IMED - FACULDADE MERIDIONAL ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL ARTHUR DE CARLI

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 1 IMED - FACULDADE MERIDIONAL

ESCOLA POLITÉCNICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL

ARTHUR DE CARLI

UTILIZAÇÃO DE CAVACOS METÁLICOS NO DESENVOLVIMENTO DE UM CONCRETO COM ADIÇÃO DE FIBRAS

Passo Fundo 2020

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil

ARTHUR DE CARLI

Defesa de Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Faculdade Meridional - IMED como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Richard Thomas Lermen

Passo Fundo 2020

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ARTHUR DE CARLI

Defesa de Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Faculdade Meridional - IMED como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil.

Aprovado em 08 de abril de 2020

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Richard Thomas Lermen (Orientador) – IMED

Profa. Dra. Giovanna Patricia Gava Oyamada - UNIOESTE

Profa. Dra. Francieli Tiecher Bonsembiante - IMED

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil DEDICATÓRIA

A Deus, que oportunizou a mim a possibilidade de viver e ter pessoas incríveis e exemplares ao meu lado. À minha irmã gêmea, Natália De Carli, que infelizmente não teve as condições

cognitivas de ter as mesmas

oportunidades que eu, mas que está aqui, neste trabalho, eternamente presente.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Adroaldo De Carli e Rita Felber De Carli, por sempre me incentivarem a estudar e conquistar o meu espaço. Com certeza os ensinamentos e os exemplos demonstrados ao longo da vida foram de suma importância para que eu chegasse até aqui.

Ao Prof. Dr. Richard Thomas Lermen, meu orientador, pelo apoio motivacional, teórico e fraterno em todos os momentos desta jornada.

À Prof. Dra. Francieli Tiecher Bonsembiante, pelos ensinamentos realizados nas aulas do mestrado, pelo incentivo à iniciação científica, pela humildade no contato com os alunos e pelas orientações perspicazes e que contribuíram no andamento desta pesquisa

À equipe do Laboratório de Engenharia da IMED, em especial à Elen Boff, ao Leonardo Garcia Lorenzato e ao Gustavo Pelisser pela ajuda na logística e moldagem dos corpos de prova durante a execução do experimento.

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil RESUMO

O concreto é um material frágil e que sofre fissuração quando submetido a solicitações internas de tração, sejam elas oriundas do meio externo ou interno. As solicitações do meio interno se devem aos diferentes tipos de retração ao qual o concreto é submetido nas idades iniciais. Como forma de diminuir a taxa de fissuração, podem ser adicionadas fibras ao concreto. Frente a isso, o principal objetivo do presente trabalho foi determinar as propriedades físicas e mecânicas de um concreto com adição de fibras de aço e outro com adição de cavacos metálicos. O cavaco metálico é um resíduo oriundo das operações de usinagem da indústria metalmecânica. A confecção dos corpos de prova foi realizada com adição de diferentes percentuais de cavacos e fibras. Foram testadas adições, em volume, de 0,0% (concreto referência); 0,5%; 1,0% e 1,5%. Dois tipos de cimentos foram utilizados: o cimento CP IV-32 e o cimento CP V-ARI. A influência da adição de cavacos metálicos e fibras de aço foi avaliada sobre as seguintes propriedades: resistência à compressão; resistência à tração na flexão; retração por secagem; absorção de água por imersão; índice de vazios; e massa específica seca e saturada. Os resultados dos experimentos mostraram que o concreto obteve um incremento de resistência à compressão de 26,6% com adição de cavacos metálicos e 22,7% com fibras de aço. A resistência à tração na flexão aumentou 30,2% com adição de cavacos e 32,6% com fibras. Em termos de retração, os resultados estatísticos mostram que o concreto com cimento CP V-ARI retraiu 9,1% mais que com o CP IV-32. Entretanto, os cavacos metálicos não diminuíram os efeitos da retração, enquanto que a adição de fibras restringiu em 38,3%. Para os resultados de absorção de água, o concreto com cavacos metálicos proporcionou, em média, 18,1% menor absorção que o concreto referência, enquanto que a adição de fibras de aço 7,2% menor. Quanto ao índice de vazios, o concreto com cavacos obteve 16,0% menor índice em relação ao concreto referência, e com fibras 6,0% menor. A consistência mostrou-se fortemente afetada pelo acréscimo tanto de fibras como de cavacos, apresentando, na média, um decréscimo de 157 mm do concreto referência para 50 mm no concreto com adição de 1,5% de fibras. Os resultados apontam, em termos de resistência à tração na flexão, um teor ótimo de fibras de aço de 1,5% e de cavacos metálicos de 1,0%. Por fim, é tecnicamente comprovada a viabilidade da utilização de cavacos metálicos no desenvolvimento de um concreto com fibras.

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil ABSTRACT

Concrete is a fragile material and undergoes cracking when subjected to internal stresses, whether they come from an external or internal environment. The demands of the internal environment are due to the different types of retraction to which the concrete is subjected in the early ages. As a way of decreasing the cracking rate, fibers can be added to the concrete. In view of this, the main objective of the present work was to determine the physical and mechanical properties of a concrete with the addition of steel fibers and another with the addition of metal chips. The metal chip is a residue from the machining operations of the metalworking industry. The specimens were made with the addition of different percentages of chips and fibers. Volume additions of 0.0% were tested (reference concrete); 0.5%; 1.0% and 1.5%. Two types of cements were used: CP IV-32 cement and CP V-ARI cement. The influence of the addition of metal chips and steel fibers was evaluated on the following properties: resistance to compression; flexural tensile strength; drying shrinkage; water absorption by immersion; voids index; and dry and saturated density. The results of the experiments showed that the concrete obtained an increase in compressive strength of 26.6% with the addition of metal chips and 22.7% with steel fibers. The flexural tensile strength increased by 30.2% with the addition of chips and 32.6% with fibers. In terms of retraction, the statistical results show that concrete with CP V-ARI cement retreated 9.1% more than with CP IV-32. However, metal chips did not diminish the effects of the retraction, while the addition of fibers restricted by 38.3%. For water absorption results, concrete with metal chips provided, on average, 18.1% less absorption than reference concrete, while the addition of steel fibers 7.2% less. As for the void index, concrete with chips obtained 16.0% less than in reference concrete, and with fibers 6.0% less. The consistency was strongly affected by the addition of both fibers and chips, presenting, on average, a decrease of 157 mm from the reference concrete to 50 mm in the concrete with the addition of 1.5% of fibers. The results indicate, in terms of tensile strength in flexion, an optimum content of steel fibers of 1.5% and metal chips of 1.0%. Finally, it is technically proven the viability of using metal chips in the development of concrete with fibers.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Tipos de água associados aos silicatos de cálcio hidratados. ... 17

Figura 2: Fibras agindo como pontes de transferência de tensões ... 18

Figura 3: Diagrama tensão-deformação de concretos com fibras com baixo e alto módulo de elasticidade (E) e baixa e alta resistência (σ) ... 19

Figura 4: Correlações entre resistência à tração na flexão e compressão ... 25

Figura 5: Formação do cavaco metálico no processo de corte ... 26

Figura 6: Classificação dos cavacos quanto à forma ... 27

Figura 7: Fluxograma dos experimentos ... 31

Figura 8: Curva de distribuição granulométrica do agregado miúdo (areia natural). . 35

Figura 9: Curva de distribuição granulométrica do agregado graúdo ... 36

Figura 10: Fibras de aço... 37

Figura 11: Cavacos metálicos oriundos de Carazinho/RS. ... 38

Figura 12: Geometria das fibras e dos cavacos ... 40

Figura 13: Abatimento de tronco versus teor de adição de fibras ... 45

Figura 14: Abatimento de tronco versus tipo de fibra ... 46

Figura 15: Resistência à compressão média versus tipo de cimento ... 47

Figura 16: Resistência à compressão média por tipo de adição ... 48

Figura 17: Gráfico da resistência à compressão em função do teor de adição para os diferentes tipos de fibra, onde os whisker representam o erro padrão. ... 50

