Estudo de um reator solar híbrido para cura acelerada do concreto em água morna



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ESTUDO DE UM REATOR SOLAR HÍBRIDO PARA CURA ACELERADA DO CONCRETO EM ÁGUA MORNA

D. P. Gonçalves, Universidade Federal de Sergipe, denilsonpg@gmail.com;

P. M. M Araújo, Universidade Federal de Sergipe;

S. M. S. Selmo, (Escola Politécnica da Universidade de São Paulo)



RESUMO
Neste trabalho o objetivo principal foi desenvolvido e testado um reator híbrido solar a fim de promover a cura acelerada do concreto em água morna, por método modificado do Tipo A ASTM C 684:1999, visando a reprodutibilidade do procedimento como também sua evolução para um método brasileiro. Desta forma, os desafios principais da pesquisa foram o controle e distribuição da temperatura no interior do reator garantindo a mesma taxa em cada corpo de prova. Foi utilizado neste trabalho o cimento Portland CPII F 32 das marcas CIMPÓ e NASSAU, aditivo retardador de pega, RETARD, da marca Vedacit e relação a/c de 0,25 e 0,35. Foram realizados testes de compressão axial, termogravimetria e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos permitiram observar que a cura tem um efeito significativo porém sem grandes discrepâncias quanto a compressão, mas quanto ao crescimento das fases ele se mostrou bastante interessante e significativo.
Palavras chave: reator híbrido solar, cura térmica, cura, astm, controle, distribuição.

  1. INTRODUÇÃO

O concreto não é tão resistente nem tão tenaz quanto o aço, então, por que é o material mais largamente usado na engenharia? Há algumas razões para isso, segundo discorrem Mehta [1].

Primeiramente, o concreto possui excelente resistência à água. Ao contrário da madeira e do aço comum. [1,2]

A segunda razão para o uso tão difundido do concreto é a facilidade com que elementos estruturais de concreto podem ser executados, numa variedade de formas e tamanhos. [1,2]

A terceira razão para a popularidade do concreto entre os engenheiros, é que ele é normalmente o material mais barato e mais facilmente disponível em canteiros de obras segundo Mehta. [1,2]

Neste trabalho, o objetivo principal foi projetar, montar e operar um reator solar híbrido para promover a cura acelerada do concreto em água morna, por métodos modificados do Tipo A da ASTM C 684:1999, visando uma futura evolução para um método de ensaio brasileiro, que possa ser utilizado em controle de qualidade do concreto.

Os principais desafios do projeto foram o controle e a distribuição da temperatura no interior do reator, para testar a redução do tempo de cura de concreto e de pastas de cimento Portland, de 28 dias em água a temperatura ambiente (23oC), para até 7 dias em água à temperatura morna de 35oC.

O termo cura do concreto trata dos procedimentos destinados a prover a hidratação do cimento portland, consistindo do controle do tempo, temperatura e condições de umidade, imediatamente após a colocação do concreto nas fôrmas.[1]

Após moldado o concreto, a obra precisa aguardar que o concreto esteja firme o suficiente para ser desmoldado e consiga suportar o seu peso e das estruturas que darão continuidade à obra. Este mesmo tempo de espera supracitado serve também para que as empresas de controle tecnológico possam avaliar a qualidade potencial do concreto lançado na obra. Caso o concreto seja reprovado, por haver resultados de corpos de prova moldados e cálculo de fck,est inferiores ao valor da resistência característica de projeto (fck), o produtor do concreto, construtor e projetista da estrutura precisarão tomar providências para que seja contornado o problema, tornando o tempo uma variável desconfortável nesse processo, pois a obra avançou enquanto se realizou a cura dos corpos de prova em laboratório à temperatura ambiente.

