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Choque Térmico no Concreto

As mudanças de temperatura, ou como é mais conhecido no meio acadêmico, variação do gradiente térmico, podem ter amplos e variados efeitos nas propriedades do concreto.

Por Janilton Maciel Ugulino dia em Engenharia Civil

Choque Térmico no Concreto
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O Verão está chegando na região norte que chamam de verão amazônico, e com ele vem o tempo quente, o tempo de piscina está no ar. Em um dia quente de verão, o cabelo em seus braços pode aumentar a fio. Quando os nossos corpos experimentam uma diferença de temperatura que nos faz sentir frio, como sair de uma piscina ou em execução de um frio que vem através de um aspersor, nós libera adrenalina. A adrenalina faz com que os minúsculos músculos sob a pele se contraiam, resultando no aspecto irregular que comumente chamamos de arrepios. Assim como variações de temperatura pode chocar nossos corpos, eles podem chocar concreto também.

 Compreendendo o Gradiente de Temperatura

A temperatura é uma propriedade da termodinâmica complexa, que é normalmente endereçado como uma medição simples, unidimensional em unidades de graus Fahrenheit ou graus Celsius. A temperatura nos afeta em um sentido subjetivo, e também afeta as propriedades dos materiais em uma escala objetiva. Propriedades físicas de materiais, incluindo a densidade, o volume, a condutividade, a pressão, as taxas de reacção química e ainda a velocidade do som são todos dependentes diretos da temperatura. O concreto pré-fabricado não é diferente, e o concreto pré-moldado tem sua qualidade dependente fortemente de temperaturas de cura apropriadas.

Diferencial de Temperatura, que é a diferença de temperatura entre dois pontos especificados, desempenha um papel importantíssimo durante o processo de cura do concreto, pois a reação química que acontece para o "endurecimento" do concreto, é uma reação exotérmica, isto é, uma reação que libera calor para o meio, mais uma vez a temperatura em questão, assim se esse calor for muito elevado o mesmo começará a evaporar a água necessária para a reação dos grãos do cimento anidro, consumindo assim parte da água da reação, deixando vários grãos de cimento anidro, sem reagir, causando com isso uma perda significativa de resistência mecânica do mesmo. E tem outro fator importante também além da baixa resistência é que pelo fato da água ter se evaporado no processo de aumento de temperatura, a mesma criou caminhos de passagem para a mesma poder sair do concreto, criando assim futuros caminhos para entrada de agentes externos para desassisar a armadura de concreto, iniciando assim uma corrosão de armadura.

Concretos pré moldados, também deve ter seu gradiente de temperatura levado em consideração. Um produto que é retirado de sua forma após 24 horas pode sentir frio ao toque, dependendo da temperatura da região em que foi moldado, havendo assim um gradiente de temperatura temporário, quando a temperatura do concreto aumenta mais para o centro da massa.

Início Rápido, Acabamento Lento

A temperatura do concreto fresco, ou mesmo concreto pré-moldado “verde”, depende dos materiais constituintes, à temperatura ambiente, o equipamento de mistura, formando equipamentos e procedimentos de consolidação. Controlar esses elementos condicionantes, é muito importante, pois como as reações de hidratação do cimento, se ajustam de acordo com o tempo, o ganho de resistência à compressão, trabalhabilidade e volume de betão são significativamente afetada pela temperatura, em adição ao arrasto de ar e da quantidade de água colocada na mistura.

Em geral, as temperaturas mais elevadas durante os primeiros dias de cura promove o ganho de força mais rapidamente neste primeiro momento, mas pode reduzir a força “finais" aos 28 dias. Por exemplo, com todos os outros fatores mantidos constantes a uma humidade ótima de 80% e sem tratamentos externos especiais, as taxas de hidratação do cimento nos primeiros dias e resistência à compressão do concreto aumentam de forma constante quando se comparam as temperaturas de cura de 73, 90, 105 e 120 graus Fº.

