8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

ESTUDO COMPARATIVO DA TENACIDADE À FRATURA DE

CONCRETOS LEVES REFORÇADOS COM FIBRAS SINTÉTICAS

Freitas I. M. ; *Allende K. A.; DARWISH, F. A.

Universidade Federal Fluminense - UFF, Rua Passo da Pátria, 156, Niterói, R. J., Brasil *e-mail: katiallende@terra.com.br

RESUMO

O presente artigo apresenta um estudo do comportamento resistente de concretos leves auto-adensáveis e de bom desempenho, cuja aplicação em estruturas pré-moldadas facilita e acelera as construções civis. Foram investigadas as propriedades físicas e mecânicas, inclusive a tenacidade à fratura de um conjunto de traços de concreto leve estrutural, produzidos com argila expandida e reforçados com diferentes fibras sintéticas de polipropileno e poliamida. A tenacidade à fratura foi levantada através de ensaios de compressão diametral de corpos de prova 100 mm x 200 mm, contendo entalhes orientados ao longo do diâmetro de carregamento. Os valores obtidos nos ensaios físicos e mecânicos dos concretos reforçados com fibras sintéticas são apresentados e comparados ao do concreto leve estrutural auto-adensável não reforçado.

PALAVRAS-CHAVE: concreto leve estrutural; concreto leve de alto desempenho, tenacidade, fibras sintéticas

INTRODUÇÃO

A tecnologia do concreto evoluiu, nas últimas duas décadas, graças ao desenvolvimento de estudos utilizando novos materiais, bem como tecnologias e equipamentos de análise microscópica. O uso de aditivos redutores de água e adições, tais como sílica ativa, metacaulim e cinza de casca de arroz, revolucionou o conceito de desempenho do material concreto, que além de ser classificado pela resistência à compressão, ganhou a exigência normativa de durabilidade. Assim, entendendo-se que o concreto de alto desempenho tem como principal característica a qualidade, traduzida na forma de durabilidade pela diminuição dos vazios da mistura, tem-se como conseqüência, maior resistência à compressão. Os concretos especiais, como o concreto leve estrutural e o concreto auto-adensável são vertentes deste desenvolvimento.

O concreto leve estrutural ainda se divide em duas categorias, segundo seu nível de resistência, concreto leve de resistência normal, que admite a mínima resistência à compressão de 17,2 MPa, segundo o ACI 213R-87 [1] e Holm [2]; e o concreto leve de alto desempenho, CLAD. Spitzner [3] e Holm [4] definem o CLAD pelo valor mínimo de 25 do fator de eficiência, ξ, que mede o desempenho pela razão entre a resistência à compressão, fc (MPa), e massa

específica seca, γs (kg/dm3). Rossignolo3 acredita que a definição para o CLAD poderia ser feita de forma mais

abrangente, levando-se em conta o fator água/aglomerante e propriedades relacionadas à durabilidade. Deste modo, as classificações normativas que limitam a massa específica seca para os concretos leves estruturais: RILEM [4], CEB-FIP [5] e CENprEN 206-25 [6]; NS 3473E [7]; ACI 213R-87 [1] e NM 35/95 [8].

O concreto auto-adensável, CAA, é definido como um concreto de elevada fluidez e resistência à segregação, cap´z de alcançar regiões confinadas e de se adensar somente pela ação de seu peso próprio. Este concreto foi inicialmente desenvolvido no Japão (Okamura [9]). Alencar e Helene [10] adicionam às propriedades definidoras do CAA a capacidade de permanecer uniforme e coeso durante todo o processo de transporte e lançamento. As vantagens do CAA quanto ao acabamento das superfícies, indicam-no, especialmente, à produção de elementos pré-moldados cuja redução de tempo e de custo torna-os extremamente vantajosos aos moldados na obra, (Tutikian et al [11]). Aliando-se a estas vantagens, o baixo peso específico, o CLAD auto adensável é um material bastante atrativo.

A preocupação com a fragilidade do material de vigas pré-moldadas no transporte e utilização de vigas pré-moldadas propiciou a iniciativa de avaliação da tenacidade à fratura da mistura do concreto leve auto-adensável. O método para obtenção da tenacidade á fratura utilizado foi o ensaio de compressão diametral em corpos de prova cilíndricos contendo uma trinca, ou descontinuidade orientada ao longo do diâmetro de carregamento, indicado por Moseley et al [12].

