O desenvolvimento do procedimental experimental é apresentado no fluxograma da Figura 3.4.
Figura 3.4 – Fluxograma da metodologia experimental.
Fonte: o autor.
3.2.1 Formulação do aditivo
Para a formulação do aditivo, optou-se pela mistura dos compostos químicos (lignosulfonato de cálcio e melaço) em solução aquosa. Uma vez que estes princípios ativos possuem funções totalmente diferentes, obteve-se assim um aditivo com características de plastificante, bem como retardador de pega simultâneo, ou plastificante retardador (PR), assim classificado pela norma NBR 11678. Visando um teor de sólidos de 30 -
Formulação do aditivo
Caracterização de materiais
Validação dos experimentos Planejamento experimental
Análise dos resultados das medições experimentais Processamento das misturas
Medição das propriedades
Caracterização física, química e microestrutural dos concretos.
35%, este encontrado na maioria dos aditivos comerciais, optou- se pela formulação da Tabela 3.1:
Tabela 3.1 – Formula do aditivo.
Componentes Quantidade (% em peso)
Melaço de cana 5%
Lignosulfonato de cálcio 30%
Água 65%
Total 100%
Fonte: o autor.
A proporção da Tabela 3.1 entre as matérias primas selecionadas, foi estipulada através de estudo prévio em produtos comerciais (sendo os mais utilizados em concreteiras), empregados na produção de concretos dosados em central na região norte do estado.
Para realizar a mistura, utilizou-se um Becker sob uma chapa de aquecimento com agitador magnético. Inicialmente adicionou-se a água, e esta foi aquecida a cerca de 60 °C (segundo orientação do fabricante) para que houvesse uma melhor diluição na solução, onde foram dissolvidos os compostos químicos. Na Figura 3.5 pode-se observar o procedimento de formulação do aditivo plastificante retardador de pega.
Figura 3.5 - Formulação do aditivo.
.
Fonte: o autor.
3.2.2 Caracterização das matérias primas
A realização de ensaios de caracterização buscou verificar se os materiais atendiam as normas e condições exigidas para a produção de concretos, assim como para complementar as análises com relação ao estudo das características microestruturais do concreto.
3.2.2.1 Determinação da granulometria dos agregados miúdo e graúdo
Para a análise granulométrica dos agregados miúdos e graúdos a norma NBR NM 248 (2003), foi utilizada. Para os agregados miúdo e graúdo amostras de 1 kg foram pesadas. O conjunto de peneiras (#) usadas para o agregado miúdo foi 4,75; 2,36; 1,18; 0,6; 0,3 e 0,15mm. Para o agregado graúdo foram 19; 12,5; 9,5; 6,3 e 4,75mm.
Aditivo Formulado
O peneiramento foi realizado manualmente, inicialmente o conjunto todo, de depois em cada peneira individualmente. O material retido em cada peneira e fundo foi separado e pesado. Segundo a norma se um agregado fino apresentar de 5% a 15% de material mais grosso do que 4,8mm, será ele ainda considerado globalmente como agregado miúdo. Se um agregado graúdo apresentar até 15% de material passando pela peneira 4,8mm, será ele, ainda, globalmente considerado como agregado graúdo.
3.2.2.2 Determinação da massa específica dos agregados Para a determinação da massa específica do agregado miúdo utilizou-se a norma ABNT NM 52, 2002. Seguindo a mesma, realizou-se o ensaio da seguinte maneira: Primeiramente pesou-se uma amostra de 500g de agregado miúdo na condição saturada superfície seca. A amostra foi colocada em um frasco e então anotou-se a massa do conjunto. Em seguida o frasco foi preenchido com água até próximo à marca dos 500 ml. Eliminou-se as bolhas de ar através da movimentação do frasco. Após aproximadamente 1h, completou-se com água até a marca dos 500ml e então foi determinada a massa total. O agregado miúdo foi retirado do frasco e colocado em estufa em torno de (105 ± 5) ºC até massa constante. Após esfriar, a amostra foi pesada. A massa específica foi então determinada. Para todos os ensaios desta pesquisa foi utilizada uma balança modelo AS5500 C, da marca Marte balanças, com resolução de 0,01g.
