ADENSAMENTO DO CONCRETO POR VIBRAÇÃO, Notas de estudo de Energia

Baixe ADENSAMENTO DO CONCRETO POR VIBRAÇÃO e outras Notas de estudo em PDF para Energia, somente na Docsity!

ADADEENNSSAAMMEENNTTOO DDOO CCOONNCCRREETTOO

POPORR VVIIBBRRAAÇÇÃÃOO

GeGessttããoo ddee EEqquuiippaammeennttooss ee OObbrraass

DeDezzeemmbbrroo 2 2000055

Apresentação

A falta de literatura especializada em nosso idioma e o comportamento das pessoas envolvidas no trabalho de adensamento do concreto - em obras diversas, mas principalmente no que se refere a pavimentos, pátios de aeroportos e afins - motivaram a realização deste trabalho.

A pesquisa demandou a coleta de dados e informações em diversas fontes na literatura estrangeira. E a ordem de apresentação, neste trabalho, pretendeu tornar os assuntos compreensíveis na medida em que forem se desenvolvendo.

Em benefício da didática, alguns exemplos práticos foram inseridos no final do texto.

A aplicação da vibração do concreto em outras atividades também foi abordada, mas de forma mais resumida.

Engº José Ricardo R. Goulart Gestor de Equipamentos da ABCP

7. VIBRADORES EXTERNOS ....................................................................................... 29

7.1. Considerações finais sobre vibradores externos ............................................... 31

8. MESAS VIBRATÓRIAS .............................................................................................. 31

9. EQUIPAMENTOS PARA PAVIMENTAÇÃO .............................................................. 32

9.1. Sistemas de vibração ............................................................................................ 33

9.2. Características dos vibradores ............................................................................ 33 9.2.1 Vibrador hidráulico 9.2.2 Vibrador elétrico

9.3. Espaçamento entre vibradores ............................................................................ 35

9.4. Velocidade de translação do equipamento ......................................................... 36

9.5. Profundidade e ângulo do vibrador ..................................................................... 36

9.6. Tempo de vibração ................................................................................................ 36

10. OBSERVAÇÕES COMPLEMENTARES .................................................................. 37

10.1. Excesso de vibração no concreto ...................................................................... 37

10.2. Intervalo de tempo entre o lançamento e vibração do concreto ..................... 38

10.3. Revibração do concreto ....................................................................................... 38

ANEXO 1 – Recomendações para a utilização de vibradores de imersão ...................... 39

ANEXO 2 – Exemplo de planejamento de plano de inserção .......................................... 40

ANEXO 3 – Medição da freqüência de vibradores internos ............................................ 43

ANEXO 4 – Movimento harmônico simples .................................................................... 44

1. Equações do movimento harmônico simples
2. Força centrifuga – aplicações
3. Aceleração vibratória
4. Torque

ANEXO 5 – Cálculo da velocidade de translação de uma vibroacabadora de fôrmas deslizantes .................................................................................................... 47

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 49

1. INTRODUÇÃO

O concreto pode ser considerado uma pedra artificial composta de uma mistura de cimento, agregados e água - e em alguns casos também de aditivos - que se forma pelo endurecimento da mistura água – cimento (pasta).

Sabe-se que para um mesmo traço, a resistência e outras qualidades do concreto, convenientemente adensado, melhoram à medida que diminui a quantidade de água na mistura. Assim, de dois concretos de mesmo traço, o que for preparado com menor quantidade de água – o que for mais seco – será o mais resistente. A finalidade do adensamento do concreto é alcançar a maior compacidade possível entre os agregados graúdos e miúdos.

O concreto fresco, ao ser lançado, apresenta no interior de sua massa ar aprisionado em forma de bolhas, formadas durante o processo de mistura, transporte e descarga, cujo volume chega a ser de 5% a 20% do volume total. De acordo com o grau de consistência do concreto fresco haverá maior ou menor quantidade de poros.

A vibração do concreto como um processo de adensamento elimina o ar aprisionado no interior da massa do concreto fresco. Quando o ar aprisionado é eliminado, algumas características do concreto tendem a melhorar, entre elas:

a) Resistência

Foi demonstrado que para cada 1% de ar aprisionado não removido a resistência do concreto diminui entre 5% e 6%, conforme indica o gráfico da Figura.

