Para garantir a segurança das estruturas de concreto é necessário averiguar sua condição com um nível elevado de precisão e detalhe. De longa data, a maneira usual de se inspecionar e fazer diagnósticos do desempenho das estruturas de concreto está relacionada com ensaios de resistência à compressão em testemunhos extraídos da própria estrutura. Porém, esse procedimento nem sempre é recomendado devido à geometria dos elementos estruturais, que muitas vezes não permite extrair testemunhos com as dimensões padronizadas para os ensaios, bem como os próprios riscos e danos que o seccionamento de estruturas pode causar. A utilização de ensaios não destrutivos, ora restritos à avaliação da uniformidade da resistência mecânica do concreto, passa a ser então uma alternativa mais atraente, uma vez que os métodos se modernizaram, aumentando a precisão de análise pela combinação de métodos e detalhamento de outras características. Figura 1 - Ilustração da sequência de execução do ensaio de esclerometria (Mehta & Monteiro, 2008)
Na inspeção de metais, a utilização de métodos de ensaios não destrutivos já está consolidada, porém, para o concreto, isso é uma prática relativamente nova. O desenvolvimento lento de técnicas não destrutivas para inspeção e avaliação das propriedades do concreto se deve ao fato desse material ser heterogêneo, causando interferências nas medidas realizadas, como atenuação, dispersão, difração e reflexão dos sinais (Mehta & Monteiro, 2008). Apesar disso, algum progresso tem sido observado no desenvolvimento de métodos de ensaios não destrutivos para aplicação em concreto, e vários deles têm sido normalizados por diversos órgãos regulamentadores no mundo todo.
De maneira geral, existem duas classes de métodos de ensaios não destrutivos para aplicação em estruturas de concreto. A primeira consiste em métodos usados para estimar a resistência do material, tais como o ensaio de dureza superficial (esclerometria), resistência à penetração, ensaios de arrancamento e método da maturidade. A segunda classe inclui os métodos que medem outras características e defeitos internos do concreto por meio de propagação de ondas e termografia infravermelha. Além desses métodos, existem outros que fornecem informações sobre a armadura, como a localização das barras de aço, seu diâmetro e o potencial de corrosão (Malhotra & Carino, 2004).
Ensaio de dureza superficial ou esclerometria Figura 2 - (A) Equipamento penetrômetro Windsor composto pela pistola (1), pino (2), modelo de sonda simples (3) e escala calibrada de profundidade (4); (B) Execução do ensaio de resistência à penetração em uma amostra de concreto (Malhotra & Carino, 2004)
Os métodos de ensaio desenvolvidos para medir a dureza superficial do concreto são baseados na realização de um entalhe na superfície ou no princípio do ricochete. O método da indentação consiste principalmente no impacto de uma determinada massa com uma dada energia cinética sobre a superfície do concreto, sendo medida a profundidade do entalhe resultante. O método baseado no princípio do ricochete, mais aceito e praticado mundialmente, consiste em medir o retorno de uma força no regime elástico após seu impacto com a superfície do concreto (Malhotra & Carino, 2004).
O esclerômetro de reflexão de Schmidt é o instrumento utilizado para a avaliação da dureza superficial do concreto com base no princípio do ricochete. O procedimento para utilização do esclerômetro e, consequentemente, realização do ensaio é apresentado na figura 1. No Brasil, o procedimento para execução desse ensaio é estabelecido na NBR 7584:1995.
O esclerômetro é um equipamento leve, simples de operar e barato. Com esse instrumento é possível avaliar a uniformidade da resistência mecânica do concreto "in loco", com danos praticamente nulos à superfície do material (Evangelista, 2002), mas os valores obtidos não são precisos já que dependem da uniformidade da superfície, da condição de umidade, da carbonatação superficial e da rigidez do elemento estrutural (Mehta & Monteiro, 2008), mesmo se corrigindo a localização do êmbolo.
