O desempenho do compósito cimentício reforçado com fibras poliméricas de alta resistência foi diferente para as fibras de HMPE e PES nas diferentes configurações de classe de resistência, modo de distribuição das fibras e diferentes comprimentos de fibra. Os resultados dos ensaios de compressão uniaxial mostraram que a adição das fibras poliméricas de alta resistência proporcionou aumento na resistência à compressão, essa contribuição foi mais relevante no compósito de média resistência mecânica. A adição das fibras elevou o módulo de elasticidade dos compósitos de média resistência, porém não alterou no compósito de alta resistência. Para ambas as propriedades os ganhos foram superiores no compósito reforçado com HMPE, por esse ser mais resistente e ter obtido melhor aderência à matriz. Desta forma, infere-se que a relação entre resistência à tração e módulo de elasticidade de cada fibra em relação aos volumes de fibras adicionados foi propícia a contribuir de maneira mais eficaz no compósito de média resistência, não sendo suficiente para melhorar o módulo de elasticidade do compósito de alta resistência.
A resistência à flexão bem como o comportamento dos corpos de prova durante a realização do ensaio e ruptura, foi influenciada pela forma de adição das fibras, comprimento das fibras e tipo de fibra. Os resultados da adição de HMPE (38 mm) e PES (38 mm) na forma concentrada no fundo foram superiores comparados aos resultados encontrados nos corpos de prova com fibras distribuídas, isso é compreensível ao se analisar a seção transversal do corpo de prova e constatar que o reforço concentrado atua na região mais distante da linha neutra e portanto no ponto de maior esforço de tração durante a realização do ensaio.
Uma modificação relevante no comportamento de fratura dos compósitos reforçados com fibras concentradas foi observada, fazendo com que a matriz cimentícia passasse de um comportamento de ruptura tipicamente frágil e lhe atribuindo uma resistência residual (comportamento pseudo-dúctil), esse comportamento não foi verificado de maneira significativa nos corpos de prova
com adições na forma distribuída. Essa diferença de comportamento sugere que as fibras distribuídas na matriz e portanto espaçadas umas das outras não possuem resistência suficiente para resistir à propagação da fratura, sendo rompidas mais facilmente que na forma concentrada.
As fibras de HMPE (66 mm) e PES (66 mm) adicionadas na forma concentrada proporcionaram aumento na resistência à flexão para as duas classes de resistência e também conferiram resistência residual ao compósito cimentício. Desta forma, se mostraram mais adequadas que as fibras de 38 mm para o reforço voltado a resistência à flexão. O reforço com as fibras de 82 mm na forma concentrada não foi satisfatório para aumento da resistência à flexão para fibra PES no compósito de alta resistência. Entretanto gerou aumento com as fibras de HMPE para ambas classes de resistência e para adição de PES no compósito de média resistência. Pode-se verificar, portanto que a adição de HMPE nos comprimentos de 66 e 82 mm proporcionaram aumentos da resistência à flexão, tanto para o CCM, quanto para o CCA. Por fim, analisando a resistência à flexão, conclui-se que a fibra HMPE no comprimento de 82 mm adicionada na parte inferior do corpo de prova, obteve os resultados com melhor desempenho. Em comparação ao compósito sem fibra, as amostras reforçadas com fibras apresentaram tenacidade consideravelmente superior. As fibras concentradas no fundo tiveram desempenho bastante superior às fibras distribuídas. Os corpos de prova de média resistência com fibra HMPE de 38 mm concentrada no fundo chegou a apresentar uma tenacidade aproximadamente 77 vezes superior aos corpos de prova sem fibra. Nessa configuração a contribuição do HMPE foi superior à encontrada nas adições de PES. Os resultados de tenacidade para os compósitos cimentícios reforçados de média resistência mecânica com fibras de HMPE e PES de 66 mm concentradas no fundo dos moldes foram superiores aos CCM com fibras de 38 distribuídas e no fundo. As fibras com 82 mm também aumentaram significativamente a tenacidade do CCM, sendo que a maior contribuição dentre as configurações avaliadas foi obtida pelo HMPE de 82 mm, que neste caso chegou a apresentar um aumento de aproximadamente 200 vezes comparado ao compósito sem fibra.
