BEAL auto-compactáveis reforçados com fibras de aço

Nas últimas quatro décadas, têm sido realizados vários estudos com o objectivo de estudar as propriedades dos betões reforçados com fibras (BRF), tanto no estado fresco como no estado endurecido. Porém, foi nas recentes duas décadas que a investigação sobre o comportamento estrutural de elementos de BRF ganhou maior importância, embora o aumento contínuo das aplicações de BRF nas estruturas seja, ainda, limitado, face ao potencial deste material. Este facto deve-se essencialmente à falta de regras de dimensionamento para os elementos de BRF [147], presentes nos códigos. Assim, têm-se desenvolvido diversos estudos sobre uma das propriedades mecânicas mais influenciada pelo reforço com fibras nos elementos de betão, a resistência à tracção pós-fissuração. A capacidade de absorção de energia destes materiais e a sua resistência ao

impacto são igualmente propriedades beneficiadas com a adição de fibras, embora a resistência ao corte e o comportamento sob temperaturas elevadas também aumentem significativamente [13, 46, 92].

O principal objectivo do desenvolvimento de materiais compósitos reforçados com fibras tem sido a melhoria das propriedades mecânicas dos materiais de comportamento frágil, uma vez que estes não resistem, significativamente, a esforços de tracção. O betão é um material de matriz frágil que, quando não tem armaduras, ao ser submetido a tracção pura, sofre deformações elásticas até determinado ponto, seguindo-se as fases de microfissuração, macrofissuração e fractura final. A inserção de fibras na matriz do betão altera as propriedades de deformação do material, essencialmente no regime pós-elástico. O tipo e a amplitude destas alterações dependem dos vários factores intervenientes, tais como [13, 62]: (i) a resistência da matriz; (ii) o tipo de fibra; (iii) as características de adesão da fibra à matriz, relacionadas essencialmente com a textura da superfície da fibra; (iv) a dosagem e orientação das fibras e; (v) a dimensão máxima do agregado. O betão estrutural de agregados leves auto-compactável reforçado com fibras (BLACRF) permite combinar, simultaneamente, os benefícios dos betões leves, com os dos betões auto- compactáveis e ainda com os dos betões reforçados com fibras [42]. Alguns estudos realizados provaram que o aumento da dosagem de fibras no BLACRF aumenta a sua resistência à tracção e ductilidade, para diferentes tipos de agregados leves e diferentes tipos de fibras [11, 104, 131, 167]. No entanto, nestes estudos verificou-se uma influência pouco relevante da adição de fibras na resistência à compressão e no módulo de elasticidade dos betões produzidos. Como aspecto negativo, verificou-se uma perda de trabalhabilidade e de auto-compactabilidade com o aumento da dosagem das fibras.

4.2.1. Materiais

4.2.1.1. Matriz de betão

A escolha dos materiais a utilizar na matriz do betão reforçado com fibras é a que melhor se adequa às especificações do betão a produzir, à semelhança de qualquer outro betão de matriz cimentícia. O estudo do comportamento destes betões foi desenvolvido em colaboração com o trabalho de investigação de Esteves [62], integrado no programa da presente tese. Assim, no estudo e na produção dos betões, utilizaram-se os seguintes materiais para a matriz ligante: cimento CEM I 52.5R; sílica de fumo; fíler calcário; superplastificante Sika Viscocrete® _3002HE;

água. Os agregados seleccionados para a composição dos betões foram: areia fina (FS); areia de Leca (XS); Leca HD2/4 e; Leca HD4/12C.

4.2.1.2. Fibras

Actualmente existem vários tipos de fibras, desenvolvidas com diversas finalidades. As mais comuns, para fins estruturais, são as de aço ou, ainda, as poliméricas [13]. As fibras de aço, quando adicionadas à matriz de betão, inibem e dificultam a iniciação e propagação das fissuras, devido aos seus elevados módulo de elasticidade e resistência. Este comportamento resulta numa grande capacidade de redistribuição de tensões e de controlo da fissuração no betão, mesmo com reduzidas dosagens de fibras [83, 104, 131].

As principais propriedades mecânicas das fibras de aço são a resistência e a rigidez, enquanto os principais parâmetros geométricos são: (i) a esbelteza, ou factor de forma (razão entre o comprimento e o diâmetro); (ii) a sua percentagem na mistura, em volume, Vf, ou em massa, Wf; e (iii) as características da textura da superfície.

De acordo com Barros [13], existem dois modos de rotura característicos das fibras: (i) rotura por cedência; e (ii) rotura por deslizamento, relativamente à matriz envolvente. Devem ser empregues fibras de alta resistência e de esbelteza suficientemente elevada, de modo a aumentar a resistência do betão, assim como para garantir que a rotura seja pela cedência das fibras. No entanto, a esbelteza e a percentagem de fibras devem ser limitadas, para que as propriedades do betão não sejam adversamente afectadas pela diminuição da trabalhabilidade da mistura. Não obstante, o modo de rotura dos betões por cedência das fibras inibe a principal vantagem do reforço das fibras, que é o significativo incremento da capacidade de absorção de energia do material. Perante estes factos, a esbelteza das fibras não deve ultrapassar o valor de 100 e a percentagem de fibras de aço não deve exceder os 3% [13].