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| Figura 3 - Esquema para execução do método pullout (Malhotra & Carino, 2004) |
Para medir a resistência à penetração de concretos, tanto em laboratório quanto em campo, utiliza-se o penetrômetro Windsor. Esse equipamento emprega um dispositivo ativado à base de pólvora (pistola finca-pinos) para disparar um pino constituído de uma liga de elevada dureza contra o concreto (figura 2). O comprimento do pino que fica exposto é uma medida da resistência à penetração do concreto e pode ser relacionada com sua resistência à compressão (Mehta & Monteiro, 2008).
Como o método de resistência à penetração é basicamente um método de medida da dureza de um material, não se deve esperar que ele resulte em valores absolutos ou precisos da resistência do concreto de uma estrutura. Porém, é utilizado para medir o desenvolvimento de resistência do concreto nas primeiras idades, a fim de se determinar o momento adequado para a remoção de fôrmas (Mehta & Monteiro, 2008).
Ensaios de arrancamento
Existem três tipos de ensaios de arrancamento: pullout, break-off e pull-off. O método pullout mede a força necessária para extrair um fragmento metálico com geometria específica de uma estrutura de concreto (figura 3). Essa força de arrancamento é convertida em resistência à compressão equivalente por meio de correlações estabelecidas previamente.
O método break-off consiste no rompimento de uma amostra cilíndrica no plano paralelo à superfície do elemento de concreto. O equipamento para a execução do método (figura 4) consiste de uma célula de carga, de um manômetro e de uma bomba hidráulica manual. A amostra é obtida por meio de uma luva plástica tubular descartável, a qual é inserida no concreto fresco e removida no tempo planejado para o ensaio, ou ainda, pela perfuração do concreto endurecido.
Figura 4 - Equipamento para execução do método break-off (Malhotra & Carino, 2004)
Figura 5 - Ilustração do método pull-off mostrando os dois procedimentos que podem ser usados (Malhotra & Carino, 2004)
O método pull-off é baseado no conceito de que a força de tração necessária para arrancar um disco metálico, junto com uma camada da superfície de concreto à qual ele está colado, está relacionada com a resistência à compressão do material. Existem duas configurações para o ensaio (figura 5): um disco metálico é colado diretamente à superfície de concreto e o volume de material destacado fica perto da face do disco; e a carbonatação e demais efeitos de superfície presentes podem ser evitados pela utilização de um corte parcial a uma profundidade adequada (Malhotra & Carino, 2004).
Os ensaios de arrancamento podem ser usados para o controle da qualidade do concreto. A utilização mais prática destina-se à determinação do tempo adequado para a remoção segura das fôrmas e do tempo de liberação para a transferência da força em elementos de concreto protendidos ou pós-tensionados. Além disso, a tensão de ruptura medida pode ser relacionada às resistências de compressão e de flexão do concreto usando correlações predeterminadas.
Ensaios de absorção e de permeabilidade Figura 6 - (A) Configuração do ensaio de absorção superficial inicial (Isat); (B) configuração do método de Figg (Mehta & Monteiro, 2008)
Os ensaios de absorção envolvem a entrada de um fluido devido à sucção capilar nos poros do concreto, enquanto os ensaios de permeabilidade medem o fluxo de um líquido ou de um gás dentro do concreto sob a ação de um gradiente de pressão (Malhotra & Carino, 2004).
Existem diversos métodos de ensaio para medir a sucção capilar, a resistência à penetração de água e a permeabilidade em laboratório, porém, para medida em campo, existem dois métodos básicos (figura 6): o ensaio de absorção superficial inicial (Isat) e o método Figg. No Isat uma coluna de pressão constante é aplicada sobre a superfície do concreto, sendo medida a taxa resultante de fluxo de água pelo material por unidade de área. O método Figg consiste em fazer um furo perpendicular à superfície do concreto e, após o preparo devido, é inserida uma agulha hipodérmica pelo tampão de espuma quando, então, é aplicada uma coluna d'água, sendo medido o volume de água absorvida em um tubo capilar calibrado; para determinar a permeabilidade ao ar substitui-se a seringa por uma bomba a vácuo e um manômetro de pressão (Mehta & Monteiro, 2008).
