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Ensaio e Modelação de Comportamento Térmico de Betões de Elevado Desempenho nas Primeiras Idades por Luís Oliveira

Joao Rio
Joao Rio

O objetivo desta dissertação é a compreensão do comportamento térmico nas primeiras idades, isto é até às 48 horas, em betões de alto desempenho. Através da comparação de resultados obtidos em ensaios laboratoriais e modelos numéricos, realizou-se um estudo de compreensão do calor expectável a ser libertado por um betão de elevado desempenho na reação de hidratação do cimento. Este estudo permitirá um controlo de qualidade dos betões de alto desempenho para diferentes misturas, assim como uma previsão do efeito que certas adições ou diferentes proporções de constituintes poderão ter no comportamento térmico destes. Todos os ensaios laboratoriais foram complementados com ensaios não destrutivos, como o estudo da resistividade e da propagação dos ultrassons de maneira a obter uma melhor interpretação da diferença das propriedades mecânicas entre amostras. Procedeu-se a ensaios de diferentes razões de água cimento de pastas, com o objetivo de perceber o efeito que a variação da quantidade de cimento tem na produção de calor devido à hidratação do cimento, assim como as máximas temperaturas verificadas nos provetes. Por último foram realizados ensaios de argamassas de alto desempenho para compreender a influência que adições nas argamassas poderão provocar na reação da hidratação do cimento, e também perceber a variação de comportamento devido à presença de areia fina na mistura. Desenvolveram-se modelos numéricos, que graças às capacidades de simulação do processo de hidratação do cimento e da interação com o meio envolvente, que proporcionaram resultados aproximados dos medidos no molde instrumentado, tais como curvas de temperatura ao longo do tempo, e também permitiram que se gerassem mapas de temperatura. Conclui-se que é possível obter valores próximos entre os resultados obtidos por via de ensaios laboratoriais e a modelação numérica, sendo necessário um desenvolvimento futuro de um estudo de calibração da convecção térmica assim como um estudo num calorímetro adiabático de pastas e argamassas para que seja feita uma melhor caraterização das taxas de libertação de calor e do efeito que o uso de superplastificante poderá ter na reação de hidratação do cimento. Este trabalho está relacionado com o projeto FCT PTDC/ECM/122446/2010 Betofibra – Betões de elevado desempenho reforçado com fibras em solução inovadoras: conceção, caracterização e controlo de qualidade.

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Ensaio e Modelação de
Comportamento Térmico de
Betões de Elevado
Desempenho nas Primeiras
Idades
Autor: Luís Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira
Orientador: Doutor João Filipe Meneses Espinheira Rio
Co-Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques Faria
Porto, 22 de Julho de 2014
Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas
1
Sumário
Objetivos
Objetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Compreensão do comportamento térmico de
pastas e argamassas de elevado desempenho;
• Calibração de modelos numéricos;
• Controlo de qualidade de pastas e argamassas;
• Desenvolvimento de um novo molde
instrumentado.
2
SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Primeiras Idades e Libertação de Calor
Processo de Hidratação do Cimento:
• Advém da reação química da água com o cimento;
• Carácter Exotérmico;
• Gera expansão volumétrica seguida de uma
contração podendo provocar fissuração;
• Divide-se em três períodos.
