Projeto de graduação 2

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

ANA BEATRIZ PIMENTA SUZANO

MONCLAR SUEIRO DE CARVALHO MATTOS

PROJETO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE

TEMPERATURA: ANÁLISE DO CALOR DE

HIDRATAÇÃO DOS CIMENTOS

Vitória

2014



PROJETO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE

TEMPERATURA: ANÁLISE DO CALOR DE

HIDRATAÇÃO DOS CIMENTOS

Projeto de Graduação em Engenharia Civil II

apresentado junto ao Curso de Engenharia Civil da

Universidade Federal do Espírito Santo, como parte

dos requisitos para obtenção do diploma de

Engenheiro Civil.

Orientador:

Prof. Dr. Ing. João Luiz Calmon Nogueira da Gama

Vitória

2014



PROJETO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA:

ANÁLISE DO CALOR DE HIDRATAÇÃO DOS CIMENTOS

Projeto de Graduação II apresentado junto ao Curso de

Engenharia Civil da Universidade Federal do Espírito Santo,

como parte dos requisitos para obtenção do diploma de

Engenheiro Civil.

Orientador:


COMISSÃO EXAMINADORA

Prof. Herbert Barbosa Carneiro

Universidade Federal do Espírito Santo



Prof. Dr. Ing. Marcel Olivier Ferreira de Oliveira


Vitória, 11 de dezembro de 2014

“Aprender é a única coisa de que a mente

nunca se cansa, nunca tem medo e nunca se

arrepende.”

Leonardo da Vinci

AGRADECIMENTOS

À esta universidade e seu corpo docente, pela oportunidade e ensino.

Ao nosso orientador João Luiz Calmon Nogueira da Gama, pelo suporte, paciência e

incentivo.

Ana Beatriz Pimenta Suzano

À minha dupla Monclar, pela companhia em toda a graduação.

Que a gente continue sempre se apoiando e ajudando. À minha

mãe, por ter arrumado toda a bagunça que eu fiz para fazer esse

trabalho. Ao meu pai, por ter comprado ou fornecido todo o

material para mim. À Carol, por sempre tirar minhas dúvidas de

português. À Ana Lu, por ter me emprestado seu quarto,

computador, cama. Aos 5, por acreditarem mais em mim do que

eu mesma.

Monclar Sueiro de Carvalho Mattos

À Ana Beatriz, pelo apoio incondicional e pelo companheirismo.

À minha mãe e minha irmã por simplesmente acreditarem em

mim e em meu potencial

E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da nossa formação, o nosso muito

obrigado.

v

RESUMO

O estudo realizado nesse projeto de graduação é motivado principalmente pelo interesse

em desenvolver um trabalho multidisciplinar unindo os conhecimentos em ciência dos

materiais, circuitos elétricos e programação. Neste trabalho desenvolve-se um projeto de

um sistema de medição para avaliar o calor de hidratação do cimento ao longo dos 7

primeiros dias, similar ao método da garrafa de Langavant.

Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica do problema termomecânico do

concreto e de suas propriedades térmicas. Foram pesquisados ainda os parâmetros

influentes na análise de temperatura assim como os danos gerados pelo calor de

hidratação nas primeiras idades. O calor gerado no concreto origina sempre variações de

volume ou de forma que, se forem impedidas total ou parcialmente, dão origem a tensões

que, quando de tração podem superar a capacidade resistente do concreto e leva-lo a

fissuração, em especial nas primeiras idades onde possui uma resistência ainda menor.

Para esse estudo foi utilizado o cimento CP V-ARI RS. Foram moldados 2 corpos de

prova para ensaio de compressão simples e um para se analisar o comportamento da

temperatura durante o período de hidratação inicial de 7 dias.

No estudo realizado foi detectado uma ineficiência do sistema de isolamento do

calorímetro construído. Entretanto, foi comprovada a eficiência do sistema de medição

abrindo com isso novas oportunidades de pesquisa como por exemplo determinação da

elevação de temperatura adiabática, ou mesmo utilizando-se um grande bloco de concreto

e avaliar o calor hidratação em atividades em campo.

Palavras-chave: Concreto massa; calor de hidratação; elevação adiabática de

temperatura; fissuração; Análise Térmica; Garrafa de Langavant; Arduino.

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1: Circuito básico do LM35 ............................................................................. 28

Figura 3.2: LM35 com encapsulamento TO-92 ............................................................. 28

Figura 3.3: A configuração não inversora ...................................................................... 30

Figura 3.4: Amp Op LM324 ........................................................................................... 31

Figura 3.5: Hardware do Arduino UNO ......................................................................... 32

Figura 3.6: Simulação elaborada no Proteus 8 ............................................................... 37

Figura 4.1: Garrafa ou Calorímetro de Langavant ......................................................... 39

Figura 5.1: Circuito montado no protoboard .................................................................. 42

Figura 5.2: Sensor pronto para inserção no calorímetro ................................................. 43

Figura 5.3: Elaboração do calorímetro ........................................................................... 44

Figura 5.4: Sensores dentro do porta garrafa .................................................................. 44

Figura 5.5: Equipamento completo montado ................................................................. 45

Figura 5.6: Sensor de temperatura no multímetro indicando a temperatura ambiente do

ensaio. ............................................................................................................................. 46

Figura 6.1: Preparação da argamassa - mistura mecânica dos materiais ........................ 49

Figura 6.2: Moldagem dos corpos-de-prova................................................................... 50

Figura 6.3: Porta garrafa vedado com a camada de isopor ............................................. 51

vii

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 2.1: Curva típica de elevação adiabática de temperatura do concreto - avaliação

até 24 horas ..................................................................................................................... 24

Gráfico 2.2: Curva típica de elevação adiabática de temperatura do concreto - avaliação

até 28 dias ....................................................................................................................... 24

Gráfico 2.3: Curvas de elevação adiabática de concretos com pozolana de argila ........ 25

Gráfico 2.4: Curvas de elevação adiabática de concretos com pozolana de argila ........ 26

Gráfico 7.1: Amplitude da temperatura dos sensores ..................................................... 58

Gráfico 7.2: Amplitude de temperatura da argamassa ................................................... 59

Gráfico 7.3: Amplitude de temperatura da argamassa ajustada ..................................... 60

Gráfico 7.4: Curva de Elevação da Temperatura ........................................................... 60

Gráfico 7.5: Curva de Aquecimento do CP V-ARI RS .................................................. 61

Gráfico 7.6: Curvas comparativas de aquecimento – Evolução de Temperatura ........... 62

Gráfico 8.1: Gráfico das curvas αθ em função do tempo ............................................... 71

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Calor de hidratação dos compostos do cimento Portland ............................ 17

Tabela 2.2: Calor de hidratação dos cimentos existentes no Brasil................................ 18

Tabela 6.1: Massa dos materiais a ser misturada (garrafa de Langavant) ...................... 47

Tabela 6.2: Massa dos materiais a ser misturada............................................................ 48

Tabela 6.3: Contagem do tempo para início do ensaio................................................... 51

Tabela 6.4: Quantidade de argamassa em cada item do trabalho ................................... 52

Tabela 6.5: Leitura dos sensores (continua) ................................................................... 53

Tabela 7.1: Amplitude da temperatura dos sensores (continua) ..................................... 56

Tabela 8.1: Calores de Hidratação do CP V-ARI RS ..................................................... 67

Tabela 8.2: Calores de hidratação .................................................................................. 68

Tabela 8.3: Calores de hidratação corrigidos ................................................................. 68

Tabela 8.4: Calor de hidratação calculado para o ensaio deste trabalho ........................ 69

Tabela 8.5: Calor de hidratação calculado e ajustado para o ensaio deste trabalho ....... 70

Tabela 8.6: Ensaio de Compressão Simples ................................................................... 72

SUMÁRIO

RESUMO ..................................................................................................... v

LISTA DE FIGURAS ................................................................................ vi

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................ vii

LISTA DE TABELAS .............................................................................. viii

Capítulo 1 : INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ................................ 11

1.1 OBJETIVOS ...................................................................................... 12

1.1.1 Objetivo Geral .............................................................................................. 12

1.1.2 Objetivos Específicos.................................................................................... 12

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ...................................................... 13

Capítulo 2 : REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................... 14

2.1 HISTÓRICO ...................................................................................... 14

2.2 CIMENTO PORTLAND ................................................................... 15

2.2.1 Hidratação do Cimento Portland................................................................ 15

2.2.2 Calor de Hidratação do Cimento Portland ................................................ 16

2.3 EQUAÇÕES GERAIS ....................................................................... 19

2.3.1 Equação Geral da Transmissão de Calor .................................................. 19

2.3.2 Equação Geral de Fourier ........................................................................... 20

2.3.3 Geração de Calor Interno no Concreto ...................................................... 21

2.3.3.1 Formulação de Rastrup ........................................................................... 21

2.3.3.2 Elevação adiabática de temperatura do concreto ................................... 22

2.4 ELEVAÇÃO ADIABÁTICA DE TEMPERATURA ....................... 23

2.4.1 Influência do Consumo de Cimento ........................................................... 25

2.4.2 Influência das Adições minerais ................................................................. 26

Capítulo 3 : SISTEMA DE MEDIÇÃO .................................................. 27

3.1 SENSOR DE TEMPERATURA ....................................................... 27

3.2 AMPLIFICADOR .............................................................................. 29

3.3 ARDUINO ......................................................................................... 32

3.3.1 O Software .................................................................................................... 33

3.4 SISTEMA DE MEDIÇÃO VIRTUAL .............................................. 36

Capítulo 4 : O CALORÍMETRO ............................................................ 39

Capítulo 5 : O EQUIPAMENTO ............................................................. 41

5.1 MATERIAIS UTILIZADOS ............................................................. 41

5.1.1 Sistema de medição ...................................................................................... 41

5.1.2 Calorímetro ................................................................................................... 41

5.1.3 Auxiliares ...................................................................................................... 41

5.2 MONTAGEM DO SISTEMA DE MEDIÇÃO ................................. 42

5.3 MONTAGEM DO CALORÍMETRO ............................................... 43

5.4 EQUIPAMENTO MONTADO ......................................................... 44

Capítulo 6 : PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ............................ 47

6.1 COMPOSIÇÃO DA ARGAMASSA DO ENSAIO .......................... 47

6.2 PREPARAÇÃO DO ENSAIO ........................................................... 50

6.2.1 Contagem do tempo ..................................................................................... 51

6.2.2 Quantidade de argamassa ........................................................................... 52

6.3 ENSAIO ............................................................................................. 52

6.3.1 Intervalos das Medições ............................................................................... 52

6.3.2 Medições de Temperatura ........................................................................... 53

Capítulo 7 : ANÁLISE DAS TEMPERATURAS DOS SENSORES ... 56

Capítulo 8 : CÁLCULOS ......................................................................... 63

8.1 CÁLCULOS TEÓRICOS .................................................................. 63

8.1.1 Aferição do calorímetro ............................................................................... 64

8.1.1.1 Coeficiente de perda calorífica dissipação térmica α ............................. 64

8.1.1.2 Capacidade térmica µ ............................................................................. 65

8.2 CÁLCULOS APROXIMADOS ........................................................ 65

8.2.1 Para o valor de 0,50r + µ ............................................................................. 65

8.2.2 Para o valor de α .......................................................................................... 66

8.2.3 Ajuste da aproximação ................................................................................ 67

8.2.3.1 Análise das curvas de Calor Perdido ...................................................... 71

8.3 ENSAIO DE COMPRESÃO SIMPLES ............................................ 72

Capítulo 9 : CONCLUSÕES .................................................................... 73

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................... 75

11

Capítulo 1 : INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA

Existem duas normas brasileiras para determinação do calor de hidratação do cimento. A

NBR 8809, referente à determinação do calor de hidratação pelo calor de dissolução, é o

método mais comum e consiste em medir o calor de dissolução de cimento não hidratado

e hidratado em uma mistura de ácido nítrico com ácido fluorídrico. A diferença resultante

entre esses dois valores representa o calor de hidratação. Entretanto, nesse ensaio,

deve-se tomar cuidado para evitar a carbonatação do cimento não hidratado,

pois a absorção de 1% de CO2 acarreta em uma redução aparente de 24,3 J/g

sobre o total do calor de hidratação, cujo valor é de 250 J/g a 420 J/g

(NEVILLE, 1997, p. 57).

