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Revista IBRACON de Estruturas e Materiais

On-line version ISSN 1983-4195

Rev. IBRACON Estrut. Mater. vol.6 no.5 São Paulo Oct. 2013

http://dx.doi.org/10.1590/S1983-41952013000500007 

Resistência ao impacto e à abrasão de concreto de alta resistência com cinza de casca de arroz e borracha de pneus

 

 

M. B. BarbosaI; A. M. PereiraII; J. L. AkasakiIII; C. F. FioritiIV; J. V. FazzanV; M. M. TashimaVI; J. J. P. BernabeuVII; J. L. P. MelgesVIII

IUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Civil, Campus de Ilha Solteira, mbbarbosa@yahoo.com.br, Alameda Bahia nº 550, CEP: 15385-000, Ilha Solteira-SP, Brasil
IIUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Civil, Campus de Ilha Solteira, adrianapereira@gmail.com, Alameda Bahia nº 550, CEP: 15385-000, Ilha Solteira-SP, Brasil
IIIUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Civil, Campus de Ilha Solteira, akasaki@dec.feis.unesp.br, Alameda Bahia nº 550, CEP: 15385-000, Ilha Solteira-SP, Brasil
IVUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Planejamento, Urbanismo e Ambiente, Campus de Presidente Prudente, cffioriti@hotmail.com, Rua Roberto Simonsen, nº 305, CEP: 19060-900, Presidente Prudente-SP, Brasil
VUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Civil, Campus de Ilha Solteira, jvfazzan@hotmail.com, Alameda Bahia nº 550, CEP: 15385-000, Ilha Solteira-SP, Brasil
VIUniversidade Politécnica de Valência, Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, tashima@japan.com, Edificio Caminos II, Camino de Veras s/n, 46071, Valência, Espanha
VIIUniversidade Politécnica de Valência, Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, jjpaya@cst.upv.es, Edificio Caminos II, Camino de Veras s/n, 46071, Valência, Espanha
VIIIUniversidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Civil, Campus de Ilha Solteira, jlmelges@dec.feis.unesp.br, Alameda Bahia nº 550, CEP: 15385-000, Ilha Solteira-SP, Brasil

 

 


RESUMO

O trabalho aborda a aplicação da tecnologia do Concreto de Alta Resistência (CAR) para a produção de concretos com incorporação dos resíduos de Cinza de Casca de Arroz (CCA) através da substituição em massa de parte do material aglomerante, e borracha de pneus em substituição parcial do agregado miúdo em volume, avaliando suas influências sobre as propriedades de durabilidade e mecânicas. Para os concretos com CCA e borracha, foi possível verificar a redução da fragilidade através do aumento da capacidade de absorção de energia. Com relação à abrasão, os concretos contendo CCA e borracha apresentaram perda de massa inferior ao concreto sem resíduos, indicando que este material é atrativo para o uso em pavimentação. Contudo, espera-se que estes resíduos venham representar uma alternativa tecnológica e ecológica para a produção de concretos na construção civil.

Palavras-chave: concreto de alta resistência; cinza de casca de arroz, borracha de pneu, resistência ao impacto, resistência à abrasão.


 

 

1. Introdução

O uso de Concreto de Alta Resistência (CAR) vem crescendo mundialmente, com finalidade estrutural, sendo empregado em pilares de edifícios, em barragens, em pisos industriais, em recuperações de estruturas, em peças pré-moldadas, entre outras. Segundo Libório [1], o CAR pode proporcionar um ganho de área útil, diminuir o consumo de material, reduzir a carga permanente da estrutura, o tempo de execução pode ser menor e o período de tempo para que ocorra manutenção pode ser maior.

Nos últimos anos, tem-se verificado um aumento de descarte de rejeitos sólidos, bem como os problemas advindos da exaustão de matérias primas naturais, e isto, vem impulsionando os estudos sobre o aproveitamento de resíduos industriais, reduzindo o seu impacto ambiental e viabilizando a redução de custos industriais.

Dentre a variedade de resíduos gerados atualmente, tem-se a Cinza de Casca de Arroz (CCA) e a borracha de pneus inservíveis, que visam não somente a redução de custos dos materiais, como também minimização aos aspectos ambientais através da busca da sustentabilidade dos processos de produção. A incorporação de resíduos industriais ao concreto tais como a CCA (com alta reatividade pozolânica), além de ser uma das soluções para o aproveitamento de subprodutos de outros setores, é também considerada eficiente como um material de substituição de parte do cimento Portland, enriquece o desempenho do compósito final.

