatura da água de amassamento. Os retardadores são compostos orgânicos e podem ser separados em 5 classes (segundo a Cement and Concrete Association - CCA), a saber: a) Classe 1: ácidos lignossulfônicos e seus sais; b) Classe 2: derivados de ácidos lignossulfônicos ou modificados deste e seus sais; c) Classe 3: ácidos hidroxicarboxílicos e seus sais; d) Classe 4: derivados de ácidos hidroxicarboxílicos ou derivados destes e seus sais; e) Classe 5: carboidratos (inclusive açúcares) que não atuam, porém, como redutores de água. Os aditivos das Classes 2 e 4 podem ser utilizados concomitantemente com outros tipos, como os incorporadores de ar ou aceleradores de endurecimento. Excetuando-se os carboidratos, os retardadores são substâncias tensoativas, que introduzem no concreto, durante a mistura, uma certa quantidade de ar, melhorando-lhe a trabalhabilidade e permitindo redução da quantidade de água - o que dependerá da classe do aditivo - para uma mesma trabalhabilidade. Os efeitos dos retardadores no concreto são: a) redução da água de mistura: em média, varia de 5% a 13%, para as Classes 1 e 2; de 3% a 8%, para as Classes 3 e 4; em torno de 1% para a Classe 5; b) exsudação: dada a ação dispersante dos agentes (exceto os de Classe 5), a exsudação é diminuída, fator importante no caso de pavimentos; a diminuição é função da quantidade de ar introduzido; c) ar incorporado: a quantidade de ar incorporado depende da classe do aditivo; os de Classe 1 introduzem uma quantidade variando de 3% a 10%; Classe 3, de 2% a 5%; os carboidratos reduzem a quantidade de ar normalmente encontrada no concreto (cerca de 2%) de 1%, enquanto que os de Classes 2 e 4 introduzem uma quantidade variável de ar; d) tempo de pega: em cimentos com teores normais de álcalis e aluminato tricálcico (C3A), o retardamento da pega será de 2 horas a 4 horas, sendo o efeito mais pronunciado para teores mais baixos de aditivo;
47. 48 e) resistência: a resistência obtida será função da composição do cimento; normalmente, a resistência à compressão de concretos com retardadores é maior nas primeiras idades do que as obtidas nos concretos sem aditivos (na tração por flexão o aumento é menor, pois o ar incorporado tem maior influência). 2.5 ESTUDO DOS SELANTES DE JUNTAS 2.5.1 OBJETIVOS DA SELAGEM DE JUNTAS A selagem das juntas de um pavimento de concreto – transversais ou longitudinais, serradas ou moldadas – é uma prática que pretende impedir a infiltração de água e de materiais sólidos (como areia, pequenos pedregulhos e outros corpos estranhos) através delas. A infiltração de água, mesmo quando no projeto consta a execução de uma sub-base adequada, não-bombeável, traz conseqüências danosas à durabilidade do pavimento como um todo, pois a água, ao mover-se entre a sub-base e a placa de concreto pode produzir a erosão da primeira e prejudicar a continuidade de suporte requerida para o bom desempenho do pavimento; atingindo os acostamentos, pode passar ao subleito e provocar o seu afundamento, seja por bombeamento, como por amolecimento da camada. Já a presença de materiais sólidos impede que a junta se movimente livremente, fato que, em tempo quente, quando a abertura da junta se estreita, desenvolverá tensões de compressão imprevistas; estas, dependendo da magnitude da temperatura, da abertura da junta, da distância entre as juntas, do volume de tráfego e do tipo de sub-base, podem atingir valores seriamente prejudiciais à integridade estrutural da junta e, conseqüentemente, da placa de concreto. A Figura 5 ilustra o fato. Resta pouca ou nenhuma dúvida, na época atual, quanto à necessidade de prover essa vedação, posto que apenas em casos muito raros os fenômenos de infiltração – seja de água ou de sólidos incompressíveis – deixam de ter os efeitos descritos. Pavimentos que dispõem de sub-base estabilizada com cimento, por exemplo, mostram maior resistência às infiltrações na ranhura. Por seu turno, em pavimentos de concreto construídos em regiões muito secas, a penetração de água é tão reduzida que, somada à natureza normalmente arenosa dos solos dessas áreas, é insuficiente para provocar o bombeamento. Na maior parte dos casos que o nosso meio técnico rodoviário terá de enfrentar, a selagem das juntas parece imprescindível, restando determinar, para cada situação específica, o tipo de material selante que seja técnica e economicamente mais viável.
