Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-06-20T12:30:42Z No. of bitstreams: 1 Moisés Mário Cachepa_.pdf: 3004067 bytes, checksum: 24c7ce290fa414a34e3454c918c0403c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-20T12:30:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moisés Mário Cachepa_.pdf: 3004067 bytes, checksum: 24c7ce290fa414a34e3454c918c0403c (MD5) Previous issue date: 2017-05-22 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O uso de adições minerais, como as pozolanas, tem sido adotado como adição ou substituição parcial do cimento, fundamentalmente na produção de concretos, com intuito de melhorar algumas das características, tais como redução de calor de hidratação, melhoria da trabalhabilidade, aumento da resistência à compressão, aumento da durabilidade em meios agressivos, redução da emissão de CO2, redução do aparecimento de eflorescência. Um sério problema de durabilidade é a reação álcali-agregado (RAA), que é um fenômeno que em geral se manifestam em estruturas de concreto massa, como barragens. A RAA é entendida como sendo um processo químico que ocorre em concreto, em que alguns constituintes mineralógicos presentes no agregado reagem com íons alcalinos, provenientes de hidróxidos originados na hidratação do cimento que estão dissolvidos na solução dos poros, formando um gel higroscópico expansivo. Este trabalho teve como objetivo avaliar a mitigação da reação álcali-agregado em concreto mediante o emprego de resíduos da cerâmica vermelha (RCV) e metacaulim (MK) como pozolanas. O RCV foi adquirido como resíduo de indústria da produção de blocos cerâmicos, enquanto que o MK é um produto comercializado, sabidamente mitigador da RAA e, geralmente, com elevada atividade pozolânica. Para se alcançar o objetivo, foram analisadas as características físicas, químicas, mineralógicas do RCV e do MK, e determinou-se o índice da atividade pozolânica. Tanto o RCV como o MK apresentaram índice de atividade pozolânica superior a 90%. O agregado utilizado foi classificado como potencialmente reativo por meio de análise de petrografia e do método acelerado de barras de argamassa. Para avaliação da eficiência das adições minerais na mitigação da RAA, empregou-se o método acelerado de barras de argamassa. As pozolanas isoladas e combinadas foram empregadas em teores de substituição de cimento de 20% e 30%. Avaliou-se também resistência à compressão e absorção capilar de água em 48h e 28 dias, submetidos à solução saturada de em Ca(OH)2; e em 28 dias de imersão em solução de NaOH. Com os resultados de expansão, foi possível verificar que todos os materiais e teores propostos promoveram uma mitigação da RAA em relação às amostras confeccionadas somente com cimento, com valores de expansão inferiores a 0,10%. Para os aglomerantes estudados, foi possível verificar que entre as pozolanas, quanto menor o equivalente alcalino, menores são as expansões. No entanto, as misturas somente com MK apresentam valores de equivalente alcalino similares ao cimento e as expansões são significativamente reduzidas. Para uma mesma relação Ca/Si dos aglomerantes, quanto maior for o teor de RCV menor é a expansão. Quando se avalia o teor de alumina dos aglomerantes, percebe-se que aqueles que contém MK apresentam o maior teor, mas, no entanto, não retornam as menores expansões, o que se explica pela sua maior dimensão média equivalente, em relação aos aglomerantes que contém RCV. A menor dimensão das partículas de RCV parecem aumentar o efeito mitigador que o teor de Al possui, pois a superfície de dissolução destas partículas é maior. A comparação dos resultados da resistência à compressão e absorção de água antes de iniciar o ensaio acelerado e após, bem como a comparação com as argamassas aos 28 dias que não sofreram ataques ajudam a enteder o comportamento das pozolanas na mitigação da RAA. / The use of mineral additions through pozzolans, both naturally and artificially, has been adopted by several civil engineering professionals through the partial substitution of cement primarily in the production of concrete slabs, with the aim of improving some of the characteristics such as: Reduction of the heat of hydration, improvement of the workability, increase of the resistance to compressive strength, increase of the durability in aggressive environments, reduction of the emission of CO2, reduction of the appearance of efflorescence and reduction of the expansions due to the alkali-aggregate reactions. One of the pathologies that greatly affects mass concrete structures such as dams is the alkali-aggregate reaction, which is understood to be a chemical process occurring in concrete, in which some mineralogical constituents present in the aggregate react with hydroxides from the cement that are dissolved In the solution of the pores forming an expansive hygroscopic gel. The elaboration of this work, on the one hand, was motivated by the fact that one of the main dams in Africa located in Mozambique, shows signs of expansion according to several authors and, on the other hand, as a way of evaluating the Pozolan potential of RCV and MK. This work aimed to evaluate the mitigation of the alkali-aggregate reaction in concrete through the