A eficiência das fibras de aço é garantida quando estas são embebidas num betão com uma matriz de elevada qualidade, resultando no aumento significativo da ductilidade da mesma. Recentemente têm sido desenvolvidos diversos estudos sobre a adição de fibras ao betão auto-compactável, com o objectivo de conferir uma ductilidade elevada ao material no estado endurecido. Esta solução cria um desafio suplementar no estudo do betão, uma vez que, para assegurar os requisitos da auto-compactabilidade, é necessário considerar o efeito das fibras na perturbação do fluxo do betão no estado fresco [13, 83]. Este desafio é de elevada dificuldade, pois depende não só dos parâmetros de composição da matriz de betão, mas também, e sobretudo, dos parâmetros e dosagem das fibras.

Assim, e uma vez que o objectivo na selecção das fibras para a produção dos betões do presente estudo, foi o seu elevado desempenho, optou-se por utilizar fibras de aço. Apesar de existirem variadas formas, secções e parâmetros geométricos, foram utilizadas as fibras com a designação

comercial Dramix® _{RC-80/30-BP. Estas fibras apresentam-se com as extremidades dobradas, de}

modo a garantir uma elevada eficiência em termos de ancoragem das mesmas na matriz do betão (Figura 4.2).

Figura 4.2 – Amostra das fibras de aço Dramix® _RC-80/30-BP.

As fibras foram seleccionadas em função dos seguintes critérios: (i) máxima dimensão dos agregados, tendo sido escolhidas fibras com 30 mm de comprimento; (ii) desempenho pretendido, apresentando elevado teor de carbono e extremidades dobradas, para uma amarração mais eficiente [47] e; (iii) dispersão pretendida na matriz, sendo escolhido um índice de forma elevado, igual a 80, e com reduzido diâmetro, aumentando a densidade de dispersão de fibras na matriz.

4.2.2. Composição

O estudo de composição dos BLACRF foi efectuado definindo, inicialmente, uma mistura de BEALAC, sendo esta usada como base para incorporar diferentes percentagens volumétricas de fibras, constituindo assim diferentes misturas. A incorporação da dosagem volumétrica de fibras, Vf, na mistura de referência, foi efectuada com o estudo inicial da mistura de referência, incorporando-se, posteriormente, a dosagem volumétrica de fibras, Vf, afectando os restantes constituintes da percentagem complementar à dosagem considerada. A composição da mistura de base foi estudada seguindo os parâmetros balizados pelos valores que são considerados adequados ao BAC, já mencionados em 4.1.2.

4.2.3. Misturas experimentais

Para o material ligante seleccionou-se o cimento CEM I 52,5R, com uma dosagem de 460 kg/m3 de betão, e adições de sílica de fumo e fíler calcário, com dosagens de 5% e 30%, respectivamente, da massa de cimento. Usou-se ainda uma dosagem de superplastificante de 2% da massa de cimento. Os parâmetros da matriz ligante foram ajustados aos valores já referidos como adequados ao BAC, sendo os restantes parâmetros volumétricos, bem como as correspondentes dosagens dos agregados usados nas misturas, apresentados, respectivamente, na

Tabela 4.4 e na Tabela 4.5, para a mistura de base. A massa volúmica desta mistura foi ajustada ao valor de 1900 kg/m3 _{de betão, sendo designada de L1.9_0.00. Assim, nas restantes misturas, à} medida que se aumentou a dosagem de fibras incorporadas, resultaram valores de massa volúmica gradualmente superiores a este, embora sem exceder 2000 kg/m3_.

Tabela 4.4 – Parâmetros da matriz ligante do betão L1.9_0.00. Cimento (kg/m3₎ Sílica de fumo (kg/m3₎ Filer calcário (kg/m3₎ Compacidade σ (%) Ar A/C A/L 460 23 138 0,835 1,0 0,32 0,24

Tabela 4.5 – Parâmetros e dosagens volumétricas dos agregados no betão L1.9_0.00. Betão ag/vs af/va Agregados (dosagens em dm3/m3)

HD2/4 HD4/12C XS MS

L1.9_0.00 0,37 0,47 76 229 81 243

A previsão da resistência à compressão, flcp, e do módulo de elasticidade, Elcp, do betão L1.9_0.00, obtidas pelo procedimento indicado na metodologia de composição, apresenta-se na Tabela 4.6.

Tabela 4.6 – Propriedades mecânicas previstas, relativas à matriz do betão L1.9_0.00.

Betão

Resistência à compressão Módulo de elasticidade

fbp (MPa) Cf flcp (MPa) Ec (GPa) CE CS Elcp (GPa) L1.9_0.00 82 0,76 62 39 0,64 0,85 21,5

A composição dos BLACRF resultou, como foi referido, da mistura de referência, L1.9_0.00, sem fibras. Com base neste betão de referência, produziram-se três misturas de BLACRF, introduzindo diferentes dosagens volumétricas de fibras de aço, Vf, (0,25%, 0,50% e 1,00%), designadas, respectivamente, por L1.9_0.25, L1.9_0.50 e L1.9_1.00. Considerando esses valores, para o volume de fibras na matriz de cada uma das misturas, as dosagens dos restantes constituintes foram obtidas corrigindo as correspondentes dosagens na mistura L1.9_0.00 com os respectivos valores da percentagem complementar.