Os resultados das fibras com 38 mm distribuídas no CCA, mostram que houve uma pequena contribuição do HMPE e não houve modificação significativa da tenacidade quando da adição de PES. Novamente as tenacidades apresentadas para os CCA com fibras concentradas no fundo foram consideravelmente superiores aos CCA com fibras distribuídas. O CCA HMPE 38 F apresentou valores de tenacidade superiores ao CCA PES 38 F para as mesmas deflexões. Assim como no CCM as fibras de 66 mm no CCA contribuíram consideravelmente mais que as fibras de 38 mm distribuídas e no fundo. E também como no CCM, para o CCA as fibras de 82 mm no fundo proporcionaram os maiores ganhos chegando a um aumento aproximado de até 144 vezes. Ao se analisar os resultados do ensaio de impacto, pode-se verificar que a adição das fibras de HMPE e PES proporcionaram aumento da energia absorvida no impacto. Verificando os resultados obtidos com as fibras de 38 mm, conclui-se que as fibras concentradas são capazes de absorver mais energia que as fibras na forma distribuída. Na maioria das configurações o HMPE absorveu mais energia de impacto que o PES. E diferentemente dos resultados obtidos no ensaio de resistência à flexão e tenacidade na flexão, a fibra de HMPE com 38 mm apresentou o melhor resultado para absorção de energia de impacto, indicando dessa forma que para essa aplicação não se justifica comprimentos maiores uma vez que não há tempo suficiente para escorregamento das fibras na matriz durante a ocorrência da fratura.
Com a análise da interação entre a matriz e a fibra realizada utilizando o ensaio no microscópio eletrônico de varredura foi possível verificar que houve coesão entre a fibra de HMPE e a matriz. As imagens mostram que para as fibras de PES a aderência com a matriz inferior às verificadas no HMPE. Pelas imagens é possível verificar uma redução e uma distorção das fibras de HMPE o que sugere uma possível deformação plástica em decorrência do ensaio. Essas características não foram observadas nas fibras de PES, que apresentaram aspecto liso, retilíneo e com seção constante o que pode sugerir um comportamento de ruptura frágil em decorrência do ensaio.
Com a análise da interação entre a matriz e a fibra realizada utilizando o ensaio no microscópio eletrônico de varredura foi possível verificar que houve coesão
entre a fibra de HMPE e a matriz. As imagens mostram que para as fibras de PES a aderência com a matriz inferior às verificadas no HMPE. Pelas imagens é possível verificar uma redução e uma distorção das fibras de HMPE o que sugere uma possível deformação plástica em decorrência do ensaio. Essas características não foram observadas nas fibras de PES, que presentaram aspecto liso, retilíneo e com seção constante o que pode sugerir um comportamento de ruptura frágil em decorrência do ensaio. Nas imagens não foram verificados sinais de degradação após decorridos 450 dias da realização do ensaio de impacto. Além do HMPE possuir propriedades mecânicas superiores às do PES, acredita-se que a melhor adesão do HMPE com a matriz foi relevante para seu melhor desempenho de reforço na tração e tenacidade na flexão.
O levantamento comparativo do coeficiente de condutividade térmica mostrou não haver modificação nessa propriedade do compósito cimentício devido a adição das fibras de PES. Contudo os resultados mostraram que a adição de fibras de HMPE eleva a condutividade térmica do compósito.
Com tudo que foi avaliado, julga-se que adição das fibras pesquisadas contribuíram para melhoria das propriedades mecânicas avaliadas. Com grande destaque aos ganhos de tenacidade obtidos com a fibra de HMPE disposta na forma concentrada. Essa contribuição se mostrou relevante uma vez que mudou o comportamento de fratura do compósito na flexão. Essa alteração conferiu ao material frágil um comportamento pseudo-dúctil com uma significativa resistência residual e uma capacidade elevada de deflexão e absorção de energia na flexão.
