CONCRETOS DE ELEVADO DESEMPENHO COM ELEVADA RESISTÊNCIA: TECNOLOGIAS APROPRIADAS E CRITÉRIOS

Concretos especiais de nova geração

Marco Antônio de Morais Alcantara

O concreto de elevado desempenho, tem revolucionado o meio técnico, em termos das suas potencialidades, dentre elas a sua alta resistência mecânica e a durabilidade correspondente  (parece redundância o título da postagem), permitindo edificações arrojadas, com o menor consumo de concreto e com estruturas com menor peso próprio, comparados aos casos do uso do concreto convencional. Ainda, pode-se considerar a sua excelente condição de aderência às armaduras, bem como a proteção à estas pelo seu cobrimento. Procurará fazer neste texto uma apresentação dos concretos de elevado desempenho comparativamente aos casos dos concretos convencionais e dentro de suas particularidades.

A microestrutura interna do CED

Os concretos de elevado desempenho (CED) apresentam elevada compacidade, maior densidade, menor porosidade e a formação de uma zona de transição mais enriquecida, com menos vazios na pasta. Isto permite a melhor ligação destas pastas com os agregados, menor permeabilidade, maior resistência mecânica, de modo a não ser elas, obrigatoriamente, o elo mais fraco do conjunto.

Por todas estas características a microestrutura dos CEDs é diferente da que é apresentada para os casos dos concretos ordinários, em termos de interação entre as fases agregado graúdos e matriz, como mecanismo resistente do concreto. A menor permeabilidade pode influenciar na cinética química dos cimentos, quando é considerada a difusão interna para a hidratação dos cimentos. No caso dos concretos ordinários existe uma rede de macroporos que permite o acesso mais rápido e constante às partículas de cimento para promover a hidratação, enquanto que, para o CED os mecanismos se dão mais lentamente, sob a ação de meniscos em capilares; a água tende a ser consumida preferencialmente para a hidratação interna do que para ela ser evaporada.

Da menor porosidade advém a menor permeabilidade, e a maior durabilidade.

Os CEDs não são isotrópicos como nos casos do concreto convencionais, podendo ter eles o desempenho diferenciado em função da direção do esforço. Isto pode ser em decorrência da elevada resistência da pasta, a qual se constitui em uma unidade diferenciada em relação aos casos das pastas dos concretos ordinários.

Aspectos da resistência mecânica do CED

O CED tem o seu ganho elevado de resistência mecânica por meio da hidratação do cimento, como nos casos dos concretos convencionais, e ainda, sofre a influência da cimentação promovida pelos finos; e ainda, existe o “efeito fíler”, promovendo a obturação de poros e o por consequência o aumento da densidade.

Da redução da quantidade de água, por meio de aditivos, se permite incrementar o valor da resistência mecânica a níveis bastante elevados quando comparados aos casos dos concretos convencionais. Algumas considerações podem ser feitas.

A primeira delas é que, sendo as contrapartidas de resistência dadas entre as partes agregado e pasta, esta passa a ter maior responsabilidade do que nos casos de concretos convencionais, e, a resistência mecânica alcançada passa a depender também da escolha do tipo de agregado. Muitas vezes, o tipo de agregado presente em uma dada região pode limitar as potencialidades de resistência para um caso de CED. Agregados graúdos são então selecionados para os estudos de dosagem.

Quanto à otimização da pasta, Tutikian et all [1] consideram que a Lei de Abrams deve ser particularizada para cada tipo de estudo em particular, com base nos tipos de finos que forem adotados.

A eficácia do teor de finos pode variar para cada caso, quando se considera diferentes condições de pasta. Por exemplo, para o caso de um concreto de menor resistência, este provavelmente tem a pasta mais porosa do que daquele que apresenta um valor maior de resistência. Então, o teor de finos pode exercer melhor influência para o caso do concreto com menor resistência.

Um aspecto peculiar aos concretos de elevada resistência é o da sua fragilidade. Não obstante ele possa apresentar deformações maiores do que as dos concretos convencionais, estas se tornam menores quando são referenciadas aos valores da resistência alcançada. Em face da fragilidade destes concretos, se tem desenvolvido os concretos com fibras, de modo a poder aumentar as suas ductilidades. 

  

Aspectos tecnológicos do CED

O CED é adensado muitas vezes por vibração, e para tanto ele deve apresentar um grau de consistência compatível.

As condições favoráveis à trabalhabilidade do CED podem ser alcançadas pelo uso de aditivos superplastificantes, visto que, estes trabalham sob condições de baixos valores quanto à relação “água/cimento”, e relações “água materiais secos”. Ainda, de modo geral o CED conta coma incorporação de adições minerais.