Figura 18: Ruptura à compressão do cocnreto referência com (a) cimento CP IV-32 sem fibra, (b) CP-V ARI sem fibra, (c) cimento CP IV-32 com 1,5% de fibra de aço, (d) CP-V ARI com 1,5% de fibra de aço, (e) cimento CP IV-32 com 1,5% de cavaco, (d) CP-V ARI com 1,5% de cavaco. ... 50

Figura 19: Resistência à tração na flexão média versus tipo de cimento ... 53

Figura 20: Resistência à tração na flexão média versus tipo de adição ... 53

Figura 21: Resistência à tração na flexão em função do teor de adição para os diferentes tipos de fibras (a) e para os diferentes tipos de cimento (b). ... 54

Figura 22: Ruptura à tração na flexão dos concretos: referência com cimento CP IV-32 (a) e CP V-ARI (b); 1,5% de fibra de aço com cimento CP IV-IV-32 (c) e CP V-ARI (d); e 1,5% de cavaco de aço com cimento CP IV-32 (e) e CP V-ARI (f). ... 55

Figura 23: MEV para o concreto com adição de fibras de aço com aumento de (a) 20x e (b) 50x. ... 55

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Figura 24: MEV para o concreto com adição de cavacos metálicos com aumento de

(a) 20x e (b) 50x. ... 56

Figura 25: Correlação mecânica dos concretos com cavacos metálicos ... 58

Figura 26: Retração versus tipo de cimento ... 60

Figura 27: Retração versus tempo para cada tipo de cimento ... 61

Figura 28: Retração versus tipo de fibra ... 62

Figura 29: Retração versus tempo para cada tipo de fibra ... 63

Figura 30: Retração versus teor de adição por tipo de fibra ... 63

Figura 31: Retração média por traço ... 64

Figura 32: Absorção de água versus tipo de cimento ... 66

Figura 33: Absorção de água versus tipo de fibra ... 67

Figura 34: Absorção de água versus teor de adição de fibra ... 67

Figura 35: Índice de vazios versus tipo de cimento ... 68

Figura 36: Índice de vazios versus tipo de fibra ... 69

Figura 37: Índice de vazios versus teor de fibras ... 69

Figura 38: Massa específica seca versus tipo de cimento ... 71

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Equações da literatura para correlação das resistências à tração na flexão

e compressão ... 25

Tabela 2: Especificação do cimento CP IV-32 ... 34

Tabela 3: Especificação do cimento CP V-ARI ... 34

Tabela 4: Ensaio granulométrico do agregado miúdo, NBR NM 248 (ABNT, 2003). 35 Tabela 5: Ensaio granulométrico do agregado graúdo, NBR NM 248 (ABNT, 2003). ... 36

Tabela 6: Características das fibras de aço. ... 37

Tabela 7: Caracterização dos cavacos metálicos ... 39

Tabela 8: Ensaios experimentas. ... 41

Tabela 9: Variáveis independentes ... 42

Tabela 10: Matriz experimental. ... 43

Tabela 11: ANOVA para resistência à compressão aos 28 dias ... 46

Tabela 12: ANOVA para Resistência à tração na flexão ... 51

Tabela 13: Resistências mecânicas médias por traço ... 57

Tabela 14: Comparação com formulações da literatura ... 59

Tabela 15: ANOVA para retração por secagem. ... 59

Tabela 16: ANOVA para Absorção de água por imersão ... 65

Tabela 17: ANOVA para Índice de vazios ... 68

Tabela 18: ANOVA para massa específica seca ... 70

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 Objetivos ... 14 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 16 2.1 Retração do concreto ... 16

2.2 Concreto com adição de fibras ... 18

2.2.1 Concreto com adição de fibras de aço ... 21

2.3 Cavacos metálicos ... 26

2.4 Utilização de cavacos metálicos no concreto ... 28

3 MATERIAL E MÉTODOS ... 31 3.1 Materiais ... 33 3.1.1 Cimento ... 33 3.1.2 Agregado miúdo ... 34 3.1.3 Agregado graúdo ... 36 3.1.4 Fibras de aço ... 37 3.1.5 Cavacos metálicos ... 38

3.1.6 Comparação geométrica das fibras de aço com os cavacos metálicos... 39

3.2 Planejamento experimental ... 40

3.2.1 Definição das variáveis ... 40

3.2.2 Matriz experimental ... 43

3.2.3 Análise estatística dos resultados... 44

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 45

4.1 Abatimento de concreto ... 45

4.2 Resistência à compressão ... 46

4.3 Resistência à tração na flexão ... 50

4.4 Formulação dos resultados para as propriedades mecânicas ... 56

4.5 Retração por secagem ... 59

4.6 Absorção de água por imersão ... 65

4.7 Índice de vazios ... 67

4.8 Massa específica seca e saturada ... 69

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 73

6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 76

REFERÊNCIAS... 77

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APÊNDICE B – Resultados de resistência à compressão ... 85

APÊNDICE C – Resultados de resistência à tração na flexão ... 86

APÊNDICE D – Resultados de absorção de água por imersão ... 87

APÊNDICE E – Resultados de índice de vazios... 88

APÊNDICE F – Resultados de massa específica seca ... 89

APÊNDICE G – Resultados de massa específica saturada ... 90

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 12 1 INTRODUÇÃO

O concreto é um material tipicamente frágil. Materiais frágeis possuem características que os tornam ineficazes para algumas necessidades estruturais na engenharia. Após um nível de tensão, o concreto apresenta um comportamento plástico, o que gera microfissuras. As microfissuras também são oriundas da retração, que é variação de volume diferencial entre a pasta de cimento e o agregado. As microfissuras tendem a se manter estáveis até uma tensão de cerca de 30% da resistência última do concreto, ou seja, a partir dos 30% de tensão resistida, o concreto adquire um comportamento plástico, ocorrendo uma inevitável propagação das microfissuras, influenciando na durabilidade, pela facilidade de entrada agentes agressivos, e no estado limite de serviço, devido à perda de rigidez (NEVILLE e BROOKS, 2013).

As microfissuras também causam, de forma mais intensa, perda de resistência à tração no concreto, tornando o comportamento do material frágil e, assim, proporcionando rupturas bruscas. Essa fragilidade vai de encontro às especificações normativas da NBR 6118, ABNT (2014), as quais descrevem que as estruturas devem possuir ductilidade adequada a ponto de manter os usuários avisados em casos de falhas estruturais, isto é, que a estrutura deve sinalizar, por meio de deformações excessivas, que há a existência de problemas ao estado limite último.

A questão que surge com essa discussão é: como aumentar a ductilidade e a resistência à tração de uma estrutura cujo principal material é o concreto? Essa resposta já é conhecida. A ductilidade é gerada com a inserção de barras de aço, formando o concreto armado, porém as barras de aço não possuem uma atuação satisfatoriamente eficiente no controle de fissuração devido aos esforços internos de tração, esforços esses que são oriundos de cargas externas ou da própria retração do concreto. Então, para isso, existem as fibras, as quais são filamentos unidimensionais de pouca espessura e comprimento proporcionalmente muito maior. Segundo Yehia et al. (2016), essas fibras inseridas no concreto distribuem-se de maneira aleatória, formando um compósito homogêneo. Esse compósito (concreto com fibras), segundo Abbass, Khan e Mourad (2018), possui maior resistência à compressão, tração e flexão. Também, conforme Raczkiewicz (2016), os concretos com fibras proporcionam

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 13

maior capacidade de absorver parte dos efeitos da retração por secagem, que é a variação volumétrica negativa ocorrida com a saída de água do concreto endurecido.

O estudo de fibras já é consolidado e amplamente presente no estado da arte. Então, a lacuna que está envolvida nesta pesquisa é uma união de aspectos estruturais e ambientais, porém com escopo estritamente técnico. Este estudo está voltado para a aplicação de resíduos sólidos na formação de um compósito com fibras, ou melhor, na formação de um concreto com cavacos metálicos que possua características que diminuam o comportamento frágil, tal qual o concreto com fibras comerciais.