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CONCLUSÕES
O comportamento mecânico de compósitos cimentícios reforçados com fibras poliméricas de alto desempenho é superior que compósitos cimentícios sem reforço de fibras, apresentando elevação da resistência à compressão e possível redução do consumo de cimento nas dosagens de compósitos. Entretanto, o reforço com fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES) não influencia significativamente a resistência à flexão e o módulo de elasticidade do compósito cimentício, mas afeta significativamente de forma positiva a tenacidade na flexão, resistência residual e resistência ao impacto de compósito cimentício reforçado com as fibras de alta resistência mecânica.
Ambas as fibras proporcionaram reforço mecânico nos compósitos, principalmente nas propriedades relacionada ao impacto e pós-primeira fratura, tenacidade na flexão e resistência residual, contudo as fibras de HMPE se apresentaram superiores nesse quesito. Esse comportamento se deve a melhor aderência percebida e a deformação plástica sofrida pela fibra de HMPE, uma vez que as fibras de PES não apresentaram a mesma aderência pós-ruptura e nem deformação apreciável.
A adição de fibras HMPE aumenta a condutividade térmica de compósito cimentício e o mesmo não ocorre com a adição de PES, sendo que para a inserção das fibras distribuídas, o PES reduz a condutividade do compósito cimentício. Contudo, este trabalho não avaliou a real influencia destas diferenças no conforto térmico de um edifício ou obras de infraestrutura fabricadas com os compósitos cimentícios reforçados com fibras poliméricas de alto desempenho. Com isso, conclui-se que o reforço com fibras poliméricas de alta resistência mecânica em compósitos cimentícios de média e alta resistência mecânica é viável e positivo, principalmente no que diz respeito ao uso de HMPE. Sendo possível, inclusive, reduzir o consumo de cimento para o mesmo nível de resistência à compressão dos compósitos.
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TRABALHOS FUTUROS
Em decorrência da presente pesquisa e de acordo com os resultados encontrados, julga-se relevante avaliar os possíveis impactos provenientes do emprego de maiores volumes de fibra. Também se julga relevante aprofundar as pesquisas na durabilidade do compósito cimentício reforçado com as fibras de HMPE e PES. As propriedades de fluência e fadiga necessitam serem abordadas em trabalhos futuros. Outra linha de pesquisa que requer estudos refere-se ao comportamento a elevadas temperaturas dos compósitos reforçados com as fibras de HMPE e PES.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABDALLAH, S. et al. Bonding Mechanisms and Strength of Steel Fiber– Reinforced Cementitious Composites: Overview, J. Mater. Civ. Eng., v. 30, p. 1- 15, 2018.
AFROUGHSABET, V. et al. High-performance fiber-reinforced concrete: a review, Jornal Material Science, v.51, p. 6517-6551, mar. 2016.
ALANI A. M and BECKETT D., Mechanical properties of a large scale synthetic fibre reinforced concrete ground slab, Constr. Build Mater, v. 41, p. 335–344, 2013.
ALHOZAIMY, A. M. et al. Mechanical Properties of Reinforced Concrete and Materials Polypropylene Fiber the Effects of Pozzolanic, Cement & Concrete
Composites, v. 18, p. 85-92, nov. 1995.
AMARAL JUINOR, J. C. Avaliação da influência da adição de fibras poliméricas nas propriedades térmicas e mecânicas do concreto. 2016. 101 folhas. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - DEMAT/CEFET-MG, 2016.
ARIOZ, O., Effects of elevated temperatures on properties of concrete, Fire
Safety Journal, v. 42, p. 516–522, mar. 2007.
ASHBY, M. F, SHERCLIFF, H, CEBON, D. Materiais: Engenharia, Ciência, Processamento e Projeto. Ed. Elsevier, 2012. 672p.
BANTHIA, N. et al., Fiber Synergy in Hybrid Fiber Reinforced Concrete (HyFRC) in flexure and direct shear, Cement & Concrete Composites, v. 48, p. 91-97, nov. 2013.
