3.1 Mudança de desempenho com o tempo

A vida precoce de materiais artesanais, estruturas e sistemas é caracterizada frequentemente por uma probabilidade elevada da falha. É preciso algum tempo para superar problemas iniciais inevitáveis e alcançar o nível necessário de maturidade e estabilidade. Uma vez que esse ponto é atingido, um período de "silêncio" segue até que chegamos novamente em um período de probabilidade crescente de falha. Exceder uma determinada probabilidade predefinida de falha então marca o fim da vida útil de uma estrutura ou sistema. A alta probabilidade de falha no início, o período subsequente de "repouso" e o período subsequente de aumento da probabilidade de falha pode ser apresentado com a curva da “banheira” (Figura 1a).

Figura 1 Evolução da probabilidade de falha (curva de banheira) e de desempenho (direita) de sistemas complexos (depois de ^{Van Breugel, 2014}) 

Em essência, a curva de “banheira” também se aplica aos nossos ativos fixos, mesmo que não tenha sido muito frequentemente utilizada para infraestrutura. A duração do período em que a probabilidade de falha é baixa é de crucial importância para o desempenho econômico desses ativos. A curva da “banheira” sugere que este período é um período durante o qual "nada acontece". É um período de "descanso", ou período "dormente". Assumir que no período de baixa probabilidade de falha nada acontece, no entanto, é enganosa. Se houvesse realmente "descanso", o que poderia então ser a força motriz por trás do aumento da probabilidade de falha com o decorrer do tempo? Para ilustrar o raciocínio anterior, colocar a curva de “banheira” da Figura 1a de cabeça para baixo pode ajudar, como mostrado na Figura 1b. No eixo vertical, agora colocamos 'Desempenho' em vez da 'Probabilidade de falha'. Após um curto período de problemas iniciais, o material, a estrutura ou o sistema atingiram o nível (elevado) de desempenho necessário. Esse é o nível em que o material deve demonstrar sua capacidade de atender aos critérios de segurança e funcionais, se possível sem intervenção para manutenção ou reparo. É o período de "esporte de alto nível" para todos os blocos de construção básicos, ou seja, átomos, moléculas e interfaces, a partir do qual é feito um material ou estrutura. Quando estes blocos de construção básicos desistem e deixam sua posição, o período de deterioração começa. Então o envelhecimento começou! Estes primeiros passos minúsculos de decaimento provavelmente não serão observados na macroescala imediatamente.

O momento em que os primeiros blocos de construção básicos cedem só pode ser compreendido com modelos apropriados de comportamento dos materiais como resultado de níveis subsequentes de observação. Aqui a química, a física, a eletroquímica, a mecânica e a matemática se encontram e precisam uns dos outros para desenvolver ferramentas para descrever e prever processos de envelhecimento a um nível fundamental.

3.2 Forças motrizes por trás do envelhecimento - Um olhar mais atento.

Envelhecimento pode ser definido como uma mudança de desempenho de um material, estrutura ou sistema com o tempo. Como o tempo por si só pode resultar em uma mudança de desempenho, não é fácil de entender à primeira vista. Como um material "em repouso" pode mudar seu desempenho com o tempo? Um olhar mais atento a qualquer parte de matéria "em repouso" nos diz que o status de repouso só se aplica a uma certa escala de comprimento. Indo para a escala atômica o mundo está em movimento o tempo todo! As entidades fundamentais, isto é, blocos de construção básicos, estão se movendo continuamente com uma certa probabilidade de deixar sua posição para aquela que melhor se adapta a elas. Esse fenômeno ocorre no domínio do tempo. É uma característica inerente da matéria e está na base do envelhecimento dos materiais. Em cima desta característica inerente vemos, em diferentes escalas, um número de gradientes, o que pode fazer com que os blocos básicos de construção da matéria para começar a se mover. Gradientes são as forças motrizes causando mudanças no material com o decorrer do tempo. Observe que o limite de qualquer parte de material com seus gradientes de ambiente existe. Estes gradientes dizem respeito, por exemplo, à temperatura, umidade e radiação e podem causar alterações na superfície do material.

