Nelson Eduardo Domingues Freitas
Sustentabilidade de Estruturas de Betão
em Ambiente Marítimo com Recurso a FRP
Nelson Eduardo Domingues Freitas
Sus tent abilidade de Es tr utur as de Be tão
em Ambiente Marítimo com R
ecur
so a FRP
Universidade do Minho
dezembro de 2016
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Eduardo Nuno Borges Pereira
Professor Doutor José Manuel da Sena Cruz
Nelson Eduardo Domingues Freitas
Sustentabilidade de Estruturas de Betão
em Ambiente Marítimo com Recurso a FRP
Universidade do Minho
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GRADECIMENTOS
Nesta seção expresso o meu profundo reconhecimento e agradecimento a todas as pessoas e entidades que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.
Ao Professor Eduardo Pereira e ao Professor José Sena Cruz pela forma como conduziram o trabalho, desde a definição dos objetivos até à revisão dos conteúdos. Quero agradecer todos os ensinamentos técnicos e conselhos transmitidos. Quero ainda expressar a minha profunda gratidão pela dedicação, empenho, compreensão, disponibilidade e, principalmente, pela amizade que ambos mostraram. Aos alunos de doutoramento Ricardo Cruz e Pedro Fernandes quero manifestar todo o meu agradecimento por toda a ajuda e conhecimento transmitido durante esta etapa.
Aos técnicos do Laboratório de Estruturas (LEST), da Universidade do Minho, António Matos, Marco Peixoto, José Gonçalves, Cesar Gonçalves e Carlos Jesus agradeço pelo apoio prestado na execução dos trabalhos experimentais.
Quero também exprimir o meu reconhecimento às empresas S&P – Clever Reinforcement Ibérica Materiais de Construção, Lda., Burgoparaíso – Unipessoal Lda, Secil e Sika pela amabilidade em ceder os materiais para a execução dos trabalhos experimentais.
Aos meus amigos, que me acompanharam não só nesta etapa, mas ao longo de todo este percurso, quero agradecer toda a amizade e companheirismo.
Aos meus Pais, que sempre me apoiaram nos bons e maus momentos e que inúmeros sacrifícios fizeram por mim, quero expressar o meu profundo obrigado pelo seu carinho, amor e dedicação.
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ESUMO
Atualmente, a utilização de varões compósitos de fibra de vidro, GFRP, em estruturas de betão é considerada alternativa promissora face às armaduras convencionais de aço, especialmente em estruturas de betão sujeitas a ambientes agressivos. Explorar a oportunidade de utilizar a água do mar como água de mistura na conceção de estruturas de betão a construir em ambiente marítimo é também interessante. A distribuição de água doce no mundo não é uniforme, o que faz com que diversas regiões sofram de escassez hídrica. A produção de betão consome elevadas quantidades de água, caso seja possível substituir a água de mistura do betão isso será um importante contributo para mitigar o problema da escassez da água potável.
Sendo assim, considera-se importante desenvolver estudos nesta área de interesse. É nesta linha que a presente dissertação se insere, procurado avaliar o comportamento de aderência entre os varões de GFRP e a matriz de betão e avaliar as propriedades mecânicas do betão a longo prazo quando se utiliza água do mar como água de mistura.
O programa experimental que integra a presente dissertação inclui ensaios de arranque direto com o intuito de avaliar o comportamento de aderência entre o varão de GFRP e a matriz de betão de elevada resistência mecânica, quando é utilizada água potável e água do mar como água de mistura do betão. As variáveis em estudo foram: (i) diâmetro nominal do varão de GFRP; (ii) comprimento de amarração; (iii) idade do betão; e (iv) tipo de água utilizada na mistura do betão. A avaliação experimental da aderência realizou-se por intermédio de ensaio de arranque direto, Direct Pullout Test na literatura inglesa. Primeiramente, para se obter uma matriz de betão produzida em laboratório de elevada resistência mecânica, começou-se por realizar um estudo para o desenvolvimento e otimização da composição do betão a utilizar nos ensaios de arranque direto. A composição de betão a utilizar na avaliação experimental de aderência deve cumprir as seguintes premissas: (i) no estado fresco, apresentar elevada fluidez e estabilidade; (ii) no estado endurecido, apresentar resistência elevada. Adicionalmente, foi também realizada a caraterização mecânica dos varões de GFRP utilizados no
Palavras-Chave: Comportamento de aderência entre GFRP/matriz de betão, GFRP, ensaio de arranque direto, produção de betão com água do mar.
A
BSTRACT
Nowadays, the use of fiberglass composite rods, GFRP, in concrete structures is considered as a promising alternative to conventional steel reinforcement, especially in concrete structures subjected to harsh environments. Exploring the opportunity to use sea water as mixing water in the design of concrete structures to be built in marine environment is also interesting. The distribution of fresh water in the word is not uniform, which causes several regions to suffer from water scarcity. The production of concrete consumes high amounts of water, if it is possible to replace the concrete mixing water an important contribution for alleviating the problem of the scarcity of drinking water will be given.
Therefore, it is important to carry out studies in this domain area. It is in this line that the present master thesis is comprised, sought to evaluate the adhesion behavior between the GFRP rods and the concrete matrix and to evaluate the mechanical properties of the concrete in the long term when using sea water as mixing water.
The experimental program that integrates the present master thesis includes direct pullout tests in order to evaluate the adhesion behavior between the GFRP rod and the high mechanical strength concrete matrix when drinking water and sea water are used as mixing water of the concrete. The variables under study are: (i) nominal diameter of the GFRP rod; (ii) embedment length; (iii) concrete age; and (iv) type of water used in the concrete mix. The experimental evaluation of the adhesion was carried out by direct pullout test in the English literature. Firstly, to obtain a concrete matrix produced in a laboratory with high mechanical strength, a study was carried out to develop and optimize the composition of the concrete to be used in the direct pullout tests. The concrete composition to be used in the experimental adhesion evaluation must comply with the following assumptions: (i) in the fresh state, it should show high fluidity and stability; (ii) in the hardened state, it should exhibit high strength. In addition, the mechanical characterization of the GFRP rods used in the present experimental program was also performed by means of direct tension tests.
