Causas e Controle de Fissuração em Concreto Massa sem Armadura

Introdução

O concreto é, de alguma forma, um material quasi-frágil. Sua resistência à compressão é aproximadamente dez vezes sua resistência à tração; além do mais, o concreto simples presta-se bem quando a resistência ao esmagamento é necessária. Ele pode ser feito para ter uma resistência à compressão pré-determinada e dentro de um intervalo de confiança. Por outro lado, o concreto simples não pode ser confiável para suportar tensões de tração, porque frequentemente ele fissura devido a causas outras que não somente as cargas aplicadas.

A fissuração do concreto é indesejável por muitas razões. Ao lado do aspecto desagradável à vista, a fissuração pode reduzir a segurança de uma estrutura, pela prevenção da ação monolítica, e, em alguns casos, pode afetar propriedades tais como durabilidade e permeabilidade.

A finalidade desse trabalho é definir os fatores — outros que não as cargas aplicadas — que causam fissuração e sugerir medidas que podem ser tomadas para evitá-la no concreto simples. As medidas sugeridas são de dois tipos. Primeiro, os fatores que produzem tensões de tração podem ser modificados; aqui a ênfase está no controle das variações de temperatura e da retração por secagem [1]. Segundo, a resistência do concreto à fissuração pode ser melhorada; aqui a ênfase está principalmente nas propriedades do concreto, tais como a capacidade de deformação na tração.

A tendência do concreto para contrair é causada principalmente pela perda de umidade ou pelo decréscimo na temperatura. A retração autógena [2] é uma causa pouco frequente de contração e, portanto, não será discutida nesse trabalho. O efeito de variações na temperatura será considerado primeiro, enquanto a fissuração devida à retração será tratada mais tarde.

No que segue, deverá ser lembrado que as medidas sugeridas para a prevenção de fissuras não são sempre necessárias. Elas se aplicam principalmente a estruturas onde prevalecem uma ou mais das seguintes condições: (a) grandes dimensões de concreto; (b) altas tensões; (c) clima severo; (d) agregados com propriedades desfavoráveis. Em todos os casos, ensaios preliminares e estudos deverão ser feitos, pois podem mostrar que somente uma mistura bem dosada e uma construção cuidadosa são suficientes, sem a necessidade de requisitos especiais.

Fissuração devida às variações de temperatura

Com a finalidade de determinar se ocorrerá ou não a fissuração devido à variação de temperatura, o primeiro passo é estimar a tensão de tração ou a deformação que se desenvolverá. É bem conhecido que o cimento libera calor quando se hidrata e que o concreto é mais ou menos plástico durante a elevação de temperatura que resulta. Após atingir a temperatura máxima [3, 4] e ocorrer o resfriamento, o concreto é mais resistente e aproximadamente mais elástico. Se houver qualquer restrição contra a livre contração durante o resfriamento, desenvolve-se tensão de tração, que poderá ser suficiente para causar fissuração.

Para finalidades práticas, um método simples pode ser utilizado para o cálculo aproximado da tensão de tração desenvolvida devido ao resfriamento interno. Já foi constatado que, no tempo da temperatura interna máxima, a tensão é próxima o suficiente de zero, de modo que se pode assumir que seja zero. Como primeiro passo, pode-se assumir que não existia relaxação devido à lentidão do desenvolvimento de tensão. A tensão de tração é, então, meramente o produto de quatro quantidades, como segue: (1) a queda de temperatura, em graus; (2) o coeficiente de expansão térmica, em milésimos por grau; (3) o módulo de elasticidade médio durante a queda de temperatura, em psi, kgf/cm² ou MPa; e (4) o grau de restrição, como parte fracionária da restrição total. Como a queda de temperatura e a tensão resultante nunca ocorrem instantaneamente, uma correção precisa ser aplicada para levar em conta a relaxação. Existe agora um meio fácil de determinar a relaxação de tensão devido ao carregamento lento, que é descrito na referência [5].

O método utiliza coeficientes de relaxação derivados de dados de fluência. É desnecessário dizer que é benéfico que a queda de temperatura ocorra tão lentamente quanto possível e que se reduza a restrição contra a contração sempre que possível.

Foi mostrado que as quatro quantidades, mais a relaxação, são necessárias para determinar a tensão de tração no concreto. Em oposição à tensão, está outro importante fator que deve ser conhecido para determinar se a fissuração ocorrerá: a resistência à tração.