Pode-se observar que para 2,5% de vazios a redução na resistência será em torno de 20%.

Figura 1 – Redução da resistência em função dos vazios

h) Otimização do traço

O abatimento de um concreto para ser aplicado com vibradores poderá ser reduzido pela metade ou até menos do que o exigido para um concreto sem vibração.

A quantidade de agregado fino também poderá ser reduzida em 5%, o que permite diminuir o teor de água obtendo-se maiores resistências e melhor qualidade do concreto.

Em um ensaio realizado, onde um concreto com consumo de cimento de 350 kg/m³, cujo teor de agregados finos era de 36% e um abatimento alto aplicado sem vibração, se obteve uma resistência de 26 MPa aos 28 dias. Quando houve redução do teor de água para produzir um concreto com abatimento baixo, que exigia o uso de vibradores para sua aplicação, a resistência subiu para 35 MPa. Finalmente se estabeleceu um novo traço, diminuindo o agregado fino e a água, ainda mais, conseguindo-se uma resistência de 45 MPa, o que representa um acréscimo de 59% em relação ao primeiro traço.

i) Redução nas variações de volume

As variações de volume e as fissuras que surgem posteriormente são mais reduzidas nos concretos projetados para serem vibrados, conseqüência imediata de uma acomodação mais justa das partículas constituintes do concreto e do menor conteúdo de água evaporável. Para obter níveis desejáveis de resistência à compressão e impermeabilidade é necessário eliminar as bolhas de ar do interior do concreto, tornando-o mais denso e sua massa, mais compacta.

A ação dos capilares e as forças de atrito entre as partículas individuais do concreto só poderão ser vencidas mediante uma ação mecânica.

Ainda hoje, em pequenas obras, o concreto é socado manualmente, pisoteado e adensado de forma bastante primitiva. Entretanto, a aplicação de vibradores de alta freqüência representa um avanço tecnológico, pois facilita o trabalho de adensamento nos mais diversos tipos de obras, de barragens e pavimentos a estruturas bastante delgadas.

2. FUNDAMENTOS DA VIBRAÇÃO

A vibração é definida em função da freqüência e da amplitude do movimento.

a) Freqüência - é o número de impulsos ocorridos em um determinado período.

b) Amplitude - é o deslocamento máximo do elemento vibrador entre dois impulsos.

Ambos os parâmetros – Freqüência e Amplitude – estão correlacionados mecânica e inversamente, de maneira que para um mesmo vibrador, quando se aumentar a freqüência, a amplitude diminui e vice-versa.

As observações e estudos matemáticos têm demonstrado que cada tamanho de partícula responde a uma freqüência específica com uma amplitude máxima. Em altas freqüências e pequenas amplitudes vibram as partículas finas, enquanto que as vibrações caracterizadas por baixas freqüências e grandes amplitudes atuam sobre os agregados mais graúdos.

A alta freqüência faz com que os agregados finos se movimentem rapidamente e com liberdade entre si, o que diminui a viscosidade da pasta de cimento e aumenta a fluidez do concreto.

Como as pequenas amplitudes associadas com altas freqüências não atuam sobre os agregados graúdos, estes não se movem, possibilitando que a pasta de cimento flua ao seu redor, recobrindo-os e diminuindo o risco de segregação.

O uso de baixas freqüências e altas amplitudes é recomendado para concreto seco, com baixa relação água/cimento; mas se deve ter cuidado para que não ocorra segregação em conseqüência do movimento dos agregados graúdos afetados pelas altas amplitudes.

A maior parte do ar aprisionado se fixa nos agregados finos, conseqüência de sua maior área específica. Por esta razão, deve-se selecionar o vibrador tendo em conta que os aparelhos de freqüência mais alta agitam as partículas mais finas, facilitando a expulsão de ar.

A Tabela 1 apresenta relações entre o tamanho dos agregados e as freqüências de vibração que os afetam.

A freqüência máxima utilizada é da ordem de 12.000 rpm a 14.000 rpm (200 a 230 Hz), porque, para esta faixa de freqüência, a amplitude é tão pequena que a vibração se amortece.

