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Simpósio: Desempenho Térmico de Sistemas Construtivos Alternativos
06, 07 e 08 de Agosto de 2003 – Natal – RN
DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DE SISTEMA CONSTRUTIVO COM AGREGADO DE EPS
Determination of the specific mass of constructive system with
aggregate of EPS (expanded polystyrene)
Luciana Maia Coelho
Clemax Vanderlan Dantas de Oliveira
José Ubiragi de Lima Mendes
George Santos Marinho Departamento de Engenharia Mecânica – CT – UFRN
Campus Universitário – Lagoa Nova Natal/RN – CEP: 59072-970
ABSTRACT
The specific mass “ρ” (kg/m3) is an important parameter to the research of alternative
material to the civil construction. When the research concerns with the effect of the direct
solar radiation that reaches the opaque envelop of the buildings, the determination of “ρ”
has a vital importance: it allows to determine the thermal diffusivity “α = k/ρ.cp” (m2/s), a
indispensable parameter to the study of the thermal comfort inside the habitations. The
measurement of “ρ” requires special considerations that concern about the state of the
material. When considering a solid material, one of the more common techniques is the Le
Chatelier method. However, that method does not work when the solid material (concrete
block) has flakes of EPS (expanded polystyrene) as aggregate. In the present work we
describe the use of a technique to the determination of the specific mass of a alternative
constructive element – light concrete block (sandwich of two plates of concrete with
aggregate of EPS and a plate of EPS inside the core, i.e., between the plates of concrete);
the technique was named “the water–paraffin method”.
Key-words: specific mass, EPS, LCB – light concrete block.
RESUMO
Um sistema construtivo alternativo que permita reduzir os efeitos da carga térmica devido
à radiação solar no espaço habitável deve, obrigatoriamente, apresentar desempenho
térmico superior ao apresentado pelos sistemas construtivos convencionais. Um dos
parâmetros utilizados na comparação de desempenhos térmicos de sistemas construtivos
utilizados em fechamentos horizontais (coberturas) e verticais (paredes) é a difusividade
térmica (α). Para determiná-la, são necessários três outros parâmetros termofísicos:
coeficiente de condutividade térmica (k), calor específico (c) e densidade (ρ), sendo a
relação entre eles dada por α = k / ρcp. Todos esses parâmetros apresentam
complexidades durante a determinação experimental. No caso específico da densidade,
sua obtenção pode ser feita através de várias técnicas. Entretanto, quando se trata de
materiais sólidos, o número de opções é restrito. Por exemplo, a determinação da
densidade de um dado tipo de cimento, pode ser feita através do método de Le Chatelier.
No entanto, o mesmo método não se aplicaria ao caso do concreto fabricado com flocos
de EPS (poliestireno expandido). Fato semelhante ocorre quando são utilizados resíduos
industriais para produzir compósitos de matriz cimentícia. No presente trabalho descreve-
se o uso de uma técnica para determinação da densidade de um sistema construtivo do
tipo concreto leve, formado por concreto de cimento Portland com agregado de EPS. A
técnica baseia-se na determinação da massa específica, através do “método da
densidade aparente utilizando água e parafina”.
Palavras-chave: densidade, concreto leve, EPS.
INTRODUÇÃO
De acordo com Mehta (1994), o concreto é um material resultante da mistura íntima e
proporcionada de um aglomerante (cimento), agregados miúdos, agregados graúdos e água.
É considerado o material mais importante na construção civil e possui várias
aplicações além da estrutural, tais como: revestimento, pavimentos, paredes,
canalizações, fundações, etc. Para que se possa aproveitar melhor as características do
produto, faz-se necessário o conhecimento dos materiais que compõem o concreto.
Segundo Bauer (1994), a correta utilização do concreto de cimento Portland para
cada tipo de aplicação depende do conhecimento das propriedades do concreto.
Determinadas propriedades são imprescindíveis para certos tipos de obras, porém
são dispensáveis para outras. Por exemplo: a impermeabilidade do concreto é qualidade
essencial para obras hidráulicas, porém não é tão importante nas estruturas de edifícios.
