UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Tecnologia
MARÍLIA MARTINES DE CAMARGO
ANÁLISE DA PRODUÇÃO DE CONCRETO
AUTO-ADENSÁVEL REFORÇADO
COM FIBRAS DE AÇO
ANALYSIS OF PRODUCTION OF SELF-
COMPACTING CONCRETE REINFORCED
WITH STEEL FIBERS
LIMEIRA
2016
MARÍLIA MARTINES DE CAMARGO
ANÁLISE DA PRODUÇÃO DE CONCRETO AUTO-ADENSÁVEL
REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
ANALYSIS OF PRODUCTION OF SELF-COMPACTING CONCRETE
REINFORCED WITH STEEL FIBERS
Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia, na Área de Ciência dos Materiais.
Orientador(a): Profª. Drª. Luísa Andréia Gachet Barbosa
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO MARÍLIA MARTINES DE CAMARGO, E ORIENTADA PELA PROF(A). DR(A). LUÍSA ANDRÉIA GACHET BARBOSA.
Limeira
2016
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CAPES
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Faculdade de Tecnologia
Felipe de Souza Bueno - CRB 8/8577
Camargo, Marília Martinês de,
1991-C140a CamAnálise da produção de concreto auto-adensável reforçado com fibras de aço / Marília Martinês de Camargo. – Limeira, SP : [s.n.], 2016.
CamOrientador: Luísa Andréia Gachet Barbosa.
CamDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade
de Tecnologia.
Cam1. Concreto autoadensável. I. Barbosa, Luísa Andréia Gachet,1970-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Tecnologia. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Analysis of production of self-compacting concrete reinforced with steel fiber
Palavras-chave em inglês: Self-compacting concrete
Área de concentração: Ciência dos Materiais Titulação: Mestra em Tecnologia
Banca examinadora:
Luísa Andréia Gachet Barbosa [Orientador] Rosa Cristina Cecche Lintz
Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo Data de defesa: 19-02-2016
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM TECNOLOGIA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Análise da produção de concreto auto-adensável reforçado com fibras de aço.
MARÍLIA MARTINES DE CAMARGO
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
__________________________________ Profa. Dra. Luísa Andréia Gachet Barbosa UNICAMP/FT
Presidente
__________________________________ Profa. Dra. Rosa Cristina Cecce Lintz UNICAMP/FT
__________________________________
Profa. Dra. Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo UNIFEI
A ATA DE DEFESA, ASSINADA PELOS MEMBROS DA COMISSÃO EXAMINADORA, CONSTA NO PROCESSO DE VIDA ACADÊMICA DO ALUNO.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por me guiar, me capacitar e me abençoar em todas as etapas da minha vida, inclusive na realização deste mestrado.
Um agradecimento especial a toda minha família, que esteve sempre presente, me apoiando e me dando forças para que eu continuasse na luta durante essa etapa da minha vida, e principalmente aos meus pais, Manoel e Mara, e à minha avó, Maria, pessoas que sempre segui como exemplo e que me ensinaram os maiores valores que se pode ter na vida.
Agradeço também minhas amigas Pâmela Gazzola e Mariana Artal, que desde o início da faculdade estiveram do meu lado e que hoje considero não apenas amigas, mas como a família que Limeira me deu, as irmãs que eu escolhi a dedo.
Agradeço ao meu namorado, Bruno Merlin, e a sua família, que há pouco tempo fazem parte da minha vida, mas que me acolheram como parte da família, me fornecendo apoio e estímulo para continuar em frente.
Agradeço a Faculdade de Tecnologia da Unicamp, a Faculdade de Engenharia Civil da Unicamp, a minha orientadora, Profª. Drª. Luísa Andréia Gachet Barbosa, a Profª. Rosa Cristina Cecche Lintz, o técnico do laboratório de materiais da Faculdade de Tecnologia, Reginaldo Ferreira, e a todos os funcionários e professores da Unicamp por gentilmente terem me ajudado e me guiado no decorrer deste trabalho, me dando todo o suporte necessário.
Por último, mas não menos importante, agradeço a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e o Prof. Dr. Antônio Domingues de Figueiredo, por terem colaborado na execução desta pesquisa, e em especial a especialista em laboratório, Renata Monte que, mesmo sem obrigação nenhuma, me recebeu em seu laboratório de braços abertos e me deu toda ajuda necessária para conclusão desta pesquisa.
RESUMO
Esta pesquisa versa sobre o estudo das propriedades mecânicas do concreto auto-adensável reforçado com fibras de aço e a análise de sua produção. A introdução de fibras de aço no concreto contribui para o reforço do compósito quando submetido a carregamento que gera tensão de tração, melhorando principalmente sua ductilidade e tenacidade. Devido ao acréscimo de fibras, as tensões são transferidas por meio das fissuras, diminuindo a propagação e expansão das mesmas, conferindo resistência residual pós-fissuração do concreto, além de proporcionarem grande capacidade de absorção de energia, tornando o comportamento do compósito pseudo-dúctil. Para realização deste trabalho foram utilizadas fibras de aço Dramix 45/30, com ancoragem nas extremidades, dosadas nos teores 25 kg/m³, 50 kg/m³ e 75 kg/m³. Manteve-se a relação água/cimento, bem como o teor de argamassa para todas as misturas envolvidas. Para cada teor foram moldados corpos de prova cilíndricos de dimensões 10x20cm que foram submetidos aos ensaios de resistência à compressão e resistência à tração por compressão diametral, e prismas de concreto de 10x10x40 cm, que foram submetidas ao ensaio de tenacidade JSCE-SF4 e destas, foram extraídos corpos de prova de 10x10x10 cm para realização do Ensaio Barcelona, normalizado pela UNE 83515 (2010). Foram extraídas, também, pequenas amostras que, posteriormente, foram submetidas à Miscroscopia Eletrônica de Varredura (MEV), realizados no Centro Nacional de Pesquisa e Materiais CNPEM, onde foi possível analisar a interação da fibra de aço com a matriz de cimento. Os resultados mostraram-se favoráveis à utilização de fibras de aço no concreto auto-adensável e, por meio das curvas carga versus deslocamento foi possível correlacionar os ensaios Barcelona e JSCE-SF4, tendo um controle maior da abertura de fissuras, principalmente para os baixos teores de fibras.
Palavras chave: Materiais de construção; Ensaio Barcelona; tenacidade; fibras de aço; concreto
ABSTRACT
This research deals with the study of mechanical properties of self-compacting concrete reinforced with steel fibers and the analysis of its production. The introduction of steel fibers in concrete help to strengthen the composite when subjected to force that generates tensile stress, especially improving the ductility and toughness of the material. Fibers transfer stresses through the cracks, reducing its propagation and expansion, giving residual strength after cracking of the concrete, and provide a great capacity of absorption of energy, thus making the behavior pseudo-ductile of the composite. For this work, were used steel fibers Dramix 45/30, with anchoring at the ends, dosed at levels 25 kg / m³, 50 kg / m³ and 75 kg / m³. Remained the water/cement ratio and the content of mortar for all involved mixtures. For each content, were molded cylindrical specimens with dimensions 10x20 cm that were subjected to compressive strength tests and tensile strength by diametrical compression tests, and concrete prisms with dimensions 10x10x40 cm, that were submitted to JSCE-SF4 tenacity test and, from these, were extracted specimens of 10x10x10 cm for performing the Barcelona test, normalized by the UNE 83 515 (2010). Small samples were also extracted, which subsequently underwent to Electronic Miscroscopy, performed at the National Center for Research and Materials CNPEM, where it was possible to analyze the interaction of steel fiber to the cement matrix. The results were favorable to the use of steel fibers in self-compacting concrete and, through the load curves versus displacement, was possible to correlate the Barcelona test and JSCE-SF4 taking greater control of crack width, especially for the low fiber content.
