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Engenharia

Geotecnia – Ensaio de Agregados

By 25 de outubro de 2018 No Comments

Este post tem como objetivo descrever os conceitos mais importantes concernentes ao ENSAIO DE AGREGADOS. O material é baseado na NBR 7211-7218, dentre outras citadas ao longo do texto e nos resumos preparados para consolidação do conhecimento da matéria ao longo dos anos.

Considerações Iniciais

Os agregados para indústria da construção civil são os insumos mais consumidos no mundo. Dessa forma, os agregados são materiais granulares, sem e volume definidos, de dimensões e propriedades adequadas para uso em obras de engenharia civil. Podem ser classificados levando-se em conta a origem, a densidade e o tamanho dos fragmentos.

Com relação à origem, podem ser chamados de naturais e artificiais. Naturais são os materiais que forem extraídos em sua forma fragmentar, sendo está, a forma que se encontra do material na sua área fonte. Como exemplo de agregados naturais tem: areia e cascalho. Artificiais são os materiais que são extraídos em forma de blocos e precisam passar por processos de fragmentação, como a brita e areia britada.

Considerando a densidade, existem agregados leves (pedra-pomes, vermiculita); agregados normais (brita,areia, cascalho); agregados pesados (barita, magnetita). Nossa concentração nessa aula é nos ensaios dos agregados normais.

Agregados leves são aqueles com massa unitária inferior a 1120 kg/m3, já o agregado denso ou pesado agregado de elevada massa específica (≥ 3 000 kg/m3)

Quanto ao tamanho dos fragmentos, tem-se: agregados miúdos, os materiais com diâmetro mínimo superior de 4,8mm até diâmetro máximo de 0,075mm, especificada pela norma ABNT NBR 7211. Como exemplo de agregado miúdo tem: areias de origem natural, encontrada como fragmentos, ou resultante de britagem. Defini-se ainda agregado graúdo, ou pedregulho, os materiais com diâmetro mínimo de 4,8mm e máximo de 152mm, especificada pela mesma norma citada anteriormente. Como exemplo de agregados graúdos tem: cascalho e brita.

Levando em conta esse conceitos, é possível deduzir que os agregados são obtidos em rochas cristalinas ou depósitos naturais sedimentares. As propriedades físicas e químicas dos agregados e as misturas ligantes são essenciais para a vida das estruturas (obras) em que são usados. São inúmeros os casos de falência de estruturas em que é possível chegar-se a conclusão que a causa foi à seleção e o uso inadequado dos agregados.

A partir da norma NBR 7211, Agregados para concreto-especificação, pode‐se extrair a seguinte definição: Dimensão máxima característica consiste na grandeza associada à distribuição granulométrica do agregado, correspondente à abertura nominal, em milímetros, da malha da peneira da série normal ou intermediária na qual o agregado apresenta uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa.

A exploração destes materiais em sua área fonte (pedreira, depósito sedimentar) depende basicamente de três fatores: a qualidade do material, o volume de material útil e o transporte, ou seja, a localização geográfica da jazida.

Estes materiais agregados são utilizados principalmente para confecção de concreto, blocos para revestimento de edifícios, proteção de taludes de barragens, pedra britada para os leitos de ferrovias, aeroportos e rodovias, blocos para calçamento de ruas, avenidas, em indústria de cerâmica, de vidro dentre outras.

 

Características físicas e químicas dos agregados normais

Areia é uma substância natural, proveniente da desagregação de rochas; possui granulometria variando entre 0,05 e 5 milímetros pelas normas da ABNT. Praticamente, todas as rochas são passiveis de resultar em areias pela desagregação mecânica. São porém mais favoráveis aquelas com altos teores de quartzo, uma vez que esse mineral restará como resíduo, após a decomposição física e/ou química.

As areias são constituídas principalmente por quartzo, um mineral de formula geral SiO2, amplamente distribuído na crosta terrestre.

Dependendo da granulometria e grau de pureza, as areias têm empregos específicos. Aquelas de baixo teor de ferro são usadas na fabricação de vidros e na indústria cerâmica e refratária. As areias com alta concentração de sílica se usam na siderurgia, para confecção de ligas ferro-silício. As areias mais grosseiras e com maior impureza se utilizam na construção civil e as mais finas como abrasivos.