Para a determinação da massa específica do agregado graúdo, a norma NBR NM 53, 2003 foi utilizada. Uma amostra de 2 kg foi pesada e lavada em água corrente sendo colocada em seguida em estufa a (105 ± 5) ºC até a constância de massa. Após esfriar até a temperatura ambiente a amostra foi imersa em água durante 24h. Após ter sido tirada da água a amostra foi espalhada sobre um pano absorvente e seca com o mesmo, retirando a água superficial de cada partícula. Foi realizada a pesagem da amostra
com aparência opaca, na condição saturada de superfície seca para em seguida ser feita a pesagem hidrostática. A amostra novamente foi seca em estufa até a constância de massa e então determinou-se a massa do agregado. Assim, a massa específica do agregado graúdo foi calculada.
3.2.2.3 Determinação da massa unitária no estado solto
Para a determinação da massa unitária dos agregados miúdo e graúdos utilizou-se a norma ABNT NBR NM 45 (2006). As amostras a serem ensaiadas foram colocadas em um recipiente de volume conhecido com o auxílio de uma concha. O agregado foi lançado de uma altura de 10 a 12cm do topo do recipiente. Após o recipiente estar cheio a superfície foi alisada com o auxílio de uma régua. Então o recipiente foi pesado com o material nele contido. A massa do agregado é a diferença entre as massas do recipiente cheio e vazio. Dessa maneira, foram feitas três determinações com amostras distintas. A massa unitária é a média de três determinações dividindo-se a média das massas pelo volume do recipiente utilizado.
3.2.2.4 Espectroscopia de infravermelho (FTIR) do aditivo É uma técnica rápida, não destrutiva e apresenta limites de detecção comparáveis às técnicas de absorção e emissão atômica, por isso é uma técnica muito utilizada para auxilio em caracterizações. A espectroscopia no infravermelho (FTIR) se baseia no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibrações específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula (SILVA, 2013; SOARES, 2014).
Foram realizadas 20 varreduras na amostra, e as análises de FTIR foram conduzidas em um espectrômetro Perkin-Elmer Spectrum One de 500 a 3500 cm-1, no Laboratório de caracterização de Materiais da UDESC/CCT. Estas foram
realizadas a fim de mapear as características do aditivo, buscando a identificação da composição química final do mesmo.
3.2.3 Definição das misturas de concreto
Uma vez que este trabalho buscou uma maior proximidade com o vivenciado pelas empresas do ramo de concreto (concreteiras), buscou-se um parceiro para fornecer informações a respeito das práticas atuais. Sendo assim, definiu- se como parceiro o Grupo Max Mohr, o qual forneceu as informações necessárias para o desenvolvimento da mistura de concreto, sendo estas adotadas como padrão para este trabalho. 3.2.4 Relações água-cimento e agregado-cimento experimentais
Depois de realizados estudos preliminares de dosagens de concreto junto à empresa concreteira, visando estabelecer as proporções dos componentes, definiu-se a dosagem adotada como padrão, o mesmo segue na Tabela 3.2. A Tabela 3.3 representa a dosagem padrão com unidades em massa. A escolha foi fundamentada tendo em vista a necessidade de se atender a requisitos mínimos de trabalhabilidade e resistência para os concretos de canteiro de obra, bem como proximidade a características comerciais. Os valores adotados para este estudo foram: resistência à compressão aos 28 dias (fck) igual a 25 ± 2 MPa e abatimento (slump) igual a 18 ± 3cm, que pode ser considerado um traço comum de concreto com boa trabalhabilidade (CORRÊA, 2010).
A partir da dosagem padrão, foram estipulados dois tipos de níveis, baseados em testes preliminares de dosagem, denominados nível baixo (com os fatores teor de aditivo - TA, água/cimento – W/C e agregado/cimento – A/C baixos) e nível alto (com os fatores teor de aditivos - TA, água/cimento – W/C
e agregado/cimento – A/C altos). A Tabela 3.4 apresenta o traço padrão e seus níveis.
Tabela 3.2 – Dosagem padrão do trabalho.
Relação A/C (massa) Relação W/C (massa) TA (%) 6,3 0,7 0,8 Fonte: o autor.
Tabela 3.3 – Dosagem padrão do trabalho (massa).
CPII F Brita 0 Areia Fina Pó de Brita Água Aditivo 6,05 kg 18,28 kg 10,52 kg 9,3 kg 4,18 kg 0,0486 kg Fonte: o autor.
Tabela 3.4 - Dosagem padrão e níveis do planejamento fatorial do trabalho.
Níveis Relação A/C (massa) Relação W/C (massa) TA (%)
Nível Alto 6,8 0,8 1,0
Padrão 6,3 0,7 0,8
Nível Baixo 5,8 0,6 0,6
Fonte: o autor.