A utilização de materiais alternativos, como a escória, a cinza volante, a CCA e a sílica ativa, bem como suas combinações, podem produzir concretos com desempenho adequado para utilização na construção civil (NeVILLe [2]).

Quanto aos resíduos de borracha de pneu incorporados ao concreto, estes apresentam soluções alternativas para minimizar a degradação ambiental através da redução do descarte de pneus na natureza, reduzir os custos e melhorar o desempenho de produtos na construção civil.

Os resíduos de borracha adicionados ao concreto podem vir a atuar como obstáculos no desenvolvimento de fissuras, quando interceptam as microfissuras que surgem durante o endurecimento do concreto, impedindo sua progressão (BONNeT [3]).

Conforme Vanconcelos e Akasaki [4], que submeteram o concreto a diversos processos de degradação, como a ação da água, temperatura, sais e solução ácida. Com a análise dos resultados verificaram a interferência das adições no combate às ações deletérias no concreto com incorporação de CCA e borracha de pneu. em geral o estudo mostrou que a durabilidade não foi comprometida com adição dos resíduos, além disso, a borracha mostrou-se muito eficaz no combate a ação de agentes químicos, a altas temperaturas e a entrada de água.

Para Marques et al. [5], seus concretos contendo borracha, mesmo com resistência mecânica à compressão e à tração inferior quando comparada ao concreto sem o resíduo, apresentaram perda de massa semelhante ao concreto de referência. Mostrando que os concretos com borracha apresentam boa resistência à abrasão.

Segundo Akasaki et al. [6], com relação ao ensaio de desgaste por abrasão, a incorporação de CCA no concreto apresentou, para os teores de substituição do aglomerante de 5% e 10%, resultados melhores que o concreto de referência.

Com relação aos ensaios de resistência ao impacto, Fioriti et al. [7] afirmaram que o comportamento de ruptura de peças de concreto com borracha é diferente do concreto de referência, onde foram observadas significativas alterações que demonstraram a efetiva participação física dos resíduos de pneus na contenção do seccionamento das peças de concreto. Porém, não foi possível quantificar tal contribuição, mas consideraram notório o aumento da capacidade de absorção de energia (tenacidade) do concreto com borracha.

A incorporação dos resíduos CCA e a borracha de pneu ao concreto oferece não só vantagens técnicas, como também benefícios sociais relacionados com a redução de problemas de deposição no meio ambiente, servindo de estímulo ao desenvolvimento de pesquisas que investiguem as potencialidades desses materiais. Deste modo, pretende-se que os resultados obtidos neste trabalho forneçam subsídios ao meio técnico, a fim de que ocorram novos avanços na aplicação desses materiais.

 

2. Materiais e dosificação do concreto

2.1 Cinza de casca de arroz

No presente trabalho foi utilizado uma CCA produzida no laboratório de engenharia Civil da Unesp - Campus de Ilha Solteira. Trata-se de um processo de queima onde se obtém uma cinza de coloração clara e amorfa. É importante mencionar que o processo de obtenção desse material esta sendo patenteado pelo grupo de Materiais Alternativos de Construção - MAC/Unesp.

A composição química da cinza e o difratograma de raio-X são mostrados na Tabela [1] e na Figura [1], respectivamente. A queima da casca de arroz foi realizada sem controle de temperatura, onde foram detectados picos de até 850 ºC durante o processo. A CCA apresenta uma coloração cinza clara e, de acordo com a Figura [1] observa-se que a CCA em estudo é um material amorfo. Isto é indicado pelo desvio da linha base entre os ângulos de 15 e 30 graus.

 

 

Neste estudo a CCA foi submetida a um processo de moagem durante 30 minutos, apresentando um diâmetro médio de 11,08 µm, medido através de um granulômetro a laser. Para o processo de moagem utilizou-se um moinho de bolas Gabrielli Mill-2 que continha 50 bolas de alumina com 18 mm de diâmetro, com um peso total de 570 g. O tempo de 30 minutos de moagem foi definido com base nos resultados apresentados por Vasconcelos e Akasaki [4], no que tange a influência do tempo de moagem na granulometria da CCA.

