Metodologia de caracterização do escoamento não linear no concreto permeável

Orientador: Prof. Dr. Ricardo PieralisiTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Defesa : Curitiba, 17/08/2021Inclui referências: p. 176-191Área de concentração: MateriaisResumo: O concreto permeável é um material poroso que apresenta propriedades essenciais para sua funcionalidade, como sua permeabilidade, contribuindo, principalmente, para a gestão de vazões no meio urbano. A avaliação do escoamento que nele se sucede é comum nos distintos campos do conhecimento. No entanto, não há consenso, e nem definições claras, do comportamento do fluido em seu meio poroso. Além disso, nota-se considerável influência dos materiais constituintes em suas propriedades finais e falta de metodologias objetivas para sua caracterização, principalmente através dos métodos não destrutivos. A partir disso, no presente estudo, objetiva-se investigar o comportamento hidráulico do concreto permeável, com foco para suas propriedades físicas. Para isso foram produzidos traços experimentais com diferentes relações Pasta/Agregado e relações água/cimento, com agregados basálticos de diferentes granulometrias e distintos processos de compactação. A caracterização hidráulica do concreto permeável foi realizada em um permeâmetro de carga constante. A partir dos resultados obtidos, verificou-se a não linearidade entre a velocidade do fluido e seu respectivo gradiente hidráulico, correspondendo a um comportamento sem fundamentos na, tão utilizada, Lei de Darcy. Com isso, utilizouse do modelo proposto por Forchheimer, que permitiu avaliar o comportamento do fluido no meio poroso para todas as condições de vazão/gradiente, com boa aderência entre os resultados. Assim, foram definidos os parâmetros hidráulicos referentes ao fator de atrito e número de Reynolds, com verificações experimentais e análises numéricas. Por fim, através das condições de contorno estabelecidas, considerando parâmetros da entropia, o regime de escoamento do fluido no concreto permeável foi definido como não darciano, ou não linear de transição, ainda não atingindo um limite que se pode afirmar como turbulento. Além disso, foi atribuído significados físicos mais precisos para a interpretação de como a conformação do meio poroso, e sua conectividade, influenciam no escoamento do fluido. Desse modo, pode-se reforçar a hipótese de que materiais com a mesma porosidade, podem ter escoamentos distintos. O estudo se destaca pela robusta campanha experimental, permitindo identificar as principais propriedades do concreto permeável e fatores que as influenciam, com a constatação de metodologias avaliativas da consistência no estado fresco. Particularidades foram observadas em relação ao desempenho mecânico e ao processo de ruptura do material. Verificou-se o potencial de caracterização do concreto permeável através do Método de Ultrassom, o qual a onda ultrassônica se propaga por caminhos preferenciais, sendo que o meio poroso pode provocar alta atenuação, influenciando significativamente na definição da velocidade. Por fim, a análise numérica possibilitou a avaliação de parâmetros que quase nunca poderia ser obtido experimentalmente, aumentando a probabilidade de encontrar soluções em reduzido tempo, esforços e custos necessários.Abstract: Pervious concrete is a porous material that has essential properties for its functionality, such as its permeability, contributing mainly to the management of flows in the urban environment. The evaluation of the flow that follows is common in the different fields of knowledge. However, there is no consensus, nor clear definitions, of the behavior of the fluid in its porous environment. In addition, there is a considerable influence of the constituent materials on their final properties and a lack of objective methodologies for their characterization, mainly through non-destructive methods. From this, in the present study, the objective is to investigate the hydraulic behavior of pervious concrete, focusing on its physical properties. For this, experimental features were produced with different Paste/Aggregate ratios and water/cement ratios, with basaltic aggregates of different granulometries and different compaction processes. The hydraulic characterization of the pervious concrete was carried out in a constant head permeameter. From the results obtained, it was verified the non-linearity between the fluid velocity and its respective hydraulic gradient, corresponding to an unfounded behavior in the, so used, Darcy's Law. Thus, it was used the model proposed by Forchheimer, which allowed to evaluate the behavior of the fluid in the porous medium for all flow/gradient conditions, with good adherence between the results. Thus, hydraulic parameters were defined for the friction factor and Reynolds number, with experimental and numerical validations. Finally, through the boundaries established considering entropy parameters, the flow regime of the fluid in the pervious concrete was defined as non-darcian, or non-linear, of transition, not yet reaching a limit that can be said to be turbulent. In addition, more precise physical meanings were attributed to the interpretation of how the conformation of the porous medium, and its connectivity, influences the flow of the fluid. In this way, one can reinforce the hypothesis that materials with the same porosity, can have different flows. The study stands out for its robust experimental campaign, allowing the identification of the main properties of pervious concrete and factors that influence them, with the verification of methodologies for assessing the consistency in the fresh state. Particularities were observed in relation to the mechanical performance and the process of rupture of the material. The pervious concrete characterization potential was verified through the Ultrasound Method, which the ultrasonic wave propagates through preferential ways, being that the porous medium can cause high attenuation, significantly influencing the definition of speed. Finally, numerical simulation enabled the evaluation of parameters that could almost never be obtained experimentally, increasing the likelihood of finding solutions in reduced time, effort and necessary costs