Key words: Building materials; Barcelona test; tenacity; steel fibers; self-compacting concrete.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: Detalhe do pilar de ancoragem da ponte Akashi-Kaikyo... 22
FIGURA 2: Foto da ponte Akashi-Kaikyo... 22
FIGURA 3: Detalhes o pilar de ancoragem da fundação da ponte... 23
FIGURA 4: Utilização do CAA na fundação da ponte Akashi-Kaikyo... 23
FIGURA 5: Laje sendo concretada com CAA em Goiás... 24
FIGURA 6: Ensaio com o cone de Abrams... 26
FIGURA 7: Modelo de caixa L com medidas em milímetros... 28
FIGURA 8: Equipamento para o ensaio de viscosidade Funil V com medidas em milímetros... 30
FIGURA 9: Diferentes tipos de fibras de aço... 34
FIGURA 10: Princípio de reforço da matriz com fibra de aço... 36
FIGURA 11: Esquema de concentração de tensões para um concreto com o reforço de fibras... 37
FIGURA 12: Posicionamento de corpo-de-prova, LVDT e cutelos no ensaio de tração na flexão com o sistema "yoke"... 39 FIGURA 13: Critério da JSCE SF-4 (1984) para a determinação da tenacidade.... 40
FIGURA 14: Ensaio Barcelona... 41
FIGURA 15: Ensaio Barcelona simplificado... 41
FIGURA 16: Esquema do procedimento de ensaio: medida nos 3 eixos principais... 43
FIGURA 17: Fluxograma da parte experimental da pesquisa... 45
FIGURA 18: Fibras de aço Dramix... 50
FIGURA 19: Corpos de prova produzidos... 51
FIGURA 20: Valores da determinação do espalhamento... 53
FIGURA 22: Realização do ensaio de determinação da habilidade passante... 54
FIGURA 23: Valores da determinação da habilidade passante... 55
FIGURA 24: Valores da determinação da viscosidade... 55
FIGURA 25: Realização do ensaio de determinação da viscosidade... 56
FIGURA 26: Realização do ensaio de resistência à compressão... 57
FIGURA 27: Valores da resistência à compressão... 58
FIGURA 28: Realização do ensaio de resistência à tração... 59
FIGURA 29: Valores da resistência à tração... 60
FIGURA 30: Amostras a serem analisadas no MEV... 61
FIGURA 31: Interação fibra-matriz... 61
FIGURA 32: Local ocupado pela fibra antes de sua movimentação... 62
FIGURA 33: MEV da parte fixa da fibra com a matriz (a) e amostra analisada (b)... 63
FIGURA 34: Calibração do equipamento... 63
FIGURA 35: Gráfico de indutância... 65
FIGURA 36: Medida do corpo de prova... 66
FIGURA 37: Porcentagem de fibras em cada eixo para o traço 1... 67
FIGURA 38: Porcentagem de fibras em cada eixo para o traço 2... 67
FIGURA 39: Porcentagem de fibras em cada eixo para o traço 3... 68
FIGURA 40: Execução do ensaio de flexão JSCE-SF4... 69
FIGURA 41: Resultados do ensaio JSCE – SF4 para o teor 25 kg/m³ de fibra de aço... 69
FIGURA 42: Resultados do ensaio JSCE – SF4 para o teor 50 kg/m³ de fibra de aço... 70
FIGURA 43: Resultados do ensaio JSCE – SF4 para o teor 75 kg/m³ de fibra de aço... 70
FIGURA 45: Resultados do Ensaio Barcelona para o teor 25 kg/m³ de fibra de aço... 72
FIGURA 46: Resultados do Ensaio Barcelona para o teor 50 kg/m³ de fibra de aço... 72
FIGURA 47: Resultados do Ensaio Barcelona para o teor 75 kg/m³ de fibra de aço... 73
LISTA DE TABELAS
TABELA 1: Classes de espalhamento (slump-flow)... 26
TABELA 2: Classes de Viscosidade plástica aparente t50 (sob fluxo livre)... 27
TABELA 3: Classes de espalhamento do CAA em função de sua aplicação... 27
TABELA 4: Classes de habilidade passante caixa L (sob fluxo confinado)... 28
TABELA 5: Classes de habilidade passante do CAA em função de sua aplicação... 29
TABELA 6: Classes de viscosidade plástica aparente do CAA em função de sua aplicação... 31
TABELA 7: Classificação e geometria das fibras de aço... 35
TABELA 8: Propriedades físicas e químicas do CPV ARI... 46
TABELA 9: Análise química da sílica ativa... 46
TABELA 10: Composição granulométrica do agregado graúdo... 47
TABELA 11: Composição granulométrica do pó de pedra... 48
TABELA 12: Composição granulométrica do agregado miúdo... 48
TABELA 13: Características do aditivo plastificante MC-TechniFlow 520... ... 49 TABELA 14: Especificações das fibras de aço... 49
TABELA 15: Traço utilizado na pesquisa... 50
TABELA 16: Dosagem das fibras de aço... 51
TABELA 17: Resultados do concreto no estado fresco... 52
TABELA 18: Resultados do concreto no estado endurecido... 56
TABELA 19: Resultados da resistência à compressão aos 28 dias... 57
TABELA 20: Resultados da resistência à tração aos 28 dias... 59
TABELA 21: Valores de i e i para o corpo de prova de isopor de 25 g de fibras de aço... ... 64 TABELA 22: Valores de Cf encontrados para cada corpo de prova... 65
TABELA 23: Valores dos teores de fibras de cada traço... 66
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 15
1.1 Contextualização e justificativa... 15
1.2 Objetivos... 17
2 O CONCRETO AUTO ADENSÁVEL... 19
2.1 Definição... 19
2.2 Histórico... 19
2.3 Vantagens e desvantagens... 20
2.4 Utilização... 21
2.5 Trabalhabilidade e normalização do CAA... 24
2.5.1 Classificação, controle e aceitação no estado fresco... 24
2.5.2 Determinação do espalhamento e do tempo de escoamento – Método do Cone de Abrams... 25
2.5.3 Determinação da habilidade passante – Método da Caixa “L”... 27
2.5.4 Determinação da viscosidade – Método do Funil “V”... 29
3 O CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO... 32
3.1 Histórico... 32
3.2 Fibras de aço... 33
3.3 Características e comportamento do Concreto Reforçado com Fibras (CRF).... 35
4 CONTROLE DO CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS... 38
4.1 Tenacidade e o método JSCE-SF4... 38
4.2 Ensaio Barcelona... 40
4.3 Ensaio de quantificação e caracterização da orientação das fibras... 42
5 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL... 44 5.1 Materiais... 45 5.1.1 Cimento Portland... 46 5.1.2 Sílica Ativa... 46 5.1.3 Agregado Graúdo... 47 5.1.4 Pó de Pedra... 47 5.1.5 Agregado Miúdo... 48 5.1.6 Aditivo Plastificante... 49 5.1.7 Fibras de Aço... 49 5.2 Dosagem Experimental... 50
5.3 Produção dos Concretos... 51
6 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS... 52
6.1 Ensaios no estado fresco... 52
6.1.2 Determinação da habilidade passante – Método da Caixa “L”... 54
6.1.3 Determinação da viscosidade – Método do Funil “V”... 55
6.2 Ensaios no estado endurecido... 56
6.2.1 Resistência à compressão... 57
6.2.2 Resistência à tração por compressão diametral... 58
6.2.3 Microestrutura Eletrônica de Varredura (MEV)... 60
6.2.4 Ensaio de quantificação e caracterização da orientação das fibras... 63
6.2.5 Ensaio de flexão JSCE-SF4... 68
6.2.6 Ensaio Barcelona... 71
6.2.7 Tenacidade... 71
7 CONCLUSÕES... 75
8 PROPOSTAS DE DESENVOLVIMENTO FUTURO... 77
1 INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização e justificativa
O concreto auto-adensável (CAA) foi desenvolvido na Universidade de Tóquio, no Japão, em 1986, com seu primeiro protótipo obtido em 1988 (GOMES, 2002). Atualmente, muitos pesquisadores tem estudado o CAA, como Celik et al. (2014), Khaleel et al. (2014), Oliveira et al. (2014), Marques et al. (2015), Benito et al. (2015).