O resíduo sólido aplicado na formação de um concreto com fibras alternativo é o cavaco metálico. O cavaco metálico é um resíduo gerado no processo de usinagem de empresas do ramo metalmecânico, abrangendo empresas de pequeno, médio e grande porte. A geração do resíduo, conforme Trent (1991), possui grande escala. Segundo o autor, no ano de 1971, 85% das ferramentas de indústrias metalmecânicas eram baseadas no processo de corte, gerando cavacos metálicos. Trent (1991) ainda complementa que, baseado nos dados de produção da época da sua pesquisa, cerca de 10% de todo o metal produzido era transformado em cavaco após os processos de usinagem. Os dados de Trent (1991) foram confirmados nesta pesquisa, pois a empresa geradora do resíduo possui uma taxa de geração entre 10% a 12% do consumo total de aço.

No Brasil, no ano de 2016, segundo a Confederação Nacional da Indústria (CNI) (2017), a produção de aço alcançou 50,3 milhões de toneladas; o que leva a crer, conforme a relação descrita por Trent (1991), e confirmada na empresa geradora do cavaco metálico deste trabalho, que foram gerados cerca de 5,0 milhões de toneladas de cavacos metálicos. Portanto, com base na estimativa de geração de resíduos de usinagem, a confecção de um concreto com cavacos metálicos com características próximas ao concreto com fibras de aço comerciais, resultaria em confirmação da viabilidade técnica, possibilitando, em grande escala, a reutilização do material de forma direta; e evitando descartes e beneficiamentos que aumentam as taxas de poluição.

Segundo Harari (2015), o aumento nos índices de poluição foi exponencial nos últimos 200 anos, comparando com um leve crescimento nos 10 mil anos precedentes. A forma abrupta do desenvolvimento industrial trouxe, junto,

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consequências ambientais danosas; conforme Nemerow (2010), por volta de 1930, nos EUA, as indústrias tratavam seus efluentes como resíduos domésticos; entre 1940 e 1950, com o avanço da tecnologia radioativa e química, os problemas ambientais começaram a surgir com força. Nemerow (2010) também cita que em 1950, também nos EUA, foi iniciada a política de reutilização de resíduos industriais, ocasionando em maior praticidade e economia quando comparada às políticas de tratamento e descarte.

Atualmente no Brasil, o manejo inadequado está sujeito a sanções, conforme a Lei de Crimes Ambientais, Lei n.º 9.605/98. A Associação Brasileira de Resíduos Sólidos e Limpeza Pública (ABLP) (2008) cita a política dos 3 R´s: “reduzir, reutilizar e reciclar”, tendo como ação ideal a reutilização, pois ocasiona em diminuição de custos de transporte, tratamento e de produção. Além disso, a política dos 3 R´s proporciona reutilização dos resíduos em outros processos de manufatura, gerando novos materiais que podem ser aplicados em diferentes mercados, como o da construção civil. A reutilização, por meio da política reversa, também é citada na Lei n.º 12.305/10, que trata do Plano Nacional de Resíduos Sólidos.

Frente a isso, surge a necessidade de criar meios que possibilitem a reutilização de resíduos industriais. A principal via para isso é a pesquisa, seja ela voltada para o tratamento ou para o reaproveitamento. Neste trabalho, o foco se deu no estudo da viabilidade técnica do reaproveitamento dos cavacos metálicos, não abordando aspectos ambientais. Os aspectos envolvidos são voltados para a geração de um material com características mecânicas e físicas adequadas para o uso no mercado da Construção Civil. Com isso, fica o seguinte questionamento a ser respondido: A inserção de cavacos metálicos no concreto incrementará qualidades próximas ao do concreto com fibras comerciais, resultando em um produto tecnicamente viável e, por consequência, em um resíduo satisfatoriamente reaproveitado?

1.1 Objetivos

O principal objetivo do presente trabalho foi caracterizar um concreto com adição de cavacos metálicos, fazendo um comparativo com o concreto com adição de fibras de aço comerciais. Para isso, os seguintes objetivos específicos foram explorados:

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 Estabelecer teores ótimos de adição de fibras de aço e de cavacos metálicos no concreto;

 Avaliar se as propriedades mecânicas de concretos desenvolvidos com adição de cavacos metálicos são compatíveis com concretos com adição de fibras de aço;

 Avaliar a capacidade dos cavacos metálicos de inibir a retração dos concretos;  Avaliar a influência dos cimentos CP IV-32 e CP V-ARI nas propriedades dos

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 16 2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Retração do concreto

O concreto é um material frágil, o qual apresenta baixa ductilidade, ou seja, fissura assim que ultrapassa a fase elástica de deformação. Por esse motivo, o concreto desempenha sua função estrutural parcialmente fissurado, e de fato é dimensionado para isso. As regiões que sofrem esforços internos de tração são as que apresentam as maiores taxas de fissuração. Diferente do aço, o concreto, por sua característica frágil, não possui resistência à compressão e à tração similares. Segundo Neville e Brooks (2013), a resistência à tração do concreto, analisando a coesão molecular da estrutura atômica, deveria ser 1000 vezes maior que a de fato é. Essa disparidade é explicada pela presença de microfissuras que diminuem a seção efetiva, ocasionando pontos de concentração de tensões.

As microfissuras são, geralmente, formadas por solicitações internas causadas por ações externas e internas. A ação interna mais frequente no concreto é a retração por secagem, a qual, segundo Mehta e Monteiro (2017), ocorre pela perda de água capilar, de água adsorvida e de água interlamelar. Os autores explicam que a água capilar é a água retida em pequenos vazios capilares, Figura 1, e que a sua secagem se dá de forma mais facilitada que nas demais.

Já a água adsorvida se localiza próxima à superfície dos sólidos, sofrendo influência de forças de atração e, então, permanecendo fisicamente aderidas na pasta de cimento hidratada. E, por final, há a água interlamelar, que é associada à estrutura do C-S-H por estar compreendida entre as suas camadas, sendo fortemente retida pelas pontes de hidrogênio. A água adsorvida tende a se perder com umidades relativas menores que 30%, e a água interlamelar com umidades relativas menores que 11%. Há ainda a água livre, que se situa dentro de poros caracterizados como grandes vazios, fazendo com que a secagem da água não ocasione retração. A Figura 1 ilustra a localização das diferentes fixações da água dentro da pasta de cimento, conforme exposto neste parágrafo.

Segundo Fusco (2008), o cimento necessita de 28% de água em relação a sua massa (relação a/c 0,28) para que as reações de hidratações ocorram normalmente. Dyer (2015) afirma que um cimento que reage completamente retém cerca de 40% de água em relação a sua massa. Isso leva a crer, comparando os dois autores, que 12% de água é retida como adsorvida, interlamelar e capilar. Mas,

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diferentemente da retração por secagem, que está ligada à baixa umidade relativa, há a retração autógena. Conforme Dyer (2015), a retração autógena é ocasionada pela conversão da água livre em água quimicamente combinada, isto é, a retração ocorrerá mesmo sem perda de água para o meio. E quanto maior for o poro em que a água livre estiver presente, menor será a pressão por capilaridade. Portanto, quanto menor a relação a/c, menor será a dimensão dos poros, e maior será a retração autógena.

Figura 1: Tipos de água associados aos silicatos de cálcio hidratados.

Fonte: Adaptado de Mehta e Monteiro (2014)

Nesse ponto, algumas medidas podem ser tomadas para evitar a retração excessiva no concreto e a baixa resistência à tração. Em termos mecânicos, a NBR 6118, ABNT (2014), cita ser indispensável que o concreto possua um comportamento dúctil, o que torna imprescindível a inserção do aço, gerando um material com boa resistência à compressão e à tração; e que tenha ductilidade suficiente para manter os usuários avisados em casos de falhas estruturais. Segundo Neville e Brooks (2013) e Dyer (2015), para suporte das tensões de tração oriundas da retração e de ações externas, fibras podem ser adicionadas ao concreto. As fibras podem restringir a propagação de fissuras e podem aumentar a resistência à tração do compósito. Com base nisso, os próximos itens abordam a inserção de fibras no concreto.

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 18 2.2 Concreto com adição de fibras

A utilização de fibras como reforço a materiais frágeis não é recente. Há materiais antigos que provam a utilização de palha em tijolos e de crina de cavalo em argamassas e pastas. Nos Estados Unidos, na cidade de Pueblo, no Colorado, há construções datadas de meados de 1540 onde foram constituídas por um compósito fibroso formado por terra crua e palha. Em 1898, um material muito utilizado era a fibra de amianto como reforço a uma pasta de cimento, porém, apesar de ter sido amplamente utilizado, o amianto foi perdendo espaço pelo risco à saúde que proporciona. Com isso, diversos tipos de fibras foram inseridos no mercado, incluindo, por exemplo, as de aço, de vidro, de carbono e as sintéticas, como o nylon e o polipropileno (ACI 544.1R-96, 2002).

