2.1 – Introdução
Os materiais tradicionais apresentam limites de aplicação, que forçam seu aperfeiçoamento ou mesmo o desenvolvimento de novos materiais. Sob essa visão, a adição de fibras ao concreto representa um grande progresso na otimização de algumas propriedades desse material.
Com a adição de fibras, a fissuração da matriz de concreto é reduzida, uma vez que essas fissuras são interligadas pelas fibras, e como resultado há um aumento na tenacidade e na resistência à tração e melhor comportamento às solicitações dinâmicas. A maneira como essas propriedades vão ser modificadas depende das propriedades físicas e geométricas das fibras, das características da matriz cimentícia e da interação entre a fibra e a matriz.
O avanço das pesquisas acerca das propriedades do concreto com fibras tende a melhorar o desempenho do material e abrir novos campos de aplicação. Para isso é preciso que, além do aperfeiçoamento do material em si, os métodos de análise e dimensionamento de elementos estruturais sejam adaptados, permitindo que a aplicação dos concretos com fibras nesses elementos seja feita de forma otimizada e segura.
2.2 – Histórico
A idéia da utilização de fibras para melhorar o comportamento de materiais de construção é bastante antiga e intuitiva, havendo registro deste uso nos primórdios das civilizações há aproximadamente 3200 anos. No Antigo Egito e em Roma, os adobes e tijolos eram reforçados com fibras de palha e raízes, a fim de criar compósitos com melhor desempenho.
O cimento-amianto foi de fato o primeiro material de construção com adição de fibras produzido em escala industrial. Pode-se afirmar que o cimento-amianto foi obtido a partir de observações feitas na prática, sem um conhecimento prévio do comportamento das fibras na pasta de cimento, porém este compósito apresentou resistência mecânica elevada se comparada com outros compósitos usados na construção civil (AGOPYAN, 1993).
A mesma idéia foi então adotada para o concreto à base de cimento portland. O conceito de concreto como material estrutural reforçado pela inclusão de peças descontínuas e curtas de aço foi concebido por Porter, em 1910. Já em 1911, Grahan sugeriu o uso de fibras de aço em conjunto com a armadura convencional, com o objetivo de aumentar a resistência e a estabilidade do concreto armado (ACCETTI e PINHEIRO, 2000).
O desenvolvimento do concreto com fibras é caracterizado por duas fases distintas, antes e depois da década de 1960. A primeira corresponde à fase de pioneirismo, com quase nenhuma aplicação, ao contrário da segunda, quando ocorreram modernos desenvolvimentos e muitas aplicações práticas (ACI 544.1R-96, 2004).
Os desenvolvimentos modernos do concreto com fibras se deram no início da década de 1960 (BALAGURU e SHAH, 1992). Uma variedade de fibras e de novos materiais foram introduzidos no mercado da construção civil, o que continua acontecendo até hoje, à medida que novas aplicações são identificadas. Alguns exemplos são: as fibras de aço (retas, onduladas, torcidas, deformadas nas extremidades com ganchos), as fibras de vidro, as fibras de carbono, as fibras orgânicas naturais e minerais (madeira, sisal, juta, bambu, coco, asbesto, vidro e lã mineral), as fibras de polipropileno (retas, onduladas fibriladas, com extremidades em forma de botão) e muitas outras fibras sintéticas, como as de náilon e as de poliéster.
De acordo com TEZUKA (1999), os estudos sistemáticos dirigidos às possíveis aplicações e utilização comercial do concreto com fibras foram iniciados somente a partir de 1971, nos Estados Unidos, seguidos pelo Reino Unido e pelo Japão. Conforme NAAMAN (1985), esses desenvolvimentos foram precedidos e acompanhados por um melhor entendimento da mecânica do reforço com fibras (mecânica do compósito, mecânica da fratura e mecânica do dano). Estes estudos levaram à identificação das características desejáveis das fibras para quaisquer aplicações.
