Ensaios de materiais
Marco Antônio de Morais Alcantara
O controle de qualidade e a adequação às normas são específicos, devem atender ao contexto do material. Não podem ser muito divergentes, para não gerar controvérsias. Podem ser com ensaios destrutivos ou não destrutivos. Procedimentos normalizados são aqueles que são padronizados desde a preparação dos corpos de prova até à ruptura, incluindo a cura. Cabe considerar que, as condições ideais de laboratório podem se distanciar das condições reais da estrutura, conforme o tipo e o porte da estrutura. Discutiremos nesta postagem os
ensaios mecânicos do concreto, os procedimentos básicos, os valores que podem
ser obtidos e os fatores de influência. Iniciaremos pelos ensaios de
resistência à compressão uniaxial no sentido axial, com o intuito de se avaliar
a resistência à compressão simples.
os ensaios de resistência à compressão são importantes por estarem ligados ao atendimento da função estrutural do concreto, assim como, outras propriedades do concreto podem apresentar correlação com os valores de resistência á compressão.
Dentre os propósitos específicos para os ensaios de resistência à compressão estão a decisão de se fazer a desforma da estrutura, assim como de colocar em serviço uma estrutura. Ainda, são considerados os casos de se verificar os valores de resistência alcançados em estudos de dosagem e otimização de concreto, assim como no acompanhamento do desempenho de uma estrutura em sua vida útil.
O valor encontrado para a resistência à compressão é compreendido como a "resistência potencial do concreto" Valores reais para a resistência à compressão seriam aqueles que tivessem condições de proximidade com as condições da obra, tanto em termos de execução como em termos de cura e exposição.
Os ensaios de resistência à
compressão no sentido axial são executados por meio de um sistema de
carregamento, o qual procura introduzir carga ao material, de modo centralizada, bem distribuída sobre a superfície do corpo de prova; é aplicada à uma taxa de crescimento constante; o dispositivo é apresentado na Figura 1.
Alguns fatores podem afetar os valores da resistência à compressão do concreto, em função das contingências do ensaio, dos corpos de prova, e da máquina de ensaios, sejam:
-A forma e as dimensões do corpo de prova;
-o tipo de molde;
-o processo de cura;
-o preparo das superfícies dos corpos de prova;
-o grau de umidade do corpo de prova;
-a rigidez da máquina de ensaios;
-a velocidade da aplicação da carga.
Algumas considerações podem ser feitas, destacando-se alguns destes aspectos.
Algumas considerações podem ser feitas, destacando-se alguns destes aspectos.
Em primeiro lugar quanto ao corpo de prova.
O corpo de prova: características geométricas
-A forma da seção do corpo de prova:Esta pode ser importante quanto à distribuição dos esforços, de modo que esta seja homogênea, e também, de modo a se evitar concentração de tensões na
superfície. Pode-se pensar em superfícies bastante regulares, tais como a retangular
ou a circular. Estas têm sido normalmente utilizadas, conforme as normalizações dos países.
Da mesma forma, o corpo de prova
pode ser cúbico ou cilíndrico, como ilustra a Figura 2.
Figura 2: Forma de corpos de prova: Cúbica (a) e cilíndrica (b)
Em uma publicação clássica de Robert L’Hermite, considerando casos de concreto ordinário, ele relata que, a tensão
suportada pelo concreto por corpos de prova cilíndricos é aproximadamente 0,8
vezes a tensão suportada pelos corpos de prova cúbicos.
Segundo Neville (2016), este efeito da variação da resistência em função da forma do corpo de prova é mais acentuado para os casos de resistência mecânica moderada a baixa, menor do que 50MPa. Por exemplo, para casos de concretos de alta resistência com valores de resistência da ordem de 80MPa, o fator de correção se modifica de 0,8 para 0,89, podendo ainda se 1,0 para os casos de concretos com resistência mecânica da ordem de 100MPa.
Uma recomendação, segundo Neville (2016) é que, dentro de um projeto se utilize preferencialmente de uma mesma geometria do corpo de prova. países diferentes podem seguir a procedimentos diferentes, e, para tanto, quando empresas atuam em países diferentes, deve ser realizada a conversão dos valores.
-A relação entre a altura do corpo
de prova e a seção transversal:
Esta pode influenciar na deformação axial, e também em
como isto pode afetar na distribuição de tensões pelo material. Este assunto será melhor explicado mais adiante.
Uma coisa é o corpo de prova tender a forma de uma
placa (Figura 3a), e em outro extremo, para uma altura muito grande; pode se manifestar o efeito da esbeltez
do material (Figura 3b), de heterogeneidade e de distribuição de tensões 9sobretudo entre os pratos da máquina e o corpo de prova).