A areia pertence ao grupo dos Agregados para construção civil (areia, brita e cascalho) que ocupam 1º lugar em quantidade e 2º em valor no mundo. Os baixos preços unitários resultam da relação entre limites de distancia de distribuição (uso local) e larga distribuição de pequenos empreendimentos. Na produção e comércio predominam o improviso e a informalidade.

Os minerais presentes na areia devem ter resistência mecânica, durabilidade, reagirem bem com o cimento e serem abundantes na natureza, devendo ter quantidades limitadas de substancias deletérias (especialmente para preparo do concreto):

  • torrões de argila, siltito e particulas friáveis (1 a 3%); material pulverulento (1%);
  • minerais de fácil decomposição: óxidos, sulfetos e micas, fragmentos ferromagnesianos, feldspato;
  • minerais que reagem mal com o cimento; calcedônia, pirita, gipsita, minerais alcalinos;
  • matéria orgânica (0,5 a 1%),
  • salinidade (sais solúveis)

A areia pode ser usada em concreto, argamassa de assentamento e revestimento, pavimentação asfáltica, em filtros, lastro e permeabilização de vias e pátios.

Os filtros normalmente são construídos com areia limpa. Tem a função de permitir a passagem da água e impedir a passagem de partículas finas do solo. Alguns possuem areia, pedrisco e brita. É também usada nos chamados filtros “sandwich”, ou seja, uma seqüência de areia, pedrisco, brita, pedrisco, areia. Pelas suas funções, o filtro normalmente está na parte interna de uma obra e portanto fica mais protegido do intemperismo.

O material do filtro é solicitado por:

 

  1. atrito, abrasão e impacto, na fase de execução, e à compressão, conforme a sua posição num enrocamento ou aterro maior;
  2. possíveis reações químicas. Com águas naturais, pode haver dissolução se a rocha usada for calcário, mármore, gipsita ou outra sedimentar com cimento de carbonato ou de gipsita. Poderá haver intemperização se este filtro ficar exposto ao tempo e não saturado.

A areia, geologicamente, é um sedimento clássico inconsolidado de grãos, em geral, quartzosos. Considerada como material de construção, a areia é o agregado miúdo. Os diâmetros limites adotados para classificar um agregado como a areia variam conforme o ponto de vista que se encara a questão. Como material de construção, ela precisa ter grãos formados de material consistente, bem como possuir as seguintes propriedades mecânicas:

  • Inchamento: a areia seca absorve água, que passa a formar uma película em torno dos grãos. Como os vazios da areia chegam a ser tão delgados quanto à espessura da película de água, esta afasta os grãos uns dos outros, produzindo inchamento.
  • Impurezas: as impurezas das areias podem ser classificadas em coloidais e não coloidais. As não coloidais têm grãos de dimensões da ordem do micrômetro (milésimo de milímetros) e podem ser retiradas por lavagem; as coloidais não são elimináveis.
  • Friabilidade: a areia perde qualidade se contiver grãos friáveis. Para verificar, em primeira aproximação, a presença de grãos friáveis, em tempo mais curto do que o necessário para o ensaio de qualidade, pode ser feita em ensaio de esmagamento. A areia é colocada em um molde e recoberta por um êmbolo sobre o qual se exerce força crescente necessária para a atingir a pressão de 40 MPA em um minuto. Essa pressão é conservada constante por quatro minutos. Determinam-se os nódulos de finura antes e depois do ensaio e calcula-se a sua porcentagem de redução, que se compara com a da areia normal.
  • Higroscopia: quanto mais fina é a areia, mais alta é a ascensão capilar. Isto deverá ser levado em conta em algumas aplicações, como pisos e filtros, por exemplo. Por estas razões, a areia tem sempre um certo teor de umidade, caso não seja aquecida artificialmente. É chamada de areia seca ao ar.

A areia, segundo a NBR, divide-se, granulometricamente, em:

  • areia fina (entre 0,06 mm e 0,2 mm);
  • areia média (entre 0,2 mm e 0,6 mm);
  • areia grossa (entre 0,6 mm e 2,0 mm).

 

Por exemplo, se num ensaio de granulometria de um agregado para construção identificou-se uma fração de material igual a 66% com diâmetro entre 0,2 mm e 0,6 mm. Esta fração, segundo sua granulometria, será classificada como Areia Média.