3
SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Períodos de Libertação de Calor:
(Maekawa, K. [et al.], 1999)
(Azenha, M.Â.D., 2004)
Primeiras Idades e Libertação de Calor
4
SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
(Azenha, M.Â.D., 2004)
Mecanismos de transferência de Calor:
• Condução
• Convecção
• Radiação
Primeiras Idades e Libertação de Calor
5
SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Primeiras Idades e Libertação de Calor
6
Principais fórmulas utilizadas:
𝑘 𝑐 =
𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑘 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑘 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤
𝜌𝑐
𝑐 𝑐 =
𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑐 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑐 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤 − 𝑐 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑊 𝑤𝑐𝑒𝑚 𝛼𝑐 𝑤
𝜌𝑐
ℎ 𝑐𝑟 = ℎ 𝑐 + ℎ 𝑟
ℎ 𝑐 =
5.6 + 3.95 𝑣
7.6 𝑣0.78
𝑠𝑒 𝑣 ≤ 5 𝑚/𝑠
𝑠𝑒 𝑣 > 5 𝑚/𝑠
ℎ 𝑒𝑞 =
1
ℎ1 𝐴
+
𝑖
𝑛
𝐿𝑖
𝑘𝑖 𝐴
−1
𝑔 𝑇 = 𝐴 𝑇 𝑒
−𝐸 𝑎
𝑅𝑇
𝑄 = 𝑓 𝛼 𝑇 𝐴 𝑇 𝑒
−𝐸 𝑎
𝑅𝑇
𝑓 𝛼 𝑇 =
𝑄
𝑄 𝑚á𝑥
𝛼 𝑇 =
𝑄(𝑡
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
, 0 a 1

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Ensaio e Modelação de Comportamento Térmico de Betões de Elevado Desempenho nas Primeiras Idades por Luís Oliveira

  • 1. Ensaio e Modelação de Comportamento Térmico de Betões de Elevado Desempenho nas Primeiras Idades Autor: Luís Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira Orientador: Doutor João Filipe Meneses Espinheira Rio Co-Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques Faria Porto, 22 de Julho de 2014 Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas 1
  • 2. Sumário Objetivos Objetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Compreensão do comportamento térmico de pastas e argamassas de elevado desempenho; • Calibração de modelos numéricos; • Controlo de qualidade de pastas e argamassas; • Desenvolvimento de um novo molde instrumentado. 2
  • 3. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Primeiras Idades e Libertação de Calor Processo de Hidratação do Cimento: • Advém da reação química da água com o cimento; • Carácter Exotérmico; • Gera expansão volumétrica seguida de uma contração podendo provocar fissuração; • Divide-se em três períodos. 3
  • 4. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Períodos de Libertação de Calor: (Maekawa, K. [et al.], 1999) (Azenha, M.Â.D., 2004) Primeiras Idades e Libertação de Calor 4
  • 5. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões (Azenha, M.Â.D., 2004) Mecanismos de transferência de Calor: • Condução • Convecção • Radiação Primeiras Idades e Libertação de Calor 5
  • 6. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Primeiras Idades e Libertação de Calor 6 Principais fórmulas utilizadas: 𝑘 𝑐 = 𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑘 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑘 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤 𝜌𝑐 𝑐 𝑐 = 𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑐 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑐 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤 − 𝑐 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑊 𝑤𝑐𝑒𝑚 𝛼𝑐 𝑤 𝜌𝑐 ℎ 𝑐𝑟 = ℎ 𝑐 + ℎ 𝑟 ℎ 𝑐 = 5.6 + 3.95 𝑣 7.6 𝑣0.78 𝑠𝑒 𝑣 ≤ 5 𝑚/𝑠 𝑠𝑒 𝑣 > 5 𝑚/𝑠 ℎ 𝑒𝑞 = 1 ℎ1 𝐴 + 𝑖 𝑛 𝐿𝑖 𝑘𝑖 𝐴 −1 𝑔 𝑇 = 𝐴 𝑇 𝑒 −𝐸 𝑎 𝑅𝑇 𝑄 = 𝑓 𝛼 𝑇 𝐴 𝑇 𝑒 −𝐸 𝑎 𝑅𝑇 𝑓 𝛼 𝑇 = 𝑄 𝑄 𝑚á𝑥 𝛼 𝑇 = 𝑄(𝑡 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 , 0 a 1
  • 7. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões (Ferreira, D.C.S., 2009) Hidratação do Cimento: Primeiras Idades e Libertação de Calor 7
  • 8. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões (Ferreira, D.C.S., 2009) Hidratação do Cimento: Primeiras Idades e Libertação de Calor 8