use of residues of red ceramics and metakaolin as pozzolans. The RCV was purchased as a waste from the production of ceramic blocks, while the MK was from a commercial product. In order to reach the objective, the RCV and MK underwent an investigation taking into account physical, chemical, mineralogical characteristics and the determination of the index of the pozzolanic activity. Both RCV and MK had pozzolanic activity index higher than the 90% established by NBR 12653 (2014). The aggregate used was classified as potentially reactive through analyzes of petrography, DRX, FRX and accelerated method of mortar bars. For the evaluation of RAA, samples were prepared and analyzes of aggregate reactivity and mineral additions efficiency were performed using the accelerated method of mortar bars, compressive strength and water capillary absorption in a substitution of 20% and 30% of cement by RCV, MK and RCV + MK, in the following curing ages: 48h, 28 days in Ca (OH) 2 and 28 days of immersion in NaOH solution. By the expansion results, it was possible to verify that all materials and cement substitution contents by pozzolans proposed had a reduction of less than 0.10% recommended by ASTM C1567 (2013), classified as insufficient to cause deleterious reactions due to potential Pozolânico of the MK and RCV. It was possible to verify that the higher the alkaline equivalent, the larger the expansions, the smaller the Ca / Si ratio, the smaller the expansions, the higher the alumina content, the smaller the expansions, the smaller the average equivalent size Of the particles, the smaller the expansions, and the larger the total porosity, the larger the expansions. The results of the compressive strength and water absorption showed that the mixtures submitted to the accelerated test presented worse performance in relation to the cured mixtures in Ca (OH) 2 due to the microstructure of the mortars, creating internal microcracks, or because the formed gel permeable to water penetration.

Les réactions de gonflements internes (RGI) sont des pathologies qui dégradent le béton de certains ouvrages tels que des barrages en étant à l'origine de gonflements. Electricité De France (EDF) doit assurer la sûreté des personnes et des biens situés à l'aval de ses structures. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes physiques liés à ces dégradations notamment l'interaction entre le produit gonflant et le squelette solide. La contrainte intraporeuse générée par la pression du produit peut créer un endommagement. Dans le modèle proposé, la fissuration peut avoir lieu à deux échelles : - Au niveau microscopique c'est le produit gonflant qui comble le volume libre autour du site de réaction avant de mettre en traction le matériau jusqu'à fissuration, ce qui provoque une baisse des caractéristiques du matériau (résistances en traction et en compression, module d'Young). Un critère de plasticité anisotrope et une loi d'écrouissage positif sont proposés pour modéliser ce phénomène. - Au niveau macroscopique, des gradients de gonflements peuvent se développer à l'intérieur d'ouvrages dont les états de contraintes et les conditions d'humidité et de température ne sont pas homogènes. Une fissuration localisée peut alors s'initier. Elle est la source de risques de dislocations des structures pouvant mener à leur ruine, de concentrations de contraintes dans les aciers structuraux, de chemins facilités pour les agents agressifs extérieurs et pour l'eau, composé essentiel au développement rapide de ces pathologies. La prise en compte des couplages hydro-poro-mécaniques est nécessaire à la simulation de ces phénomènes. Cette fissuration est modélisée par un critère plastique de Rankine anisotrope dont l'énergie dissipée par la fissuration est régularisée par la méthode d'Hillerborg. Après avoir présenté ce modèle, il est validé et appliqué à différentes échelles pour des états de contraintes et des conditions environnementales diverses, sur : - des éprouvettes soumises à des contraintes et des blocages multi-axiaux, - des poutres de laboratoire plus ou moins armées subissant des gradients d'humidité importants, - des barrages dans des conditions réelles construits dans les années 1950. Les résultats obtenus avec le modèle permettent de retrouver les déplacements, les contraintes et les résistances de ces structures après vieillissement. Pour les poutres atteintes de réaction alcali-silice, les résultats numériques obtenus montrent notamment une prise en compte réaliste des contraintes induites par la présence d'armatures, ce qui est confirmé par la validation du comportement à rupture. Néanmoins, des difficultés de calage subsistent pour les poutres subissant la réaction sulfatique interne. Elles sont issues des grandes amplitudes d'expansion et des couplages diffusion-fissuration qui rendent spécifique le comportement de ces structures par rapport à des structures subissant des expansions moins importantes. Ce modèle est un outil pour la requalification des ouvrages dans le but d'assurer leur sûreté. Il peut également servir de base de calcul à la simulation de diverses réhabilitations et travaux de confortements. / Internal swelling reactions (ISR) damage the