FISSURAÇÃO DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS

A fissuração do concreto exposto às altas temperaturas é fortemente relacionada a redução de suas propriedades mecânicas, como expuseram os itens anteriores.

Ao explicar uma das principais causas de formação de fissuras no concreto durante seu aquecimento, ilustradas na Figura 12, Hertz (2005) expõe que o processo se inicia com as tensões internas decorrentes da desidratação da pasta de cimento e da expansão dos agregados especialmente a partir de cerca de 200 ºC (a); ao se atingir cerca de 300 ºC, observa-se a consequente microfissuração do material (b). A decomposição do C-S-H entre 400 ºC e 600 ºC enfraquece o concreto (c) e a reidratação do óxido de cálcio após o resfriamento do material implica em expansão do material, aumentando as aberturas de fissuras anteriormente formadas (d).

Figura 12 - Formação de fissuras no concreto em função das altas temperaturas. Adaptado de Hertz (2005)

2.4. SPALLING DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS

O termo spalling – normalmente traduzido como “lascamento” – é utilizado para indicar a ruptura, violenta ou não, de camadas ou partes de concreto da superfície de um elemento estrutural exposto a elevação intensa e rápida de temperatura (FIB, 2008).

No caso do concreto armado, quando ocorre spalling, camadas mais profundas do concreto são expostas a temperaturas superiores, acelerando a transmissão de calor para as armaduras. Conforme a temperatura se eleva, a armadura apresenta maior expansão do que o concreto, o que pode induzir a formação e o agravamento de fissuras na região das barras. Adicionalmente, a expansão térmica diferencial pode causar fissuração aleatória superficial e levar a rupturas mais profundas (GEORGALI; TSAKIRIDIS, 2005).

O fenômeno do spalling pode ser classificado em 6 tipos, os quais podem ocorrer de forma isolada ou concomitante: lascamento do agregado (aggregate spalling), explosivo (explosive spalling), superficial e violento durante o incêndio (superficial spalling), superficial e não violento (sloughing off), de quina (corner spalling) e pós resfriamento (post cooling spalling) (FIB, 2007)

Entre os tipos de lascamento, o mais conhecido e que desperta maior preocupação é o explosive spalling, o qual pode afetar diretamente a integridade e a estabilidade dos elementos e da estrutura (ALI, 2002).

Não há consenso acerca dos detalhes de como ocorre o lascamento do concreto exposto às altas temperaturas, sendo que provavelmente há diferentes causas em diferentes situações, variando ainda de acordo com o tipo de lascamento (MCNAMEE, 2019).

Khoury (2000) divide os mecanismos que podem originar o

lascamento explosivo do concreto em três grupos: lascamento em função da

pressão de vapor nos poros, da tensão térmica e da combinação da pressão de vapor nos poros e da tensão térmica.

As teorias envolvendo a pressão dos poros utilizam modelo conhecidos como moisture clog ou modelo de bloqueio de umidade – formulado por Shorter e Harmathy em 1961 – vapour drag forces e idealized spherical pore (BRITEZ, 2011; MCNAMEE, 2019). Em traduções livres, os dois últimos podem

ser entendidos como modelos de forças de arrasto de vapor e de poro esférico idealizado.

Aplicáveis principalmente a espécimes de pequenas dimensões sem carregamento, as teorias relacionadas à pressão dos poros têm como base que a pressão de vapor nos poros do concreto sobe perto da superfície durante a exposição do material às altas temperaturas.

Em função do aumento de pressão, parte do vapor e o ar aquecido migram para as camadas interiores do concreto. Ao encontrar o concreto mais frio junto à frente de desidratação, o vapor se condensa na forma uma camada quase saturada e impermeável aos gases, denominada moisture clog (FIB, 2007; NINCE, 2007).

A Figura 13 ilustra a camada úmida formada junto à frente de lascamento do concreto.

Figura 13 – Região úmida junto à frente de lascamento do concreto em laje rompida durante exposição ao fogo, adaptada de McNamee (2019)

A moisture clog desacelera o transporte do vapor para a região mais fria do concreto. Caso a permeabilidade do concreto não seja suficiente para dar vazão a esses gases para a atmosfera, há um aumento da pressão na interface entre a parede impermeável e a zona de desidratação. A magnitude dessa pressão deriva da taxa de aquecimento, da resistência da estrutura de poros, da permeabilidade e da umidade do material. Se a pressão supera a resistência à tração do concreto, há uma transferência de massa forçada de vapor e ar superaquecido que leva ao lascamento explosivo (ALI, 2002; FIB, 2007; NINCE, 2007; MAJORANA et al, 2010).

McNamee (2019), no entanto, defende que não foi apresentada evidência experimental clara do modelo moisture clog, sendo que a correlação entre a pressão medida nos poros do concreto durante seu aquecimento e o lascamentos dos espécimes é fraca.

As teorias que relacionam o lascamento explosivo do concreto exposto às altas temperaturas às tensões térmicas partem do princípio que, dada a baixa difusividade térmica do material e sua elevada densidade, são criados gradientes térmicos entre as camadas mais próximas e mais distantes da fonte de calor. A região próxima à superfície tende a se expandir, apresentando tensões de compressão que podem ser aumentadas pelo carregamento imposto ao espécime; as camadas internas restringem a dilatação, sendo afetadas por tensões de tração (MAJORANA et al, 2010; NINCE, 2007; MCNAMEE, 2019).

