Prof. José José Tadeu Ba lbo Notas de Aula – Teoria de Pavimentos de Concreto Concreto
M I N I C UR U R S O S O B R E P AV AV I M E N T O S D E CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND
N O T A S D E A U LA LA
Prof. José Tadeu Balbo (Laboratório de Mecânica de Pavimentos – USP)
V i t ó r i a , 7 d e m a i o d e 2. 2. 0 0 2
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1 . E s t u d o d o S u b l e i t o p a r a P a v i m e n t o s d e C o n c re re t o 1.1 Premissas Básicas: Modelo de Winkler K = Módulo de Reação do Subleito Relação Básica para a Carga:
Ø
p = n + m
P A
p= pressão na placa; P/A= perímetro/área Válido para solos não-elásticos 2 ensaios, com mesmo ∆, com P/A diferentes Hipótese: elasticidade e homogeneidade:
Ø
p
-
Impor pressões com taxa de crescimento padrão k =
-
Yoder sugere que 10 PSI é o ponto ideal para definir o valor de K.
∆
Potencialidades do Teste:
Ø
Necessidade de estabilização da leitura quando a taxa de variação atinge 0,005 cm/min
∆
t
p
Medidas de deformação permanente > aplica-se carga e quando ∆ estabiliza, alivia-se a carga
∆plástica
∆
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1 . E s t u d o d o S u b l e i t o p a r a P a v i m e n t o s d e C o n c re re t o 1.1 Premissas Básicas: Modelo de Winkler K = Módulo de Reação do Subleito Relação Básica para a Carga:
Ø
p = n + m
P A
p= pressão na placa; P/A= perímetro/área Válido para solos não-elásticos 2 ensaios, com mesmo ∆, com P/A diferentes Hipótese: elasticidade e homogeneidade:
Ø
p
-
Impor pressões com taxa de crescimento padrão k =
-
Yoder sugere que 10 PSI é o ponto ideal para definir o valor de K.
∆
Potencialidades do Teste:
Ø
Necessidade de estabilização da leitura quando a taxa de variação atinge 0,005 cm/min
∆
t
p
Medidas de deformação permanente > aplica-se carga e quando ∆ estabiliza, alivia-se a carga
∆plástica
∆
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Possibilidade de Estimativa do “E” do subleito: a
1 CAMADA Boussinesq
∆=
p.a E
F
r
z r F = f ; e F = f (µ ) a a 3
1
− − a 2 2 2 2 2 2 2 F = (1 + µ)z (r + z ) + 2(1 − µ )(r + z ) 2 2
Hipótese de emprego do módulo de reação do subleito
Estudos de Teller e Sutherland (1935) e Kelley (1939): Testaram vários diâmetros de placas > K é muito sensível ao diâmetro; diâmetros superiores a 1,30 m resultam em K estável. Ø
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Figura 1 Influência da dimensão da placa no valor de K (Fonte: Balbo, 1989)
2 Camadas: Burmister: Teoria Elástica de Sistemas de Camadas - Critério de PCA para definir o valor de K das sub-bases (incremento) Ø
1.2 Problemas do Ensaio de Carga em Placa
1.2.1 Correção de Umidade: Ensaio de compressão em laboratório com amostra em umidade natural e amostra saturada; mede-se ∆. K corrig
=
∆ K ∆ sat campo
1.2.2 Estudos de Spangler (1942): Testes em placas de concreto reais
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1. 2
1
2.
Teste na borda: K=180 MPa/m Teste a ≈ 1,0 m da borda, mesma placa: K=14 MPa/m
Portanto: O teste não simula uma placa real 1.2.3 Tipo de Ensaio
• Estático: quando seria ideal o dinâmico • Tendência internacional: K dinam ou E dinam • Uso de F.W.D. 1.2.4 Outras Limitações
• • • • • •
Ensaios de carga em placa pouco utilizados para rodovias Ensaio difícil e oneroso Correlações com CBR (desde USACE – aeroportos) Espessuras de pavimentos de CCP pouco sensível ao valor de K Utilização de médias globais Correlações com a Classificação Unificada (Casagrande) e outras
Tipo de Solo Pedregulhos e solos pedregulhosos
Areias e solos arenosos
Solos finos
C.U. GW GP GU GM GC SW SP SU SM SC ML CL OL MH CH OH
K (MPa/m) ≥ 83 ≥ 83 ≥ 83 ≥ 83 55-83 55-83 55-83 55-83 55-83 55-83 28-55 28-55 28-55 28-55 14-28 14-28
(fonte: Yoder & Witczak, 1975)
2. S ub-base s para pavimentos de CCP Ø
Ponto de vista estrutural: - A placa de CCP poderia ser dimensionada sem a sub-base
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Ø
- Baixas tensões ocorrem nessa sub-base devido ao estado plano de tensões na placa de CCP. Motivos de emprego (justificáveis): - Homogeneidade de suporte; - Camada drenante; - Evitar Bombeamento; - Controlar efeitos de contração e inchamento de solos; - Controlar “de-frost ”.