A atuação das fibras no reforço ao concreto se dá pela transferência das tensões por pontes criadas pelas fibras, tal qual é citado por Nunes e Agopyan (1998) e ilustrado na Figura 2. Já a capacidade das fibras de receber essas tensões é ligada a propriedades intrínsecas do concreto e das fibras, ou seja, o que vai definir a resistência do compósito é a perfeita fusão das propriedades de ambos os materiais. Para entender a relação dessas variáveis é preciso conhecer o comportamento das fibras no interior do concreto.

Figura 2: Fibras agindo como pontes de transferência de tensões

Fonte: Nunes e Agopyan (1998)

O comportamento das fibras no interior do concreto é diretamente ligado às propriedades do material. Segundo Figueiredo (2005), o módulo de elasticidade e a resistência à tração são as propriedades mais relevantes das fibras. As fibras que possuem módulo de elasticidade menor que o do concreto são as fibras de baixo módulo, enquanto que as fibras com módulo de elasticidade maior são as fibras de

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alto módulo. Na matriz cimentícia, conforme a Figura 3, que representa a curva tensão-deformação na fase elástica da matriz e das fibras num mesmo compósito, as fibras com baixo módulo, quando próximas da tensão de ruptura, recebem menor tensão que a matriz. Portanto, próximo do momento de ruptura, as fibras de baixo módulo só proporcionarão reforço se estiverem com um alto teor de fibras, o que compensará as baixas tensões recebidas. Por outro lado, as fibras de alto módulo não precisarão de grandes teores, pois terão maior capacidade de receber as tensões atuantes (FIGUEIREDO, 2011).

Figura 3: Diagrama tensão-deformação de concretos com fibras com baixo e alto módulo de elasticidade (E) e baixa e alta resistência (σ)

Fonte: Adaptado de Figueiredo (2005)

Logo, sabendo que o módulo de elasticidade do concreto é função da resistência característica à compressão, tal qual é prescrito pela NBR 6118, ABNT (2014), então as fibras tenderão a reforçar de forma mais intensa concretos de baixa resistência. No entanto, as fibras que possuem alto módulo de elasticidade e baixa resistência, apesar de terem a capacidade de receber grandes tensões, não terão a capacidade de resisti-las, fazendo com que não reforcem suficientemente concretos de baixa resistência, e muito menos concretos de alto desempenho.

No estado da arte há diversos estudos relacionados aos variados tipos de fibras. Tassew e Luvell (2014) estudaram o concreto cerâmico com adição de fibras de vidro, que é uma fibra de alto módulo. Os resultados mostram que não houve ganho

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de resistência à compressão, porém, houve acréscimo de 398% na flexão e 154% no cisalhamento direto dos materiais desenvolvidos. Em ambos os casos de incremento na resistência, o teor ótimo de adição foi de 2,0%. Também foi estudado o efeito da adição de fibra de vidro no módulo de elasticidade, no qual as fibras não tiveram influência significativa. Por fim, os resultados mostraram que as falhas nas fibras estavam predominantemente presentes na fratura, e não no arrancamento, independente do comprimento da fibra. Com isso, supõem-se que a ancoragem da fibra na matriz cimentícia foi suficiente, pois a ruptura (fratura da fibra) ocorreu em tensões inferiores às resistidas pela ancoragem.

Outros tipos de fibras são as de aço, as quais são descritas em detalhes no próximo subtítulo, e de polipropileno (fibras sintéticas). A fibra de aço possui alta módulo e a de polipropileno baixo módulo. No estudo sobre as propriedades mecânicas e durabilidade de concreto de alta resistência contendo fibras de aço e polipropileno, realizada por Afroughsabet e Ozbakkaloglu (2015), foram realizadas dosagens de compósitos com diferentes frações, em volume, de fibras de aço e de polipropileno. Para o polipropileno as dosagens variaram de 0,15 a 0,45%, enquanto que para o aço de 0,25 a 1,0%. Foram realizados ensaios mecânicos de tração direta, tração na flexão e compressão axial. Os resultados encontrados mostram que em todos os ensaios houve acréscimo de resistência, e sempre na maior dosagem de fibras, ou seja, 0,45% de polipropileno e 1,0% de aço. Nos concretos mais resistentes também foi observado uma perda na consistência, representando um decréscimo de 145 mm para 80 mm no slump test. Os autores do estudo ainda enfatizam que a adição de fibras melhora as propriedades mecânicas do concreto, pois restringe a espessura e a extensão das fissuras, e também promove um maior controle de fissuração no concreto convencional.

Os resultados do estudo de Afroughsabet e Ozbakkaloglu (2015) e Tassew e Lubell (2014) vão ao encontro com o estabelecido por Rodrigues (2010), que cita que qualquer tipo de fibra pode ser utilizada para promover controle de fissuração, mas que a dosagem será alterada de acordo com alguns fatores como: módulo de elasticidade do material, fator de forma da fibra (relação do comprimento com diâmetro), quantidade de fibras por unidade de massa, propriedades superficiais da fibra, seção transversal e deformação ao longo do comprimento. Entretanto, cada tipo de fibra proporcionará resultados diferentes quando utilizada em proporções iguais de

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dosagem. Contudo, com estudos singulares, é possível obter proporções ótimas de dosagem individualmente.

2.2.1 Concreto com adição de fibras de aço

A adição de fibras de aço descontínuas no concreto, segundo Chen, Mindess e Morgan (1994), é “a razão mais importante para melhorar a resposta do concreto após a fissuração, isto é, aumentar a sua capacidade de absorver energia (tenacidade) e aparente ductilidade, e garantir resistência e controle de fissuração”. Ou seja, a inserção de fibras de aço no concreto provoca uma costura nas fissuras, evitando a sua propagação pelo aumento da capacidade do compósito de absorver energia e, por consequência, aumentando também a capacidade de suporte. Essa capacidade de costurar é importante quando há solicitação interna de tração, como por exemplo quando o concreto, principalmente em suas idades iniciais, está sujeito à retração.

Segundo Nunes (2006), o concreto, quando fresco, possui tendência de fissurar devido às tensões de tração induzidas pela retração plástica. Paralelamente, Yehia et al. (2016), afirmam que ao submeter o concreto a um ambiente de secagem, ele tende a encolher; e complementa: se o concreto for impedido de encolher, ocorrerão tensões de tração que ocasionarão o aparecimento de fissuras. O controle da fissuração, medida importante devido à retração do concreto, segundo Reis (2003), é bastante difícil, porém, deve ocorrer, pois a retração é uma deformação intrínseca que afeta negativamente o desempenho ao estado-limite de serviço do concreto, ou seja, influi no módulo de elasticidade.

Nessa linha, Raczkiewicz (2016) realizou um estudo sobre o efeito da adição de fibras de aço na retração do concreto. Nesse estudo foram confeccionados concretos com fibras e sem fibras. O ensaio consistiu em analisar a variação de volume do concreto simples e do concreto com fibras de aço por 312 dias. Em termos de deformação absoluta, os resultados mostram que a adição de 1% de fibras de aço no concreto gerou uma deformação 26% menor que no concreto convencional, ou seja, diminuiu a retração. Além disso, os resultados mostram que, diferente do concreto convencional, a retração no concreto reforçado com fibras de aço estabiliza com 80 dias. Os resultados mostram que as fibras proporcionam um aumento do controle de fissuração por meio do acréscimo de resistência à tração.

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Fang et. al (2020) estudaram os efeitos da adição de fibras na retração em concretos de alto desempenho. Foram testados teores de 1,5%, 2,0% e 2,5% em um tempo de retração de 180 dias. Os resultados mostram que com adição de 1,5% a retração foi diminuída, em média, 39,8%. Nos concretos com 2,0% foi possível observar uma retração 14,8% menor que no concreto com adição de 1,5%. No concreto com 2,5% de adição, em relação ao concreto com 2,0%, houve uma redução de 0,5% na retração. Ou seja, os resultados mostram que a retração é restringida de forma mais intensa de acordo com o crescimento do teor de adição de fibras de aço. Além disso, os resultados de Fang et. al (2020) mostraram que as fibras com maior fator de forma diminuíram mais os efeitos da retração, mas que a influência não foi tão significativa quanto a do teor de adição de fibras.