De modo geral têm-se recomendado, conforme a NBR 5738:2008, a relação "2 x 1", entre a altura e o diâmetro do corpo de prova; isto com a adoção da
forma cilíndrica (Figura 3c).
Figura 3: Geometria dos corpos de prova
L’Hermite, considerando casos
de concreto ordinário, relata que, a tensão suportada pelo concreto por corpos
de prova cilíndricos diminui com o aumento da altura do corpo de prova, quando considerados casos
de corpos de prova cilíndricos de diâmetros iguais. A Figura 4, elaborada pelo
autor, ilustra os resultados apresentados em L’Hermite. observa-se pela Figura 4 que, esta diminuição de resistência tende a se estabilizar, a partir de determinado valor.
Figura 4: Variação dos valores de resistência dos corpos de prova em função da altura para casos de diâmetros iguais.
Elaboração: Autor - Dados: Robert L'Hermite
Para casos de cubos, algumas normas sugerem o uso de arestas de 150 mm, e, para casos de cilindros, que apresentem diâmetros de 150 x 300 mm, entre diâmetro e altura, ou também 100 x 200 mm.
Segundo Neville (2016), este efeito, da relação diâmetro x altura. tende a ser mais acentuado para os casos de concretos de resistência moderada à baixa, e em concretos leves.
-A dimensão, ou, o tamanho do corpo de prova:
Uma outra observação, conforme L’Hermite, é com respeito ao volume do corpo de prova.
A Tabela 1 apresenta um
conjunto de resultados, apresentados pelo autor, indicando a influência do
volume na carga resistida.
Tabela 1: Variação dos valores resistidos pelo concreto em função dos volumes dos corpos de prova
Casos
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
Dimensões do corpo de prova
(cm)
|
20x10
|
24x16
|
40x20
|
50x25
|
150x100
|
Tensão resistida (MPa)
|
34
|
33
|
32
|
31
|
30
|
Elaboração: Autor- Fonte dos dados: Robert L'Hermite
Não obstante o valor maior da
carga resistida, observa-se que, conforme o autor, “as pequenas peças são mais
resistentes do que as grandes”.
De acordo com Neville (2016), os corpos de prova maiores permitem com que estes tenham maiores chances de serem homogêneos, ainda, que as dimensões dos constituintes sejam compatíveis coma as dimensões dos moldes. Chama atenção para o diâmetro máximo do agregado, o qual deve ter a contrapartida da resistência da pasta. Ainda, com o aumento da dimensão máxima do agregado pode-se perceber problemas intitulados de "efeito parede", caracterizado pelas dificuldades de adensamento do corpo de prova e do recobrimento do agregado pela argamassa.
Neville (2016) ressalta não somente o aspecto da dimensão do corpo de prova, com a sua diminuição, mas também os valores das dispersões de resultados, que tendem também a crescer com a diminuição do corpo de prova. Segundo o autor, isto implica em se refletir sobre o número de unidades experimentais para se realizar um estudo estatístico no controle de qualidade, o qual irá aumentar.
Cabe ressaltar, conforme o autor que, algumas vantagens são apresentadas para os casos de corpos de prova men ores, dentre elas:
-São mais fáceis de manusear;
-apresentam menos riscos de serem danificados;
-a capacidade de ensaio das máquinas pode ser menor;
-a quantidade de concreto utilizada é menor;
-menor necessidade de espaço para armazenar;
menor quantidade de agregado se faz necessária.
As condições do carregamento
O carregamento deve ser também isento de distorções e da criação de esforços parasitas. Por isso ele deve ser perfeitamente centralizado, de acordo com a direção axial do corpo de prova, assim como, os pratos da prensa devem ser perfeitamente ortogonais à direção do carregamento; a superfície deve ser a mais regular possível, conforme apresenta a Figura 5.
Figura 5: Condições de aplicação do carregamento
As contingências do ensaio podem
ser compreendidas em termos das possíveis ondulações da superfície, as quais podem
causar distorções nos resultados.
Deve-se considerar que, devido ao efeito dado pelo coeficiente de Poisson, do carregamento uniaxial podem surgir efeitos de expansão lateral no corpo de prova. Em razão do atrito entre a superfície
dos corpos de prova e os pratos da prensa, podem ser induzidas tensões de cisalhamento entre a superfície dos corpos de prova e a prensa; tem-se, conforme Andrade e Tutikian (2011) que isto pode modificar a distribuição das tensões internas induzidas pelo carregamento,
conforme ilustram as Figura 6a e 6b. O atrito entre o corpo de prova e os
pratos da prensa restringem as deformações, destes, causando, então, diferentes distribuições internas de tensões.