O primeiro uso estrutural do concreto com fibras de aço foi em 1971, para a produção de painéis desmontáveis de 3250 mm2, com 65 mm de espessura, para a garagem do estacionamento do aeroporto de Heathrow, em Londres. O concreto continha 3%, em massa, de fibras de aço estiradas a frio, com 0,25 mm de diâmetro por 25 mm de comprimento. Durante a última inspeção feita nesta obra, após 5 anos de uso, as placas não apresentaram sinais de fissuração (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
As primeiras idéias e patentes de concreto com fibras indicam que as fibras foram introduzidas inicialmente visando apenas o aumento da resistência dos compósitos. O conceito de energia absorvida ou tenacidade estava presente apenas em algumas patentes, mas teve maior destaque durante os estudos mais modernos sobre concreto com fibras, onde se observa também a influência do uso de fibras no concreto com relação ao ganho de ductilidade e o funcionamento das fibras como obstáculos ao desenvolvimento de fissuras durante o endurecimento da pasta de cimento.
2.3 – Tipos e Propriedades das Fibras
Existe uma grande variedade de fibras para utilização em matrizes de cimento, tais como: fibras de amianto, fibras de vidro, fibras de metal como o aço-carbono e aço inox, fibras de carbono, fibras naturais como as de sisal, cânhamo, juta, coco, etc., fibras de polímero como as de polipropileno e de polietileno.
A escolha de um determinado tipo de fibra a ser usada depende das características que se deseja do compósito obtido. As fibras com módulo de elasticidade menor e alongamento maior do que as matrizes de cimento, como, por exemplo, as fibras de polipropileno e polietileno, são capazes de absorver grandes energias, tendo grande resistência ao impacto e elevada tenacidade. Entretanto, não contribuem muito
Já as fibras com elevado módulo de elasticidade e resistência, como as de aço, vidro e carbono, produzem compósitos com elevada resistência à tração, rigidez e capacidade de resistir a cargas dinâmicas.
A tabela 2.1 e a tabela 2.2 mostram algumas propriedades de matrizes de cimento e de diversos tipos de fibras, respectivamente.
Tabela 2.1: Algumas propriedades da matriz de cimento portland comum (TEZUKA, 1999). Matriz Massa Específica (kg/m3) Módulo de Elasticidade (GPa) Resistência à Tração (MPa) Alongamento na Ruptura por Tração (%) Pasta 2000 a 2200 10 a 30 3 a 8 0,01 a 0,05 Argamassa 2200 a 2300 25 a 35 2 a 4 0,005 a 0,015 Concreto 2300 a 2450 30 a 40 1 a 4 0,005 a 0,015
Tabela 2.2: Propriedades de algumas fibras (TEZUKA, 1999).
(*) KEVLAR – poliamida aromática da Du Pont.
Tipo de fibra Diâmetro (µm) Massa Específica (kg/m3) Coeficiente de Poisson Resistência à tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Alongamento na ruptura (%) Teores típicos volume (%) Resistência aos álcalis Amianto (crisotila) 0,02 a 20 2550 0,3 3500 168 2 a 3 10 Boa Aço 5 a 500 7840 0,28 a 0,33 1000 a 3000 196 a 210 3 a 4 0,5 a 2 Boa Vidro E 9a 15 2550 0,22 a 0,25 2100 a 3500 77 2 a 3,5 1 a 8 Pobre
Vidro CEM-FIL 10 a 20 2700 0,22 2000 a 2800 70 a 84 2 a 3 1 a 8 Razoável
Carbono 8 1900 0,2 a 0,4 2450 a 3150 230a 315 1 2 a 12 Boa KEVLAR PRD 49(*) 10 1450 0,32 2900 130 a 140 2 < 2 Boa Polipropileno Fibrilado 4 a 30 910 0,29 a 0,46 300 a 400 6 a 8 8 0,2 a 2 Boa Coco 100a 400 - - 120 a 200 19 a 26 10 a 25 1 a 5 Pobre Sisal 7 a 47 - - 280 a 568 13 a 26 3 a 5 1 a 5 Pobre Juta 20 a 100 - - 250 a 350 26 a 32 1,5 a 2 1 a 5 Pobre
Observando estas tabelas pode-se notar que o alongamento na ruptura de todas as fibras são muito superiores em relação aos das matrizes cimentícias e, conseqüentemente, a matriz fissura antes que a resistência das fibras seja atingida, fazendo com que as fibras atuem como ponte de transferência de tensões entre as bordas das fissuras, melhorando o comportamento pós-fissuração do compósito.