De acordo com Afroughsabet e Ozbakkaloglu (2015), o concreto reforçado com fibras de aço proporciona maior resistência à compressão (15,0% na média e 19,0% no concreto com 1,0% de adição), à tração (32,5% na média e 55,0% no concreto com 1,0% de adição), à flexão (34,8% na média e 61,0% no traço com 1,0% de adição), e maior módulo de elasticidade. No mesmo sentido, Yehia et al. (2016), estudaram as propriedades mecânicas e de durabilidade do concreto autoadensável reforçado com fibras de aço. Eles descrevem que, devido à configuração aleatória das fibras de aço no concreto e o seu alto módulo de elasticidade, as fibras podem auxiliar os elementos estruturais a suportarem deformações nos pontos de maior solicitação de esforços internos. Em outra pesquisa, Yoo e Yoon (2015) estudaram o comportamento à flexão do concreto reforçado com fibras de aço e concluíram que a resistência à compressão e à tração, o módulo de elasticidade, a resistência ao impacto e a tenacidade foram incrementadas pela adição de fibras de aço no concreto; porém, os autores explicam que, em termos de compressão e módulo de elasticidade, a influência, apesar de positiva, é mínima.

A resistência à compressão de concretos com adição de fibras de aço também foi estudada por Usman et. al (2020). Os autores testaram adições, em volume, de 0,5%, 1,5% e 2,5%. Os resultados médios mostram um decréscimo de 0,5% na resistência e uma tendência de rompimento dos corpos de prova na superfície, impedindo o esmagamento total do concreto. Afroughsabet, Biolzi e Ozbakkaloglu (2016), em sua revisão sobre concreto de alto desempenho com adição de fibras, concluíram que a resistência à compressão é incrementada pela adição de fibras, mas

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que teores de adição maiores de 1,5% tendem a diminuir a consistência de tal forma a causar perda de resistência.

De encontro a Afroughsabet, Biolzi e Ozbakkaloglu (2016), Jang e Yun (2017) encontraram resultados que apontam para um acréscimo de 1,8% na resistência à compressão do teor de adição de 1,5% para 2,0% de fibras de aço, mesmo com a perda de consistência, que foi de 163 mm no concreto com 1,5% de fibras para 98 mm no concreto com 2,0%. Cabe salientar que Jang e Yun (2017) utilizaram superplastificantes, sendo esse o motivo de o concreto com adição de 2,0% possuir adequada consistência e conseguir reduzir as falhas oriundas do alto teor de fibras.

Essas pesquisas mostraram que os concretos com adição de fibras possuem maior resistência à tração quando comparados com os concretos convencionais, o que, consequentemente, aumenta a capacidade de restrição de fissuras por deformação e retração.

No estudo sobre a avaliação das propriedades mecânicas do concreto reforçado com fibras de aço em diferentes classes de resistência de concreto, Abbass, Khan e Mourad (2018) elaboraram um projeto de experimento com 30 amostras, e rompimentos com 7 e 28 dias, que avaliou a influência de fibras de aço com diferentes comprimentos (40, 50 e 60 mm), diferentes diâmetros (0,62 e 0,75 mm), diferentes relações água/cimento (0,25, 0,35 e 0,45) e diferentes teores de adição (0,5%, 1,0% e 1,5). Os melhores resultados de resistência à compressão, com aumento de 27,4% em relação ao concreto convencional, foram obtidos com adição de 1,5% de fibras de aço de 60 mm no concreto com relação água/cimento de 0,35. No ensaio de tração, o melhor resultado (46,9% de aumento)- ocorreu com 1,5 % de fibras de 60 mm no concreto com a/c de 0,45. No ensaio de flexão o resultado mais favorável (aumento de 148,8%) se deu com a adição de fibras de 60 mm no concreto com a/c de 0,25. Os resultados mostram que as fibras mais compridas (fator de forma 80) fornecem melhor beneficiamento em termos de resistência à compressão, tração e flexão, assim como a adição de 1,5% de fibras também foi um resultado unânime. Os resultados médios foram de 13,0% de incremento na compressão, 20,4% na tração e 73,2% na flexão.

No mesmo estudo, Abbass, Khan e Mourad (2018), seguindo prescrições de trabalhos anteriores de outros autores, correlacionaram os resultados mecânicos de tração e flexão com os de compressão, obtendo equações potenciais. Segundo Perumal (2015), dois importantes índices são utilizados para avaliar as propriedades mecânicas do concreto: resistência à compressão e resistência à flexão. A resistência

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à flexão pode ser estimada por meio da resistência à compressão a partir de várias relações empíricas propostas por pesquisadores. As relações empíricas são regressões que resultam na Equação 1 generalizada:

𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 𝐴(𝑓𝑐)

𝐵

(1) onde

f

ct,f é a resistência à tração na flexão; fc a resistência à compreensão; A e B

são coeficientes da regressão.

O método de avaliação utilizado por Abbass, Khan e Mourad (2018) e Perumal (2015) utilizou o ensaio de resistência à flexão prescrito pela ASTM C78 (2002). Conforme Neville e Brooks (2013), o ensaio prescrito pela ASTM C78 (2002) é similar ao ensaio de tração na flexão da NBR 12142, ABNT (2010), sendo possível a aplicação da metodologia de avaliação neste trabalho.

A literatura pesquisada apresenta sete regressões estatísticas, as quais podem ser observadas na Tabela 1 e na Figura 4. Essas regressões correlacionam a resistência à compressão com a resistência à tração na flexão. Inicialmente, Ahmad e Shah (1985) utilizaram centenas de dados de seis diferentes autores para formular uma correlação empírica entre resistência à flexão e à compressão; o foco do estudo se deu no concreto de alta resistência sem fibras. A ACI 318 (1999) também especifica uma formulação para concreto simples. Xu e Shi (2009) aplicaram a metodologia para comparação das formulações de concreto simples existentes para concreto com adição de fibras de aço. Após Xu e Shi (2009), outros autores, como Thomas e Ramaswamy (2007), Perumal (2015), e Abbass, Khan e Mourad (2018), também utilizaram do método para validar os resultados e criar correlações empíricas para concretos com fibras de aço. A NBR 6118, ABNT (2014) prescreve uma correlação para determinação da resistência à tração na flexão do concreto convencional; a formulação, inclusive, é similar à obtida por Ahmad e Shah (1985).

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 25 Tabela 1: Equações da literatura para correlação das resistências à tração na flexão e compressão

Autor Formulação empírica

Ahmad e Shah (1985) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,44𝑓𝑐2/3 ACI 318 (1999) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,62𝑓𝑐0,5 Thomas e Ramaswamy (2007) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,79𝑓𝑐0,5 Xu e Shi (2009) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,39𝑓𝑐0,59 NBR 6118, ABNT (2014) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,43𝑓𝑐2/3 Perumal (2015) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,259𝑓𝑐0,843

Abbass, Khan e Mourad (2018) 𝑓𝑐𝑡, 𝑓 = 0,25𝑓𝑐0,81

Fonte: Adaptado de Ahmad e Shah (1985), ACI 318 (1999), Thomas e Ramaswamy (2007), Xu e Shi (2009), ABNT (2014), Perumal (2015), e Abbass, Khan e Mourad (2019)

Figura 4: Correlações entre resistência à tração na flexão e compressão

Fonte: Adaptado de Ahmad e Shah (1985), ACI 318 (1999), Thomas e Ramaswamy (2007), Xu e Shi (2009), ABNT (2014), Perumal (2015), e Abbass, Khan e Mourad (2019)

Os resultados observados na Figura 4 mostram que, dentre os estudos de concreto com adição de fibras aço, apenas os resultados de Perumal (2015), e Thomas e Ramaswamy (2007) demonstraram-se mais resistentes que os resultados para concretos convencionais. Já pesquisadores como Abbas, Khan e Mourad (2018), e Xu e Shi (2009), encontraram correlações mais conservadoras, ou seja, próximas do concreto convencional. Os resultados mostram uma grande variabilidade no comportamento do concreto com adição de fibras de aço, sendo necessário mais

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estudos para refinar as correlações e, posteriormente, normatizar as formulações como é feito para o concreto convencional.