“A idéia de se fazer a previsão da resistência à compressão de cimentos ou concretos a 28 dias de idade sob cura padrão, a partir de resultados obtidos sob as mesmas condições, porém em idades mais baixas, parece ser adotada por forças das circunstâncias, na prática das construções de concreto ou na aceitação de partidas de cimento em canteiros de obra”, dizia o Eng. Carlos Eduardo de Siqueira Tango ao discorrer sobre este tema na sua dissertação de mestrado em 1983. [4]

Assim, a cura acelerada do concreto em temperatura amena precisa ser mais estudada em equipamentos de preço atrativo, para que empresas de concretagem, de concreto tecnológico, construtoras e centros de pesquisa disponham de tecnologias alternativas e promissoras para o controle de qualidade do concreto em tempo ágil e compatível com a velocidade das obras atuais.

O objetivo de encontrar uma forma de cura do concreto com um tempo menor do que o previsto em obra é de permitir que seja possível uma tomada de decisão, caso algo tenha saído errado ou providenciar uma possível modificação, amenizando problemas futuros, que apenas são confirmados após quatro semanas, em condições de cura normal do concreto.

Cabe salientar que as normas brasileiras de concreto estão sempre atualizadas no que diz respeito aos mais variados itens da tecnologia de produção e controle desse material, mas isto não acontece para a cura acelerada do concreto, pois não há norma brasileira em vigor no momento.

Em resumo, o cumprimento do prazo mínimo necessário para se aguardar a maturidade do concreto com cura à temperatura ambiente, que é de 28 dias, banaliza os objetivos do seu controle de qualidade, pois o ritmo das obras atuais é muito maior. Logo, é necessário avançar em novos métodos de cura do concreto, que não sejam agressivos à sua microestrutura e possam ser adotados por laboratórios comerciais e centros de pesquisa.


  1. METERIAIS E MÉTODOS

Os desafios principais do projeto foram o controle e a distribuição da temperatura no interior do reator com corpos de prova cilíndricos de concreto nas suas dimensões usuais, com 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura. Essa dificuldade de dava por conta do nível baixo de temperatura, o que torna o sistema sensível ao meio, e o segundo motivo era a dissipação da temperatura no interior do tanque sem provocar alto fluxo, o que provocaria desmineralização na superfície do corpo de prova. Para solucionar este problema foi utilizado dispersores de bolhas, idênticos aos usados em aquários residenciais junto com uma técnica de movimentação de fluido chamada air lift pump, muito usada por empresas de extração de petróleo[13]. A redução do tempo de cura do concreto e pastas de cimento portland, de 28 dias em água a temperatura ambiente (23oC), para até 7 dias em água à temperatura morna de 35oC, foi também estudada como objetivo secundário, partindo-se dos resultados alcançados nas pesquisas de Cavalcante Filho (2010) e Cafange (2011).
    1. Temperatura e períodos de duração da cura no reator


Com base nos resultados precedentes de Cavalcanti Filho (2010) e Cafange (2011) apresentados no Capítulo 2, os seguintes períodos nominais de cura foram estudados no reator à temperatura de 35 oC: 0 a 24 horas, 24 a 48 horas, 24 a 72 horas e 24 a 168 horas (1 a 7 dias).

Observar que o período de 1 a 7 dias de cura térmica à temperatura morna é o que melhor pode se adequar ao funcionamento comercial de laboratórios de controle tecnológico, dado que a idade de 7 dias de cura normal já é uma prática corrente e, portanto, os ensaios com cura acelerada aumentariam em pouco o contingente de mão de obra para essa finalidade.

Além disso, as pesquisas precedentes de Cavalcante Filho (2010) e Cafange (2011) alcançaram valores de 84% a 93% da resistência normal do concreto a 28 dias, quando realizaram as curas térmicas por períodos entre 24 e 72h seguidos de cura em água à temperatura ambiente de 23°C até 7 dias.

    1. Relação água/cimento e processo de moldagem das pastas


Duas partidas de cimento forma usadas nas pastas a saber:

  • A primeira foi da marca CIMPÓ, tipo CP II F 32, fornecido pela empresa Concreto REDIMIX do Brasil S/A, executando as moldagens no período de 21 de março de 2012 a 22 de máio de 2012.

  • A segunda partida foi da marca NASAU, tipo CP II F 32, executando as moldagens no período de 08 de maio de 2012 a 19 de junho de 2012.