A NBR 12006 (ABNT, 1990) prescreve a medida do calor de hidratação dos cimentos

por meio de um calorímetro semi-adiabático conhecido como garrafa de Langavant. Por

meio desse ensaio é possível medir o calor de hidratação do cimento ao longo dos 7

primeiros dias. Esse ensaio não é tão preciso quanto o primeiro, pois ele só determina o

calor desprendido até os 7 dias de idade. No entanto, ele se torna muito importante, pois,

o calor que se desprende ao longo dos primeiros dias é o calor que pode resultar em

problemas para o concreto.

Ao se construir estruturas de concreto de alto desempenho com elevado

consumo de cimento, a tensão térmica desenvolvida nessa estrutura, devido ao

calor de hidratação do cimento, apresenta um sério problema no que diz

respeito à ocorrência de fissuras de origem térmica (AÏTCIN, 2000).

Mais precisamente, os danos devido as tensões térmicas, degrada a funcionalidade da

estrutura bem como sua impermeabilidade e durabilidade. Todavia, não se deve

generalizar. Usualmente estruturas de concreto de alto desempenho são esbeltas,

havendo, portanto, grande área de dissipação do calor. Entretanto, em estruturas de

concreto massa, como em grandes barragens, grandes blocos de fundação, etc., esse calor

desprendido expõe a estrutura a efeitos como o da fissuração térmica. Em geral, fissuração

térmica ocorre quando a tensão de tração de origem térmica supera a tensão resistente de

tração da estrutura, especialmente durante a pega e endurecimento inicial onde a tensão

resistente é menor.

12

O estudo do comportamento térmico e tensional de uma massa de concreto é bastante

complexo e envolve variáveis e parâmetros, como as propriedades térmicas (calor

específico dos agregados, dilatação, difusividade e condutividade térmica do concreto,

por exemplo), a temperatura externa, a radiação solar, a umidade, o módulo de

elasticidade e a resistência a tração do concreto. Com esses parâmetros e variáveis e a

geometria das peças é possível analisar usando a técnica dos elementos finitos esse

comportamento em estruturas de concreto.

A Equipe de Furnas (1997) propõe que as condições de lançamento do concreto e

eventuais definições de medidas para o controle da fissuração térmica sejam tomadas com

base em estudos realizados com o emprego das propriedades térmicas reais do concreto

determinadas em ensaios de laboratório. Kruger (2001) demonstra a importância de se

determinar de forma mais precisa os parâmetros do material principalmente no que se

refere às propriedades térmicas.

Assim, esse trabalho visa projetar um sistema de medição que possa avaliar o calor de

hidratação do cimento ao longo dos 7 primeiros dias. O projeto deve ter ser

economicamente viável e de simples elaboração.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Geral

Construir um equipamento capaz de avaliar, o calor de hidratação do cimento ao longo

dos 7 primeiros dias.

1.1.2 Objetivos Específicos

Construir um Calorímetro semi-adiabático artesanal (in house);

Construir um Sistema de Medição capaz de obter e armazenar os valores da

temperatura de uma argamassa dentro do calorímetro;

Elaborar uma argamassa com um cimento de grande resistência inicial;

Realizar um ensaio para avaliar o calor de hidratação do cimento.

13

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho está organizado em 9 capítulos cujas referências bibliográficas

encontram-se no final do texto.

O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica que envolve o trabalho. Nele se encontrará

um histórico da abordagem, a problemática que envolve o calor de hidratação, as

equações gerais que regem o comportamento térmico do concreto e algumas propriedades

térmicas deste.

O capítulo 3 descreve o sistema de medição confeccionado nesse trabalho, seguido do

capítulo 4 que descreve o calorímetro que também foi confeccionado. No capítulo 5, tem-

se a descrição do equipamento, que nada mais é do que a junção do sistema de medição

mais calorímetro.

O capítulo 6 apresenta o procedimento experimental realizado. O capítulo 7 faz a análise

das temperaturas dos sensores que foram obtidas com o equipamento descrito no capítulo

5 e com o procedimento descrito no capítulo 6.

O capítulo 8 mostra os cálculos que foram feitos para a análise do calor de hidratação.

Por fim, no capítulo 9 tem-se as conclusões que foram tomadas do estudo desse trabalho.

14

Capítulo 2 : REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 HISTÓRICO

Por volta de 1900 o concreto de grandes massas era o concreto ciclópico, onde

no concreto normal colocavam-se grandes pedras, de mão. O consumo de

cimento no concreto propriamente dito era elevado, não havendo maiores

cuidados na seleção de cimento e agregados. A consistência do concreto era

fluida, com lançamentos diários que não ultrapassavam poucos m³ por dia, não

se dando importância maior à cura. O adensamento era feito por socamento,

desconhecendo-se ainda os equipamentos de vibração. (PETRUCCI, 1980,

p. 244)

Com o aumento da altura das barragens, do seu volume total e da sua importância, foi

necessário aperfeiçoar os métodos de construção e dar maior cuidado na seleção e

proporcionalidade dos materiais. Com os trabalhos de Abrams, nos meados de 1910,

iniciou-se a tendência de redução da relação agua/cimento e a melhoria dos meios de

adensamento.

Com os estudos de Bogui sobre a constituição do cimento Portland, pôde ser

posta em evidência a contribuição dos diversos compostos para geração de

calor de hidratação, passando-se a partir daí a cuidar melhor não só da

quantidade, como da qualidade do cimento empregado na construção.

(PETRUCCI, 1980, p. 244)

O calor de hidratação tornou-se uma questão importante após a década de 30, quando as

grandes barragens construídas foram danificadas pela fissuração térmica (McHENRY

,1937; KIM et al 2002). A partir de 1940 introduziu-se o resfriamento dos agregados e do

concreto durante o seu endurecimento e/ou fase de execução. Mais recentemente, o uso

de pozolanas, além de resultar em um acréscimo de resistência mecânica e de prover ainda

maior resistência ao concreto contra ataques por sulfatos, mostrou-se eficiente também

para combater o calor de hidratação.

15

2.2 CIMENTO PORTLAND

2.2.1 Hidratação do Cimento Portland

O cimento é composto de uma mistura heterogênea de diversos compostos, estes

compostos estão anidros, mas quando em contato com a água, eles são dissolvidos

formando compostos hidratados. Temporariamente, são soluções instáveis e

supersaturadas, mas gradativamente são precipitados até entrar em equilíbrio com os

componentes hidratados.

Segundo Lea (1970), observa-se dois mecanismos de hidratação. Um primeiro, o

mecanismo da dissolução-precipitação, consiste no fato dos componentes do cimento

serem dissolvidos formando íons na solução, e estes, em seguida combinados com outros

elementos, precipitam os produtos de hidratação. Em um segundo mecanismo, os

componentes do cimento não entrariam em solução, mais sim, as reações de hidratação

aconteceriam no estado sólido, também denominado de mecanismo topoquímico.

Também é relatado por Mehta e Monteiro (1994) que o mecanismo dissolução-

precipitação é dominante nos estágios iniciais de hidratação, e que em estágios

posteriores, quando a mobilidade iônica da solução se torna restrita, promove a hidratação

das partículas de cimento no estado solido.

Segundo Santos (2006), a composição e a finura do cimento têm uma influência

significativa na hidratação do cimento. Quanto mais fino mais rápido é a sua reação. A

taxa de reatividade e por consequência a sua resistência, principalmente a inicial, pode

ser aumentada com a moagem mais fina do cimento. Entretanto, além do custo o calor de

hidratação estabelece limites para essa finura. Geralmente, partículas maiores do que

45μm são difíceis de se hidratar e aquelas maiores que 75μm nunca se hidratam

completamente. Neville (1997) relata que, para uma determinada área especifica do

cimento, o desenvolvimento da resistência às idades iniciais seja melhor se pelo menos

50% das partículas tenham entre 3μm e 30μm.

16

2.2.2 Calor de Hidratação do Cimento Portland

O Calor de hidratação consiste na quantidade de calor, em joules por grama de cimento

não hidratado, que é liberado até a hidratação completa. A rigor, o calor de hidratação,

como é determinado, consiste do calor químico das reações de hidratação e do calor de

adsorção da água na superfície do gel formado pelo processo de hidratação. Este último

calor responde por cerca de um quarto do total do calor de hidratação. Portanto, o calor

de hidratação é, na realidade uma quantidade composta (NEVILLE, 1997).

Quando um cimento é hidratado, os compostos reagem com a água para atingir estados

estáveis de baixa energia, e esse processo é acompanhado pela liberação de energia na

forma de calor, ou seja a reação de hidratação do cimento é uma reação exotérmica e além

disso pode-se dizer que é uma reação termoativada. Ou seja, a evolução da reação de

hidratação é acelerada pelo próprio calor gerado.

O calor de hidratação pode ser um problema, principalmente na construção de grandes

estruturas de concreto. Na prática o que preocupa é a velocidade com que esse calor se

desprende, se o calor é desprendido de forma lenta, haverá um tempo maior para o mesmo

dissipar, ocasionando uma elevação de temperatura menor. Em grandes estruturas de

concreto, como em grandes barragens, o calor de hidratação é produzido

significativamente mais rápido do que ele pode ser dissipado. E em outros casos pode

contribuir, como por exemplo, na concretagem em locais de baixa temperatura, onde

possa fornecer energia de ativação para as reações de hidratação.

A principal dificuldade de introduzir a geração de calor em uma análise teórica

é que a velocidade de liberação de calor depende de sua maturidade, ou seja,

depende da própria temperatura alcançada ao longo do processo de pega e

endurecimento do concreto. (CALMON, 1995)

O real valor do calor de hidratação, depende da composição química do cimento e é muito

aproximadamente igual à soma dos calores de hidratação dos compostos quando

hidratados isoladamente. Na Tabela 1, estão apresentados segundo Battagin e Esper

(1988), os valores do calor de hidratação de cada um dos principais compostos de cimento

a uma determinada idade.

17

Tabela 2.1: Calor de hidratação dos compostos do cimento Portland

Compostos Calores de hidratação a uma dada idade (cal/g) 7 dias 28 dias 6 meses

C3S 110 120 120 C2S 20 45 60 C3A 185 205 207

C4AF 40 50 70

Fonte: Battagin e Esper, 1988; apud Santos, 2006, p.30.

É possível observar que os compostos C3S e C3A tem um maior efeito na quantidade de

liberação de calor no cimento devido ao fato de seus valores individuais de calor gerado

serem maiores.

Taylor (1990) apresenta uma expressão (Equação 2.1) para representar o calor total que

os compostos individuais geram:

H = a(C3S) + b(C2S) + c(C3A) + d(C4AF) (2.1)

Onde:

H Calor de hidratação de uma dada idade e sob dadas condições

a Coeficiente representativo da contribuição C3S.

b Coeficiente representativo da contribuição C2S.

c Coeficiente representativo da contribuição C3A.

d Coeficiente representativo da contribuição C4AF.

Como o calor de hidratação do cimento depende de sua composição química, esse calor

varia conforme cada tipo de cimento. A Tabela 2.2 apresenta o calor de hidratação dos

principais tipos de cimento usados no Brasil, medido em estudos no Laboratório de

Concreto de Furnas Centrais Elétricas S.A..