A determinação de propriedades físicas e químicas constitui tarefa primordial na
pesquisa sobre materiais alternativos para produção de elementos construtivos, objeto de
estudos desenvolvidos no Laboratório de Transferência de Calor (LTC) da UFRN.
Entre as propriedades dos materiais, a densidade (ρ) é um parâmetro
imprescindível para determinação de várias outras grandezas, como por exemplo o
coeficiente de difusividade térmica (α), dada matematicamente por:
α = k / ρ c (1)
onde: α - difusividade, m2/h k - condutividade térmica, W/m.K
cp - capacidade calorífica, J/Kg.K ρ - densidade Kg/m3
Com esse intento, iniciou-se um levantamento bibliográfico sobre o estado da
técnica atual que trata da determinação da densidade aparente de materiais construtivos
alternativos, limitando-se a busca ao caso particular do concreto leve. Para tanto, foram
utilizados recursos da internet e do Commut nacional. Constatou-se que, em se tratando
de concretos leves onde os agregados podem ser EPS, PVC, resíduo de plástico
termofixo e fibras vegetais, não existe um método específico para tal.
Concreto Leve
O concreto leve é composto basicamente de concreto convencional e EPS
(poliestireno expandido), na forma de flocos, que substituem parte do material
convencional. Desse modo, o peso do concreto é sensivelmente diminuído, tendo ainda
uma boa resistência para usos não estruturais.
Devido ao baixo peso e a capacidade de isolamento térmico, o concreto leve
permite uma economia no uso final da obra, pela redução do custo da estrutura, facilidade
de manuseio, transporte, redução do tempo de obra e da energia consumida
(http://www.planeta.terra, 17/04/03). A densidade aparente do concreto leve de EPS varia
de acordo com as necessidades de aplicação, podendo ir de 400 a 1600 kg/m3.
Como praticamente não absorve água, o EPS permite uma ótima qualidade do
concreto produzido e um acabamento de superfície homogêneo, possibilitando o seu uso
in natura, mesmo exposto às intempéries. Na preparação da mistura de concreto leve,
deve ser levada em conta a aplicação, onde a mistura deve ser feita preferencialmente
em betoneira. Devido à sua reduzida densidade (numa placa de EPS, aproximadamente
98% é composto por ar), as pérolas flutuam em água. Para que isto não ocorra, deve ser
utilizado um adesivo solúvel em água (por exemplo, cola branca de madeira).
Densidade
Existem dois tipos de densidades: aparente e absoluta. Na aparente são considerados
os interstícios vazios do material em estudo, enquanto que na absoluta é necessário se
eliminar o volume desses espaços, que de outra forma alterariam os resultados, já que o
volume é um dos fatores levados em consideração na determinação da densidade.
Quando se trata de determinar densidades de materiais porosos, como concreto
com EPS, considera-se a densidade aparente. Entretanto, descobriu-se que não existe
nenhum método específico para tal. Assim, foi necessário adaptar os métodos existentes
aos objetivos da pesquisa. Foram testados os seguintes métodos: picnômetria, Le
Chatelier e densidade aparente utilizando água e parafina. Dentre eles, esse último foi o
que mais se adequou ao tipo de material escolhido, devido à disponibilidade de material e
a infra-estrutura física dos laboratórios.
METODOLOGIA
Escolhido o método a ser utilizado (densidade aparente utilizando água e parafina),
primeiramente se verificou a validade do mesmo utilizando para isto uma amostra de
material com densidade conhecida (ρparafina= 910 Kg/m3) onde foi verificado que a
densidade calculada pelo método foi o esperado.
Em seguida, as amostras (concreto com agregados de EPS) foram preparadas e
posteriormente medidas as suas densidades no Laboratório de Geoquímica/UFRN de
forma a adquirir os parâmetros necessários para atender a eq. 5
(http://www.ceramicaindustrial, 05/03/03).
Densidade aparente utilizando água e parafina - nesse método a parafina serve
única e exclusivamente para impermeabilização das amostras, podendo assim ser imersa
na água, sem que haja absorção do líquido.
O tempo de endurecimento da película de parafina é praticamente instantâneo.
Impermeabilizando-os de forma a garantir que as amostras não irão absorver água
durante o processo de determinação da densidade aparente.