3.2.5 Planejamento de experimentos
Para melhor estudar os efeitos dos fatores que envolvem a produção de concretos contendo aditivo (variáveis independentes), sobre suas propriedades finais (variáveis dependentes ou resposta), foi utilizada a ferramenta estatística do delineamento de experimentos (DOE), através de um planejamento fatorial fracionado 33-1 com uma réplica.
Os níveis citados na Tabela 3.4foram definidos para caráter de observação e referência para futuros estudos. Para o planejamento, todos os níveis foram considerados, uma vez que estudos feitos anteriormente mostram que todos são importantes
para a produção de concretos, podendo influenciar tanto em seu estado fresco como endurecido (CORRÊA, 2010; SCHACKOW, 2011; CORDEIRO, 2001; NAGROCKIENE et al, 2013; KILINCKALE et al, 2007).
Assim, baseando-se nos fatores e níveis citados anteriormente (Tabela 3.4), com o auxílio software computacional Statística Soft 7.0 (Statsoft, 2004) foi desenvolvido o projeto fatorial fracionado 33-1 com réplica. O
projeto por ele desenvolvido está mostrado na Tabela 3.5. Logo, essas misturas foram criadas com o objetivo de realizar o estudo de algumas propriedades, como o abatimento (AB/slump) e tempo de pega (TP) para o estado fresco, e a resistência à compressão com 7 e 28 dias de cura para o estado endurecido. Dessa forma, foi possível a concretização de uma análise prevendo o comportamento dessas propriedades em função dos fatores escolhidos no projeto, dentro dos níveis estipulados.
Outra mistura foi criada a partir do traço padrão, está denominada MP, sem a adição de aditivo, a fim de comparativos com as demais amostras após as análises.
Tabela 3.5 - Projeto fatorial fracionado 33-1 com uma réplica
totalizando 18 misturas.
Misturas* Réplica Fatores e níveis
A/ C (massa) W/ C (massa) TA (%) 11 2 5,8 0,7 1,0 13 2 6,3 0,6 1,0 15 2 6,3 0,8 0,6 18 2 6,8 0,8 1,0 17 2 6,8 0,7 0,6 10 2 5,8 0,6 0,6 7 1 6,8 0,6 0,8 3 1 5,8 0,8 0,8 6 1 6,3 0,8 0,6
16 2 6,8 0,6 0,8 9 1 6,8 0,8 1,0 5 1 6,3 0,7 0,8 8 1 6,8 0,7 0,6 1 1 5,8 0,6 0,6 4 1 6,3 0,6 1,0 2 1 5,8 0,7 1,0 14 2 6,3 0,7 0,8 12 2 5,8 0,8 0,8 MP 6,3 0,7 0,0 Fonte: o autor.
* As misturas foram realizadas de modo aleatório buscando diminuir erros e verificar algum possível vicio de equipamento (MONTGOMERY, 2013).
3.2.6 Produção dos concretos
Todo o procedimento de produção dos concretos foi realizado no Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da UDESC/CCT – Joinville. 3.2.6.1 Mistura dos materiais
A operação de mistura dos componentes foi feita em uma betoneira comum (Figura 3.6) com capacidade de 120 litros. No procedimento de mistura do concreto, o aditivo foi misturado previamente a 10% da água de dosagem da mistura. Antes de colocar o misturador em funcionamento, foi introduzido o agregado graúdo com uma parte de água de mistura. Então o misturador foi acionado e os demais materiais foram introduzidos na seguinte ordem: agregado miúdo, cimento, e após 2 minutos a água restante contendo o aditivo. O motivo para o atraso na adição de água contendo aditivo deve-se a
necessidade de haver tempo para a dissolução do gesso do cimento Portland na água, antes da ação química do aditivo, pois quando o aditivo é adicionado junto a primeira água de contato com o cimento, a ação do gesso, que tem a função de retardar a pega do cimento, pode alterar o desempenho final do aditivo (CORRÊA, 2010). Quando o gesso tem tempo para se dissolver na mistura e reagir com o C3A do cimento, pode haver melhorias
no efeito do aditivo, conforme descreve Neville (1997, p. 259 apud CORRÊA, 2010):
...um atraso de até 2 minutos, depois que a água tiver entrado em contato com o cimento, aumenta o retardamento, [...] O aumento do retardamento ocorre principalmente com cimentos com alto teor de C3A, pois quando reage com o gesso, parte do C3A não adsorve o aditivo ficando mais produto para retardar os silicatos de cálcio, o que se faz por adsorção nos núcleos de hidróxido de cálcio.