As principais características do concreto auto-adensável são a elevada fluidez e viscosidade moderada, sendo que o mesmo é capaz de se mover no interior das formas, preenchendo-as uniformemente, somente pela ação de seu peso próprio. Apresenta inúmeras vantagens, entre as quais pode-se citar economia pela ausência de vibração e redução do número de operários necessários na concretagem, melhoria das condições no ambiente de trabalho pela eliminação de ruídos provocados pelos equipamentos de adensamento mecânico. Sua aplicação é indicada em concretagens de peças com formas complexas ou com elevada densidade de armadura. O CAA deve apresentar resistência à segregação e à exsudação, além de diminuir o teor de vazios da mistura fresca sem a necessidade de vibração. Tais características no estado fresco são obtidas pela utilização de aditivo superplastificante e pela adição à mistura de uma grande quantidade de finos e/ou o uso de aditivos modificadores de viscosidade (BENTUR e MINDESS, 2007).
Segundo Gomes et al. (2006), os benefícios do CAA geralmente são mais direcionados ao estado fresco, tendo suas propriedades no estado endurecido menos discutidas, porém, alguns estudos constataram que o CAA alcança resistências superiores quando comparadas com a dos concretos convencionais.
No estado endurecido, considerando-se o mesmo fator água/cimento, o CAA apresenta resistências mecânicas superiores ao concreto convencional, não apresentando diferença significativa entre os valores de módulo de elasticidade (BARROS, 2006). Apesar de algumas controvérsias, alguns trabalhos indicam que pela elevada quantidade de finos presentes na mistura do CAA, o mesmo pode apresentar retração maior do que a do concreto convencional (ROZIÈRE et al., 2007).
Para a produção de CAA, são utilizados os mesmos materiais dos concretos convencionais, porém com maior adição de finos, sendo eles adições minerais ou fílers, juntamente com o uso de aditivos plastificantes e superplastificantes e por vezes aditivos modificadores de viscosidade. (CHENG, 2013). A adição de finos melhora diversas
propriedades do CAA, tanto no estado fresco como no endurecido. Acredita-se que os finos atuam como pontos de nucleação, quebrando a inércia do sistema, fazendo com que as partículas de cimento sofram reação mais rápida com a água, fazendo com que ocorra ganhos de resistências nas primeiras idades. Atuam também no aumento do pacote de finos, fazendo com que haja um crescimento na densidade da pasta, dificultando a penetração de agentes agressivos e melhorando a zona de transição (BOSILJKOV, 2003).
A adição de fibras de aço no concreto pode incrementar várias de suas propriedades, como resistência à tração, compressão, tenacidade, resistência à fadiga, impacto e cargas explosivas, além de permitirem melhorias na resistência à abrasão, cisalhamento e no controle de fragmentação (FIGUEIREDO, 2011). Tais benefícios são possíveis devido à capacidade das fibras em modificar o mecanismo de ruptura do compósito, por meio do controle dos seus processos de micro e macro-fissuração. Este comportamento é melhor quando se tem um compósito com adequada dispersão das fibras, maximizando suas propriedades mecânicas (NUNES, 2005).
Devida à adição de fibras de aço, a resistência à compressão e o módulo de elasticidade do concreto permanecem praticamente os mesmos. Sob flexão, a carga que provoca a fissura inicial pode ser aumentada, e quando a primeira fissura ocorrer, as forças podem ser transferidas por meio das seções da fissura, e consequentemente, é prevenida uma ruptura frágil (HOLSCHEMACHER et al., 2002).
De acordo com Chenkui e Guofan (1995), a acomodação das fibras tende a ocorrer na interface entre o agregado graúdo e a matriz argamassa, onde há uma maior probabilidade de desenvolvimento da fissura. Dessa forma, se as fibras são muito curtas, não interceptam as fissuras, e, se as fibras são muito longas, prejudicam as propriedades do concreto no estado fresco, afetando, consequentemente, as propriedades no estado endurecido. Assim, é recomendado que a relação entre o comprimento da fibra e a dimensão máxima do agregado graúdo esteja na faixa de 1,5 a 2,0.
Sendo conhecidos os benefícios do CAA, a adição de fibras de aço pode melhorar suas propriedades no estado endurecido, principalmente os esforços que induzem tensões de tração, como a solicitação que o concreto em vigas submetidas à flexão e cisalhamento sofre. Portanto, se o uso do CAA traz inúmeras vantagens, o reforço com fibras de aço trará novas vantagens e possibilidades de aplicação, tornando o material mais eficiente (BARROS, 2009). Segundo Figueiredo (2011), a pesquisa sobre o concreto reforçado com fibras (CRF) no mundo é liderada pela Europa e Estados Unidos da América. Nos países desenvolvidos a realidade é bem distinta dos demais e do Brasil em particular, começando por
uma normalização bem estabelecida. A falta de fundamento técnico de especificadores e pesquisadores brasileiros é agravada pela carência de referências normativas a respeito do assunto, o que pode ser explicado pela pouca quantidade de pesquisadores brasileiros atuando na área do CRF, além de haver uma grande dificuldade de transferir os resultados de pesquisas para o meio produtivo.
De acordo com Figueiredo (2011), um dos maiores desafios da tecnologia do CRF no Brasil é conseguir laboratórios capacitados para realizar ensaios de tenacidade com condição mínima de reprodutibilidade. No estudo apresentado por Guimarães e Figueiredo (2002) resultados de ensaio obtidos em quatro laboratórios paulistas dotados de equipamentos para a realização do ensaio de tração na flexão com deformação controlada foram avaliados. Foram enviados para todos os laboratórios corpos de prova de CRFA moldados de forma similar e com o mesmo material em um mesmo laboratório, com o intuito de prejuízos no resultado do ensaio devido às variáveis provenientes da produção dos corpos de prova em condições distintas. Porém, todos os cuidados se mostraram inúteis em função do baixo nível de qualidade de resposta de alguns laboratórios, que apresentaram gráficos completamente diferentes dos usuais, problemas com a prensa utilizada no ensaio, entre outros problemas, na execução do ensaio de controle do CRF de concepção mais simples entre todos os normalizados no mundo.
Diante disto, a presente pesquisa foi desenvolvida com a finalidade de avançar no conhecimento referente à dosagem e controle do concreto auto-adensável reforçado com fibras de aço.
1.2 Objetivos
O objetivo principal do presente trabalho foi desenvolver e analisar ensaios mecânicos em concreto auto- adensável reforçado com diferentes porcentagens de fibras de aço, 25 kg/m³, 50 kg/m³ e 75 kg/m³, tanto em seu estado fresco como endurecido.
Como objetivos complementares:
Avaliar as propriedades no estado fresco: determinação do espalhamento pelo método do Cone de Abrams, determinação da habilidade passante pelo método da Caixa L e determinação da viscosidade pelo método do Funil V;
Moldar corpos de prova cilíndricos de dimensões 10 cm x 20 cm e vigas de concreto de dimensões 10 cm x 10 cm x 40 cm para realização do ensaio de tenacidade;
Avaliar as propriedades nos ensaios no estado endurecido: resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral e de tenacidade (utilizar tanto o método de ensaio de tenacidade JSCE-SF4 como o Ensaio Barcelona, normalizado pela UNE 83515-2010);
Comparar os resultados entre os dois métodos de ensaios de tenacidade; Verificar a interação entre as fibras de aço e a matriz de concreto por meio do ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).
2 O CONCRETO AUTO ADENSÁVEL
2.1 Definição
O concreto auto-adensável é descrito como um material cimentício capaz de moldar as formas e preencher todo seu espaço por meio da ação do seu peso próprio, sem a necessidade de qualquer forma de compactação ou vibração externa (ARAÚJO et al., 2003). Sua auto-adensabilidade no estado fresco é descrita como a habilidade que ele tem de preencher todos os espaços, envolvendo as barras de aço e obstáculo com uma homogeneidade adequada (BOSILJKOV, 2003).
Para ser considerado auto-adensável, o concreto deve apresentar três propriedades principais: fluidez, habilidade passante e a resistência à segregação (European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems, 2002).
Fluidez é a capacidade que o concreto auto-adensável tem de fluir dentro da forma, preenchendo todos os espaços. Habilidade passante é a propriedade que caracteriza a capacidade que o CAA tem de escoar intacto entre as armaduras sem que ocorra segregação ou obstrução do fluxo (FURNAS, 2004). E a resistência à segregação é a capacidade da mistura se manter coesa ao fluir dentro das formas, passando ou não por obstáculos (EFNARC, 2002).
