A Avaliação de desgaste de materiais por cavitação com o equipamento tipo jato cavitante

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS[pic 1]

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Heitor da Costa Moreira 139496

RELATÓRIO FINAL

Avaliação de desgaste de materiais por cavitação com o equipamento tipo jato cavitante

Orientador: Prof. Dr. José Gilberto Dalfré Filho

Co-orientador: Prof. Dr. André Luiz Bortolacci Geyer

Campinas, Julho de 2015.

1. Introdução

O concreto de cimento Portland possui várias qualidades que o colocam como o material mais utilizado no mundo (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Existe uma busca contínua por produtos e tecnologias que melhorem ou aperfeiçoem as propriedades do concreto, entre elas: o módulo de deformação, resistência à flexão, resistência à tração, resistência ao desgaste, resistência ao impacto e permeabilidade (MEHTA & MONTEIRO, 2008).

         A necessidade de maior conhecimento da resistência ao desgaste do concreto por cavitação surge como consequência de inúmeros casos de obras hidráulicas, em que ocorreram desgastes precoces das superfícies hidráulicas de concreto, com necessidade de reparos custosos (DALFRÉ FILHO, GENOVEZ e PAULON, 2000). Embora o fenômeno da cavitação fosse conhecido há muito tempo, pois Euler no seu tratado sobre as máquinas hidráulicas lhe fazia referência, só em época posterior é que os progressos da técnica focaram a merecida atenção a ele (LOPES, 2012). Para se garantir a resistência ao desgaste por cavitação os projetistas e a bibliografia especializada têm especificado concretos de relação água/cimento baixa (<0,45) e o uso de agregados de boa qualidade, o que, no entanto, por vezes, não tem sido suficiente para se garantir a qualidade da estrutura quanto a este requisito (FURNAS, 1998). São consagrados os usos de polímeros, fibras ou revestimentos resilientes para se melhorar o desempenho de superfícies de concreto quanto à cavitação. No entanto, tecnologias como a do concreto de alto desempenho ou a utilização de materiais como microssilica, nanossílica e aditivos a base de policarboxilatos têm sido utilizadas para melhoria da qualidade dos concretos em geral.

De acordo com Neville (1997) enquanto o concreto pode resistir a uma corrente firme tangencial, de água, com cavitação pode ocorrer uma rápida e severa deterioração do material. Pela cavitação se formam bolhas de vapor quando ocorrem quedas localizadas de pressão ao valor da pressão de vapor da água numa dada temperatura. Estas bolhas são levadas pela correnteza nas superfícies hidráulicas de concreto e, entrando em áreas de alta pressão, implodem com grande impacto. À medida que as bolhas se desfazem, a água ocupa em grande velocidade as áreas antes ocupadas pelo vapor, surgido altíssimas pressões em pequenas áreas e em curtíssimos espaços de tempo. A repetição dos fenômenos acima descritos geram impactos sobre a superfície do concreto que delas resultam em escarificações (HOBBS, 1966).

1. Objetivo

O objetivo deste trabalho foi avaliar o desgaste por cavitação de concretos de alto desempenho executados com adições de microssilica, nanossílica e aditivos a base de policarboxilatos em comparação a concretos convencionais. Para tanto, foi empregado o equipamento tipo jato cavitante.

1. Revisão Bibliográfica

Os danos por cavitação em concreto geralmente ocorrem em canais e com frequência ocorre este fenômeno nefasto à estrutura quando a lâmina de líquido se desloca da superfície do concreto, caso típico de estruturas hidráulicas (ACI 210 R – Guide for durable concrete). Como decorrência da cavitação se tem a deterioração da superfície de concreto, a qual evolui, geralmente por um período inicial com pequenos danos, porém seguido de rápido comprometimento da qualidade superficial.

Autores apontam várias formas de se minimizar o se prevenir a ocorrência de cavitação (KENN, 1966), como por exemplo, com o aumento da resistência do concreto, o controle do tamanho de agregados, o uso de fibras incorporadas ao concreto e até o revestimento do concreto. FURNAS (1997) diz que o Brasil é referencia em obras hidráulicas e aponta como especificação, para que se tenham concretos resistentes ao fenômeno da cavitação, tão somente o uso de relações a/c (água/cimento) abaixo de 0,45.

Tecnologias atuais de concreto como o uso de concretos de elevado desempenho ou concretos adicionados de aditivos e adições podem melhorar as propriedades do concreto quanto à resistência à cavitação. Yamada (2000) indica que o recente início de aplicação pratica dos aditivos a base de policarboxilatos pode contribuir com a melhoria de inúmeras propriedades do concreto, como aumento da resistência à compressão e melhoria da trabalhabilidade. Poucos são os estudos comparativos de desempenho quanto à cavitação com concretos com o uso de microssilica, nano sílica e aditivos superplastificantes a base de policarboxilatos. Entre as principais razões para esta carência de estudos e pesquisas nesta área no meio científico era a deficiência de mecanismos e equipamentos para a realização destes estudos.

         Diante do desenvolvimento do equipamento tipo jato cavitante (DALFRÉ FILHO, 2005) de fácil operação e confiabilidade para se avaliar esta propriedade, se pode através de ensaios com tal aparato se avaliar comparativamente diferentes tipos de concretos, contribuindo-se com o desenvolvimento de estruturas de maior desempenho quanto ao desgaste por cavitação. O equipamento tipo jato cavitante desenvolvido por DALFRÉ FILHO (2005) utiliza um bocal especialmente projetado para simular o fenômeno da cavitação desgastando uma amostra em um período de tempo curto. Isso ocorre, sobretudo, devido à magnitude da velocidade.  No caso das estruturas hidráulicas se verifica o efeito simultâneo do fenômeno da cavitação e do impacto de um jato de alta velocidade. Vislumbra-se que a resistência ao desgaste por cavitação possa ser beneficiada com o uso destes potentes aditivos químicos, incluindo a redução de porosidade e permeabilidade.

        Deve-se destacar que, durante o período deste trabalho, não se verificaram novas publicações que tratassem do tema da erosão por cavitação em concretos de estruturas hidráulicas. Embora a importância do tema, haja vista o número de novas hidrelétricas em construção e recentemente construídas no Brasil e no mundo.

1. Materiais e Métodos

São investigados dois grupos de concretos: Grupo I de relação a/c ≥ 0,45 (de resistências convencionais) e Grupo II de relação a/c < 0,45 (de alto desempenho). Nos concretos denominados de resistências convencionais se busca comparar quanto à cavitação o concreto produzido somente com aditivos polifuncionais com concreto com aditivos convencionais (polifuncionais) e adicionados de microssilílica. Nos concretos de alto desempenho se busca comparar concretos com uso de aditivos à base de policarboxilatos, com adição de microssílica e com adição de nanossílica e efeitos destes produtos quanto ao desgaste por cavitação.