Módulo de Elasticidade em Concreto Basáltico

O módulo de elasticidade do concreto (E), também conhecido como módulo de Young, é um parâmetro fundamental que indica a capacidade do material de se deformar elasticamente sob tensão. Sua determinação é essencial para o projeto estrutural, pois está diretamente ligada à deformação máxima permitida em estruturas de concreto. A relação entre tensão (σ) e deformação (ε) é definida pela Lei de Hooke (Equação 1: E = σ/ε), embora o comportamento do concreto não seja totalmente linear devido à sua heterogeneidade e ao desenvolvimento de microfissuras na zona de transição sob carga. Essa não linearidade resulta em uma curva tensão-deformação não perfeitamente proporcional, influenciada pela microestrutura do material, com microfissuras aumentando em número e dimensão conforme a tensão aplicada se aproxima da tensão última. O módulo de elasticidade também serve como indicador de dano, refletindo o grau de deterioração do concreto ao longo de sua vida útil por fatores como ataque de sulfato, congelamento-degelo, carbonatação e variações de temperatura e umidade. A previsão precisa do módulo de elasticidade é complexificada pela heterogeneidade do concreto, sendo necessário levar em conta fatores de influência como a composição do agregado e a relação água-cimento para formulações mais precisas.

O ensaio destrutivo, embora normatizado pela NBR 8522 (2017) e amplamente utilizado no Brasil, apresenta desvantagens como o tempo prolongado de execução devido a ciclos de carregamento e a necessidade de um grande número de corpos de prova. Como alternativa, os ensaios não destrutivos, mais rápidos e com menor demanda por amostras, têm ganhado destaque. Este estudo compara o método destrutivo (NBR 8522) com métodos não destrutivos: a Técnica de Excitação por Impulso (TEI) e a Velocidade de Pulso Ultrassônico (VPU). A TEI baseia-se na determinação do módulo de elasticidade dinâmico a partir das frequências naturais de vibração do corpo de prova, que pode ser excitado longitudinalmente, flexionalmente ou torcionalmente. A VPU mede a velocidade de propagação de ondas longitudinais para determinar o módulo dinâmico. Embora normas internacionais como ASTM E-1876 (2015) e ASTM C-597 (2016) forneçam recomendações para esses métodos, o Brasil ainda carece de normas específicas para a determinação do módulo de elasticidade dinâmico pelo TEI e VPU. O módulo de elasticidade dinâmico (Ed) é calculado indiretamente por meio de correlações matemáticas específicas para cada método de ensaio, considerando que estudos mostram que o valor de Ed é superior a Ec, sendo a diferença dependente da resistência do concreto e do tipo de agregado.

A metodologia empregada envolveu a produção de diferentes misturas de concreto, variando três parâmetros principais: a relação água-cimento, o teor de agregado graúdo e a origem mineralógica do agregado graúdo. Foram utilizados três níveis de relação água-cimento: 0,45; 0,55 e 0,65, representando diferentes classes de agressividade ambiental (I, II, III e IV) segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014). O teor de agregado graúdo variou em quatro níveis: 60%, 54%, 48% e 42%. O agregado graúdo utilizado foi basalto, proveniente de três fontes mineralógicas distintas do Terceiro Planalto Paranaense: Foz do Iguaçu-PR, Toledo-PR e Guarapuava-PR. A escolha dessas origens permitiu avaliar a influência da composição mineralógica do agregado na resposta final do concreto. Para investigar a influência do tempo no módulo de elasticidade, uma dosagem específica foi utilizada em diferentes idades (1, 3, 7, 28 e 91 dias). Ensaios de granulometria, seguindo a NBR NM 248 (ABNT, 2003), foram realizados para garantir que os agregados de Guarapuava-PR, inicialmente fora da zona granulométrica da NBR 7211 (ABNT, 2009), fossem ajustados para igualar-se aos agregados de Foz do Iguaçu-PR e Toledo-PR, eliminando influência do tamanho do agregado no resultado do módulo de elasticidade. A análise petrográfica, feita conforme a NBR 7389 (ABNT, 2009), no Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens (CEASB), com lâminas delgadas preparadas no Laboratório de Tecnologia de Concreto de Itaipu (LTCI), detalhou os aspectos petrográficos e mineralógicos das rochas, incluindo composição, alteração mineral, estrutura, textura e microfissuração.