BANTHIA, N.; GUPTA R., Hybrid fiber reinforced concrete (HyFRC): fiber synergy in high strength matrices, Materials and Structures / Matériaux et
BENTUR, A.; MINDESS, S. Fiber reinforced cementitious composites. London: Elsevier Applied Science. 1990, p.105.
BENTUR, A.; MINDESS, S. Fibre Reinforced Cementitious Composites, 2 ed. London and New York, Taylor & Francis, 2007, p. 601.
BEZZERA, A.C. et al., Post-fire Behavior of Ordinary Concrete Reinforced with BOULEKBACHE, B. et al., Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the mechanical properties of the material, Construction and Building
Materials, v. 24, p.1664-1671, mar. 2010.
BRANDT, A. M., Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering, Composite Structures, v. 86, p. 3-9, mar. 2008.
CANEVAROLO, S. V. J., Ciência dos polímeros: Um texto básico para tecnólogos e engenheiros, Artiiber Editora, 2 ed., 2006, 277p.
ÇAVDAR, A., A study on the effects of high temperature on mechanical properties of fiber reinforced cementitious composites, Composites: Part B, v.43, p.2452- 2463, oct 2011.
CEMBUREAU, Activity Report 2015, Brussels, 2016. http://www.cembureau.be/sites/default/files/AR2015.pdf.
CEMBUREAU, World Statistical Review 1996–2008 Cement Production, Trade, Consumption Data, The European Cement Association, Brussels, 2010.
CHAN, S. Y. N. et al., Comparison between high strength concrete and normal strength concrete subjected to high temperature, Materials and Structures/Matdriaux et Constructions, v. 29, p. 616-619, Dec. 1996.
CHEN, B.; LIU, J., Residual strength of hybrid-fiber-reinforced high-strength concrete after exposure to high temperatures. Cement and Concrete Research, v. 34, p.1065-1069, nov. 2003.
CHENA, B.; LIU, J., Residual strength of hybrid-fiber-reinforced high-strength concrete after exposure to high temperatures, Cement and Concrete Research, v. 34, p.1065–1069, nov. 2003.
CHOI, J.I., et al., Ultra-high-ductile behavior of a polyethylene fiber-reinforced alkali-activated slag-based composite, Cem. Concr. Compos. v.70, p. 153-158, 2016.
CORALDINESI, V. et al., Early-Age Behaviour of Fiber Reinforced High Performance Concretes, IJARE, v. 4, 2 ed., p. 7-10, jun. 2018.
COUTINHO, F. M. B. et al., Polietileno: Principais tipos, propriedades e aplicações, Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 13, nº 1, p. 1-13, 2003.
CSL, A compilation on High Modulus Polyethylene Fibers (HMPE), Catalógo, may. 2010.
DANIEL, J. I, et al., State-of-the-art report on fiber reinforced concrete. ACI Committee 544, Report 544, 1R-96, American Concrete Institute, Detroit, USA; 2002.
DAWOOD, E. T. and RAMLI, M., Contribution of Hybrid Fibers on The Hybrid Fibers on the Properties of High Strength Concrete Having High Workability,
Procedia Engineering, v. 14, p. 814-820, 2011.
DAWOOD, E. T.; RAMLI, M., Mechanical properties of high strength flowing concrete with hybrid fibers, Construction and Building Materials, v. 28, p. 193- 200, oct. 2011.
DEB, S. et al., Improvement in tensile and flexural ductility with the addition of different types of polypropylene fibers in cementitious composites, Construction
and Building Materials, v. 180, p. 405–411, jun. 2018.
DENG, H., Utilization of Local Ingredients for the Production of High-Early- Strength Engineered Cementitious Composites, Advances in Materials
DEROUSSEAU, M. A. et al., Computational design optimization of concrete mixtures: A review, Cement and Concrete Research, v.109, p. 42-53, apr 2018. DING, Y. et al., Basic mechanical properties of ultra-high ductility cementitious composites: From 40 MPa to 120 Mpa, Composite Structures, v. 185, p. 634– 645, nov. 2017.