2.2 Resíduos de pneus

Utilizou-se a borracha proveniente do processo mecânico de recauchutagem de pneus fora de estrada e de máquinas pesadas. A borracha de pneu passou por um processo de peneiramento e seleção granulométrica, e durante este processo foram classificadas como fina, média, grossa e muito grossa; cuja granulometria utilizada nesta pesquisa foi a média, ou seja, os resíduos que passaram na peneira de abertura de malha 2,38 mm e que ficaram retidos na peneira de abertura de malha 1,19 mm. A Tabela [2] apresenta os resultados da classificação da borracha de pneu.

Baseado nos estudos de Vita et al. [9] adotou-se a mesma faixa granulométrica e porcentagem de resíduos de borracha de pneu em substituição ao agregado miúdo, ou seja, 3 % de borracha média (em volume). A borracha média apresenta a seguinte descrição: possui formato alongado (tipo fibra), comprimento em sua maior parte inferior a 10 mm e espessura em torno de 1 mm.

2.3 Dosificação do concreto

Os seguintes materiais foram caracterizados e constituíram a n dosificação do concreto: cimento Portland CP II F 32 (Tabela [3]), brita de origem basáltica Tabela [4]), areia natural (Tabela [5]) e aditivo superplastificante - policarboxilato (Tabela [6]). Utilizou-se também a incorporação da borracha de pneu (Tabela [7]) e a CCA (Tabela [8]) na composição dos concretos. O procedimento utilizado para a composição da dosificação de CAR foi proposto pelo pesquisador canadense Aïtcin [12], denominado "Método Aïtcin". este método é específico para o CAR, cujos parâmetros são aprimorados através de resultados empíricos baseando-se no critério de valor absoluto. O procedimento do método iniciou-se pela seleção de diferentes características da dosificação:

Relação água/aglomerante: relações propostas entre água/ aglomerante e a resistência;

Aditivo: baseado no ponto de saturação;

Teor de agregado graúdo: em função da forma típica das partículas;

Teor de ar incorporado: por meio de estimativa inicial sugerida (1,5 %).

Em seguida fez-se uma correlação entre a relação água/ aglomerante e o aditivo, determinando-se a quantidade de aglomerante a ser empregada na dosificação, e o volume restante a ser preenchido em um metro cúbico foi completado com agregado miúdo. Ressalta-se que os teores de argamassa e agregado graúdo foram avaliados pelo método adotado por Helene e Terzian [13]. Para melhor esclarecimento, os concretos estudados neste trabalho foram classificados de acordo com as seguintes situações:

Concreto sem (0 %) incorporação mineral - Controle;

Concreto sem (0 %) incorporação mineral e 3 % de borracha - Controle/Borracha;

Concreto com 5 % de cinza de casca de arroz - 5 % CCA;

Concreto com 5 % de cinza de casca de arroz e 3% de bor racha - CCA/Borracha.

A Tabela [9] apresenta as composições das dosificações de concreto utilizados. Determinada a quantificação dos materiais, passou-se à produção dos concretos e preparo dos corpos de prova. Os concretos foram produzidos, segundo a ABNT [14], em betoneira de eixo inclinado.

Foram moldados corpos de prova cilíndricos de 30 cm x 10 cm (diâmetro x altura), destinados ao ensaio de abrasão, realizado aos 28 dias de idade, sendo apresentado um modelo na Figura [2]. Para o ensaio de resistência ao impacto, realizado aos 7 e 28 dias de idade, foram moldados corpos de prova prismáticos (placas) de 5 cm x 15 cm x 30 cm, apresentados na Figura [3]. Também foram moldados corpos de prova cilíndricos de 10 cm x 20 cm (diâmetro x altura), Figura [4], para realização dos ensaios de resistência à compressão e à tração, e posterior análise de uma correlação entre as resistências e os valores obtidos nos ensaios de impacto e de abrasão.

 

 

 

 

 

 

Após a moldagem, todos os corpos de prova foram revestidos por plástico filme e mantidos no ambiente de laboratório por aproximadamente 24 horas. Ao retirar as fôrmas, colocaram-se os corpos de prova em câmara úmida, segundo a ABNT [15], até a data de realização dos ensaios.

 

3. Metodologia para realizaçãodos ensaios

3.1 Resistência ao impacto

Quanto à determinação da resistência ao impacto dos CAR, seguiram-se as especificações da ABNT [16]. O método utilizado baseou-se na queda livre de uma esfera com massa conhecida sobre o centro de um corpo de prova de concreto colocado em uma caixa de areia padronizada.