A resistência do concreto continua a aumentar ao longo de sua vida útil, conforme haja grãos anidros a serem hidratados, pois a velocidade da reação tende a diminuir com o passar do tempo. No entanto, as taxas de desenvolvimento do ganho de força diminuiu  ao se aproximar os 28 dias e "praticamente" some aos 36 dias. Quanto as taxas de ganho de resistência  dependem da temperatura de cura, de modo que o tempo passa, e o concreto fica mais endurecido, a curas a temperaturas mais baixas irão exibir valores de resistência à compressão maior do que o concreto curado a temperaturas mais elevadas, conforme mostra a figura a baixo da APC.

Choque Térmico no Concreto
Figura 1 - A força de um dia aumenta com o aumento da temperatura de cura, mas a força de 28 dias diminui com o aumento da temperatura de cura (Verbeck e Helmuth 1968).

 No entanto, se as temperaturas ficam muito baixas, um conjunto diferente de questões surgem. Taxas de hidratação começam a ficar lentas, como a temperatura diminui e a hidratação e o desenvolvimento de resistência à compressão ficam descontinuas abaixo de 32º F.

O Concreto a Baixas Temperaturas

O Concreto deve chegar a 500 psi antes da exposição a temperaturas de congelação. Este valor de resistência à compressão é considerado o ponto mínimo aceitável no qual a pasta de hidratação do cimento é suficientemente forte para resistir às tensões aplicadas a ele por elementos expansivos devido a água de congelamento. O concreto que congela antes de atingir 500 psi pode ter seu desenvolvimento de ganho de resistência comprometido em até 50% da sua resistência final. Os efeitos do congelamento cedo são irreversíveis. ACI 306, “Guia para Concretagem em tempo frio”, descreve precauções, procedimentos e considerações para a fabricação de concreto no tempo frio. Seção 4.4.7 do Manual NPCA Controle de Qualidade para Pré-Fabricados em Centrais de concreto afirma: “No tempo frio a temperatura do concreto no momento da colocação não deve ser inferior a 45º graus F.”

Recomenda-se em plantas de fabricação de pré-moldados localizados em climas mais frios para se evitar o choque térmico em concreto, fazendo o seguinte:

  • Controlar a temperatura interna nos limites recomendados neste artigo;
  • Isolar a superfície do concreto ao máximo para garantir um arrefecimento gradual do mesmo;
  • Proteger estruturas pré-moldadas para reduzir o diferencial de temperatura no interior do concreto com diferentes espessuras.

A temperatura do concreto deve ser alta o suficiente para impedir que a água do concreto congele antes de hidratar todos os grãos do cimento, esta é a principal preocupação quando o concreto é colocado em um ambiente aberto.

Outras soluções disponíveis incluem o uso de misturas de aceleração de conjunto, a água aquecida, formas aquecidas, cimento de alta resistência inicial ou de cura acelerada.

A Temperatura Está Subindo

Na outra extremidade do espectro, temos considerações térmicas especiais que também devem ser feitas para concretagem, são as em tempo quente. Estoques agregados secos podem ser aspergidas com água para fornecer um teor de humidade apropriado antes da dosagem, utilizando água gelada na mistura pode ser uma boa idéia, em vez de água à temperatura ambiente, e definido retardadoras de misturas ou baixa de hidratação do cimento. ACI 305, “Guide to Hot Weather Concreting”, descreve precauções, procedimentos e considerações para a produção de concreto em clima especialmente quente e seco. Seção 4.4.6 do Manual NPCA Controle de Qualidade para Pré-Fabricados em Centrais de Concreto afirma: “Em clima quente a temperatura do concreto no momento do lançamento não deve exceder 90º graus F.”

Processos de fabricação que não são adaptados ao ambiente de cura podem causar danos irreparáveis para a cura do concreto. Certas condições tais como a temperatura elevada do concreto, temperatura ambiente elevada, do vento e de baixa humidade pode causar perda de água perto da superfície de concreto por evaporação mais rapidamente do que pode ser alimentada através de água subindo por ascensão. Este processo resulta na rápida retracção de secagem, tensões de tração e, por sua vez, fissuras superficiais. Fissuras de retracção plástica, geralmente tem forma irregular e curtas em comprimento, ocorrem normalmente em superfícies, e não são formadas logo após a colocação ou do acabamento.