Após a introdução de todos os materiais o misturador ficou funcionando por 3 minutos, seguidos por 3 minutos de repouso e por 2 minutos de mistura final, sendo que durante o repouso a parte aberta foi coberta para evitar evaporação. Para assegurar a correta proporção do traço, o misturador foi untado, antes da execução de qualquer concreto, com uma mistura semelhante ao traço em estudo.
Figura 3.6 - Betoneira utilizada para as misturas.
Fonte: o autor.
A Figura 3.7 mostra a sequência de adição dos materiais no misturador.
Figura 3.7 - Sequência de adição dos materiais no misturador
Fonte: o autor.
3.2.6.2 Moldagem dos corpos-de-prova
Para cada uma das misturas e para a mistura sem aditivo, serão moldados quatro corpos-de-prova para cada idade de rompimento (7 e 28 dias). A moldagem dos corpos-de-prova deste trabalho foi realizada de acordo com a NBR 5738, 2003. Para a moldagem foram utilizados moldes em polipropileno para corpos-de-prova cilíndricos com dimensões de 200mm x 100mm. Conforme estabelecido pela norma, caso haja concretos
Agregado
graúdo Parte da água Agregado miúdo Cimento
Água restante +
com abatimento de até 3 cm, os mesmo devem ser submetidos a adensamento mecânico em uma mesa vibratória. Foram adensados manualmente com uma haste de metal observando-se a quantidade de 12 golpes em cada uma das 2 camadas os concretos com abatimento superior a 3 cm (Figura 3.8).
Figura 3.8 – Moldagem dos corpos-de-prova
Fonte: Schackow, 2011.
3.2.6.3 Cura do concreto
A cura será feita colocando-se os corpos-de-prova em um tanque com água saturada com hidróxido de cálcio, onde a temperatura será mantida em torno de 22 a 24 °C. A Figura 3.9 mostra a cura dos corpos-de-prova.
Moldes
Corpos de prova
Figura 3.9 - Corpos de prova no tanque de cura.
Fonte: o autor.
3.2.7 Propriedades do concreto no estado fresco 3.2.7.1 Abatimento (Slump Test)
O abatimento (AB) foi determinado em cada betonada e medido imediatamente após a finalização de operação de mistura, sendo realizado de acordo com a NBR NM 67 (Figura 3.10).
Tanque
Figura 3.10 - Fotografia mostrando o ensaio de abatimento do concreto - Slump Test.
Fonte: o autor
3.2.7.2 Ensaio de calorimetria
Um calorímetro semi-adiabático foi utilizado para a realização deste trabalho, no qual o calor de hidratação é medido pelo monitoramento do fluxo de calor da amostra, enquanto que esta é mantida em uma condição de isolamento térmico ideal com o mínimo de perda possível para o ambiente (FRACALOSSI, 2011; SANDBERG et al, 2008).
O ensaio de calorimetria para a obtenção do tempo de pega (TP) foi realizado no laboratório de Materiais de Construção da UDESC. Este foi determinado em cada betonada e medido imediatamente após a finalização de operação de cada mistura. Para a realização do ensaio, foi montado uma sistema semi-adiabático de bancada, a fim de detectar as mudanças de temperatura ocorridas na pasta de concreto ao longo do tempo. Foi utilizado calorímetro Impac, com o auxílio do Software ImpacLog 1.0.para a coleta de dados (Figura 3.11).
Figura 3.11 - Calorímetro Impaclog
a) Modulo de leitura; b) sistema semi-adiabático; c) software ImpacLog 1.0.
Fonte: o autor.
3.2.8 Propriedades do concreto no estado endurecido 3.2.8.1 Resistência à compressão
A determinação da resistência à compressão, após 7 (RC7) e 28 (RC28) dias de cura, foi realizada de acordo com a NBR 5739, 2007 - Concreto – Ensaio de Compressão de corpos- de-prova cilíndricos. O ensaio foi realizado em uma prensa hidráulica, marca EMIC, modelo PC 220 I, com capacidade nominal de 200tf, no laboratório de Materiais de Construção Civil, do departamento de Engenharia Civil da UDESC/CCT – Joinville. A fim de se obter resultados com valores coerentes e desvio padrão reduzido, retificou-se as extremidades de todos os corpos-de-prova com auxílio de uma Retificadora SET 50, marca Setor Indústria (Figura 3.12). O equipamento de resistência a compressão está demonstrado na Figura 3.13.
b) a)
Figura 3.12 - Retificadora de corpos de prova.
Fonte: o autor.