A brita, material classificado como agregado de origem artificial, de tamanho graúdo. Tendo como área fonte as pedreiras, que exploram rochas cristalinas com solos pouco espessos de cobertura, no estado físico sem muita alteração, de preferência aquela contendo rochas quartzo – feldspáticas como os granitos, gnaisses. Porém, às vezes, rochas como o basalto e calcários microcristalinos, também são explorados para essa finalidade.

A textura da rocha fonte deve ser coesa e não muito grossa, com baixa porosidade, ausência de plano de fraqueza ou estrutura isotrópica,. Não é recomendável utilizar rochas xistosas, com acamamento, foliações finas ou microfraturas.

A participação dos tipos de rocha utilizadas na produção de brita é a seguinte: granito e gnaisse – 85%; calcário e dolomita – 10%; e basalto e diabásio – 5%. O Estado de São Paulo responde por cerca de 30% da produção nacional. Outros importantes estados produtores são Minas Gerais (12%), Rio de Janeiro (9%), Paraná (7%), Rio Grande do Sul (6%) e Santa Catarina (4%).

Quanto aos minerais, devem-se evitar rochas que predominem os minerais deletérios: micas (especialmente biotita e clorita, em percentagem superior a 20%), assim como, os óxidos, sulfetos e carbonatos em grãos grossos. É preferível rochas com ausência de minerais desagregados ou em decomposição (feldspato, micas e máficos).

A forma e superfície do grão também exercem influência. Portanto, formas arredondadas e superfícies lisas reduzem a porosidade entre os grãos e facilitam a fluidez do concreto. Formas angulosas e superfícies rugosas facilitam a aderência do cimento.

Os tamanhos de britas são classificados pela ABNT NBR 7525, como:

  • Nº 1 – 4,8 a 12,5mm
  • Nº 2 – 12,5 a 25mm
  • Nº 3 – 25 a 50mm
  • Nº 4 – 50 a 76mm
  • Nº 5 – 76 a 100mm

 

A brita é destinada para o setor da construção civil com aplicações na fabricação de concreto, revestimento de leito de estradas de terra, de ferrovias, barramentos. A brita constitui o maior volume do concreto com o qual se realizam inúmeras obras de engenharia. As funções da brita no concreto são:

  • contribuir com grãos capazes de resistir aos esforços solicitantes;
  • resistir ao desgaste à ação de intempéries;
  • reduzir as variações de volume de qualquer natureza;
  • contribuir para a redução do custo do concreto.

 

As solicitações a que a rocha usada para a produção de brita fica submetida são:

  • atrito e impacto durante a preparação do concreto;
  • compressão e tração solidariamente à estrutura do concreto;
  • possível reação com álcalis do cimento;
  • ação do intemperismo, como expansão e contração térmica;
  • ação química da água da chuva e das águas agressivas.

As propriedades exigidas da rocha da brita são:

  • resistência à compressão simples,
  • à tração,
  • ao desgaste (pouco importante),
  • não reatividade,
  • resistência ao intemperismo,
  • trabalhabilidade.

Os ensaios recomendados são:

  • compressão axial;
  • tração;
  • análise petrográfica para minerais reativos ou ensaio de reatividade;
  • forma;
  • análise das impurezas (torrões de argila, materiais carbonosos,material pulverulento, impurezas orgânicas, presença de mica, presença de sulfato);
  • avaliação da alteração e alterabilidade.

 

Nos lastros de vias férreas, a brita é usada em tamanhos progressivos de baixo para cima, sobre o solo. As funções dos lastros são:

  • suportar os dormentes, resistindo aos movimentos horizontais devido à ação o tráfego e às mudanças de temperatura nos trilhos;
  • distribuir as cargas, reduzindo a intensidade da pressão sobre o leito da ferrovia;
  • constituir um meio de drenagem da água sob os dormentes;
  • constituir um meio próprio para o aplainamento da pista;
  • permitir que os trilhos se movam verticalmente sob as cargas repentinas aplicadas;
  • reduzir os efeitos destrutivos do impacto;
  • retardar ou evitar o crescimento de vegetação.

A brita é usada nos pavimentos das estradas, na base, no macadame hidráulico, no revestimento betuminoso e de concreto de cimento. As funções do pavimento são:

  • suportar e distribuir a carga do tráfego, transferindo-a às camadas inferiores;
  • proteger o subleito da ação dos agentes intempéricos, principalmente da ação mecânica da água.