18

Tabela 2.2: Calor de hidratação dos cimentos existentes no Brasil

Tipo de cimento

Calor de hidratação

(J/g) Idade (dias)

3 7

CP I 266 – 303 280 – 314

CP II – F 185 – 252 239 - 276

CP II – E 241 258

CP II – Z 211 - 236 214 - 250

CP III 199 -224 216 - 257

CP IV 207 - 235 212 - 258

CP V – ARI 222 - 281 229 - 332

Fonte: Banco de dados do laboratório de Furnas; apud Santos, 2006, p. 31.

As faixas apresentadas na Tabela 2.2 correspondem a vários tipos de cimento ensaiados

no laboratório de Furnas. As variações apresentadas para cada tipo de cimento, nesta

tabela, são provenientes da variação das propriedades dos cimentos, tais como finura,

composição, teor de adição, no caso dos cimentos que contêm adições minerais. Portanto,

o objetivo de apresentar essas faixas é mostrar a ordem de grandeza dos valores do calor

de hidratação para vários tipos de cimento.

A geometria da estrutura e sua dimensão, propriedades térmicas do concreto, condições

ambientais (incidência de radiação solar, temperatura ambiente, temperatura das

estruturas adjacentes, etc.), método de execução (tipos de forma, refrigeração, etc.) são

fatores tão significativos quanto a evolução das temperaturas. (CALMON, 1995;

SANTOS, 2006).

As propriedades térmicas têm seu papel importante dentre outras propriedades

do concreto. O conhecimento dessas propriedades é fundamental para

controlar as variações de volume dentro de certos limites e disciplinar a

dissipação do calor gerado pelo concreto, durante a hidratação. As

propriedades térmicas do concreto, bem como as resistências do concreto,

podem variar consideravelmente devido às variações dos materiais,

proporcionamento e produção (ANDRIOLO, 1984; apud SANTOS, 2006,

p. 52).

19

2.3 EQUAÇÕES GERAIS

2.3.1 Equação Geral da Transmissão de Calor

O concreto em sua fase de execução e no decorrer de sua vida útil fica exposto ao

ambiente a sua volta de tal maneira que ocorrem fluxos de calor do meio com a sua

superfície, seja através da transmissão de calor por condução, radiação e condução ou

pela combinação destes. A energia calorífica deste fluxo é transmitida no interior da

massa de concreto pela sua própria condução térmica e sendo diretamente influenciada

pela geração interna de calor que é devida a processos químicos que ocorrem na

hidratação do cimento em suas idades iniciais e com maior intensidade nas primeiras

horas.

Aplicando o teorema da conservação de energia à uma superfície fechada A

que envolve um volume V, o fluxo de calor que sai da mesma em um

incremento infinitesimal de tempo dt, deve ser igual ao calor gerado em seu

interior menos o acumulado por unidade de tempo devido à elevação de

temperatura T (vetor temperatura). (BOTASSI, 2004, p. 16)

∬q . n . dA = ∬ q. dV − ∬ρ. c∂T

∂t. dV

VV

S

(2.2)

Operando as integrais, obtém-se a equação geral da condução de calor de um meio em

um meio anisotrópico em regime transitório (Equação 2.3):

div(−k∇T) − q = −ρ. c.∂T

∂t

(2.3)

Onde:

T Vetor temperatura

q Quantidade de calor gerado por unidade de volume e unidade de tempo

ρ Densidade

c Calor específico

20

k Condutividade térmica do material

2.3.2 Equação Geral de Fourier

O concreto é um meio heterogêneo e descontínuo, cujas propriedades físicas em geral são

variáveis com o tempo e em alguns casos podem variar com a temperatura. Contudo, aqui

poderão ser admitidas algumas hipóteses simplificadores as quais não comprometem de

forma significativa os resultados.

As hipóteses são: Meio homogêneo e continuo, isotropia térmica, homogeneidade térmica

e permanência térmica (GONZÁLEZ, 1981 e MIRAMBELL, 1987; apud BOTASSI,

2004, p. 16). Considerando também a densidade e o calor especifico como campo escalar

constante e a condutividade térmica como campo tensorial de segunda ordem isótropo e

constante.

Admitidas essas hipóteses obtém-se a Equação geral de Fourier (2.4), apresentada abaixo.

∇2T +q

k=

ρ ∙ c

k.∂T

∂t (2.4)

Onde:

T Vetor temperatura


ρ Densidade

c Calor específico

k Condutividade térmica do material

21

2.3.3 Geração de Calor Interno no Concreto

Para a resolução da equação geral de Fourier é necessária previamente determinar o calor

de hidratação para o caso do concreto.

Existem vários processos para se obter o calor gerado devido à pega e endurecimento do

concreto, porém serão destacados a Formulação de Rastrup e a Evolução Adiabática de

Temperatura (BOTASSI, 2004, p. 21)

2.3.3.1 Formulação de Rastrup

A Formulação de Rastrup é baseada em formulação analítica aproximada por resultados

em ensaios. Ela é dada pela Equação 2.5:

q = Cc ∙ n ∙ b ∙ (te)−n−1 ∙ E ∙ e[−b∙(te)−n] ∙

20,10∙(Tt−Tr)

3600 [

W

m³] (2.5)

Onde:

Cc Consumo de cimento por m³ de concreto

𝑡𝑒 Tempo equivalente transcorrido

T𝑡 Temperatura do processo durante o intervalo de tempo Δt

𝑇𝑟 Temperatura de referência para a qual se obtém os parâmetros da função

E, b e n Constantes que dependem de cada material

A Equação 2.5 depende dos parâmetros E, b e n. Cada concreto então terá valores

específicos destas constantes. Para determinar as mesmas necessita-se realizar estudos

experimentais em condições adiabáticas ou quase-adiabáticas.

22

2.3.3.2 Elevação adiabática de temperatura do concreto

Segundo Botassi (2004, p. 22), esse processo de obtenção do calor de hidratação através

do calorímetro adiabático é amplamente utilizado pelo Laboratório de Concreto de Furnas

Centrais Elétricas S.A.

Segundo Gambale (2002, apud BOTASSI, 2004, p. 22), este procedimento apesar de ser

aproximado representa de forma bastante realística o comportamento da geração de calor

interna do concreto obtendo resultados térmicos muito satisfatórios, que garantem a

confiabilidade do mesmo.

O valor de pode então ser encontrado com a Equação 2.6:

= 𝜌 ∙ 𝑐 ∙𝑑𝑇𝑎𝑑

𝑑𝑡 (2.6)

Onde:

T𝑎𝑑 Elevação de temperatura adiabática


ρ Densidade

c Calor específico

Assim, sabendo-se a taxa de variação da temperatura adiabática com o tempo, consegue-

se obter o calor que alimentará a Equação diferencial de Fourier 2.4.

O tópico 2.4 descreve mais detalhadamente os processos e as curvas de elevação

adiabática de temperatura.

23

2.4 ELEVAÇÃO ADIABÁTICA DE TEMPERATURA

A elevação adiabática de temperatura consiste da medida da elevação de temperatura do

concreto proveniente do calor gerado na hidratação do cimento, em condições

adiabáticas. Condição essa na qual um sistema está termodinamicamente equilibrado, ou

seja, o sistema se transforma sem que haja trocas de calor com o meio externo. A norma

que prescreve o ensaio de determinação da elevação adiabática de temperatura é a NBR

12819 (ABNT, 1993).

No ponto central de um grande bloco de concreto, a perda de calor gerado pela hidratação

do cimento é dificultada pela própria massa de concreto envolvente, fazendo assim com

que praticamente não se troque calor com o meio externo, atingindo assim o centro

temperaturas muito maiores do que em sua superfície cuja temperatura é próxima à do

ambiente. Esse gradiente de temperaturas poderá provocar tensões de tração no concreto,

induzindo assim o aparecimento de fissuras.

O conhecimento da elevação da temperatura na condição adiabática é de grande

importância no estudo das tensões de origem térmica do concreto-massa, é de onde

resultam as definições de alturas de camadas de concretagem, intervalo de tempo entre os

lançamentos de camadas e pré ou pós-refrigeração do concreto.

A elevação adiabática do concreto é apresentada em uma curva de evolução da

temperatura pela idade, desde as primeiras horas após a mistura até aproximadamente a

idade onde a temperatura é estabilizada. Pode-se observar um exemplo dessas curvas nos

Gráficos 2.1 e 2.2. Essas curvas são provenientes de ensaio realizado em laboratório com

um concreto convencional de consumo de cimento (CP II–F32) de 312 kg/m³.

Ao analisar a curva do Gráfico 2.1 fica evidente que, nas primeiras horas entre 4 e 8 horas,

o calor gerado pela hidratação do cimento ainda é pouco significativo, devido ao início

das reações de hidratação, mas que com 24 horas, já se tem aproximadamente 30ºC de

elevação da temperatura. Um segundo fator é que a curva tem um comportamento mais

distribuído, ou seja, o aumento das temperaturas é gradativo, para esse tipo de cimento.

24

Gráfico 2.1: Curva típica de elevação adiabática de temperatura do concreto - avaliação até 24 horas


Para a curva do Gráfico 2.2, pode ser observado que, entre 1 e 14 dias de ensaio, a

temperatura elevou aproximadamente 10ºC, chegando ao pico de temperatura, e que de

14 a 28 dias, o calorímetro não tem precisão suficiente para captar as pequenas elevações

de temperatura que ocorrem neste período devido ao processo de hidratação que

apresentam nesse caso uma menor intensidade. E sendo assim, a curva de elevação

adiabática de temperatura se “estabiliza”.

Gráfico 2.2: Curva típica de elevação adiabática de temperatura do concreto - avaliação até 28 dias


00 , 0

00 , 5

00 , 10

00 , 15

, 00 20

25 , 00

30 , 00

35 , 00

40 , 00

00 , 45

00 , 50

24 28 20 16 12 8 4 0

Tempo (horas)

0 , 0

0 , 5

0 10 ,

0 , 15

0 , 20

0 25 ,

30 , 0

35 , 0

0 , 40

45 0 ,

0 , 50

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (dias)

25

2.4.1 Influência do Consumo de Cimento

O cimento é o responsável pela geração de calor, desta forma, o consumo de cimento tem

grande influência e é diretamente proporcional à elevação adiabática do concreto, em

suma quanto maior o consumo de cimento maior a geração de calor.

Botassi (2004) afirma que o laboratório de concreto de Furnas Centrais Elétricas S.A

possui um rico acervo de resultados de ensaios das propriedades térmicas devido à grande

diversidade de materiais ensaiados por esse laboratório para grande número de obras

nacionais e internacionais. Um desses ensaios realizados pela Equipe de Furnas (1997)

demostra a influência do consumo de cimento sob a elevação adiabática de temperatura.

No Gráfico 2.3 estão apresentadas as curvas de elevação adiabática para esses concretos

com diferentes consumos de cimento.

Gráfico 2.3: Curvas de elevação adiabática de concretos com pozolana de argila

Fonte: Elaborado pelos autores, adaptado de Equipe de Furnas, 1997; apud Santos, 2006, p. 55.

Para esses estudos, utilizou-se concretos com o mesmo tipo de cimento e agregado graúdo

de dimensão máxima característica de 152mm, obtendo-se assim uma diferença de

temperatura entre o consumo de 130 kg/m³ e 186 kg/m³ de aproximadamente 10ºC ao

final de 28 dias de ensaio. Dessa forma comprovou-se que quanto maior o consumo de

cimento maior será a elevação adiabática de temperatura do concreto.

26

2.4.2 Influência das Adições minerais

Adições minerais influem na evolução das curvas de elevação adiabática. Ao se utilizar

adições minerais com pouca reatividade é possível controlar uma elevação de

temperatura. Essas adições tem a capacidade de promover reduções significativas nas

elevações de temperatura do concreto, em especial nas primeiras idades, onde são mais

intensas as reações de hidratação (EQUIPE DE FURNAS, 1997). No Gráfico 2.4 estão

apresentadas curvas de elevação adiabática de concretos com pozolana de argila.

Gráfico 2.4: Curvas de elevação adiabática de concretos com pozolana de argila

Fonte: Elaborado pelos autores, adaptado de Equipe de Furnas,1997; apud Santos, 2006, p. 56.