A quantidade de superplastificante deve ser considerada de modo a poder evitar a excessiva incorporação de ar, ou a segregação aos concretos.

Estudo de compatibilidade devem ser feitos com objetivos de se avaliar a melhor eficácia do superplastificante com relação ao tipo de cimento utilizado. De modo geral estes envolvem a avaliação do fluxo da mistura do cimento juntamente com o superplastificante, através de um funil, dentro de intervalos de tempo, de modo a se perceber variações no fluxo e na consistência.   

O tempo e a consistência são de interesse dentro do processo construtivo, pois definem o intervalo de tempo onde são boas condições de manuseio para com o concreto. Dentre os fatores que afetam a consistência têm-se o tipo de cimento, especialmente com respeito ao calor de hidratação, a quantidade de C₃A e de álcalis (pois aceleram a cinética química); a finura; a temperatura externa; e a consistência inicial.

Outro aspecto importante relativo à tecnologia do CED é o processo de cura. Sendo o processo de endurecimento do concreto resultante da hidratação do cimento, uma preocupação tem sido levantada, pois, sendo baixa a relação “agua/cimento”, somada à presença da microssílica (quando for o caso), uma autodessecação pode ocorrer no concreto, impedindo a formação do ambiente de saturação necessário para o desenvolvimento das reações de hidratação. O problema pode ser agravado pela selagem da superfície, dificultando a entrada de água do meio externo para compensar a que é perdida pela autodessecação. Em face disto, a cura imersa recebe uma atenção relevante sobre as outras, como forma de se atenuar a situação.

Seleção de materiais para o CED

Recomenda-se o uso de cimentos que apresentem um bom conteúdo ativo, que não apresentem calor de hidratação excessivo, e com finura compatível de modo a não requerer elevada quantidade de água de amassamento. DAL MOLIN et all [2], considera aquele que apresenta menor variabilidade em termos de resistência à compressão”. MEHTA e AITCIN [3] comentam que com qualquer tipo de cimento é possível produzir concretos de alta resistência, sendo preferível, no entanto, o cimento Portland comum e aqueles com elevados teores de C₃S e C₂S. GJORV [4] atribui importância ao tipo de cimento no que tange à necessidade de água e trabalhabilidade da mistura, para os quais os fatores de controle são o conteúdo de C₃A e a granulometria do cimento”.

O CED tem sido produzido com a utilização dos tipos de agregados mais conhecidos, como basalto, seixo rolado, gnaisse, calcáreo e outros. Conforme DAL MOLIN et all [2], uma particularidade para o agregado graúdo é o diâmetro máximo deste. De modo geral, recomenda como limite para diâmetro máximo o valor de 19 mm, aceitando-se com restrições o valor de 25 mm. Aspectos como a integridade dos materiais, e a diminuição da superfície capaz de reter água durante a exsudação do concreto fresco, retida normalmente na zona de transição entre o agregado e a pasta, são fatores que podem ser favorecidos por meio da diminuição do tamanho médio do agregado. Ainda, os que apresentam o maior diâmetro máximo estão sujeitos a apresentar falha. Os de dimensões menores tendem a apresentar melhor integridade e menor concentração de tensões.

O cimento Portland, dentro do seu processo químico de hidratação, libera o hidróxido de cálcio como subproduto de reação, Ca(OH)₂, o qual a permanecer solúvel na massa de concreto, ou sujeito à reações químicas indesejáveis. As pozolanas, termo designado às adições minerais mais antigas utilizadas, e aos materiais que gozam de mesma propriedade, podem ser úteis para fixar esta cal hidratada livre no concreto, além de combater também as reações álcali-agregado.

Recentemente, a indústria do concreto vem utilizando-se da microssílica. Esta é resultante da oxidação do SiO, subproduto da produção do silício metálico, com a formação do SiO₂ , apresenta o diâmetro médio de 0,2mm, e superfície específica de 20.000 m²/kg. Dada a sua composição química, onde a sílica representa aproximadamente 95%, e a elevada finura, o material tem excelente comportamento pozolânico. A presença da microssílica promove melhorias no concreto, com a fixação da cal hidratada livre, de modo a diminuir os seus poros, e se evitar reações químicas desfavoráveis.

Outros tipos de adições podem ser o metacaulim, produzida a partir da calcinação de argilas, e a cinza de casca de arroz, produzida a partir da calcinação da cinza de casca de arroz.