Figura 6 (a) Condição de carregamento sem atrito (b) condição de carregamento com atrito
No caso de haver restrições à deformação do material o modo de ruptura do corpo de prova se dá com a formação de uma forma piramidal no final do ensaio, como indica a Figura 6b..
Algumas observações de Neville e Brooks (2013) dizem que:
-O efeito do atrito e da restrição às deformações tendem a promover um aumento aparente no valor da resistência à compressão;
-o efeito do atrito e da restrição às deformações, tende a diminuir com o aumento do distanciamento dos pratos para corpos de prova cilíndricos, isto, com o aumento da relação entre a altura e o diâmetro do corpo de prova;
- o efeito tende a ser mais acentuado para os corpos de prova cúbicos do que para os corpos de prova cilíndricos.
Sobre o rigor em termos do posicionamento do corpo de prova, as superfícies devem ser planas, paralelas, e ortogonais ao eixo dos pratos da máquina. Conforme Neville (2016), as tolerâncias são limitadas em limites de 6mm em 300mm.
O prato da máquina pode ser fixo ou não, e contém uma rótula, de modo a se permitir o reposicionamento ao longo do ensaio, e que o sistema não se altere.
Conforme dito, a interação entre o prato e a superfície do corpo de prova deve ocorrer, a qual pode induzir o corpo de prova a diferentes tipos de esforços. isto pode implicar em tensões e deformações internas e em modo de se definir as condições de ruptura.
A velocidade de aplicação das
cargas também é relevante, pois esta interfere na velocidade das deformações do corpo de prova, de
modo que ela deve ser padronizada, para que os valores obtidos em ensaios sejam
comparativos. Segundo Neville (2016), a deformação do material não se dá de modo linear com o carregamento, razão pela qual ele sugere que a velocidade de aplicação da carga varie entre 0,2 a 0,4 MPa/s. De modo geral, as velocidades menores se aplicam a valores de carga 50% abaixo da carga de ruptura. A norma brasileira NBR 5739:2007 recomenda para os ensaios a
velocidade de carregamento variando entre 0,3 e 0,8 MPa/s.
Contingências particulares dos corpos de prova no preparo e na ruptura
A condição de umidade do corpo de prova no momento da ruptura:
Outro aspecto importante é a condição do
corpo de prova com relação ao teor de umidade. Os corpos de prova úmidos podem ter os
seus valores de resistência diminuídos em até 30%; assim como, são também
importantes as condições de homogeneidade; se estas não são atendidas perfeitamente,
o material perde a sua isotropia, isto é, os valores passam a depender da
direção dos esforços aplicados. Ainda, podem surgir planos de fraqueza no
material, ou vazios, criando pontos de fragilidade. Cabe considerar que o autor trabalhou com concretos de resistência moderada.Neville (2016) considera que os valores de resistência mecânica dos corpos de prova úmidos são menores do que os dos corpos de prova secos. As variações são proporcionais aos tempos e níveis de secagem. por exemplo, para o caso de um concreto que apresentava o valor nominal de resistência mecânica de 34MPa, úmido, quando após a secagem plena, este apresentou um aumento de sua resistência em 10%; contudo, para o caso de secagem parcial por 6 horas, o aumento de resistência foi de apenas 5%. o autor apresenta também exemplos de casos de imersão por 48 horas, e os valores da diminuição do valor da resistência foram da ordem de 9 a 21%, conforme a condição particular.
para os casos de secagem Neville (2016) apresenta como uma possível causa as tensões induzidas pela contração de secagem, enquanto que, para os casos de umedecimento, a expansão do gel por absorção d'água pode ser a causa das diminuições de resistência, pela diminuição das forças internas de coesão.
As condições de umidades para os corpos de prova podem ser definidas, segundo Neville (2016), como:
-Completamente seco, após 24 horas de secagem;
-parcialmente seco, ou úmido, após 4 a 6 horas de iniciada a secagem;
-úmido, após retirada imediata da imersão.
L’Hermite diz que "a ruptura do concreto se dá quando ele não é mais capaz de suportar a carga que lhe está sendo aplicada. Sob esta carga ele se arrebenta, se desagrega e se separa em pedaços.” Ainda, o autor diz que “a ruptura produz a separação dos elementos que constituem o concreto. A resistência à ruptura é a força necessária para produzi-la”.