Um problema que existe com as fibras de baixo módulo de elasticidade, segundo HANNANT (1978), apud ACETTI e PINHEIRO (2000), é que elas geralmente apresentam coeficiente de Poisson elevado. Este fato, combinado com seu baixo módulo de elasticidade, leva a uma maior perda de aderência na interface fibra-matriz, o que provoca o deslizamento e arrancamento de fibras curtas e alinhadas. Para evitar esse problema, podem ser tomados cuidados especiais como o entrelaçamento de fibras ou o uso de fibras fibriladas.
Mesmo as fibras curtas com alto módulo de elasticidade podem necessitar de aderência mecânica para impedir seu arrancamento, a menos que sua superfície específica seja grande. Assim, as fibras de aço são geralmente produzidas com seções transversais variáveis ou com extremidades fletidas para promover boa ancoragem.
De acordo com o ACI 544.1R-96 (2004), uma característica muito importante das fibras é seu fator de forma (ou relação de aspecto, como é chamado por outros autores), definida como sendo a relação entre seus comprimento e diâmetro ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ dl .No caso de fibras com seção não circular, para determinar esta relação, adota-se o diâmetro equivalente. Quanto maior for o fator de forma, melhor será a aderência entre a fibra e a matriz cimentícia. Valores usuais para esta característica compreendem-se entre 20 e 100, para comprimentos da ordem de 6,4 mm a 76 mm.
Além das propriedades mecânicas, as fibras podem diferir bastante umas das outras também pelas suas características geométricas e pelos materiais usados na sua fabricação, podendo ser classificadas em três tipos básicos: as fibras metálicas, as minerais e as orgânicas.
2.3.1 – Fibras Metálicas
As fibras metálicas, principalmente as de aço, são usadas em matrizes de concreto com o objetivo de melhorar características como: tenacidade, controle de fissuras, resistência à flexão, resistência ao impacto e à fadiga. Segundo o ACI 544.1R-96 (2004), na maioria das pesquisas utilizam-se as fibras de aço, provavelmente por estarem disponíveis no mercado em maiores quantidades em relação às outras fibras.
As fibras de aço podem ser obtidas por diversos processos, sendo o mais comum sua fabricação por corte de arame trefilado, de aço de baixo teor de carbono. Quase todas as fibras de aço são produzidas com aço-carbono ordinário, porém as feitas de ligas metálicas são mais resistentes à corrosão, e são as mais adequadas para aplicações em concretos refratários e em estruturas marítimas.
Com relação à geometria das fibras, várias formas surgiram ao longo dos anos como conseqüência do processo industrial de fabricação das fibras e / ou com objetivo de obter uma melhor ancoragem na matriz de cimento. As fibras de aço de seção circular são produzidas cortando-se arame, e possuem, em geral, diâmetros da ordem de 0,25 mm a 1,0 mm, e comprimentos na faixa de 6,4 mm a 76 mm (ACI 544.1R-96, 2004).
As fibras de aço achatadas têm, em geral, seção transversal retangular com dimensões variando entre 0,15 mm e 0,41 mm (espessura), e entre 0,25 mm e 0,90 mm (largura). As fibras de aço onduladas e deformadas estão disponíveis tanto onduladas em todo o comprimento, quanto somente nas extremidades. As fibras de aço podem ainda ser coladas umas nas outras com colas solúveis em água, formando feixes de 10 a 30 fibras, para facilitar seu manuseio e mistura no concreto (BENTUR e MINDESS, 1990). De um modo geral, as tensões máximas resistidas pelas fibras de aço variam no intervalo de 1000 MPa a 3000 MPa, enquanto suas deformações específicas últimas se situam entre 3,0 e 4,0%. A figura 2.1 mostra as características geométricas de algumas fibras de aço.