Controle da variação de temperatura

As variações de temperatura são causadas pela exposição externa, pelas condições de intemperismo e pela geração interna de calor do cimento [6]. Nas regiões onde existam flutuações muito grandes de intemperismo, é prático, muitas vezes, cobrir as superfícies expostas com isolante térmico para evitar fissuração superficial menor durante o tempo frio. Aproximadamente todas as fissuras se originam nas faces expostas, de modo que a prevenção do que parecem ser fissuras superficiais menores pode contribuir para prevenir as fissuras maiores.

A variação de temperatura mais séria é a queda que ocorre após a máxima ter sido alcançada no interior. Embora em estruturas, tais como barragens, essa queda na temperatura possa ser lenta, um estado estacionário deve ser alcançado ao final, o que depende das condições do contorno. Em um caso típico que ocorre em barragens, a temperatura final variará da temperatura da água próxima do paramento de montante à temperatura média ambiente próxima ao paramento de jusante. Assim, é essencial que a temperatura interna máxima seja mantida a mais baixa praticamente possível, de modo que a queda máxima de temperatura não leve o concreto a fissurar.

Existem várias maneiras de evitar que a temperatura interior se eleve demasiadamente. Algumas delas, na ordem de eficiência aproximada, são as seguintes:

1. pré-resfriamento do concreto fresco;
2. pós-resfriamento pela passagem de água fria através de tubos embutidos no concreto;
3. substituindo parte do cimento por uma boa pozolana;
4. lançando o concreto em camadas mais delgadas;
5. reduzindo o consumo de cimento ao mínimo necessário para resistência;
6. utilizando uma composição de cimento com baixo calor de hidratação;
7. estendendo o período de tempo entre os lançamentos das camadas sucessivas.

Pré-resfriamento do concreto fresco

Quando o concreto é lançado a uma temperatura reduzida, não somente a temperatura máxima subsequente é reduzida, mas existem outras vantagens. A temperaturas mais baixas, o concreto é mais fluido, de modo que o teor de água e de cimento pode ser reduzido em até cinco por cento. A temperaturas mais baixas, o cimento se hidrata mais lentamente, de modo que é menor a tensão térmica devida às diferenças dentro de cada camada. Quando o desprendimento de calor é mais gradual, a camada subjacente ou a fundação participam mais na variação de temperatura e, assim, a restrição é reduzida. Quando o pré-resfriamento do concreto é adotado, é frequentemente especificado que a temperatura do concreto fresco não deva exceder 45 °F (7 °C). Contudo, o resfriamento a uma temperatura tão baixa é caro; por isso, algumas vezes é considerado suficiente resfriar menos que isso. A quantidade de resfriamento necessária pode ser estimada pela combinação de experiências anteriores com o estudo das condições da obra e das propriedades do concreto.

Resfriamento através de tubulação embutida

A temperatura máxima do interior do concreto pode ser mantida baixa bombeando-se água fria através de tubulações embutidas, mas essa medida raras vezes é justificada somente para redução de temperatura. Em uma barragem muito espessa, o resfriamento através de tubos é quase imperativo se a barragem tiver que ser trazida a uma condição estável antes de ser colocada em serviço. Isto se torna claro quando a alternativa de não se utilizar resfriamento através de tubulação é considerada. Nesse caso, a barragem inteira é lançada como um monólito, as fissuras são prováveis de ocorrer e essas fissuras continuarão a se abrir por muitos anos, comprometendo assim o comportamento monolítico. Se as juntas forem providas para permitir a contração, elas não abrirão o suficiente para permitir que sejam injetadas por muitos anos e, após a injeção, continuarão a se abrir. A melhor solução, embora seja cara, é fazer juntas de contração, prevendo-se o resfriamento do concreto a um estado final após a evolução do calor estar substancialmente completa, e então injetar as juntas.

A Tabela 1 mostra o tempo aproximado necessário para que ocorra 90 por cento da queda de temperatura, após o máximo ter sido atingido e a geração de calor ter cessado [7]. Os objetos sendo resfriados são paredes de concreto de espessuras variadas, resfriando somente pelas faces opostas. O resfriamento mais rápido é para o concreto que contém agregado de quartzito, com difusividade de 1,3 pé²/dia (0,12 m²/dia), e o mais lento é para o concreto que contém basalto, com difusividade de 0,7 pé²/dia (0,06 m²/dia). Um concreto médio tem uma difusividade de 0,9 pé²/dia (0,08 m²/dia).

Tabela 1 — Tempo necessário para alcançar 90 por cento da queda de temperatura no concreto massa.