Estes estudos foram realizados com concretos com uma relação de água/cimento igual a

0,70 e com o consumo de cimento igual a 130 kg/m³. Foi feita uma comparação utilizando

concreto de referência sem adições e concretos contendo 18kg/m³ e 26 kg/m³ de pozolana

de argila calcinada.

27

Capítulo 3 : SISTEMA DE MEDIÇÃO

No projeto de um sistema avaliar o calor de hidratação do cimento é necessário,

primeiramente, que ele seja capaz de medir a temperatura do cimento. Ele deverá medi-

la várias vezes e armazenar os seus valores. Então, o sistema de medição será composto

de um circuito de aquisição de dados seguido de um programa de manipulação desses

valores.

3.1 SENSOR DE TEMPERATURA

O sensor LM35 é um sensor de temperatura fabricado pela National Semiconductor, que

apresenta uma tensão de saída linearmente proporcional à temperatura em Celsius. Este

sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente precisa,

fazendo com que a interface de leitura e o controle do circuito seja especialmente fácil.

Recursos do LM35:

Calibrado diretamente em Celsius.

Fator de escala linear de +10,0 mV/ºC.

Precisão de 0,5ºC garantida (a 25ºC).

Faixa total de medição de -55ºC a +150ºC.

Adequado para aplicações remotas.

A Figura 3.1 mostra o circuito básico para medição do LM35 operando na faixa de +2ºC

a +150ºC. A tensão de alimentação Vs, como mostrado na Figura 1, deve estar na faixa

de 4V a 20V.

28

Figura 3.1: Circuito básico do LM35

Fonte: Datasheet do LM35, p. 11

O sensor LM35 é apresentado com vários tipos de encapsulamentos, sendo o mais comum

o TO-92 (Figura 3.2), que mais se parece com um transistor, e oferece ótima relação custo

benefício, por ser o mais barato dos modelos e propiciar a mesma precisão dos demais. A

grande diversidade de encapsulamentos se dá devido à alta gama de aplicações deste

integrado.

Figura 3.2: LM35 com encapsulamento TO-92

Fonte: Datasheet do LM35, p. 22

Para medição das temperaturas do Sistema, foram utilizados 3 sensores de temperatura

LM35 de encapsulamento TO-92 e número de ordem LM35DZ. Tensão de alimentação

+Vs de 5V fornecida pelo Arduino (Tópico 3.3).

1 Disponível em: < http://www.webtronico.com/documentos/LM35.pdf> Acesso em jul. 2014. 2 Disponível em: < http://www.webtronico.com/documentos/LM35.pdf> Acesso em jul. 2014.

http://www.webtronico.com/documentos/LM35.pdf

http://www.webtronico.com/documentos/LM35.pdf

29

Durante a medição com os sensores, a temperatura do cimento certamente não passará

da faixa de 20ºC (inf) a 60ºC (sup). Como a resposta do sensor e de +10mV para cada ºC

de temperatura, tem-se a faixa da tensão de saída Vo:

Voinf= 0mV + 10,0

mV

°C . 20°C ∴ Voinf

= 0,2V

Vosup= 0mV + 10,0

mV

°C . 60°C ∴ Vosup

= 0,6V

𝟎, 𝟐𝐕 ≤ 𝐕𝐨 ≤ 𝟎, 𝟔𝐕 (3.1)

3.2 AMPLIFICADOR

Do ponto de vista conceitual, a mais simples das tarefas no processamento de

sinal é a amplificação de sinal. A necessidade de amplificação existe porque

os transdutores fornecem sinais que chamamos “fracos”, isto é, na faixa de

microvolt (µV) ou milivolt (mV), e que possuem baixa energia. Esses sinais

são muito pequenos para um processamento confiável, que se tornaria muito

mais fácil se a amplitude do sinal fosse maior. O bloco funcional que realiza

essa operação é o amplificador de sinal. (SEDRA e SMITH, 2007, p. 10).

Então, seria conveniente amplificar o valor de Vo para o processamento do sinal se tornar

mais confiável.

Um amplificador de sinal muito usado é o amplificador operacional (Amp Op). Sedra e

Smith (2007) afirmam que é muito fácil projetar circuitos utilizando o Amp Op e que ele

opera em níveis de trabalho muito próximos daqueles previstos teoricamente.

O Amp Op tem 3 terminais, dois terminais de entrada e um terminal de saída. Além disso,

ele deve ser alimentado de uma fonte CC para operar. Deve-se observar que ele não é

empregado individualmente e deve ser conectado a componentes passivos em um circuito

realimentado (Sedra e Smith, 2007).

Uma forma muito simples de amplificar o sinal utilizando o Amp Op é usando uma

configuração não inversora (Figura 3.3).

30

Figura 3.3: A configuração não inversora

Fonte: Elaborada pelos autores.

Essa configuração produz a relação:

𝐺 =

𝑣𝑜

𝑣𝑖= 1 +

𝑅2

𝑅1 (3.2)

Onde G é chamado ganho do circuito.

Introduzindo conceito do ganho na relação (3.1), seria conveniente amplificá-la de uma

forma que o sinal melhorasse. Sabendo que a entrada analógica do Arduino lê valores de

0 a 5V (Tópico 3.3), o sinal amplificado não deve ultrapassar essa faixa de leitura. Um

valor aceitável então, seria amplificar a relação (3.1) 5 vezes, ou seja, G = 5.

𝐺 =𝑣𝑜

𝑣𝑖∴ 𝑣𝑜 = 𝐺. 𝑣𝑖 ∴ 𝑉𝑜′ = 5. 𝑉𝑜

Voinf . G ≤ Vo′ ≤ Vosup

. G

0,2V . 5 ≤ Vo′ ≤ 0,6V . 5

𝟏𝐕 ≤ 𝐕𝐨′ ≤ 𝟑𝐕 (3.3)

Assim, uma tensão que poderia variar 0,4V, passa a poder variar 2V tornando o

processamento mais amplo e confiável.

31

Para haver esse ganho, os valores de R1 e R2 devem ser calculados:

5 = 1 +

𝑅2

𝑅1∴

𝑅2

𝑅1= 4 (3.4)

Quaisquer valores de resistores que façam a relação (3.4) ser verdadeira é aceitável.

No sistema de medição, foi usado R2 = 10kΩ e R1 = 2,5kΩ. O valor R2 é comercial, porém

o de R1 não. Foram utilizadas 4 resistências em série para conseguir o valor desejado de

R1 (uma de 2,2kΩ e três de 100Ω).

Como 3 sensores foram utilizados, 3 amplificadores foram necessários. Então utilizou-se

o LM324N que é um circuito integrado que contém 4 Amp Ops (Figura 3.4)

Figura 3.4: Amp Op LM324

Fonte: Hobbytronics3

A alimentação do LM324N é feita nos pinos 4 e 11. Utilizou-se uma fonte de computador

para fornecer uma tensão de alimentação V=12V.

3 Disponível em: <http://www.hobbytronics.co.za/content/images/thumbs/0001686_lm324_opamp.jpeg> Acesso em jul. 2014.

32

3.3 ARDUINO

Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica criado com o objetivo

de permitir o desenvolvimento de controle de sistemas iterativos, de baixo

custo e acessível a todos. Além disso, todo material (software, bibliotecas,

hardware) é open-source, ou seja, pode ser reproduzido e usado por todos sem

a necessidade de pagamento de direitos autorais. Sua plataforma é composta

essencialmente de duas partes: o Hardware e o Software. (ERUS, 2012, p. 2)

Nesse trabalho, foi utilizado o Arduino UNO, cujo hardware está apresentado na Figura

3.5.

Figura 3.5: Hardware do Arduino UNO

Fonte: Minicurso Arduino4

O Pino de Alimentação de 5V foi usado para alimentar os sensores. O Pino Terra também

foi ligado ao circuito.

“Através da Entrada Analógica, conseguimos utilizar sensores que convertem alguma

grandeza física em valor de tensão [...].” (ERUS, 2012). Ou seja, como foi descrito,

utilizou-se o sensor LM35 que converte a temperatura em tensão. Para isso, os pinos 1, 7

e 14 do amplificador LM324N (Figura 3.4), correspondentes as saídas dos Amp Ops

4 Disponível em: <http://www.inf.ufes.br/~erus/arquivos/ERUS_minicurso%20arduino.pdf>. Acesso em jul. 2014.

33

usados (tensão V0 indicada na Figura 3.3), foram ligados as Entradas Analógicas A0, A1

e A2. A tensão que “entra” por esses pinos (valores na faixa de 0 a 5V) é convertida

posteriormente em bits. Uma tensão de 0V, equivale a 0 bit e uma de 5V, equivale ao

valor máximo, 1023 bits.

O arduino possui um Conversor Serial – USB, que faz a interface entre o software, no

computador, e o hardware. Assim, através de um programa, e possível obter a temperatura

medida pelos sensores, em graus Celsius.

O ambiente de programação do Arduino é um compilador que usa linguagem C e C++.

Ele é bem simples de se utilizar e segundo ERUS (2012), apresenta basicamente duas

funções: permitir o desenvolvimento de um software e o enviá-lo à placa para que ele

possa ser executado.

3.3.1 O Software

O programa deverá ler os valores recebidos pelas Entradas Analógicas e imprimi-los na

forma de temperatura em graus Celsius da seguinte forma:

Imprimir as temperaturas dos 3 sensores assim que a caixa for fechada, já com o

a argamassa dentro.

Nas primeiras 24 horas, imprimir as temperaturas a cada 1 hora.

No segundo dia até o último, o sétimo dia, decorridos 168 horas da primeira

medição, as temperaturas deverão ser impressas a cada 4 horas.

34

Através do comando “analogRead”, o programa faz a leitura da Entrada Analógica em

bits, e em seguida converte esse valor para graus Celsius. A conversão é feita da seguinte

forma:

θ = 25°C

V0 = θ 100 = 25 100⁄ =⁄ 0,25 V

V0′ = 5 Vo = 5 . 0,25 = 1,25 V

N = 1024 bit

5 V . Vo′ − 1 bit =

1024 bit

5 V . 1,25 − 1 bit

N = 255 bits

V = 8 . N = 8 . 255 bits = 2040 bits

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Onde:

θ Temperatura Real em graus Celsius

Vo Tensão de Saída do LM35

V0′ Tensão de Saída do LM324N

N NÚMERO DE BITS - Valor em bits correspondente a 𝑉0′

V VALOR ARMAZENADO - Para uma medição mais confiável a leitura é feita 8

vezes em cada sensor, para depois a média ser calculada

Então, para converter o VALOR ARMAZENADO para Temperatura Real, basta “voltar”

as Equações de 3.5 a 3.9, e assim chega-se a seguinte conversão:

θ = V. 0,012207031 (3.10)

A Equação 3.10 foi utilizada no programa, e assim, o valor impresso na tela do

computador já informava a Temperatura Real em graus Celsius.

35

Abaixo, o software desenvolvido:

“

int dia, diacerto, i, m, leitura0, leitura1, leitura2, aux0, aux1, aux2;

float temperatura0, temperatura1, temperatura2;

void setup()

pinMode(A0, INPUT);

pinMode(A1, INPUT);

pinMode(A2, INPUT);

Serial.begin(9600);

void loop()

Serial.println("DIA 1:");

for(m=0; m<24; m++)

aux0=0;

aux1=0;

aux2=0;

for(i=0; i<8; i++)

leitura0=0;

leitura0=analogRead(A0);

aux0=aux0+leitura0;

delay(100);

leitura1=0;


aux1=aux1+leitura1;

delay(100);

leitura2=0;


aux2=aux2+leitura2;

delay(100);

temperatura0=aux0*0.012207031;



Serial.print(temperatura0);

Serial.print("/");


Serial.print("/");

Serial.println(temperatura2);

delay(3597600);

for(dia=0;dia<6;dia++)

diacerto=dia+2;

Serial.print(diacerto);

Serial.println(":");

for(m=0; m<6; m++)

aux0=0;

aux1=0;

aux2=0;

for(i=0; i<8; i++)

36

leitura0=0;


aux0=aux0+leitura0;

delay(100);

leitura1=0;


aux1=aux1+leitura1;

delay(100);

leitura2=0;


aux2=aux2+leitura2;

delay(100);





Serial.print("/");


Serial.print("/");

Serial.println(temperatura2);

delay(14397600);

”

3.4 SISTEMA DE MEDIÇÃO VIRTUAL

Foi utilizado o software Proteus 8 para simular a operação dos sensores e amplificadores.

