Publicação: Monitoramento da evolução da resistência à compressão do concreto por meio da técnica de impedância eletromecânica
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL::MATERIAIS E COMPONENTES DE CONSTRUCAO
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Autores
Orientador
Coorientador
Silva, Raquel Naiara Fernandes
Resumo
Existe um distanciamento das características do material recebido e amostrado em obra em
relação àquelas do material que é efetivamente aplicado à estrutura, devido ao processo
executivo em que o concreto está exposto. Essa diferença acarreta em processos de hidratação
distintos, influenciando diretamente na resistência mecânica final do concreto em campo. Além
disso, a resistência característica à compressão costuma ser especificada para 28 dias de idade,
gerando atrasos à obra caso a resistência de projeto não seja atendida. As propriedades do
concreto no estado endurecido, como resistência mecânica, estão intimamente relacionadas
com a formação de produtos pela reação química do cimento Portland com a água, assim o
acompanhamento da hidratação da pasta de cimento, é uma relevante forma de antever o
comportamento do concreto no estado endurecido. Dessa forma, técnicas que possibilitem o
monitoramento do material em tempo real, vêm sendo amplamente estudadas e são excelentes
opções para complementar os procedimentos já adotados para o controle tecnológico. Dentre
as técnicas não-destrutivas empregadas para esse fim, está a de impedância eletromecânica, a
qual visa acoplar ao concreto sensores cerâmicos piezelétricos que monitoram a variação dos
sinais de impedância eletromecânica, causada pela alteração de parâmetros mecânicos da
estrutura, como rigidez, resultante da formação dos produtos hidratados. Essa dissertação busca
contribuir para o avanço no conhecimento relacionado à matéria, avaliando a sensibilidade da
técnica de impedância eletromecânica no monitoramento do desenvolvimento da rigidez e
resistência do concreto. Para isso, foram desenvolvidos dois traços: traço A com resistência à
compressão aos 28 dias de 30 MPa e, traço B, de 60 MPa, sendo que cada um deles foi
executado com cimento Portland de alta resistência inicial e repetido com cimento Portland de
alto forno. Foram moldados quatro corpos de prova cilíndricos para ensaio à compressão nas
idades: 1, 3, 7, 28 e 91 dias; bem como para ensaio de índice de vazios aos 28 dias. Para cada
grupo, foi aplicada a técnica de impedância eletromecânica, nas idades referidas, em um
exemplar contendo dois sensores piezelétricos incorporados de zirconato - titanato de chumbo
(PZT), um posicionado na vertical e, o outro, na horizontal. Por fim, os sinais de impedância
receberam tratamento estatístico utilizando métricas propostas na literatura. A técnica se
mostrou sensível e eficiente para os dois traços, com ambos os cimentos, representando bem o
desenvolvimento da resistência à compressão do concreto até 7 dias. Nesse intervalo o traço A
pôde ser analisado de forma qualitativa e quantitativa, sendo possível identificar os estágios de
hidratação. Por outro lado, o traço B, de alta resistência, só pôde ser analisado quantitativamente
pela métrica RMSD. Em idades avançadas, os dois traços realizados com cimento de alto forno,
apresentaram confiabilidade ao correlacionar as métricas RMSD e M com resistência à
compressão, na faixa de frequência de 180 a 300 kHz. Enquanto que, aqueles produzidos com
o cimento Portland de alta resistência inicial, apresentaram métricas com comportamento
diferente do esperado, aos 28 e 91 dias, levantando algumas hipóteses como a incompatibilidade
da alta taxa de resistência inicial com a taxa de evolução das métricas, necessidade de mudança
na faixa de frequência, durabilidade dos sensores e necessidade de mais ensaios para idades
superiores aos 91 dias. Quanto ao posicionamento, os PZTs posicionados na horizontal
apresentaram melhores resultados, isso se deve ao acoplamento eletromecânico que é
comprometido com a dificuldade de adensamento do concreto ao redor do PZT posicionado na
vertical.
Abstract
There is a difference of the characteristics of the material received and sampled in relation to
those of the material that is effectively applied to the structure, due to the executive process that
the concrete is exposed to. This difference results in different hydration processes, directly
influencing the final mechanical strength of concrete in the construction. In addition, the
characteristic compression strength is usually specified for 28 days of age, causing delays to
the work if the strength in project is not reached. The properties of concrete in the hardened
state, such as mechanical strength, are closely related to the formation of products by the
chemical reaction of cement with water, so monitoring the hydration of the cement paste is a
relevant way to predict the behavior of concrete in the hardened state. Thus, techniques that are
enable to monitor of the structure in real time, have been widely studied and are excellent
options to complement the procedures already adopted for technological control. Among the
non-destructive techniques employed for this purpose, is the electro-mechanical impedance,
which consists of coupling piezoelectric ceramic (PZT) sensors to the concrete that monitors
the variation of impedance signals, caused by change of mechanical parameters of the material,
such as stiffness. This dissertation seeks to complement existing studies, evaluating the
sensitivity of the electro-mechanical impedance technique in monitoring the development of
stiffness and strength of concrete and identification of hydration phases. For this, two concrete
compositions were developed: the A with resistance to compression, at 28 days, of 30 MPa and
the B, of 60 MPa, each of which was executed with high strength cement and repeated with
blast furnace cement. Four cylindrical specimens were molded to compression testing at ages:
1, 3, 7, 28 and 91 days; as well as a void ratio test at 28 days. For each group, the
electromechanical impedance technique was applied, at the referred ages, in a specimen
containing two piezoelectric sensors incorporated, one positioned vertically and the other
horizontally. Finally, the signs of impedance received statistical treatment using metrics
proposed in the literature. The technique proved to be sensitive and efficient for both
compositions with both cements, representing well the development of the compressive
strength of concrete up to 7 days. In this interval, composition A could be analyzed qualitatively
and the hydration stages identified. On the other hand, the composition B could only be
analyzed quantitatively by the RMSD metric. In advanced ages, the two compositions
performed with blast furnace cement showed reliability by correlating the RMSD and M metrics
with compressive strength, in the frequency range of 180 to 300 kHz. While those produced
with high strength cement, presented metrics with different behavior than expected, at 28 and
91 days, raising some hypotheses such as the incompatibility of the high initial resistance rate
with the rate of evolution of the metrics, need for change in frequency range, durability of
sensors and need for more tests for ages over 91 days. Regarding positioning, the PZTs
positioned horizontally showed better results, this is due to the electromechanical coupling that
is compromised with the difficulty of compacting the concrete around the PZT positioned
vertically.
Palavras-chave
Engenharia civil, Civil engineering, Impedância eletromecânica, Electromechanical impedance, Materiais inteligentes de concreto, Smart concrete materials, Resistência à compressão, Compression strength
Citação
ARANTES, Ismara Simão Curi. Monitoramento da evolução da resistência à compressão do concreto por meio da técnica de impedância eletromecânica. 2021. 217 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.480