2.3 Cavacos metálicos

O cavaco metálico é um resíduo oriundo de operações de corte da indústria metalmecânica. A formação do cavaco ocorre por uma ação cisalhante sobre a peça exposta ao corte (STEPHENSON e AGAPIOU, 2016). O cavaco metálico é gerado na conformação de componentes metálicos por uma ferramenta de corte aplicada sobre um corpo em constante movimento de giro. O giro é realizado utilizando tornos mecânicos, fresadoras e outros equipamentos. A Figura 5 mostra a formação do cavaco metálico por meio do corte de uma peça. O tipo de material, a ferramenta de corte e o processo de usinagem possuem algumas variações operacionais que influenciam na geometria do cavaco formado, tais como: geometria da ferramenta de corte, velocidade de corte, taxa de alimentação, profundidade do corte, velocidade de rotação do fuso e o diâmetro inicial e final do corpo metálico (YILMAZ, KARABULUT e GULLU, 2020).

Figura 5: Formação do cavaco metálico no processo de corte

Fonte: Adaptado de Yilmaz, Karabulut e Gullu (2020)

Hoje em dia, a tecnologia da indústria metalmecânica, em termos de produção, está avançada, porém, uma outra questão surge como necessidade de inovação e tecnologia no ramo metalúrgico: a geração de resíduos perigosos.

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Segundo Dias (2000), os fluidos de corte e os cavacos metálicos são inseparáveis nas operações de usinagem, fazendo com que o conjunto seja um dos principais resíduos nocivos ao meio ambiente gerado pela metalurgia. Dias (2000) afirma que o óleo de usinagem, juntamente com o cavaco, “tem um potencial de poluição grave, e, portanto, seu gerenciamento seguro é um dos pontos determinantes para o desenvolvimento da área ambiental no Brasil”. A afirmação de Dias (2000) vai ao encontro da especificação da NBR 10004, da ABNT (2004), que classifica o óleo de corte e usinagem como perigoso, ou seja, resíduo Classe I.

Mais recentemente, alguns métodos de limpeza de cavacos metálicos contaminados com óleo de usinagem foram propostos. Um deles é o “Método de reaproveitamento com abordagem ecoefetiva”. Esse método foi desenvolvido por Dutra et. al (2007) e, segundo Moraes, Simon e Vargas (2018), consiste em lavar o cavaco metálico com um reagente químico e separá-lo do efluente por meio de filtração. Após, ainda segundo Moraes, Simon e Vargas (2015), o cavaco limpo é encaminhado para um processo de secagem em estufa, cuja importância é evitar que sofram oxidação devido à umidade. Além disso, no final, o material é compactado, diminuindo o volume ocupado e, por consequência, o espaço físico necessário para estocagem.

Os cavacos metálicos não possuem um padrão geométrico ordenado. Conforme Delforge (2007), os cavacos podem ser diferenciados quanto a sua forma. As formas, Figura 6, são as fitas (a), os helicóides (b), as espirais (c) e as lascas (d). Dentre os diferentes formatos, as formas que mais se assemelham às fibras são as fitas e os helicóides.

Figura 6: Classificação dos cavacos quanto à forma

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 28 2.4 Utilização de cavacos metálicos no concreto

A utilização de resíduos metálicos se torna vantajosa no momento que impede o descarte de um material poluente na natureza. Muitos são os estudos que buscam introduzir esses resíduos no concreto. Em geral, os estudos traçam como objetivo alcançar desempenhos semelhantes aos materiais já consolidados da construção civil, como o concreto armado e o concreto com fibras. Comparações em termos de resistência à tração, compressão, flexão, controle de fissuras e absorção de radiação são mais ocorrentes na literatura.

Nos estudos, realizados por Alwaeli e Nadziakiewicz (2011) e Alwaeli (2016), sobre a implementação de resíduos metálicos em substituição à areia na fabricação do concreto, os autores buscavam comparar o concreto convencional com o concreto reforçado com os resíduos. Os resíduos se tratavam de escamas de aço (formato lamelar) e de cavacos metálicos (helicoidais). Ambos os resíduos possuíam dimensões compatíveis para substituição do agregado miúdo, ou seja, possuíam elevada finura. Foram realizadas substituições de 0,0% (controle), 25%, 50%, 75% e 100% (substituição total da areia natural) para cada tipo de resíduo. Nos ensaios de radiação raio-X, concluiu-se que o teor de 100% de ambos os agregados proporcionou melhores resultados (redução de 18% (cavacos) e 16 % (escamas metálicas) na espessura da parede em comparação com o controle). Para a resistência à compressão, a adição de 100% de cavacos, gerou o melhor resultado, isto é, houve um acréscimo de 50,8% na resistência; enquanto que nas escamas metálicas o maior incremento, 13,7%, se deu na substituição de 25%.

Os resultados dos estudos de Alwaeli e Nadziakiewicz (2011) e Alwaeli (2016) mostram que o emprego de resíduos com estruturas lamelares tende a diminuir a resistência do concreto, já os resultados para os cavacos metálicos são animadores, pois os resultados foram crescentes de acordo com o aumento do teor de substituição do resíduo no agregado miúdo, o que garante que a geometria do cavaco auxiliou na resistência às tensões internas de tração.

Outro estudo realizado na área é sobre a análise da resistência do concreto reforçado com resíduos oriundos do torno mecânico. A pesquisa em questão foi realizada por Qureshi, Raina e Rufaie (2016) e consistiu em determinar o teor ótimo de adição do resíduo no concreto em termos de resistência mecânica. Para isso, foram analisados os acréscimos de resistência à compressão, tração e flexão para teores,

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em volume, de 0,0% (controle), 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0%. A caracterização do resíduo mostra que o comprimento variou entre 40 e 60 mm, e o diâmetro entre 0,4 e 0,8 mm. O teor de 1,5% de adição de cavacos ocasionou um acréscimo de 11,37% na resistência à compressão, 18% na resistência à tração e 30% na resistência à flexão, porém, o abatimento foi prejudicado pelo resíduo, chegando ao valor máximo de 30 mm no concreto com adição de 0,5%.

Também sobre resíduos de torno mecânico, Shrivastava e Joshi (2014) estudaram as propriedades do concreto reforçado com a reutilização do resíduo. As propriedades dimensionais do resíduo obtidas pela caracterização são as seguintes: formato alongado e deformado, comprimento entre 25 e 40 mm e diâmetro de 0,3 a 0,75 mm. Os teores de adição foram de 0,0% (controle), 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0%, em volume. Além disso, foi medido o abatimento em cada concreto, a fim de avaliar a consistência do material. O abatimento mínimo encontrado foi de 70 mm e o máximo de 80 mm. Em termos de resistência, o teor de resíduos de 1,5% apresentou os melhores resultados em todos os ensaios, sendo um acréscimo de 2,4% na compressão, 19,4% na tração e 40,8% na flexão.

Vasudev e Vishnuram (2014) estudaram, da mesma forma, a aplicação de cavacos metálicos oriundos do torno mecânico no concreto. Os teores de adição variaram entre 0,0%, 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,0%, em volume. Em termos de resistência à compressão, o maior acréscimo de resistência obtido foi de 15% no concreto com 0,50% de adição. Na tração, incremento de 32% no traço com 0,50% de cavacos metálicos. Na flexão, 22% de aumento na resistência, e também com o concreto com adição de 0,50%.

Os estudos mostram que resíduos metálicos podem ser introduzidos com sucesso na engenharia civil, entretanto, alguns fatores devem ser analisados cuidadosamente, como a consistência do concreto, fator essencial para garantir a viabilidade técnica. Além disso, observou-se que os melhores resultados mecânicos foram obtidos com teores de adição de 1,5% em relação ao volume, ocorrendo inclusive, em algumas pesquisas, decréscimo no teor de 2,0%. A resistência à compressão foi beneficiada pelos resíduos, mas as características mais importantes observadas foram os acréscimos de resistência à tração e à flexão, pois são notadamente os pontos deficitários em materiais frágeis, como o concreto.