Método da maturidade
O método da maturidade é uma técnica não destrutiva para estimar o ganho de resistência do concreto com base no histórico da temperatura desenvolvida durante a cura do material. Os efeitos combinados do tempo e da temperatura sobre o ganho de resistência são quantificados por meio de uma função de maturidade: assume-se que amostras das mesmas misturas de concreto de mesma maturidade atingirão a mesma resistência, independentemente das combinações tempo-temperatura que levam àquela maturidade (Mehta & Monteiro, 2008).
As principais aplicações desse método estão relacionadas com o monitoramento do desenvolvimento da resistência à compressão nas idades iniciais do concreto, visando à retirada das fôrmas e do escoramento. Suas limitações devem-se ao fato do ensaio estar relacionado com medições pontuais, sendo que para investigar as variações internas do concreto uma grande quantidade de pontos seria necessária, encarecendo o ensaio (Evangelista, 2002).
Método da frequência de ressonância
Uma propriedade dinâmica importante de qualquer sistema elástico corresponde à sua frequência fundamental de ressonância. Como a frequência fundamental de um material está relacionada principalmente com seu módulo de elasticidade dinâmico e sua densidade, é possível avaliar a integridade de uma estrutura a partir de correlações matemáticas entre eles (Malhotra & Carino, 2004).
Embora o equipamento básico e o procedimento de ensaio associados ao método de frequência de ressonância tenham sido normalizados em diversos países e há equipamento de ensaio disponível comercialmente, a utilização desse método é limitada. Diversas tentativas têm sido feitas para se estabelecer relações empíricas entre o módulo de elasticidade dinâmico e a resistência do concreto. Algumas relações obtidas parecem se manter para tipos particulares de concretos, mas há dúvida de que uma relação generalizada qualquer possa ser estabelecida entre as propriedades em questão.
Porém, apesar das limitações, a determinação da frequência de ressonância tem sido empregada positivamente no estudo dos efeitos de ciclos de gelo-degelo e de condições ambientais agressivas em amostras de concreto, além da avaliação do dano sofrido pela ação do fogo e da deterioração decorrente da reação álcali-agregado. As vantagens com a utilização desse método se devem ao fato de que sucessivas determinações podem ser realizadas em uma mesma amostra, sendo capaz de identificar, com precisão, as alterações na microestrutura do concreto (Malhotra & Carino, 2004).
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| Figura 7 - Instrumento utilizado para execução do ensaio de ultrassom em estruturas de concreto (Malhotra & Carino, 2004) |
O método do ultrassom é baseado no conceito de que a velocidade de um pulso de ondas longitudinais através de um material depende de suas propriedades elásticas e densidade. O instrumento consiste de um gerador e um transmissor para a produção e introdução de um pulso de onda no concreto e de um receptor para detectar a chegada do pulso e medir com exatidão o tempo de trânsito do pulso pelo concreto. No mundo todo há equipamentos portáteis disponíveis para a execução do ensaio de ultrassom em estruturas de concreto (figura 7). No Brasil, o procedimento de ensaio pelo método do ultrassom é estabelecido na NBR 8802:1994.
O método do ultrassom pode ser usado para a detecção de defeitos no interior do concreto, bem como de alterações decorrentes da deterioração devido a um ambiente agressivo e a ciclos de gelo-degelo. Além disso, esse método de ensaio possibilita estimar a resistência à compressão do concreto tanto em corpos de prova moldados durante a concretagem, quanto em testemunhos e na própria estrutura (Malhotra & Carino, 2004). Porém, essa estimativa é influenciada por diversos fatores relacionados com a composição (dimensão, granulometria, tipo e teor de agregados), cura do concreto, geometria da peça ensaiada e presença de armadura.