Durante a vibração o concreto aparentemente se mostra fluido e é bastante evidente a sua mobilidade. Entretanto, deve-se lembrar que o motivo da vibração é a eliminação do ar, não dar mobilidade ao concreto.

Tabela 1

Obs.: 1 Hz = 60 rpm

Para avaliar a compacidade de um concreto fresco, adota-se procedimento prescrito pela norma DIN 1048 que utiliza a “caixa de Walz”. O concreto fresco é colocado em uma fôrma prismática, com dimensões padronizadas, até completar seu volume. Em seguida, o concreto é vibrado com um vibrador de imersão até ser devidamente adensado.

Figura 2 – Teste de compacidade

Mede-se a altura do concreto adensado na fôrma e, por meio de uma fórmula, determina-se o valor do fator de adensamento.

Quanto maior for o valor de V, tanto menor será a densidade alcançada pelo concreto fresco durante o lançamento e tanto maior será o trabalho necessário para se conseguir um adensamento completo.

ƒ Misturas muito ricas em água têm um fator de adensamento muito baixo

ƒ Um concreto fresco plástico apresenta fator de adensamento de aproximadamente V = 1,

ƒ Um concreto fresco espesso apresenta fator de adensamento de aproximadamente V = 1,35, e somente poderá ser adensado com vibradores internos muito potentes

5. VANTAGENS

O que caracteriza a vibração é permitir, em tempo muito curto, o adensamento perfeito de concretos de consistência mais seca do que seria praticável empregar, nas mesmas condições, usando-se outro processo de adensamento.

Como, por exemplo, em peças armadas de dimensões reduzidas, que exigiriam um concreto com abatimento de 12 a 15 cm; a aplicação de vibração nas mesmas circunstâncias possibilita o emprego de concreto com abatimento de 5 cm, com menor relação água/cimento.

São inúmeras as vantagens de compactar o concreto fresco por vibração:

a) Redução da quantidade de cimento, utilizando-se misturas mais secas.

b) Melhor aderência entre juntas de construção.

c) Melhor aderência com as ferragens e armaduras, principalmente quando os espaços forem reduzidos.

d) Melhor densidade, homogeneidade e impermeabilidade.

e) Maior resistência à compressão.

f) Qualidade superior nas superfícies de concreto aparente.

g) Maior durabilidade.

6. VIBRADORES

Basicamente, existem cinco tipos de vibradores: internos, externos, de superfície (réguas vibratórias), de rolos vibratórios e mesas vibratórias.

Cada tipo de vibrador tem seu campo adequado de trabalho, suas vantagens e desvantagens, alcances e limitações. Neste trabalho, daremos mais atenção aos vibradores internos e de superfície, utilizados em pavimentos de concreto.

A freqüência de vibração de um vibrador imerso em concreto varia até 12. ciclos por minuto. É sugerido um mínimo entre 3.500 e 5.000, e recentemente tem-se considerado preferíveis valores entre 4.000 e 7.000 ciclos, com uma aceleração vibratória não menor que 3g (anexo 4 item 3).

Os vibradores de imersão se classificam de acordo com as características mecânicas da vibração e com base nos diâmetros do elemento que transmite a vibração ao concreto, denominado simplesmente de agulha ou “cabeça do vibrador”.

Na maioria dos trabalhos, utilizam-se vibradores com diâmetros que variam de 25 a 75 mm. Em grandes obras, tais como barragens, podem ser utilizados vibradores especiais com diâmetros até 180 mm.

Durante a vibração, a maior eficiência se alcança utilizando-se agulhas com diâmetros compatíveis com as dimensões das fôrmas. A agulha deverá ser movimentada com facilidade de um ponto para outro, e é aplicada a distâncias entre 0,50 m e 1,0 m, durante 5 a 30 segundos, dependendo da consistência do concreto.

O item 6.2 apresenta um roteiro para determinar um plano de inserção de vibradores internos estabelecendo relações entre distâncias e tempos de inserções.

O final da operação de adensamento poderá ser avaliada pela aparência da superfície do concreto. Esta não deverá apresentar falhas nem excesso de argamassa, assim como deve estar livre de bolhas de ar.