Figura 3.13 - Prensa hidráulica para resistência a compressão.
Fonte: o autor.
3.2.9 Microestrutura dos concretos
Nestes estudos foram selecionadas algumas misturas, considerando o menor fator agregado/ cimento e os níveis alto e baixo de aditivo, incluindo a amostra padrão sem aditivo, para fins de comparação.
3.2.9.1 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
As análises de MEV foram utilizadas para avaliar as características microestruturais das amostras selecionadas. Para a obtenção das micrografias, foi utilizado um microscópio eletrônico JEOL JSM 6400 de varredura – MEV associado a um espectrômetro de energia dispersiva – EDS.
As amostras observadas foram retiradas dos corpos de prova de misturas selecionadas, estas logo após serem rompidas no ensaio de resistência à compressão após 28 dias de cura. O preparo da amostra constou da retirada de um pequeno fragmento do corpo de prova rompido, o qual foi levado a uma estufa (105 ± 5ºC) por cerca de 24 horas para sua secagem. Em seguida a amostra foi embutida em resina epóxi por cerca de 24h até completo endurecimento da mesma (Figura 3.14). Após isso, as amostras foram lixadas seguindo uma sequência de lixas de carboneto de silício. Com esta base, realizou-se o polimento da amostra em uma politriz motorizada durante 9 horas. Para a análise, as amostras necessitaram ser recobertas por camada metalizada de ouro e então levadas para análise microscópica.
Os procedimentos foram realizados no laboratório de metalografia e microscopia ótica do departamento de engenharia mecânica da UDESC (Figura 3.15).
Figura 3.14 - Molde para embutimento de amostras em resina epóxi.
Fonte: o autor.
Figura 3.15 - Microscópio eletrônico de varredura (MEV).
Fonte: o autor.
Molde
3.2.9.2 Análise térmica diferencial (ATD) e termogravimétrica (ATG)
O restante dos corpos de prova rompidos no ensaio de resistência à compressão aos 28 dias, que foram utilizados para a análise de MEV, foram fragmentados na forma de pó com o uso de um almofariz e pistilo. Em seguida, o pó obtido foi peneirado em peneira de 75 μm. Não houve a necessidade de secar o material. Este preparo foi o mesmo para as análises de difratometria de raios X (DRX) e espectroscopia de infravermelho (FTIR).
Os ensaios de ATD e ATG foram realizados em equipamento Netzsch STA 449C com uma taxa de aquecimento de 10ºC.min-1 usando um ambiente controlado de gás inerte (nitrogênio) entre as temperaturas de 25°C e 1000°C.
3.2.9.3 Difratometria de raios X (DRX)
Serão estudadas e informadas as fases cristalinas mais prováveis para as misturas de concreto através do registro e análise dos ângulos de difração fornecidos pelo software do equipamento. O equipamento utilizado foi o difratômetro de raios X SHIMADZU (XRD 6000), com alvo de cobre, que possui emissão predominante no comprimento de onda Kα = 1,5406Å, varredura de difração de 2θ, disponível no Laboratório de caracterização de Materiais da UDESC/CCT.
3.2.9.4 Espectroscopia de Infravermelho (FTIR) nas misturas de concreto.
Para as amostras de concreto endurecido, utilizou-se o mesmo procedimento do aditivo.
3.2.10 Analise estatística dos resultados
Após a realização dos ensaios e obtidos os valores das propriedades, fez se a análise de resultados utilizando o software Statística Soft 7.0 a fim de se entender melhor os efeitos dos fatores sobre as misturas. Este pôde criar modelos de regressão com o objetivo de prever o comportamento das variáveis respostas (AB, TP, RC7 e RC28) em função dos fatores escolhidos no planejamento fatorial (A/ C, W/ C e TA).
Para uma melhor compreensão dos resultados, foram feitos gráficos de contorno via metodologia de superfície de resposta (MSR) e análise de variância (ANOVA), buscando identificar os fatores de maior efeito e seu comportamento, bem como os níveis de interações entre os fatores se estes existirem. 3.2.11 Validação dos experimentos
Para avaliar a eficiência do uso e da técnica de planejamento experimental com a metodologia de superfícies de resposta, a validação dos experimentos foi realizada. O objetivo da validação dos experimentos é avaliar se o método matemático e estatístico utilizado é adequado para o modelo que descreve o efeito das variáveis nas propriedades do experimento.
Assim, uma nova mistura com composições diferentes, foi produzida seguindo a mesma metodologia experimental, estando dentro do intervalo de cada fator no planejamento.