DUGENCI, O. et al., Experimental Research For The Effect Of High Temperature On The Mechanical Properties Of Steel Fiber-Reinforced Concrete,
Construction and Building Materials, v. 75, p. 82-88, nov. 2014.
FAO, Food wastage footprint impacts on natural resources: summary report, Food and Agriculture Organisation of the United Nations, FAO, [Rome], 2013. FARES H. et al., Self-consolidating concrete subjected to high temperature Mechanical and physicochemical properties, Cement and Concrete Research, v. 39, p.1230-1238, aug. 2009.
FIGUEIREDO, A.D. Concreto Reforçado com fibras. Tese de Livre Docência. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,248p., 2011
FIGUEIREDO, A.D., HELENE, P.R.L. Controle de tenacidade do concreto com fibras de aço. In 39ª Reunião do IBRACON – Instituto Brasileiro do Concreto, 1997, Anais. Porto Alegre, V. II, p. 469-476, 1997.
FRATERNALI, F. et al., Experimental study of the thermo-mechanical properties of recycled PET fiber-reinforced concrete, Composite Structures, v. 93, p. 2368–2374, apr. 2011.
FU, Q. et al., Impact response of concrete reinforced with hybrid basalt- polypropylene fibers, Powder Technology, v.326, p. 411–424, jan. 2017.
GHADBAN, A. and Underberg, M. Fiber-Reinforced Concrete for Structure Components, Mountain-Plains Consortium, dec. 2017, 151p.
HALVAEI, M. et al., Application of low modulus polymeric fibers in engineered cementitious composites, Journal of Industrial Textiles, v. 43, ed.4, p. 511- 524, 2014.
HAMEED, R. et al., Metallic fiber reinforced concrete: effect of fiber aspect ratio on the flexural properties, ARPN Journal of Engineering and Applied Science, v. 4, n. 5, p.67-72, jul. 2009.
HAN C. G. et al., Performance of spalling resistance of high performance concrete with polypropylene fiber contents and lateral confinement, Cement and
Concrete Research, V. 35, p.1747–1753, nov.2004.
HANNAWI k. et al., Effect of different types of fibers on the microstructure and the mechanical behavior of Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concretes
Composites Part B, v. 86, p.214-220, ocy. 2015.
HASSAN, A. M. T., JONES, S. W., and MAHMUD, G. H., Experimental test methods to determine the uniaxial tensile and compressive behavior of ultra high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC), Constr. Build. Mater., v.37, p. 874–882, may. 2012.
HASSANPOUR, M. et al., Lightweight aggregate concrete fiber reinforcement – A review, Construction and Building Materials, v. 37, p. 452–461, sep. 2012. HERTZ, K.D., Limits of spalling of fire-exposedconcrete, Fire Safety Journal, v. 38, p. 103–116, aug. 2002.
HSIE, M. et al., Mechanical properties of polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete, Materials Science and Engineering A, v. 494, p. 153–157, may. 2008.
JAPAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. Method of tests for flexural stregth and flexural toughness of steel fiber reinforced concrete. JSCE – SF4. Concrete Library of JSCE. Part III-2 Method of test for stell fiber reinforced concrete. Nº 3 June. p. 58-61.1984.
JIN, L et al., Experimental investigation on static and dynamic mechanical properties of steel fiber reinforced ultra-high-strength concretes, Construction
KANG, S. T. AND, KIM, J. K., The relation between fiber orientation and tensile behavior in an Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites (UHPFRCC), Cement and Concrete Research, v. 41, p. 1001– 1014, may. 2011.
KANTAR, E. et al., Impact dynamics and energy dissipation capacity of fibre- reinforced self-compacting concrete plates, Construction and Building
Materials, v.138, p. 383–397 feb. 2017.
KESNER, K. E., et al., Cyclic response of highly ductile fiberreinforced cement- based composite, ACI Mater. J., v. 100, ed. 5, p. 381-390, 2003.