Algumas precauções feitas por plantas de pré-moldados nos dias mais quentes são um pouco semelhantes aos pontos enumerados para as plantas localizadas em climas mais frios. Recomenda-se assim fazer o seguinte para evitar variações térmicas:

  • Minimizar a diferença de temperatura entre a forma e o concreto sendo lançado;
  • Usar materiais ativivos no concreto que, ajudem, a diminuir o gradiente térmico nas primeiras idades e distribuilos ao longo dos dias, tipo cinzas volante.
  • Pulverizar água sobre a superfície curado ou administar alguma ténica de cura inticada por alguns especialistas para ajudar o resfriamento das primeiras idades, controlando assim a temperatura interna e a humidade do concreto.
A Cura Direta

Fabricantes de concreto pré-moldado muitas vezes empregam acelerador de cura, especialmente em aplicações de tempo frio. Acelerador de cura normalmente envolve a aplicação de vapor ou calor e de humidade para produtos fechados em cortinas ou lonas para um determinado período de tempo e a uma temperatura estritamente regulamentada.

Para evitar perturbar a hidratação e o desenvolvimento da resistência inicial, deve se verificar um conjunto inicial de fatores antes de se aplicar qualquer forma de cura acelerada. Atingir um conjunto inicial de fatores, o que é testada de acordo com ASTM C403, “Método de Teste Padrão para o período de Ambiente de misturas de concreto de resistência à penetração,” garante uma cura a qual desenvolveu resistência suficiente para suportar as tensões térmicas que resultam da aplicação de vapor e de calor.

Condições de cura, especialmente quando se emprega aceleradores nos processos de cura, deve ser cuidadosamente regulada para manter um ambiente ideal. Independentemente do método de cura, a temperatura de cura ambiente deve permanecer abaixo de 150º F em todos os momentos para minimizar o potencial de formação de fissuras. A temperatura ambiente também não deve aumentar ou diminuir em mais de 40º F por hora. Manter a temperatura adequada ajuda a evitar o choque do concreto ou interromper a hidratação e força de desenvolvimento. Cuidados também devem ser tomados em consideração, quando se utiliza aquecedores a gás para curar produtos.   Para evitar problemas de carbonatação no concreto grave, a fonte de calor não deve ser aplicado diretamente às superfícies de concreto exposta.

Impacto Duradouro da Temperatura

 Em um concreto endurecido, a propriedade do material mais notavelmente afetado pela temperatura é o volume. Quando a temperatura aumenta de um objeto, os átomos dentro dele vibram mais rápido e fazem com que o material se expanda. Por outro lado, quando a temperatura de um objeto diminui, os átomos dentro da estrutura acomodam-se e assim fazem com que ela se contraia.

 Coeficiente de expansão térmica (α) indica como é que um determinado material na natureza vai reagir à mudança de temperatura. Materiais com α similares, exibem comprimento e volume de mudanças induzidas pela temperatura, semelhantes, o que mantém as tensões térmicas entre eles como um diferença bem pequena. Em contraste, os materiais com diferentes α exibem grandes diferenças nas alterações de comprimento e volume. Quando essas mudanças ocorrem em áreas confinadas e não podem ser acomodados, tensões significativas desenvolvem-se, levando a rachaduras significativas.

 Em qualquer cenário, a temperatura do concreto e a temperatura do ambiente deve ser mantida em níveis apropriados ao longo da mistura, transporte, lançamento e cura. Perder o controle sobre quais dessas situações para qualquer período de tempo pode provocar sérios danos, irreversível do concreto que impede o desenvolvimento da resistência e reduz drasticamente a durabilidade, a permeabilidade, congelamento-descongelamento resistência, resistência à abrasão, resistência e vida útil.

Autor: Janilton Maciel Ugulino
E-mail: janilton@lean.eng.br

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