2.2 Histórico
Segundo Okamura e Ouchi (2003) a partir de 1983, no Japão, o problema de durabilidade das estruturas de concreto foi o assunto de maior interesse. Um concreto de boa qualidade deve ter uma compactação feita corretamente, porém devido a falta de mão de obra especializada na construção civil era difícil obter essa compactação por meio de funcionários. Houve então a necessidade de desenvolver um tipo de concreto que não necessitasse de vibração, que seu próprio peso fosse o suficiente para sua compactação. A necessidade deste tipo de concreto foi proposta por Okamura em 1986.
O sucesso do desenvolvimento do aditivo superplastificante, anti-segregante em concretos submersos no oeste da Alemanha impulsionou o desenvolvimento do CAA no Japão nos anos 80 (METHA, 1999).
De acordo com Bartos (2000), no Brasil, até a década de 70, a utilização do CAA era presente apenas em concretagens submersas, como na fundação da ponte Rio Niterói e nas
paredes diafragmas da Estação São Bento do metrô paulistano. Nessas obras, a utilização do CAA se deu pelo fato do mesmo não necessitar de compactação ou adensamento externo, ações impossíveis de se realizar. Mas como estes concretos continham alto teor de pasta de cimento e aditivos plastificantes, apresentavam problemas de retração, calor de hidratação elevado e alto custo. Até meados dos anos 70, o ACI (American Concrete Institute) não recomendava que se utilizassem misturas com resultados de abatimento (Slump test) acima de 175 mm, devido ao aumento exponencialmente da exsudação. Mas com a evolução dos aditivos superplastificantes, foi possível dosar concretos fluidos com valores de abatimento acima de 250 mm com nenhuma ou desprezível exsudação. Assim, foi surgimento do que chamamos de concretos fluidos com baixa tendência a exsudação.
No início do século 21, este tipo de concreto foi utilizado em outros tipos de obras, tais como em concretagem com excesso de armaduras ou fundações de difícil acesso para vibração. A partir de 2004, em cidades como Goiânia, Belo Horizonte, Florianópolis e Porto Alegre, surgiram as aplicações de CAA em edifícios (GEYER; SENA, 2001).
2.3 Vantagens e desvantagens
O concreto auto-adensável é tido como uma grande revolução ocorrida na tecnologia do concreto para a construção nas últimas décadas por possibilitar vários ganhos, diretos e indiretos, entre os quais pode-se citar (ARAÚJO et al., 2003):
Acelera a construção;
Reduz a mão de obra no canteiro;
Melhora o acabamento final da superfície;
Pode aumentar a durabilidade por ser mais fácil de adensar; Permite concretagem em peças de seções reduzidas;
Elimina o barulho da vibração
Torna o local de trabalho mais seguro, em função da diminuição do número de trabalhadores;
Pode obter um ganho ecológico;
Pode reduzir o custo final do concreto e/ou estrutura.
Além das vantagens mencionadas, De La Peña (2001) afirma que o CAA apresenta altas resistências à compressão a curto e longo prazo, baixa relação água/cimento, baixa permeabilidade e alta durabilidade. O seu principal atrativo é a eliminação de vibração,
que além de proporcionar economia de energia elétrica e de mão de obra, elimina o ruído produzido pela vibração que pode causar doenças nos operários. Além disso, a vibração pode desgastar e exercer pressão sobre as formas, podendo estas ceder se não estiverem bem presas e colaborar para a diminuição da vida útil das mesmas.
Uma melhoria nas propriedades do CAA, tanto no estado fresco como no endurecido, pode ser obtida com a adição de finos no concreto. Estes atuam como pontes de nucleação quebrando a inércia do sistema, fazendo com que as partículas de cimento reajam mais rapidamente com a água, obtendo-se, assim, ganhos de resistência mais rapidamente (BOSILJKOV, 2003).
Segundo Okamura e Ouchi (2003), além da adição de finos, a produção do CAA também exige a diminuição da quantidade de agregado graúdo presente na mistura, o que torna o uso do CAA em obras limitante devido ao elevado custo destes materiais. Seu uso se torna um grande desafio para as concreteiras, primeiro, porque impulsiona as fabricas a investir em pesquisas a fim de se determinar um traço ideal de CAA; segundo, porque obriga as usinas a monitorar o processo de fabricação do concreto para garantir a qualidade das matérias-primas que o constituem, evitando possíveis variações do material no estado fresco que podem vir a ocorrer, além de se fazer necessários treinamentos específicos das equipes de recebimento e aplicação do CAA na obra.
Em relação ao controle dos processos de transporte, são necessários alguns cuidados especiais no transporte do CAA da usina até a obra para evitar, principalmente, sua segregação. Devido a utilização de aditivos químicos, o tempo de aplicação do concreto auto-adensável é menor que o concreto convencional, levando as empresas a ter uma logística de transporte eficiente, o que nem sempre é possível, em função dos problemas de trânsito. Outra desvantagem do concreto auto-adensável é que, em função de sua característica reológica e de sua alta fluidez, o CAA se comporta como um líquido quando lançado nas formas, gerando maiores pressões quando comparado ao concreto convencional. Neste caso são necessários maiores cuidados na escolha do tipo de escoramento das formas, obrigando os construtores a utilizarem equipamentos mais caros que garantam um travamento eficiente e completo de todas pecas estruturais (CAMPOS, 2013).
2.4 Utilização
O concreto auto-adensável pode ser utilizado nas mesmas estruturas que o concreto convencional, no entanto, devido ao seu alto valor, ele é mais utilizado em estruturas
que apresentam elevadas taxas de armadura ou estruturas onde o adensamento seja mais difícil.
De acordo com Tutikian (2004), um exemplo da utilização do concreto auto-adensável são as ancoragens da ponte Akashi-Kaikyo, conforme ilustram as Figuras 1 a 4, aberta em abril de 1998. A ponte em questão possuía m vão de 1991 metros, título de maior vão na época e foram utilizados cerca de 290 mil m³ de CAA.
Figura 1 – Detalhe do pilar de ancoragem da ponte Akashi-Kaikyo.
Fonte: O'Donnell, 1998. Figura 2 – Foto da ponte Akashi-Kaikyo.
Figura 3 – Detalhes o pilar de ancoragem da fundação da ponte.
Fonte: http://www.hsba.go.jp/bridge/aksubst1.htm
Figura 4 – Utilização do CAA na fundação da ponte Akashi-Kaikyo.
Fonte: http://www.hsba.go.jp/bridge/aksubst1.html
Um dos fatores que colaborou para a utilização de CAA nessa obra foi a alta taxa de armadura, além da grande dificuldade de adensamento. Porém, o principal motivo pelo uso do CAA na obra da ponte foi a diminuição do tempo total de obra, estimada em 20%. Com o uso do CAA a obra foi concluída em 2 anos, ao invés de 2,5 anos, como previsto se fosse utilizado o concreto convencional (TUTIKIAN, 2004).
No Brasil, o seu uso é pouco difundido devido a falta de informações sobre a utilização de aditivos, como superplastificantes e modificadores de viscosidade, bem como os altos custos desses aditivos (GEYER, 2005).
De acordo com Geyer (2005), um edifício em Goiás, Brasil, provavelmente foi a primeira construção convencional no Brasil a utilizar o CAA na totalidade da estrutura com
um acompanhamento técnico e econômico de todos os passos. O autor cita as vamtagens da utilização do CAA nessa obra como a redução em torno de 70% do número de trabalhadores, conforme mostra a Figura 5, uma maior velocidade na execução da estrutura (em até 300%), maior qualidade e facilidade no nivelamento da laje e eliminação de ninhos e falhas de concretagem, elevando a qualidade e, consequentemente, a durabilidade do edifício. Então, o CAA foi aprovado pela empresa, apesar de ter apresentado nesta obra um custo global de 8% superior ao concreto convencional.
Figura 5 – Laje sendo concretada com CAA em Goiás.
Fonte: Geyer, 2005.
Pode-se citar também como exemplo de utilização do CAA a ponte Arboga U955, na Suécia, desenvolvida para a travessia de pedestres e bicicletas. Essa ponte é um exemplo de como o CAA pode ser utilizado para todo tipo de estrutura desde estruturas complexas a construções simples (BERNABEU e LABORDE, 2000).