  • 9. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Molde Instrumentado 9
  • 10. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Definição da Malha de Elementos Finitos: Modelação Numérica 10
  • 11.  Série S1 – Molde com tampa  Série S2 – Molde sem tampa  Série S3 – Molde sem malhas metálicas  Série S4 – Molde com tampa e com isolamento  Série S5 – Apenas base (temperatura ambiente) SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Caracterização Térmica do Molde 11
  • 12. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 16 21 26 31 36 0 5 10 15 20 25 Temperatura-°C Idade - Horas S1 S2 S3 S4 S5 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperatura-°C Idade - Horas S1 S2 S3 S4 Caracterização Térmica do Molde 12
  • 13. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 17 22 27 32 37 0 5 10 15 20 25 Temperatura-°C Idade - Horas DIANA Medido y = -1,979x + 32,379 y = -1,952x + 33,679 18 20 22 24 26 28 30 32 34 0 1 2 3 4 5 6 7 Temperatura-°C Idade - Horas Calibração da Convecção 13
  • 14. Sumário A/C = 0,3 A/C = 0,4 A/C = 0,5 A/C = 0,6 Volume 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt Cimento 1,638 kg 1,127 kg 0,922 kg 0,827 kg Filer Calcário 0,737 kg 1,176 kg 1,352 kg 1,434 kg Superplastificante 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg Água 1 (81% Água Total) 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg Água 2 (19% Água Total) 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg Estabilizador 0,000 kg 0,000 kg 0,005 kg 0,005 kg Razão de Água Cimento 14
  • 15. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 18 23 28 33 38 43 48 0 10 20 30 40 50 60 Temperatura(ºC) Idade - Horas A/C 0.6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3 AMB Razão de Água Cimento 15
  • 16. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50 60 Resistividade(Ωm) Idade A/C 0,6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3 Razão de Água Cimento 16
  • 17. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 30 40 50 60 Velocidade-m.s̄¹ Idade - Horas A/C 0.3 A/C 0,4 A/C 0.5 A/C 0,6 Razão de Água Cimento 17
  • 18. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões y = -43.39x + 55.183 R² = 0.9634 0 10 20 30 40 50 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Temperatura-°C Razão de Água Cimento y = -26511x + 83544 R² = 0.9598 6.6E+04 6.8E+04 7.0E+04 7.2E+04 7.4E+04 7.6E+04 7.8E+04 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Integral-°C.Min Razão de Água Cimento Razão de Água Cimento 18
  • 19. Sumário • Convecção de cálculo 3,75: 18 28 38 48 58 68 0 10 20 30 40 50 Tempertaura-ºC Idade - Horas Medido CA CB Tméd (DIANA) 59,7 Tmáx (Molde) 43,18 Variação 38% Modelação Numérica 19
  • 20. Sumário • Convecção de cálculo 6,2: 18 23 28 33 38 43 48 0 10 20 30 40 50 Temperatura-ºC Idade - Horas CA CB Medido Modelação Numérica Tméd (DIANA) 41,15 Tmáx (Molde) 43,18 Variação 5% 20
  • 21. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Convecção de cálculo 6,2: Modelação Numérica 21
  • 22. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Diferentes Razões de Água/Cimento: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Calculado Calibrado Temperatura-ºC A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6 Modelação Numérica 22
  • 23. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Diferentes Razões de Água/Cimento: 0.00E+00 5.00E+07 1.00E+08 1.50E+08 2.00E+08 2.50E+08 3.00E+08 3.50E+08 4.00E+08 Calculado Calibrado Q∞J/(K.m3) A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6 Modelação Numérica 23
