Simpósio: Desempenho Térmico de Sistemas Construtivos Alternativos

06, 07 e 08 de Agosto de 2003 – Natal – RN

DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DE SISTEMA CONSTRUTIVO COM AGREGADO DE EPS

Determination of the specific mass of constructive system with

aggregate of EPS (expanded polystyrene)

Luciana Maia Coelho

Clemax Vanderlan Dantas de Oliveira

José Ubiragi de Lima Mendes

George Santos Marinho Departamento de Engenharia Mecânica – CT – UFRN

Campus Universitário – Lagoa Nova Natal/RN – CEP: 59072-970

ABSTRACT

The specific mass “ρ” (kg/m3) is an important parameter to the research of alternative

material to the civil construction. When the research concerns with the effect of the direct

solar radiation that reaches the opaque envelop of the buildings, the determination of “ρ”

has a vital importance: it allows to determine the thermal diffusivity “α = k/ρ.cp” (m2/s), a

indispensable parameter to the study of the thermal comfort inside the habitations. The

measurement of “ρ” requires special considerations that concern about the state of the

material. When considering a solid material, one of the more common techniques is the Le

Chatelier method. However, that method does not work when the solid material (concrete

block) has flakes of EPS (expanded polystyrene) as aggregate. In the present work we

describe the use of a technique to the determination of the specific mass of a alternative

constructive element – light concrete block (sandwich of two plates of concrete with

aggregate of EPS and a plate of EPS inside the core, i.e., between the plates of concrete);

the technique was named “the water–paraffin method”.

Key-words: specific mass, EPS, LCB – light concrete block.

RESUMO

Um sistema construtivo alternativo que permita reduzir os efeitos da carga térmica devido

à radiação solar no espaço habitável deve, obrigatoriamente, apresentar desempenho

térmico superior ao apresentado pelos sistemas construtivos convencionais. Um dos

parâmetros utilizados na comparação de desempenhos térmicos de sistemas construtivos

utilizados em fechamentos horizontais (coberturas) e verticais (paredes) é a difusividade

térmica (α). Para determiná-la, são necessários três outros parâmetros termofísicos:

coeficiente de condutividade térmica (k), calor específico (c) e densidade (ρ), sendo a

relação entre eles dada por α = k / ρcp. Todos esses parâmetros apresentam

complexidades durante a determinação experimental. No caso específico da densidade,

sua obtenção pode ser feita através de várias técnicas. Entretanto, quando se trata de

materiais sólidos, o número de opções é restrito. Por exemplo, a determinação da

densidade de um dado tipo de cimento, pode ser feita através do método de Le Chatelier.

No entanto, o mesmo método não se aplicaria ao caso do concreto fabricado com flocos

de EPS (poliestireno expandido). Fato semelhante ocorre quando são utilizados resíduos

industriais para produzir compósitos de matriz cimentícia. No presente trabalho descreve-

se o uso de uma técnica para determinação da densidade de um sistema construtivo do

tipo concreto leve, formado por concreto de cimento Portland com agregado de EPS. A

técnica baseia-se na determinação da massa específica, através do “método da

densidade aparente utilizando água e parafina”.

Palavras-chave: densidade, concreto leve, EPS.

INTRODUÇÃO

De acordo com Mehta (1994), o concreto é um material resultante da mistura íntima e

proporcionada de um aglomerante (cimento), agregados miúdos, agregados graúdos e água.

É considerado o material mais importante na construção civil e possui várias

aplicações além da estrutural, tais como: revestimento, pavimentos, paredes,

canalizações, fundações, etc. Para que se possa aproveitar melhor as características do

produto, faz-se necessário o conhecimento dos materiais que compõem o concreto.

Segundo Bauer (1994), a correta utilização do concreto de cimento Portland para

cada tipo de aplicação depende do conhecimento das propriedades do concreto.

Determinadas propriedades são imprescindíveis para certos tipos de obras, porém

são dispensáveis para outras. Por exemplo: a impermeabilidade do concreto é qualidade

essencial para obras hidráulicas, porém não é tão importante nas estruturas de edifícios.

A determinação de propriedades físicas e químicas constitui tarefa primordial na

pesquisa sobre materiais alternativos para produção de elementos construtivos, objeto de

estudos desenvolvidos no Laboratório de Transferência de Calor (LTC) da UFRN.

Entre as propriedades dos materiais, a densidade (ρ) é um parâmetro

imprescindível para determinação de várias outras grandezas, como por exemplo o

coeficiente de difusividade térmica (α), dada matematicamente por:

α = k / ρ c (1)

onde: α - difusividade, m2/h k - condutividade térmica, W/m.K

cp - capacidade calorífica, J/Kg.K ρ - densidade Kg/m3

Com esse intento, iniciou-se um levantamento bibliográfico sobre o estado da

técnica atual que trata da determinação da densidade aparente de materiais construtivos

alternativos, limitando-se a busca ao caso particular do concreto leve. Para tanto, foram

utilizados recursos da internet e do Commut nacional. Constatou-se que, em se tratando

de concretos leves onde os agregados podem ser EPS, PVC, resíduo de plástico

termofixo e fibras vegetais, não existe um método específico para tal.

Concreto Leve

O concreto leve é composto basicamente de concreto convencional e EPS

(poliestireno expandido), na forma de flocos, que substituem parte do material

convencional. Desse modo, o peso do concreto é sensivelmente diminuído, tendo ainda

uma boa resistência para usos não estruturais.

Devido ao baixo peso e a capacidade de isolamento térmico, o concreto leve

permite uma economia no uso final da obra, pela redução do custo da estrutura, facilidade

de manuseio, transporte, redução do tempo de obra e da energia consumida

(http://www.planeta.terra, 17/04/03). A densidade aparente do concreto leve de EPS varia

de acordo com as necessidades de aplicação, podendo ir de 400 a 1600 kg/m3.

Como praticamente não absorve água, o EPS permite uma ótima qualidade do

concreto produzido e um acabamento de superfície homogêneo, possibilitando o seu uso

in natura, mesmo exposto às intempéries. Na preparação da mistura de concreto leve,

deve ser levada em conta a aplicação, onde a mistura deve ser feita preferencialmente

em betoneira. Devido à sua reduzida densidade (numa placa de EPS, aproximadamente

98% é composto por ar), as pérolas flutuam em água. Para que isto não ocorra, deve ser

utilizado um adesivo solúvel em água (por exemplo, cola branca de madeira).

Densidade

Existem dois tipos de densidades: aparente e absoluta. Na aparente são considerados

os interstícios vazios do material em estudo, enquanto que na absoluta é necessário se

eliminar o volume desses espaços, que de outra forma alterariam os resultados, já que o

volume é um dos fatores levados em consideração na determinação da densidade.

Quando se trata de determinar densidades de materiais porosos, como concreto

com EPS, considera-se a densidade aparente. Entretanto, descobriu-se que não existe

nenhum método específico para tal. Assim, foi necessário adaptar os métodos existentes

aos objetivos da pesquisa. Foram testados os seguintes métodos: picnômetria, Le

Chatelier e densidade aparente utilizando água e parafina. Dentre eles, esse último foi o

que mais se adequou ao tipo de material escolhido, devido à disponibilidade de material e

a infra-estrutura física dos laboratórios.

METODOLOGIA

Escolhido o método a ser utilizado (densidade aparente utilizando água e parafina),

primeiramente se verificou a validade do mesmo utilizando para isto uma amostra de

material com densidade conhecida (ρparafina= 910 Kg/m3) onde foi verificado que a

densidade calculada pelo método foi o esperado.

Em seguida, as amostras (concreto com agregados de EPS) foram preparadas e

posteriormente medidas as suas densidades no Laboratório de Geoquímica/UFRN de

forma a adquirir os parâmetros necessários para atender a eq. 5

(http://www.ceramicaindustrial, 05/03/03).

Densidade aparente utilizando água e parafina - nesse método a parafina serve

única e exclusivamente para impermeabilização das amostras, podendo assim ser imersa

na água, sem que haja absorção do líquido.

O tempo de endurecimento da película de parafina é praticamente instantâneo.

Impermeabilizando-os de forma a garantir que as amostras não irão absorver água

durante o processo de determinação da densidade aparente.

Na figura 1, apresenta-se o balanço de forças atuantes na amostra submetida ao

processo para determinação da densidade.

Fig. 1 - Balanço de Forças na amostra.

g.FPV

Fg.V.P

FEP

OHAP

APOH

2

2

ρ−

=

+ρ=

+=

(2)

Neste novo método, o volume aparente da amostra engloba o volume da amostra e

o volume da parafina isolante, então:

ParafinaOH

AP

OHParafinaAP

Vg.FPV

g.FPVV

2

2

−ρ−

=

ρ−

=+

)3(

Sabendo que a densidade da parafina pode ser escrita como:

Parafina

ParafinaParafina V

m=ρ

A equação fica:

Parafina

Parafina

OHAP

Parafina

Parafina

OHAP

Parafina

Parafina

OHAP

m´MV

mg.

g´.MV

mg.FPV

2

2

2

ρ−

ρ=

ρ−

ρ=

ρ−

ρ−

=

)4(

Temos então que a densidade aparente pode ser expressa como:

APAP V

m=ρ

Substituindo na Equação (4), obtém-se:

OHParafinaParafina

ParafinaOHAP

2

2

.m´.M..m

ρ−ρ

ρρ=ρ )5(

Na eq. 5 considera-se a densidade aparente da amostra, onde:

ρAP = Densidade Aparente da amostra (kg/m3);

ρParafina = Densidade da parafina (g/cm3);

ρH2O = Densidade da água na temperatura do experimento (g/cm3);

m = Massa do bloco (g);

mParafina = Massa da parafina que impermeabilizou o suporte (g);

M´ = Massa de água deslocada pela amostra (g).

Procedimento de Preparação das Amostras

a) Foram cortados 3 amostras de cada tipo de cada bloco de concreto leve, com um

volume aproximado de 27 cm3, no laboratório de Laminação do Departamento de

Geologia/UFRN. Estas amostras foram posteriormente identificadas (Fig. 2). Todos as

amostras foram pesadas 3 vezes, para posterior cálculo do desvio-padrão;

Fig.2 – Amostras preparados para impermeabilização

b) Foi montada uma bancada para o procedimento de impermeabilização das amostras

(Fig. 3) composta por: capela, placa aquecedora, dois refratários de alumínio, Becker

com água, Becker com parafina em flocos e tesoura tipo gancho.

Fig. 3 – Capela usada na impermeabilização das amostras

c) As amostras foram mergulhadas na parafina já derretida (Fig. 4) por três vezes, para

formar uma camada homogênea livre de bolhas superficiais que viessem absorver

água durante o procedimento de medição.

Fig. 4 – Procedimento para impermeabilizar as amostras

Procedimento de Pesagem das Amostras:

a) Montagem da bancada para pesagem das amostras. Primeiramente o sistema Becker

com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação, foram

pesados (Fig. 5). Posteriormente a balança foi zerada, para que somente o peso de

cada amostra sob a ação do empuxo fosse medido.

Fig. 5 – Bancada preparada para o procedimento de pesagem das amostras.

b) Cada amostra foi posta dentro do suporte de cobre (Fig. 6) e este conjunto foi

mergulhado até a água tocar a marcação, então foi anotado o valor do peso das

amostras sob a ação do empuxo;

Fig. 6 – Amostra dentro do suporte de cobre mergulhado na água.

Após a primeira medida a balança foi zerada novamente junto com o sistema

(Becker com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação), pois

há perda de água a cada retirada do conjunto suporte de cobre e amostra.

Todos as amostras foram pesadas, sucessivamente, três vezes.

RESULTADOS E ANÁLISES

Como não foi encontrado nenhum método especifico para a determinação da

densidade de blocos de concreto leve, alguns métodos foram ajustados à situação, mas

ocorreram alguns problemas que impossibilitaram o uso destes. Podendo-se citar em

cada método:

a) Método da Picnômetria

Este método é utilizado para se determinar a densidade real dos solos através da

equação 6, e requer boa técnica para precisão de resultados. As amostras em estudo

foram trituradas e secas.

Neste caso este método foi descartado pois como o concreto possui EPS, que por sua

vez tem densidade menor que a água, os flocos flutuavam na superfície e alguns destes

flocos saiam através do orifício que existe na extremidade do picnômetro quando

tampados.

Este fato interferia nos resultados pois os resultados não seriam reais, já que alguns

flocos foram perdidos da amostra aumentando conseqüentemente a densidade da

amostra.

)23()14(12

PPPPPPDt

−−−−

= (6)

Onde:

Dt – densidade real à temperatura t;

P1 - peso do picnômetro vazio e seco, em g;

P2 - peso do picnômetro mais amostra, em g;

P3 – peso do picnômetro mais amostra, mais água, em g;

P4 – peso do picnômetro mais água, em g;

b) Método de Le Chatelier:

De acordo com a NBR 6474/1984 para se determinar a massa específica de

materiais tais como cimento, solo e material de enchimento e outros materiais em pó Le

Chatelier é o método mais adequado.

O ensaio é feito com um frasco de Le Chatelier. Usa-se, no caso, querosene ou

benzeno e não água, pois sendo o material muito fino, formaria com a água uma pasta

(lama) que falsearia o resultado.

É utilizado para materiais tais como cimento, solo, material de enchimento, etc.

Apesar deste método ser o mais adequado para o cimento, no caso do concreto

utilizado neste experimento, mais uma vez o EPS interferiu nos resultados pois na

superfície dos flocos de EPS bolhas de ar ficaram aderidas diminuindo assim a densidade

da amostra (ao contrário do picnômetro).

A densidade real através do método de Le Chatelier é determinada através da

equação (7):

Vm

VVPPd =

−−

=1212 )7(

O método que mais se adequou a situação foi o da densidade aparente utilizando

água e parafina, por eliminar os interstícios vazios (a parafina não permite que a água

seja absorvida pela amostra), fato este que iria interferir nos resultados e por se adequar

as condições do laboratório.

Os concretos dos quais foram determinadas as densidades, possuem a seguinte

composição (tab. 1).

Tabela 1 – Porcentagens de componentes dos blocos de concreto.

Composição 61 16 88

EPS ( l ) 60 100 80

Cimento (kg) 50 50 50

Areia ( l ) 100 60 80

Brita ( l ) - - -

Água ( l ) 25-30 25-30 25-30

Aditivo ( l ) - - -

Da Tabela 2 a 7 estão plotados os valores necessários a determinação da

densidade através da eq 5 inseridos em planilha eletrônica do EXCEL 97.

Tabela 2 – Pesos das amostras de concreto SEM parafina.

BLOCO PESO DAS AMOSTRAS (g)

EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Bloco Padrão 37,27 37,27 37,27 34,70 34,70 34,70 34,62 34,62 34,62

16 18,16 18,16 18,16 14,19 14,19 14,19 17,43 17,43 17,43

88 19,02 19,02 19,02 19,65 19,65 19,65 23,22 23,22 23,21

61 24,59 24,59 24,59 27,84 27,84 27,84 16,21 16,21 16,21

Tabela 3 – Pesos das amostras de concreto COM parafina.

BLOCOS PESO DAS AMOSTRAS COM PARAFINA (g)

EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Bloco Padrão 46,7 46,71 46,7 43,83 43,84 43,83 43,02 43,01 43,01

16 26,22 26,22 26,22 21,29 21,3 21,3 26,32 26,31 26,31

88 29,63 29,63 29,63 29,1 29,1 29,1 32,13 32,14 32,13

61 26,99 26,99 26,98 32,43 32,43 32,42 23,09 23,09 23,09

Tabela 4 – Pesos da parafina (i.e., bloco com parafina – peso do bloco).

BLOCOS PESO DA PARAFINA NO BLOCO (g)

EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Bloco Padrão 9,43 9,44 9,43 9,14 9,15 9,14 8,40 8,39 8,39

16 8,06 8,06 8,06 7,10 7,11 7,11 8,89 8,88 8,89

88 10,61 10,61 10,61 9,45 9,45 9,45 8,91 8,93 8,92

61 2,40 2,40 2,39 4,59 4,59 4,59 6,88 6,88 6,88

Tabela 5 – Pesos dos blocos mais parafina menos empuxo.

BLOCOS (PESO DO BLOCO + PARAFINA) - EMPUXO (g)

EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Bloco Padrão 29,03 29,05 29,1 27,57 27,55 27,52 26,47 26,43 26,36

16 25,59 25,62 25,6 21,37 21,35 21,36 25,6 25,59 25,6

88 28,34 28,37 28,37 27,64 27,71 27,7 26,32 26,29 26,34

61 19,31 19,3 19,31 23,41 23,38 23,37 21,56 21,55 21,54

Tabela 6 – Densidades aparentes dos blocos calculadas através da Equação 5.

BLOCOS DENSIDADE APARENTE DO BLOCO (Kg/m3)

EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Bloco Padrão 1987 1986 1980 1970 1973 1975 1999 2002 2011

16 1080 1078 1080 1041 1043 1043 1096 1096 1095

88 1135 1133 1133 1133 1129 1129 1398 1402 1397

61 1470 1471 1469 1510 1513 1513 1153 1153 1154

Tabela 7 – Valores das médias de cada bloco analisado por tipo.

MÉDIA(Kg/m3) BLOCOS

1 2

3

MÉDIA

GERAL(Kg/m3)

Bloco

Padrão

1069

1080

1042

1064

16

1069

1080

1042

1064

88

1263

1133

1131

1176

61

1334

1470

1512

1438

Durante o processo de determinação da densidade de cada amostra, pôde-se

constatar a relação inversa entre o aumento da quantidade de EPS nos blocos (tab.1) e o

valor das densidades (tab.7).

Este fato irá influenciar diretamente na difusividade dos blocos, pois, de acordo

com a eq. 1, mantendo-se os demais parâmetros constantes, quanto menor for a

densidade, maior será a difusividade.

CONCLUSÕES

O aumento do teor de EPS como agregado em bloco de concreto leve diminui sua

densidade, como se esperava.

Foi objetivo da presente pesquisa determinar um método adequado à quantificação

da variação da densidade em função da porcentagem de EPS utilizada na composição

dos blocos de concreto leve.

Os demais métodos não se aplicaram devido às limitações como: migração dos

flocos de EPS para a superfície da água (picnômetro) e aderência de bolhas ao EPS (Le

Chatelier), bem como as condições necessárias aos experimentos (vidraria, climatização,

precisão de balanças e vibração).

Através do método da densidade aparente utilizando água e parafina, foi possível

se determinar as densidades dos blocos de concreto leve, necessárias a este projeto.

Este método foi o que mais se adequou ao tipo de material escolhido, devido à

disponibilidade de material, a infra-estrutura física dos laboratórios e não sofrer influencia

do EPS nos resultados.

Ao se determinar as densidades pôde ser visto que ao se aumentar a quantidade

de EPS nos blocos, as mesmas decrescem. Este fato irá influenciar diretamente na

difusividade dos blocos pois de acordo com a Equação 1.

No próximo trabalho, os dados da densidade serão utilizados para determinação da

difusividade térmica.

BIBLIOGRAFIA

1. <http://planeta.terra.com.br/negocios/makipor/concreto.htm>. Acesso em: 17 Abril

2003.

2. <http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v07n02/v7n2_8.pdf>. Acesso em 05

Março 2003.

3. Bauer, F. L. A. Materiais de Construção: novos materiais para a construção civil. Vol.

1, 5o Edição, LTC, 1994.

4. Mehta, P. K. Concreto: estrutura, propriedades e materiais, São Paulo, PINI, 1994.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao apoio obtido junto aos seguintes fomentadores da pesquisa:

Direção do Núcleo Tecnológico Industrial – NTI da UFRN

Direção do Centro de Tecnologia – CT da UFRN

Prof. Marciano Furukava

Equipe CT ENERG

Profª Raquel Franco de Souza Lima (Laboratório de Geoquímica/UFRN)

Técnicos: Ricardo Fonseca (Lab. Metalografia/UFRN),

João Batista (Lab. Solos/UFRN)

Marcelo Morais (Lab. Metrologia/UFRN).

APOIO

A realização da pesquisa descrita neste trabalho só se tornou possível graças ao

financiamento do CNPq, através do Projeto CT ENERG – Processo N° 552.372/01-3.