"MÉTODO E DISPOSITIVO PARA A DETERMINAÇÃO DO PROCESSO DE

CURA DO BETÃO BASEADO EM FIBRAS ÓPTICAS"

Domínio técnico da invenção

A solução proposta permite monitorizar o processo de cura do betão, utilizando uma solução de baixo custo e com uma elevada sensibilidade. Esta solução baseia-se na utilização de um emissor óptico, de um receptor óptico e de uma fibra óptica de plástico sem a protecção externa e na qual são realizados entalhes.

A solução proposta tem aplicação na monitorização do processo de cura de betão. Sendo de especial relevância na fase de betonagem, in-situ ou em estaleiro, de elementos estruturais de infra-estruturas de engenharia civil.

Sumário

É um dos objectivos da presente invenção descrever um método para a monitorização do processo de cura do betão efectuado com base na determinação da presença de água no betão através da variação da potência do sinal transmitido em função do tempo.

Numa realização preferencial deste método para a monitorização do processo de cura do betão, a determinação da concentração de água é baseada no espalhamento do sinal óptico na superfície da fibra (2), nomeadamente nos entalhes (5) induzidos na mesma.

Numa outra realização preferencial deste método para a monitorização do processo de cura do betão, a monitorização da variação da potência óptica medida poder prolongar-se por todo o tempo de cura do betão.

Outro dos objectivos da presente invenção é descrever um dispositivo para a monitorização do processo de cura do betão que utiliza um emissor óptico (1), um receptor óptico (4) e uma fibra óptica (2) sem a sua protecção externa na qual foram realizados entalhes (5) aleatoriamente ao longo do seu comprimento e que é embutida na estrutura a monitorizar (3) .

Numa realização preferencial deste dispositivo para monitorização do processo de cura do betão, os entalhes (5) realizados ao longo do comprimento da fibra (2) tem uma profundidade inferior ao raio da fibra (2) .

Numa outra realização preferencial deste dispositivo para monitorização do processo de cura do betão, pode compreender como emissor óptico (1) um díodo emissor de luz .

Numa outra realização preferencial este dispositivo para monitorização do processo de cura do betão pode compreender como emissor óptico (1) um laser.

Ainda noutra realização preferencial este dispositivo para monitorização do processo de cura do betão pode compreender como emissor óptico (1) uma fonte de luz branca.

Numa outra realização preferencial deste dispositivo para monitorização do processo de cura do betão a sensibilidade do sistema depende do número, profundidade dos entalhes (5) produzidos e o espalhamento do sinal óptico durante o percurso dentro da fibra óptica (2) .

Ainda noutra realização preferencial este dispositivo para monitorização do processo de cura do betão o espalhamento ser proporcional a l/λ ⁴ , onde λ representa o comprimento de onda do sinal óptico.

Antecedentes da invenção

0 processo de cura do betão tem por objectivo principal evitar a perda da água necessária à hidratação do cimento e, enquanto os betões não alcançarem endurecimento suficiente, exige cuidados especiais, como manter as superfícies expostas permanentemente húmidas recorrendo a processos que não conduzam ao arrastamento de calda do cimento superficial; evitar grandes variações de temperatura nas superfícies expostas; evitar a circulação de pessoas e de equipamentos sobre os betões jovens; e, evitar na sua vizinhança vibrações significativas (in "Normas de Construção de Barragens", Artigo 32.° - Cura do betão e desmoldagem) . Uma cura incorrecta do betão potencia o aparecimento precoce de patologias no betão e na armadura, comprometendo o adequado desempenho das estruturas, reduzindo o seu tempo de vida útil, e aumentando os custos com reparações.

É, pois, desejável o desenvolvimento de técnicas que permitam monitorizar o processo de cura do betão.