2.5 Trabalhabilidade e normalização do CAA
2.5.1 Classificação, controle e aceitação no estado fresco
A aceitação do concreto auto-adensável dosado em central e recebido na obra deve ser baseada na comprovação das seguintes propriedades:
Fluidez e viscosidade plástica aparente, avaliadas pelos ensaios:
Espalhamento e
t
50 - Previstos na ABNT NBR 15823-2:2010 ou Método do Funil V previsto na ABNT NBR 15823-5:2010. Habilidade passante, avaliada pelos ensaios:
Utilização do anel J – conforme a ABNT NBR 15823-3:2010 ou Método da caixa L - conforme ABNT NBR 15823-4:2010.
A seguir são descrevidos os testes determinados por norma e a parametrização.
2.5.2 Determinação do Espalhamento e do Tempo de Escoamento – Método do Cone de Abrams
A norma ABNT NBR 15823-2:2010 prescreve o método de ensaio para a determinação da fluidez do CAA, em fluxo livre, sob a ação de seu peso próprio, empregando-se o cone de Abrams.
Para a execução desse ensaio são utilizados uma base de um metro quadrado, geralmente de metal, mas pode ser de outros materiais desde que não absorva água e nem provoque atrito com a massa de concreto, um tronco de cone de material om as mesmas características da base, uma régua para medir o espalhamento e uma concha para colocar o concreto dentro do cone.
Primeiramente, deve-se umedecer os equipamentos para que os mesmos não absorvam a água do concreto. Posiciona-se sobre o círculo de diâmetro de 200 mm da base o tronco, de altura de 300 mm, diâmetro maior 200 mm e diâmetro menor 100 mm, sobre o círculo de diâmetro de 200 mm da base, como mostra a Figura 6.
A amostra de concreto deve ser coletada seguindo a ABNT NBR NM 33 (1998): concreto – Amostragem de concreto fresco. São utilizados cerca de 6 litros de concreto para o ensaio. Com ajuda da concha, o cone é preenchido com concreto, removendo com uma espátula o excesso do topo.
Não deve haver nenhum tipo de vibração, seja ela mecânica ou manual. O adensamento deve ser feito apenas pela ação da força da gravidade. Remove-se o cone verticalmente deixando que o concreto flua livremente. Mede-se o diâmetro do espalhamento em duas direções perpendiculares. A média destas medidas é o resultado do ensaio em milímetros.
Figura 6 – Ensaio com o cone de Abrams.
Fonte: Cavalcante, 2006.
O teste t50 é realizado simultaneamente com o cone de Abrams, porém, ao invés das medidas perpendiculares, usa-se um cronômetro para medir o intervalo de tempo, em segundos, entre o início e o final do escoamento do molde (200 mm) até cobrir totalmente a marca circular de diâmetro 50 cm da placa base, que será o resultado do ensaio.
Para a classificação do concreto utiliza-se os dados da ABNT NBR 15823-2:2010 segundo as Tabelas 1 a 3.
Tabela 1 – Classes de espalhamento (slump-flow).
Classe Espalhamento (mm) Método de Ensaio
SF1 550 a 650 ABNT NBR 15823 - 2
SF2 660 a 750 ABNT NBR 15823 - 2
SF3 760 a 850 ABNT NBR 15823 - 2
Tabela 2 – Classes de Viscosidade plástica aparente t50 (sob fluxo livre). Classe T 50 (segundos) Método de Ensaio
VS1 ≤ 2 ABNT NBR 15823 - 2
VS2 > 2 ABNT NBR 15823 - 2
Fonte: ABNT NBR 15823 – 1:2010.
Tabela 3 – Classes de espalhamento do CAA em função de sua aplicação. Classes de Espalhamento Espalhamento (mm) Aplicação Exemplo SF 1 550 a 650
Estruturas não armadas ou com baixa taxa de armadura e embutidos, cuja concretagem é realizada a partir do ponto mais alto com deslocamentos livre.
Concreto auto-adensável bombeado.
Estruturas que exigem uma curta distância de espalhamento horizontal do concreto auto-
adensável. Laje Revestimento de túneis Estacas e certas fundações profundas
SF2 660 a 750 Adequada para a maioria das aplicações correntes.
Paredes, vigas, pilares e outros
SF3 760 a 850
Estruturas com alta densidade de armadura e/ou de forma arquitetônica complexa, com o uso de concreto com agregado graúdo de pequenas dimensões
(menor que 12,5 mm)
Pilares-parede
Parede-diafragma
Pilares Fonte: ABNT NBR 15823 – 1:2010.
2.5.3 Determinação da Habilidade Passante – Método da Caixa L
Segundo a ABNT NBR 15823-4:2010 o ensaio da caixa L mede a fluidez do concreto e determina a habilidade passante em fluxo confinado do CAA. O equipamento consiste em uma caixa em forma de “L”, constituída por um depósito vertical com uma
abertura, controlada por uma comporta e um canal horizontal, mostrada na Figura 7. Atrás da comporta são colocadas barras de ferro que simulam a armadura real de uma estrutura.
Figura 7 – Modelo de caixa L com medidas em milímetros.
Fonte: ABNT NBR 15823 – 4:2010.
Para a execução do ensaio, umedece-se os equipamentos, que também devem ser feitos de material liso e não poroso, aloca-se o equipamento em local firme e fecha-se a comporta da caixa L. A câmara vertical da caixa é preenchida completamente, utilizando cerca de 12 litros de CAA, amostrado de acordo com ABNT NBR NM 33 (ABNT,1998a), de forma uniforme e sem qualquer tipo de adensamento, deixando o material se acomodar por cerca de 1 minuto.
Efetua-se a abertura da comporta de forma rápida, uniforme e sem interrupções, permitindo o escoamento do concreto para a câmara horizontal. Quando cessar o escoamento, mede-se a razão entre as alturas H1 e H2, de forma a se obter o valor do resultado do ensaio.
Para a classificação do concreto utiliza-se os dados da ABNT NBR 15823-4:2010 segundo as Tabelas 4 e 5.
Tabela 4 – Classes de habilidade passante caixa L (sob fluxo confinado).
Classe Caixa L (H2 / H1) Método de ensaio
PL1 ≥ 0,80 com duas barras de aço ABNT NBR 15823 – 4 PL2 ≥ 0,80 com três barras de aço ABNT NBR 15823 – 4
Tabela 5 – Classes de habilidade passante do CAA em função de sua aplicação. Classe de viscosidade plástica aparente Anel L Caixa L (H2 / H1) Aplicação Exemplo PL 1 / PJ 1 25 mm a 50 mm com 16 barras de aço ≥ 0,80 com duas barras de aço
Adequada para elementos estruturais com espaçamentos de armadura de 80 mm a 100 mm Lajes, painéis, elementos de fundação PL 2 / PJ 2 0 a 25 mm com 16 barras de aço ≥ 0,80 com três barras de aço
Adequada para a maioria das aplicações correntes.
Elementos estruturais com espaçamento de armadura de 60 mm a 80 mm Vigas, pilares, tirantes, indústria de pré-moldados Fonte: ABNT NBR 15823 – 1:2010.
2.5.4 Determinação da Viscosidade – Método do Funil V
Este ensaio se aplica a CAA preparado com agregado graúdo de dimensão máxima característica menor ou igual a 20 mm.
O aparelho utilizado neste ensaio, mostrado na Figura 8, é composto por um funil em forma de V retangular com uma porta que pode ser deslizante ou com dobradiça, para que mantenha o concreto no interior do aparelho até o início do ensaio.
Figura 8 – Equipamento para o ensaio de viscosidade Funil V com medidas em milímetros.
Fonte: ABNT NBR 15823 – 5:2010.
Para a realização deste ensaio, são necessários o equipamento em forma de funil, espátula, concha côncava e um cronômetro.
Deve-se umedecer todos os equipamentos antes da realização do ensaio, o funil deve estar suspenso para que o concreto possa fluir e em um local firme e nivelado.
Com a concha, deve-se preencher o funil com concreto coletado de acordo com a ABNT NBR NM 33 (1998), sendo que o mesmo deve ser adensado apenas pela ação do seu peso próprio, como nos outros ensaios, sem que haja qualquer interferência mecânica de vibração. Com ajuda da espátula, nivela-se o aparelho para retirar o excesso de concreto. Abre-se a porta do funil, permitindo um fluxo continuo apenas sob a ação da gravidade. O tempo que o concreto leva para esvaziar completamente o funil é o resultado do ensaio.