48. 49 Figura 5 - Aspectos de junta transversal ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) Tração Tráfego Compressão TrincaTrinca (a) Aspecto de uma junta transversal de retração, não selada, imediatamente após o aparecimento da trinca de retração (b) Vê-se a trinca de retração aberta (em tempo frio) e a ranhura preenchida com partículas sólidas (c) A ação do tráfego empurra as partículas sólidas para o interior da trinca de retração (d) Em temperaturas mais elevadas, a trinca tende a "fechar" dando origem a tensões de compressão que, a depender dos fatores citados no texto, podem provocar o aparecimento de trincas na região da junta e o seu progressivo esborcinamento 2.5.2 REQUISITOS NECESSÁRIOS AOS MATERIAIS SELANTES A definição de quais sejam os requisitos que um material selante de junta deve apresentar, para garantia de um comportamento apropriado ao longo do tempo, depende do conhecimento do estado de tensão a que ficarão submetidos quando em serviço e dos principais tipos de falhas que podem ocorrer devido a essas solicitações. Um material selante de juntas de pavimentos de concreto pode estar sujeito a uma das três seguintes situações: a) alternação das tensões de tração e de compressão, caracterizando um ciclo de solicitações opostas; b) sempre sob compressão; c) sempre sob tração. O último caso é, presentemente, apenas teórico, pois é flagrante a impraticabilidade de tracionar o selante previamente à sua colocação dentro da junta e mantê-lo nessa
49. 50 condição. A segunda hipótese corresponde a uma condição em que o selante é colocado na junta quando comprimido e, qualquer que seja a abertura da junta ante a variação ambiental, ele permanece sob compressão, o que traz a vantagem de garantir a ligação entre a parede da junta e a lateral do selante. Este, por seu lado, deve ser de natureza elástica, sem sofrer deformações irrecuperáveis. Na verdade, o mais comum em pavimentos de concreto simples é o primeiro estado de tensões mencionado, em que o selante, vazado na junta sob a forma líquida ou pastosa, adquire consistência sólida e, por sua aderência às paredes da junta, acompanha as suas movimentações, permanecendo ora tracionado – quando a junta abre, pela retração da placa – ora comprimido, quando ela fecha, pela dilatação da placa – de acordo com a temperatura predominante no momento. Sujeitos aos tipos de solicitações descritos, principalmente aos ciclos alternados de tração e compressão, os materiais selantes – que compõem com as paredes verticais da junta um conjunto, mantido unido pela aderência entre o selante e a parede – podem apresentar defeitos causados por fenômenos ocorridos no próprio selante, ou nas paredes da junta, ou na superfície de ligação entre os dois componentes. As falhas devidas ao comportamento do selante ocorrem: a) por falta de coesão, que permite o dilaceramento do material quando tracionado (Figura 6a); b) por intrusão, quando o selante não impede que o tráfego empurre para o seu interior corpos sólidos que eventualmente estejam sobre a junta (Figura 6b); c) por extrusão, quando o estado de compressão leva o selante a derramar-se na superfície da placa contígua à junta (Figura 6c). As paredes da junta podem sofrer quebra ou esborcinamento, cuja razão principal é o mau acabamento do local, que não resiste aos esforços de tração gerados no selante pela retração do concreto das placas em tempo frio (Figura 6d). O conjunto parede- selante falha, geralmente, pela perda de adesão entre os dois componentes da junta, quando esta se encontra muito aberta (Figura 6e), e pode configurar um segundo estágio da ruptura por esborcinamento. Um material selante de funcionamento apropriado deverá, portanto, possuir propriedades físico-químicas e mecânicas que lhe propiciem longa vida de serviço e resistência às solicitações e situações causadoras dos defeitos e falhas mencionadas. Essas características são: a) fluidez; b) período de cura; c) adesividade, d) elasticidade, e) resistência à fissuração
50. 51 f) coesão. Figura 6 - Defeitos e falhas no material selante 6e - Falta de adesão6d - Esborcinamento6c - Extrusão 6b - Intrusão6a - Falta de coesão Os selantes de juntas em pavimentos de concreto podem ser divididos em dois grupos, a saber: a) selantes vazados no local; • selantes vazados a quente • selantes vazados a frio. b) selantes pré-moldados. Os selantes a quente são alcatrões, asfaltos e compostos de asfalto e borracha, conhecidos também como termoplásticos, e os mástiques, associação entre um líquido viscoso (por exemplo, emulsões, óleos não secativos, asfaltos de baixa penetração) e um filer (como fibras de amianto, cimento portland, cal apagada, areia fina), em proporções variáveis. Os mástiques a quente têm sido largamente utilizados em nosso País, sob a forma de produtos industrializados ou não. Em geral, os termoplásticos não são recomendáveis em selagem de juntas de pavimentos modernos de concreto, pelas dificuldades de aplicação e sua pequena durabilidade. Em favor dos selantes a quente, está o seu baixo custo inicial; a desvantagem maior é sua baixa resistência ao calor, a óleos e combustíveis, que os amolecem e, quase sempre, fazem com que extravasem da junta. As altas temperaturas de aplicação exigem, sobretudo, muito cuidado quanto à segurança do operador. É comum, quando da aplicação, o esfriamento do material e seu posterior reaquecimento, o que perturba a estrutura química do selante. Além disso, exigem manutenção pesada cada 2 – 4 anos, cujo montante pesa no custo final do pavimento.