0 processo actual de monitorização do processo de cura baseia-se na determinação da temperatura no interior da estrutura, resultante da reacção exotérmica que ocorre no processo (ver por exemplo o sensor CTS100, Ref . 150.001.9108, comercializado pela Eclo, http : / /www . eclo . pt /eclo2 /Products/ConcreteMaturity/CTS100 /t abid/ 1089 /Default . aspx) . A solução agora proposta apresenta-se como alternativa à medição de temperatura dado que se baseia na mediação da quantidade de água no betão apresentando-se como uma solução de baixo custo.

A patente US 6819121 BI descreve o processo de monitorização recorrendo à reflectometria no domínio do tempo da resposta de um micro-condensador embutido no betão. Este processo apresenta como principal desvantagem a complexidade do sistema de medição que implica a utilização de geradores de pulso e software de tratamento de dados, ao contrário da invenção agora proposta em que o sinal medido pelo sensor está directamente relacionado com a grandeza a medir. A invenção agora proposta apresenta ainda a vantagem de permitir a utilização em ambientes hostis, onde a utilização de tecnologia electrónica como a da patente anteriormente referida não é opção.

A patente US 4566806 propõe a medição da temperatura do betão como forma de monitorização do processo de cura, não mostrando indicação sobre a percentagem de água na mistura. A medição da variação da temperatura do betão é uma técnica alternativa para verificar a maturidade da cura do betão, sendo que em ambientes hostis onde as flutuações da temperatura ambiente são consideráveis a solução proposta de medição da quantidade de água no interior da estrutura apresenta-se mais fiável.

Os autores da referência [3] propõem a utilização de fibras ópticas de plástico para a monitorização do processo de cura do betão. No entanto, o método descrito nessa referência apresenta como principio de funcionamento a indução de micro-curvaturas resultante da contracção do betão durante a cura. A principal desvantagem deste método resulta da baixa sensibilidade do processo de medida.

Já o processo de monitorização descrito neste documento permite analisar directamente a presença de água no betão, o que indica que o processo de cura ainda não está completo. Esta invenção propõe a monitorização da presença de água, através da análise da potência óptica obtida à saída de uma fibra óptica, embutida na estrutura de betão a analisar .

As vantagens resultantes da solução proposta são a elevada sensibilidade que permite a monitorização do processo completo de cura, a simplicidade de implementação e o baixo custo de produção. A utilização de um emissor óptico verde conjugado com a introdução de entalhes nas fibras potencia a monitorização da presença de água através do espalhamento do sinal que se propaga na fibra. Estas duas características permitem também aumentar a sensibilidade do sistema proposto em relação aos sistemas previamente reportados .

A utilização de um sinal óptico proveniente de um díodo emissor de luz contribui para uma simplificação da implementação e uma compactação do sistema.

Descrição geral da invenção

A monitorização do processo de cura do betão é de elevada importância, nomeadamente em obras de arte de elevada envergadura, permitindo controlar de forma mais rigorosa o momento em que se pode proceder à remoção do sistema de escoramento e descofragem, prevenindo acidentes de trabalho, ou em obras especiais (como barragens, pontes,...) betonadas em condições adversas devido ao clima (neve, elevada pluviosidade, humidade relativa elevada,...) ou pelas próprias condições de betonagem (betonagem submersa, betonagem de elementos estruturais enterrados,...). Pode ainda ser de extrema importância a monitorização do processo de cura de betões de elevado desempenho, ou de betões especiais em relação aos quais não há ainda uma adequada experiência na sua produção para garantir as propriedades desejadas. No domínio da pré-fabricação, de forma a minimizar os custos de produção das peças estruturais, a adopção de um controlo rigoroso do processo de cura poderá permitir controlar melhor as propriedades finais do betão.

A implementação proposta desta invenção é descrita na figura 1 e consiste num emissor óptico (1) e num receptor óptico (4), interligados por uma fibra óptica de plástico (2), à qual foi removida a protecção externa. A fibra óptica (2) é embutida ao longo da estrutura de betão a monitorizar (3) . A fibra embutida na estrutura de betão será perdida após cada teste, no entanto o seu baixo custo não impõe um incremento do custo de implementação do sistema .