Segundo Mehta e Monteiro [13], os fundamentos da mecânica da fratura linear elástica para materiais isotrópicos apresentada por Griffith, considera o fator de intensidade de tensões crítica, KIc, para avaliar e quantificar a

tenacidade à fratura, que e considerada uma característica do material. Em materiais frágeis, uma trinca de tamanho 2a, no interior de uma placa de largura considerada infinita, se propaga de modo instável se a energia para o início de sua propagação, sob esforço de tração, for maior que a energia necessária para formar novas superfícies de trinca.

MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Os agregados utilizados na elaboração do concreto foram: areia média lavada, diâmetro máximo, φmax, de 2,38 mm,

Módulo de Finura de 3,33 e massa específica seca, γs, de 1,2 kg/dm3; argila expandida tipo 1506, φmax de 10 mm,

massa específica saturada, γsat, de 0,53 kg/dm3 e γs de 0,37 kg/dm3; cimento Portland CP V Ari; sílica ativa; aditivo

superplastificante à base de polinaftaleno (composto aromático) e aditivo estabilizador.

Baseando-se no método de dosagem do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo) e no método de dosagem para concreto de alto desempenho de Dìaz14, foi elaborado um traço padrão com 3,6 % de aditivo superplastificante, 8% de sílica ativa e 0,25% de aditivo estabilizador (usado para evitar a segregação da argila), em relação ao peso de cimento.

O traço foi produzido e homogeneizado em um misturador de baixa rotação de haste vertical e circular, onde o cimento, a areia e a argila, nas proporções em volume de 1: 1,95: 2,8, respectivamente. Adotou-se um fator água/aglomerante, fa/aglom,de 0,42.

Figura 1 – Mistura de CLAD auto-adensável, traço Padrão

Não foi observada a segregação da argila expandida no traço padrão durante os ensaios de Espalhamento, onde obteve-se um diâmetro de espalhamento de 63 cm, sendo 2 segundos registrados para o alcance de 50 cm de diâmetro. Mais três misturas foram feitas, adicionando-se ao traço padrão fibras sintéticas na proporção de 1 % em relação ao peso de aglomerante.

A adição de fibras foi feita aos poucos, enquanto a mistura era feita manualmente com colher de pedreiro. Os três traços foram denominados segundo a numeração: I, para adição de fibra de polipropileno Policret ES: II, para fibra de polipropileno Policret CR, (ambas são monofilamentos obtidos pelo processo de extrusão); e III para a fibra de poliamida BR-P-11CT (monofilamentos). A Tabela 1 fornece as dimensões e propriedades das fibras citadas, inertes quimicamente à hidratação da pasta de cimento Portland, fornecidas pelos fabricantes.

Tabela 1 – Características das fibras sintéticas

Fibra Comprimento Diâmetro No de fibras/kg Ondulação Aspecto

Policret ES (polipropileno) 40 mm 1,1 mm 0,03x10 6 25% Policret CR (polipropileno) 50 mm 100 mm 2,8x10 6 corrugada BR - P-111-CT (piliamida) 40 mm 20,8 mm 5,3x10 6 frisada-6,5%

Foram moldados seis corpos de prova cilíndricos de diâmetro 100 mm e 200 mm de altura para cada traço, com o objetivo de determinar de fc, fator de intensidade de tensão crítica, KIc, e massas específicas.

Ensaio da Tenacidade

Para o levantamento da tenacidade, KIc, três corpos de prova continham uma descontinuidade, conforme mostrado na

Figura 2, de tamanho 2ª de 35 mm. Os demais corpos de prova, isentos de descontinuidade, foram utilizados para o levantamento da resistência à compressão, fc, através de carregamento uniaxial. A resistência à compressão foi utilizada para estimar o módulo de elasticidade, E, a partir da expressão (1), apresentada no ACI 213R-87 [9].

E_c =

( )

γ

O levantamento de KIc foi realizado via carregamento de compressão diametral com a carga aplicada ao longo do

diâmetr onde a descontinuidade encontrava-se orientada, Figura 2.

x P = carga L = comprimento

L D = diâmetro

2a = tamanho da trinca f(2a/D) = função da geometria

y do corpo de prova (Handbook

de Mecânica da Fratura) z

Figura 2 – Geometria do corpo de prova, trinca e carregamento

Para a razão geométrica 2a/D igual a 0,35, utilizou-se o valor 1,201586 na função f(2a/D), obtido segundo Tada, Paris e Irwin15. 2 a_f(2a/D) LD P KIc ⎟ _π ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = (2)

A taxa crítica de liberação de energia, GIc, é relacionada a KIc pela expressão (3).