Na figura 1, apresenta-se o balanço de forças atuantes na amostra submetida ao
processo para determinação da densidade.
Fig. 1 - Balanço de Forças na amostra.
g.FPV
Fg.V.P
FEP
OHAP
APOH
2
2
ρ−
=
+ρ=
+=
(2)
Neste novo método, o volume aparente da amostra engloba o volume da amostra e
o volume da parafina isolante, então:
ParafinaOH
AP
OHParafinaAP
Vg.FPV
g.FPVV
2
2
−ρ−
=
ρ−
=+
)3(
Sabendo que a densidade da parafina pode ser escrita como:
Parafina
ParafinaParafina V
m=ρ
A equação fica:
Parafina
Parafina
OHAP
Parafina
Parafina
OHAP
Parafina
Parafina
OHAP
m´MV
mg.
g´.MV
mg.FPV
2
2
2
ρ−
ρ=
ρ−
ρ=
ρ−
ρ−
=
)4(
Temos então que a densidade aparente pode ser expressa como:
APAP V
m=ρ
Substituindo na Equação (4), obtém-se:
OHParafinaParafina
ParafinaOHAP
2
2
.m´.M..m
ρ−ρ
ρρ=ρ )5(
Na eq. 5 considera-se a densidade aparente da amostra, onde:
ρAP = Densidade Aparente da amostra (kg/m3);
ρParafina = Densidade da parafina (g/cm3);
ρH2O = Densidade da água na temperatura do experimento (g/cm3);
m = Massa do bloco (g);
mParafina = Massa da parafina que impermeabilizou o suporte (g);
M´ = Massa de água deslocada pela amostra (g).
Procedimento de Preparação das Amostras
a) Foram cortados 3 amostras de cada tipo de cada bloco de concreto leve, com um
volume aproximado de 27 cm3, no laboratório de Laminação do Departamento de
Geologia/UFRN. Estas amostras foram posteriormente identificadas (Fig. 2). Todos as
amostras foram pesadas 3 vezes, para posterior cálculo do desvio-padrão;
Fig.2 – Amostras preparados para impermeabilização
b) Foi montada uma bancada para o procedimento de impermeabilização das amostras
(Fig. 3) composta por: capela, placa aquecedora, dois refratários de alumínio, Becker
com água, Becker com parafina em flocos e tesoura tipo gancho.
Fig. 3 – Capela usada na impermeabilização das amostras
c) As amostras foram mergulhadas na parafina já derretida (Fig. 4) por três vezes, para
formar uma camada homogênea livre de bolhas superficiais que viessem absorver
água durante o procedimento de medição.
Fig. 4 – Procedimento para impermeabilizar as amostras
Procedimento de Pesagem das Amostras:
a) Montagem da bancada para pesagem das amostras. Primeiramente o sistema Becker
com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação, foram
pesados (Fig. 5). Posteriormente a balança foi zerada, para que somente o peso de
cada amostra sob a ação do empuxo fosse medido.
Fig. 5 – Bancada preparada para o procedimento de pesagem das amostras.
b) Cada amostra foi posta dentro do suporte de cobre (Fig. 6) e este conjunto foi
mergulhado até a água tocar a marcação, então foi anotado o valor do peso das
amostras sob a ação do empuxo;
Fig. 6 – Amostra dentro do suporte de cobre mergulhado na água.
Após a primeira medida a balança foi zerada novamente junto com o sistema
(Becker com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação), pois
há perda de água a cada retirada do conjunto suporte de cobre e amostra.
Todos as amostras foram pesadas, sucessivamente, três vezes.
RESULTADOS E ANÁLISES
Como não foi encontrado nenhum método especifico para a determinação da
densidade de blocos de concreto leve, alguns métodos foram ajustados à situação, mas
ocorreram alguns problemas que impossibilitaram o uso destes. Podendo-se citar em
cada método:
a) Método da Picnômetria
Este método é utilizado para se determinar a densidade real dos solos através da
equação 6, e requer boa técnica para precisão de resultados. As amostras em estudo
foram trituradas e secas.