(fonte: Balbo, 1989)
(fonte: Balbo, 1989) 2.1 Tipos Genéricos - Granulares (drenantes): BGS, MH, BC, etc; - Tratadas: solo-cimento, BGTC, CCR, misturas asfálticas (estruturais) 2.1 .1 Concreto Compactado com Rolo (CCR):
• Origem: Inglaterra “House State Roads” • 1ª especificação: 1944 (lean concrete) • Outros nomes: concreto pobre rolado, econocrete (Estados Unidos)
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2.1.1 Características Básicas
• Concreto seco e com baixo abatimento • Menor teor de cimento heterogeneidades • Compactado por meio de rolos • • • •
Aplicações históricas no Brasil: 1946: Vale do Anhangabaú – SP – (base) 1972: Porto Alegre (base) 1976: Aeroporto de Viracopos (base de pavimento de CCP) 1987: SP-55 – Pedro Taques (base de pavimento de CCP)
Faixas Granulométricas
não são muito rígidas para o CCR Dosagem
Quantidade de água: definida através de ensaios de compactação > umidade ótima Consumo de cimento: Como sub-base de pavimento de CCP: 80 kg/m 3 Como revestimento: 380 kg/m3 Testes: Traço básico -40 kg/m3 de consumo +40 kg/m3 de consumo Traço mínimo: 1:22 a 1:24 ≈ BGTC Aplicações: Como revestimento (pavimento de CCP) Como base de pavimento de CCP ou asfáltico No caso de base de pavimento de CCP, a ABCP trata o CCR + subleito com K modificado Cura: Como sub-base: emulsões de ruptura rápida ou sacaria, plásticos, aspersão de água Características de Resistência Consumo de cimento (kg/m3) 80 120 160
Resistência à compressão (MPa) 5a7 10 a 15 16 a 23
Resistência à tração na flexão (MPa) 0,6 a 1,0 1,2 a 2,2 2,0 a 2,8
Módulo Resiliente (MPa) 7.400 a 12.600 17.100 a 21.900 20.600 a 24.900
Fissuras de Retração: Ocorrem de 15 a 18 m (DNER) Controle de fissuras de retração > Serrar juntas até 48h, de 9 a 15 m, para revestimentos com maior teor de cimento Pavimento Monolítico Composto de CCP:
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Placa + base possuem forte aderência Aspecto s Agregados
BGTC Brita graduada desde as frações grosseiras às frações mais finas
CCR Pedra Britada (pedra 2 e pedra 1) e areia
Granulometria Material passante # 200
Distribuição rigorosa Até 10 %
Faixa mais ampla (menos rigor) Não se tolera
Teor de Cimento Fabricação da Mistura Resistências
80 kg/m3 (4% em peso) no máximo Em usinas de agregados Pequenas comparadas ao CCP para pavimentos
80 a 380 kg/m3 Em centrais de concreto idênticas ou inferiores ao CCP para pavimentos
Módulo de deformação ou de elasticidade Aplicação em camadas de pavimentos
Ainda inferior ao CCP se compactado energicamente Nunca como revestimento; apenas em bases e sub-bases
próximo ao CCP para elevados consumos de cimento Revestimentos, bases e sub-bases
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3. Concreto de Cimento Portland Processo de Mistura: Manual ou por meio de Equipamentos Cimento + agregados + água (+ aditivos) Concretos: Simples, armado (armadura passiva), protendido (armadura ativa) Ø Exigências Básicas: Ø o Facilidade de manipulação; o Características estruturais; o ........ECONOMIA. 3.1 Propriedades do Concreto Fresco: o Consistência: § Dependência: • Coesão, atrito interno, viscosidade tipo de peça, forma de lançamento... § Simplificadamente: medida de consistência “ Medida de resistência que se opõe a massa fresca à sua deformação ”. § Medida de Consistência: • Cone de Abrams ( slump ): o Deformação vertical da massa fresca Ø
∆
•
∆> para concretos fluidos ∆< para concretos secos
Fator de compactação:
Massa _ auto − compactada(queda _ de _ cone _ em _ cilindro _ e _ arrasament o) FC = Massa _ compactada(golpes _ normalizad os) Abatimento (mm) FC Seco 0 a 20 0,75 CCP normais 20 a 160 0,75 a 0,97 >160 0,97 Fluido
§
Segregação: • Agregados se separam em agrupamentos mais finos e outros mais grossos; • Alta relação a/c: fenômeno de exsudação; • Ocorre em várias fases do manuseio; Concretos de pega lenta: maiores riscos; • • Prejuízos para pavimentos: o Zonas fracas: abrasão (maior relação a/c em caso de exsudação) superfícies mais lisas.
