Monitoring the evolution of concrete compressive strength using electromechanical impedance technique

There is a difference of the characteristics of the material received and sampled in relation to those of the material that is effectively applied to the structure, due to the executive process that the concrete is exposed to. This difference results in different hydration processes, directly influencing the final mechanical strength of concrete in the construction. In addition, the characteristic compression strength is usually specified for 28 days of age, causing delays to the work if the strength in project is not reached. The properties of concrete in the hardened state, such as mechanical strength, are closely related to the formation of products by the chemical reaction of cement with water, so monitoring the hydration of the cement paste is a relevant way to predict the behavior of concrete in the hardened state. Thus, techniques that are enable to monitor of the structure in real time, have been widely studied and are excellent options to complement the procedures already adopted for technological control. Among the non-destructive techniques employed for this purpose, is the electro-mechanical impedance, which consists of coupling piezoelectric ceramic (PZT) sensors to the concrete that monitors the variation of impedance signals, caused by change of mechanical parameters of the material, such as stiffness. This dissertation seeks to complement existing studies, evaluating the sensitivity of the electro-mechanical impedance technique in monitoring the development of stiffness and strength of concrete and identification of hydration phases. For this, two concrete compositions were developed: the A with resistance to compression, at 28 days, of 30 MPa and the B, of 60 MPa, each of which was executed with high strength cement and repeated with blast furnace cement. Four cylindrical specimens were molded to compression testing at ages: 1, 3, 7, 28 and 91 days; as well as a void ratio test at 28 days. For each group, the electromechanical impedance technique was applied, at the referred ages, in a specimen containing two piezoelectric sensors incorporated, one positioned vertically and the other horizontally. Finally, the signs of impedance received statistical treatment using metrics proposed in the literature. The technique proved to be sensitive and efficient for both compositions with both cements, representing well the development of the compressive strength of concrete up to 7 days. In this interval, composition A could be analyzed qualitatively and the hydration stages identified. On the other hand, the composition B could only be analyzed quantitatively by the RMSD metric. In advanced ages, the two compositions performed with blast furnace cement showed reliability by correlating the RMSD and M metrics with compressive strength, in the frequency range of 180 to 300 kHz. While those produced with high strength cement, presented metrics with different behavior than expected, at 28 and 91 days, raising some hypotheses such as the incompatibility of the high initial resistance rate with the rate of evolution of the metrics, need for change in frequency range, durability of sensors and need for more tests for ages over 91 days. Regarding positioning, the PZTs positioned horizontally showed better results, this is due to the electromechanical coupling that is compromised with the difficulty of compacting the concrete around the PZT positioned vertically.Dissertação (Mestrado)Existe um distanciamento das características do material recebido e amostrado em obra em relação àquelas do material que é efetivamente aplicado à estrutura, devido ao processo executivo em que o concreto está exposto. Essa diferença acarreta em processos de hidratação distintos, influenciando diretamente na resistência mecânica final do concreto em campo. Além disso, a resistência característica à compressão costuma ser especificada para 28 dias de idade, gerando atrasos à obra caso a resistência de projeto não seja atendida. As propriedades do concreto no estado endurecido, como resistência mecânica, estão intimamente relacionadas com a formação de produtos pela reação química do cimento Portland com a água, assim o acompanhamento da hidratação da pasta de cimento, é uma relevante forma de antever o comportamento do concreto no estado endurecido. Dessa forma, técnicas que possibilitem o monitoramento do material em tempo real, vêm sendo amplamente estudadas e são excelentes opções para complementar os procedimentos já adotados para o controle tecnológico. Dentre as técnicas não-destrutivas empregadas para esse fim, está a de impedância eletromecânica, a qual visa acoplar ao concreto sensores cerâmicos piezelétricos que monitoram a variação dos sinais de impedância eletromecânica, causada pela alteração de parâmetros mecânicos da estrutura, como rigidez, resultante da formação dos produtos hidratados. Essa dissertação busca contribuir para o avanço no conhecimento relacionado à matéria, avaliando a sensibilidade da técnica de impedância eletromecânica no monitoramento do desenvolvimento da rigidez e resistência do concreto. Para isso, foram desenvolvidos dois traços: traço A com resistência à compressão aos 28 dias de 30 MPa e, traço B, de 60 MPa, sendo que cada um deles foi executado com cimento Portland de alta resistência inicial e repetido com cimento Portland de alto forno. Foram moldados quatro corpos de prova cilíndricos para ensaio à compressão nas idades: 1, 3, 7, 28 e 91 dias; bem como para ensaio de índice de vazios aos 28 dias. Para cada grupo, foi aplicada a técnica de impedância eletromecânica, nas idades referidas, em um exemplar contendo dois sensores piezelétricos incorporados de zirconato - titanato de chumbo (PZT), um posicionado na vertical e, o outro, na horizontal. Por fim, os sinais de impedância receberam tratamento estatístico utilizando métricas propostas na literatura. A técnica se mostrou sensível e eficiente para os dois traços, com ambos os cimentos, representando bem o desenvolvimento da resistência à compressão do concreto até 7 dias. Nesse intervalo o traço A pôde ser analisado de forma qualitativa e quantitativa, sendo possível identificar os estágios de hidratação. Por outro lado, o traço B, de alta resistência, só pôde ser analisado quantitativamente pela métrica RMSD. Em idades avançadas, os dois traços realizados com cimento de alto forno, apresentaram confiabilidade ao correlacionar as métricas RMSD e M com resistência à compressão, na faixa de frequência de 180 a 300 kHz. Enquanto que, aqueles produzidos com o cimento Portland de alta resistência inicial, apresentaram métricas com comportamento diferente do esperado, aos 28 e 91 dias, levantando algumas hipóteses como a incompatibilidade da alta taxa de resistência inicial com a taxa de evolução das métricas, necessidade de mudança na faixa de frequência, durabilidade dos sensores e necessidade de mais ensaios para idades superiores aos 91 dias. Quanto ao posicionamento, os PZTs posicionados na horizontal apresentaram melhores resultados, isso se deve ao acoplamento eletromecânico que é comprometido com a dificuldade de adensamento do concreto ao redor do PZT posicionado na vertical