Difusividade térmica pé²/dia | m²/dia	10 pés (3 m)	20 pés (6 m)	50 pés (15 m)	100 pés (30 m)	200 pés (60 m)	400 pés (120 m)
0,7 | 0,06	41 dias	166 dias	2,8 anos	11 anos	45 anos	181 anos
0,9 | 0,08	32 dias	128 dias	2,2 anos	9 anos	35 anos	141 anos
1,3 | 0,12	22 dias	89 dias	1,5 ano	6 anos	24 anos	98 anos

Substituindo parte do cimento por uma boa pozolana

A pozolana é um material silicoso finamente dividido que pode reagir com o hidróxido de cálcio liberado quando o cimento se hidrata. Uma boa pozolana pode ser utilizada para substituir 30 por cento do cimento em volume absoluto, sem sacrifício da resistência em idades mais avançadas. Uma substituição de 30 por cento do cimento por uma boa pozolana reduzirá a geração de calor em 15 por cento.

Existem outros benefícios em se usar uma boa pozolana. Ela pode reduzir ou eliminar a expansão devida à reação álcali-sílica nos casos em que o agregado é reativo. Pode ser usada para suprir a necessidade de finos e evitar a exsudação em misturas muito pobres. Finalmente, geralmente há uma economia no custo quando a pozolana é usada como substituto para parte do cimento.

Concretando em camadas mais delgadas

Para concretos que não são pré-refrigerados, existem vários benefícios na concretagem em camadas menores. Maior calor escapa para o contorno, de modo que a temperatura máxima interna é reduzida.

Diferenças menores de temperatura ocorrerão dentro de cada camada, e isto reduz a tensão devida à temperatura não uniforme. As camadas menores encorajam também a melhor aderência do concreto novo ao velho. Deve ser enfatizado que esses benefícios substituem somente em parte os grandes benefícios que resultariam se o concreto tivesse sido pré-refrigerado adequadamente.

Quando o concreto é pré-refrigerado a cerca de 45 °F (7 °C) e o teor de cimento é baixo, existe um benefício muito pequeno na concretagem em camadas delgadas. Em geral, o calor absorvido pelo contorno durante os primeiros estágios da hidratação do cimento compensará as perdas de calor daí para frente. Quando o teor de cimento é alto e a temperatura ambiente é baixa, existe algum benefício das camadas delgadas, mesmo para o concreto pré-refrigerado.

Redução do teor de cimento

O aquecimento interno do concreto vem da hidratação do cimento, de modo que, quanto mais baixo o teor de cimento, menor será o calor e a elevação de temperatura (veja a Figura 1). Já foi observado, em um grande número de estruturas de concreto massa, que o único concreto completamente isento de fissuras foi o que continha a menor quantidade de cimento por metro cúbico. Isto não pode ser explicado somente com base nas diferenças de temperatura; assim, o concreto pobre pode ter melhores propriedades para resistir à fissuração.

As explicações possíveis são o menor módulo de elasticidade e a menor tendência à retração por secagem. Quando existem fissuras superficiais devidas à retração por secagem, ocorrem concentrações de tensões nas extremidades da fissura, de modo que tais fissuras podem propagar-se com somente metade da tensão de tração aplicada, em comparação ao que ocorreria de outra maneira.

Usar cimento com composição de baixo calor de hidratação

Pelo controle da composição química do cimento, pode-se reduzir com vantagem tanto a velocidade quanto a quantidade de elevação de temperatura. A meta é usar uma composição que dê o menor calor de hidratação por unidade de resistência à compressão do concreto.

O pior constituinte nesse particular é o aluminato tricálcico (C₃A); assim, limitar sua percentagem a 7 por cento ou menos é útil. Limitar também o silicato tricálcico, com um aumento correspondente no silicato dicálcico, é geralmente benéfico — exceção feita quando o teor de cimento é tão baixo que um teor relativamente alto de silicato tricálcico se torna necessário para as resistências nas idades mais jovens. Os requisitos para a maioria das aplicações podem ser obtidos especificando-se o Tipo IV (baixo calor) ou o Tipo II (calor moderado), em vez do Tipo I, que é um cimento de alto calor.

