Análise das Propriedades Mecânicas de Matrizes Cimentícias
Reforçadas com Fibra de Polipropileno Corrugada
Analysis of the Mechanical Properties of Cement Matrices Reinforced with Corrugated Polypropylene Fibers
Camila Simonetti (1); Luciane Fonseca Caetano (2); Luiz Carlos Pinto da Silva Filho (3).
(1) Mestranda, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais, UFRGS, cacaks@hotmail.com (2) Mestranda, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais, UFRGS, luciane@ppgec.ufrgs.br (3) Professor PhD., Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais, UFRGS, lcarlos@ppgec.ufrgs.br
Av. Osvaldo Aranha, 99 - Térreo - 90.035-190 - Porto Alegre - RS - Brasil – (51) 33083333.
Resumo
A tecnologia dos materiais de construção tem avançado rapidamente nas últimas décadas. Este processo evolutivo tem sido marcado pela manipulação das propriedades de materiais de construção, com o intuito de adequá-los a diversas situações. O concreto, por exemplo, material de construção mais utilizado no país, pode ser considerado como um material frágil, com baixa capacidade de suporte das cargas de tração e pouca capacidade de deformação. Para compensar estas deficiências, uma alternativa promissora consiste na adição de fibras. Este trabalho apresenta parte dos resultados de um estudo que teve por objetivo analisar o comportamento de compósitos de matriz cimentícia com incorporação de fibras de polipropileno corrugadas, uma nova configuração de fibras que está sendo comercializada no Brasil. Os dados preliminares coletados permitem avaliar os efeitos da adição desta fibra, em termos de melhoria das propriedades mecânicas, com foco na resistência ao impacto. Os resultados indicam que as fibras de polipropileno corrugadas atuam de forma eficiente no controle da abertura e propagação de fissuras, retardando a ruptura e reforçando estruturalmente a matriz, resultando em uma melhora considerável da resistência à tração e ao impacto da matriz cimentícia. É interessante destacar que as mesmas atuam como macrofibras, sendo mobilizadas, principalmente, após a formação das fissuras.
Palavra-Chave: Concreto reforçado, fibras de polipropileno, resistência ao impacto.
Abstract
Concrete technology has advanced rapidly over the last decades. The process has been marked by the manipulation of the characteristics of construction materials, with the aim of adapting them to different situations. Concrete, for example, the most used construction material in Brazil, is considered as having a fragile behavior, characterized by a low capacity to support tensile loads and a small deformation range. To compensate these deficiencies, a promising alternative is the addition of fibers to the cement matrix. The present work presents part of the data from a study that was aimed at analyzing the behavior of cement matrix composites with the incorporation of corrugated polypropylene fibers, a new fiber configuration available in the market. The preliminary data obtained makes possible the evaluation of the effects of fiber addition in mechanical properties, with emphasis on the impact resistance. The results indicate that the corrugated polypropylene fibers act effectively in controlling crack development, delaying failure and structurally strengthening the cement matrix, resulting in a considerable increase in tensile and impact resistance. It is interesting to notice that they act as macrofibers, being mobilized mainly after the initial cracks have developed.
1 Introdução
A tecnologia dos materiais de construção tem avançado muito rapidamente nas últimas décadas. Este processo evolutivo tem sido marcado pela manipulação e modificação de algumas das propriedades específicas dos materiais, de forma a adequar seu uso às mais diversas situações.
O concreto é o material de construção mais utilizado no país, por apresentar grande facilidade de fabricação e moldagem no estado fresco, e por possuir excelente resistência à compressão, quando endurecido. Entretanto, estruturalmente, o mesmo pode ser considerado como um material frágil, com baixa capacidade de suporte das cargas de tração e pouca capacidade de deformação.
Conforme explicam Mehta e Monteiro (1994), antes mesmo de ser submetido a tensões externas, o concreto normalmente contém microfissuras na zona de transição entre a matriz e os agregados graúdos, e pouca energia é necessária para que ocorra a propagação destas fissuras, o que explica o comportamento frágil na ruptura deste material. Para compensar estas deficiências, uma alternativa extremamente promissora consiste na adição de fibras à matriz cimentícia.