O equipamento do ensaio de resistência ao impacto é composto por um tubo de comprimento de 2,20 m fixado na parede, por uma esfera metálica ligada a um cordão no interior do tubo com peso de 0,5 kg, passando por uma roldana e uma caixa metálica contendo areia situada abaixo do tubo, onde se colocou o corpo de prova, sendo visualizado o aparato na Figura [5]. O ensaio foi realizado considerando que a esfera cai em queda livre, onde ocorre uma variação da altura de queda da mesma. Foram utilizados três corpos de prova por dosificação de concreto neste ensaio.

 

 

A resistência ao impacto foi determinada através do somatório de energia para o surgimento da primeira fissura na face superior e/ou ruptura do corpo de prova. A equação [1] foi utilizada nesse ensaio:

Sendo: Ei = energia de impacto (N.m ou J);

h = altura de queda (m);

m = massa da esfera (kg);

a = aceleração da gravidade (m/s2).

3.2 Resistência à abrasão

O ensaio de resistência à abrasão foi baseado no método do U. S. Corps of Engineers intitulado "Abrasion - Erosion Resistance of Concrete" (LCeC [17]). O aparato utilizado para a realização deste ensaio consiste essencialmente de um motor elétrico, uma pá de agitação, e um recipiente cilíndrico de aço para conter o corpo de prova, onde posteriormente foram adicionadas esferas de aço com o intuito de propiciar o desgaste por abrasão. A Figura [6] apresenta o aparelho para o ensaio de resistência à abrasão.

 

 

O desgaste foi calculado em função da variação percentual de massa, no decorrer de 71 horas de ensaio, sendo pesado antes de iniciar o ensaio e após 10, 24, 48 e 71 horas. Um único corpo de prova foi utilizado neste ensaio por dosificação de concreto.

3.3 Resistências à compressão e à tração

As resistências mecânicas foram obtidas segundo as seguintes especificações: resistência à compressão simples (ABNT [18]) e resistência à tração por compressão diametral (ABNT [19]). Tais ensaios foram realizados aos 3, 7, 28 e 63 dias de idade, onde os valores foram estabelecidos através da média aritmética de três corpos de prova por idade e por dosificação de concreto.

 

4. Resultados e discussões

As Tabelas [10] e [11] apresentam os resultados de resistência ao impacto dos CAR. Constatou-se que para os CAR com ou sem incorporação mineral e sem adição de borracha, foi necessário um número menor de impactos (menor energia) para o surgimento da primeira fissura, quando comparados à primeira fissura aos CAR com borracha, independente da idade.

Percebeu-se que os CAR com incorporação mineral tiveram resistência ao impacto superiores, quando comparados a dosificação Controle, independentemente da idade e ordem de observação das fissuras (primeira e última fissura). este fato também ocorreu para os CAR com incorporação mineral e borracha.

Em relação aos CAR com incorporação mineral e borracha, verificou-se uma parcela de ganho de resistência ao impacto na última fissura, cujos valores variaram de 9% a 20 %, aos 28 dias de idade, comparativamente aos CAR somente com incorporação mineral. enquanto a dosificação Controle/Borracha apresentou redução de 10 % de resistência ao impacto, nesta mesma idade.

Após a aplicação subsequente de impacto em relação à primeira fissura, determinou-se a última fissura, apresentando espessura entre 0,2 mm a 0,5 mm para os CAR com incorporação mineral e sem incorporação mineral, havendo o seccionamento total dos corpos de prova (placas). Os CAR com borracha apresentaram uma espessura das fissuras de até 0,5 mm, chegando a uma altura máxima de queda de até 2,20 m, não ocorrendo o seccionamento total dos corpos de prova. A Figura [7] apresenta alguns corpos de prova ao final do ensaio de resistência ao impacto.

Na Figura [8], podem ser visualizados os resultados de resistência à abrasão dos concretos, aos 28 dias de idade, obtidos pelas porcentagens de perda massa, através do desgaste à abrasão. Observando a Figura [8], percebeu-se que houve uma diminuição na perda de massa, em todos os períodos de ensaio dos CAR com incorporação mineral, em relação às perdas de massa apresentadas no CAR Controle. A perda de massa, em 71 horas, foi 34% menor para a dosificação com 5% de CCA, em relação ao CAR Controle. Supõe-se que a menor quantidade de cimento hidratado nos CAR com incorporação mineral foi compensado pelas ações do efeito microfíler.