Controle da finura do cimento

A finura do cimento afeta principalmente a velocidade com que o calor é liberado, enquanto não tem quase nenhum efeito sobre a quantidade total de calor liberado. Ensaios cuidadosos mostraram que, quanto mais fino o cimento, maior será a resistência do concreto em todas as idades, e não somente nas primeiras. Existem, algumas vezes, casos em que a utilização de um cimento muito fino é vantajosa. Por exemplo, se o concreto é pré-refrigerado a menos de 45 °F (7 °C) e o teor de cimento é muito baixo, o concreto se hidratará lentamente por vários dias, mesmo quando um cimento finamente moído é utilizado. Em tais casos, há menor necessidade de o cimento mais fino ser utilizado para obter a resistência desejada, e a temperatura máxima do interior será menor. Contudo, se o teor de cimento não é muito baixo, mesmo com uma temperatura de lançamento baixa, o concreto se hidratará mais rápido do que o desejado. A elevação de temperatura atua como acelerador, e a consequente liberação mais rápida do calor pode causar gradientes térmicos e tensões indesejáveis.

Quando um concreto em grande massa se hidrata muito rapidamente, não somente há o perigo de sérias tensões térmicas, mas a aderência nas juntas de trabalho se torna um problema. Quando o concreto em uma camada nova se aquece muito rapidamente devido ao calor de hidratação, o novo concreto tende a se expandir sobre o concreto subjacente exatamente na época em que não deveria haver nenhum movimento relativo. Então, uma boa aderência fica frequentemente prejudicada. Cerca de cinquenta anos atrás, uma grande percentagem das juntas de trabalho em barragens de concreto percolou precariamente por causa da má combinação de cimento de alto calor, dosagens ricas e ausência de pré-resfriamento. Quando o pré-resfriamento do concreto é antieconômico, deverão ser feitas considerações para utilizar camadas delgadas, cimento de endurecimento lento e teor de cimento suficiente apenas para garantir a resistência adequada. Mesmo em climas severos, o concreto do interior deverá ter um teor de cimento baixo, se uma camada de concreto mais rico for usada nas faces expostas.

Fissuração devido à retração por secagem

A fissuração do concreto devida à retração por secagem é um dos problemas mais comuns e sérios encontrados nas estruturas de concreto. Como no caso da fissuração devida ao decréscimo de temperatura, discutido previamente, a causa da fissuração devida à retração por secagem é a combinação da tendência à contração com a restrição que evita que ela aconteça. Quando a tensão de tração resultante alcança a resistência à tração do concreto, ele fissurará.

O desenvolvimento da tensão de tração que pode induzir a fissuração envolve os seguintes fatores: (1) a velocidade e a quantidade de retração por secagem; (2) o módulo de elasticidade; (3) o grau de restrição; e (4) a fluência ou relaxação da tensão de tração durante a retração. Os fatores que influenciam a retração por secagem são discutidos nessa seção do trabalho. O módulo de elasticidade e a relaxação do concreto são propriedades que influenciam sua capacidade de deformação, que serão tratadas nas seções subsequentes.

A restrição do concreto em uma estrutura vem de várias fontes. Por exemplo, algum grau de restrição é fornecido pela fundação ou por outra parte da estrutura. Um tipo muito comum de restrição é desenvolvido pela diferença de retração entre a superfície e o interior de uma peça de concreto, especialmente nas primeiras idades de exposição à secagem. Como a retração por secagem é maior nas superfícies expostas, o concreto do interior restringe a retração da superfície, desenvolvendo assim tensões de tração. Isto pode ocasionar fissuras superficiais, que não penetram profundamente no concreto. Contudo, à medida que a secagem do concreto continua, as fissuras superficiais frequentemente penetrarão mais profundo no concreto e constituirão fissuração estrutural mais profunda.

No caso de estruturas de concreto massa ou de elementos estruturais muito grandes, o problema da fissuração superficial poderá ser agravado se a secagem e o resfriamento da superfície ocorrerem simultaneamente, resultando no desenvolvimento de altas tensões de tração. Por essa razão, é tão importante a proteção das superfícies dos grandes elementos estruturais durante o período de resfriamento do concreto. Isto pode ser obtido, por exemplo, pela cura contínua ou pela selagem das superfícies, para minimizar a perda de umidade.

Fatores que influenciam a retração por secagem

Como mostrado por Carlson [8], a retração por secagem do concreto é influenciada por muitos fatores, alguns dos quais têm efeito significativo, enquanto outros são de menor importância. Os fatores mais importantes que influenciam a retração incluem: (a) o teor de água e a composição da mistura; (b) a composição do cimento; e (c) o tipo e o tamanho máximo do agregado. A velocidade e a quantidade de perda de umidade da retração por secagem são influenciadas enormemente pelo tamanho e perfil da peça de concreto, pelo vento e pela umidade relativa do meio ambiente.

Alguns desses fatores são discutidos a seguir com maiores detalhes.