concrete of structures such as dams. Electricité De France (EDF) must ensure the safety of the people and goods located below the dam. This work aims to improve the modeling of the physical phenomena related to these damages, especially the interaction between the swelling product and the solid skeleton. The intraporous stress generated by the product pressure can create cracking, which, in the proposed model, can occur at two scales: - At a microscopic scale, the swelling product fills the gaps around the reaction site, which induces cracking and a decrease of the materials' characteristics (tensile and compression strengths, Young's modulus). Numerically, an anisotropic plastic criteria and a hardening law allow modelling this phenomenon. - At a macroscopic level, swelling gradients can develop inside concrete structures whose stress states and climatic conditions (humidity and temperature) are not homogeneous. A localized cracking can begin. It is a source of structure dislocation risks and stress concentrations in structural reinforcement. It may ease the way in for outside aggressive agents and water, an essential component for these reactions. Hydro-poro-mechanical couplings need to be taken into account when simulating these phenomena. The cracking is modelled by a Rankine plastic criterion whose dissipated energy is regularized by the Hillerborg's method. After presenting the model, several stress states and environmental conditions are applied to the model in order to validate it on: - samples under multi-axial stresses and restraints, - plain and reinforced beams submitted to moisture gradients in laboratory, - 1950s dams in real conditions. The results of the model make it possible to reproduce the displacements, the stresses and residual strength of these structures after aging. For the beams submitted to alkali aggregate reaction, the numerical results show a relevant prediction of the stress induced by reinforcement, confirmed by the failure behaviour. Nevertheless, the model encounters calibration difficulties for beams affected by delayed ettringite formation. They come from large swelling amplitude and diffusion-cracking coupling which are inherent to these structure behaviours. This model is a tool for concrete structure requalification in order to ensure their safety. It can also be a basis for diverse rehabilitations and reinforcement works simulation.

Muitas estruturas e elementos estruturais de concreto vêm sofrendo nas últimas décadas reações químicas deletérias do tipo álcali-agregado (RAA) no Brasil e no mundo. Essas reações geram expansões que podem comprometer a capacidade portante da estrutura, assim como o seu desempenho em serviço e sua durabilidade. Diagnosticar uma estrutura deteriorada pela RAA in loco é um assunto ainda pouco estudado, mas perfeitamente possível. Propor uma solução em termos de recuperação e/ou reforço é difícil e geralmente tem custo muito elevado, correndo-se o risco de que a solução, na maioria das vezes, seja ineficiente ou parcial. Até os dias atuais, não existe um consenso no meio técnico-científico no que tange a recuperação de estruturas afetadas por tal manifestação deletéria, devendo ser cada caso analisado de maneira única. No entanto, é consenso no meio técnico-científico que o ideal para combater a RAA é a prevenção. Para isto, torna-se necessário o desenvolvimento e a utilização de métodos experimentais, que possam de maneira antecipada detectar o risco da eventual futura reação deletéria. Este trabalho estuda os principais e mais utilizados métodos de ensaio para a análise de agregados e de combinações cimento/agregados em laboratório, fazendo ao seu final, uma análise crítica no que tange a eficiência e confiabilidade de cada um deles. Para o presente estudo, são utilizados seis agregados encontrados no Brasil, com quatro litologias diferentes (dois granitos, dois basaltos, um milonito e um quartzito). Entre os ensaios estudados, podem ser citados os métodos AMBT, (método acelerado de barras de argamassa), CPT (método dos prismas de concreto), ACPT (método acelerado de prismas de concreto) e ACPST (método acelerado de prismas de concreto imerso em solução), além de análises petrográficas através do microscópio ótico. Além da análise comparativa entre métodos de ensaio existentes, esta dissertação propõe ao meio técnico um novo método de ensaio, denominado ABCPT (método acelerado brasileiro de prismas de concreto). Este método foi desenvolvido com o intuito de possuir a confiabilidade de resposta do método CPT e a agilidade do ensaio ACPST. Os resultados demonstram que todos os métodos de ensaio realizados em concreto (CPT, ACPT, ACPST e ABCPT) possuem grande correlação entre si, podendo ser utilizado qualquer um deles para classificação da reatividade potencial de agregados em laboratório. Já o ensaio de barras de argamassa (AMBT) apresenta incongruências na análise e classificação de agregados quando comparado com os métodos realizados em concreto e a análise petrográfica. Portanto, os parâmetros que envolvem o ensaio como suas condições. / Many concrete structures have been suffering from alkali-aggregate reactions (AAR) since the last decades in Brazil and around the world. The