Figura 2.1: Características geométricas de algumas fibras de aço (FIGUEIREDO, 2000).
2.3.2 – Fibras Minerais
Incluem-se neste grupo as fibras de amianto ou asbesto e as fibras de vidro, entre outras. As primeiras, empregadas na produção de peças de cimento amianto, apresentam o inconveniente de absorverem grandes quantidades de água, ocasionando o aumento da relação água-cimento, sendo necessárias grandes quantidades de fibras e de cimento para se obter boas resistências. Além disso, são de difícil dispersão na matriz, dificultando uma distribuição uniforme, e também são nocivas à saúde humana.
As fibras de vidro comum, cortadas a partir de fios de vidro, têm diâmetro variando de 0,009 mm a 0,02 mm, mas podem ser coladas umas nas outras para produzir elementos de fibras de vidro com diâmetros variando entre 0,013 mm e 1,3 mm; os comprimentos geralmente variam de 38 mm a 50 mm (BALAGURU e SHAH, 1992). As fibras de vidro, em geral, sofrem degradação das suas propriedades físicas com o tempo, devido à sua baixa resistência aos álcalis presentes na matriz de cimento portland, o que afeta principalmente a sua tenacidade, diminuindo progressivamente sua
flexibilidade, tornando-a frágil. Para combater esse ataque químico, dentre as soluções que podem ser empregadas podem ser citadas: o desenvolvimento de fibras de vidro resistente aos álcalis, a proteção das fibras com resinas ou o emprego de cimento com teores de álcalis inferiores a 0,6%, utilizando-se aditivos. As fibras de vidro resistentes aos álcalis (CEM-FIL), criadas na Inglaterra em 1967, possuem cerca de 16% de óxido de zircônio em sua composição, o que lhes proporcionam esta imunidade, sem alterar significativamente as outras propriedades (ACI 544.1R-96, 2004).
Apesar das fibras de vidro serem confeccionadas com um material frágil, o vidro, elas possuem propriedades satisfatórias para o emprego na construção civil, tais como: baixo coeficiente de dilatação térmica, boa resistência à tração e à vibração, retenção das propriedades mecânicas a altas temperaturas, grande alongamento na ruptura, facilidade de processamento, baixo custo se comparadas a outras fibras dúcteis, além de não serem nocivas à saúde, o que representa uma grande vantagem se comparadas às de amianto (PERUZZI, 2002).
Embora as fibras de vidro resistentes aos álcalis suportem a alcalinidade bem melhor do que fibras de vidro comum, esta resistência diminui com o passar do tempo. Ensaios acelerados indicam que a resistência à tração do concreto com fibras de vidro alcança o valor igual ao da matriz de concreto em cerca de 20 anos sob condições climáticas reais.
2.3.3 – Fibras Orgânicas
As fibras orgânicas de baixo módulo de elasticidade, de um modo geral, não contribuem significativamente para a melhoria da resistência à tração dos concretos, em virtude da perda de aderência entre essas fibras e a pasta de cimento.
Os concretos com fibras orgânicas são de grande deformabilidade, tendo em vista seu baixo módulo de elasticidade, no entanto, as fibras orgânicas melhoram significativamente a resistência às forças de impacto.
As fibras orgânicas podem ser subdivididas em fibras naturais (celulósicas) e sintéticas (plásticas).
2.3.3.1 – Fibras Orgânicas Naturais
As fibras orgânicas naturais possuem baixo custo de produção, devido à baixa quantidade de energia requerida no processo de extração das fibras, e por isso, têm mostrado ser uma excelente alternativa para o uso como elemento de reforço de matrizes frágeis, como, por exemplo, matrizes de cimento portland (ACI 544.1R-96, 2004). As principais fibras orgânicas naturais utilizadas para este fim são: as fibras de coco, sisal, juta, bambu e piaçava. A figura 2.2 mostra fibras de sisal próprias para utilização em concretos.