O vibrador deverá ser retirado lentamente do concreto, de modo que a cavidade deixada por ele se feche completamente sem aprisionamento de ar. Se o concreto for depositado em camadas, o vibrador deverá ser inserido em toda a camada recém- depositada, penetrando na camada inferior se ela ainda estiver plástica, evitando-se a formação de um plano de menor resistência na junção das duas camadas. Assim, se obterá um concreto monolítico.

A Tabela 2 apresenta características dos vibradores internos e suas aplicações em função do concreto aplicado.

Por se tratar de condições genéricas, será necessário realizar testes de adequação no início dos trabalhos no canteiro de obras.

Tabela 2 – Vibradores internos – Aplicações

Obs.: Foram realizados testes no Laboratório de Concreto da ABCP, comparando-se valores de abatimento e adensamento (Waltz) de amostras de concreto, que ofereceram os seguintes resultados:

ƒ Concreto seco: abatimento = 30 mm; fator de adensamento = 1, ƒ Concreto plástico: abatimento = 70 mm; fator de adensamento = 1, ƒ Concreto fluído: abatimento = 110 m; fator de adensamento = 1,

Estes valores são meros resultados de um teste, não devendo ser considerados como padrões definitivos.

6.1.1. Raio de ação

A distância até a qual o vibrador consegue compactar o concreto é denominada raio de ação. A Tabela 2 apresenta um valor básico de raio de ação para os diferentes diâmetros das agulhas, porém a eficiência do vibrador dependerá das características do concreto e do modo e condições de operação.

Em principio, um diâmetro maior associado a uma alta freqüência gera um raio de ação maior. Apesar de a Tabela 2 apresentar alguns valores, na prática, são necessários alguns testes com concretos e situações específicas para se estabelecer um raio de ação adequado.

A determinação do raio de ação é importante porque, com base neste valor, se define tanto o espaçamento como o padrão adequado de inserção que garanta a vibração de todo o concreto.

Figura 5 – Posicionamento do vibrador em uma fôrma quadrada

Figura 5a – Posicionamento do vibrador

6.1.2. Comprimento da agulha

Como somente a agulha age sobre o concreto, a profundidade da laje a ser vibrada não deverá ser superior ao seu comprimento. A maioria dos vibradores com diâmetro até 50 mm tem comprimento entre 350 mm a 600 mm; já os de comprimento entre 350 mm e 450 mm possuem diâmetros superiores.

6.1.3. Recomendações para o uso de vibradores internos

A vibração do concreto, em qualquer sistema, é a conjugação de diversos fatores, tais como habilidade do operador, características da mistura, dimensionamento das fôrmas, planejamento das inserções, condições ambientais etc. Não é fácil definir as “especificações para a vibração do concreto”, já que esta atividade tem características de “arte”. Entretanto, algumas recomendações podem otimizar o trabalho.

6.1.4. Ações positivas durante a vibração

Inicialmente, é necessário garantir boa visibilidade do elemento a ser vibrado, recorrendo-se inclusive à iluminação artificial, se for o caso. É importante definir os planos de vibração junto com o engenheiro responsável pela obra ou o encarregado.

Ao manejar o vibrador de imersão, é desejável que este penetre lentamente na massa de concreto, de preferência pela ação do próprio peso, até o fundo da camada que se deseja vibrar.

Se a descarga do concreto for efetuada por camadas, deve-se inserir a agulha pelo menos 100 mm dentro da camada subjacente. O procedimento visa a melhor aderência entre as camadas e evita a ocorrência de juntas frias. Esta ação assegura também a mistura da eventual argamassa que ocorra na parte superior da camada inferior com a parte inferior da camada superior.

O vibrador deverá ser mantido na posição durante o tempo necessário, o qual varia de 5 a 15 segundos para concretos com abatimentos de 75 mm a 25 mm. Considera-se 10 segundos, tempo suficiente para obter o adensamento da mistura.

Após o tempo de vibração, deve-se retirar o vibrador lentamente, e verificar se o furo causado pela presença do vibrador na massa se fecha. No caso de permanecer ainda um pequeno vestígio, deve-se inserir o vibrador próximo ao furo até que a massa fique uniforme. Este fenômeno poderá ocorrer também na última inserção, quando então, ao ser retirado o vibrador, deve-se dar um movimento de vaivém no equipamento, corrigindo o problema.