Métodos magnéticos e elétricos
Os métodos magnéticos e elétricos são usados de diversas maneiras para avaliar as estruturas de concreto: localizar a armadura e medir a espessura do elemento estrutural por indutância, medir o potencial de corrosão da armadura e determinar a espessura de um pavimento pela medida da resistividade elétrica (Malhotra & Carino, 2004).
Os métodos magnéticos e elétricos têm recebido uma atenção considerável nos últimos anos. Seus princípios fundamentais variam de acordo com a complexidade de como fazer suas aplicações práticas no campo.
Métodos nucleares e radioativos
Os métodos nucleares e radioativos destinados ao ensaio de concreto têm sido tópico de diversas pesquisas, mas com a exceção de um ou dois ensaios, eles não são amplamente usados. São métodos rápidos e precisos, porém sua utilização tem sido limitada pela tecnologia complexa normalmente envolvida, elevados custos iniciais e necessidades de treinamento e de licenciamento.
Os métodos disponíveis utilizam radiação gerada por fontes de radioisótopos, geradores de raios-X e reatores nucleares para bombardear amostras de concreto, tanto no estado fresco quanto no estado endurecido. A radiação coletada após a interação com o concreto fornece informações sobre as características físicas do material, tais como sua composição, densidade e integridade estrutural (Malhotra & Carino, 2004).
Radar (Radio Detection and Ranging)
O Radar é uma ferramenta científica poderosa com uma faixa de aplicação ampla na avaliação do concreto. Ele vem ganhando aceitação como uma técnica não destrutiva rápida e útil para a detecção de defeitos, como delaminações, vazios e fissuras, além de armaduras sobrepostas em pavimentos de concreto.
Esses sistemas operam pela transmissão de um pulso único seguida por um "tempo morto" no qual os sinais refletidos retornam ao receptor. Um sistema de Radar básico consiste de uma unidade de controle, uma antena monostática, um gravador oscilográfico e um conversor de corrente para operação em corrente contínua (figura 8).
Figura 8 - (A) Componentes de um sistema de radar típico (Malhotra & Carino, 2004); (B) e (C) exemplos de equipamentos de radar comercialmente disponíveis para inspeção em concreto
Métodos de propagação de ondas de tensão
Diversos métodos de ensaio baseados na propagação de ondas de tensão ou ecotécnicas têm sido usados em inspeções de campo de estruturas de concreto, sendo adotados procedimentos padrões para alguns deles. Os ecométodos são usados para medir a espessura e detectar fissuras em estacas de fundação, bem como determinar a espessura de pavimentos e o módulo de elasticidade de sistemas de pavimentos em camadas.
Nesses ensaios, as ondas de tensão são introduzidas no objeto de ensaio e a resposta da superfície é monitorada, sendo necessário o acesso a apenas uma das superfícies. Dependendo dos detalhes da configuração de ensaio e da resposta medida, são obtidas diferentes informações sobre a estrutura.
Termografia infravermelha
A termografia infravermelha constitui uma técnica não destrutiva de sensoriamento remoto que tem se mostrado como um método de ensaio eficiente, útil e econômico para avaliação do concreto. É baseada no princípio fundamental de que anomalias abaixo da superfície dos materiais afetam o fluxo de calor através dos mesmos. Assim, com esse método, é possível detectar, com precisão, grandes defeitos e delaminações no interior de estruturas de concreto, tais como tabuleiros de pontes, pavimentos de estradas, pisos de garagens, pavimentos de estacionamento e muros de arrimo. Como uma técnica de ensaio, destaca-se dentre suas qualidades a precisão, a repetitividade, a economia e a não inconveniência ao público durante a execução do ensaio (Malhotra & Carino, 2004).