Í
NDICE Agradecimentos ... iii Resumo... v Abstract... vii Lista de Figuras ... xi Lista de Tabelas ... xv 1. Introdução ... 1 1.1 Enquadramento Geral ... 1 1.2 Objetivos do Trabalho ... 2 1.3 Organização da Dissertação ... 32. Revisão do Estado de Arte ... 5
2.1 Introdução ... 5
2.2 Durabilidade e Sustentabilidade de Estruturas em Ambiente Marítimo ... 5
2.3 Armaduras de Reforço Compósitas ... 9
2.3.1 Varão de FRP ... 9
2.3.2 Materiais Constituintes ... 10
2.3.3 Processo de Fabrico ... 14
2.3.4 Mecanismos de Aderência ... 15
3. Desenvolvimento e Caraterização da Matriz de Betão ... 19
3.1 Introdução ... 19
3.2 Método das Expressões Modificadas de Andreasen & Andersen ... 20
3.3 Materiais Utilizados na Composição ... 22
3.4 Desenho da Composição ... 23
3.4.1 Propriedades do Betão no Estado Fresco ... 26
3.4.2 Composição da Matriz de Betão Utilizada ... 32
3.5 Caraterização Mecânica das Composições ... 33
3.5.1 Propriedades do Betão no Estado Endurecido ... 33
4. Caraterização da Aderência entre Varões de GFRP e o Betão por Intermédio de Ensaios de Arranque Direto ... 41
4.2 Caraterização Mecânica dos Varões de GFRP ... 41
4.3 Ensaios de Arranque Direto ... 47
4.3.1 Programa Experimental ... 47
4.3.2 Resultados Obtidos ... 52
4.4 Discussão dos Resultados ... 61
5. Contributo da Utilização de água do Mar e de Armadura Compósita para a Sustentabilidade de Estruturas Marítimas ... 71
5.1 Introdução ... 71
5.2 Dimensionamento de Estruturas de Betão Reforçadas com GFRP ... 72
5.2.1 Durabilidade de Varões de FRP ... 73
5.2.2 Estados Limite Últimos (ELU) ... 76
5.2.3 Estados Limite de Utilização (SLS) ... 81
5.2.4 Disposições Construtivas ... 87
5.3 Alternativa FRP no Contexto da Análise do Ciclo de Vida ... 88
5.4 Caso Prático de Escala Reduzida ... 89
5.5 Conclusões ... 95
6. Conclusões ... 97
6.1 Considerações Finais ... 97
6.2 Desenvolvimentos Futuros ... 99
Bibliografia ... 101
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ISTA DE
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IGURAS
Figura 2.1 - Escassez hídrica na Terra (extraída de http://www.fewresources.org/water-scarcity-issues-were-running-out-of-water.html). ... 7 Figura 2.2 - Distribuição da água na Terra (extraída de http://www.fewresources.org/water-scarcity-issues-were-running-out-of-water.html). ... 8 Figura 2.3 - Curvas tensão vs extensão das fibras, FRP e matriz (ISIS, 2003). ... 10 Figura 2.4 - Curvas de tensão vs extensão das fibras: a) carbono HM, b) carbono HS, c) aramida, d) vidro-S, e) vidro-E, f) basalto. (FIB, 2007). ... 11 Figura 2.5 - Varão de FRP; (a) materiais constituintes na produção de varões de FRP; (b) estrutura interna do varão com ampliação de 60x e 240x (Gudonis et al. 2013). ... 13 Figura 2.6 - Processo de pultrusão, Fiberline Composites (extraída de http://heartworking2.fiberline.com/print/tablepages.asp?id=2574). ... 15 Figura 2.7 - Varões de FRP com diferentes superfícies (Gudonis et al. 2013). ... 15 Figura 2.8 - Componentes de aderência da armadura de reforço Schöck ComBar® (Gudonis et al. 2013). ... 17 Figura 3.1 - Agregados utilizados no fabrico do betão: (a) meia areia, (b) brita 4-8, (c) brita 8-16. ... 23 Figura 3.2 - Curvas granulométricas dos agregados utilizados. ... 23 Figura 3.3 - Análise granulométrica dos agregados disponíveis no estudo da composição do betão. ... 25 Figura 3.4 - Gráfico de otimização da mistura final com os três ingredientes: meia areia; brita 4-8; brita 8-16. ... 26 Figura 3.5 - Placa de base e cone de Abrams (De Shutter, 2005). Nota: as dimensões estão em milímetros. ... 27 Figura 3.6 - Comportamento mecânico das composições produzidas, resistência à compressão e módulo de elasticidade. ... 36 Figura 3.7 - Curvas de evolução das propriedades mecânicas: (a) evolução da resistência à compressão; (b) evolução do módulo de elasticidade. Nota: Os valores representados nos gráficos representam as entidades em estudo aos 7, 28 e 90 dias de idade. ... 39
Figura 4.2 - Execução dos provetes de ensaio: (a) pesagem dos componentes; (b) mistura homogeneizada dos componentes; (c) introdução da resina na seringa; (d) introdução da resina no tubo
de ancoragem. ... 43
Figura 4.3 - Ensaio de tração uniaxial, instrumentação utilizada nos provetes de ensaio. ... 44
Figura 4.4 - Curva tensão vs extensão do sistema instalado nos varões de GFRP. ... 45
Figura 4.5 - Curvas tensão vs deslocamento: (a) diâmetro de 8 mm; (b) diâmetro de 12 mm. ... 46
Figura 4.6 - Curvas tensão vs extensão: (a) diâmetro de 8 mm; (b) diâmetro de 12 mm. ... 46
Figura 4.7 - Ensaio de tração uniaxial, modo de rotura. ... 47
Figura 4.8 - Varões de GFRP utilizados no programa experimental: (a) diâmetro nominal de 8 mm; (b) diâmetro nominal de 12 mm. ... 49
Figura 4.9 - Comprimento de amarração, Lb: (a) representação do comprimento de amarração e zona não aderida; (b) (1), (2), (3), (4) corresponde ao comprimento de amarração de 40, 60, 80 e 120 mm, respetivamente. ... 50
Figura 4.10 - Configuração do ensaio de arranque direto: (a) representação esquemática da configuração de ensaio; (b) instrumentação utilizada na extremidade carregada; (c) vista geral do ensaio; (d) instrumentação utilizada na extremidade livre. Nota: todas as dimensões estão em milímetros. ... 51
Figura 4.11 - Sistema de ancoragem na extremidade do varão: (a) sistema de ancoragem utilizado na extremidade do varão; (b) amarra metálica em posição de ensaio. ... 52
Figura 4.12 - Curvas força de arranque vs deslizamento na extremidade carregada e na extremidade livre: (a) e (b) série dos 7 dias água potável, Lb5Ø e Lb10Ø, diâmetro nominal Ø8; (c) e (d) idem, diâmetro nominal de Ø12. ... 54
Figura 4.13 - Curvas força de arranque vs deslizamento na extremidade carregada e na extremidade livre: (a) e (b) série dos 7 dias, água do mar, Lb5Ø e Lb10Ø, diâmetro nominal Ø8; (c) e (d) idem, diâmetro nominal de Ø12. ... 55