Para um concreto ser considerado auto-adensável, o tempo de escoamento deve se situar de acordo com a Tabela 6.
Tabela 6 – Classes de viscosidade plástica aparente do CAA em função de sua aplicação. Classes de viscosidade plástica aparente
t
50 (s) Funil V (s) Aplicação Exemplo VS 1 / VF 1 < 2 < 8Adequado para elementos estruturais com alta densidade de armadura e embutidos, mas exige controle da
exsudação e da segregação
Concretagens realizadas a partir do ponto mais alto com deslocamento
livre Lajes, paredes diafragma, pilares- paredes, indústria de pré-moldados e concreto aparente VS 2 / VF 2 > 2 9 a 25
Adequado para a maioria das aplicações correntes. Apresenta efeito tixotrópico que acarreta menor pressão sobre as formas e melhor resistência à
segregação.
Efeitos negativos podem ser obtidos como relação à superfície de acabamento (ar aprisionado), no
preenchimento de cantos e suscetibilidade a interrupções ou demora entre sucessivas camadas.
Vigas, pilares e outras.
Fonte: ABNT NBR 15823 – 1:2010.
Por meio deste ensaio é possível observar a facilidade do fluxo do concreto, sendo que quanto menor o tempo medido, maior a fluidez do concreto.
3 O CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
3.1 Histórico
Fibras são utilizadas para reforçar matrizes frágeis desde a antiguidade, quando palha ou capim eram usados como reforços de tijolos de barro secos ao sol (BENTUR e MINDESS, 2007 e BALAGURU e SHAH, 1992). Um exemplo da utilização de reforço fibroso em matrizes frágeis na natureza é a madeira, compósito fibroso cuja matriz, constituída de lignina e pectina, é reforçada com fibras de celulose.
Há décadas atrás, com o objetivo de incrementar as propriedades de resinas, metais e cerâmicas houve o crescente interesse no desenvolvimento de compósitos reforçados com fibras. No entanto, segundo Swamy (1975), a fibra de asbestos foi a primeira fibra inorgânica utilizada em materiais compósitos, provavelmente em 2500 a.C., no norte da Europa, com o objetivo de reforçar laterais de produtos cerâmicos.
Apesar do desenvolvimento de compósitos reforçados com fibras ter ocorrido com maior intensidade nas últimas décadas, em matrizes cimentíceas a primeira patente registrada data de 1874, por Berard. Em 1910, o concreto estrutural reforçado com pequenos pedaços de aço começou a ser considerado por Porter (1910), citado por Swamy (1975). Em 1911, o uso de fibras de aço como reforço do concreto para melhorar suas propriedades relacionadas à resistência e estabilidade foi sugerido por Graham (1911). A necessidade de alterar o formato das fibras para melhorar as propriedades de aderência foi reconhecida por Meischke-Smith em 1920 e Etheridge em 1933 (SWAMY, 1975).
Porém, o desenvolvimento do concreto reforçado com fibras (CRF), se deu após a I Guerra Mundial devido a procura das instituições militares de um material que absorvesse os impactos das explosões com baixa destruição do mesmo (EVANGELISTA, 2003). A partir daí, seu uso começou a ser disseminado no meio civil e nos anos 50 e 60 foram desenvolvidos concretos reforçados com fibras de aço (CRFA) (LOPES, 2005).
Nas décadas de 50 e 60 teve início a utilização de fibras como reforço de matrizes frágeis cimentíceas, inicialmente utilizando apenas fibras de aço retas (BENTUR e MINDESS, 2007). Algumas alterações no comportamento do material após o surgimento da primeira fissura, com o aumento na tenacidade pós-fissuração, foram mostradas nos resultados iniciais. Além disso, também surgiram os primeiros problemas relacionados à trabalhabilidade dessas matrizes reforçadas com fibras de aço, como a formação de novelos de fibras, principalmente quando eram utilizadas fibras longas, que apresentavam melhor
desempenho mecânico. Para impedir ou minimizar a formação destes novelos durante o processo de mistura, tentou-se diminuir o diâmetro do agregado graúdo utilizado, mas ainda assim, a redução na trabalhabilidade provocada pelo acréscimo de fibras insistia (BALAGURU e SHAH, 1992).
Surgiram, então, as fibras com gancho, que poderiam ser usadas em menores teores em relação às fibras retas, produzindo os mesmos resultados com relação à tenacidade do concreto, como mostraram Ramakrishanan et al. (1980), citados por Balaguru e Shah (1992). Tal avanço, junto com o surgimento de aditivos redutores de água capazes de tornar a mistura mais trabalhável, apontaram para perspectivas de surgimento de novos materiais, com grande aplicabilidade e com muitos benefícios em diversos ramos da engenharia.
A partir de então, vários tipos de fibras de aço com variadas formas e características foram desenvolvidos, proporcionando sua utilização também em reforços secundários (BENTUR e MINDESS, 2007).
Atualmente, o mercado de fibras de aço para utilização como reforço em matrizes cimentíceas possui uma grande variedade em tipos, tamanhos e geometrias, podendo as fibras serem lisas ou corrugadas, podendo ou não apresentar ancoragem, características estas que influenciam diretamente na aderência entre a fibra e a matriz e, consequentemente, nas propriedades mecânicas dos compósitos. Seu comprimento geralmente varia entre 5 mm a 65 mm e o diâmetro de 0,10 mm a 1,0 mm, com valores de tensão de ruptura podendo alcançar 2100 MPa; possuem valores de módulo de elasticidade de 200 a 210 GPa e deformação na ruptura entre 0,5% e 3,5% e podem ser encontradas no mercado soltas ou em feixes (VELASCO, 2008).
3.2 Fibras de Aço
O código do American Concrete Institute, ACI 544.1R (1996), define as fibras de aço para reforço do concreto como sendo comprimentos discretos de aço tendo uma relação entre o comprimento e o diâmetro da seção transversal entre 20 e 100, com várias formas de seção transversal, pequenas o suficiente para serem dispersas aleatoriamente e misturadas no concreto fresco por procedimentos usuais. O intuito da utilização deste tipo de fibra é aumentar a tenacidade, resistência à flexão, resistência ao impacto e fadiga e o controle da fissuração do compósito.
As fibras de aço apresentaram desenvolvimentos constantes, perceptíveis pelas patentes existentes, como mostra a Figura 9. Elas variam em processo de fabricação, nas
características do aço utilizado ou nas propriedades mecânicas, como resistência à tração, grau de ancoragem mecânica e capacidade de absorver e distribuir tensões. Estão longe dos “pregos” que originalmente eram utilizados, segundo Evangelista (2003).
Figura 9 – Diferentes tipos de fibras de aço.
Fonte: Weiler & Grosse (1996)
São provenientes de diversos processos de fabricação, sendo o mais comum o que a fibra é obtida por corte de arame de aço-carbono ordinário trefilado, sendo as fibras produzidas com ligas metálicas as mais indicadas para situações onde se exige maior resistência à corrosão ou concretos submetidos à altas temperaturas (OLIVEIRA, 2005).
As fibras de aço são normalizadas pela norma brasileira ABNT NBR 15530 (2007), que prevê três classes, definidas de acordo com o aço que as deu origem: indica fibra de aço proveniente de arame trefilado à frio, a Classe II corresponde à fibra de aço obtida a partir de chapa laminada cortada à frio e a Classe III, referenciando fibra de aço oriunda de arame trefilado e escarificado. Além disso, há três tipos mais comuns segundo sua geometria, como mostra a Tabela 7.
Tabela 7 – Classificação e geometria das fibras de aço.
Fonte: FIGUEIREDO et al. (2008).
Segundo Figueiredo et al. (2008), além de possibilitar o estabelecimento de requisitos mínimos que podem ser correlacionados com o comportamento final do CRFA, essa classificação procurou também abranger a maioria das fibras de aço disponíveis no mercado nacional.