(31)

A partir dos resultados observados na literatura, foram adotados alguns parâmetros no programa experimental desta pesquisa, os quais são detalhados na sequência deste documento.

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 31 3 MATERIAL E MÉTODOS

Como forma de manter o presente trabalho organizado metodologicamente e, também, cronologicamente definido quanto à execução dos experimentos, foi elaborado um conjunto de etapas que permitiram a execução de todo experimento. As etapas foram discriminadas pelos prazos dos ensaios e pela logística do laboratório de Engenharia da Faculdade Meridional - IMED. As etapas estão ilustradas no fluxograma da Figura 7.

Figura 7: Fluxograma dos experimentos

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 32 Etapa 1: Nesta etapa, o foco foi na obtenção e caracterização dos materiais

que foram utilizados no experimento. Os materiais envolvidos na pesquisa foram: cimento CP IV-32, cimento CP V-ARI, agregado miúdo, agregado graúdo britado, pedra britada, fibras de aço, cavacos metálicos.

Etapa 2: Foi realizada a dosagem do concreto com adição de 1,5% (em

volume) de cavacos metálicos. Essa adição foi colocada no estudo como forma de prever a perda de consistência. O estudo de dosagem foi baseado no método IBRACON, descrito por Tutikian e Helene (2011), e chegou na proporção 1:2,78:2,22:0,65.

Etapa 3: Definido o traço, foi estruturado o projeto de experimento. Com isso,

foi planejada a cronologia dos ensaios e o quantitativo de materiais, ou seja, a logística do experimento foi definida e iniciada por meio da aquisição e estocagem de todos os materiais necessários para o andamento da pesquisa.

Etapa 4: Foram moldados os corpos de prova prismáticos (100x100x350 mm)

para o ensaio de retração. Esse ensaio foi baseado na Norma 053, do DNIT (2004) Como os prazos estipulados pela norma, iguais aos definidos pela ASTM C 157 (2014), ultrapassariam os limites temporais da pesquisa, foi fixado 7 dias de cura e 336 dias de medições. As medições dos comprimentos dos corpos de prova estipuladas pelas normas acima citadas são realizadas com 1, 4, 7, 14, 28, 56, 112, 224 e 448 dias. Na presente pesquisa optou-se por executar as medições com 1, 7, 14, 28, 56, 84, 168 e 336 dias, obedecendo, assim, o prazo disponível para realizar a dissertação. A alteração nas datas, apesar de não igualmente, também foi realizada nos estudos de Silva (2016).

Etapa 5: Foram moldados corpos de prova cilíndricos para o ensaio de

resistência à compressão (100x200 mm), de acordo com a NBR 5739, da ABNT (2018). E também da moldagem dos corpos de prova prismáticos (150x150x500 mm) para o ensaio de tração na flexão, de acordo com a NBR 12142, ABNT (2012). O mesmo ensaio prescrito pela NBR 12142 de tração na flexão é também prescrito, de forma similar, segundo Neville e Brooks (2013), pela ASTM C78 (2002) para determinação da resistência à flexão. Portanto, baseado no fato de que o experimento é o mesmo, os resultados de resistência à tração na flexão e flexão são idênticos.

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Foram moldados três corpos de prova para cada concreto e para cada ensaio. Além disso, foram moldados três corpos de prova cilíndricos extras para cada traço, o que permitiu a realização de ensaios físicos, como absorção de água por imersão, determinação de índice de vazios e determinação de massa específica seca e saturada, conforme prescrito pela NBR 9778, ABNT (2005).

Paralelamente, foi determinada a consistência de cada concreto pelo abatimento de tronco de cone, conforme a NBR NM 67, ABNT (1998).

Etapa 6: Análise estatística dos resultados (ANOVA), permitindo verificar a

influência da adição de fibras aço e de cavacos metálicos no concreto. Também foi realizada a análise de microestrutura das fibras e dos cavacos por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV).

3.1 Materiais 3.1.1 Cimento

Dois tipos de cimento foram utilizados na pesquisa: CP IV-32 e CP V-ARI. O cimento pozolânico CP IV-32 possui, conforme a NBR 16697, da ABNT (2018), adição de material pozolânico na ordem de 15 a 50% e finura (resíduo na peneira 75 μm) menor ou igual a 8,00%. Segundo Neville e Brooks (2013), a adição de material pozolânico é recomendado para diminuição da velocidade das reações de cura do cimento, ou seja, para diminuir o calor de hidratação e, consequentemente, diminuir os efeitos de retração por secagem e as taxas de fissuração. O CP IV-32 é o cimento que possui os melhores efeitos retardantes de cura sem utilização de aditivos, justamente pelo alto teor de material pozolânico que reage com hidróxidos alcalinos, formando um produto secundário à hidratação do clínquer. Já o CP V-ARI possui uma característica oposta, é um cimento mais fino, finura menor ou igual a 6,00 %, e não possui adição de materiais com efeito pozolânico, apenas materiais carbonáticos, que são inertes e não agregam qualidade química ao cimento. Conforme Mehta e Monteiro (2014), os cimentos mais finos, conhecidos como de alta resistência inicial, influenciam o processo de cura de forma a acelerar as reações e, por consequência, aumentar o calor de hidratação. Esse aumento causa ao concreto maior depreciação física por retração por secagem, o que leva ao aumento da taxa de fissuração.

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Portanto, a escolha por dois tipos diferentes de cimento foi baseada nas propriedades físicas e químicas que eles possuem. Como descrito anteriormente, as características são opostas, oportunizando o estudo da retração por secagem em casos mais brandos, como no uso do CP IV-32, e em casos mais agressivos, como quando utilizado o CP V-ARI.

Nas Tabela 2 Tabela 3 são mostradas as especificações do cimento CP IV-32 e do cimento CP V-ARI, respectivamente. Os limites normatizados para cada parâmetro são os presentes na NBR 16697, da ABNT (2018), enquanto os dados dos cimentos utilizados na pesquisa foram fornecidos pelo fabricante.

Tabela 2: Especificação do cimento CP IV-32

Tipo Parâmetro Unidade Exigência (NBR 16697:2018) Cimento utilizado (dados do fabricante) Q uím ic

a Óxido de Magnésio (MgO) % - 4,7

Trióxido de Enxofre (SO3) % ≤ 4,5 2,6

Perda ao Fogo % ≤ 6,5 3,2 Resíduo Insolúvel % - 39,6 F ís ic as e me c â ni c as Finura Blaine cm²/g - 4.362 # 200 % ≤ 8,0 0,3 # 325 % - 2,0 Tempo de pega

Início de pega Min ≥ 60 370

Fim de pega Min ≤ 720 478

Resistência à compressão 03 dias MPa ≥ 10 19,7 07 dias MPa ≥ 20 23,2 28 dias MPa ≥ 32 38,5 Fonte: InterCement (2019)

Tabela 3: Especificação do cimento CP V-ARI

Tipo Parâmetro Unidade Exigência (NBR 16697:2018) Cimento utilizado (dados do fabricante) Q uím ic

a Óxido de Magnésio (MgO) % ≤ 6,5 4,2 Trióxido de Enxofre (SO3) % ≤ 4,5 3,2

Perda ao Fogo % ≤ 6,5 4,6 Resíduo Insolúvel % - - F ís ic as e me c â ni c as _Finura Blaine _{# 200} cm²/g _% _{≤ 6,0}- 4.775 _0,3 # 325 % - 1,5 Tempo de pega

Início de pega min ≥ 60 238

Fim de pega min ≤ 600 310

Resistência à compressão 03 dias MPa ≥ 14 22,3 07 dias MPa ≥ 24 37,3 28 dias MPa ≥ 34 42,3 Fonte: InterCement (2019) 3.1.2 Agregado miúdo

A areia, que é o agregado miúdo do traço de concreto desenvolvido, foi adquirida na região de Passo Fundo/RS e extraída na região de Santa Maria/RS. A

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caracterização foi realizada com três amostras da areia completamente seca, sendo realizada a média dos resultados para composição do ensaio granulométrico. A composição granulométrica, o cálculo do módulo de finura e o cálculo da dimensão máxima característica foram executados conforme prescrito pela NBR NM 248 (ABNT, 2003). Para avaliação da granulometria, os resultados foram comparados com os limites granulométricos presentes na NBR 7211 (ABNT, 2005). Os resultados da caracterização estão presentes na Tabela 4 e na Figura 8.