51. 52 Os selantes vazados a frio incluem como bases resinas epóxicas, polissulfetos orgânicos, uretanos, silicones e polimercaptanos. Compõem-se, em regra, da mistura de uma dessas bases e de um agente de cura, os quais reagem de modo a formar o selante propriamente dito, um elastômero, ou polímero. São todos produtos industrializados, aplicáveis à temperatura ambiente e necessitam quase sempre de um produto acessório de imprimação da junta, que deverá estar limpa e seca antes da vedação. Em nossas condições atuais, levam a desvantagem aparente do custo inicial, se bem que tenham baixíssima necessidade de manutenção e, conseqüentemente, mínimo custo de conservação ao longo da vida de serviço do pavimento. As bases de polissulfetos são as utilizadas há maior tempo, no exterior, enquanto que os uretanos são de um tempo de uso menor. Os silicones e os polimercaptanos encontram-se sob pesquisa intensa, já existindo no mercado brasileiro alguns tipos de selantes com essas bases. Além da associação base-agente de cura, certos produtos contêm, ainda, fíleres e plastificantes, e podem ser de natureza asfáltica. Os polissulfetos – usados desde os anos 50 – são de grande capacidade de relaxação de tensões, ou seja, atingem rapidamente a condição de equilíbrio de forma após submetidos a períodos longos de compressão. Os uretanos são elásticos, e somente chegam à estabilidade de forma quando retornam à posição original de colocação. De custo muito mais elevado, bem como vida de serviço maior do que a dos outros materiais, os selantes pré-moldados são, positivamente, o tipo mais requintado de material de selagem de juntas. Existem diversas espécies de pré-fabricados, como o poliuretano, o polietileno e as cortiças, por exemplo. São excelentes para evitar a penetração de sólidos e, por serem altamente compressíveis e elásticos, têm uma atuação excepcional em juntas de expansão. Quanto à sua estanqueidade, depende fortemente da rugosidade das paredes da junta e da aderência entre o selante e as paredes verticais, exigindo que estas sejam as mais lisas e uniformes possíveis. Outro fato – este, curioso – que tem sido observado em nosso País, é o arrancamento desse tipo de material, quando não aderente, por vandalismo ou furto. Os pré-moldados podem apresentar dois tipos peculiares de falhas: a) por compressão, na qual o selante pós-comprimido não consegue voltar à forma original e deixa um espaço vazio entre um de seus lados e a junta (Figura 7a); b) por extrusão mecânica, caracterizada pela expulsão do material por efeito da passagem dos veículos (Figura 7b).
52. 53 Figura 7 - Falhas em selantes pré-moldados Compressão Compressão Penetração de Materiais Penetração de MateriaisTráfego 7b - Selante mal colocado 7a - Perda de elasticidade do selante Quanto às especificações dos materiais selantes, existe a norma DNIT 046/2004-EM e os respectivos métodos de ensaios, relacionados no item 2.5.5. Em geral, os ensaios exigidos referem-se à determinação das características físico- químicas e mecânicas já mencionadas aqui, com predominância dos valores de resistência à penetração, de aderência e de recuperação da forma original. São executados, ainda, dependendo do tipo de selante, ensaios de distorção ou deformação, de fragilidade, de compressão, de absorção de água, de fluidez, de fusão, de extrusão e de solubilidade em óleo. Em todas as especificações, a importância do intemperismo é ressaltada, quanto à influência que exercerá sobre o comportamento do selante quanto em uso. 2.5.3 DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DO SELANTE - FATOR DE FORMA O principal dado geométrico que governa o comportamento global de um sistema junta- selante é a relação entre a profundidade do selante e a largura da junta, o fator de forma. Há uma sensível influência dessa relação numérica no grau de deformação do selante, o que está mostrado nas Figuras 8a, 8b e 9. A deformação é diretamente proporcional ao fator de forma, o que torna claro ser conveniente projetar juntas com a menor relação possível entre a profundidade do selante e a abertura da junta, o que garante o comportamento ótimo do selante quando sob tensão. A experiência ensina que é fundamental, ainda, para o bom funcionamento do material selante e por motivos práticos, limitar o valor mínimo da profundidade de sua aplicação, o que implica a necessidade de se construir um reservatório capaz de manter o fator de forma numa faixa de valores pequenos, no máximo igual a 2.
53. 54 Recomenda-se adotar o reservatório do selante em todas as juntas transversais (no caso de placas muito pequenas, com 4,5 m de comprimento ou menos, pode-se, a critério do projetista, dispensar o reservatório) e em todas as juntas longitudinais sem barras de ligação. A Portland Cement Association (PCA) aconselha a manutenção da forma quadrada para o selante (ou seja, fator de forma igual a 1), sempre que possível. A Figura 10 define duas maneiras de se construir o reservatório. Tanto na primeira como na segunda, o reservatório é formado por alargamento da ranhura primitiva, de modo a propiciar a relação profundidade/abertura preconizada, dentro dos valores mínimos práticos; diferem os materiais que irão evitar a aderência do selante ao fundo do reservatório. Na Figura 10a, a quebra de aderência é favorecida pela introdução de uma tira ou fita plástica, ou mesmo de madeira impermeabilizada, delgada; já no segundo tipo, mostrado na Figura 10b, o reservatório deverá ser um pouco mais profundo, posto que o material usado é um cordão de seção circular, de sisal ou similar, de isopor ou, ainda melhor, de plástico.