Efeito do teor de água e da composição do traço

É principalmente a perda de água da pasta de cimento que causa a contração do cimento na secagem; sendo assim, o teor de água é o maior fator que influencia a retração. Um acréscimo no teor de água da composição do traço aumentará não somente o fator água/cimento, mas reduzirá também o volume de agregado, aumentando posteriormente a retração do concreto. Por exemplo, um acréscimo de 15 por cento no teor de água de uma dosagem de concreto estrutural pode aumentar sua retração por secagem em um terço.

Ao se fazer um proporcionamento de dosagens, a retração potencial pode ser reduzida pela utilização de um tamanho maior de agregado e de um teor de água mais baixo. Dosagens de concreto contendo agregados de menores tamanhos e altos teores de areia — como as utilizadas frequentemente para lançamento com bomba — terão retrações por secagem altas. Para um determinado teor de água, variações no teor de cimento terão somente uma pequena influência na retração, com os traços mais ricos tendo retrações mais elevadas, uma vez que possuem agregados menores.

Efeito do cimento

De acordo com Carlson [8], as variações da retração do concreto para diferentes cimentos Portland não podem ser explicadas satisfatoriamente pelas diferenças na sua composição ou finura. Isto foi confirmado por Blaine e associados [9], cujos resultados de ensaios mostram que não é possível dizer que um cimento obedecendo a um dos tipos padrões de cimento Portland da ASTM produzirá uma retração maior ou menor que um cimento que obedeça aos requisitos de um ou outro tipo. Seus resultados em pastas de cimento mostraram uma distribuição variada de valores de retração, especialmente para o cimento tipo I.

A composição química do cimento, contudo, tem uma influência importante na retração. Dos vários fatores que influenciam a magnitude da retração por secagem, os mais importantes são o sulfato (SO₃), o C₃A e os teores de álcalis (Na₂O e K₂O) do cimento. O SO₃ é adicionado na forma de gesso para controlar a pega, durante a moagem do clínquer do cimento. Os ensaios de Lerch [10] mostraram que a proporção de gesso no cimento tem um efeito importante na retração. Características de retração mais baixas, em pastas de cimento, estão associadas a relações menores de C₃A/SO₃ e a teores menores de Na₂O e K₂O.

Influência do agregado

Outros fatores importantes que influenciam a retração por secagem do concreto são o tamanho e a rigidez do agregado, uma vez que produzem uma restrição interna que reduz significativamente a contração potencial da pasta. Dependendo do tipo e da quantidade de agregado usado, a retração por secagem do concreto será somente cerca de um quarto a um sexto da retração da pasta de cimento. É a rigidez, ou módulo de elasticidade, do agregado que influencia sua capacidade de restringir a retração. Quanto menos compressível o agregado, tanto menor a retração do concreto. A influência do tipo de agregado na retração por secagem foi mostrada por Troxell e associados [11]. Por exemplo, a retração a um ano de concretos de dosagens fixas, mas feitos com agregados diferentes, é dada na Tabela 2.

Tabela 2 — Efeito do tipo de agregado na retração por secagem do concreto.

Agregado	Retração a 1 ano (%)
Arenito	0,097
Basalto	0,068
Granito	0,063
Calcário	0,050
Quartzo	0,040

Concretos de retração baixa podem ser produzidos utilizando-se quartzo, dolomita, feldspato e alguns calcários, ao passo que a utilização de grauvaca, arenito, ardósia, anfibolito (hornblenda) e alguns basaltos pode produzir concretos de retração alta. O módulo de elasticidade de certos agregados — como o basalto, o calcário e a dolomita — pode sofrer uma grande variação. Por isso, sua eficácia em restringir a retração por secagem também variará.

Além da compressibilidade de um agregado — que é um dos principais fatores que influenciam a retração do concreto —, o agregado por si mesmo pode exibir uma alta contração na secagem. Esse é o caso do calcário ou da grauvaca, que têm uma alta capacidade de absorção. Em geral, o uso de um agregado de absorção elevada e de módulo de elasticidade baixo produzirá concreto de alta retração. Isto, contudo, não é verdade para os agregados leves utilizados em concretos estruturais, como folhelhos, argila e xisto expandidos. Alguns desses agregados leves, que têm absorção alta, produzem concretos com características de retração similares ou mesmo menores que aquelas de concreto com agregados de peso normal [12].

A dimensão máxima do agregado utilizado também tem uma influência significativa na retração, principalmente porque tem efeito no teor de água das dosagens de concreto. Um tamanho maior de agregado não somente reduzirá o teor de água — e, assim, a retração —, mas é também mais efetivo na restrição da retração da pasta.