0 processo de monitorização baseia-se na redução da potência transmitida até ao receptor, como resultado do aumento da perda devido ao espalhamento do sinal óptico. Para permitir a variação do espalhamento do sinal óptico em função da presença de água no betão, são realizados entalhes na estrutura da fibra (5), aleatoriamente ao longo do seu comprimento e com uma profundidade inferior ao raio da fibra, tal como se ilustra na figura 2. Na presença de água esses entalhes são preenchidos com a mistura de água e betão (6) permitindo um confinamento do sinal dentro da fibra. Com a redução da percentagem de água presente o espalhamento do sinal para fora da fibra na região do sinal aumenta, logo a intensidade do sinal transmitido diminui. 0 processo de cura é considerado estabilizado quando a potência detectada tende assimptoticamente para um valor fixo .

A sensibilidade do sistema depende do número e profundidade dos entalhes produzidos. 0 aumento da sensibilidade está também relacionado com o espalhamento do sinal óptico durante o percurso deste dentro da fibra óptica com os entalhes. A potência que se perde devido ao espalhamento é proporcional a l/λ ⁴ , onde λ representa o comprimento de onda do sinal óptico. Assim, a sensibilidade aumenta com a utilização de sinais ópticos de menores comprimentos de onda. A utilização de emissores ópticos baseados em díodos emissores de luz (LED) em substituição de emissores baseados em lasers permite a implementação de soluções de baixo custo.

Descrição detalhada das figuras

Figura 1 - Esquema da implementação do monitor do processo de cura do betão, onde os números de referência correspondem a:

1- Emissor óptico

2- Fibra óptica de plástico

3- Estrutura de betão a monitorizar 4- Receptor óptico

Figura 2 - Esquema detalhado da fibra óptica de plástico, onde os números de referência correspondem a:

2- Fibra óptica de plástico

3- Estrutura de betão a monitorizar

5- Entalhes na estrutura da fibra

6- Partícula de betão em suspensão

Figura 3 - Espectro de emissão do LED verde utilizado como emissor .

Figura 4 - Evolução temporal da potência óptica transmitida durante os primeiros 7 dias de cura do betão.

Figura 5 - Evolução temporal da potência óptica transmitida em função do tempo de cura do betão.

Descrição detalhada da invenção

A implementação preferencial do sistema descrito na figura 1 pode ser realizada recorrendo a fibras ópticas (2) com um diâmetro de 1 mm. A fonte óptica considerada foi um díodo emissor de luz, emitindo na região espectral do verde e cujo espectro se visualiza na figura 3.

A camada de protecção da fibra (2) foi removida ao longo de um comprimento de 1,5 m, tendo sido realizados 20 entalhes (5), tal como descritos na figura 2. Como receptor óptico (4) foi utilizado um fotodíodo sensível ao comprimento de onda do sinal óptico. A prova de conceito foi realizada num provete de betão, produzido em molde cúbico metálico com dimensões de 15 x 15 x 15 cm, sendo a fibra (2) distribuída com um traçado aleatório dentro do molde antes da betonagem. Na preparação do betão, utilizou-se a seguinte composição: 1,28 kg de cimento Portland (CEM II/B-C 32, 5N); 3,19 kg de areia fina do rio; 3,83 kg de brita 8/12; 0,62 1 de água, o qual após a preparação/mistura foi colocado dentro do molde. As figuras 4 a) e b) mostram respectivamente o molde cúbico com a fibra óptica (2) posicionada e o cubo betonado com a fibra (2) embebida.

A figura 5 mostra a evolução da variação da potência óptica recebida em função do tempo que decorreu desde a produção do provete até um período de cura de 7 dias.