Esse software é interessante, pois ele simula próximo a condição real dos componentes.

Toda vez que o circuito é animado, para uma mesma temperatura, ele apresenta pequenas

variações na resposta final no voltímetro.

Pela Figura 3.6, pode-se observar o resultado apresentado em um momento que ele foi

pausado.

37

Figura 3.6: Simulação elaborada no Proteus 8


Para o LM35 U1:

θ1 = 20°C

Vo1 = 20°C . 10mV

°C= 0,20 V

Vo′1 = G . Vo1 = 5 . 0,20 = 1,00 V

(3.11)

(3.12)

No simulador, 𝑉𝑜′1 = 1,00 𝑉, e o resultado é igual ao teórico.

38

Para o LM35 U2:

θ2 = 28°C

Vo2 = 28°C . 10mV

°C= 0,28 V

Vo′2 = G . Vo2 = 5 . 0,28 = 1,40 V

(3.13)

(3.14)

No simulador, 𝑉𝑜′2 = 1,37 𝑉, e o resultado é bem próximo do teórico.

Para o LM35 U3:

θ3 = 25°C

Vo3 = 25°C . 10mV

°C= 0,25 V

Vo′3 = G . Vo3 = 5 . 0,25 = 1,25 V

(3.15)

(3.16)

No simulador, 𝑉𝑜′3 = 1,20 𝑉, e o resultado é bem próximo do teórico.

Com a simulação funcionando corretamente, e a programação no Arduino desenvolvida,

o Sistema de Medição foi montado juntamente com o calorímetro semi-adiabático.

39

Capítulo 4 : O CALORÍMETRO

O sistema de medição já descrito no tópico anterior foi introduzido em um calorímetro.

Segundo Marques [2012?], um calorímetro pode ser qualquer recipiente isolado

termicamente do ambiente externo.

Para construção dessa etapa, utilizou-se como referência um Calorímetro semi-

adiabático, conhecido como Garrafa de Langavant (Figura 4.1).

Figura 4.1: Garrafa ou Calorímetro de Langavant

Fonte: Atelier Dyé Méca5

A Garrafa de Langavant possui um custo extremamente alto, e a ideia de concepção desse

projeto, é conseguir construir um aparato que seja tão eficiente quanto este, porém

construído de forma mais simples e com custo reduzido.

As informações da garrafa e do procedimento de ensaio que aqui serão utilizadas como

referência e comparação foram retiradas da “NBR 12006:90 – Cimento – Determinação

do calor de hidratação pelo método da garrafa de Langavant” e do “Manual da Qualidade:

Determinação do Calor de Hidratação do Cimento pelo Método da Garrafa de Langavant”

fornecido pelo Departamento de Apoio e Controle Técnico de Furnas Centrais Elétricas

S.A., que também utiliza essa mesma NBR na referência e acrescenta ou retira outros

dados.

5 Disponível em: <http://www.atelier-dye-meca.com//>. Acesso em out. 2014.

40

A garrafa de Langavant “consiste de uma ampola de vidro de parede dupla, espelhadas e

com forte vácuo entre as paredes.” (NBR 12006, ABNT, 1990, p. 1). Dentro dela é

colocado um recipiente que contém a argamassa que será ensaiada. O recipiente para a

amostra de argamassa “consiste em um cilíndrico metálico de (80 ± 2)mm de diâmetro

interno e (168 ± 5)mm de altura” (NBR 12006, ABNT, 1990, p. 3)

O recipiente escolhido para “substituir” o da NBR 12006 (ABNT, 1990), foi um porta

garrafa de cerveja de 1 litro, que já possui certo isolamento. Suas dimensões interiores

são de 92mm de diâmetro e aproximadamente 180 mm de altura (volume

aproximadamente 40% maior que o do recipiente da NBR 12006 (ABNT, 1990)). Esse

recipiente teve seu isolamento reforçado e formou o calorímetro desse projeto.

41

Capítulo 5 : O EQUIPAMENTO

5.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Para construir o equipamento os materiais listados abaixo foram utilizados.

5.1.1 Sistema de medição

1 amplificador LM324N;

3 sensores de temperatura LM35;

Arduino UNO;

Fios para jumper;

Fonte de computador;

Protoboard;

Resistores (3 de 10kΩ, 3 de 2,2kΩ e 9 de 100Ω).

5.1.2 Calorímetro

Bolsa térmica;

Folhas de isopor;

Porta garrafa de cerveja de 1 L.

5.1.3 Auxiliares

Alicates;

Ferro de solda e fio de estanho;

Fita isolante;

Massa epóxi;

Multímetro;

Silicone acético;

Sonda.

42

5.2 MONTAGEM DO SISTEMA DE MEDIÇÃO

O circuito da Figura 3.6 foi montado no protoboard. Dos 3 sensores LM35 utilizados, 1

ficou no protoboard para medir a temperatura externa. Dessa forma ele funcionou como

um parâmetro e controlador da temperatura ambiente. O circuito foi alimentado com a

fonte de computador. As saídas desse circuito foram ligadas as entradas analógicas do

Arduino Uno. O Arduino Uno foi conectado ao computador.

Figura 5.1: Circuito montado no protoboard


43

Figura 5.2: Sensor pronto para inserção no calorímetro


Os outros 2 sensores foram preparados para serem inseridos dentro do porta garrafa, para

medirem a temperatura interna da argamassa. Eles foram soldados aos fios, os fios foram

protegidos com sonda, e o isolamento feito com silicone (Figura 5.2). Esse procedimento

foi necessário uma vez que os sensores ficariam imersos na argamassa com água (antes

da pega). Qualquer descuido poderia ocasionar em um curto-circuito e total falha da

medição. Os fios conectaram os sensores ao protoboard.

5.3 MONTAGEM DO CALORÍMETRO

O calorímetro foi montado da seguinte forma. A bolsa térmica foi utilizada como reforço

de isolamento térmico (Figura 5.3a). Folhas de isopor foram cortadas e encaixadas para

isolar e preencher o espaço vazio entre o porta garrafa e a bolsa (Figura 5.3b). A Figura

5.3c mostra a bolsa já com uma parte do isopor dentro e a Figura 8d mostra o porta garrafa

com furos que foram feitos para os fios passarem e atravessarem o calorímetro até o

protoboard (Figura 5.3d).

44

Figura 5.3: Elaboração do calorímetro


5.4 EQUIPAMENTO MONTADO

Figura 5.4: Sensores dentro do porta garrafa


45

Os 2 sensores LM35 foram inseridos dentro do porta garrafa (Figura 5.4). Os furos já com

os fios atravessados foram vedados com massa epóxi.

O equipamento completo montado com o protoboard, calorímetro, sensores, computador,

fonte de alimentação e Arduino é mostrado na Figura 5.5.

Figura 5.5: Equipamento completo montado


A sala escolhida para receber o equipamento e execução do ensaio foi preparada. Forrou-

se as aberturas da porta com papelão (isolante). Tomou-se o cuidado para escolher um

lugar que não batesse sol durante o dia. Utilizou-se o sensor de temperatura contido no

multímetro para controlar de tempos em tempos a temperatura ambiente da sala. Quando

ela aumentava um pouco, o ar condicionado era ligado. O objetivo era que a temperatura

ambiente se mantivesse em torno de 23ºC (Figura 5.6), pois segundo a NBR 12006

(ABNT, 1990), ela deve ser de 23 ± 2ºC.

46

Figura 5.6: Sensor de temperatura no multímetro indicando a temperatura ambiente do ensaio.


47

Capítulo 6 : PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

6.1 COMPOSIÇÃO DA ARGAMASSA DO ENSAIO

Segundo FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS (2002)6, a massa dos materiais a ser

misturada é de (Tabela 6.1):

Tabela 6.1: Massa dos materiais a ser misturada (garrafa de Langavant)

Cimento 360,0 (± 0,5 g)

Areia 1080 (± 1 g)

#16 270,0 (± 0,25 g)

#30 270,0 (±0,25 g)

#50 270,0 (±0,25 g)

#100 270,0 (±0,25 g)

Água 180,0 (± 0,5 g)

Massa Total 1620,0 (± 2 g)

Fonte: Furnas Centrais Elétricas, 2002, p. 4.

Foi utilizado o mesmo traço da Tabela 6.1 para a argamassa desse trabalho, porém uma

quantidade maior foi misturada. O volume do porta garrafa como já dito é cerca de 40%

maior e também foram montados 2 corpos-de-prova (100 mm de altura e 50 mm de

diâmetro) para ensaio de compressão. Então, para o cálculo do volume total, tem-se:

Vt = Vpg + 2 ∙ Vcp

Vt = (π 9,22

4)18 + 2 × (

π 52

4)10 ∴ 𝐕𝐭 = 𝟏𝟓𝟖𝟗, 𝟐𝟕 𝐜𝐦𝟑

(6.1)

Onde:

Vt Volume total

Vpg Volume do porta garrafa

Vcp Volume do corpo-de-prova

6 Aqui, citou-se FURNAS CENTRIAS ELÉTRICAS (2002), pois a NBR 12006 (ABNT, 1990) cita somente a quantidade dos materiais, mas não fraciona a massa da areia em peneiras.

48

O volume do recipiente (Vr) para a amostra de argamassa da NBR 12006 (ABNT, 1990)

é:

Vr = (π 82

4 ) 16,8 ∴ 𝐕𝐫 = 𝟖𝟒𝟒, 𝟒𝟔 𝐜𝐦𝟑 (6.2)

Então, a razão de volumes (R) é:

R = Vt

Vr=

1589,27

844,46 ∴ 𝐑 = 𝟏, 𝟖𝟖 (6.3)

Colocando uma margem de segurança de 10%7, a nova razão de volume (R′) é:

R′ = 1,88 ∙ 1,1 = 2,068 ∴ 𝐑′ ≅ 𝟐, 𝟏 (6.4)

A massa de materiais que deverá ser misturada para esse projeto então deverá ser 2,1

vezes a massa da Tabela 6.1.

A Tabela 6.2 mostra a massa teórica dos materiais a ser misturada para esse projeto e a

massa real que foi medida pela balança de precisão no laboratório no dia da preparação e

início do ensaio.

Tabela 6.2: Massa dos materiais a ser misturada

Massa Teórica Massa Real

Cimento 756 (± 1 g) 756,9 g

Areia 2268 (± 2 g) 2268,5 g

#16 567,0 (± 0,5 g)

#30 567,0 (±0,5 g)

#50 567,0 (±0,5 g)

#100 567,0 (±0,5 g)

Água 378 (± 1 g) 378,1 g

Massa Total 3402 (± 4 g) 3403,5 g


7 Essa margem de segurança utilizada foi para garantir que não faltasse material durante a execução do ensaio, pois houve uma certa insegurança com relação as dimensões do porta garrafa (dificuldade de medição) e a quantidade de massa de argamassa que caberia dentro dele.

49

O cimento utilizado no ensaio foi o CP V-ARI RS Fácil da Holcim, que é um cimento de

alta resistência inicial. A areia utilizada foi a Areia Normal Brasileira do IPT.