O precedente ilustra que um material "em repouso" é dificilmente concebível. Em menores escalas há movimento o tempo todo e uma variedade de gradientes causam os blocos básicos de construção da matéria para mudar sua posição. Em essência, isso vale para todos os materiais e sistemas. Blocos de construção básicos se caminham para uma posição (nível de energia), onde se sentem mais confortáveis. Ao conceber materiais de uma forma inteligente, isto é, minimizando gradientes internos e concentrações de tensões e deformações, haverá uma menor razão para blocos de construção básicos abandonarem a sua posição. Assim, o processo de envelhecimento diminuirá e a vida útil dos materiais, estruturas e sistemas aumentará.

4.1 Desempenho de tabuleiros de pontes - Um inventário.

Em março de 2001, os resultados de um estudo muito interessante foram publicados por ^{Mehta (Mehta e Burrows, 2001}). Ele analisou o desempenho de tabuleiros de pontes construídos em quatro períodos subsequentes no século XX. O primeiro foi o período anterior a 1930, o segundo entre 1930 e 1950, o terceiro de 1950 a 1980 e o quarto de 1980 até hoje. As misturas de concreto utilizadas para os tabuleiros de pontes foram caracterizadas pela composição química e pela finura do cimento. Os cimentos utilizados no primeiro período, antes de 1930, tinham um teor de C3S inferior a 30% e uma superfície Blaine de 180 m²/kg. Consequentemente, a taxa de hidratação foi baixa. O desempenho de muitos dos tabuleiros de pontes feitos com estes cimentos foi muito bom.

Os cimentos utilizados no segundo período foram triturados com uma finura Blaine entre 180 e 300 m²/kg. A tecnologia de construção usada para os tabuleiros de pontes foi semelhante à utilizada no primeiro período. Os autores relatam que os tabuleiros de ponte construídos no segundo período foram menos duráveis do que aqueles construídos antes de 1930.

As estruturas construídas entre 1950 e 1980 parecem ter mais problemas de durabilidade do que as construídas antes de 1950. Os cimentos utilizados neste período tiveram uma finura até 400 m²/kg e um teor de C3S superior a 60%. Com o objetivo de obter um concreto mais denso e mais durável a razão a/c foi menor do que nos dois primeiros períodos. O maior teor de C3S e a maior finura do cimento aumentaram a resistência inicial destas misturas. Isso tornou possível a construção mais rápida. Isto, no entanto, resultou em uma maior probabilidade de fissuração térmica agravada por uma maior retração autógena dos traços de relação água-cimento baixa. A maior tendência para a micro fissuração numa idade precoce foi a razão mais plausível para explicar problemas de durabilidade em idades posteriores.

No quarto período, a tendência para atingir resistências mais elevadas continuou. Geralmente, isto foi possível usando traços com uma baixa relação a/c. O uso de traços com baixo teor de a/c aumentou ainda mais o risco de fissuras. Para tabuleiros de pontes, foram encontradas resistências moderadas entre 30 MPa e 45 MPa. Entre 29 tabuleiros de pontes, a fissuração em tabuleiros de pontes de 44 MPa foi duas vezes maior em tabuleiros de pontes de 31 MPa.

4.2 Estudo de traço e propensão ao envelhecimento

O estudo de Mehta sobre o desempenho de tabuleiros de pontes ilustra como a pressão do mercado para construir mais rapidamente criou uma demanda por traços com uma resistência inicial elevada. Isto foi possível usando cimentos mais finos com uma maior quantidade de C3S. O preço disto, entretanto, era uma probabilidade mais elevada de fissuração nas primeiras idades dos tabuleiros da ponte.

Para a elaboração de estruturas mais esbeltas e mais elegantes é necessária uma resistência final mais elevada. As altas resistências são alcançadas pela redução da relação a/c. A utilização de superplastificantes tornou possível reduzir a relação a/c de dosagens de concretos para valores até mesmo inferiores a 0,2. Com estes traços de baixa a/c, obtêm-se concretos densos com baixa permeabilidade. Isso é considerado benéfico para a durabilidade do concreto. Ao mesmo tempo, no entanto, é observado um aumento na tendência do concreto a se micro fissurar, principalmente por causa do aumento da retração autógena.