Influência do tamanho da peça

A velocidade e a magnitude da retração por secagem numa estrutura de concreto serão substancialmente menores que a retração do mesmo concreto quando determinada em ensaio de pequenos corpos de prova de laboratório. Assim, o tamanho e o perfil de uma peça de concreto têm uma influência significativa na retração. Como foi demonstrado por Carlson [13], a uma umidade relativa de 50 por cento a retração penetrará somente cerca de 3 polegadas (75 mm) a partir da superfície de uma grande peça de concreto durante os 30 primeiros dias, e levará cerca de 10 anos para atingir uma profundidade de 2 pés (0,6 m). Resultados de uma extensa investigação de Hansen e Mattock [14] sobre a influência do tamanho e do perfil de uma peça mostram que a relação entre o volume e a área de sua superfície é um parâmetro adequado quando se estimam suas deformações de retração e de fluência. Eles encontraram que tanto o grau como os valores projetados finais da retração e da fluência decrescem quando a peça se torna maior.

Efeito da umidade do meio ambiente

Quanto maior a umidade relativa do meio ambiente, tanto menor será a retração total do concreto. Como o concreto perde sua umidade com extrema lentidão, mas absorve a umidade da atmosfera facilmente, pode-se assumir que o concreto na estrutura está, para todas as finalidades práticas, exposto a uma umidade igual à umidade relativa média anual da atmosfera. Se essa umidade relativa for, por exemplo, 70 por cento, então, como foi relatado por Troxell e associados [11], a retração por secagem será cerca de um terço menor do que seria se o concreto estivesse exposto a uma umidade relativa de 50 por cento.

Controle da fissuração devida à retração por secagem

A fissuração do concreto em uma estrutura pode ser controlada e minimizada (a) reduzindo as características de retração, como discutido acima; (b) usando juntas de controle que forçarão as fissuras a se formarem nas aberturas dessas juntas, aliviando dessa maneira as tensões de tração e evitando a formação de fissuras adicionais; e (c) revestindo ou selando a superfície do concreto, o que minimizará a secagem, reduzindo assim o desenvolvimento da tensão de tração causadora da fissuração.

Aumentar a capacidade de deformação do concreto é outra maneira de reduzir a fissuração. As propriedades do concreto que influenciam sua capacidade de deformação são os assuntos a serem discutidos na próxima seção.

Propriedades do concreto que afetam a resistência à fissuração

As principais propriedades do concreto que afetam sua tendência à fissuração são: (1) o coeficiente de expansão térmica; (2) a capacidade de deformação na tração; (3) a resistência à tração; (4) o módulo de elasticidade; (5) o calor de hidratação; (6) a retração por secagem; e (7) a retração autógena. O calor de hidratação e a retração por secagem já foram discutidos.

A retração autógena será omitida porque é geralmente desprezível, embora não deva ser considerada como tal sem ensaio.

Muitas informações têm sido publicadas a respeito das propriedades físicas do concreto. As informações específicas sobre as propriedades que afetam a fissuração podem ser encontradas nos trabalhos de Houghton [15, 16]. Somente uma revisão superficial dessas propriedades será oferecida aqui, com as sugestões de como elas podem ser modificadas para melhorar a resistência à fissuração.

Coeficiente de expansão térmica

Quando o concreto é restringido inteiramente, a deformação unitária de tração é simplesmente o produto do coeficiente de expansão térmica pela queda de temperatura, em graus. Tal restrição completa é aproximada quando uma nova seção de concreto é lançada sobre uma fundação rígida ou sobre um concreto velho. De maneira similar, uma restrição plena ocorrerá aproximadamente também nas superfícies do concreto massa sujeitas a uma queda rápida na temperatura ambiente. Sob essa última condição, a contração do concreto na superfície é resistida pela massa interna, que pode estar aumentando de temperatura ou, pelo menos, não decrescendo. Nesses casos, quando a restrição pode ser admitida como sendo de 100 por cento, a deformação pode ser calculada simplesmente como estabelecido acima. Se a distribuição de temperatura pudesse, então, ser mantida constante, a deformação permaneceria constante, mas a tensão correspondente relaxaria e se tornaria gradativamente menor. Um método para a conversão da deformação em tensão, levando-se em consideração a relaxação com o tempo, é descrito na referência [5].