A areia normal brasileira é um material de referência utilizado por todos os

laboratórios nacionais que realizam ensaios físico-mecânicos de cimento

Portland, [...], seja pelos laboratórios de materiais de construção civil, em

geral. A exigência do uso da areia normal brasileira como material de

referência está estabelecida na norma ABNT NBR 7215: 1996 [...]. (IPT,

acesso em out. 2014)

A mistura mecânica dos materiais (Figura 14) foi efetuada conforme procedimento

descrito na página 3 da NBR 72158 (ABNT, 1990). Esse procedimento é um pouco mais

“completo” e minucioso, com isso mais demorado, que o descrito pela NBR 12006

(ABNT, 1990) na página 4. Optou-se por essa forma de mistura, porque além do ensaio

de temperatura, também será feito o de compressão.

Figura 6.1: Preparação da argamassa - mistura mecânica dos materiais


8 NBR 7215:1996 – Determinação da Resistência a Compressão: Essa Norma especifica o método de determinação da resistência a compressão de cimento Portland.

50

6.2 PREPARAÇÃO DO ENSAIO

Após o fim da mistura, efetuou-se a moldagem de 2 corpos-de-prova de acordo com a

NBR 7215 (ABNT, 1996).

Figura 6.2: Moldagem dos corpos-de-prova


Em seguida, o que sobrou da mistura foi colocado em um saco plástico e levado para a

sala onde seria feito o ensaio. A argamassa foi introduzida no porta garrafa em camadas.

A cada camada, o porta garrafa era agitado e batido com cuidado contra o fundo de isopor,

de modo a adensar e reduzir os vazios.

Segundo a NBR 12006 (ABNT, 1990), a argamassa deve ser introduzida no recipiente

dentro da garrafa de Langavant de uma vez só. “Após o enchimento, promover o

adensamento da argamassa por meio de dez golpes suaves do fundo contra uma superfície

macia (borracha)” (NBR 12006, ABNT, 1990, p. 5)

O método descrito no parágrafo acima foi um pouco diferente do utilizado nesse ensaio.

Escolheu-se encher o porta garrafa em etapas porque além do seu volume (e por

consequência, a quantidade de argamassa usada) ser maior, devia-se ter o maior cuidado

para não comprometer os sensores que se encontravam dentro.

Em seguida, cobriu-se o porta garrafa com mais uma camada de isopor (Figura 6.3) e a

bolsa térmica foi fechada. Então, teve o início das medições de temperatura.

51

Figura 6.3: Porta garrafa vedado com a camada de isopor


6.2.1 Contagem do tempo

Para a ensaio da Garrafa da Langavant, “o tempo total decorrido desde o contato da água

de amassamento com o cimento até a colocação das garrafas em sua posição definitiva

não deve ser superior a 10 min” (NBR 12006, ABNT, 1990, p. 5).

Nesse trabalho, o tempo total decorrido foi um pouco maior (Tabela 6.3). Isso ocorreu

porque a sala do ensaio ficava longe do laboratório onde foi preparada a argamassa (e

também porque a mistura foi mistura foi mais demorada).

Tabela 6.3: Contagem do tempo para início do ensaio.

09:14 Início da mistura (contato água cimento)

09:20 Fim da mistura e início da preparação dos corpos de prova

09:23 Argamassa colocada no saco plástico e levada para a sala do ensaio

09:40 Início da colocação da argamassa no porta garrafa

09:47 Fechamento na bolsa térmica e início do ensaio

Tempo total decorrido = 33 minutos


52

6.2.2 Quantidade de argamassa

A Tabela 6.2, mostrou a massa real que foi misturada no ensaio. Dessa massa, uma parte

foi para os corpos-de-prova, outra foi para o porta garrafa, e o resto sobrou no saco

plástico e foi descartado. Efetivamente, a argamassa contida no porta garrafa é a massa

do ensaio (ver Tabela 6.4, linha 3).

Tabela 6.4: Quantidade de argamassa em cada item do trabalho

Massa do corpo-de-prova 1 421,2 g

Massa do corpo-de-prova 2 421,2 g

Massa no porta garrafa 2503,9 g


6.3 ENSAIO

6.3.1 Intervalos das Medições

Assim que as medições de temperatura no calorímetro iniciaram, se teve efetivamente o

início do ensaio. Como já foi dito no tópico 3.3.1, o software foi programado para medir

a temperatura a cada hora, nas primeiras 24 horas e depois, a cada 4 horas, até o fim do

sétimo dia. O que não ficou claro antes, foi a exigência desses horários de leitura.

Para os intervalos de leitura desse ensaio, utilizou-se como referência o Manual da

Qualidade de Furnas que diz que “durante o período das primeiras 24 horas faz-se leituras

consecutivas, após a leitura inicial com intervalos de 1 hora entre elas. Após esse período,

deve-se fazer pelo menos cinco leituras diárias até o fim do ensaio.” (FURNAS

CENTRAIS ELÉTRICAS, 2002)

A NBR 12006 (ABNT, 1990) prevê a leitura do termômetro na garrafa de Langavant de

uma forma mais diferenciada. Na página 5 ela diz que nas primeiras 5 horas, fazem-se

leituras a cada 1 hora e depois esse intervalo passa para 2 horas até a ocorrência da

temperatura máxima. Depois ela diz que devem ser feitas pelo menos “5 leituras diárias

em espaços constantes, sendo obrigatória a leitura de 72h”.

53

Vale ressaltar que essa mudança de tempo de leitura é alterada na programação do

software. Qualquer intervalo desejado pode ser aplicado. Por exemplo: se for desejado

que a medição seja feita a cada 5 min durante 10 dias, basta mudar alguns valores na

programação de uma forma bem simples9.

6.3.2 Medições de Temperatura

As leituras de temperatura dos sensores foram armazenadas no computador e aqui são

mostradas na Tabela 6.5.

Tabela 6.5: Leitura dos sensores (continua)

Tempo

decorrido em

horas

Horário Sensor 1

T1(ºC)

Sensor 2

T2(ºC)

Externo

TE(ºC)

0 09:47 24,57 23,34 22,09

1 10:47 25,43 23,62 22,34

2 11:47 25,72 23,72 22,57

3 12:47 26,95 24,25 22,97

4 13:47 29,02 27,47 23,06

5 14:47 32,75 31,12 23,13

6 15:47 38,29 36,49 23,16

7 16:47 46,98 45,01 22,44

8 17:47 52,99 51,01 21,90

9 18:47 54,32 52,45 22,16

10 19:47 53,74 51,82 22,61

11 20:47 52,36 50,45 22,86

12 21:47 50,56 48,86 22,64

13 22:47 48,89 47,13 22,71

14 23:47 47,49 45,59 22,83

15 00:47 46,02 44,13 22,80

16 01:47 44,56 42,71 22,81

17 02:47 43,02 41,33 22,79

18 03:47 41,55 39,95 22,75

19 04:47 40,55 38,78 22,75

20 05:47 39,31 37,66 22,78

21 06:47 38,54 36,34 22,75

22 07:47 37,39 35,71 22,72


9 Nessa questão deve-se apenas se precaver quanto a estabilidade do computador durante um tempo maior (problemas de energia) e também com a capacidade de processamento e armazenamento dos dados (mais valores implicam maior cuidado).

54

Tabela 6.5: Leitura dos sensores (conclusão)

Tempo

decorrido em

horas

Horário Sensor 1

T1(ºC)

Sensor 2

T2(ºC)

Externo

TE(ºC)

23 08:47 36,22 34,74 22,71

24 09:47 35,50 33,69 22,77

28 13:47 32,29 30,77 23,21

32 17:47 30,60 28,93 24,33

36 21:47 29,00 27,38 22,34

40 01:47 27,77 26,01 23,80

44 05:47 27,04 25,28 23,73

48 09:47 26,60 25,02 23,74

52 13:47 25,92 24,43 22,30

56 17:47 25,09 23,93 23,40

60 21:47 24,48 23,55 23,54

64 01:47 24,85 23,66 22,29

68 05:47 24,63 22,88 21,96

72 09:47 24,12 22,22 21,74

76 13:47 23,75 21,90 22,56

80 17:47 23,94 22,46 23,28

84 21:47 23,72 22,53 23,44

88 01:47 24,08 22,46 23,39

92 05:47 24,21 22,45 23,32

96 09:47 24,41 22,74 23,13

100 13:47 24,44 22,67 23,47

104 17:47 24,19 22,79 23,24

108 21:47 25,05 22,86 23,49

112 01:47 23,96 22,49 21,56

116 05:47 23,96 21,91 21,61

120 09:47 23,39 21,89 21,68

124 13:47 23,55 21,31 21,52

128 17:47 22,94 21,31 21,63

132 21:47 22,85 21,37 21,72

136 01:47 23,34 21,03 21,45

140 05:47 22,80 21,26 21,45

144 09:47 22,69 21,02 21,72

148 13:47 22,57 21,25 22,84

152 17:47 22,57 21,62 22,94

156 21:47 22,55 21,45 23,06

160 01:47 22,86 21,63 23,16

164 05:47 23,10 21,51 23,25

168 09:47 23,56 21,63 23,27


55

Pela Tabela 6.5, pode-se observar que a temperatura máxima atingida pela argamassa

ocorreu após 9 horas de início do ensaio. Também pode-se verificar que a temperatura

atingiu o equilíbrio com 76 horas, 4 horas depois do ensaio ter chegado a metade do seu

tempo (72 horas).

Outra ponto para comprovar, é que a temperatura ambiente da sala, como já foi dito,

deveria permanecer durante o ensaio 23 ± 2ºC. Analisando o sensor externo (última

coluna da Tabela 5), observa-se que esse intervalo foi obedecido, pois o maior desvio se

deu às 136 e 140 horas (temperatura igual a 21,45°C) e foi de -1,55°C.

56

Capítulo 7 : ANÁLISE DAS TEMPERATURAS DOS SENSORES

Para a análise de temperatura, não interessa o seu valor como apresentado na Tabela 6.5,

mas sim a sua diferença em relação a um valor referencial, ou amplitude, conhecido como

o ∆T. A Tabela 6.5 então foi reformulada, colocando referência a temperatura de 23ºC

(temperatura ambiente desejada para a sala). Ver Tabela 7.1.

Tabela 7.1: Amplitude da temperatura dos sensores (continua)

Tempo

decorrido em

horas

Horário

Sensor 1 Sensor 2 Externo

∆𝐓𝟏() ∆𝐓𝟐() ∆𝐓𝐄()

0 09:47 1,57 0,34 -0,91

1 10:47 2,43 0,62 -0,66

2 11:47 2,72 0,72 -0,43

3 12:47 3,95 1,25 -0,03

4 13:47 6,02 4,47 0,06

5 14:47 9,75 8,12 0,13

6 15:47 15,29 13,49 0,16

7 16:47 23,98 22,01 -0,56

8 17:47 29,99 28,01 -1,10

9 18:47 31,32 29,45 -0,84

10 19:47 30,74 28,82 -0,39

11 20:47 29,36 27,45 -0,14

12 21:47 27,56 25,86 -0,36

13 22:47 25,89 24,13 -0,29

14 23:47 24,49 22,59 -0,17

15 00:47 23,02 21,13 -0,20

16 01:47 21,56 19,71 -0,19

17 02:47 20,02 18,33 -0,21

18 03:47 18,55 16,95 -0,25

19 04:47 17,55 15,78 -0,25

20 05:47 16,31 14,66 -0,22

21 06:47 15,54 13,34 -0,25

22 07:47 14,39 12,71 -0,28

23 08:47 13,22 11,74 -0,29

24 09:47 12,50 10,69 -0,23

28 13:47 9,29 7,77 0,21

32 17:47 7,60 5,93 1,33

36 21:47 6,00 4,38 -0,66

40 01:47 4,77 3,01 0,80

44 05:47 4,04 2,28 0,73

Nota: ∆𝑇𝑛 = 𝑇𝑛 − 23, 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑛 = 1, 2 𝑜𝑢 𝐸.