Métodos de emissão acústica
De uma maneira geral, emissões acústicas são definidas como fenômenos em que ondas elásticas transitórias são geradas devido à rápida liberação de energia por fontes localizadas dentro do material, indicando mudanças irreversíveis. No concreto, as emissões acústicas devem-se principalmente à fissuração do concreto, à perda de aderência entre o concreto e a armadura, e à fratura ou descolamento das fibras em concretos reforçados com fibras. As ondas geradas se propagam através do material e sua chegada na superfície pode ser detectada por transdutores piezoelétricos (Malhotra & Carino, 2004).
Os métodos de emissão acústica podem ser bastante úteis para a complementação de medidas em laboratório de outras propriedades do concreto, porém sua utilização em campo permanece problemática.
Perspectivas para a utilização de método não-destrutivos na construção civil
A prática corrente no emprego de ensaios não-destrutivos para se avaliar o desempenho mecânico de uma estrutura de concreto tem sido restrita ao uso do ensaio de dureza superficial e de velocidade de propagação de ondas ultrassônicas. Estas ferramentas permitem analisar a uniformidade da estrutura e orientam a definição dos locais para extração de testemunhos destinados à determinação da resistência à compressão, racionalizando o processo de avaliação. Este procedimento, mesmo que confiável, é lento, de custo elevado, além de causar danos nas estruturas.
Nos últimos anos, verificou-se um grande avanço tecnológico na área de medições com auxílio da eletrônica, o que permitiu o desenvolvimento de equipamentos modernos e mais precisos para avaliar as propriedades dos materiais, sem danos ao mesmo. Em paralelo, a construção civil teve um crescimento considerável, com desenvolvimento de novos materiais e aprimoramento das propriedades do concreto. Porém, em função da heterogeneidade do material, as tecnologias mais avançadas de medida de propriedades por técnicas não-destrutivas empregadas em outros materiais não têm sido aplicadas com a eficiência e nem com a freqüência necessárias no campo do concreto. A carência de normalização nacional e internacional correspondente reflete o cenário tecnológico e, ao mesmo tempo, dificulta a sua aplicação na indústria da construção civil.
Neste contexto, a equipe do Laboratório de Materiais de Construção Civil do IPT está atuando no âmbito do desenvolvimento de um procedimento para a caracterização de estruturas de concreto por meio de métodos de ensaios não-destrutivos, a fim de definir parâmetros adequados e confiáveis, de avaliação das estruturas. Com isso, prospecta-se contribuir para o estabelecimento de uma metodologia nacional necessária que seja atualizada, otimizada e, na medida do possível, econômica para a caracterização de estruturas de concreto.
Leia Mais
NBR 7584: Concreto Endurecido - Avaliação da Dureza Superficial pelo Esclerômetro de Reflexão. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, 1995.
NBR 8802: Concreto Endurecido - Determinação da Velocidade de Propagação de Onda Ultrassônica. Rio de Janeiro, 1994.
NBR 12655: Concreto de Cimento Portland - Preparo, Controle e Recebimento - Procedimento. Rio de Janeiro, 2006.
Avaliação da Resistência do Concreto Usando Diferentes Ensaios Não Destrutivos. A.C.J. Evangelista. 2002. 219p. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro (RJ).
Handbook of Nondestructive Testing of Concrete. 2. ed. V.M. Malhotra; N.J. Carino. Boca Ranton, CRC Press, 2004.
Concreto: Microestrutura, Propriedades e Materiais. P.K. Mehta; P.J.M. Monteiro. São Paulo, Ibracon, 2008.
Alessandra Lorenzetti de Castro, alcastro@ipt.br
Sérgio Cirelli Ângulo, scangulo@ipt.br
Pedro Carlos Bilesky, pcbareta@ipt.br
Rafael Francisco Cardoso dos Santos, rafaelfc@ipt.br
Luiz Tsuguio Hamassaki, lutha@ipt.br
Ernan Silva, ersilva@ipt.br
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
Centro de Tecnologia de Obras de Infraestrutura
Laboratório de Materiais de Construção Civil
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