3.3 Características e Comportamento do Concreto Reforçado com Fibras (CRF)
Apesar do concreto de cimento Portland apresentar inúmeras vantagens, como a capacidade de produzir estruturas com infinitas variações de forma, capacidade de apresentar uma grande variação de suas propriedades em função do tipo de componentes principais e de suas proporções, bem como de utilização ou não de uma grande variedade de aditivos e adições, apresenta também algumas limitações, como o comportamento de ruptura frágil e
pequena capacidade de deformação, quando comparado com outros materiais estruturais como o aço, além do concreto apresenta resistência à tração bem inferior à resistência à compressão. Tal comportamento está associado às fissuras que se formam ou já estão presentes no concreto, que prejudicam muito mais o material quando solicitado à tração do que à compressão (MEHTA e MONTEIRO, 2014).
Quando submetida à flexão, uma viga de concreto possui zonas com altas tensões de compressão e de tração. A solução para este problema é o concreto armado, onde a inserção de armaduras nos elementos de concreto é capaz de absorver as tensões de tração que surgem (WEILER & GROSSE, 1996).
Como recurso alternativo, fibras de aço podem ser adicionadas ao concreto em frações volumétricas adequadas aliando-se ao concreto armado no combate às tensões de tração induzidas. Assim, as fibras podem reduzir o aparecimento de fissuras, inclusive aquelas decorrentes da retração do concreto (BARROS, 2009).
A adição de fibras de aço praticamente não altera a resistência à compressão e o módulo de elasticidade do concreto, porém, sob flexão, pode aumentar a carga que provoca a fissura inicial, e quando a primeira fissura ocorrer, as forças que são liberadas podem ser transferidas por meio das seções da fissura, e consequentemente, é prevenida uma ruptura frágil (HOLSCHEMACHER et al., 2002), conforme Figura 10.
Figura 10 – Princípio de reforço da matriz com fibra de aço.
Fonte: WEILER & GROSSE (1996).
Diversos fatores podem influenciar as propriedades mecânicas dos concretos reforçados com fibras de aço, entre os quais, segundo Lopes (2005), os principais são a interação fibra/matriz, o comprimento das fibras e orientação e volume das fibras no concreto.
Concretos simples tendem a concentrar tensões na extremidade das fissuras e quando a tensão superar a resistência da matriz ocorre a ruptura abrupta do material, caracterizando um comportamento frágil. Já o concreto reforçado com fibras deixa de ter o comportamento frágil pelo fato da fibra servir como ponte de transferência de tensões pelas
fissuras, minimizando a concentração de tensões nas extremidades das mesmas, conforme o ilustrado na Figura 11, apresentando certa capacidade portante pós-fissuração (FIGUEIREDO, 2000).
Figura 11 – Esquema de concentração de tensões para um concreto com o reforço de fibras.
4 CONTROLE DO CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS
4.1 Tenacidade e o método JSCE-SF4
Tenacidade, para CRF, é a energia absorvida pelo compósito quando carregado, abrangendo a energia absorvida antes e depois da fissuração da matriz, quando as fibras passam a atuar de maneira mais efetiva. Essa tenacidade é calculada pela área sob a curva carga por deslocamento, que representa o trabalho dissipado no material, valor utilizado na avaliação dos compósitos, sendo que apresenta a desvantagem de depender das dimensões dos corpos de prova utilizados e do sistema de aplicação dos esforços (FIGUEIREDO, 2011).
Segundo Figueiredo (2011), o método de ensaio para determinação da tenacidade mais utilizado no Brasil é o ensaio prescrito pela Japan Society of Civil Engineers (JSCE-SF4, 1984), porém existem outros métodos, como os propostos pela European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures (EFNARC, 1996), pela American Society for Testing and Materials (ASTM C1399, 2002), pela International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures (RILEM TC162-TDF, 2003) e pelo Institut Belge de Normalisation NBN B 15-238.
O ensaio proposto pela JSCE-SF4 determina a tenacidade por meio da flexão de prismas com deformação controlada. Para isso, é necessário a utilização de prensas com capacidade de controle da velocidade de deslocamento, além da utilização do controle eletrônico de deslocamento por meio de um transdutor do tipo LVDT para garantir uma acuidade mínimo no levantamento da curva de carga por deslocamento. O transdutor deve ser apoiado num suporte denominado "yoke" (JSCE-SF4, 1984), o qual se encontra apresentado na Figura 12.
Figura 12 – Posicionamento de corpo-de-prova, LVDT e cutelos no ensaio de tração na flexão com o sistema "yoke".
Fonte: Figueiredo (1999).
A norma japonesa JSCE SF-4 (1984) é baseada na flexão de prismas sem entalhe. O vão deve ser equivalente a três vezes a altura do corpo de prova. Corpos de prova de 10x10x40cm³ são ensaiados com 30 cm de vão, e os de 15x15x50cm³ são ensaiados com 45 cm de vão. A dimensão do corpo de prova depende do tamanho da fibra utilizada no concreto. A medida da tenacidade é obtida a partir da curva de carga por deslocamento por meio da determinação do fator de tenacidade, que é obtido pela área total (Tb), medida em Joules ou kgf.cm, até o deslocamento equivalente a L/150, onde L é o vão que pode ter 30 cm ou 45 cm, como mostra a Figura 13 (FIGUEIREDO, 2011).
Figura 13 – Critério da JSCE SF-4 (1984) para a determinação da tenacidade
Fonte: Figueiredo; Helene (1997).
4.2 Ensaio Barcelona
De acordo com Pujadas (2013), devido a algumas falhas nos ensaios de tração uniaxial, o Departamento de Engenharia de Construção na Universidade Politécnica da Catalunha (UPC), como uma alternativa para caracterizar a CRF, propôs o ensaio Barcelona (MOLINS et al., 2009), uma adaptação do ensaio de duplo puncionamento DPT (CHEN, 1970). Este ensaio conduz a valores representativos da resistência e tenacidade do material com um coeficiente de variação médio inferior a 13% (MOLINS et al., 2009), que o tornam um ensaio muito adequado para o controle sistemático de CRF.
O Ensaio Barcelona (EB) normalizado pela AENOR UNE 83515 (2010) utiliza corpos de prova cilíndricos ou cúbicos e de dimensões pequenas, permitindo a extração de amostras de estruturas. Porém, segundo a norma, para a realização deste ensaio é necessário extensômetro circunferencial para medida do aumento do perímetro do corpo de prova ou TCOD (total circumferential opening displacement), que resulta numa limitação do ensaio, tendo em vista que este é um equipamento raro e incomum na maioria dos laboratórios. Com isso, Pujadas et al. (2013) propôs um Ensaio Barcelona simplificado, no qual um modelo converte o deslocamento vertical da presa no TCOD com um erro inferior a 6,7%, eliminando-se, assim, a necessidade do uso do extensômetro, e tornando possível a realização
do EB utilizando os recursos disponíveis nas máquinas universais dos laboratórios brasileiros, inclusive aquelas produzidas no Brasil (MONTE, 2015).
Na configuração original do EB, mostrado na Figura 14, mede-se o aumento do perímetro do cilindro por meio de um extensômetro de circunferência. Já o EB simplificado, mostrado na Figura 15, consiste no duplo puncionamento de um corpo de prova cilíndrico ou cúbico com relação entre o diâmetro e a altura igual a um O puncionamento é feito a partir de discos de carga com diâmetro de 1/4 do diâmetro do corpo de prova e altura de 1/5 da altura do corpo de prova, dispostos nas faces deste. A carga deve ser aplicada de forma uniforme com velocidade de descida do equipamento de 0,5 mm/min (MONTE et al., 2014).
Figura 14 – Ensaio Barcelona.
Fonte: Molins et al. (2009). Figura 15 – Ensaio Barcelona simplificado.
4.3 Ensaio de Quantificação e Caracterização da Orientação das Fibras
Estudos demostram que existe uma relação entre as resistências obtidas nos ensaios de tenacidade e o teor de fibras (Cf) do CRF (LIAO et al., 2015). Por esse motivo, é necessário avaliar o Cf para comprovar que o material utilizado na estrutura cumpre com o indicado no projeto. Com esse fim o método indutivo pode ser utilizado (GALOBARDES et al., 2015). Esta metodologia, que utiliza o eletromagnetismo produzido por uma bobina eléctrica para avaliar a quantidade de fibras metálicas que há dentro de um corpo de prova, foi desenvolvida por pesquisadores da Universidade Politécnica da Catalunya (LOPEZ, 2013).