Em todas as pastas preparadas em laboratório pelo pesquisador, foi utilizado o aditivo RETARD retardador de pega da marca Vedacit Impermeabilizantes em teor de 4% sobre a massa do cimento.

As pastas eram compostas de cimento, água na relação 0,25 e 0,35 e aditivo retardador de pega. Primeiramente foi preparada a pasta com relação a/c 0,25 de forma manual, não obtendo uma resposta satisfatória dos corpos de prova. Para resolver este problema foi utilizado um misturador mecânico que tornava a pasta final totalmente homogênea. O processo de preparo da pasta era realizado da seguinte forma: no decorrer de 60 segundos todo o material era colocado no recipiente do misturador e pré-misturado manualmente para evitar respingos e perda de material, em seguida o misturador era ligado e permanecia misturando por 10 minutos. Terminado o processo as formas eram então preenchidas com a pasta, vibrada para eliminar ar introduzido no ato do enchimento e então tampada com um lingote de vidro para evitar evaporação da água de amassamento.

Finalizado esse processo, quatro formas eram então isoladas com bolsas plásticas e colocadas dentro do reator solar híbrido e as demais permaneciam no laboratório ao ar livre. No dia seguinte as quatro formas que se encontravam dentro do reator solar híbrido eram desenformadas, tinham suas faces capeada ficando prontas para a realização do teste de compressão axial. As demais eram desenformadas, tinham as faces capeada e eram colocadas dentro do reator para terminar o processo de cura. Logo que atingiam o tempo determinado no projeto eram testados por compressão axial.

Terminados os testes de compressão axial, recolhiam-se pequenas lascas dos corpos de prova e os matinha imerso em solução de álcool p.a. 99,98% para suspender o processo de cura.



    1. Resistência à compressão axial

Foram realizados testes de resistência a compressão axial nos corpos de prova, em analogia à NBR 7215, curados no reator solar híbrido nos intervalos de 24h, 48h, 72h e 168h e no reator padrão de 23°C no intervalo de 168h.

    1. Análise de termogravimetria (TG)

Foram realizadas análises de TG das amostras dos corpos de prova com cura normatizada de 23°C e de cura no reator solar híbrido no intervalo de 168h somente, devido ao objetivo do estudo de redução do tempo de cura de 28 dias para 7dias (168h). O equipamento foi programado para realizar as análises iniciando em temperatura ambiente e finalizando em 1000°C com intervalo de aquecimento de 10°C por minuto. As amostras foram maceradas em almofariz de ágata e peneirado em malha de 75um.

    1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

As amostras com intervalo de cura de 24h, 48h, 72h e 168h puderam ser observadas através do microscópio eletrônico de varredura que nos permite avaliar o desenvolvimento da microestrutura de forma quantitativa. Com o tempo reduzido e com dificuldades na utilização do equipamento, foi selecionado dois grupos de corpos de prova aleatoriamente para ser analisado com a técnica em questão.

  1. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Podemos ver na tab. I e Tab. II que os resultados obtidos nos testes de compressão axial dos corpos de prova se apresentãocom pequenas diferenças de porcentagens a partir do intervalo de 48 horas até 168 horas (7 dias). Teoricamente se esperava uma diferença maior já que o reator acelera a maturação da microestrutura, porém neste caso a microestrutura mesmo maturada não ganhou níveis de resistência, como de se esperar, mas teve uma diferença significativa que será visto posteriormente. Acreditamos que esse ocorrido se deva por efeito do retardador de pega, o que caberia mais estudos com outras combinações de aditivos ou relação a/c (água / cimento) maiores.

Tab. I – Resultado de ensaios de compressão de pasta com relação a/c 0,35.



Tipo de cura

Prazo de cura

CP1

CP2

CP3

CP4

Média

% da resistência de cura normal a 28 dias

Acelerada

0-24 h

2,8

6,9

27,4

28,8

16,5

29%

24-48 h

35,8

34,4

40,4

37,5

37

64%

24-72 h

45,9

44,5

44,2

47,6

45,5

79%

24h-7d

40,2

39,9

46,0

50,4

44,1

77%

Normal

24h-7d

40,8

46,1

45,5

42,1

43,6

76%

24h-28d

54

56

62

58

57,5

100%

Tab.II – Resultado de ensaios de compressão de pasta com relação a/c 0,25.