A magnitude do coeficiente de expansão térmica depende, em larga escala, da composição mineral do agregado. Além do mais, a única maneira de mudá-lo significativamente é usar um agregado diferente. Coeficientes de expansão térmica baixos são encontrados quando os agregados são calcário e basalto, enquanto valores altos são obtidos com agregados de quartzito. A gama de valores relatados para concretos de vários projetos oscila de um valor baixo, de aproximadamente 4 milionésimos por °F (7 milionésimos por °C), a um valor alto, acima de 7 milionésimos por °F (13 milionésimos por °C). É evidente que a escolha de um agregado de coeficiente de expansão térmica baixo contribuirá favoravelmente para a prevenção da fissuração.

Capacidade de deformação na tração

Houghton [15, 16, 17] descreveu a técnica para medir a capacidade de deformação do concreto através da utilização de vigas simples carregadas no terço médio. Um método simples para estimar a capacidade de deformação aproximada também foi descrito por Houghton na edição do ACI Journal de dezembro de 1976 [15]. Nesse método, o módulo de ruptura determinado nas condições usuais é dividido pelo módulo de elasticidade na compressão, para obter a deformação de tração na ruptura, para carregamento rápido. A capacidade de deformação é acrescida, devido ao carregamento lento, levando-se em consideração a fluência. O método seria exato se o módulo de ruptura fosse a resistência à tração verdadeira e se o módulo de elasticidade na compressão fosse o verdadeiro valor da relação tensão-deformação na ruptura em tração.

Como o valor do módulo de ruptura é superior em 20 a 40 por cento à resistência à tração verdadeira, e o módulo de elasticidade na compressão é mais elevado, na mesma proporção, que a relação tensão-deformação na tração, o método aproximado fornece o verdadeiro valor com bastante aproximação. Embora os métodos aproximados sejam úteis para planejamentos preliminares, eles não deverão ser utilizados em substituição a ensaios diretos para obras importantes. Alguns dados de capacidade de deformação foram extraídos de um dos trabalhos de Houghton [15] e estão tabulados na Tabela 3. Note-se que a capacidade de deformação da pasta pura de cimento é superior à de qualquer concreto ou argamassa, e que existe um decréscimo consistente na capacidade de deformação com o aumento do tamanho (e, consequentemente, da quantidade) do agregado. Os dados mostram também o efeito da idade: há um acréscimo consistente na capacidade de deformação com o aumento da idade, à exceção de um só resultado.

Tabela 3 — Efeito do D_máx do agregado na capacidade de deformação na tração do concreto.

Mix nº	Agregado	D_máx do agregado, pol (mm)	A/C + P	Cap. de deformação na tração (×10⁻⁶), 7 dias	Cap. de deformação na tração (×10⁻⁶), 28 dias
1	Quartzito natural	3 (75)	0,68	45	71
2	Quartzito natural	1 1/2 (37,5)	0,68	76	95
3	Quartzito natural	Nº 4 (4,75)	0,68	138	165
4	Nenhum (pasta)	—	0,68	310	357
5	Quartzito britado	1 1/2 (37,5)	0,68	119	139
6	Quartzito natural	1 1/2 (37,5)	0,40	151	145

Todas as dosagens contêm 30 % de fly-ash em volume absoluto, exceto a nº 6, que não tem fly-ash.

A vantagem do agregado britado de quartzito sobre o natural, com partículas bem arredondadas, é evidente na Tabela 3. Uma tendência importante, que não é mostrada na Tabela 3, é o grande acréscimo ocorrido na capacidade de deformação quando a tensão de tração se desenvolveu lentamente. O acréscimo foi especialmente grande quando o agregado foi britado, em vez de natural. Nesse caso, quando a capacidade de deformação a 28 dias já era grande (106 milionésimos), o valor para o carregamento lento, até a idade de 90 dias, foi maior do que o dobro: 215 milionésimos. Quando o agregado foi quartzito natural de partículas bem arredondadas, a melhora foi menos notável, mas ainda assim substancial.

Aqui, o acréscimo do carregamento rápido a 28 dias para o carregamento lento até 90 dias foi de 71 para 117 milionésimos. Não havia nenhum ensaio disponível de carregamento rápido a 90 dias, nesses casos. O agregado processado causa somente um pequeno acréscimo no teor de cimento necessário e deverá ser investigado para projetos em que medidas extensas de controle de fissuras sejam necessárias. O isolamento das superfícies de concreto massa sujeitas a temperaturas ambiente baixas também ajudaria a prevenir a fissuração.