O estudo utilizou três métodos para a determinação do módulo de elasticidade: ensaio destrutivo, Técnica de Excitação por Impulso (TEI) e Velocidade de Pulso Ultrassônico (VPU). O ensaio de módulo de elasticidade estático foi realizado seguindo o Método A da norma NBR 8522 (ABNT, 2017), determinando-se previamente a resistência à compressão em dois corpos de prova para estabelecer a carga de ensaio (30% da resistência). A deformação foi medida por extensômetros do tipo clip gage. Para os ensaios não destrutivos, a TEI foi empregada para medir a frequência natural de vibração do corpo de prova, utilizando o modo longitudinal e flexional, e a VPU para medir a velocidade de propagação de ondas ultrassônicas. A análise estatística dos dados incluiu ANOVA (para avaliar a influência do agregado graúdo, teor de argamassa e relação água-cimento), teste de Holm-Sidak (comparação individual dos resultados da ANOVA), teste U de Mann-Whitney (para amostras independentes), análise de correlação de Pearson e análise de regressão linear e não linear para obter uma equação que descrevesse o relacionamento entre as variáveis. O método IPT (Helene e Terzian, 1992) foi empregado no cálculo teórico da dosagem das amostras de concreto, utilizando o valor 21 de m, e considerando a massa específica do cimento, areia e basaltos obtidas em ensaios de caracterização. O volume de brita por m³ foi mantido constante nas concretagens, compensando as diferentes massas específicas dos agregados graúdos.

Os resultados demonstram que os valores do módulo de elasticidade dinâmico (Ed) obtidos pelos métodos não destrutivos, Técnica de Excitação por Impulso (TEI) e Velocidade de Pulso Ultrassônico (VPU), são superiores aos valores do módulo de elasticidade estático (Ec). Especificamente, o Ed foi 16% maior que o Ec para o método TEI e 28% maior para o método VPU. Uma vantagem significativa dos métodos não destrutivos foi a velocidade de execução: cerca de 10 vezes mais rápida que o ensaio destrutivo. Analisando os modos de vibração longitudinal e flexional no método TEI, observou-se uma divergência de aproximadamente 15 GPa nas idades iniciais do concreto. No entanto, aos 28 dias, os módulos de elasticidade dinâmicos dos dois modos vibracionais mostraram-se estatisticamente idênticos. Apesar dessa equivalência estatística, recomenda-se a utilização do modo longitudinal devido ao seu menor desvio padrão, indicando maior precisão e confiabilidade na medição.

Com base nos resultados obtidos, foi desenvolvida uma equação de correlação entre o módulo estático (Ec) e o módulo dinâmico (Ed). Esta equação considera a massa específica do agregado graúdo, o teor de agregado no concreto e o método de medição utilizado (TEI ou VPU) como variáveis independentes. O coeficiente de regressão do modelo matemático varia entre 0,811 e 0,901, com um erro máximo de 2,46 GPa. A equação proposta demonstra um potencial significativo como ferramenta para prever o módulo de elasticidade estático do concreto por meio de ensaios não destrutivos, dentro das condições de contorno do experimento. Esta contribuição para a predição do Ec utilizando métodos não destrutivos representa um avanço importante, podendo auxiliar na elaboração de normas técnicas brasileiras para determinação do módulo de elasticidade pelo método das frequências naturais de vibração (TEI) e da velocidade de pulso ultrassônico (VPU). A precisão da equação foi avaliada e seu erro foi reduzido com o ajuste da equação em função do agregado graúdo.