Tabela 4: Ensaio granulométrico do agregado miúdo, NBR NM 248 (ABNT, 2003). Peneira com abertura de malha

(NBR NM ISO 3310-1, ABNT(1997)) Retido (%) Retido acumulado (%) 9,5 mm 0 0 4,75 mm 0 0 2,36 mm 1 1 1,18 mm 2 3 0,6 mm 12 15 0,3 mm 50 65 0,15 mm 30 95 Fundo 5 100 Módulo de finura 1,77

Dimensão máxima característica (mm) 1,18 Fonte: Autor

Figura 8: Curva de distribuição granulométrica do agregado miúdo (areia natural).

Fonte: Autor 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,1 1 10 Ret ido a cu m u lad o (%) Abertura de malha (mm) Zona utilizável Zona ótima Amostra

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 36 3.1.3 Agregado graúdo

O agregado graúdo utilizado no experimento foi a pedra britada. A brita foi adquirida na região de Passo Fundo/RS, mesmo local em que é extraída, e possui origem basáltica. A caracterização física observou os mesmos princípios utilizados no agregado miúdo, alterando apenas o enquadramento para agregado graúdo, conforme a NBR 7211, ABNT (2005). Os resultados da caracterização estão presentes na Tabela 5 e na Figura 9.

Tabela 5: Ensaio granulométrico do agregado graúdo, NBR NM 248 (ABNT, 2003). Peneira com abertura de malha

(NBR NM ISO 3310-1, ABNT(1997)) Retido (%) Retido acumulado (%) 25 mm 0 0 19 mm 3 3 12,5 mm 33 36 9,5 mm 21 57 6,3 mm 33 90 4,75 mm 3 93 Fundo 7 100 Módulo de finura 6,54

Dimensão máxima característica (mm) 19 Fonte: Autor

Figura 9: Curva de distribuição granulométrica do agregado graúdo

Fonte: Autor 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 10 Ret ido a cu m u lad o (%) Abertura de malha (mm) Limites Amostra

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 37 3.1.4 Fibras de aço

As fibras de aço utilizadas, Figura 10, segundo o fabricante, são modeladas e cortadas através da estampagem de arames de aço com baixo teor de carbono, atendendo as normas: ASTM A 820/02, ASTM C 1116/03, DIN 1045, UNI 111037, EM 14889-1 e ABNT NBR 15530/07.

Figura 10: Fibras de aço.

Fonte: Autor

A caracterização do material está detalhada na Tabela 6, os dados foram fornecidos pelo fabricante.

Tabela 6: Características das fibras de aço.

Tipo Parâmetro Unidade Fibra utilizada

Propriedades físicas

Relação L/d (comprimento/diâmetro) - 44 Tolerância do valor individual da relação L/d % 15 Tolerância do valor média na relação L/d % 7,5

Diâmetro mm 0,75

Tolerância do valor individual do diâmetro % 10 Tolerância do valor médio do diâmetro % 5

Comprimento mm 33

Tolerância do valor individual do comprimento % 10 Tolerância do valor médio do comprimento % 5

Massa específica kg/m³ 7850

Propriedades mecânicas

Resistência à tração do aço MPa > 1100

Deformação na ruptura % < 4

Módulo elástico MPa 210000

Aplicação Concreto projetado - -

Número de fibras por quilo un/kg 8738 Fonte: Fabricante

Em relação ao processo de mistura dos materiais, como recomenda o fabricante, as fibras foram inseridas no final da preparação do concreto, pemanecendo

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a betoneira girando por mais dois minutos para a perfeita mistura das fibras em todo o volume de material.

3.1.5 Cavacos metálicos

O cavaco metálico, Figura 11, é um resíduo gerado no processo de usinagem nas indústrias metalmecânicas. Esse subproduto foi obtido em uma empresa do ramo da tecnologia agrícola. O material utilizado possuía óleo de usinagem em seu entorno. O resíduo foi utilizado da mesma forma que foi retirado da indústria, sem nenhum processo de limpeza ou separação.

Figura 11: Cavacos metálicos oriundos de Carazinho/RS.

Fonte: Autor

A caracterização física ocorreu com a separação de 240 g de resíduo. Dentro dessa amostra foram contabilizados 470 cavacos com três diferentes tipologias: lascas (60%), helicoides (36%) e fitas (4%). Segundo Delforge (2007), os cavacos da classe das fitas e dos filamentos helicoidais são indesejáveis nos processos de usinagem devido à sua baixa densidade efetiva, o que faz com que ocupe muito espaço físico no armazenamento. Além disso, causam problemas econômicos no manuseio, descarte e reaproveitamento. O reaproveitamento do material no próprio ciclo industrial causa perda de qualidade no material resultante, enquanto o descarte

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atualmente é realizado na venda para indústrias de aço. As indústrias, no entanto, segundo a geradora do resíduo desta pesquisa, pagam valores insignificantes pelo subproduto.

Para esta pesquisa, os tipos de cavacos considerados indesejáveis na indústria metalmecânica são justamente os que se tornam desejáveis. Afinal, assim como as fibras de aço, a característica fibrosa de um material se dá pela relação l/d (comprimento/diâmetro), que é o fator de forma, segundo a NBR 15530, da ABNT (2007). De todo modo, o resíduo utilizado nos ensaios não foi separado. Essa metodologia foi praticada com o intuito de diminuir a necessidade de processos de separação na indústria, aumentando a probabilidade de validar o uso do resíduo.

A caracterização foi realizada em relação às características físicas e está presente na Tabela 7. Os cavacos foram gerados da usinagem de peças de aço SAE 1020.

Tabela 7: Caracterização dos cavacos metálicos

Tipo Parâmetro Unidade Cavaco

Propriedades físicas

Relação L/d médio (comprimento/diâmetro) - 60 Tolerância do valor na média na relação L/d % 13

Espessura média mm 0,36

Tolerância do valor na média do diâmetro % 3

Comprimento mm 16

Tolerância do valor na média do comprimento % 6

Massa específica kg/m³ 7850

Propriedades mecânicas

Resistência à tração do cavaco MPa 55,17

Deformação na ruptura % -

Módulo elástico MPa -

Aplicação Concreto - Hipótese

Número de cavacos por quilo un/kg 1958

Fonte: Autor

3.1.6 Comparação geométrica das fibras de aço com os cavacos metálicos

Conforme a caracterização dos materiais, observa-se que os cavacos possuem maior área de influência se comparados às fibras de aço (Figura 12). Porém, devido às tensões residuais geradas no processo de usinagem, o cavaco metálico apresentou um comportamento frágil quando exposto ao ensaio de tração. Já as fibras metálicas comerciais apresentaram um comportamento dúctil.

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IMED - Mestrado em Engenharia Civil 40 Figura 12: Geometria das fibras e dos cavacos

Fonte: Autor

3.2 Planejamento experimental 3.2.1 Definição das variáveis

De acordo com Ribeiro e Caten (2011), as variáveis resposta são, de forma genérica, responsáveis pela medição de aspectos de um determinado produto que podem determinar a sua qualidade, seja ela inferior, média ou superior. No campo desta pesquisa, as variáveis repostas, que são os ensaios realizados nos concretos estudados, são: retração por secagem, resistência à compressão, resistência à tração na flexão, resistência à flexão, absorção de água, índice de vazios, massa específica seca e massa específica saturada.

 A retração por secagem é uma variável que é medida ao longo do tempo. O intuito principal foi determinar a interferência individual da presença de fibras aço, de cavacos metálicos e também da ausência de ambos (referência). A medição ocorreu por meio da variação de comprimento dos corpos de prova prismáticos (100x100x350 mm) ao longo de 336 dias. A moldagem dos corpos de prova obedeceu às prescrições da NBR 5738, da ABNT (2015);

 A resistência à compressão foi medida 28 dias após a moldagem com vibração manual, os corpos de prova cilíndricos (100x200 mm) permaneceram