Figura 4.14 - Curvas força de arranque vs deslizamento na extremidade carregada e na extremidade livre: (a) e (b) série dos 28 dias, água potável, Lb5Ø e Lb10Ø, diâmetro nominal Ø8; (c) e (d) idem, diâmetro nominal de Ø12. ... 57
Figura 4.15 - Curvas força de arranque vs deslizamento na extremidade carregada e na extremidade livre: (a) e (b) série dos 28 dias, água do mar, Lb5Ø e Lb10Ø, diâmetro nominal Ø8; (c) e (d) idem, diâmetro nominal de Ø12. ... 58
Figura 4.16 - Modos de rotura: (a) e (b) rotura total das nervuras; (c) e (d) rotura parcial das nervuras; (e) (f) deslizamento do varão. ... 60
Figura 4.17 - Força de arranque máxima vs diâmetro nominal do varão GFRP. ... 62
Figura 4.18 - Influência do comprimento de amarração: (a) tensão de aderência média vs comprimento de amarração, (b) deslizamento da extremidade carregada vs comprimento de amarração. ... 65
Figura 4.19 - Influência da água de mistura na resistência média à compressão vs idade do betão. ... 66
Figura 4.20 - Influência da água de mistura na força de arranque máxima vs água de mistura do betão. ... 67
Figura 5.1 - Distribuição de extensões e tensões num elemento de betão reforçado com FRP (Pilakoutas et al. 2011). ... 77
Figura 5.2 - Bloco de tensões simplificado proposto para elementos de betão armados com FRP (Fib 2007). ... 78
Figura 5.3 - Envolvente dos momentos fletores (Azenha et al. 2013). ... 90
Figura 5.4 - Envolvente dos esforços transversos (Azenha et al. 2013). ... 91
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ISTA DE
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ABELAS
Tabela 2.1 - Propriedades físicas e mecânicas das diferentes fibras de FRPs. ... 11
Tabela 2.2 - Propriedades das resinas termoendurecíveis (Fib 2007). ... 14
Tabela 3.1 - Procedimento utilizado para combinar os agregados disponíveis no estudo da composição. ... 25
Tabela 3.2 - Propriedades do betão no estado fresco, fase de desenvolvimento da matriz de betão. ... 29
Tabela 3.3 - Propriedades do betão no estado fresco, fase da caraterização do comportamento do varão de GFRP. ... 31
Tabela 3.4 - Composição do betão utilizada. ... 32
Tabela 3.5 - Resultados obtidos da resistência à compressão do betão, fase de desenvolvimento da matriz de betão. ... 34
Tabela 3.6 - Resultados obtidos da caraterização mecânica do betão utilizado no comportamento de aderência em varões de GFRP. ... 37
Tabela 3.7 - Previsão da evolução das propriedades mecânicas aos 90 dias de idade. ... 39
Tabela 4.1 - Caraterísticas geométricas das amostras de ensaio... 42
Tabela 4.2 - Resultados dos ensaios da caracterização mecânica dos varões de GFRP em valores médios. ... 47
Tabela 4.3 - Designação das séries utilizadas no estudo da caraterização experimental da aderência. 48 Tabela 4.4 - Propriedades mecânicas disponibilizadas pelo fabricante (ComBar ® by Fiberline 2015). ... 49
Tabela 4.5 - Influência do comprimento de amarração na tensão média de aderência máxima; valores máximos da tensão média de aderência obtidos a partir de três ensaios por tipo de provete. ... 64
Tabela 4.6 - Resultados obtidos nas séries ensaiadas aos 7 dias de idade do betão. ... 69
Tabela 4.7 - Resultados obtidos nas séries ensaiadas aos 28 dias de idade do betão. ... 70
Tabela 5.1 - Coeficiente de correção para a exposição à humidade em elementos de betão (Fib 2007). ... 74
Tabela 5.2 - Termo relativo à temperatura média anual (TMA) (Fib 2007). ... 75
Tabela 5.3 - Termo relativo à vide serviço desejada (Fib 2007). ... 75
Tabela 5.6 - Limitação da abertura de fendas em elementos armados com varões de aço e FRP. ... 83 Tabela 5.7 - Altura mínima recomendada para lajes armadas numa direção e vigas. ... 84 Tabela 5.8 - Resumo das armaduras convencionais em aço adotadas no caso prático de escala reduzida. ... 92 Tabela 5.9 - Resumo das armaduras em GFRP resultante do dimensionamento da viga de escala reduzida, seção transversal 0,30 x 0,70. ... 93
1. I
NTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento Geral
Desde a sedentarização humana até aos dias de hoje, a necessidade de construir ocupou um lugar de destaque nas sociedades, motivada por razões de conforto e/ou de proteção. Face à evolução das sociedades a maneira de construir foi sendo gradualmente adaptada às exigências das sociedades, criando soluções em varias áreas, como por exemplo, as fortificações, sistemas de rega e entre outros. Mais tarde, algumas civilizações deram mais importância à indústria da construção destacando-se a civilização Romana, onde inclusive, a engenharia militar intensificou a construção de obras, principalmente com fins militares, mas também disponíveis para o uso da sociedade. Este facto foi tão relevante na história, que alguns dos ensinamentos foram mantidos, uma vez que, em muitos casos existem estruturas operacionais ainda nos dias de hoje. Posteriormente, assistiu-se ao avanço científico-tecnológico que resultou na designada revolução industrial, onde a indústria da construção civil assistiu a alterações na maneira de construir, motivada em grande medida, pelo uso generalizado do aço nas construções de maior complexidade. A partir deste período a sociedade assistiu a uma evolução mais rápida, em todos os sectores, onde particularmente, na indústria da construção foram introduzidas novas técnicas e novos materiais, de onde se destaca o aparecimento do betão armado na segunda metade do seculo XIX. Nos últimos anos, a técnica de construção com betão armado foi uma solução muito utilizada de tal forma que consolidou o seu espaço no mercado, tendo em conta a necessidade de construir edifícios e infraestruturas de maior envergadura e mais exigentes.
