Avaliação de modelos reológicos para concreto submetido a reação álcali-agregado baseada em análise numérica de amortecimento - expansão livre

Cavalcanti, Marlon de Barros; Torres, Sandro Marden; Lima Filho, Marçal Rosas Florentino; Santos, Alexsandro José Virgínio dos

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Revista IBRACON de Estruturas e Materiais

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Sumário

ORIGINAL ARTICLE • Rev. IBRACON Estrut. Mater. 14 (2) • 2021 • https://doi.org/10.1590/S1983-41952021000200005 copiar

Avaliação de modelos reológicos para concreto submetido a reação álcali-agregado baseada em análise numérica de amortecimento - expansão livre

Autoria SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Resumo

O fenômeno da Reação Álcali-Agregado (RAA) em estruturas de concreto é percebido via expansão e fissuração, inchando o gel como material, causando danos e rupturas nos elementos estruturais. Apesar da extensa padronização, casos de RAA ainda ocorrem persistentemente em todo o mundo. A literatura sobre suscetibilidade de concreto a RAA relatou exemplos de resultados falso negativo e positivo. Portanto, previsão a longo prazo é um problema que ainda representa um grande desafio para os engenheiros. A severidade da RAA sobre a integridade estrutural pode ser principalmente elucidada pela avaliação do histórico das propriedades elásticas. Existe consenso de que RAA causa diminuição da capacidade de carga do concreto, refletida pela redução do módulo de elasticidade devido ao progresso dos danos. Técnicas não destrutivas são frequentemente usadas como primeira abordagem, pois podem fornecer uma avaliação relativamente rápida in situ, bem como em grandes elementos estruturais. A interpretação dos dados carrega certo grau de complexidade devido às características intrínsecas de muitos desses métodos. Este é o caso de Velocidade de Pulso Ultrassônico (VPU), que foi considerado como apresentando várias limitações para esse propósito. Este artigo trata o potencial uso do método de Frequência de Ressonância Longitudinal (FRL) como ferramenta para avaliar o histórico elástico de elementos propensos a RAA. A FRL possui maior energia que VPU. Além disso, usando modulação de frequência no sinal de entrada combinada à geometria de teste, a FRL permite aplicação em amostras maiores, bem como extrair informações complementares ao lado do módulo elástico dinâmico. Dessa forma, a FRL foi aplicada para estudar vigas de concreto testadas sob condições controladas por cerca de 1,5 ano. As variáveis independentes para os testes são: tempo, frequência, tipo de agregado, teor de cimento, teor de álcalis e relação água/cimento. As variáveis dependentes são: amortecimento, fator de perda e módulo de elasticidade. A análise associa dano com amortecimento da vibração, confirmando a redução de elasticidade através do dano com validação experimental e predição de RAA sob modelo reológico.

Palavras-chave:
reação álcali-agregado; modelo reológico; amortecimento

Concrete beam	Description
I1 (C420-I-L)	Dimensions 10 x 10 x 114 cm; cement content 420 kg/m³ of concrete; coarse aggregate innocuous; free expansion
I2 (C500-I-L)	Dimensions 10 x 10 x 114 cm; cement content 500 kg/m³ of concrete; coarse aggregate innocuous; free expansion
R1 (C420-R-L)	Dimensions 10 x 10 x 114 cm; cement content 420 kg/m³ of concrete; coarse aggregate reactive; free expansion
R2 (C500-R-L)	Dimensions 10 x 10 x 114 cm; cement content 500 kg/m³ of concrete; coarse aggregate reactive; free expansion