reactions generate expansions that could compromise the strength of a concrete structure as well as its performance in service and its durability. Nowadays, it is completely possible to detect AAR in the field, but repair and reinforce a damaged structure is difficult, very expensive and in most cases inefficient or partial. There is no consensus in the market on how to repair and reinforce damaged structures. However, there is a consensus that the best way to face the problem is the prevention. This work studies the main test methods used to analyze aggregates and the combinations cement/aggregates in the laboratory and finally comparing them. In this work six Brazilian aggregates with four different lithologies (two granites, two basalts, one granite-gneiss and one quartzite) were used. Among the test methods studied were AMBT (accelerated mortar bar test), CPT (concrete prism test), ACPT (accelerated concrete prism test), ACPST (accelerated concrete prism soaked test) and petrographic analysis. Beyond the comparison among used tests, this work presents the attempt to develop a new accelerated test method. The test was called ABCPT (accelerated Brazilian concrete prism test), and it was developed with the aim of being as reliable as CPT and as fast as the ACPST. The results show that all concrete test methods (CPT, ACPT, ACPST and ABCPT) have good correlation among them, and anyone can be used to classify and analyze aggregates in the laboratory. On the other hand, the AMBT test method has showed different classifications for the same aggregates when compared to the concrete test methods and petrographic analysis. Therefore, its parameters need to be rethought and improved.

A reação álcali-agregado (RAA) é uma reação química complexa envolvendo os álcalis presentes no cimento Portland e minerais silicosos presentes em alguns tipos de agregados reativos. O produto dessa reação expande quando em contato com a água, causando fissuração e deformação, o que afeta a durabilidade e importantes propriedades mecânicas das estruturas de concreto. Entretanto, estruturas que estejam sob tensão de compressão, aplicada por carregamentos ou induzida pela presença de armadura, apresentam expansão reduzida na direção comprimida. Uma das ferramentas que se utiliza para a previsão da vida útil de estruturas afetadas pela RAA é a modelagem numérica da expansão do concreto, possibilitando a previsão e projeto de reparos necessários. Nesse contexto, modelos paramétricos combinam os principais fatores que influenciam a reação (reatividade dos constituintes, porosidade, temperatura, umidade e estado de tensões), possibilitando a determinação da distribuição e da taxa de expansão na estrutura. Nessa pesquisa foi desenvolvido um modelo paramétrico cujo principal interesse foi o estudo das tensões induzidas pela presença de fibras e armadura na expansão do concreto afetado pela RAA. O modelo implementado em elementos finitos tem como parâmetros nodais as posições, uma formulação alternativa ao método dos elementos finitos baseado em deslocamentos; a medida de deformação utilizada é a de Green e a lei constitutiva dos materiais é a de Saint-Venant-Kirchhoff. O material composto é discretizado por meio de uma matriz elástica bi-dimensional reforçado por fibras lineares perfeitamente aderidas à matriz. Comparações entre os resultados obtidos por meio do modelo desenvolvido e resultados de trabalhos experimentais comprovam a aplicabilidade e potencialidade do modelo numérico apresentado. / The alkali-aggregate reaction (AAR) is a complex chemical reaction involving alkalis present in the Portland cement paste and siliceous minerals present in some types of reactive aggregates. The product of this reaction expands in contact with water, causing cracking and deformation that affects durability and important mechanical properties of the concrete structures. However, structures under compressive stress, applied or induced by the presence of rebars, the expansion is reduced in the compressed direction. One of the tools used to predict the service life of structures affected by AAR is the numerical modeling of the concrete expansion, allowing prevision and projecting repairs needed. In this context, parametric models combine the main factors that influence the reaction (reactivity of the constituents, porosity, temperature, humidity and stress state), enabling the determination of distribution and rate of expansion in the structure. In this research was developed a parametric model whose main interest was the study of stresses induced by the presence of fibers and rebars in the expansion of concrete affected by AAR. The model implemented in finite element has as nodal parameters positions, an alternative formulation to the finite element method based on displacement; the deformation measurement used is Green and the material constitutive law is the Saint-Venant-Kirchhoff. The composite material is discretized by a two-dimensional elastic matrix reinforced by perfectly adherent linear fibers. Comparisons between the results obtained from the developed model and results of experimental studies demonstrate the applicability and potential of the numerical model presented.