No entanto, as estruturas são projetadas para um determinado período de vida útil, no qual devem satisfazer as funções de desempenho a que se destinam, com níveis adequados de segurança, funcionalidade e de durabilidade. No passado, a construção nova era necessária, sendo os aspetos relacionados com a manutenção e conservação descurados. Atualmente as estruturas de betão armado apresentam problemas de degradação prematura, devido a erros de projeto, erros de construção, deterioração dos materiais, situações acidentais, mudança de uso, ou ainda por imposição normativa. Deste modo, tem-se verificado que algumas estruturas não cumprem os requisitos de desempenho para as quais foram previamente dimensionadas. Um dos desafios para a indústria da construção civil é a crescente necessidade de manter o património construído em perfeitas condições de utilização, evitando
2
assim a propagação do dano e acidentes decorrentes da sua utilização. Neste seguimento, atualmente o setor da reabilitação representa uma grande parte do orçamento gasto na indústria da construção civil, de tal forma que em 2012 na União Europeia a 27, este setor era responsável por 25% do investimento na área da construção (European Construction Industry Federation 2013). Neste contexto, grande parte das estruturas de betão armado estão a atingir o período de vida útil inicialmente previsto, revelando os efeitos do envelhecimento e excessivos danos estruturais. Noutros casos, muito antes de atingir o período de vida útil, ocorre degradação prematura dos materiais, que pode comprometer a eficiência da estrutura. No âmbito da degradação dos materiais, um dos objetivos da engenharia civil é fazer face à corrosão das armaduras convencionais, que como se sabe é muito frequente nas estruturas situadas em ambientes agressivos, em especial ambientes marítimos.
Existem inúmeras estruturas de betão armado situadas em ambiente marítimo, que apresentam problemas relacionados com a durabilidade. A corrosão das armaduras de aço por penetração dos cloretos é a principal causa da deterioração das estruturas. Trata-se de um problema à escala global que tem tido repercussões económicas muito onerosas na manutenção das obras existentes. Este problema despoletou a necessidade de encontrar materiais com comportamento mais eficientes que os tradicionalmente utilizados, sobretudo materiais que sejam capazes de responder de forma eficaz às condições impostas pelos ambientes agressivos. O aparecimento de polímeros reforçados com fibras (FRP – fibre reinforced polymers na literatura inglesa) constitui uma alternativa promissora face às armaduras convencionais de aço, especialmente em estruturas de betão sujeitas a ambientes marítimos, sob o efeito de campos eletromagnéticos e em ambientes quimicamente agressivos. A utilização deste tipo de armadura não metálica em elementos de betão torna-se atrativo devido às excelentes propriedades mecânicas (resistência), físicas (leveza) e de durabilidade (resistência à corrosão) que apresenta.
1.2
Objetivos do Trabalho
Nas estruturas marítimas costeiras a possibilidade de substituir água potável por água do mar na mistura do betão, e também a substituição de armadura convencional de aço por armadura de reforço em GFRP na execução de estruturas de betão armado é um tema que requer estudos dedicados com o intuito de aprofundar o seu conhecimento. A utilização adequada de varões de GFRP está intimamente ligada à
avaliação do comportamento de aderência entre varões de GFRP e matriz de betão. Estes dois temas são o principal foco de estudo da presente dissertação.
O objetivo principal da presente dissertação é estudar a sustentabilidade de estruturas de betão em ambiente marítimo com recurso a varões de GFRP. Este objetivo é garantido por intermédio de um conjunto de objetivos intercalares, que a seguir se descreve:
Efetuar pesquisa bibliográfica na respetiva área de interesse, nomeadamente durabilidade e sustentabilidade de estruturas em ambiente marítimo, armaduras de reforço compósitas e seus constituintes e o desempenho de aderência entre varões de FRP e a matriz de betão;
Desenvolver e otimizar por via experimental uma composição de betão a utilizar na caraterização do comportamento de aderência entre os varões de GFRP e a matriz de betão;
Avaliar o comportamento de aderência entre varões de GFRP e a matriz de betão de elevada resistência mecânica, quando é utilizada água potável e água do mar como água para a mistura do betão;
Avaliar o potencial de aplicação de armaduras constituídas por varões de GFRP em detrimento de armaduras convencionais de aço na conceção de estruturas de betão armado mais sustentáveis em ambiente marítimo.
1.3 Organização da Dissertação
A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, referências bibliográficas e anexos. O Capítulo 1 apresenta o enquadramento geral do tema no âmbito da engenharia civil, os objetivos a alcançar com a presente dissertação e os resultados esperados, assim como a metodologia adotada e a estrutura do documento.
O Capítulo 2 aborda o estado do conhecimento sobre os polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP) apresentando os materiais constituintes, e o processo de fabrico. São também apresentados os conceitos de aderência entre varões de FRP e a matriz de betão.
O Capítulo 3 apresenta o estudo efetuado para o desenvolvimento e caraterização da matriz de betão a utilizar na avaliação do comportamento de aderência de varões de GFRP. É referido o método de
4
otimização do esqueleto sólido da composição de betão tendo por base as expressões modificadas de Andreasen & Andersen. É apresentado o procedimento adotado na determinação do desenho da composição final a utilizar e por fim são apresentados e discutidos os resultados obtidos no estado fresco e no estado endurecido do betão produzido em laboratório.
O Capítulo 4 apresenta o estudo realizado para caraterizar a aderência entre varões de GFRP e o betão por intermédio de ensaios de arranque direto. Inicialmente é realizada a caraterização mecânica dos varões de GFRP por intermédio de ensaio de tração uniaxial. É exposto o programa experimental desenvolvido bem como a apresentação dos resultados obtidos e respetiva discussão dos mesmos. O Capítulo 5 apresenta de que forma uma nova solução que contém armadura de reforço em GFRP pode ser viável quando comparada com a solução tradicional de aço. Inicialmente é apresentada a metodologia de cálculo recomendada para o dimensionamento à flexão simples de estruturas de betão armado com recurso a varões de FRP.
O Capítulo 6 descreve as conclusões gerais do trabalho realizado e sugestões para futuros desenvolvimentos.
2. R
EVISÃO DO
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STADO DE
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2.1 Introdução
Neste capítulo são abordadas as questões sobre a durabilidade e sustentabilidade de estruturas em ambiente marítimo, assim como os principais desafios que se colocam no âmbito das estruturas de betão armado nestes ambientes. É exposto de forma sumária os materiais que constituem dos varões de FRP. É feito uma referência às fibras que geralmente são utilizadas na produção dos varões de GFRP, as matrizes poliméricas e processos de fabrico tipicamente utilizados. A parte final é reservada aos mecanismos de aderência que se desenvolvem quando se utiliza varões de FRP em elementos de betão.