Tipo de cura

Prazo de Cura

CP1

CP2

CP3

CP4

Média

% da resistência de cura normal a 28 dias

Acelerada

0-24 h

48,99

52,43







50,7

55%

24-48 h

68,74

72,54







70,6

77%

24-72 h

75,21

76,45







75,8

83%

24h-7d

75,76

74,73

79,36

89,95

80,0

87%

Normal

24h-21d

91,66

92,07







91,9

100%

Quando observamos a resposta termogravimétrica do material acima apresentado percebemos que as diferenças são maiores do que as observadas na análise de compressão axial. Na fig.I podemos ver que a fase inicial dos corpos de prova curados no reator solar híbrido aparecem em maior quantidade, ou seja, ouve maior utilização e penetração da água de amassamento do que nos corpos de prova curados de forma normatizada. Isso comprova que o reator acelera a maturação inicial. As formações de etringita e portlandita se equiparam como podem ser visto na figuras I nos intervalos de temperatura entre 400 a 500°C e 700 a 800°C.

FIg.I Análise termogravimétrica de pasta de cimento com relação a/c 0,25 e 0,35, ambas curadas em reator solar híbrido a 35°C e temperatura normatizada em reator padrão 23°C.

Nas imagens captadas no MEV, podemos perceber que embora as análises de compressão axial e TG mostrares diferenças sutis, existe realmente diferenças significativas na quantidade formada de cristais quando comparamos amostras do reator solar híbrido com as amostras do reator padrão, como pode ser visto na fig. II, fig. III e fig. IV.

Fig. II - MEV de lasca de pasta de cimento curada em reator solar híbrido no intervalo de 28 dias.



Fig. III - MEV de lasca de pasta de cimento curada em reator padrão 23°C no intervalo de 168h (7 dias).



Fig. IV – MEV de lasca de pasta de cimento curada em reator solar híbrido 35°C no intervalo de 168h (7 dias).

Podemos ver claramente na fig.IV que a pasta curada em reator solar híbrido na temperatura de 35°C apresenta uma formação de cristais com maior volume quando comparada com as imagens da fig. II e fig. III onde as pastsa foram curadas em reator padrão na temperatura de 23°C.


  1. CONCLUSÃO

O objetivo principal do trabalho foi alcançado com o projeto e a montagem do reator solar híbrido. Seu funcionamento tanto a parte solar quanto a parte elétrica foi satisfatório mantendo o banho térmico em 35°C com uma variação de 1°C para mais e para menos, confirmando sua eficiência. Devido a ocorrência de problemas na obtenção de matéria prima fomos forçado a utilizar a pasta de cimento no lugar do concreto, uma vez que a formação do estudante não permitia a confecção de corpos de prova de concreto. Apesar de mais fácil confecção, as pastas de cimento apresentarão variações que impossibilitaram uma melhor resposta como pode ser visto nas análises. Cabe realizar mais curas com concreto e pastas para comprovação da eficiência do reator, já que o reator está pronto e funcionando corretamente.

  1. BIBLIOGRAFIA

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  1. ABSTRACT

In this work, the main purpose was developed and tested a hybrid solar reactor to promote fast healing of concrete in warm water by the modified method of ASTM C 684:1999 Type A, aiming the reproducibility of the procedure as well as its evolution to a method Brazilian. Thus, the main research challenges were the control and distribution of temperature inside the reactor ensuring the same rate in each specimen. Was used in this work Portland cement 32 F CPII marks and CIMPÓ NASSAU, retardant additive handle, Retard, and brand Vedacit w / c ratio of 0.25 and 0.35. Tests were conducted axial compression, thermogravimetry and scanning electron microscopy (SEM). The results led to observe that healing has a significant effect but no major discrepancies in compression, but as the growth phase it proved quite interesting and significant.
Key-words: solar hybrid reactor, thermal curing, cure, astm, control, distribution.

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