O efeito da riqueza (do consumo de cimento, NdT.) das dosagens na capacidade de deformação pode ser visto comparando-se as dosagens nº 2 e nº 6, em que o teor de cimento foi de 220 a 550 lb por jarda cúbica (131 a 326 kg/m³), respectivamente. A dosagem mais rica mostrou uma capacidade de deformação que foi aproximadamente o dobro da mistura mais pobre na idade mais jovem, de 7 dias, mas somente 1,5 vez na idade de 28 dias. Isto se deu em razão do alto teor de pasta e das altas resistências da dosagem mais rica, que tende a aumentar a capacidade de deformação, enquanto a tendência do módulo de elasticidade é decrescer. É evidente que os efeitos combinados de maiores teores de pasta e maiores resistências são maiores que os efeitos opostos de maiores módulos de elasticidade, no que concerne à capacidade de deformação.

Na prática, os benefícios aparentes de maiores teores de cimento não são realizados. O maior calor gerado e a retração por secagem das dosagens mais ricas contrabalançam a melhor capacidade de deformação, exceto nas seções que não são expostas à secagem. Como experiência em uma construção — um projeto em que ocorreu uma extensa fissuração —, uma capa de concreto rico foi utilizada para cobrir a camada de concreto mais pobre. Muito embora o concreto rico tenha sido limitado propositalmente a uma camada delgada, de modo a evitar o efeito da grande geração de calor, a fissuração ocorreu na superfície do topo, como antes. Conclui-se que o concreto rico não foi benéfico mesmo em uma camada delgada e que, se o concreto rico tivesse sido usado inteiramente na camada massiva, a fissuração teria sido intolerável.

Resistência à tração

A experiência anterior foi feita para converter deformação em tensão antes do cálculo da segurança contra a fissuração. A razão para isso é que a resistência à tração permanece substancialmente constante em cada idade, não obstante o incremento de desenvolvimento de tensão (excluído o carregamento impulsivo), enquanto a deformação à ruptura aumenta consideravelmente com o carregamento lento. Contudo, graças às pesquisas de Houghton e outros, é agora igualmente conveniente utilizar tanto a deformação à ruptura quanto a tensão de ruptura na análise das tendências de fissuração. É necessário somente levar em consideração a fluência para determinar quanta deformação adicional o concreto pode resistir sob carregamento lento. Isto pode ser vantajoso por causa da dificuldade de se determinar a verdadeira resistência à tração.

O meio mais simples para medir a resistência à tração é o ensaio de tração direta em corpos de prova cilíndricos. Contudo, esse método é inconveniente e a dispersão dos resultados é muito grande. Por causa disso, muitas vezes é preferível utilizar o ensaio de tração por compressão diametral, como detalhado no Método C 496 da ASTM, ou vigas, das quais se obtém a resistência à tração como módulo de ruptura. O módulo de ruptura, embora seja teoricamente a resistência à tração, é mais alto que ela por duas razões. Primeiro, somente uma pequena parte da viga é submetida à tensão máxima, de modo que a chance de uma ruptura precoce é pequena.

A distribuição de tensão ao longo da viga também não é linear, o que torna a tensão calculada (módulo de ruptura) muito alta. Portanto, um método conservador de determinação da resistência à tração é determinar o módulo de ruptura e tomar, então, 60 por cento desse valor — ou tomar alguma outra percentagem que os dados de ensaio comprovem.

Módulo de elasticidade

Essa propriedade é muito importante porque possui um grande efeito na capacidade de deformação e na fluência ou relaxação. Quanto menor o módulo de elasticidade, tanto maior a deformação que o concreto pode suportar e menor a probabilidade de fissuração. O módulo do concreto é governado, em larga escala, pelo módulo do agregado, embora o teor de cimento seja também um fator importante. Como o teor de cimento deve ser o necessário para a resistência, o único meio prático de variar o módulo de elasticidade é escolher um agregado diferente. Para a prevenção de fissuras em concreto massa simples, o agregado de menor módulo de elasticidade será superior.

Agradecimento

Os autores agradecem a Bernard L. Meyers, Chairman do Comitê 224 do ACI, por sua inspiração, conselho e ajuda na preparação desse trabalho.

Referências

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Transcrição digital da tradução de Walton Pacelli de Andrade do artigo de R. W. Carlson, D. L. Houghton e M. Polivka. Texto recuperado de cópia digitalizada: ortografia, pontuação e formatação foram revisadas por Flávio Mamede Pereira Gomes; a Fig. 1 foi extraída do original e as três tabelas foram recompostas. O conteúdo técnico segue o texto traduzido, com ajustes editoriais desta revisão.