Nem todas as adições minerais possuem obrigatoriamente o comportamento pozolânico, mas tem em comum o fato de elas apresentarem elevada finura; desta forma elas podem atuar de modo a obturar poros, e atuar com o efeito fíler, como já apresentado, contribuindo para o aumento da massa específica aparente e a diminuição da permeabilidade do concreto.

Os aditivos são a base de policarboxilatos. O superplastificante pode conferir condições particulares de fluidez aos concretos, com base em mecanismos eletrostáticos e estéricos, que promovem a melhor defloculação do cimento, e a dispersão.

O comportamento mecânico particular do CED, em função das características e interação dos materiais

Para o caso dos concretos convencionais, a resistência mecânica dos agregados é normalmente superior à resistência mecânica da pasta endurecida, sendo esta última geralmente o elo mais fraco do concreto. Contudo, para o caso do CED, em face do nível da resistência mecânica que pode ser alcançado pela pasta, e do nível de cimentação envolvido entre as partes, algumas diferenças podem ocorrer quanto a caracterização da resistência mecânica e a ruptura, ou do modo pelo qual ela ocorre, quando comparados aos casos dos concretos ordinários.

Figura 1: Modo de ruptura de um concreto convencional, através da pasta

No Quadro 01 um exemplo é apresentado conforme GONÇALVES et all [5]. Generalizam os autores que o valor da resistência mecânica é controlado pelo valor da resistência do elo mais fraco, que podem ser distinguidos como: o agregado, a pasta, ou a ligação. Para casos de os agregados utilizados no concreto serem o gnaisse ou granito, o valor da resistência mecânica é controlado pelo valor da resistência da rocha, enquanto que, para o caso do traquito, o valor da resistência global já é controlado pelo valor da resistência da pasta. Para os casos do calcário e do seixo, os valores são controlados pela superfície de transição, visto que, o primeiro deles apresenta valores de resistência mecânica próximos aos da pasta, e, no segundo caso, existe o problema de aderência da pasta à superfície.

Quadro 01: Valores de resistência à compressão da rocha, argamassa padronizada, e do concreto em condições padrão para a relação água/cimento

fc (MPa)	Gnaisse	Traquito	Calcáreo	Granito	Seixo
Rocha	76,6	178,3	95,0	78,5	110,0
Argamassa	93,2	93,2	93,2	93,2	93,2
Concreto com a/(c + ms) = 0,27	79,8	90,7	73,2	82,0	71,8

Fonte: GONÇALVES et all [5]

Observações: “a” representa a quantidade de água, “c” representa a quantidade de cimento, e “ms” representa a quantidade de microsílica por m³ de concreto.

Ainda quanto aos tipos de agregados, e diâmetros máximos adotados, um conjunto de resultados experimentais envolvendo vários tipos de agregados e diâmetros máximos é apresentado no Quadro 02. Nesta apresentação observa-se que o diâmetro máximo maior para alguns casos representou o caso de maior resistência mecânica para o conjunto, ao se considerar o mesmo tipo de agregado.

Quadro 02: Valores de resistência à compressão para concretos de elevado desempenho produzidos a partir de diferentes tipos de agregados com diâmetros máximos diferentes

		9,5 mm	19 mm	25 mm
Granito	14 dias	75,33	72,35	69,97
Gnaisse		69,88	71,95	72,17
Basalto		73,42	73,09	62,15
Diabásio		75,24	75,25	75,07
Calcáreo		-	70,69	70,66
Granito	28 dias	76,54	86,32 80,69sc	85,54 82,11sc
Gnaisse		86,05	88,91	75,45
Basalto		81,67	84,69 84,88sc	83,80
Diabásio		87,93	87,86 93,63	75,34 85,08sc
Calcáreo		-	75,85 79,86sc	74,62
Granito	56 dias	90,90	92,40	94,60
Gnaisse		99,70	96,5	98,74
Basalto		91,70	90,20	86,20
Diabásio		103,70	103,70	92,00
Calcáreo		-	82,40	88,10
Nota: sc- corpo de prova sem capeamento, com topos retificados.

Fonte: PEREIRA NETO & DJANIKIAN [6]

Um estudo de caso envolvendo o módulo de elasticidade e o tipo de agregado utilizado pode ser apresentado conforme PEREIRA NETO e DJANIKIAN [6], no Quadro 3. Segundo estes autores, os agregados que melhor influenciaram para o crescimento do módulo de elasticidade foram os agregados de origem do basalto e do calcário, apresentando valores aproximadamente iguais a 43,9 GPa e 44,3 GPa. Conforme os autores, o fato de o calcário ter apresentado valores mais elevados do módulo de elasticidade pode ser explicado em razão de que os valores individuais dos módulos da pasta e do agregado são similares, de modo que pode ter ocorrido menor concentração de tensões nas interfaces entre o agregado e a pasta durante os ensaios, as quais poderiam contribuir para a formação de fissuras, e, além disso, o calcáreo aparenta ter boa reação com a pasta de cimento Portland, resultando no total em uma menor fissuração do concreto.