Outra razão para um maior risco de fissuração de concretos de alta resistência e ultra-alta resistência são as altas temperaturas que ocorrem devido ao alto consumo de cimento. Ao otimizar o empacotamento das partículas das frações de agregados, a quantidade de cimento e, consequentemente, as temperaturas máximas, podem ser reduzidas. Um baixo consumo de cimento também é considerado positivo do ponto de vista da sustentabilidade (menor pegada de carbono da mistura de concreto fresco). Um baixo teor de cimento, no entanto, também tem um inconveniente. Um baixo consumo de cimento reduz a capacidade inerente de autocicatrização do concreto. Do ponto de vista da autocicatrização, um consumo de cimento não muito baixo e o uso de cimento "velho", grosseiramente moído, é favorável. Isto explica em parte o resultado do estudo de Mehta que os tabuleiros de pontes antigas apresentaram um melhor desempenho do que os mais novos. Na terminologia deste artigo, diríamos que as antigas dosagens de concreto com cimentos grosseiros com baixo teor de C3S eram menos propensos ao envelhecimento do que as dosagens modernas com cimentos finamente triturados com alto teor de C3S.

5.3 Retração autógena de misturas de concreto tradicionais C28/35 e C35/45.

A elevada retração autógena da mistura C55/65, muito maior do que a esperada, foi motivo suficiente para iniciar uma investigação sobre a retração autógena de misturas de concreto tradicionais com relações a/c entre 0,44 e 0,50, classes de resistência C35/45 e C28/35. ^{Van Cappellen (2009}) relatou que, particularmente em idades precoces, a retração autógena de misturas de concreto feitas com cimento de escória de alto forno se desenvolveu mais rápido do que a das misturas de OPC. Aos 200 dias a diferença não era muito grande. O estudo de Van Cappelle foi continuado por ^{Mors (2011)} para misturas feitas com dois tipos de agregado, isto é, calcário e quartzo. As composições da mistura são apresentadas na Tabela 3. As Figuras 3 e 4 mostram a retração autógena das misturas tradicionais T (0,50) e T (0,44) feitas com agregado de quartzo e as misturas N (0,50) e N (0,46) feitas com agregado de calcário. As curvas de retração mostram de forma convincente que as misturas com a/c na faixa de 0,44 a 0,5 também apresentam substancial retração autógena. Mais importante ainda, estas misturas também exibem retração autógena em idades acima de 28 dias, a idade em que o concreto é geralmente assumido que já atingiu um elevado grau de maturidade!

Figura 3 Retração autógena de misturas tradicionais T(0.50) e T(0.44). Agregado de quartzo. a/c = 0.5 e 0.44 (^{Mors, 2011}; ^{Van Breugel et.al., 2013}) 

Figura 4 Redução autógena de misturas N(0.50) e N(0.46). Agregado calcário. a/c = 0.46 e 0.50 (após ^{Mors, 2011}; ^{Van Breugel et.al., 2013}) 

5.4 Retração autógena, retração por secagem e normas de projeto.

No passado, estudos experimentais sobre a retração por secagem de concreto foram frequentemente realizados em amostras com 28 dias de idade e as curvas de contração medidas foram em grande parte interpretadas como retração por secagem. A partir das curvas de retração autógena apresentadas nas seções anteriores, temos que concluir, entretanto, que após 28 dias não é possível ignorar a retração autógena, inclusive para misturas com relações água-cimento maiores que 0,4. Para estas misturas, a contribuição da retração autógena para as curvas de contração medidas em amostras secas tem sido frequentemente negligenciada. Isto significa que no passado muitos ensaios de retração de secagem podem ter sido mal interpretados. Uma parte substancial das curvas medidas em amostras secas deveria ter sido atribuída à retração autógena. Em atualizações recentes das normas de projeto, a retração autógena está agora explicitamente mencionada, também para misturas tradicionais com a/c> 0,4. No novo EuroCode 2 e na norma japonesa, a retração autógena é considerada também para misturas com classes de resistência <C55/65.