Estas afirmações de L’Hermite são bastante oportunas para caracterizar o fenômeno que acontece durante a ruptura do concreto. São relativas ao concreto ordinário convencional de sua época, o qual tem na pasta o elo radicalmente mais fraco. L’Hermite ainda distingue as fases de "pré ruptura" e de "ruptura". A fase de pré ruptura é compreendida como sendo àquela que se dá pela incidência de pequenas microfissuras, as quais se juntam, e se propagam, com a formação trincas, induzindo a separação em pedaços (Figura 7).
Figura 7: Corpo de prova sujeito à ruptura e à desagregação
Os concretos têm o comportamento frágil, e, como tal, eles se rompem por esforços internos de tração, os mesmos que induzem a formação de fissuras.
Os concretos de nova geração podem apresentar alguns modos diferenciados de ruptura, em razão de a pasta não ser obrigatoriamente a parte tão mais fraca, do que os agregados; com o aumento dos valores da resistência nominal, eles tendem a apresentar a tendência a ter maior fragilidade, rompendo de maneira explosiva. Por esta razão, em ensaios de avaliação de resistência à compressão se requer a proteção do operador, com respeito aos possíveis pequenos estilhaços que podem ser produzidos na ruptura, bem como, pode-se utilizar a sistemática de se registrar a ruptura com base na instrumentação, sem que o corpo de prova se desagregue.
O valor da resistência à compressão uniaxial, no sentido axial, é dado pela seguinte relação:
Tensão= Força/Área, ou:
σ=F/A
A preparação do corpo de prova na moldagem e cura:
Na preparação do corpo de prova devem ser incluídas preocupações com o molde a ser utilizado.
De modo geral eles devem ser rígidos no sentido de não se deformarem com o preenchimento de concreto, além de serem estanques, impedindo o vazamento de argamassa.
Deve-se ainda tomar cuidados para se evitar a aderência entre os moldes e o concreto, aplicando-se, então, um desmoldante.
Também, é importante o grau de adensamento do concreto moldado. Este deve ser similar ao do concreto na estrutura. o adensamento pode ser feito com o uso de vibradores, mesa vibratória, ou com o uso de golpes com o auxílio de barras metálicas padronizadas.
Alguns procedimentos são importantes dentro desta fase de preparo, tais como:
-Realizar a preparação da superfície do corpo de prova com o uso de uma colher de pedreiro, regularizando-a;
-conservar o material em temperatura amena, da ordem de 20 C, durante um período de 16 a 72 horas, em um grau de umidade que impeça a perda d'água do material;
-realizar a desforma, com a imediata colocação do material em uma câmara úmida, onde ele será conservado à temperatura da ordem de 20 (mais ou menos 2) graus Celsius.
O concreto é moldado em camadas e fornece uma estruturação particular na obra.
Neville (2016) considera que, um ensaio de 28 dias após a concretagem diz sobre as condições do concreto nesta idade. Este concreto pode estar menos resistente do que o esperado, assim como, pode também ser antieconômico, embora atenda as condições de resistência requeridas.
Por isso pode ser interessante realizar ensaios em pouco tempo após a concretagem, de modo a poder se ter um conhecimento antecipado do valor da resistência, antes de 28 dias. Para tento, são realizados ensaios com materiais que tenham sido submetidos aos processos de cura acelerada.
Algumas diferenças entre os corpos de prova sujeitas ás condições reais também são destacadas em Neville (2016).
Os concretos de laboratório estão sujeitos ás boas condições de adensamento e da ausência das possíveis patologias, tais como a segregação e a exsudação. No concreto da obra a resistência está em função das condições de execução, mais aleatórias, e das condições de cura.
A condição de superfície do corpo de prova:
As condições de planicidade da superfície do corpo de prova são de fundamental importância, pois, esta condição pode influenciar dentro dos seguintes aspectos:
-Na formação de sulcos e protuberâncias, que podem permitir concentrações de tensão, e que, por sua vez, podem influenciar na ruptura prematura do corpo de prova;
-na ausência de uma superfície plana e ortogonal ao eixo do corpo de prova.
Como procedimentos para a retificação de corpos de prova são conhecidos os seguintes:
-Retificação dos corpos de prova, com usinagem sobre a superfície do corpo de prova;
-implantação de um capeamento, moldado sobre a superfície do corpo de prova, aderido à superfície deste;
-utilização de um calço de borracha, madeira, ou de outro material sobre a superfície do corpo de prova.
Como compreendido, como requisitos para os capeamentos têm-se: a planicidade e regularidade de superfície, como desejado, além que se tenham resistência e deformabilidade compatíveis com as do corpo de prova. Normalmente se faz com o
uso do enxofre fundido, juntamente com um material fino, a qual se solidifica em uma camada plana homogênea; ou ainda, pode ser realizada a retificação do corpo de prova por usinagem, como citado, e ilustrado na Figura 8.