As fibras do bambu apresentam boa resistência à tração (de 350 MPa a 500 MPa), porém, possuem um relativamente baixo módulo de elasticidade (de 33 GPa a 40 GPa), e uma tendência de absorver água, o que acaba afetando a ligação fibra-matriz durante o processo de cura. As fibras de coco possuem baixo módulo de elasticidade e, além disso, são bastante sensíveis às mudanças de umidade. Já as fibras de sisal possuem elevada resistência à tração, porém não apresentam boa durabilidade na presença de álcalis (BALAGURU e SHAH, 1992).
Sendo produto natural, as características dessas fibras apresentam grande variabilidade, com coeficientes de variação freqüentemente maiores que 40%. Uma característica importante, e que deve ser considerada na utilização de fibras naturais em concretos e argamassas, é que o módulo de elasticidade dessas fibras é menor que o das matrizes de cimento portland, o que limita a sua utilização como reforço.
Porém, um dos maiores problemas a ser enfrentado quando se deseja utilizar estes tipos de fibras em matrizes cimentícias parece ser a durabilidade dos compósitos. Quando estas fibras são inseridas na matriz cimentícia podem apresentar problemas de durabilidade, devido à sua limitada resistência à ação de ácidos e álcalis. A alcalinidade do meio pode levar, por exemplo, à mineralização das fibras e a uma conseqüente redução na tenacidade dos compósitos (BALAGURU e SHAH, 1992).
Figura 2.2: Fibras de sisal (VELASCO, 2002).
2.3.3.2 – Fibras Orgânicas Sintéticas
As fibras orgânicas mais utilizadas são as sintéticas, e, destas, em especial as de polipropileno fibrilado. Entretanto, cabe salientar que não só as fibras de polipropileno têm sido empregadas em matrizes cimentícias; outras fibras poliméricas, tais como fibras de náilon, polietileno, poliamida e poliéster são também bastante indicadas para este fim. Todas essas fibras possuem alta resistência à tração e um módulo de elasticidade baixo.
As fibras de polipropileno (figura 2.3) podem ser produzidas em uma grande variedade de formas, como monofilamentos, fitas e filmes, com seus comprimentos variando entre 6 mm e 50 mm (BALAGURU e SHAH, 1992).
As fibras de polipropileno possuem baixo módulo de elasticidade, grande capacidade de deformação, resistência aos álcalis e baixo custo. Suas desvantagens são baixa resistência ao fogo, sensibilidade à luz solar e limitada aderência à matriz (BENTUR e MINDESS, 1990). Entretanto, estas desvantagens podem ser contornadas, pois como trabalham embebidas na matriz de cimento, são minimizados os efeitos de sensibilidade à luz solar e resistência ao fogo, e com um tratamento superficial com adições minerais se contorna o problema de aderência fibra-matriz (RESENDE, 2003).
Consideráveis melhoras podem ser obtidas com o uso das fibras de polipropileno no concreto, com relação à capacidade de deformação, tenacidade, resistência ao impacto e controle da fissuração do compósito (BENTUR e MINDESS, 1990, ACI 544.1R-96, 2004).
Figura 2.3: Fibras de polipropileno (VELASCO, 2002).
2.4 – Propriedades do Concreto com Fibras de aço
O concreto com fibras é um concreto contendo um cimento hidráulico, água, agregados miúdos, agregados graúdos e fibras discretas descontínuas. Não são considerados malhas contínuas, tecidos trançados e longas barras como tipos de fibras discretas para adição em elementos de concreto. O concreto com fibras pode eventualmente conter adições minerais para melhorar a sua resistência e/ou trabalhabilidade. As pozolanas e os superplastificantes são os principais aditivos usados nesse tipo de concreto (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
A geometria e volume relativo das fibras e a dimensão máxima dos agregados são aspectos importantes que devem ser considerados quando da utilização de fibras de aço em matrizes de concreto. A dimensão máxima dos agregados é de grande importância para concretos com fibras, pois esses concretos não devem conter partículas maiores que 20 mm e, de preferência, não maiores que 10 mm, para não dificultar a distribuição uniforme das fibras.