Para traços com a/c 0,44 - 0,50, no entanto, estas normas ainda subestimam a retração autógena, pelo menos para os traços ensaiados e os tipos de cimento considerados nas seções anteriores. A Figura 5 mostra a retração autógena de acordo com o EuroCode 2 e a norma JSCE, juntamente com a retração autógena medida em concretos de resistência normal C28/35 (T (0,50)). São apresentadas tanto a retração autógena medida como a curva após correção para a pequena perda de umidade através do selante. A retração autógena de acordo com o EuroCode 2 é apresentado para os traços C28/35 e C35/45, ou seja, misturas com resistências semelhantes à resistência medida das misturas consideradas neste documento. Em ambos os casos, a retração autógena de acordo com o EuroCode 2 é cerca de 30% da retração autógena medida. A subestimação da retração autógena pelo EuroCode 2 também foi observada por ^{Darquennes et al. (2012}). As previsões com a norma japonesa estão mais próximas dos valores medidos, mas ainda subestimam a retração autógena medida.

Figura 5 Comparação da retração autógena medida com previsões do EuroCode 2 e a norma Japonesa 

5.5 Retração e Envelhecimento.

A retração autógena e de secagem acompanham a evolução das tensões internas. Em ambos os casos, a pasta de cimento é o componente que retrai. Todas as tensões induzidas pela retração estão sujeitas a relaxamento. O relaxamento das tensões, no entanto, não é "de graça". Ela requer a reestruturação de pequenos blocos de construção de matéria. Em outras palavras: a idade material! No que diz respeito às curvas de contração autógena, tem sido proposto que as deformações de longo prazo observadas possam ser curvas de fluência seguindo ascurvas de retração elásticas exercidas pelas forças capilares na água dos poros. Além disso, essas deformações de fluência não são "de graça", mas requerem reestruturação dos elementos elementares do material: O material envelhece! Para análise quantitativa da fluência e do relaxamento, ^{Wittmann (1977}) aplicou o conceito de energia de ativação, considerado a abordagem mais apropriada para a pesquisa fundamental de fenômenos de envelhecimento de materiais baseados em cimento.

6.1 Design de materiais.

O envelhecimento é uma característica inerente aos materiais. Soluções para problemas de envelhecimento exigem, portanto, intervenções ao nível dos materiais fundamentais. Para lidar com problemas de envelhecimento, são concebíveis duas abordagens, isto é, a abordagem preventiva e a abordagem reativa.

Na abordagem preventiva, o foco está no projeto de materiais homogêneos com o menor número possível de gradientes internos, concentrações de tensões e interfaces. Para materiais heterogêneos, como o concreto, este é um grande desafio. Ao passar pelas escalas de comprimento subsequentes, do nível (sub) nano ao meso, o concreto se comporta como um sistema complexo. Dito de outra forma, o concreto é um "produto da mente" (^{McCarter, 2009}), cujas propriedades são determinadas pelas propriedades dos componentes individuais e das interfaces entre eles. Alguns destes componentes - na verdade todos! - mudam com o tempo, e assim fazem as propriedades das interfaces. Isso torna os materiais heterogêneos suscetíveis ao envelhecimento.

Na abordagem reativa, a heterogeneidade do material e, portanto, as concentrações internas de tensões e deformações e a ocorrência de danos internos e envelhecimento, são consideradas uma questão de fato. Se o envelhecimento é, na verdade, inevitável, a autocicatrização poderia ser uma solução para problemas de envelhecimento. Quando se trata de concreto, a presença de partículas de cimento ainda não hidratadas proporciona uma capacidade inerente de autocicatrização. A este respeito, o concreto feito com um cimento grosso é considerado favorável ao concreto feito com um cimento fino. A observação de ^{Mehta (2001}) de que os tabuleiros de pontes antigas, construídas com cimento grosso, apresentaram melhor desempenho do que as construídas com cimentos mais finos, poderiam ser explicadas, pelo menos em parte, pelo papel de autocicatrização nas estruturas mais antigas. A tendência moderna para, em primeiro lugar, usar cimento mais fino para acelerar a taxa de ganho de resistência e, em segundo lugar, reduzir a quantidade de cimento para reduzir a pegada de CO₂ do concreto, pode trabalhar negativamente sobre a resistência do material contra o envelhecimento! Nestes casos, uma análise abrangente do ciclo de vida é necessária para pesar todos os prós e contras das tendências modernas na concepção do traço de concreto.