Os lastros de vias férreas e pavimentos de estradas, especialmente os sem ligantes, são solicitados pelas forças mecânicas de compressão, impacto, atrito e pela ação da intempérie, principalmente umedecimento e secagem, e variação da temperatura. Nos pavimentos asfálticos ou de concreto essas solicitações ficam atenuadas.

O cascalho é a denominação genética de seixos, originários de fragmentos de rochas preexistentes e se enquadram numa faixa granulométrica, variável de 2 a 256mm de diâmetro, segundo as subdivisões de Wentworth.

É definido como depósito, nível ou acumulação de fragmentos de rochas e/ou minerais mais grossos do que areia, principalmente com tamanho de seixos. É um agregado de origem natural e tamanho graúdo.

O cascalho é destinado para setor da construção civil em aplicações na fabricação de concreto, revestimento de leito de estradas de terra, concreto ciclópico, ornamentação de jardins, etc.

São ensaios especiais para agregados graúdos:

  • Densidade absoluta e aparente e absorção (NBR NM 53)
  • Partículas leves (NBR 9936)
  • Umidade total (NBR 9939)
  • Módulo de elasticidade e poisson (NBR 10341)
  • Esmagamento (NBR 9938)
  • Desgaste por atrito (NBR 12042)
  • Compressão uniaxial (NBR 6953)

 

Ensaios especiais para agregado miúdo

  • Densidade (NBR NM 52)
  • Massa unitária (NBR 7251)
  • Absorção (NBR NM 30)
  • Inchamento (NBR 6467)
  • Partículas Leves (NBR 9936)
  • Umidade Superficial (NBR 9775)

 

Alguns conceitos importantes que podem ser retirados graficamente da Granulometria abaixo:

O diâmetro efetivo(def) para cada amostra analisada foi determinado por meio das curvas granulométricas plotadas no gráfico, correspondendo desta maneira a abertura da malha que permite a passagem de apenas 10% da agregado, ou seja, que retém 90%.

A Porcentagem que Passa é o peso de material que passa em cada peneira, referido ao peso seco da amostra.

A Porcentagem Retida é a percentagem retida numa determinada peneira. Obtemos este percentual, quando conhecendo-se o peso seco da amostra, pesamos o material retido, dividimos este pelo peso seco total e multiplicamos por 100.

O Coeficiente de Não Uniformidade é a razão entre os diâmetros correspondentes a 60% e 10%, tomados na curva granulométrica. Esta relação indica, a falta de uniformidade, pois seu valor diminui ao ser mais uniforme o material:

Cnu < 5 muito uniforme

5 < Cnu < 15 uniformidade média

Cnu > 15 não uniforme

O Coeficiente de Curvatura fornece a idéia do formato da curva permitindo detectar descontinuidades no conjunto.

1 < CC < 3 solo bem graduado

CC < 1 ou CC > 3 solo mal graduado

Dificilmente ocorrem areias com valores de CC fora do intervalo de 1 a 3. Daí, a pouca importância que se dá a esse coeficiente.

A indicação da peneira refere-se à abertura da malha ou ao número de malhas quadradas, por polegada linear.

Modulo de Finura é a somatória de dos percentuais acumulados em todas as peneiras da série normal dividido por 100. Veja como é calculado para esse exemplo:

No caso todas são da série normal MF = [(0+2) + (0+2+8) + (0+2+8+45) + (0+2+8+45+30) + (0+2+8+45+30+10)]/ 100 = 2,47.

Massa específica (ou massa específica real): é a massa da unidade de volume excluindo-se os vazios entre grãos e os permeáveis, ou seja, a massa de uma unidade de volume dos grãos do agregado.

Procedimento para determinação da massa específica:

  • Secar a amostra de agregado miúdo (areia) em estufa a 110 ºC, até constância de peso e resfriá-la até temperatura ambiente;
  • Pesar 500 g de agregado miúdo;
  • Colocar água no frasco Chapman (Figura 1), até a marca de 200 cm3;
  • Introduzir cuidadosamente os 500 g de agregado no frasco, com auxílio de um funil;
  • Agitar o frasco, cuidadosamente, com movimentos circulares, para a eliminação das bolhas de ar (as paredes do frasco não devem ter grãos aderidos);
  • Fazer a leitura final do nível da água, que representa o volume de água deslocado pelo agregado (L);
  • Repetir o procedimento pelo menos mais uma vez, para outra amostra de 500 g.