Quadro 3: Módulo de elasticidade. em GPa, para concretos de elevado desempenho, conforme o tipo e o diâmetro médio do agregado

Tipo de rocha utilizado no concreto	Dias de cura	Valores em GPa
		9,5mm	19mm	25mm
Granito	14 dias	31,92	31,45	31.19
Gnaisse		32,15	33,68	-
Basalto		39,21	39,06	38,51
Diabásio		32,57	36,01	38,36
Calcáreo		-	37,46	38,39
Granito	28 dias	31,85	33,19	32,88 35,74sc
Gnaisse		34,62	35,46	39,08
Basalto		40,94	40,06 44,05	42,78
Diabásio		35,37	37,53	39,31 39,64sc
Calcáreo		-	38,89 38,84sc	39,92
Granito	56 dias	32,89	34,28	34,78
Gnaisse		35,37	37,60	39,73
Basalto		43,14	43,96	43,11
Diabásio		37,90	39,76	41,39
Calcáreo		-	44,29	42,04
Obs. sc- corpos de prova sem capeamento com topos retificados.

Fonte: PEREIRA NETO & DJANIKIAN [6]

Quanto à possibilidade de uma relação direta entre os valores individuais dos módulos de elasticidade dos agregados, e dos concretos resultantes, consideram os autores que não foi constatada tal relação. Verifica-se, pelos exemplos referentes à resistência mecânica à compressão, apresentados em DAL MOLIN et all [2], e por PEREIRA NETO e DJANIKIAN [6], e pelos comentários sobre o módulo de elasticidade apresentados PEREIRA NETO e DJANIKIAN[6], que as propriedades dos concretos de elevado desempenho podem não estar na relação direta dos valores correspondentes aos agregados individualmente, mas no comportamento do conjunto pasta e agregado, e das interações correspondentes.

Aspectos de dosagem do CED

Como já referido, o CED apresenta baixo valor na relação “água/cimento”, sem o comprometimento na trabalhabilidade, pelo auxílio de aditivos superfluidificantes. O valor da relação água/cimento muitas vezes tem variado em torno de 0,33 a 0,36.

Uma observação que se faz, porém, é que, mesmo dentro de valores baixos para a relação “água/cimento”, e com o uso de aditivos superfluidificantes, verifica-se através de trabalhos de FERRARI et all [7], FIGUERÓ e GEYER[8], AGNESINI e SILVA[9] e outros, que o valor da relação “água/materiais secos” adotada muitas vezes se mantém ainda alta, maior do que 8(%), bem como, o valor da relação “agregado/cimento” é baixo, menor do que 3,0 ou mesmo 2,5, implicando-se em um consumo elevado de cimento por metro cúbico.

Em ABCP [10], o consumo mínimo de cimento por metro cúbico para o CED é dado por 450 kg, podendo chegar até 600 kg; já os agregados graúdos podem variar de 1000 a 1100 kg, enquanto que os agregados miúdos podem estar na faixa de 450 a 600 kg por metro cúbico de concreto. Ainda com base em ABCP (1997), a relação água/cimento pode variar entre 0,2 a 0,4, e o superfluidificante entre 0,3 a 2,0%, com relação ao peso do cimento.

Tutikian et all[1] apresentam o teor de superplastificante com relação ao consumo de cimento e o consumo de água por metro cúbico de concreto conforme o Quadro 4:

Quadro 4: Teor de superplastificante com relação ao consumo de cimento e o consumo de água por metro cúbico de concreto

Ponto de saturação do aditivo	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4
Água (kg/m3)	120 a 125	125 a 135	135 a 145	145 a 155	155 a 165

Fonte: Tutikian et all [1]

Cabe considerar que a indústria de superplastificantes está passando sempre por uma constante evolução.

A sílica ativa deve estar entre 7 a 15% com relação ao peso do cimento, variando conforme a relação “água/cimento” e a porosidade esperada.

Considerando-se valores médios intermediários para o consumo dos materiais, dentro da faixa sugerida em ABCP [10], obtêm-se para o concreto produzido os valores de 0,3 para a relação água/cimento; 3 para a relação agregado/cimento, e 7,29% para a relação água/materiais secos.