KESNER, K. E., et al., Investigation of ductile cement-based composites for seismic strengthening and retrofit, Fract. Mech. Concr. Struct., p. 65–72, 2001. KHAN, M. I. et al., Review of high and ultrahigh performance cementitious composites incorporating various combinations of fibers and ultrafines, Journal
of King Saud University – Engineering Sciences, v. 29, p. 339–347, apr. 2017.
KIM et. al., Material and structural performance evaluation of recycled PET fiber reinforced concrete, Cement & Concrete Composites, v. 32, p. 232–240, nov. 2009.
KIM, K. H. et al., An experimental study on thermal conductivity of concrete,
Cement and Concrete Research, v. 33, p. 363-371, aug. 2002.
KIM, S. B., et al., Material and structural performance evaluation of recycled PET fiber reinforced concrete, Cement Concrete Comp., v. 32, ed. 3, p. 232–240, nov. 2009.
KODUR, V. K. R. et. al., Structures in Fire: State-of-the-Art, Research and Training Needs, Fire Technology, v. 48, p. 825–839, oct. 2011.
KODUR, V. K. R., Properties of Concrete at Elevated Temperatures, ISRN Civil
Engineering, v. 2014, p.15, mar. 2014.
KODUR, V.K.R., PHAN, L. Critical factors governing the fire performance of high strength concrete systems, Fire Safety Journal, v. 42, p. 482–488, jun. 2007.
LEE, J. H. et al., Experimental study of the reinforcement effect of macro-type high strength polypropylene on the flexural capacity of concrete, Construction
and Building Materials, v. 126, p. 967-975, sep. 2016.
LEE, J. H., Influence of concrete strength combined with fiber content in the residual flexural strengths of fiber reinforced concrete, Composite Structures, v. 168, p.216-225, jan. 2017.
LI, V. C., Postcrack scaling relations for fiber reinforced cementitious composites,
J. Mater. Civ. Eng., v. 41, p. 41–57, 1992, 10.1061/(ASCE)0899-1561.
LU, C. et al., Tensile performance and impact resistance of Strain Hardening Cementitious Composites (SHCC) with recycled fibers, Construction and
Building Materials, v. 17, p.1566–576, mar. 2018.
MACIEL, Priscila de Souza. Análise da infraestrutura de pavimento rígido com reforço diferenciado de fibras de aço. 2017. 121 f. Dissertação (Mestrado Profissional em Engenharia Geotécnica) – Núcleo de Geotecnia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2017.
MEHTA, P. K. e MONTEIRO, P. J. M. - Concrete: Microstructure, properties and materials, 3 ed. New York, McGraw-Hill, 2006.
MO, K. H. et al., Thermal conductivity, compressive and residual strength evaluation of polymer fibre-reinforced high volume palm oil fuel ash blended mortar, Construction and Building Materials, v. 130, p. 113-121, nov. 2016. MOHAMED, A. A. et al., Structural Performance of Polymer Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites Subjected to Static and Fatigue Flexural Loading, Polymers, v. 7, p. 1299-1330, jul.2015, doi:10.3390/polym7071299 MUKHOPADHYAY, S.; KHATANA, S., A review on the use of fibers in reinforced cementitious concrete, Journal of Industrial Textiles v. 45, p. 239-264, 2015. NATARAJA, M. C. et al. Stress-strain curves for steel-fiber reinforced concrete under compression, Cement & Concrete Composites, v. 21, p. 383-390, may. 1999.
NIA, A. A. et al., An experimental and numerical study on how steel and polypropylene fibers affect the impact resistance in fiber-reinforced concrete,
International Journal of Impact Engineering, v. 46, p. 62-73, feb. 2012.
NOUSHINI, A., et al., Rheological properties and compressive strength behaviour of polyvinyl alcohol fibre-reinforced concrete. Australian Journal of Structural
Engineering, v. 15, 2014.
OCHI, T.; OKUBO, S. and FUKUI, K., Development of recycled PET fiber and its application as concrete-reinforcing fiber. Cement Concrete Comp., v.29, ed. 6, p. 448–455, 2007.
OLIVEIRA, L. A. P. and GOMES, J. P. C., Physical and mechanical behaviour of