Neste caso este método foi descartado pois como o concreto possui EPS, que por sua
vez tem densidade menor que a água, os flocos flutuavam na superfície e alguns destes
flocos saiam através do orifício que existe na extremidade do picnômetro quando
tampados.
Este fato interferia nos resultados pois os resultados não seriam reais, já que alguns
flocos foram perdidos da amostra aumentando conseqüentemente a densidade da
amostra.
)23()14(12
PPPPPPDt
−−−−
= (6)
Onde:
Dt – densidade real à temperatura t;
P1 - peso do picnômetro vazio e seco, em g;
P2 - peso do picnômetro mais amostra, em g;
P3 – peso do picnômetro mais amostra, mais água, em g;
P4 – peso do picnômetro mais água, em g;
b) Método de Le Chatelier:
De acordo com a NBR 6474/1984 para se determinar a massa específica de
materiais tais como cimento, solo e material de enchimento e outros materiais em pó Le
Chatelier é o método mais adequado.
O ensaio é feito com um frasco de Le Chatelier. Usa-se, no caso, querosene ou
benzeno e não água, pois sendo o material muito fino, formaria com a água uma pasta
(lama) que falsearia o resultado.
É utilizado para materiais tais como cimento, solo, material de enchimento, etc.
Apesar deste método ser o mais adequado para o cimento, no caso do concreto
utilizado neste experimento, mais uma vez o EPS interferiu nos resultados pois na
superfície dos flocos de EPS bolhas de ar ficaram aderidas diminuindo assim a densidade
da amostra (ao contrário do picnômetro).
A densidade real através do método de Le Chatelier é determinada através da
equação (7):
Vm
VVPPd =
−−
=1212 )7(
O método que mais se adequou a situação foi o da densidade aparente utilizando
água e parafina, por eliminar os interstícios vazios (a parafina não permite que a água
seja absorvida pela amostra), fato este que iria interferir nos resultados e por se adequar
as condições do laboratório.
Os concretos dos quais foram determinadas as densidades, possuem a seguinte
composição (tab. 1).
Tabela 1 – Porcentagens de componentes dos blocos de concreto.
Composição 61 16 88
EPS ( l ) 60 100 80
Cimento (kg) 50 50 50
Areia ( l ) 100 60 80
Brita ( l ) - - -
Água ( l ) 25-30 25-30 25-30
Aditivo ( l ) - - -
Da Tabela 2 a 7 estão plotados os valores necessários a determinação da
densidade através da eq 5 inseridos em planilha eletrônica do EXCEL 97.
Tabela 2 – Pesos das amostras de concreto SEM parafina.
BLOCO PESO DAS AMOSTRAS (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3
Bloco Padrão 37,27 37,27 37,27 34,70 34,70 34,70 34,62 34,62 34,62
16 18,16 18,16 18,16 14,19 14,19 14,19 17,43 17,43 17,43
88 19,02 19,02 19,02 19,65 19,65 19,65 23,22 23,22 23,21
61 24,59 24,59 24,59 27,84 27,84 27,84 16,21 16,21 16,21
Tabela 3 – Pesos das amostras de concreto COM parafina.
BLOCOS PESO DAS AMOSTRAS COM PARAFINA (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3
Bloco Padrão 46,7 46,71 46,7 43,83 43,84 43,83 43,02 43,01 43,01
16 26,22 26,22 26,22 21,29 21,3 21,3 26,32 26,31 26,31
88 29,63 29,63 29,63 29,1 29,1 29,1 32,13 32,14 32,13
61 26,99 26,99 26,98 32,43 32,43 32,42 23,09 23,09 23,09
Tabela 4 – Pesos da parafina (i.e., bloco com parafina – peso do bloco).
BLOCOS PESO DA PARAFINA NO BLOCO (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3
Bloco Padrão 9,43 9,44 9,43 9,14 9,15 9,14 8,40 8,39 8,39
16 8,06 8,06 8,06 7,10 7,11 7,11 8,89 8,88 8,89
88 10,61 10,61 10,61 9,45 9,45 9,45 8,91 8,93 8,92
61 2,40 2,40 2,39 4,59 4,59 4,59 6,88 6,88 6,88
Tabela 5 – Pesos dos blocos mais parafina menos empuxo.