Author	Mix	Reactive Aggregate	Cem.	w/c	E	T	h	Na₂O_eq
Author	Mix	Reactive Aggregate	kg/m³	w/c	GPa	ºC	%	%
Barreto [³3 A. M. Barreto, “Técnicas não destrutivas para detecção da reação álcali-agregado em prismas de concreto,” Ph.D. dissertation, Univ. Fed. Paraíba, João Pessoa, 2019.]	C420-R-L	Quartz, biotite, Albite and microline (coarse)	420	0.45	25.90	36 - 40	> 95	1.47
	C500-R-L	Quartz, biotite, Albite and microline (coarse)	500	0.45	29.58	36 - 40	> 95	1.47
Larive [¹⁰10 COPEM, “Relatório de Modelagem e Recalibração das Estruturas da Usina de PA-IV, CH01-C-0031-R6, 2001.], [¹¹11 R. Esposito, “The deteriorating impact of alkali-silica reaction on concrete – expansion and mechanical properties”, Ph.D. dissertation, Univ. Parma, Parma, Italy, 2016.]	-	Tournaisis limestone (thin and coarse)	410	0.44	-	38	97	1.25
ISE [¹⁰10 COPEM, “Relatório de Modelagem e Recalibração das Estruturas da Usina de PA-IV, CH01-C-0031-R6, 2001.]	1^*
PA-IV [¹⁰10 COPEM, “Relatório de Modelagem e Recalibração das Estruturas da Usina de PA-IV, CH01-C-0031-R6, 2001.]	-	Biotite-gneiss, rosy granite and amphibolite (coarse)	357	0.53	25.00	38	100	0.92
Esposito [¹¹11 R. Esposito, “The deteriorating impact of alkali-silica reaction on concrete – expansion and mechanical properties”, Ph.D. dissertation, Univ. Parma, Parma, Italy, 2016.]	RR1	Quartzite, quartz, limestone, volcanic rock fragments (fine and coarse)	380	0.46	42.70	38	96	1.17
	RR2	Coarse-grained quartz, quartzite, gneiss, metariolite (fine and coarse)	380	0.45	30.46	38	96	1.17
Giaccio et al. [¹²12 G. Giaccio, R. Zerbino, J. M. Ponce, and O. R. Batic, "Mechanical behavior of concretes damaged by alkali-silica reaction," Cement Concr. Res., vol. 38, pp. 993–1004, 2008.]	R2	Opal and chalcedony (thin)	420	0.42	32.00	38	2^*	1.25
	R4	Feldspars (orthoclase and plagioclase), quartz, mica, epidote, zircon and dark minerals (coarse)	420	0.42	38.10	38	2^*	1.25
Swamy [¹³13 R. N. Swamy, "Assessment and rehabilitation of aar-affected structures," Cement Concr. Compos., vol. 19, pp. 427–440, 1997.]	4.5% opal	Beltane Opal (thin)	520	0.44	-	20	96	1.00
Sanchez et al. [¹⁴14 L. F. M. Sanchez, B. Fournier, M. Jolin, D. Mitchell, and J. Bastien, "Overall assessment of Alkali-Aggregate Reaction (AAR) in concretes presenting different strengths and incorporating a wide range of reactive aggregate types and natures," Cement Concr. Res., vol. 93, pp. 17–31, 2017.]	Wt + HP 35	Polymeric sand, quartz and feldspar (fine)	370	0.47	-	38	100	1.25
Ahmed et al. [¹⁵15 T. Ahmed, E. Burley, S. Rigden, and A. Abu-Tair, "The effect of alkali reactivity on the mechanical properties of concrete," Constr. Build. Mater., vol. 17, pp. 123–144, 2003.]	B	Fused Silica (fine)	400	0.50	21.13	38	3^*	1.75

Model	Creep Function
Maxwell	$\frac{1}{E} (1 + \frac{E}{C} t)$
Kevin-Voigt	$\frac{1}{E} (1 - e^{- \frac{E}{C} t})$
Zener (Figure 10 - 3a)	$\frac{1}{E_{1}} + \frac{1}{E_{2}} - \frac{e^{- \frac{E_{2}}{C} t}}{E_{2}}$
antiZener (Figure 10 - 4b)	$(\frac{1}{C_{1} + C_{2}}) t + \frac{C_{2}}{E (C_{1} + C_{2})} (1 - \frac{C_{1}}{C_{1} + C_{2}}) (1 - e^{- \frac{E (C_{1} + C_{2})}{C_{1} C_{2}} t})$
Burgers (Figure 10 - 5a)	$\frac{1}{E_{1}} + \frac{1}{E_{2}} - \frac{e^{- \frac{E_{2}}{C_{2}} t}}{E_{2}} + \frac{t}{C_{1}}$

Model	Complex Modulus
Histerese	$E (1 + i η)$
Maxwell	$\frac{i ω E C}{E + i ω C}$
Kelvin-Voigt	$E + i ω C$
Zener (Figure 10 - 3a)	$\frac{E_{1} (E_{2} + i ω C)}{E_{1} + E_{2} + i ω C}$
antiZener (Figure 10 - 4b)	$\frac{{E i ω C}_{2}}{{i ω C}_{2} + E} + {i ω C}_{1}$
Burgers^* * AUTHOR (Figure 10 - 5a)	${(\frac{1}{E_{1}} + \frac{1}{{i ω C}_{1}} + \frac{1}{E_{2} + {i ω C}_{2}})}^{- 1}$

Model	$α$	$β$
Histerese	$η$
Maxwell	$\frac{E}{C}$	-
Kelvin-Voigt	-	$\frac{C}{E}$
Zener (Figure 10 - 3a)	$\frac{E_{2} + \frac{E_{2}^{2}}{E_{1}}}{C}$	$\frac{C}{E_{1}}$
antiZener^* * Semblat [22] (Figure 10 - 4b)	$\frac{E (C_{1} + C_{2})}{C_{2}^{2}}$	$\frac{C_{1}}{E}$
Burgers (Figure 10 - 5a)	By analogy: E₁ = E_maxwell; E₂ = E_2(zener); C₁ = C_2(antizener); C₂ = C_kelvinvoigt

Time (days)	Expansion (%)	Amplitude	$ω_{r e s}$ (Hz)	$η$	C (Pa . s)	E (GPa)
1	0	0.000285455	1,829.9	0.01118	580.78264	10.84121
14	0.008	0.000257711	2,871	0.01141	930.25535	26.68638
29	0.02	0.000230823	2,828.4	0.01302	1,046.09	25.90031
379	0.094	7.01E-05	1,781.7	0.01467	742.27642	10.27766
514	0.104	5.48E-05	1,350.9	0.02087	800.86654	5.90843

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[1] Corresponding author: Marlon de Barros Cavalcanti. E-mail: marlonbc@chesf.gov.br, marlonbcavalcanti@gmail.com