Desde a década de 60, o tema da incorporação de fibras, com o intuito de melhorar características específicas dos concretos e das argamassas, vêm sendo estudado. A adição de fibras acarreta uma melhoria da ductilidade e da tenacidade do concreto, através de um processo de controle da propagação das fissuras, com conseqüente aumento da resistência à tração e à flexão.
A incorporação de fibras produz um efeito de aumento da capacidade portante, pois o compósito gerado é capaz de absorver uma maior quantidade de energia, que é dissipada na forma de deformação, arrancamento e/ou ruptura das fibras. O benefício pode se manifestar tanto como um retardo no aparecimento de fissuras, no caso das microfibras (ou seja, fibras de menores dimensões e normalmente mais curtas), quanto como uma melhoria do comportamento pós-fissuração, quando se empregam macrofibras.
Embora se observe um considerável incremento nas pesquisas relativas à incorporação de fibras nas últimas décadas, esta tecnologia não é recente. Pode-se traçar os registros históricos do emprego de materiais fibrosos como reforço de materiais de construção até cerca de 1200 a.c, na civilização egípcia (TANESI e AGOPYAN, 1997). Estas utilizações mais primitivas das fibras tomaram, ao longo da história, diversas formas, incluindo o uso de palha para a confecção de tijolos ou de crina de cavalo para produção de argamassa de assentamento e revestimento. A superação desta fase mais artesanal, com a comercialização de fibras especificamente projetadas para atuar como material de reforço de estruturas, todavia, só se consolidou, de fato, no início do século XX.
2 Tipos
de
Fibras
Embora existam várias tipos e classificações de fibras, de uma forma geral, as fibras podem ser enquadradas em dois grupos bem distintos: o das fibras naturais, derivadas de materiais encontrados na natureza, e o das fibras artificiais, criadas em laboratório (MANO, 1999).
2.1 Fibras Naturais
As fibras classificadas como naturais podem ser subdivididas em vegetais, animais e minerais. As fibras minerais são formadas por cadeias cristalinas com grande comprimento, como as do asbesto. As fibras de origem animal têm cadeias protéicas, enquanto as vegetais apresentam natureza celulósica. Dentre as últimas se destacam as fibras de sisal (figura 1a), bambu, coco (figura 1b) e bananeira. Além da abundância e disponibilidade, uma das principais vantagens da utilização deste tipo de fibra consiste no reduzido consumo de energia envolvido em sua produção, quando comparado ao necessário para a fabricação das fibras sintéticas. Entretanto, sabe-se que a durabilidade das mesmas pode ser comprometida pelo caráter alcalino das matrizes cimentícias, que, ao longo do tempo, afetam sua integridade. De forma a minimizar estes efeitos, as fibras podem receber tratamentos superficiais, que a protegem da ação da água e de outros agentes agressivos, e que podem, ainda, ser projetados de forma a colaborar na aderência fibra-matriz.
Figura 1 – (a) Fibra Sisal e (b) Fibra de Coco.
(a) (b)
2.2 Fibras Artificiais
As fibras artificiais, também denominadas de fibras sintéticas, são resultado de avanços na área de engenharia de materiais, decorrentes de pesquisas sobre a cadeia do petróleo e seus derivados, bem como do desenvolvimento da tecnologia têxtil. Dentre as fibras artificiais mais difundidas na construção civil encontram-se a aramida (figura 2a), a fibra de carbono, o nylon, o poliéster (figura 2b) e o polipropileno. Estas fibras são derivadas de polímeros orgânicos e lineares, formados por cadeias que possuem entre 10.000 e 100.000 átomos de carbono.
(a) (b)
2.2.1 Fibras de Polipropileno Corrugadas
As fibras corrugadas são formadas a partir de monofilamentos de polipropileno obtidos por um processo de extrusão. Após a aplicação de um processo industrial, para conferir maior rugosidade aos filamentos, os mesmos são cortados em comprimentos padrão, resultando em uma fibra que apresenta características que proporcionam um elevado nível de ancoragem ao concreto, mostradas na figura 3. As mesmas apresentam um baixo módulo de elasticidade, de cerca de 4GPa, o que limita sua capacidade de atuar como elemento de reforço da matriz cimentícia. As principais funções das fibras de polipropileno são aumentar resistência à tração e evitar fissuras de retração. Quanto à durabilidade, as fibras possuem excelente resistência alcalina, são imputrescíveis, não enferrujam e são quimicamente inertes. Algumas características geométricas podem ser observadas na tabela 1 (Fitesa, 2005).