 

 

Em relação aos CAR com borracha, todas as dosificações apresentaram resultados de perda de massa menores, quando comparados aos CAR sem borracha.

Comparando-se a porcentagem de desgaste final da dosificação Controle/Borracha, submetido ao ensaio de abrasão, 1,41%, com os resultados da dosificação com CCA/Borracha, em 0,29%, pode-se dizer que a adição de CCA contribui para uma melhoria na resistência à abrasão do concreto.

Dessa forma, pode-se afirmar que os concretos com CCA e borracha, mostraram um bom desempenho quando submetidos ao desgaste à abrasão, indicando que esse tipo de concreto pode ser utilizado, por exemplo, na pavimentação. Através da Figura [9a,b,c,d], pode-se visualizar os corpos de prova ao fim do ensaio de resistência à abrasão.

 


 

Com relação aos ensaios de resistências mecânicas, Figuras [10] e [11], as dosificações com incorporação mineral apresentaram inferioridade dos valores da relação entre resistência à tração e resistência à compressão, ao longo das idades analisadas, comparativamente ao traço Controle, mostrando ser um material mais frágil. Quanto à dosificações com incorporação de borracha, constatou-se superioridade dos valores da relação entre resistência à tração e resistência à compressão, em relação aos CAR sem borracha, demonstrando maior ductilidade.

 

 

 

 

Aos 7 dias de idade, a dosificação com CCA/Borracha demonstrou superioridade de valores da relação entre resistência à tração e resistência à compressão, quando comparada a dosificação com 5% de CCA, aos 63 dias de idade.

A dosificação Controle/Borracha apresentou valores da relação entre resistência à tração e resistência à compressão superior a dosificação com CCA/Borracha, nas idades analisadas, demonstrando ser menos frágil.

Fazendo-se uma correlação entre a resistência ao impacto com as resistências mecânicas de compressão e tração, percebeu-se que os resultados não seguem a mesma tendência com as dosificações com borracha, ou seja, as dosificações CCA/Borracha e Controle/Borracha apresentaram maior absorção de energia de impacto que a dosificação Controle, porém suas resistências mecânicas foram as mais baixas. O mesmo não podendo ser mencionado para a dosificação com 5% CCA, que obteve absorção de energia praticamente igual ao da com CCA/Borracha, e ainda atingiu os maiores valores de resistências mecânicas de compressão e tração.

Correlacionado o desgaste por abrasão com as resistências mecânicas, notou-se as dosificações CCA/Borracha e Controle/Borracha apresentaram o menor desgaste e obtiveram as menores resistências à compressão e à tração. enquanto que a dosificação com 5% CCA obteve desgaste menor apenas que a Controle, apresentando as maiores resistências mecânicas.

Diante das correlações, podemos afirmar que tanto as dosificações contendo CCA como as com borracha apresentam maiores capacidades de absorção de energia (tenacidade) e menor desgaste por abrasão, quando comparadas a Controle. e com isso, as maiores resistências mecânicas no concreto não indicam, necessariamente, que os concretos deverão apresentar maior capacidade de absorção de energia e propiciarem menor desgaste por abrasão.

 

5. Conclusões

Com relação ao ensaio de impacto, os concretos com CCA e borracha apresentaram desempenho superior a dosificação Controle/ Borracha. em relação às adições, pode-se dizer que o concreto com CCA apresentou desempenho superior que o concreto Controle.

Os resultados do ensaio de abrasão nos concretos contendo CCA e borracha apresentaram perda de massa inferior aos concretos sem borracha e ao concreto Controle/Borracha.

Quanto ao comportamento de ruptura resultante dos ensaios de impacto, pode-se concluir que os concretos com adição de borracha apresentaram uma melhor ductilidade, observado pelo aumento da capacidade de absorção de energia, quando comparado aos concretos sem adição de borracha.

A incorporação de resíduos de CCA e borracha de pneu ao CAR demonstrou viabilidade de uso na pavimentação, devido essencialmente ao bom desempenho das propriedades estudadas. Contudo, espera-se que estes resíduos venham realmente representar uma alternativa tecnológica e ecológica para a produção de concretos na construção civil.

 

6. Referências bibliográficas

 

 

Received: 18 Jul 2011
Accepted: 28 Aug 2013
Available Online: 11 Oct 2013

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Received: 18 Jul 2011
Accepted: 28 Aug 2013
Available Online: 11 Oct 2013

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