2.2 Durabilidade e Sustentabilidade de Estruturas em Ambiente Marítimo
A grande maioria das estruturas em ambiente marítimo que atualmente são projetadas inclui soluções estruturais onde se utiliza o betão armado como principal material de construção. O betão armado apresenta excelentes caraterísticas de desempenho estrutural e de durabilidade, mas, no entanto, em estruturas expostas a ambientes marítimos, são afetadas pelo risco natural de deterioração por corrosão das armaduras convencionais de aço, devido à elevada agressividade dos diversos compostos salinos presentes na água do mar. Tal fenómeno provoca nas estruturas o destacamento do betão de recobrimento, redução da área de seção transversal da armadura e consequente perda de resistência da estrutura. Trata-se de um problema à escala global, pois o envelhecimento e a degradação prematura das estruturas de betão armado apresentam elevados custos de manutenção.
A durabilidade das estruturas é assim afetada essencialmente pela penetração dos cloretos para o interior do betão. Este mecanismo é um fenómeno complexo que depende de um grande número de parâmetros associados à composição do betão e às caraterísticas do ambiente de exposição (Costa & Appleton 1999). Para assegurar adequada durabilidade durante o período de vida útil das estruturas concebidas em ambiente marítimo, é necessário uma atenção especial desde a fase de projeto da estrutura, construção e manutenção da mesma.
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A indústria da construção civil está associada a um grande consumo de recursos naturais desde o início do ciclo de vida de uma estrutura até ao fim de vida da mesma. Nos dias de hoje, há a necessidade e preocupação crescente com a utilização inteligente dos recursos disponíveis, diminuindo os impactes ambientais por eles gerados e tornando, naturalmente as construções mais sustentáveis.
Os desafios que se colocam no âmbito da sustentabilidade de estruturas de betão armado em ambiente marítimo, passa pela utilização de novos materiais capazes de responder de forma eficiente às condições agressivas do meio. Materiais que apresentem características inovadoras comparativamente às soluções convencionais, e que sejam economicamente e ambientalmente sustentáveis.
Segundo o relatório das Nações Unidas, Managing Water under Uncertainty and Risk, as reservas de água potável disponíveis no mundo estão em risco devido à mudança climática e um enorme aumento da procura de água potável, quer para o uso doméstico de uma população mundial em crescimento, quer para o uso industrial e agrícola. Atualmente, cerca de 40% da população do planeta sofre com a escassez da água potável, uma proporção que se prevê aumentar até dois terços em 2050. Vários autores têm desenvolvido estudos importantes sobre este tema, com o intuito de consciencializar a sociedade que a água potável é um recurso de elevada importância. Segundo Torgal & Jalali (2010), a agricultura e a pecuária consomem 70% da água potável utilizada pelo homem e atualmente a humanidade consome quase 50% das reservas de água potável. Com os cenários relativos ao aumento da população mundial permitem antever problemas no que respeita ao abastecimento de água a toda a população mundial.
Os oceanos cobrem a maior parte da superfície terrestre, sendo a sua água imprópria para o consumo humano devido à sua salinidade. Somente uma pequena fração disponível sobre a superfície dos continentes está disponível para consumo humano. Contudo, a sua distribuição não é uniforme, o que faz com que diversas regiões sofram de escassez hídrica (ver Figura 1).
Figura 2.1 - Escassez hídrica na Terra (extraída de http://www.fewresources.org/water-scarcity-issues-were-running-out-of-water.html).
Por outro lado, a poluição hídrica também compromete a qualidade da água, afetando o abastecimento para consumo e para produção de alimentos. Além disso, uma parcela considerável da população mundial ainda não tem acesso à água potável, o que traz diversos problemas de saúde. A água é indispensável no modo de vida da humanidade, de forma que está fortemente ligada à cultura de todos os povos da Terra.
Na presença de problemas resultantes do mau uso dos recursos hídricos, surge a necessidade de utilizar a água potável de forma consciente e ponderada.
As estruturas de betão armado consomem elevadas quantidades de água potável e cerca de 98% da água existente no planeta Terra é salgada (ver Figura 2.2), num contexto de escassez de água potável, torna-se necessário explorar o potencial de utilização direta da água do mar como água de mistura na conceção de estruturas costeiras de betão armado.
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Figura 2.2 - Distribuição da água na Terra (extraída de http://www.fewresources.org/water-scarcity-issues-were-running-out-of-water.html).
Neste sentido, vários investigadores têm estudado os efeitos em utilizar a água do mar na mistura do betão. Wegian (2010) desenvolveu um estudo experimental onde avalia os efeitos da água do mar na mistura do betão. Para tal, foram realizados provetes cúbicos com 150 mm de aresta onde se utiliza água potável e água do mar como água de mistura do betão, determinando assim a influência na resistência à compressão do betão aos 7, 14, 28 e 90 dias de idade. O estudo incluiu a preparação de 16 provetes de betão; (i) 2 séries de 6 de provetes de ensaio onde se utiliza água potável e água do mar como água de mistura do betão, respetivamente. Neste caso a cura dos provetes é realizada em função do tipo de água que se utiliza na mistura do betão, (ii) 1 série de 4 provetes de ensaio onde se utilizou água potável como água de mistura, sendo a cura dos provetes realizada com água potável.
As conclusões deste trabalho mostraram que as séries de ensaio onde se utilizou água do mar na mistura do betão apresentam resistências ligeiramente mais altas até aos 14 dias de idade. Para idades superiores a 28 e 90 dias a resistência à compressão apresenta uma diminuição. O autor indica que a redução da resistência aumenta com um aumento no tempo de exposição, o que pode ser justificado pela cristalização dos sais que afeta o ganho da resistência à compressão.
A quantidade de ligante utilizada na produção do betão tem um efeito sobre as resistências e durabilidade do betão. No entanto, o tipo de agregado utilizado na mistura do betão, propriedades e tipo de ligante, idade e condições de cura também afeta a resistência. A utilização de quantidades elevadas de ligante
resistente a sulfatos (450 kg/m3) melhora a resistência do betão à deterioração provocada pela água do
mar.