( )

Os valores da resistência à compressão, fc, da massa específica aparente, γa, do módulo de elasticidade, E, da

tenacidade, KIc, e da taxa crítica de liberação de energia, GIc, estão apresentados na Tabela 2 para as quatro misturas

produzidas no presente estudo.

Os resultados de resistência à compressão indicam que a presença de fibras no concreto está, invariavelmente, associada a uma redução de sua resistência à compressão. Isso se deve ao fato que as fibras não sustentam esforços de natureza compressiva, o que efetivamente significa uma diminuição na área resistente da seção circular dos corpos de prova circular dos corpos de prova utilizados no ensaio de compressão axial. Numa primeira aproximação, tal diminuição pode ser considerada proporcional à fração volumétrica das fibras incorporadas na matriz cimentícea. Embora as misturas I, II e III contenham o peso de reforço (1% em relação ao peso de cimento), nota-se que fc varia

com o tipo de fibra utilizado. Esta variação está relacionada ao fato que a fração volumétrica das fibras, bem como sua contribuição à criação de defeitos no concreto, depende das características físicas, tais como densidade,

comprimento, textura e diâmetro das mesmas. Assim sendo, espera-se que a incorporação de mesma proporção em peso de diferentes tipos de fibras pode resultar em concretos de diferentes níveis de densidade, γa, conforme mostrado na Tab. 2.

Tabela 2 – Resultados experimentais de fc, KIc, γa e calculados, E, GIc

Mistura fc (MPa) γa (kg/m3) KIc x 103 (MPa m) E (GPa) GIc x 103(J/m2)

Padrão 33,48 + 0,7 1762 + 120 483 + 40 18 13

I 29,84+ 1,4 1678 + 110 597 + 40 16 20

II 33,24+ 1,2 1829 + 130 626 + 45 19 17

III 28,63+ 2,3 1810 + 120 569 + 42 18 18

Os resultados de KIc listados acima indicam que o uso de fibras sintéticas como reforço resulta numa melhora da

resistência à fratura do concreto. No entanto, deve-se observar que os referidos valores devem ser encarados como estimativa aproximada da tenacidade dos concretos em questão, tendo em vista o comportamento não linear que antecede o alcance da carga última, P, no ensaio de compressão diametral. Constata-se através da Tab. 2, uma melhora em KIc de aproximadamente 30% devido à incorporação das fibras de polipropileno (Policret CR). Para as

misturas I e II, por outro lado, o aumento em KIc fica em torno de 24% e 18%, respectivamente.

Considerando-se os valores de GIc, a melhora na tenacidade acarretada pelo uso de fibras se torna ainda mais

evidente. Isto se deve ao fato de que GIc é correlacionado à KIc para a determinação da tenacidade deve ser baseado

na metodologia da Integral J, onde o parâmetro JIc substituirá o de GIc. No entanto, tal procedimento não é

considerado no escopo do presente trabalho.

Através dos resultados apresentados na Tabela 3 é possível avaliar a variação das propriedades mecânicas das misturas produzidas em relação à mistura padrão em termos percentuais de aumento (+) ou diminuição (-).

Tabela 3 – Variação percentual das propriedades mecânicas das misturas com fibras em relação à mistura padrão Mistura fc (%) γa (%) KIc x 103 (%) E (%) GIc x 103(%)

Padrão 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

I -10,87 -4,73 +23,53 -12,18 +57,81

II -0,72 +3,85 +29,41 +5,46 +31,25

III -14,49 +2,77 +17,65 -3,66 +43,75

As fotografias apresentadas na Figura 3 correspondem às superfícies de fratura ocorridas em compressão diametral dos traços padrão, I, II e III. O Traço padrão rompeu-se de uma forma brusca e explosiva, enquanto que os traços I e II romperam-se fragilmente, sem explosão, observando-se a presença de fibras formando pontes (“bridging”) entre as partes fraturadas dos corpos de prova(Fig. 3b e 3c).

O traço II rompeu-se também fragilmente de uma só vez, porém as superfícies de fratura permaneceram unidas (FIG. 3d) em virtude da intensa formação de pontes, o que parece ser compatível com a presença de grande número de fibras de poliamida dado o seu diâmetro microscópico (Tabela 1). Deste modo, o aumento no nível da carga P, que por sua vez, resulta no aumento de KIc, pode ser atribuído à capacidade das fibras de sustentar esforços de natureza

Figura 3 – Aspectos fotográficos das superfícies de fratura

CONCLUSÕES

Os valores do fator de eficiência, ξ, obtidos para as misturas padrão, I, II, e II são respectivamente 19, 18 e 16, portanto, inferiores ao limite mínimo de 25 estabelecido por Spitzner [3] e Holm [4] para o CLAD. Entretanto, enquadram-se na classificação de concretos leves estruturais pelas instruções normativas vigentes.