Figura 3 – Fibra de Polipropileno Corrugada (Fitesa, 2005).
Tabela 1 – Características Geométricas da Fibra de Polipropileno Corrugada (Fitesa, 2005).
Geometria
Comprimento 50 mm
Diâmetro 100 μm
Índice de forma 500 Área superficial específica 44 m²/Kg
3 Procedimentos
Experimentais
3.1 Caracterização dos materiais
3.1.1 Cimento
No programa experimental foi utilizado como material aglomerante o cimento Portland CPV-RS, para que se pudesse reduzir os tempos até realização dos ensaios.
3.1.2 Agregado Miúdo
O agregado miúdo é de origem quartzosa, proveniente do Rio Jacuí, disponível comercialmente. No laboratório, o agregado é seco ao ar antes de ser armazenado.
3.1.3 Agregado Graúdo
O agregado graúdo é de origem granítica. É proveniente de mineradora abastecida pela formação rochosa da região geológica de Porto Alegre, disponível comercialmente. No laboratório, o agregado é lavado e seco ao ar, para retirada de impurezas, antes de ser armazenado.
3.1.4 Água
A água utilizada é potável e isenta de impurezas e materiais orgânicos. 3.1.5 Desmoldante de Fôrmas
Como desmoldante foi utilizado óleo lubrificante automotivo. As fôrmas utilizadas para as placas foram confeccionadas em compensado plastificado, já os corpos-de-prova cilíndricos são constituídos por fôrmas metálicas.
3.1.6 Fibra
A caracterização das fibras de Polipropileno Corrugada já foi descrita em 2.2.1. 3.1.7 Concreto
Os corpos-de-prova foram moldados com concreto convencional e com fibras. O traço do concreto produzido foi de 1:2,21:3,21 (c:a:b), com relação a/c = 0,52. A mistura do concreto foi executada mecanicamente através de uma betoneira intermitente de queda livre e eixo inclinado, com pás solidárias à cuba, e capacidade de mistura de 390 litros. Antes da concretagem a betoneira recebeu uma imprimação com argamassa.
Todos os materiais foram dosados em massa, inclusive a água. A seqüência de colocação dos materiais nas concretagens testemunho, sem fibra, foi a seguinte: agregado graúdo, uma parte da água e cimento; após uma rápida mistura destes materiais foi colocado o restante da água e o agregado miúdo.
Após a mistura dos materiais na betoneira, foi realizada a determinação da consistência do concreto, através do ensaio de abatimento de tronco de cone – Slump Test, seguindo as recomendações da NBR 7223 – Concreto – Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone (ABNT, 1998).
Nas concretagens com emprego de fibra, seguiu-se a ordem de colocação dos materiais descrita acima. Após o Slump Test do concreto sem fibra, adicionou-se a fibra, aguardando-se a mistura homogênea dos materiais e realizando novamente o ensaio de abatimento de tronco de cone.
As fôrmas e os corpos-de-prova cilíndricos foram previamente montados e untados com óleo desmoldante.
O concreto foi lançado com conchas metálicas e adensado com vibrador tipo agulha com 420 mm comprimento, diâmetro de 25,4 mm e com freqüência de 3450 rpm. Concluído o adensamento, todos os corpos-de-prova foram cobertos com plástico, objetivando-se atenuar os efeitos de retração do concreto pela evaporação da água de amassamento, nas primeiras horas após a concretagem. Os corpos-de-prova permaneceram nas fôrmas por 24 horas. Posteriormente, foram desmoldados e colocados em uma câmara umedecida para que fosse realizada a cura.
4 Ensaios
Realizados
4.1 Resistência à Compressão Axial
A resistência à compressão axial foi avaliada com utilização de corpos-de-prova cilíndricos, seguindo as recomendações da NBR 5739 – Concreto – Ensaio de compressão de corpos cilíndricos (ABNT, 1994). Foram ensaiados três corpos-de-prova para cada compósito em uma prensa computadorizada marca Shimadzu, com controle automático do carregamento.