2.3 Armaduras de Reforço Compósitas
2.3.1 Varão de FRP
O varão de FRP é formado por um conjunto de fibras contínuas alinhadas numa direção e impregnadas numa resina polimérica. As fibras constituem a estrutura principal do varão, determinando a resistência, a rigidez consoante a sua orientação e densidade. A matriz polimérica é a componente que mantém as fibras unidas tendo também a função de transmitir os esforços entre as fibras e o betão, e ainda, protege as fibras da agressividade ambiental e dos possíveis danos mecânicos. Esta deve ser química e termicamente compatível com as fibras desempenhando um papel importante no comportamento tensão-extensão do compósito. O tipo de fibra e o volume afeta significativamente a resistência e a rigidez do varão de FRP, enquanto, o tipo de resina afeta o mecanismo de rotura e a tenacidade da fratura (Juvandes & Reis 2009).
O varão de FRP é um material que apresenta natureza anisotrópica. São caraterizados pela sua rotura frágil, não exibindo patamar de ductilidade. Podem ser obtidos através de diferentes técnicas de fabrico, como: (i) pultrusão, (ii) entrançamento (braiding), e (iii) tecelagem (weaving). No entanto, a técnica de fabrico mais utilizada e desenvolvida na produção de varões de FRP é a pultrusão (Juvandes & Reis 2009).
As fibras e a matriz apresentam um comportamento à tração diferente do comportamento à tração do compósito. É possível verificar na Figura 2.3 que as fibras exibem uma resistência mais elevada à tração quando comparado com a matriz. Por outro lado, a matriz apresenta uma extensão claramente mais elevada do que a exibida pelas fibras. Quanto ao FRP, este exibe uma resistência inferior à das fibras, como seria de esperar, e uma extensão igual à exibida por estas, evidenciando, tal como as fibras, um comportamento linear elástico até à rotura (Reis 2009).
10
Figura 2.3 - Curvas tensão vs extensão das fibras, FRP e matriz (ISIS, 2003). 2.3.2 Materiais Constituintes
Fibras
As fibras geralmente utilizadas na produção dos varões de FRP são as de vidro (G), carbono (C), aramida (A), e basalto (B). As fibras de vidro são as mais utilizadas porque oferecem uma resistência elevada com um custo relativamente reduzido. Fibras de basalto surgiram recentemente como uma alternativa às fibras de vidro. (Nanni et al. 2014). Todas estas fibras apresentam um comportamento linear elástico até à rotura quando solicitadas a esforços de tração.
As fibras são utilizadas na produção de compósitos de FRP devido à elevada rigidez, resistência e leveza. Para serem utilizadas como elemento estrutural, as fibras devem cumprir requisitos estruturais e funcionais, como: (i) devem exibir elevado módulo de elasticidade; (ii) elevada resistência última; (iii) conveniente extensão na rotura; (iv) baixa variação de resistência entre as fibras; (v) estabilidade das propriedades durante o fabrico; (vi) uniformidade do diâmetro da fibra e da superfície; (vii) alta tenacidade; (viii) durabilidade e (ix) disponibilidade em formas adequadas e custo aceitável (Fib 2007). Na Figura 2.4 são apresentadas as curvas de tensão vs extensão típicas e na Tabela 2.1 as propriedades das diversas fibras utilizadas na produção de varões de FRP.
Figura 2.4 - Curvas de tensão vs extensão das fibras: a) carbono HM, b) carbono HS, c) aramida, d) vidro-S, e) vidro-E, f) basalto. (FIB, 2007).
Tabela 2.1 - Propriedades físicas e mecânicas das diferentes fibras de FRPs.
Tipo de fibra Densidade [kg/m3] Resistência à tração [MPa] Módulo de elasticidade [GPa] Extensão [%] Coeficiente de dilatação térmica [10-6/ºC] Coeficiente de Poisson Vidro – E 2500 3450 72,4 2,4 5,0 0,22 Vidro – S 2500 4580 85,5 3,3 2,9 0,22 Vidro – AR(*1) 2270 1800 - 3500 70 - 76 2,0 - 3,0 - - Carbono 1700 3700 250 1,2 -0,6 a -0,2 0,20 Carbono, HM (*2) 1950 2500 - 4000 350 - 800 0,5 -1,2 a -0,1 0,20 Carbono, HS (*3) 1750 4800 240 1,1 -0,6 a -0,2 0,20
Aramid (Kevlar 29) 1440 2760 62 4,4 -2,0 long. 59 radial 0,35
Aramid (Kevlar 49) 1440 3620 124 2,2 -2,0 long. 59 radial 0,35
Aramid (Kevlar 149) 1440 3450 175 1,4 -2,0 long. 59 radial 0,35
Aramid (Technora H) 1390 3000 70 4,4 -2,0 long. 59 radial 0,35
Aramid (SVM) 1430 3800 - 4200 130 3,5 - -
Basalto (Albarrie) 2800 4840 89 3,1 8,0 -
(*1)Resistente ao álcalis, (*2)elevado módulo de elasticidade, (*3)elevada resistência à tração
Fibra de vidro
As fibras de vidro constituem o tipo de reforço mais utilizado. Para produzir fibras de vidro as mais utilizadas são feitas de vidro-E, vidro-S e vidro resistente a compostos alcalinos. As fibras de vidro do tipo E são menos onerosas do que todas as outras fibras e têm uma ampla aplicação na indústria de plásticos
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reforçados com fibras. Enquanto, que as fibras de vidro do tipo S apresentam maior resistência à tração e maior módulo de elasticidade, mas devido ao seu elevado custo tornam-se menos utilizadas na indústria. No caso das fibras de vidro resistentes a ambientes alcalinos estas ajudam a prevenir a corrosão de ataques alcalinos da matriz do betão (Fib 2007).
Fibra de carbono
Existem dois tipos de fibras agrupáveis no termo mais lato de “fibras de carbono”, as fibras de carbono propriamente ditas, com percentagens de carbono entre 80 e 95%, e as fibras de grafite onde a percentagem de carbono chega aos 99%. Estas são aplicadas em compósitos de elevado desempenho mecânico, em áreas como a aeronáutica e a indústria espacial (Moura et al. 2005). As fibras de carbono apresentam elevada resistência específica e rigidez e, em geral, com o aumento do módulo de elasticidade a resistência última à tração e a extensão diminuem. Estas são altamente resistentes a ambientes agressivos e comportam-se linearmente até à rotura. A principal desvantagem das fibras de carbono é o seu elevado custo, que são 10 a 30 vezes mais dispendiosas que as fibras de vidro do tipo E (Fib 2007). As fibras de carbono apresentam uma particularidade importante, no sentido longitudinal têm um coeficiente de dilatação negativo ou quase nulo. Associadas a materiais com coeficiente de dilatação positivo podem dar origem ao aparecimento de tensões prejudiciais na interface do varão FRP e a matriz de betão (Moura et al. 2005).