57

Tabela 7.1: Amplitude da temperatura dos sensores (conclusão)

Tempo

decorrido em

horas

Horário

Sensor 1 Sensor 2 Externo

∆𝐓𝟏() ∆𝐓𝟐() ∆𝐓𝐄()

48 09:47 3,60 2,02 0,74

52 13:47 2,92 1,43 -0,70

56 17:47 2,09 0,93 0,40

60 21:47 1,48 0,55 0,54

64 01:47 1,85 0,66 -0,71

68 05:47 1,63 -0,12 -1,04

72 09:47 1,12 -0,78 -1,26

76 13:47 0,75 -1,10 -0,44

80 17:47 0,94 -0,54 0,28

84 21:47 0,72 -0,47 0,44

88 01:47 1,08 -0,54 0,39

92 05:47 1,21 -0,55 0,32

96 09:47 1,41 -0,26 0,13

100 13:47 1,44 -0,33 0,47

104 17:47 1,19 -0,21 0,24

108 21:47 2,05 -0,14 0,49

112 01:47 0,96 -0,51 -1,44

116 05:47 0,96 -1,09 -1,39

120 09:47 0,39 -1,11 -1,32

124 13:47 0,55 -1,69 -1,48

128 17:47 -0,06 -1,69 -1,37

132 21:47 -0,15 -1,63 -1,28

136 01:47 0,34 -1,97 -1,55

140 05:47 -0,20 -1,74 -1,55

144 09:47 -0,31 -1,98 -1,28

148 13:47 -0,43 -1,75 -0,16

152 17:47 -0,43 -1,38 -0,06

156 21:47 -0,45 -1,55 0,06

160 01:47 -0,14 -1,37 0,16

164 05:47 0,10 -1,49 0,25

168 09:47 0,56 -1,37 0,27

Nota: ∆𝑇𝑛 = 𝑇𝑛 − 23, 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑛 = 1, 2 𝑜𝑢 𝐸.


58

Com os valores da Tabela 7.1, foi feito o Gráfico 7.1 que mostra o comportamento dos 3

sensores.

Gráfico 7.1: Amplitude da temperatura dos sensores

Fonte: Elaborado pelos autores.

Como se pode observar, o Gráfico 7.1 apresenta bastante ruído. Isso é devido

principalmente a dois fatores: a falta de precisão do circuito e a variação da temperatura

ambiente. Vale dizer que a falta de precisão do circuito não é somente devido ao sensor,

mas sim ao longo de todo o processo envolvido no sistema de medição. A temperatura

variou um pouco no ambiente, mas, como já visto, isso ocorreu numa faixa aceitável.

Contudo, deve-se comentar que o controle de temperatura ocorreu de forma totalmente

manual: quando era observado uma elevação na temperatura de acordo com o sensor do

multímetro, o ar era ligado, e quando a temperatura caía, o ar era desligado.

Uma forma de tornar os valores medidos mais precisos, é fazer uma média das

temperaturas dos 2 sensores que ficaram imersos na argamassa. Poderiam ter sido

utilizados mais sensores na medição e com isso, teria-se maior certeza e precisão dos

valores aprensentados. O Gráfico 7.2 mostra a nova curva. O sensor externo agora será

“desconsiderado”, já que foi mostrado que os valores da temperatura externa são

aceitáveis, pois, se encontram dentro do limite imposto.

59

Gráfico 7.2: Amplitude de temperatura da argamassa


O Gráfico 7.2 mostra o comportamento de forma mais clara e mais suave. Observando o

erro de precisão que os pontos dessa curva podem apresentar, tomou-se a liberdade de

ajustar a curva no eixo ∆T para torná-la mais “fina”. A maior alteração que ocorreu na

curva antes dela atingir a temperatura ambiente (antes das 76 horas) foi para o ponto de

tempo decorrido igual a 64 horas. Observe:

∆Tanterior − ∆Tatual = 1,255 − 0,885 = 0,37

(7.1)

Onde:

∆Tanterior Amplitude de temperatura anterior

∆Tatual Amplitude de temperatura alterada

Esse valor de 0,37 é completamente aceitável pois é menor que a precisão do sistema de

medição. Portanto de uma forma geral, ele não prejudica o caráter da curva.

Depois que a curva atingiu o temperatura ambiente (depois das 76 horas) ajustou-se os

valores para ∆T igual a 0. Aqui já foi explicado que o desvio de ± 2°C é aceitável e, para

a média desses sensores, o maior ocorreu no tempo de 144 horas e foi de -1,145°C.

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

ΔT

(°C

)

Tempo decorrido (horas)

Média Sensores 1 e 2

60

O Gráfico 7.3 mostra a curva ajustada. Com esse gráfico é possível trabalhar os resultados

e compará-los.

Gráfico 7.3: Amplitude de temperatura da argamassa ajustada


Aproximando esse gráfico somente para a faixa de elevação de temperatura, tem-se o

comportamento observado no Gráfico 7.4.

Gráfico 7.4: Curva de Elevação da Temperatura


-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

ΔT

(°C

)


Média Sensores 1 e 2 ajustada

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10

ΔT

(°C

)


Elevação de Temperatura

61

No gráfico apresentado da elevação de temperatura ao longo do tempo (Gráfico 7.4) tem-

se entre 0 e 4 horas que o calor gerado ainda é pouco significativo devido ao início das

reações de hidratação, período esse chamado de período de latência ou dormência.

Contudo, com 9 horas atinge aproximadamente 30ºC em uma rápida ascensão de

temperatura, o que indica que o cimento possui elevada resistência inicial e é muito

reativo, comportamento característico desse tipo cimento composto de clínquer com alto

teor de C3S e finamente moído. Todo esse comportamento ocorreu conforme o esperado

para o cimento CP V-ARI RS.

É possível comparar a evolução de temperatura obtida nesse ensaio com a obtida pelo

laboratório de Furnas através do ensaio da garrafa de Langavant (Gráfico 7.5).

Gráfico 7.5: Curva de Aquecimento do CP V-ARI RS

Fonte: Eletrobras Furnas, p. 1.

62

Superpondo o Gráfico 7.5 no Gráfico 7.3, pode-se comparar os valores (Gráfico 7.6).

Gráfico 7.6: Curvas comparativas de aquecimento – Evolução de Temperatura


Comparando as curvas em Gráfico 7.6, observa-se que a elevação máxima de temperatura

para ambas é praticamente 30ºC. A diferença está que para Furnas, ela ocorreu após 13

horas e para esse ensaio, ela ocorreu após 9 horas, ou seja a elevação foi mais rápida.

Uma sugestão para essa diferença está na teoria contida no tópico 2.2.1. Santos (2006)

afirma que quanto mais fino for o cimento, mais rápido é a sua reação.

Calmon (1995) afirma que a reatividade dos cimentos de composição similar podem

diferir, pois dependem da história de processamento ou fabricação do cimento,

principalmente da velocidade de queima do clínquer, da temperatura de queima e

velocidade de resfriamento.

Então, mesmo com a diferença do tempo da reação, considera-se que o resultado está

dentro do esperado e é aceitável.

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200

ΔT

(°C

)


Comparação curvas de aquecimento

Curva do ensaio

Curva de Furnas

63

Capítulo 8 : CÁLCULOS

8.1 CÁLCULOS TEÓRICOS

De acordo com a NBR 12006 (ABNT, 1990) e FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS

(2002), o calor de hidratação do cimento deve ser calculado:

𝑄𝑡 = 𝑞𝑙 + 𝑞𝑝

𝑄𝑡 =𝑀

𝑐∙ 𝜃𝑡 +

1

𝑐∫ 𝛼𝜃 ∙ 𝑑𝑡0

(8.1)

(8.2)

Onde:

Q𝑡 Calor de hidratação total no instante t, em 𝐽𝑔−1 de cimento

q𝑙 Calor latente contido na garrafa no instante t, em 𝐽𝑔−1 de cimento

q𝑝 Calor perdido pela garrafa no instante t, em 𝐽𝑔−1 de cimento

M Capacidade calorífica total do calorímetro e da amostra em 𝐽−1

α Coeficiente de perda calorífica, em 𝐽ℎ−1−1 (é uma constante de perda do

aparelho que varia em função da temperatura 𝜃 desenvolvida no interior da

garrafa)

c Massa do cimento contida na argamassa, em g

ar Massa da areia contida na argamassa, em g

a Massa de água contida na argamassa em g

r Massa do conjunto da lata + tampa, em g

𝜇 Capacidade térmica do calorímetro em 𝐽−1

𝜃𝑡 Diferença de temperatura entre a argamassa de ensaio e a argamassa de referência

no instante t (𝜃1 − 𝜃2), em

t Tempo decorrido desde o início do ensaio, em h

Em que:

M = 0,75(c + ar) + 3,76a + 0,50r + μ

ql = M

c∙ θt

(8.3)

(8.4)

64

Para o cálculo do calor latente, faltam os valores de r e de µ.

O calor perdido q𝑝 é o calor dissipado no intervalo de tempo que vai do instante t = 0 até

o tempo desejado e corresponde à área sob a curva do calor dissipado entre as respectivas

abcissas.

1

𝑐∫ 𝛼𝜃 ∙ 𝑑𝑡

𝑡

0

(8.5)

Para o cálculo do calor perdido, falta o valor de α.

Vale observar que para FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS (2002), deve-se obter

calores para as idades de 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 dias, e para a NBR 12006 (ABNT, 1990),

basta obter calores apenas para as idades de 1, 3 e 5 dias.

8.1.1 Aferição do calorímetro

Os valores de α e µ são obtidos com a aferição do equipamento antes do início do ensaio.

8.1.1.1 Coeficiente de perda calorífica dissipação térmica α

Segundo a NBR 12006 (ABNT, 1990), o coeficiente de dissipação térmica total α deve

ser obtido pela medida da potência térmica dissipada pelo efeito joule no cilindro de

aferição e do aquecimento deste cilindro10. Assim, ele pode ser descrito pela Equação 8.6:

α = 3600 ∙V2

R ∙ θ [

J

h ∙ ]

(8.6)

Onde:

V Tensão de alimentação, em V

𝑅 Resistência no cilindro de aferição, em Ω

10 A NBR 12006 (ABNT, 1990) descreve no Anexo A, a aferição do calorímetro de forma mais detalhada. Aqui, será explicado resumidamente. Então, caso não fique clara a descrição da aferição, vale consultaressa Norma.

65

Quando os diferentes valores de α são determinados, estabelece-se a equação da curva de

aferição:

α = a + b ∙ θ (8.7)

A NBR 12006 (ABNT, 1990) fornece na página 7 um exemplo de aferição e o seu valor

α calculado. Nesse exemplo o valor de α é dado pela equação da reta (Equação 8.8):

α [J ∙ h−1 ∙ −1] = 63,0 + 0,216θ. (8.8)

8.1.1.2 Capacidade térmica µ

Segundo a NBR 12006 (ABNT, 1990), a capacidade térmica só pode ser medida quando

já se conhece a expressão de α. A determinação é feita através do método do resfriamento

espontâneo.

8.2 CÁLCULOS APROXIMADOS

Como já foi visto, faltam dados para calcular o calor de hidratação real do ensaio. O que

pode ser feito aqui, são aproximações para provar, ou não, a validade desse experimento.

8.2.1 Para o valor de 0,50r + µ

Considerando que o valor de 0,50r + µ não seja tão significativo e não altere

consideravelmente de um ensaio para outro, pode-se calcula-lo a partir do exemplo

colocado no Anexo B da NBR 12006 (ABNT, 1990).