A massa específica do agregado miúdo é calculada através da expressão:

Onde:

d = massa específica do agregado miúdo, expressa em g/cm3 ou kg/dm3.

L = leitura final do frasco (volume ocupado pela água + agregado miúdo);

 

Obs: – Duas determinações consecutivas, feitas com amostras do mesmo agregado, não devem diferir entre si de mais de 0,05 g/cm3, ou seja:

A Massa unitária (específica aparente): é o peso da unidade de volume, incluindo-se os vazios contidos nos grãos. É determinada preenchendo-se um recipiente paralepipédico de dimensões bem conhecidas com agregado deixando-o cair de uma altura de 10 a 15 cm. É também chamada de unitária. A areia, no estado solto, apresenta o peso unitário em forma de 1,50kg/dm3.

Procedimento para determinação da massa unitária:

  • Secar a amostra de agregado miúdo em estufa a 110ºC, até constância de peso e resfriá-la até temperatura ambiente;
  • Determinar o volume do recipiente a ser utilizado (Vr);
  • Separar a amostra a ser utilizada, com volume no mínimo duas vezes o correspondente à capacidade do recipiente a ser usado;
  • Pesar o recipiente utilizado para medir o volume (Mr);
  • deve-se soltar a amostra de uma altura de 10 a 15 cm;
  • Pesar o conjunto recipiente mais amostra (Mra);
  • Repetir o procedimento para outra amostra do mesmo material.

 

A massa unitária do agregado miúdo é calculada através da expressão:

Obs1: Duas determinações consecutivas, feitas com amostras do mesmo agregado, não devem diferir entre si de mais de 0,05 g/cm3.

Obs2.: A determinação da massa unitária é útil para a conversão dos traços de argamassas e concretos de massa (peso) para volume e vice-versa.

 

Determinação do Inchamento de Agregado Miúdo (NBR 6467)

 

Procedimento do Ensaio:

  • Secar a amostra de ensaio em estufa (105 – 110ºC) até constância de massa e resfriá-la até temperatura ambiente;
  • Colocar a amostra sobre uma bandeja de alumínio (1 m x 1 m) ou sobre uma lona impermeável, homogeneizar a amostra e determinar a massa unitária, segundo a NBR 7251;
  • Adicionar água sucessivamente de modo a obter teores de umidade próximos aos seguintes valores: 0,5 %, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 7%, 9% e 12%.
  • Homogeneizar cuidadosamente a amostra a cada adição de água. Coletar uma amostra de agregado a cada adição de água, para determinação do teor de umidade. Executar, simultaneamente, a determinação da massa unitária;
  • Determinar a massa de cada cápsula com a amostra coletada (Mi), secar em estufa e determinar sua massa (Mf).

 

Calcular o teor de umidade das amostras coletadas nas cápsulas, pela expressão:

Para cada teor de umidade, calcular o coeficiente de inchamento de acordo com a expressão:

A determinação do inchamento é de suma importância para a medição dos traços de concreto em volume e para a determinação do volume das padiolas de medição de areia.

Para finalizar, alguns exemplos para ilustrar o aprendizado num ensaio de uma areia, realizado conforme ABNT NBR NM 248/2003 (agregados determinação da composição granulométrica), revelou a seguinte curva granulométrica:

A dimensão máxima característica, em mm, desse agregado é encontrada quando a curva se estabiliza, corresponde ao número da peneira da série normal na qual a porcentagem acumulada é inferior ou igual a 5%, desde que essa porcentagem seja superior a 5% na peneira imediatamente abaixo neste caso próximo a 2.5mm.

Com base nas curvas apresentadas, podemos observar as diferentes características da Areia de granulometria uniforme(A), Areia bem graduada(B), Areia de granulometria descontínua(C) e da Brita(D). A composição granulométrica de um agregado tem grande influência nas propriedades das argamassas e concretos, e é determinada por meio de peneiramento em peneiras com abertura especificada em norma, constituindo uma série padrão. As curvas granulométricas da figura abaixo representam a granulometria de amostras de areias ou britas.

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