Fibras de aramida
As fibras de aramida são fibras de origem orgânica e sintética, obtidas por trefilagem de poliamidas aromáticas (benzeno). São geralmente designadas pelo nome comercial de Kevlar (DuPont). As fibras de aramida apresentam excelente resistência química, mecânica, ótima relação rigidez/peso, boa resistência ao impacto e à fadiga, boa capacidade de amortecimento de vibrações, boas características dielétricas, elevada resistência a solventes orgânicos, combustíveis e lubrificantes. Possuem também boa resistência em ambientes ácidos e alcalinos (Moura et al. 2005).
Fib 2007, faz referência aos vários tipos de fibra de aramida produzida pela DuPont, fibra denominada por Kevlar. São fibras que apresentam ductilidade quando solicitadas à compressão, tendo a capacidade de absorver grande quantidade de energia. Estas fibras mostram um elevado grau de plasticidade em compressão quando solicitadas à flexão. Este tipo de comportamento, não é observado nas fibras de vidro ou nas fibras de carbono, originando compósitos de boa resistência ao impacto. São ainda resistentes à fadiga exibindo reduzida fluência e pode resistir a temperaturas relativamente elevadas. No
entanto, a resistência e o módulo de elasticidade diminuiu linearmente com o aumento da temperatura, mas retêm mais de 80% da sua resistência original a 180°C. As fibras de Kevlar absorvem alguma água, a quantidade de água absorvida depende do tipo da fibra, onde para elevadas percentagens de humidade as fibras tendem a fendilhar internamente. Por último, as fibras são sensíveis à radiação UV e apesar de serem resistentes a químicos, podem degradar-se sob a ação de alguns ácidos e álcalis.
Fibras de basalto
As fibras de basalto são obtidas a partir de depósitos de lava vulcânica, tendo melhores propriedades físicas e mecânicas do que as fibras de vidro, mas sendo significativamente mais baratas que as fibras de carbono. A resistência ao fogo, a capacidade significativa de isolamento acústico e de vibração e ainda a resistência a ambientes quimicamente ativos são as principais vantagens apresentadas das fibras de basalto (Fib 2007).
A Figura 2.5 (a) e (b) apresenta os constituintes presentes na produção de varões de FRP e a estrutura interna dos mesmos com um fator de ampliação de 60x e 240x, respetivamente.
(a) (b)
Figura 2.5 - Varão de FRP; (a) materiais constituintes na produção de varões de FRP; (b) estrutura interna do varão com ampliação de 60x e 240x (Gudonis et al. 2013).
Matriz Polimérica
A matriz polimérica de um material compósito é considerada como uma componente de proteção e estrutural. A matriz é formada pela resina, filler e por aditivos. Os principais requisitos funcionais e estruturais da matriz são: (i) manter as fibras unidas; (ii) transferir e distribuir os esforços do betão para as fibras; (iii) proteger as fibras de ataque ambiental e abrasão mecânica. Portanto, a escolha da matriz é de importância primordial na conceção de um material compósito e irá afetar tanto as propriedades
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mecânicas e físicas do produto final (Fib 2007). Existem dois tipos de matrizes poliméricas utilizadas na produção de compósitos em GFRP: a resina termoendurecivel e a resina termoplástica. A particularidade da resina termoendurecivel é que, uma vez formada e curada não pode ser reaquecida. Enquanto que as resinas termoplásticas não desenvolvem ligações cruzadas, amolecem e endurecem sob a ação de ciclos de temperatura superiores à temperatura de cura resina (Fib 2007). As resinas mais utilizadas são as termoendurecíveis de base poliéster, vinil éster e as epóxidas. Normalmente não se recorre às resinas termoplásticas, porque as resinas termoendurecíveis são mais fiáveis do ponto de vista estrutural.
Tabela 2.2 - Propriedades das resinas termoendurecíveis (Fib 2007).
Propriedade Resina
Poliéster Epóxida Vinil ester
Densidade [kg/m3] 1200 - 1400 1200 - 1400 1150 - 1350
Resistência à tração [MPa] 34,5 - 104 55 - 130 73 - 81
Módulo de elasticidade [GPa] 2,1 - 3,45 2,75 - 4,10 3,0 - 3,5
Coeficiente de Poisson 0,35 - 0,39 0,38 - 0,40 0,36 - 0,39
Coeficiente de dilatação térmica [10-6/ºC] 55 - 100 45 - 65 50 - 75
Teor de humidade [%] 0,15 - 0,60 0,08 - 0,15 0,14 - 0,3
Os filler são compostos minerais, utilizados como materiais de enchimento. Permitem reduzir os custos de produção e podem melhorar o desempenho do material compósito, aumentando tanto a resistência química como a dureza e diminuindo a retração verificada no processo de cura. Melhoram o desempenho do FRP em situação de incêndio, dado tratar-se de um material inorgânico (Correia 2012).
2.3.3 Processo de Fabrico
O varão de FRP é tipicamente fabricado pelo processo de pultrusão. É um processo de fabrico em contínuo que consiste em “puxar” as fibras embebidas na resina, através de uma fieira ou molde. O processo é ideal para a produção contínua de perfis compósitos com seções transversais constantes. Segundo a comunidade científica, este processo é utilizado desde a década de 50 e, até agora, é o único método conhecido que garante suficiente qualidade (Fiberline Composites A/S 2003).
Os varões de polímeros reforçados com fibra de vidro, GFRP, são os mais utilizados na indústria da construção civil entre outros tipos de varões de FRP, devido à combinação entre o baixo custo e a resistência ambiental. Os varões de GFRP apresentam resistência à tração até 5 a 6 vezes maior do que a armadura convencional de aço. No entanto, o baixo módulo de elasticidade do varão de GFRP, em
relação ao aço, geralmente leva a um aumento das deformações dos elementos reforçados com varões de GFRP. No processo de fabrico dos varões de FRP são utilizados vários tipos de revestimentos de superfície. O tratamento superficial determina a qualidade de ligação entre os varões de FRP e a matriz de betão. Uma forma complexa, irregular e rugosa dos varões garante boas propriedades de aderência, no entanto, tal tratamento superficial pode resultar em processos de fabrico mais complexos. Ainda não há consenso global sobre a forma mais eficaz dos varões de FRP (Gudonis et al. 2013).
A Figura 2.6 mostra uma parte do processo de pultrusão do fabricante Fiberline Composites e a Figura 2.7 apresenta os tipos de varões produzidos através do processo de pultrusão, com diferentes superfícies.