Figura 8: Corpo de prova e usinagem em retífica
Como exemplos do uso de calços, tem-se que, na Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira da UNESP alcançou-se resultados favoráveis, e sem dispersão, com o uso de chapas de madeira como regularização da superfície.
Avaliação do módulo de elasticidade
O módulo de elasticidade exprime a relação entre variação da tensão e da deformação do concreto. Sabe-se que o concreto está sujeito a variação de sua capacidade de deformação com o nível de carregamento. Distinguindo-se o "módulo tangente inicial", o "módulo tangente" o "módulo secante". De acordo com o que se compreende de Shehata (2011), em todos os casos, se subentende dois diferentes pontos para a avaliação da deformação para o cálculo do módulo. Para a determinação do módulo de elasticidade se requer o conhecimento do valor da tensão de ruptura do concreto, e a determinação de dois pontos do corpo de prova para a fixação dos acessórios para a medida da deformação. Normalmente estes pontos são fixados em posições tais com que com distância com relação às extremidades sejam os terços do material, conforme a Figura 9. O carregamento utilizado durante o ensaio varia entre o de zero, ao que representa um terço do valor da carga de ruptura do material.
Figura 9: Corpo de prova instrumentado para o ensaio de avaliação do módulo de elasticidade
Para o ensaio da avaliação do
módulo, conforme a NBR 8522 (2008), se adota normalmente a realização do
carregamento axial com o crescimento da carga em até 30% do valor do
carregamento admissível antes da ruptura, quando então, é realizado o
descarregamento até a um valor de tensão próximo a zero; são realizados então três
ciclos de carregamento e de descarregamento nestas condições, e são avaliadas as deformações específicas quando correspondentes aos valores de 0,5 MPa e de
0,3 fc. A norma vigente privilegia a determinação do módulo tangente inicial.
Considerações finais de julgamento
Observa-se do exposto que, ao longo da história recente dos concretos, os métodos de avaliação continuam segundo uma sistemática não muito diferenciada, embora os concretos possam ter mudado, tais como nos casos do concreto de elevado desempenho, do concreto com fibras, concreto autoadensável, ou ainda outros. Os valores alcançados podem variar conforme algumas características dos corpos de prova, da condução dos ensaios, ou do tipo de avaliação, quando é o caso. Condições padronizadas devem ser adotadas de modo que os resultados sejam comparativos. Uma norma é então adotada para a referência dos valores. Contudo, embora se possa encontrar valores diferentes para um mesmo material, segundo a sistemática de execução, ou as características dos corpos de prova, estas variações são limitadas, e ainda, restam os critérios de cálculo para projetos, os quais levam em conta a possível minoração da resistência do mecânica do concreto, com coeficientes apropriados, assim como, são definidos os valores característicos, com base em estatística, de modo a se assegurar dos valores esperados de resistência mecânica.Veja também sobre as preocupações e contingências para com a avaliação da resistência mecânica à tração, neste blog.
Ainda, sobre a linguagem dos ensaios mecânicos:
Bibliografia
ANDRADE, J.J.O; TUTIKIAN, B.F. Resistência
mecânica do concreto, CONCRETO: CIÊNCIA e TECNOLOGIA, Editor Geraldo C.
Isaia-IBRACON, 2011, pg.615-651
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS (ABNT). NBR 5739 Ensaio de
compressão de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro: ABNT 2007.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS (ABNT). NBR 5738 Procedimentos
para a moldagem e cura de corpos de prova. Rio de Janeiro: ABNT, 2008.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS (ABNT). NBR 12142. Determinação
da resistência à tração na flexão de corpos de prova prismáticos. Rio de
Janeiro: ABNT:2010.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS (ABNT). NBR 7222 Concreto e
argamassas-Determinação resistência à tração compressão diametral de corpos de
prova cilíndricos. Rio de Janeiro: ABNT, 2010.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS (ABNT). NBR 8522 Concreto-
Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de
Janeiro: ABNT, 2008.
L’HERMITE, R. Ao pé do muro, 1967, Eyrolles-Paris/SENAC, 173p.
NEVILLE, A.M. Propriedades do concreto. Porto Alegre, 2016, bookman, 888 p.
NEVILLE, A.M; BROOKS, J.J. Tecnologia do concreto. porto Alegre, 2013, bookman, 448p.
SHEATA, L.C.D. Propriedades elasto-plásticas do concreto. CONCRETO: CIÊNCIA e TECNOLOGIA, Editor
Geraldo C. Isaia-IBRACON, 2011, pg. 653-671