DE LARRARD et all [11] apresentam estudos para CED envolvendo traços mais pobres em cimento, e menor valor na relação água/materiais secos, com expectativa de elevada resistência. Os valores são apresentados no Quadro 5:

Quadro 5: Relação de consumo de materiais para concreto, conforme DE LARRARD et all [11]

	x	x*	H(%)	m	aditivo (%)	microssílica (%)
M80	0,35	-	5,98	4,85	1,75	-
M100	0,34	0,31	6,2	4,63	3,3	11

* a microssílica está incluída no cálculo

M se refere à resistência média de compressão aos 28 dias de cura

A microssílica tem sido um assunto de discussão pelos pesquisadores, onde, para alguns, esta deve ser limitada em até 10% com relação ao teor do cimento (AGOSTINI & NUNES [12]), enquanto que, de acordo com informações advindas de SPEGLISH & DUCATTI [13], considera-se que este pode ser estendido em até 25%, embora o ganho de resistência, de modo geral, seja tão pequeno acima do teor adotado de 10%, e de modo que não se justifique economicamente.

As classes de resistência do CED

De acordo com ABNT NBR 8953:1999 o CED pode ser enquadrado nas seguintes condições:

Classe I: 20 a 50 MPa

Classe II: 55 a 80 MPa 

Referencias

[1] TUTIKIAN, B.F; ISAÍA, G.C; HELENE, P. Concreto de alto e ultra desempenho In: Concreto, ciência e tecnologia, vol 2, IBRACON/Geraldo Isaía, 2011, p. 1283-1325

[2] DAL MOLIN, D. C; VIEIRA, F.M.P; WOLF,J. Concreto de alta resistência. Concreto de Alto desempenho. Associação Brasileira de Cimento Portland, São Paulo, 1997, n.p. Edição em CD-ROON.

[3] MEHTA, P.K.; AITCIN, P.C.  Principles underlying production of high-performance concrete.  Cement, Concrete and Aggregates, Philadelphia, v.12, n.2, p.70-78, Winter, 1990.

[4] GJORV, O.E.  High-strength concrete.  In: ADVANCES IN CONCRETE TECHNOLOGY, Athens, 1992.  Proceedings...  Montreal: CANMET, 1992.  p.21-77.

[5] GONÇALVES, J.R.A.; ALMEIDA, I.R.; SHEHATA, L.C.D.  Influência do tipo de agregado graúdo nas propriedades do concreto de alta resistência.  In: REUNIÃO ANUAL DO IBRACON, 36., 1994, Porto Alegre.  Anais...  São Paulo: IBRACON, 1994.  v.1, p.339-352.

[6] PEREIRA NETO, P.M; DJANIKIAN, J.G. Algumas características do módulo de elasticidade de concretos de alta resistência. Ibracon, São Paulo, 12, p.29-35, 1996.

[7] FERRARI, A.A; FLOR, J.M; CALIXTO, J.M. Propriedades mecânicas do concreto de alto desempenho. In: JORNADAS SUDAMERICANAS DE INGENIERIA ESTRUCTURAL, 27, Tucumán, 1995. Anais... Tucumán, A.S.A.E.E, 1995, p93-102.

[8] FIGUERÓ, I.C; GEYER, A.L.B. Concreto de alto desempenho para obras convencionais no Rio Grande do Sul. In: In: JORNADAS SUL-AMERICANAS DE ENGENHARIA ESTRUTURAL, 28, São Carlos, 1997. Anais... São Carlos, A.S.A.E.E, 1997, p1977-1983.

[9] AGNESINI,M.V.C; SILVA, L.F. Concretos de alto desempenho- Estudo de dosagem de microconcretos para pré-fabricados de pequena espessura. In: JORNADAS SUL-AMERICANAS DE ENGENHARIA ESTRUTURAL, 28, São Carlos, 1997. Anais... São Carlos, A.S.A.E.E, 1997, p1985-1993.

[10] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND (ABCP) Concreto de Alto desempenho. São Paulo,1997. np. Edição em CD-ROON.

[11] DE LARRARD, F; BELLOC, A; BOULAY, C.  Proprietes mécaniques jusqu’à l’âge de 90 jours. Raporte cientifique- Project National BHP 2000, Paris, 1996.

[12] AGOSTINI, L.S; NUNES, N, L. Método de cura para concreto de alta resistência. Ibracon, São Paulo, agosto-setembro, p23-30, 1996.

[13] SPEGLISH, M.E; DUCATTI, V.A. Verificação da influência do tipo de cura na resistência à compressão do concreto de alto desempenho. In: REUNIÃO ANUAL DO INSTITUTO BRASILEIRO DE CONCRETO, 39, São Paulo, 1997.  Anais... São Paulo, IBRACON, 2, 1997, p611-675.