4.2 Resistência à Compressão Diametral
A resistência à compressão diametral foi avaliada com a utilização de corpos-de-prova cilíndricos, seguindo as recomendações da NBR 7222 – Argamassa e concreto – Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos (ABNT, 1994). Foram ensaiados três corpos-de-prova para cada compósito em uma prensa computadorizada marca Shimadzu, com controle automático do carregamento.
4.3 Ensaio do Impacto por Queda de Esfera
Este método do ensaio foi concebido com base nos parâmetros recomendados pelo anexo Q da NBR 13818 – Placas cerâmicas para revestimento – Especificações e métodos de ensaio (ABNT, 1997), sendo realizadas algumas adaptações para emprego de espécimes de concreto (GARCEZ, 2005).
A lógica do ensaio consiste em submeter placas de um determinado material a quedas de uma esfera com peso padronizado. As quedas sucessivas, de alturas crescentes, ocasionam o surgimento de fissuras e a ruptura das placas. Dadas as características do ensaio, o mesmo foi realizado em corpos-de-prova na forma de placas quadradas, com 30 cm de lado e 6 cm de altura.
O equipamento de ensaio é composto em um tubo rígido com diâmetro nominal de 75mm, graduado ao longo da altura, em intervalos de 10cm, a partir de uma marcação inicial correspondente a 10cm de distância da face placa, até uma altura final de 220cm. A esfera empregada, constituída de aço-cromo, tem massa nominal de aproximadamente 1 kg. A placa ensaiada é apoiada sobre tiras de neoprene com 1cm de espessura, coladas no perímetro do quadro de suporte da placa, buscando simular um apoio semi-elástico de primeira espécie, que só oferece restrição ao deslocamento vertical. Para garantir o posicionamento inicial da placa no suporte, sem provocar sua imobilização, tiras de
espuma são usadas em sua lateral. Na figura 4 é mostrada uma placa de concreto posicionada para o ensaio, e na figura 5 pode-se observar um desenho esquemático referente ao ensaio.
Determina-se, então, a energia acumulada necessária para o aparecimento da primeira fissura e para a ruptura do material, avaliando-se a contribuição das fibras ao longo do processo de fissuração. Como critério de ruptura foi adotada a percepção visual da propagação da fissura até a face superior da placa.
APOIO DE NEOPRENE CONTENÇÃO LATERAL DEFLECTÔMETRO 2
Figura 4 - Detalhe da placa de concreto posicionada para o ensaio (GARCEZ, 2005).
20 CONCRETO PLACA DE 40 60 80 100 160 140 120 180 200 220 METRO 1
5
Apresentação e Análise dos Resultados
5.1 Resistência à Compressão Simples
Como pode ser observado na tabela 2, os resultados referentes aos ensaios de compressão axial mostram que os teores de 2 e 4kg/m³ apresentam resistência 14 e 17% inferior ao testemunho, respectivamente. O teor de 6kg/m³ superou em 13% o valor obtido pelo testemunho, mostrando que a resistência à compressão é pouco afetada pela presença de fibras de polipropileno. Pode-se concluir, portanto, que o aumento do teor de fibra não afeta de forma significativa a resistência à compressão do compósito.
Tabela 2 – Resistência à compressão axial.
Descrição Carga = P (KN) Resistência (MPa) Média (KN)
289,0 40,8 302,5 42,7 Testemunho 311,0 43,9 42,4 246,5 34,8 242,0 34,1 Corrugada 2Kg/m³ 252,0 35,6 34,8 264,5 37,3 344,5 dado expúrio Corrugada 4Kg/m³ 244,0 34,4 35,9 355,0 50,1 321,5 45,4 Corrugada 6Kg/m³ 237,0 dado expúrio 47,7
5.2 Resistência à Compressão Diametral
Como pode ser observado na tabela 3, os resultados referentes aos ensaios de compressão diametral mostram que todos os teores apresentam resistência superior ao testemunho. Os teores de 2, 4 e 6kg/m³ superaram em 24, 43 e 56%, respectivamente, o valor obtido pelo testemunho, mostrando que o aumento do teor de fibra no compósito implica em uma maior resistência à compressão diametral. Como esperado, o maior teor de fibra apresentou o melhor percentual no incremento da resistência à compressão diametral. Pode-se concluir, portanto, que o aumento do teor de fibra tem papel relevante no aumento da resistência à compressão diametral do compósito.