6.2 Envelhecimento e normas de projeto.

Para a concepção e realização de estruturas de concreto, as normas de projeto são indispensáveis. Dos numerosos edifícios e obras de construção fascinantes realizadas no passado, um alto grau de maturidade destas normas pode ser inferido. Na seção 5.4, vimos, contudo, que as normas prescritivas correntemente utilizadas falham em descrever o desempenho a longo prazo, isto é, a contração de estruturas de concreto. Nesse sentido, é interessante refletir sobre a tendência recente de mudar de normas prescritivas para normas baseadas em desempenho. A questão é saber se é de esperar que, com esta mudança, as questões do envelhecimento sejam consideradas de forma mais adequada e passem a fazer parte de uma abordagem de projeto integral para as estruturas de concreto. Estritamente falando, a mudança de normas prescritivas para normas baseadas em desempenho é um retorno à origem da profissão de construtor. Antigamente, todo o processo de construção estava nas mãos de uma pessoa: o construtor. O construtor tinha a responsabilidade integral de cumprir todos os critérios de segurança e funcionais estabelecidos pelo proprietário.

Como o construtor conseguiu cumprir os critérios do proprietário, não foi prescrito em detalhes. Tudo isso foi considerada a competência e a responsabilidade do construtor. Em seu livro clássico sobre tecnologia de construção, Vitrúvio (85-20 a.C.) afirmou que preferivelmente todo o processo de construção deveria estar nas mãos de uma pessoa. Quando Vitrúvio escreveu seu livro, alguns anos a.C., percebeu já que essa situação ideal já não era sustentável. O processo de construção se tornou muito complicado e uma única pessoa não poderia ser um especialista em todas as áreas do processo de construção. Gradualmente, o construtor teve que compartilhar sua responsabilidade com os outros. Esta situação começou a surgir de certificados e, mais tarde, normas prescritivas. O usuário destes documentos poderá ser responsabilizado pela correta interpretação e cumprimento das normas, mas não pelo conteúdo das normas.

As normas prescritivas podem ser julgadas como a consequência final de um processo de crescente fragmentação do processo de construção e, mais importante, da visão de que tudo, incluindo a qualidade, é engenheirável. Os enormes problemas de sustentabilidade que enfrentamos hoje, no entanto, ilustram que essa visão perdeu a maior parte de seu poder convincente. Normas prescritivas, mesmo as mais detalhadas, são necessárias, mas insuficientes para garantir qualidade e/ou sustentabilidade. Normas prescritivas lidam com propriedades de materiais com o objetivo principal de fornecer ao projetista os dados necessários para projetar estruturas seguras. Qualquer alteração de desempenho dos materiais com o tempo é considerada uma propriedade dependente do tempo sem abordar a causa dessas alterações.

Com normas baseadas no desempenho, o processo de construção foi devolvido ao construtor, incluindo o desafio de realizar (a longo prazo) critérios de qualidade e metas de sustentabilidade. A liberdade do construtor de decidir como atender a esses critérios e objetivos pode estimular o construtor a investir em pesquisa fundamental de materiais de construção tradicionais e novos e em conceitos de projeto inovadores. Além disso, as normas baseadas no desempenho, em combinação com os novos contratos DBFM (Design-Built-Finance-Maintenance), também forçarão o construtor a focar tanto o desempenho a curto quanto a longo prazo, isto é, o envelhecimento de materiais e estruturas. Para isso, o construtor necessitará de modelos preditivos confiáveis, incluindo modelos para quantificar a taxa de processos de envelhecimento e suas consequências.