No gráfico da figura 5 observa-se a existência de 3 fases distintas na cura do betão ao longo do tempo (caracterizadas pelos declives do gráfico da figura 5 - primeira fase até 0,18 dias, segunda fase até 0,38 dias e terceira fase a partir de 0,38 dias), tal como descrito na literatura [4] . A primeira fase corresponde à reacção exotérmica, durante a qual o betão (3) aumenta rapidamente a sua resistência mecânica. Esta reacção provoca um aquecimento da fibra (2), resultando na sua dilatação. Em simultâneo o preenchimento dos entalhes (5) com água resulta num aumento de intensidade do sinal transmitido.

Com o aumento gradual da perda de água devido às reacções químicas e evaporação, observa-se um decréscimo acentuado do sinal, provocado pelo aumento das perdas devido ao espalhamento do sinal nos entalhes (5) (até ao período em torno de 30000 s - aproximadamente 8 horas) . Na terceira fase verifica-se a estabilização do sinal transmitido ao longo do tempo, indicando a cura do betão, tendendo a potência óptica transmitida para um valor fixo. Esta estabilização, bem como a prova da sensibilidade do método proposto, podem ser visualizadas na figura 6, onde se mostra a variação da potência detectada em função do tempo de cura.

De referir que o tempo de cura depende directamente da relação água/cimento (a/c), que poderá variar entre uma semana e os 40 dias. No entanto, tipicamente após as primeiras duas semanas de cura, os betões atingem quase a sua resistência máxima. 0 controlo da resistência à compressão através de ensaios mecânicos sobre provetes cúbicos ou cilíndricos do betão endurecido é normalmente feito aos 28 dias [5,6] .

A monitorização da variação da potência óptica medida prolonga-se por esse período. Este incremento de sensibilidade é manifestamente superior ao conseguido pelos autores da referência [3] que propõem uma solução baseada em micro curvaturas em fibras de plástico. No referido trabalho a solução proposta só permite monitorizar o processo de cura ao longo de um período de 10 horas. a) Tal como referido, as aplicações da invenção (monitorização do processo de cura do betão) no mega- sector da indústria da construção são inúmeras, destacando-se : obras especiais (como barragens, pontes, túneis,...), optimizando em segurança, os tempos entre cada fase de betonagem, e reduzindo custos - de interesse para as grandes empresas de construção; b) Obras betonadas em condições adversas devido ao clima (neve, elevada pluviosidade, humidade relativa elevada,...) ou pelas próprias condições de betonagem (betonagem submersa, betonagem de elementos estruturais enterrados,...) - de interesse para as grandes empresas de construção;

c) Controlo dos processos de cura de betões de elevado desempenho, ou outros betões especiais - de interesse para os produtores de betões ou argamassas especiais, ou dos produtores de adjuvantes para os betões;

d) Na pré-fabricação, permitindo minimizar os custos de produção das peças estruturais - de interesse para as empresas de pré-fabricação de elementos de betão armado e pré-esforçado .

A novidade deste método baseia-se na utilização de fibras ópticas de plástico (2), sendo a determinação da concentração de água baseada no espalhamento do sinal óptico, na superfície da fibra, nomeadamente nos entalhes (5) induzidos na fibra. A inovação também se baseia na utilização de díodos emissores de luz como fontes de sinal. A solução proposta é inovadora em relação ao estado da técnica .

A aplicação é baseada na utilização de componentes comerciais, estando portanto assegurada a sua aplicação industrial .

Referências

[1] Method and device for controlling the curing rate of concrete, US4566806. [2] Method and apparatus for measurement of concrete cure status, US 6819121.

[3] M . Rajesh, M . Sheeba, V. P. N. Nampoori, POF based smart sensor for studying the setting dynamics of cement paste, Journal of Physics: Conference series, Vol. 85, 2007.

[4] A. de Sousa Coutinho, Fabrico e propriedades do betão (2 vols), Editor: LNEC, ISBN: 9789724903262, 2006.

[5] NP EN 12390-3 - Ensaios de betão endurecido - Parte 3: Resistência à compressão dos provetes de betão.

[6] NP EN 206-1 "Betão. Parte 1: Especificação, desempenho, produção e conformidade".