Majorana et al (2010) afirmam que o lascamento explosivo do concreto exclusivamente em função das tensões térmicas é um fenômeno raro, mas não impossível.

A associação entre as tensões decorrentes do gradientes térmicos criados pela exposição do concreto ao fogo, o aumento da poro-pressão e a fissuração interna do espécime pode ser apontada como a principal explicação para o lascamento explosivo do concreto, caracterizando o terceiro dos três grupos diferenciados por Khoury (2000) (ALI, 2002; MAJORANA et al, 2010).

A elevação da temperatura leva à evaporação da água livre e combinada do concreto; parte do vapor escapa e parte, retida, aumenta a poro- pressão, induzindo tensão.

A tensão térmica e a poro-pressão se combinam na estrutura de poros do concreto; se essa estrutura é fraca e permeável, o material fissura e a energia

é dissipada. Se a estrutura é forte e pouco permeável, a tensão pode atingir níveis muito altos com o aumento da temperatura até o surgimento de fissuras paralelas à superfície. A falha repentina da matriz devido a uma fraqueza localizada pode desencadear uma reação em cadeia nas áreas adjacentes, causando a ruptura violenta do concreto e seu lascamento explosivo (ALI, 2002; MAJORANA et al, 2010).

Nince (2007), em seu estudo acerca do lascamento do concreto exposto às altas temperaturas, verificou que a relação água/cimento e a umidade ambiente foram as variáveis mais relevantes para a ocorrência de spalling, o que reflete que a suscetibilidade do concreto a esse fenômeno pode ser relacionada à qualidade de sua microestrutura e ao nível de saturação dos poros.

Os seguintes fatores influentes no lascamento explosivo do concreto podem ser destacados (KODUR, 2003; MAJORANA et al,2010)

a) Taxa de aquecimento – quanto maior a taxa, maior a probabilidade e a severidade do lascamento;

b) Forma de aquecimento – o lascamento é mais comum em elementos com duas ou mais faces expostas ao fogo do que em elementos com apenas uma face exposta;

c) Tamanho da seção – seções esbeltas (20 – 30 cm) são menos propícias ao lascamento explosivo do que seções mais robustas; d) Geometria da seção – cantos, especialmente em ângulos agudos,

são mais suscetíveis ao lascamento do que superfícies planas e cantos arredondados;

e) Umidade – a probabilidade de lascamento é maior em concretos mais úmidos;

f) Poro-pressão – concretos com teor de umidade elevado e baixa permeabilidade tendem a possuir maior poro-pressão quando aquecidos;

g) Permeabilidade – influencia o nível crítico de pressão em função da taxa de evaporação da umidade contida no elemento;

h) Idade – a maioria dos estudos indica que concretos mais novos possuem maior taxa de umidade, sendo mais suscetíveis ao lascamento;

i) Resistência – concretos de resistência à compressão alta são normalmente associados a um desempenho inferior quando expostos às altas temperaturas em função de sua baixa porosidade, principalmente quando é utilizada sílica ativa, mesmo em taxas de aquecimento baixas;

j) Tensão de compressão e restrições – aplicação de carga e restrições aumentam a suscetibilidade ao lascamento;

k) Tipo de agregado – apesar de haverem pesquisas com resultados inconsistentes, verifica-se comumente que o lascamento é mais comum quando o agregado não possui baixa expansão térmica; l) Tamanho do agregado – estudos sugerem que concretos com

agregados maiores sofrem mais lascamento;

m) Fissuração – a fissuração interna exerce efeitos opostos no lascamento do concreto pois, ao mesmo tempo que reduz a poro- pressão permitindo a evaporação da umidade, facilita a propagação de fissuras envolvida no processo de lascamento;

n) Armaduras – a presença de armaduras, mais do que sua conformação, influencia a probabilidade de lascamento. Contudo, a redução da distância entre os estribos e a execução de modificações no dobramento de suas extremidades, ao afetar o confinamento do núcleo dos elementos estruturais, podem reduzir a extensão do lascamento;

o) Cobrimento – cobrimentos superiores a 4 cm tornam o concreto mais suscetível a lascamentos sérios;

p) Armadura complementar – o uso de malhas leves não diminui a probabilidade de ocorrência de lascamento, mas pode reduzir sua extensão e gravidade;

q) Fibras de aço – a adição de fibras de aço pode propiciar explosões mais violentas por aumentar a resistência à tração e o acúmulo de tensão antes do lascamento;

r) Fibras de polipropileno – podem reduzir a probabilidade de lascamento em concretos de alta resistência.

s) Incorporação de ar – pode reduzir o risco de lascamento explosivo.

A Figura 14, adaptada de Ma et al (2015), ilustra a influência do teor de umidade na ocorrência de spalling no concreto.

Figura 14 – Relação entre teor de umidade, possibilidade e extensão do spalling – adaptada (MA et al, 2015)

2.5. FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO DO CONCRETO