§
Compacidade: • Maior ou menor presença de ar aprisionado porosidade grau de adensamento permeabilidade durabilidade;
Massa específica: natureza do agregado. Ex. barita >> γ ; vermiculita >> γ §
§
Contração química:
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“o volume da pasta de cimento se conserva no concreto fresco, e equivale a um decréscimo de 25,4% no volume de água (Powers)” §
Retração: • Variações volumétricas na massa... fissuras na estrutura interna; • Vários mecanismos; • RETRAÇÃO HIDRÁULICA E TÉRMICA (principais): A água de amassamento é dividida em três partes, conforme suas funções: o ÁGUA DE CRISTALIZAÇÃO: reações formando a parte sólida da paste de cimento; o ÁGUA DE GEL: adsorvida aos cristais hidratados. Meio de transporte de compostos para a continuidade das reações, formando o gel de cimento hidratado; o ÁGUA LIVRE: capilar, que somada ao gel de cimento forma a pasta de cimento. RETRAÇÃO HIDRÁULICA: (secagem) o • Causas: • Evaporação da água de gel (T>100 ºC); • Evaporação da auga capilar (U.A < 100%). • Controle: • Cura adequada; • Problemas: concreto massa. RETRAÇÃO TÉRMICA: ∆T no concreto por: o • Liberação de calor de hidratação; • Efeitos externos (insolação). Controle: • • Cimentos com baixo calor de hidratação; • Menor traço de cimento; Proteção do concreto fresco; • • Agregados: hornblenda e piroxênio colaboram para elevar a retração.
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3.2 Propriedades do Concreto Endurecido: o Resistência: “Propriedade medida no momento da ruptura do material ” Parâmetros básicos de projeto, afetado por: § • Módulo de Finura; • Relação a/c; Consumo de cimento; • • Idade § §
§ §
Controle Estatístico: variabilidade ≈ 8% Resistência ainda afetada: • Na trabalhabilidade relação a/c • Resistência de interface (textura) (principalmente em tração) • Amostras de controle x amostras extraídas Padrão de 28 dias: medidas anteriores para previsão do padrão; Ideal: amostras refletirem a cura em campo; Moldadas
Extraídas
Período de cura Idade Inicial
Endurecimento em mais rápido que nos tanques em laboratório
Cura posterior continuada
Hidratação do cimento mais eficiente no laboratório
Resistência de campo x resistência de laboratório: ? Norma Inglesa: amostras extraídas; desprezar os 50 mm § superiores. Resistência à Compressão Uniaxial (simples): ∅150 mm – h300 mm (Brasil, Estados Unidos) § Padrões: Cubos – 150 mm (Europa) § Uso de cilindros de menor relação h/ ∅ (,1,8): Correção de resultado § Rcilin = Rcubo /1,25 (se ∅ = lado do cubo) § Dosagem de concretos estruturais (e controle) §
o
o
Resistência à Tração Direta: § Ensaio muito difícil § Validade: ruptura na seção central adensamento variável; ensaios com seção estrangulada.
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Fusco: σt , rup ≅ σc , rup / 10
§
Resistência à Tração na Flexão: § Vigotas de concreto: 150x150x500 mm § Ensaio com Carga no vão central (3 ponto)
o
P
l/2
Mx
l/2
P/2
P/2
Mx , Max = Pl/4
§
Ensaio com viga engastada
P
Mx
l P/2
l/3
P/2
l/3
Mx Mx , Max = Pl l/3
P/2
P/2
P
§
Mx , Max = Pl/6
Ensaio com Carga em 2 pontos (2 cutelos)
Tomando-se a hipótese de Navier e linha neutra à meia altura da viga: 1. σ tf = 1,5P l bh 2 h b
bh 3 Mt I = 12 σ tf = e I e=h 2 l 2. σ tf = 6P 2 bh l 3. σ tf = P 2 bh