A adição de fibras sintéticas na proporção de 1% em relação ao peso de cimento resultou numa diminuição da resistência à compressão do concreto, fc, do traço padrão em, no máximo, 14% para a mistura II. Por outro lado, a

presença das fibras foi associada a um aumento na tenacidade da ordem de 30% para a mistura II.

A redução de fc acarretada pela incorporação das fibras está principalmente associada a uma diminuição na área

efetivamente resistente aos esforços compressivos.

O aumento em KIc é atribuído à capacidade das fibras em suportar tensões trativas, bem como à formação de pontes

que contribuem para a manutenção da integridade estrutural até níveis mais altos de carregamentos.

REFERÊNCIAS

1 American Concrete Institute - ACI Guide for Structural Lightweigtht Aggregate Concrete. ACI 213R-87. ACI of Concrete Pretice. Part 1, 27p., 1997.

2 T. A. Holm. Specified density concrete – A transition. International Symposium on Strucyural Lightweight

Aggregate Concrete, 2. Kristiansand, Norway, Proceedings pp. 37-46, 2000.

3 J. A. Rossignolo. Concreto leve de alto desempenho modificado com SB para pré-fabricados esbeltos – dosagem, produção, propiedades e microestrutura, Tese, Universidade de São Paulo, São carlos, Brasil, 2003.

4 J. Spitzner. High-Strength LWA Concrete. High-Strength Concrte. Rilem, Cap. II – Aggregates, 1994.

5 RILEN - International Union of Testing and Research laboratoeies for materials and Structures. Terminology and Definitions of Lightweigth Concrete, 6p. 1975.

6 Comitê euro-International Du Betón and Fédération Internationale de la Précontrainte – CEB-FIP. Lightweigth aggregate concrete – Manual of design and thecnology. The Construction press, 169p., 1977.

7 CEN – Comitê Européen de Normalisation. CEN-pr-EM 295-25. Béton Performaces, producyion et comformité. 67p. 1999.).

8 Norwegian Council for Building Standartization. NS 3473E – Concrte structures design rules. Oslo, 78p. 1992. 9 Associação Brasileira de Normas Técnicas. NM 35/95 – Agregados leves para concreto estrutural –

especificações. Rio de Janeiro, 1995.

10 H. Okamura. Self-Compacting High Performace Concrete. Concrete International, vol. 19, no. 7 pp. 50-54. 1997.

11 R. Alencar e P. Helene. Concreto auto-adensável de elevada resistência – Inovação tecnológica na indústria de pré-fabricados. Revista Concreto. IBRACON, Brasil, no. 43, 2006.

12 B. F. Tutikian. Métodos para dosagem de concretos auto-adensáveis – Tese do programa de Pós Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio grande do Sul, 2004.

13 M. D. Moseley; R. P. Ojdrovic e H. J. Petroski. Influence of Aggregate size on Fracture Thougness of Concrete.

Theoretical and Applied Fracture Mechanics. Vol. 7, pp. 207-210. 1987.

14 K. Mehta e J. M. Monteiro. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. PINI, São Paulo, 1994. 15 V. O. Díaz. Método de dosagem de concreto de elevado desempenho. PINI, São Paulo, 1998.

16 H. Tada; P. C. paris e G. R. Irwin. The Stress Analysis of Craks – Handbook - Second Edition. Paris productions

Incorporated. St. Louis, Missouri. 1985.

17 Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6118 - Projeto e execução de obras de concreto armado, Rio de Janeiro, 2003.

UNIDADES E NOMENCLATURA

fc resistência à compressão do concreto aos 28 dias de idade (MPa)

E módulo de elasticidade do concreto (GPa) γs massa específica seca (kg/m3)

γsat massa específica saturada (kg/m3)

γa massa específica aparente (kg/m3)

φmax diâmetro máximo (mm)

KIc fator de intensidade de tensões crítica (MPa m),

P carga crítica ou de ruptura (N)

L comprimento longitudinal do corpo de prova (mm) D diâmetro do corpo de prova

f(2a/D) função da geometria do corpo de prova GIc taxa crítica de liberação de energia (Joule/m2)

ξ fator de eficiência que define o CLAD (MPa/kg/dm3