Tabela 3 – Resistência à compressão diametral.
Descrição Carga = P (KN) Média (KN/m²) Resistência (MPa)
105,50 94,50 Testemunho 114,50 1999 2,00 70,80 85,80 Corrugada 2Kg/m³ 92,00 2484,29 2,48 98,60 96,40 Corrugada 4Kg/m³ 91,20 2860,03 2,86 87,40 99,60 Corrugada 6Kg/m³ 126,40 3131,84 3,13
5.3 Ensaio de Impacto por Queda de Esfera
Para efeitos de comparação, os resultados da evolução da energia necessária para o aparecimento da primeira fissura são agrupados na figura 6, sob a forma de um gráfico de barras. Observa-se que a presença das fibras não retardou significativamente o aparecimento da primeira fissura, principalmente para baixos teores. Efeitos positivos só puderam ser observados em teores mais elevados.
Comparação da Energia de 1ª Fissura
124,3
109,4 115,2
166,0
Polipropileno Corrugado a/c = 0,52
En e rg ia ( J ) Testemunho Corr 2Kg/m³ Corr 4Kg/m³ Corr 6Kg/m³
Figura 6 – Comparação de energia de 1ª fissura.
Na figura 7 são mostradas as energias necessárias para levar os compósitos à ruptura. Observa-se que todos os teores de emprego de fibras de polipropileno resultaram em maiores energias de ruptura, sendo que os cp´s fabricados com o teor mais elevado ocasionaram um incremento de cerca de 70% na energia total necessária para ruptura da placa.
Comparação da Energia de Ruptura
130,32
177,4 184,84
222,82
Polipropileno Corrugado a/c = 0,52
E n er g ia ( J) Testemunho Corr 2Kg/m³ Corr 4Kg/m³ Corr 6Kg/m³
Figura 7 – Comparação da energia de ruptura.
6 Conclusões
Este estudo buscou esclarecer como se comportam as fibras de polipropileno corrugadas quando empregadas em diferentes teores no reforço de matrizes cimentícias.
Verificou-se que o aumento do teor de fibra tem papel relevante no aumento da resistência à compressão diametral do compósito. Já nos ensaios de compressão axial, só foi possível atingir pequenos incrementos na resistência à compressão, possivelmente devido a um maior controle da deformação transversal.
Quanto à resistência ao impacto, os resultados da pesquisa evidenciam claramente que as fibras de polipropileno corrugadas atuam de forma eficiente no controle da abertura e propagação de fissuras, reforçando estruturalmente a matriz, após a fissuração, e resultando numa maior demanda de energia para a ruptura. Dadas suas dimensões elevadas, estas fibras atuam fundamentalmente como macrofibras, não sendo mobilizadas consideravelmente antes da fissuração, de forma similar ao que acontece com fibras de aço.
7 Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7.222: Argamassa e Concreto – determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos, 1994.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5.739: Concreto – ensaio de compressão de corpos cilíndricos, 1994.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13.818: Placas cerâmicas para revestimento – especificações e métodos de ensaio, 1997.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 67: Concreto – Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone, 1998.
CAETANO, L.F. et al. Compósito de Matriz Cimentícia Reforçados com Fibras. II
Seminário de Patologia das Edificações. Porto Alegre, 2004.
FITESA (2005), disponível em:< http://www.fitesa.com.br >.
GARCEZ, E. O. Análise teórico-experimental do comportamento de concretos
reforçados com fibras de aço quando submetidos a cargas de impacto. 2005. 113 f.
Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2005.
GARCEZ, E.O. et al. Modelagem dos Efeitos de Impacto em Concretos Reforçados com Fibras. II Seminário de Patologia das Edificações. Porto Alegre, 2004.
MANO, E. B. Polímeros como materiais de engenharia. São Paulo: Edgar Blucher, 2ed., 2000.
MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini, 1994.
TANESI, J.; AGOPYAN, V. Compósitos reforçados com fibras plásticas para construção civil. Encontro da Tecnologia de Sistemas Plásticos na Construção Civil, 2, São Paulo, 1997. Anais. São Paulo: EPUSP, 1997.p. 219-252.