  • 24. Sumário Constituintes Sílica de Fumo Metacaulino Pó de Vidro Referência (A/C = 0,3) Volume 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt Cimento (CEM I 42.5 R) 1112,86 g 768,08 g 768,08 g 768,075 g Sílica de Fumo 111,29 g 0 g 0 g 0 g Metacaulino 0 g 256,03 g 0 g 0 g Pó de Vidro 0 g 0 g 242,55 g 0 g Filer Calcário 436,00 g 438,90 g 606,38 g 848,932 g Areia Fina 1427,81 g 1427,81 g 1427,81 g 1427,807 g Água 1 (80 %) 172,21 g 229,60 g 184,80 g 184,8 g Água 2 (20%) 43,05 g 57,40 g 46,20 g 46,2 g Superplastificante 1 (75%) 14,44 g 20,85 g 19,40 g 19,4 g Superplastificante 2 (25%) 4,81 g 6,95 g 6,47 g 6,5 g Influência de Diferentes Adições 24
  • 25. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 22 24 26 28 30 32 34 36 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Temperatura-˚C Idade - horas MET PVI SIL REF AMB Influência de Diferentes Adições 25
  • 26. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Resistividade-Ωm Idade - Horas MET PVI SIL REF 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 10 20 30 40 50 60 Velocidade-m.s̄¹ Idade - horas MET PVI SIL REF Influência de Diferentes Adições 26
  • 27. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões 18 20 22 24 26 28 30 32 0 10 20 30 40 50 Temperatura-ºC Idade - Horas CA - Cond. Pasta CA - Cond. Argamassa 18 23 28 33 38 0 10 20 30 40 50 Temperatura-ºC Idade - Horas CA-Argamassa CA-Pasta Modelação Numérica 27
  • 28. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Nova Geometria 28 Paredes em “L” Tampa e Base Vista da Tampa + Ecrã LCD Vista Lateral + Chapa Metálica
  • 29. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Arduino - Componentes 29
  • 30. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões Arduino - Dados 30 ID Hora TempINT Humidade TempEXT 1 00:00:00 27 43 27 2 00:00:30 27 44 27 3 00:01:00 27 44 27 4 00:01:30 27 44 27 5 00:02:00 27 44 27 6 00:02:30 27 43 27 7 00:03:00 27 43 27 8 00:03:30 27 43 27 9 00:04:00 27 43 27 10 00:04:30 27 43 27 11 00:05:00 27 43 27 12 00:05:30 27 43 27 13 00:06:00 27 43 27 14 00:06:30 27 43 27 15 00:07:00 27 43 27 16 00:07:30 27 43 27 17 00:08:00 27 43 27 18 00:08:30 27 43 27 19 00:09:00 27 43 27 20 00:09:30 27 43 27 21 00:10:00 27 43 27 22 00:10:30 27 43 27 23 00:11:00 26 43 26 24 00:11:30 26 43 26 25 00:12:00 26 43 26 26 00:12:30 26 43 26 27 00:13:00 26 43 26 28 00:13:30 26 43 26 29 00:14:00 26 44 26 30 00:14:30 26 44 26 31 00:15:00 26 44 26 32 00:15:30 26 44 26 33 00:16:00 26 44 26 34 00:16:30 26 44 26 Ficheiro .csv Ficheiro Excel
  • 31. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • Foi possível fazer modelação numérica do comportamento térmico; • Supõe-se que a variação entre os valores dos ensaios e dos modelos numéricos se devem à falta de calibração da convecção térmica, da incerteza do uso do superplastificante e da falta de caracterização do cimento; • Com a redução da razão de água cimento verifica-se um aumento da temperatura máxima registada, uma aceleração da hidratação e um aumento da resistividade lida; • Foi possível verificar a influência da presença de diferentes adições no comportamento térmico das argamassas; Conclusões 31
  • 32. SumárioObjetivos Introdução Teórica Ensaio de Água Ensaio de Pastas Ensaio de Argamassas Desenvolvimento de Novo Molde Conclusões • É necessário o estudo com um calorímetro adiabático para uma melhor avaliação da hidratação do cimento, assim como da influência do superplastificante; • O uso do Arduino permitirá a leitura e registo dos dados obtidos, assim como uma redução significativa do custo; • Estudo rigoroso da convecção térmica graças a uma modelação total do molde. Perspetivas Futuras 32
  • 33. Obrigado pela atenção Luís Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira Porto, 22 de Julho de 2014 Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas 33