Existem diferentes técnicas para a determinação da orientação das fibras, que podem ser classificadas em destrutiva e não destrutiva. Um exemplo de uma medição destrutiva da orientação das fibras é a contagem manual (SOROUSHIAN E LEE, 1990;. GETTU et al., 2005; DUPONT e VANDEWALLE, 2005), que refere-se indiretamente a quantidade de fibras em uma seção transversal com a orientação média das fibras com uma expressão teórica (KRENCHEL, 1975).
Nos últimos anos, as propriedades elétricas do concreto têm levado muitos estudos que enfocam o desenvolvimento e a utilização de métodos elétricos, a fim de consolidar a ensaios não destrutivos para a monitorização e diagnóstico das fibras (ÖZYURT et al., 2006). Neste sentido, a norma espanhola UNE 83512-1: 2005 (cancelada em 2006, por isso seu uso não se disseminou) propôs uma técnica de teste baseado na indução magnética aplicada a elementos cilíndricos.
A técnica envolve a colocação de um corpo de prova rodeado por duas bobinas que geram um campo magnético e um fluxo magnético devido a circulação de corrente eléctrica em uma das bobinas. Se este fluxo magnético for variável provoca um corrente induzida na outra bobina. Há reciprocidade entre o fluxo gerado por uma bobina e a corrente induzida na outra, e a sua relação é chamada de coeficiente de indutância mútua, que é uma medida da influência magnética entre as duas bobinas. Pode-se demonstrar que esse coeficiente depende somente da forma e da distância entre as bobinas assim como a natureza (ferromagnética) dos materiais perto das bobinas. Portanto, se o material das provetas muda, o coeficiente de indução também muda (BLANCO et al., 2012).
O método indutivo sugere a utilização de um enrolamento não uniforme para diminuir a diferença entre o centro e os extremos, alcançando um coeficiente de ponderação mais equilibrado entre todas as fibras, independentemente da sua localização geométrica. O método é capaz de medir o teor e a orientação das fibras de aço nos corpos de prova cúbicos.
O procedimento de ensaio consiste em colocar o corpo de prova sobre uma superfície não metálica, com a face do concreto na parte superior (eixo z), por exemplo. Em seguida, ao corpo de prova é envolvido pela indutância gerada pela bobina, como mostrado na Figura 16, e o aumento da indutância é medido. O mesmo procedimento é repetido com o corpo de prova para os eixos Y e X (BLANCO et al., 2012).
Figura 16 – Esquema do procedimento de ensaio: medida nos 3 eixos principais.
Fonte: Blanco et al. (2012).
Devido à natureza física dos campos eletromagnéticos, as fibras que se encontram em uma posição paralela à da direção do campo magnético variam a indutância da bobina, enquanto as situadas em posição perpendicular praticamente não geram nenhuma variação. Este princípio é o que permite determinar a orientação das fibras de acordo com os três eixos principais do corpo de prova. A dispersão nas medidas dos três eixos permite determinar a orientação e a média das medidas indica o conteúdo fibra. Uma característica a se destacar deste método é que as medidas utilizadas são independentes da idade do concreto (BLANCO et al., 2012).
5 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL
A parte experimental desta pesquisa foi composta por três principais etapas, que foram: a) caracterização dos materiais, b) produção dos concretos e, c) realização dos ensaios. Além da caracterização dos concretos no estado fresco, foram moldados, para cada traço desenvolvido nesta pesquisa, 8 corpos de prova cilíndricos de 10x20cm, posteriormente ensaiados aos 28 dias. Foram utilizados 4 corpos de prova para o ensaio de resistência à compressão (ABNT NBR 5739:2007) e 4 corpos de prova para o ensaio de resistência à tração por compressão diametral (ABNT NBR 7222:2011).
Para a avaliação da tenacidade pelo método JSCE-SF4 foram moldados 4 prismas de 10x10x40cm para cada traço, e posteriormente, destes primas foi extraído um cubo de 10 cm para a realização do Ensaio Barcelona e do Ensaio de Caracterização Multidirecional.
Após a realização desses ensaios da determinação da resistência à compressão foram coletados fragmentos desses corpos de prova e realizados ensaios de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As amostras foram coletadas no laboratório de materiais de construção civil da Faculdade de Tecnologia - Unicamp e analisados a interação entre a matriz de concreto e as fibras de aço.
Este capítulo apresenta o detalhamento do programa experimental adotado para o estudo dos concretos auto adensável reforçado com fibras de aço, como descrito no fluxograma apresentado na Figura 17.
Figura 17 – Fluxograma da parte experimental da pesquisa.
Fonte: Autor.
5.1 Materiais
Os materiais utilizados nesta pesquisa foram caracterizados por meio de ensaios físicos, obedecendo às prescrições da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).
Materiais Utilizados
Caracterização dos Materiais
Cimento CPV ARI Sílica Ativa Agregado Miúdo Pó de Pedra
Agregado Graúdo Aditivo Fibras de Aço
Dosagem do Concreto
Ensaios no Estado Fresco
Espalhamento Viscosidade Habilidade Passante
Ensaios no Estado Endurecido Resistência à Tração Resistência à Compressão Ensaio JSCE-SF4 MEV
5.1.1 Cimento Portland
O Cimento escolhido para a produção do concreto foi o Cimento Portland CPV ARI (Alta Resistência Inicial - ABNT NBR 5733/1991) da fabricante Holcim Brasil, com massa específica (ABNT NBR NM 23:2001) de 3,15 kg/dm3. Este tipo de cimento é bastante utilizado na fabricação de concreto, pois permite que o mesmo alcance alta resistências em poucos dias.
A Tabela 8 apresenta as características e propriedades desse cimento.
Tabela 8 – Propriedades físicas e químicas do CPV ARI.
Características e Propriedades Unidade CPV ARI
Massa específica (ABNT NBR NM 23:2001) Kg/dm³ 3,15
Massa unitária no estado solto (ABNT NBR NM 45:2006) Kg/dm³ 1,03
Tempo de pega (ABNT NBR 65:2003) Início min 130
Fim min 210
Resistência à compressão (fcj) (ABNT NBR 7215:1997)
1 dia MPa 27,5 3 dias MPa 42,3 7 dias MPa 46,8 28 dias MPa 56,0
Fonte: Valores disponibilizados pelo fabricante Holcim.
5.1.2 Sílica Ativa
Utilizou-se sílica ativa fornecida pela empresa SILICON Indústria e Comércio de Produtos Químicos Ltda., com massa específica (ABNT NBR NM 23:2001) igual a 2,20 kg/dm³. A Tabela 9 apresenta a composição química da sílica ativa utilizada nesta pesquisa.
Tabela 9 – Análise química da sílica ativa.
Composto % Fe2O3 0,08 CaO 0,36 Al2O3 0,17 M 0,55 Na2O 0,19 K2O 1,29 SiO2 95,61
5.1.3 Agregado Graúdo
O agregado graúdo para a produção do concreto foi do tipo basáltico, proveniente da região de Limeira/SP. Apresentou massa específica (ABNT NBR NM 53:2009) de 2,90 kg/dm3 e massa unitária compacta (ABNT NBR NM 45:2006) de 1,51 kg/dm3. A composição granulométrica desse material foi realizada de acordo com as prescrições da ABNT NBR NM 248:2003. A Tabela 10 apresenta a composição granulométrica do agregado graúdo.
Tabela 10 – Composição granulométrica do agregado graúdo.
Abertura da peneira (mm) Pedrisco
% retida % acumulada 12,5 0 0 9,5 1 1 6,3 27 28 4,8 34 63 2,4 29 91 1,2 2 94 0,6 1 94 0,3 0 94 0,15 0 94 Resíduo 6 100 Dmáx característica 9,5 mm Módulo de finura 5,31 Fonte: Autor. 5.1.4 Pó de Pedra
Empregou-se pó de pedra proveniente da região do município de Limeira, estado de São Paulo. A Tabela 11 apresenta a composição granulométrica, segundo as prescrições da ABNT NBR NM 248:2003. O pó de pedra utilizado apresentou massa específica (ABNT NBR NM 52:2009) igual a 2,64 kg/dm3 e massa unitária no estado solto e seco (ABNT NBR NM 45:2006) igual a 1,58 kg/dm3.