BLOCOS (PESO DO BLOCO + PARAFINA) - EMPUXO (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3
Bloco Padrão 29,03 29,05 29,1 27,57 27,55 27,52 26,47 26,43 26,36
16 25,59 25,62 25,6 21,37 21,35 21,36 25,6 25,59 25,6
88 28,34 28,37 28,37 27,64 27,71 27,7 26,32 26,29 26,34
61 19,31 19,3 19,31 23,41 23,38 23,37 21,56 21,55 21,54
Tabela 6 – Densidades aparentes dos blocos calculadas através da Equação 5.
BLOCOS DENSIDADE APARENTE DO BLOCO (Kg/m3)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3
Bloco Padrão 1987 1986 1980 1970 1973 1975 1999 2002 2011
16 1080 1078 1080 1041 1043 1043 1096 1096 1095
88 1135 1133 1133 1133 1129 1129 1398 1402 1397
61 1470 1471 1469 1510 1513 1513 1153 1153 1154
Tabela 7 – Valores das médias de cada bloco analisado por tipo.
MÉDIA(Kg/m3) BLOCOS
1 2
3
MÉDIA
GERAL(Kg/m3)
Bloco
Padrão
1069
1080
1042
1064
16
1069
1080
1042
1064
88
1263
1133
1131
1176
61
1334
1470
1512
1438
Durante o processo de determinação da densidade de cada amostra, pôde-se
constatar a relação inversa entre o aumento da quantidade de EPS nos blocos (tab.1) e o
valor das densidades (tab.7).
Este fato irá influenciar diretamente na difusividade dos blocos, pois, de acordo
com a eq. 1, mantendo-se os demais parâmetros constantes, quanto menor for a
densidade, maior será a difusividade.
CONCLUSÕES
O aumento do teor de EPS como agregado em bloco de concreto leve diminui sua
densidade, como se esperava.
Foi objetivo da presente pesquisa determinar um método adequado à quantificação
da variação da densidade em função da porcentagem de EPS utilizada na composição
dos blocos de concreto leve.
Os demais métodos não se aplicaram devido às limitações como: migração dos
flocos de EPS para a superfície da água (picnômetro) e aderência de bolhas ao EPS (Le
Chatelier), bem como as condições necessárias aos experimentos (vidraria, climatização,
precisão de balanças e vibração).
Através do método da densidade aparente utilizando água e parafina, foi possível
se determinar as densidades dos blocos de concreto leve, necessárias a este projeto.
Este método foi o que mais se adequou ao tipo de material escolhido, devido à
disponibilidade de material, a infra-estrutura física dos laboratórios e não sofrer influencia
do EPS nos resultados.
Ao se determinar as densidades pôde ser visto que ao se aumentar a quantidade
de EPS nos blocos, as mesmas decrescem. Este fato irá influenciar diretamente na
difusividade dos blocos pois de acordo com a Equação 1.
No próximo trabalho, os dados da densidade serão utilizados para determinação da
difusividade térmica.
BIBLIOGRAFIA
1. <http://planeta.terra.com.br/negocios/makipor/concreto.htm>. Acesso em: 17 Abril
2003.
2. <http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v07n02/v7n2_8.pdf>. Acesso em 05
Março 2003.
3. Bauer, F. L. A. Materiais de Construção: novos materiais para a construção civil. Vol.
1, 5o Edição, LTC, 1994.
4. Mehta, P. K. Concreto: estrutura, propriedades e materiais, São Paulo, PINI, 1994.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio obtido junto aos seguintes fomentadores da pesquisa:
Direção do Núcleo Tecnológico Industrial – NTI da UFRN
Direção do Centro de Tecnologia – CT da UFRN
Prof. Marciano Furukava
Equipe CT ENERG
Profª Raquel Franco de Souza Lima (Laboratório de Geoquímica/UFRN)
Técnicos: Ricardo Fonseca (Lab. Metalografia/UFRN),
João Batista (Lab. Solos/UFRN)
Marcelo Morais (Lab. Metrologia/UFRN).
APOIO
A realização da pesquisa descrita neste trabalho só se tornou possível graças ao
financiamento do CNPq, através do Projeto CT ENERG – Processo N° 552.372/01-3.