Quanto maior for o agregado, maiores são os problemas de interferência fibra-agregado, e isso pode diminuir a eficiência do mecanismo de atuação das fibras. Em outras palavras, deve haver uma compatibilidade dimensional entre agregados e fibras, de modo que as fibras interceptem com maior freqüência possível as fissuras que ocorrem no compósito. Na figura 2.4 se encontra representado um concreto com compatibilidade dimensional entre agregado e fibra e na figura 2.5 outro concreto onde isso não ocorre.
Figura 2.4: Concreto com fibras onde há compatibilidade dimensional entre as fibras e o agregado graúdo (FIGUEIREDO, 2000).
Figura 2.5: Concreto com fibras onde não há compatibilidade dimensional entre as fibras e o agregado graúdo (FIGUEIREDO, 2000).
Em geral, são considerados satisfatórios fatores de forma das fibras variando de 80 a 120, para atender os requisitos de homogeneidade, trabalhabilidade e resistência do concreto.
Algumas dosagens típicas de argamassa e concreto reforçado com fibras de aço são apresentados na tabela 2.3.
Tabela 2.3: Dosagens típicas de concreto reforçado com fibras de aço (TEZUKA, 1999).
Material Quantidade
Cimento (kg/m3) 350 a 560
Relação água-cimento (massa) 0,4 a 0,6
Areia (% em massa)* 50 a 100
Fibra de aço (% em volume) 0,5 a 2,5
* Em relação ao agregado total.
2.4.1 – Fatores que Influem nas Propriedades Mecânicas do Concreto com Fibras As propriedades do concreto com fibras dependem de inúmeros fatores, dos quais podem ser citados os seguintes:
• Resistência mecânica do material empregado na fabricação da fibra; • Características geométricas da fibra;
• Relação
dl (comprimento/diâmetro ou diâmetro equivalente para seções não circulares), chamada de fator de forma da fibra;
• Teor de fibras adicionadas ao concreto;
• Orientação e distribuição das fibras dentro do concreto; • Tensão de aderência entre as fibras e a matriz;
• Dimensão máxima do agregado utilizado para confecção da matriz; • Relação entre o comprimento da fibra e a dimensão máxima do
agregado.
2.4.2 – Mecanismo da Interação Fibra-Matriz
A interação entre a fibra e a matriz é uma das principais propriedades que afetam o desempenho do concreto com fibras; um bom entendimento desta interação é necessário para poder estimar a contribuição da fibra e prever como se comportará o material compósito.
Normalmente, no concreto existem inúmeras microfissuras e quando ele é submetido a esforços de tração ou flexão, as tensões se concentram rapidamente nas
extremidades dessas fissuras, ocorrendo uma rápida propagação e aumento da abertura das mesmas, resultando numa ruptura frágil do material.
Quando na matriz de concreto são introduzidas fibras curtas, estas atuam como obstáculos ao desenvolvimento das microfissuras. As fibras, ao interceptarem as fissuras, atuam como uma ponte de transferência de tensões, como ilustrado na figura 2.6. Na matriz fissurada, parte das tensões é transferida para as fibras ao longo de sua superfície, onde são desenvolvidas tensões de aderência. Conseqüentemente, para que ocorra a abertura das fissuras é necessária mais energia, e à medida que maior tensão é transferida através das fibras, mais microfissuras se formam na peça, tendo-se o que é chamado de estado de múltiplas fissuras (BALAGURU e SHAH, 1992). A ruptura do material ocorre por alongamento elástico ou plástico das fibras, por degradação da matriz de concreto na zona de transição fibra-matriz, por deslizamento da fibra ou por sua ruptura.
Figura 2.6: Mecanismo de controle de propagação de fissuras (fonte: Belgo Bekaert Arames S.A.).
2.4.3 – Trabalhabilidade
Ao adicionar qualquer tipo de fibra ao concreto simples, ocorre uma alteração