6.1.5. Ações que devem ser evitadas

Na maioria das obras, os vibradores de agulhas são mal empregados. As observações indicam que 70% do tempo de operação dos vibradores são desperdiçados pelas seguintes razões:

a) 15% por utilizá-los fora do concreto

b) 35% por mau posicionamento dentro do concreto

c) 20% por vibrar em concreto já adensado

Estas situações permitem um aproveitamento de somente 30% do tempo de trabalho, o que nos orienta no sentido de otimizar a utilização dos vibradores quanto ao método de inserção, tempos e posicionamento.

Outra prática a ser evitada é tocar as ferragens já concretadas com o vibrador. Este procedimento poderá gerar a perda de aderência entre a ferragem e o concreto. Entretanto, não há restrição em se tocar a armadura com o vibrador se o concreto estiver fresco. Ao contrário, este procedimento poderá resultar em melhor aderência entre o concreto e a ferragem.

6.1.6. Outras considerações

Para evitar o superaquecimento dos vibradores recomenda-se que não sejam acionados fora do concreto, pois a mistura atua como refrigerante do equipamento.

O manuseio do equipamento deve seguir as recomendações do fabricante, especialmente no que se refere ao modo de segurar e movimentar. Não se deve nunca puxar o motor (quando elétrico) pelo mangote.

Ao desligar o motor, este não deverá continuar vibrando. Se persistir, é sinal de que algo anormal está ocorrendo e poderá ocasionar sérios danos. Finalmente, após o término dos serviços, deve-se limpar totalmente o equipamento.

6.1.7. Bateria de vibradores internos

Quando os vibradores estão montados em um equipamento de fôrmas deslizantes é de fundamental importância o raio de ação, pois este define a velocidade de avanço da máquina, o traço do concreto, o tamanho dos agregados e o aditivo. O espaçamento dos vibradores deverá ser no máximo de duas vezes o raio de ação.

Freqüentemente, recomenda-se a sobreposição dos raios de ação; entretanto, deve-se verificar a ação individual de cada vibrador para que seus efeitos não se sobreponham. Se os espaçamentos excederem a duas vezes o raio de ação, haverá a possibilidade de ocorrerem zonas de vazios no concreto. Entretanto, em qualquer dos casos, sempre haverá a possibilidade de que apareça, durante a vibração, uma região de baixa densidade entre dois vibradores.

6.2. Planejamento no emprego de vibradores internos

Em alguns países, conforme o tipo de obra, consta no projeto uma orientação sobre como vibrar o concreto para que se obtenha um produto “denso e homogêneo”. Como conseqüência, haverá diversas especificações a serem seguidas nos diferentes tipos de obras, dependendo do traço do concreto, abatimento no momento da aplicação e outras condições a serem determinadas.

6.2.1. Intensidade de vibração

Recentemente, foram desenvolvidos na Suécia (4) vários trabalhos de campo, sob várias condições, os quais permitiram chegar a uma fórmula que estabelece valores adequados de vibração interna do concreto.

Este parâmetro foi definido como “intensidade de vibração” e relaciona o tempo efetivo de vibração por volume de concreto, sendo medido em s/m³ (segundo por metro cúbico).

Se for utilizado o mesmo tipo de vibrador interno, o tempo efetivo de vibração indica também a energia de adensamento transmitida ao concreto. A intensidade de vibração representa, portanto, uma medida da energia de adensamento transmitida.

Esta medida é, entretanto, dependente do efeito do adensamento do vibrador em uso e, principalmente, é relacionada com o diâmetro da agulha. A intensidade de vibração depende do número de inserções, do tempo que durar a inserção e do volume de concreto que estiver sendo vibrado.

O tempo de inserção é o efetivo da vibração, não se considerando os tempos da penetração e da retirada dos vibradores.

Considerando os elementos que se relacionam:

n = número de inserções

T = duração da inserção (s)

V = volume da forma (m³)

Ve = intensidade de vibração

Um plano de inserção de vibradores internos em uma fôrma terá a seguinte configuração: