Tenacidade

Sabe-se que o concreto é um material frágil, que se rompe com pequenas deformações. A adição de fibras de aço ao concreto altera seu comportamento mecânico melhorando sua capacidade de absorção de energia, ou seja, a tenacidade.

Segundo Figueiredo (2011), tenacidade do CRFA é definida pela energia absorvida pelo composto quando carregado, abrangendo a energia absorvida antes e após a fissuração da matriz, quando as fibras passam a atuar de maneira mais efetiva.

A ruptura das estruturas de concreto é usualmente causada pela propagação de fissuras de tração. Ao basear nessa propagação de fissuras, a curva Tensão versus Deformação do concreto simples pode ser dividida em quatro estágios (Fig. 2.11).

Figura 2.11 – Estágios da fissuração do concreto (NAAMAN; REINHARDT, 1995).

De acordo com Naaman e Reinhardt (1995), teoricamente o concreto é considerado não fissurado correspondendo ao Estágio 1 de fissuração com até 30% da tensão de pico. No Estágio 2, cerca de 80% da carga de ruptura, a resistência da matriz é alcançada e são desenvolvidas microfissuras internas que se propagam. Para esse segundo estágio, as microfissuras são isoladas e distribuídas aleatoriamente no elemento de concreto. Durante o Estágio 3, as fissuras internas começam a se localizar em uma grande fissura que se propaga com o aumento da carga. O comprimento dessa grande fissura, para a carga de pico, é chamado de comprimento crítico de fissura. O Estágio 4 ocorre, por fim, após a tensão de pico, onde uma grande fissura se propaga de maneira frágil, ou seja, mesmo que não haja o aumento da tensão.

A adição de fibras de aço ao concreto não influencia o Estágio 1, uma vez que teoricamente essa matriz não se encontra fissurada. Nesse estágio inicial, tanto o concreto simples como o CRFA tendem a responder linearmente até o primeiro ponto de fratura (Fig. 2.12).

Figura 2.12 – Comportamento de matrizes cimentícias sem a adição de fibras e com adição de fibras de aço (FERRARI, 2007).

De acordo com a Fig. 2.12, após a fissuração da matriz, a capacidade de carga do concreto não reforçado diminui rapidamente, já o CRFA apresenta uma tenacidade considerável. A presença das fibras retarda a abertura das fissuras até que haja o arrancamento ou a ruptura da fibra que a intercepta.

A típica resposta tensão-alongamento do CRFA indica duas propriedades de interesse, a saber, a tensão de fissuração (� e a tensão máxima pós-fissuração (� ). A resistência à fissuração do composto é primariamente influenciada pela resistência da matriz, enquanto a resistência pós-fissuração depende dos parâmetros de reforço proporcionados pelas fibras.

Na grande maioria dos CRFA, a � é menor que a � e a ruptura se desenvolve por meio da abertura de uma única macrofissura com consequente redução da tenacidade (METHA; MONTEIRO, 2008). Para essa classe de compostos é detectado o comportamento strain-

softening à tração ou deflection-softenig na flexão, representado graficamente na Fig. 2.12(a).

Quando a � é maior que a resistência à primeira fissura, ocorre um endurecimento à tração causado pela formação de múltiplas fissuras e aumento da tenacidade. Neste caso detecta-se o

comportamento strain-hardening à tração ou deflection-hardening à flexão e também são chamados de HRFRCC (High Performance Fiber Cement Composites) (NAAMAN, 2003). Ambos os comportamentos são representados nas Figs. 2.13(a) e 2.13(b).

(a) (b)

Figura 2.13 – Resposta típica tensão-deformação do CRFA: (a) comportamento strain-softening

– CRFA convencional; (b) comportamento strain-hardening – HRFRCC (NAAMAN, 2003).

Na Fig. 2.13 os estágios de fissuração no CRFA são indicados. No estágio I a matriz não se encontra fissurada. Quando � é maior que � identifica-se o estágio II onde microfissuras são desenvolvidas. Por fim, na situação onde � é maior que � , o segundo estágio desaparece e a resposta tensão-deformação do composto fica reduzida aos estágios I e III. Esse processo de deformação de múltiplas fissuras continua até que o carregamento alcance a resistência ao arrancamento das fibras que costuram a fissura crítica. Neste ponto, inicia-se o estágio III. Em alguns casos, o arrancamento das fibras pode ser precedido pela sua ruptura, sendo este mecanismo de colapso menos desejável devido sua natureza frágil (NAAMAN, 2003).

Além dos estágios, a curva representada na Fig. 2.13(a) é típica de CRFA dosados com baixos volumes de fibras (� ). O princípio básico para a obtenção de um comportamento do CRFA strain-hardening à tração é a concepção de um composto com o volume de fibras excedente ao volume crítico de fibras (�, (NAAMAN, 2003; METHA; MONTEIRO,

2008).

Concretos dosados com � inferiores ao �, oferecem redução na resistência após a

fissuração da matriz apresentando o comportamento strain-softening. Caso contrário, o concreto apresenta, consequentemente, o comportamento strain-hardening (Fig. 2.14).

Figura 2.14 – CRFA relacionando � e �, (FIGUEIREDO, 2000).

A Fig. 2.15 mostra a faixa de microfissuração do CRFA com o primeiro comportamento. Observa-se que macrofissuras são substituídas por um denso sistema de microfissuras favoráveis, tanto para a segurança como para a durabilidade (BRANDT, 2008).

Figura 2.15 – Padrão de fissuração no concreto armado e no CRFA submetidos à tração; (BRANDT, 2008).

A magnitude da melhora na tenacidade no CRFA é influenciada pela concentração, tipo, geometria e orientação das fibras, pela aderência fibra-matriz e pelas características da matriz. Como esse não é o foco desta Tese, todos esses fatores podem ser consultados de forma completa e detalhada em Bastos (1999); Figueiredo (2000); Song e Hwang (2004); Garcez (2005); Brandt (2008); Ferreira (2002); Góis (2010); Metha e Monteiro (2008); Zhang et al. (2014); Vitor (2017) e Alves (2017).

Zhang et al. (2014) avaliaram a tenacidade de concretos de alto desempenho reforçados com fibras de aço e observam um aumento desse índice com a elevação da concentração de fibras até um determinado percentual (Fig. 2.16).

Figura 2.16 – Tenacidade versus Concentração de fibras (Adaptado de ZHANG et al.; 2014).

A tenacidade é caracterizada como índice de tenacidade à flexão conforme orientação do método ASTM C1609 (2012). Conforme representado na Fig. 2.16, valores de � entre 2% e 5% por volume de concreto (157 kg/m³ e 196 kg/m³) apresentaram queda da tenacidade à flexão. Ainda segundo Zhang et al. (2014), essas regras de variação indicam que a contribuição das fibras de aço para esse índice do concreto ocorre somente quando o � não ultrapassa o valor de 2%.

Marar, Eren e Yitmen (2011) observaram um aumento significativo na tenacidade do concreto para concentrações de fibras entre 0 e 2% por volume. Observaram uma elevação do ramo descendente da curva tensão versus deformação em todas as curvas com adição de fibras de aço ao comparar com a curva sem adição de fibras, indicando o aumento da tenacidade (Fig. 2.17).

Figura 2.17 – Curva Tensão versus Deformação com variações no � em concreto com a/c de 0,55 (MARAR, EREN; YITMEN; 2011).

A tenacidade pode ser estimada a partir do valor da área sob a curva tensão-deformação ou força-deslocamento produzida por ensaios de tração uniaxial direta ou ensaios de flexão (ACI 544.4R, 2009). Devido às dificuldades encontradas nos ensaios de tração uniaxial, ensaios à flexão de elementos prismáticos de concreto são mais utilizados para a determinação da tenacidade.

Acréscimos na tenacidade também podem estar relacionados com a proporção adequada dos agregados, da relação água/cimento, aditivos, pois as características e dosagem das fibras não são os únicos responsáveis pelo melhor desempenho desse composto. Sendo assim, é necessário considerar as características da matriz na metodologia de dosagem, tanto no que se refere à trabalhabilidade como à resistência mecânica (FIGUEIREDO, 2011).