66

Decorridos 72h ou 3 dias, o calor de hidratação é 296 J/g, o calor latente é 35 J/g e o calor

perdido é 261 J/g. Então:

1

𝑐∫ 𝛼𝜃𝑑𝑡

𝑡

0

=1

𝑐91400 = 261 ∴ 𝑐 = 350,19 𝑔

𝑀

𝑐𝜃𝑡 =

𝑀

350,195,9 = 35 ∴ 𝑀 = 2077,40𝑔

𝑀 = 0,75(𝑐 + 𝑎𝑟) + 3,76𝑎 + 0,50𝑟 + 𝜇 = 2077,40

0,75(350,19 + 1050) + 3,76 ∙ 175 + 0,50𝑟 + 𝜇 = 2077,40

0,50𝑟 + 𝜇 = 369,26 𝐽 ∙ −1

(8.9)

(8.10)

(8.11)

8.2.2 Para o valor de α

De início será considerado o valor α de acordo com o exemplo no Anexo B da NBR 12006

(ABNT, 1990).

Cálculo:

𝛼 = 𝑎 + 𝜃𝑏

81,71 = 𝑎 + 7,5𝑏

84,24 = 𝑎 + 23,0𝑏

(8.12)

Então, a = 80,491 e b = 0,163, portanto:

𝛼 = 80,491 + 0,163

(8.13)

67

8.2.3 Ajuste da aproximação

Aqui, será feito um comparativo dos calores de hidratação utilizando os dados de

Eletrobras Furnas (2014).

Para a curva do Gráfico 7.5, Eletrobras Furnas (2014) fornece os seguintes valores para

o Calor de Hidratação (Tabela 8.1):

Tabela 8.1: Calores de Hidratação do CP V-ARI RS

Idade

(horas)

Calor de Hidratação

(J/g)

24 281,3

48 283,0

72 277,8

96 276,3

120 277,1

144 278,3

168 280,1

Fonte: Eletrobras Furnas, 2014, p. 1.

Calculando os calores de hidratação a partir do Gráfico 7.5 e considerando os seguintes

valores para completar a Equação 8.2:

α𝑡 80,491 + 0,163𝜃𝑡

c 556,84 g (massa de cimento no porta-garrafa do ensaio)

ar 1668,90 g (massa de areia no porta-garrafa do ensaio)

a 278,16 g (massa de água no porta-garrafa do ensaio)

0,50r + µ 369,26 𝐽 ∙ −1

𝑀 𝑐⁄ 5,54 𝐽 ∙ −1 ∙ 𝑔−1

68

Tem-se a Tabela 8.2 comparativa abaixo:

Tabela 8.2: Calores de hidratação

Tempo

(horas)

Real (Eletrobras

Furnas, 2014) Calculado Diferença dos

Calores de

Hidratação

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

Calor

Latente

(J/g)

Calor

Perdido

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

24 281,3 135,73 80,73 216,46 64,84

48 283,0 74,13 144,93 219,06 63,94

72 277,8 35,79 176,59 212,38 65,42

96 276,3 17,28 191,50 208,78 67,52

120 277,1 8,64 199,05 207,69 69,41

144 278,3 5,98 203,59 209,57 68,73

168 280,1 3,71 206,43 210,14 69,96


Verifica-se que as diferenças dos calores de hidratação (real e calculado) pode diminuir

se o valor de α e de M/c for alterado. Por tentativa, os valores foram ajustados até que se

obtivesse valores bem próximos (Tabela 8.3).

Tabela 8.3: Calores de hidratação corrigidos

Tempo

(horas)

Real (Eletrobras


Calores de

Hidratação

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

Calor

Latente

(J/g)

Calor

Perdido

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

24 281,3 171,50 106,91 278,41 2,89

48 283,0 93,66 192,02 285,68 -2,68

72 277,8 45,22 234,03 279,25 -1,45

96 276,3 21,84 253,84 275,68 0,62

120 277,1 10,92 263,88 274,80 2,30

144 278,3 7,56 269,91 277,47 0,83

168 280,1 4,69 273,69 278,38 1,72


Com o ajuste, os valores de α e de µ passaram a ser:

𝛼 = 107 + 0,2𝜃

(8.14)

69

𝑀𝐶⁄ = 7 𝐽 ∙ −1 ∙ 𝑔−1 (8.15)

A NBR 12006 (1990) afirma que esse α não deve ultrapassar 100𝐽

⁄ para um

aquecimento de 20ºC, mas FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS (2002) não faz nenhum

comentário. Como os valores do calor de hidratação e o gráfico foram retirados de um

relatório de Furnas (Eletrobras Furnas (2014)), essa questão aqui será ignorada.

Sabe-se que as curvas pertencem ao mesmo cimento, o CP V-ARI RS, portanto é esperado

que elas apresentem valores bem similares para o calor de hidratação.

Vale ressaltar aqui que esse Calor de Hidratação não será o real. Pretende-se apenas

averiguar a perda do calorímetro desse trabalho

Então, a título comparativo, será usado os mesmos valores encontrados para α e µ. Sabe-

se que o calorímetro desse ensaio perdeu calor muito rápido, mas é necessário quantificar

e avaliar melhor essa perda.

Tabela 8.4: Calor de hidratação calculado para o ensaio deste trabalho

Tempo

(horas)

Calculado (Eletrobras


Calores de

Hidratação

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

Calor

Latente

(J/g)

Calor

Perdido

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

24 278,36 81,17 164,12 164,11 114,25

48 285,59 18,20 124,56 124,56 161,03

72 279,15 2,21 113,61 113,61 165,54

96 275,57 0 111,41 111,41 164,16

120 274,80 0 111,41 111,41 163,39

144 277,35 0 111,41 111,41 165,94

168 278,26 0 111,41 111,41 166,85


Pela Tabela 8.4, observa-se a diferença do Calor de Hidratação calculado para esse ensaio

e o calculado para o cimento CP V-ARI RS de Eletrobras Furnas (2014). Para ajustar essa

curva, o valor de α terá de assumir valores muito altos, pois as perdas foram muito

elevadas.

70

Calculando aproximadamente, o valor do coeficiente angular de α chega a 258.

Para apresentar os dados do calor de hidratação para a Tabela 8.5, o valor de α utilizado

foi:

𝛼 = 258 + 0,2𝜃 (8.16)

M = 7,5 𝐽 ∙ −1 ∙ 𝑔−1

(8.17)

Tabela 8.5: Calor de hidratação calculado e ajustado para o ensaio deste trabalho

Tempo

(horas)

Calculado (Eletrobras


Calores de

Hidratação

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

Calor

Latente

(J/g)

Calor

Perdido

(J/g)

Calor de

Hidratação

(J/g)

24 278,36 86,96 195,45 282,41 -4,05

48 285,59 19,50 251,53 271,03 14,56

72 279,15 2,36 263,69 266,06 13,10

96 275,57 0 263,69 263,69 11,88

120 274,80 0 263,69 263,69 11,11

144 277,35 0 263,69 263,69 13,66

168 278,26 0 263,69 263,69 14,57


71

8.2.3.1 Análise das curvas de Calor Perdido

O Gráfico 7.6 mostra as curvas de aquecimento desse ensaio e do laboratório de Furnas.

O Gráfico 8.1 mostra essas mesmas curvas multiplicadas por α, ou seja, αθ em função do

tempo.

Gráfico 8.1: Gráfico das curvas αθ em função do tempo


A curva em azul, mostra a curva que foi calculada para os dados de Eletrobras Furnas

(2014) utilizando o α que foi encontrado (𝛼 = 107 + 0,2𝜃).

Para esse mesmo α, a curva laranja foi feita utilizando os dados do ensaio deste trabalho.

Observe que a área sob a curva azul é muito maior que a área sob a curva laranja. Isso

indica o que os cálculos mostraram: que esse coeficiente não serve para calcular o calor

perdido para o ensaio desse trabalho, ou seja, que a perda calorífica aqui foi muito maior.

A curva cinza é feita ajustando o valor de α para o que foi encontrado na página 58 (𝛼 =

258 + 0,2𝜃). Observe que a perda calorífica é muito maior do que a do ensaio do

laboratório de Furnas mas que a área sob a curva cinza agora é bem parecida com a área

sob a curva azul, ou seja, elas forneceram um valor para o calor perdido parecido.

72

Conclui-se então que a perda calorífica para o calorímetro construído nesse trabalho foi

muito alta, impedindo-o de ser utilizado para esses ensaios de calor de hidratação.

8.3 ENSAIO DE COMPRESÃO SIMPLES

Como foi dito antes, 2 corpos-de-prova foram confeccionados para realizar o ensaio de

compressão simples. O objetivo era de que fosse mostrado que a argamassa utilizada

seguia os padrões de resistência esperado.

O ensaio ocorreu após 7 dias no laboratório LEMAC na UFES. Para os dois corpos-de-

prova, os resultados encontrados foram:

Tabela 8.6: Ensaio de Compressão Simples

Tensão de Ruptura Resistência à comp.

Corpo-de-prova 1 8050 kgf 40,24 MPa

Corpo-de-prova 2 8150 kgf 40,74 MPa


Segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland, a resistência a compressão

decorridos 7 dias para o cimento CP V-ARI deve ser maior que 34,0MPa. Conforme visto

na Tabela 14, a resistência apresentou resultado conforme esperado.

73

Capítulo 9 : CONCLUSÕES

O comportamento térmico no cimento é regido pela equação de Fourier, equação que

governa os problemas de calor para qualquer problema físico. No caso do cimento, a

equação apresenta mais um termo que é o da geração de calor.

O calor de hidratação, é definido em termo de traço e propriedades do cimento e do tempo

de hidratação. Os efeitos térmicos da estrutura estão também relacionados com a elevação

adiabática do concreto, que é medida em laboratório.

Criou-se um equipamento que em conjunto com um calorímetro semi adiabático montado

fosse capaz de determinar o calor de hidratação do cimento. O método da garrafa de

Langavant foi utilizado referência. Dessa forma esperava-se obter valores para o calor de

hidratação do cimento a determinadas idades.

Por meio da realização do ensaio, obteve-se o valor de elevação de temperatura igual ao

valor obtido pelo laboratório de furnas, aproximadamente 30º para este tipo de cimento.

O que demonstra uma precisão satisfatória em se medir temperatura do sistema criado.

Quando se avalia o desempenho do calorímetro, há uma perda de calor maior do que a da

garrafa de Langavant. Essa perda calorífica excessiva do calorímetro não pode ser

admitida. Para ele poder ser utilizado, melhorias no seu isolamento deveram ser efetuadas.

Também com relação ao calorímetro, viu-se que faltaram valores para os cálculos do calor

de hidratação. Após correção do seu isolamento, devem ser realizadas aferições para

determinar os coeficientes que são necessários para o cálculo.

Apesar do calorímetro não ter sido eficiente conforme era esperado, o sistema de medição

funcionou muito bem.

Com o sistema criado, torna-se possível a realização de outras pesquisas relacionadas a

temperatura do cimento durante suas reações. Um exemplo de pesquisa seria a avaliação

da temperatura em diferentes pontos de um bloco de concreto com um volume de cerca

de 1m³ de concreto e depois com os dados obtidos através do método dos elementos

finitos prever o que ocorreria em um modelo simulado em computador.

74

É possível também avaliar no próprio local de concretagem o real comportamento do

concreto e comparar com os resultados obtidos pela simulação em computador através do

método elementos finitos (é possível encontrar os parâmetros E, b e n descritos no tópico

2.3.3.1).

Como ponto positivo também vale destacar o custo do equipamento. Com exceção da

fonte de computador e do computador utilizado para o armazenamento dos dados, os

materiais utilizados custaram menos de R$ 200,00. Levando em conta que a garrafa de

Langavant custa em média R$ 25.000,00 certamente vale pensar melhorias para o

equipamento.

Além do custo, para a garrafa de Langavant, as leituras de temperatura são feitas pelo

técnico do laboratório, manualmente. No caso do equipamento deste trabalho, essas

leituras são feitas automaticamente e armazenadas no computador. Isso indica uma certa

independência do sistema aqui desenvolvido, portanto, melhor que o método da garrafa

de Langavant nesse quesito.

Por fim, conclui-se que esse trabalho apresenta uma avaliação positiva mas que ainda tem

pontos para serem desenvolvimentos e aprimorados.

75

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Projeto de graduação 2