Figura 2.6 - Processo de pultrusão, FiberlineComposites (extraída de http://heartworking2.fiberline.com/print/tablepages.asp?id=2574).
Figura 2.7 - Varões de FRP com diferentes superfícies (Gudonis et al. 2013).
2.3.4 Mecanismos de Aderência
O desempenho da aderência entre varões de FRP e a matriz de betão depende do tratamento superficial do varão, processo de fabrico, das propriedades mecânicas e das condições ambientais (ACI 2006).
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Devido às propriedades mecânicas o comportamento de aderência entre o varão de FRP e a matriz de betão tende a variar significativamente quando comparado com as armaduras de aço convencionais, consequência da menor rigidez de varão resultante do menor módulo de elasticidade (Pilakoutas et al. 2011).
O mecanismo de aderência entre o varão de FRP e a matriz de betão deve desenvolver uma ligação capaz de transmitir os esforços entre os materiais de maneira eficaz, sem comprometer as estruturas reforçadas com armaduras de FRP. Existem três tipos de mecanismos de aderência responsáveis pela ligação entre os dois materiais, sendo eles: (i) resistência mecânica; (ii) resistência por atrito; e (iii) resistência por adesão. A aderência mecânica é o principal mecanismo de transferência de esforços entre o varão e a matriz de betão. O tipo de acabamento superficial do varão de FRP influência a performance de aderência entre os materiais. No caso de varões de FRP com superfície nervurada, a aderência mecânica está relacionada com a ancoragem resultante do contato das nervuras existentes com a matriz de betão. No caso dos varões lisos a aderência mecânica é reduzida, sendo conferida somente pelas irregularidades superficiais do varão. A aderência por atrito depende da rugosidade entre os materiais que constituem o esqueleto sólido da matriz de betão e a rugosidade superficial do varão de FRP. A aderência por adesão nasce do resultado das ligações químicas presentes na interface do varão de FRP com a matriz de betão, que acontece durante as reações de hidratação do cimento. As ligações de aderência por adesão são destruídas para pequenos deslocamentos (Alarcão 2014). Embora o comportamento de aderência entre a armadura convencional de aço e a matriz de betão seja controlado principalmente pela aderência mecânica devido ao contacto do betão com as nervuras irregulares da superfície do varão de aço, os mecanismos de aderência desenvolvidos num elemento de betão reforçado com armadura de FRP é controlado pelo atrito possuindo também um carater mecânico conferido pelas nervuras existentes no varão. Como resultado da diferente natureza dos mecanismos de aderência entre materiais, a rotura da ligação em elementos de betão com armaduras convencionais de aço ocorre por esmagamento do betão na vizinhança das nervuras, enquanto que a rotura da ligação em elementos de betão com armaduras de FRP são principalmente caraterizadas pela rotura parcial do betão envolvendo dano considerável na superfície nervurada do varão de FRP (Pilakoutas et al. 2011). Segundo Gudonis et al. 2013, a tecnologia utilizada na produção do revestimento superficial do varão de FRP também desempenha um papel importante no comportamento de aderência. Em varões lisos com
superfícies revestidas com areia, muitas vezes verifica-se que não garantem uma qualidade de aderência suficiente e conduz ao deslizamento de reforço no betão. Portanto, varões nervurados apresentam mais apetências para a aplicação estrutural. Pesquisas recentes dos autores (Gribniak et al., 2013, Timinskas et al., 2013) revelaram que o reforço da superfície nervurada, dos varões Schöck ComBar®, é caracterizado pela alta qualidade de aderência entre o varão e a matriz de betão. A Figura 2.8 apresenta as componentes de aderência que se desenvolvem entre o varão e a matriz de betão, onde pi, t , e p correspondem, respetivamente, à força de arrancamento radial, força de adesão e força resultante da componente mecânica e da força de aderência.
A capacidade da ligação desenvolvida entre os dois materiais é em função do bloqueio mecânico proporcionado pelas nervuras do varão na matriz de betão.
Figura 2.8 - Componentes de aderência da armadura de reforço SchöckComBar® (Gudonis et al. 2013).
A necessidade de encontrar materiais com comportamento mais eficiente que o tradicionalmente utilizado, sobretudo materiais capazes de responder de forma eficaz a condições impostas por ambientes agressivos, com o objetivo principal de resolver o problema da corrosão sofrida pela armadura convencional, conduziu a outros inconvenientes como é o caso do comportamento de aderência entre o varão de FRP e a matriz de betão. Deste modo, inúmeros estudos têm sido realizados com o intuito de entender melhor os aspetos relacionados com o comportamento de aderência através da realização de diferentes ensaios, tais como ensaios de arranque direto (Direct Pullout Test na literatura inglesa) e ensaio de viga (Beam Test na literatura inglesa) (Faza e GangaRao 1990; Ehsani et al., 1996a , B, Benmokrane 1997, Shield et al., 1999, Mosley 2002, Wambeke e Shield 2006, Tighiouart et al., 1999).
3. D
ESENVOLVIMENTO E
C
ARATERIZAÇÃO DA
M
ATRIZ DE
B
ETÃO
3.1 Introdução
O principal objetivo deste estudo é o de averiguar a possibilidade de utilização de água do mar na conceção de estruturas em betão armado a construir em ambiente marítimo, em particular quando são utilizados betões de resistência elevada. Considerando que, em estruturas reforçadas com armaduras convencionais em aço, a utilização de água do mar é evitada devido à excessiva concentração de iões de cloreto, o potencial de aplicação de armaduras constituídas por materiais compósitos na conceção de estruturas de betão armado mais sustentáveis em ambiente marítimo é, deste modo, o objetivo principal deste estudo. Para este efeito, foi necessário realizar a caraterização do comportamento de aderência de varões em GFRP em matrizes de betão de elevada resistência por intermédio da realização de ensaios de arranque direto.
Nas secções seguintes apresenta-se o procedimento seguido para a determinação das proporções da mistura e para a caraterização do betão no estado fresco e endurecido, analisando a influência de pequenos ajustes nas dosagens dos componentes no comportamento das misturas, com o intuito de produzir um betão de elevada fluidez e de elevada resistência. O principal objetivo do estudo é encontrar a melhor dosagem dos constituintes que compõem a matriz conferindo ao betão produzido em laboratório características mecânicas equivalentes às que são usuais em obras especiais, sobretudo marítimas. Atualmente, o betão de elevada fluidez ou até o betão auto-compatável e de elevada resistência mecânica são utilizados em situações muito particulares, sobretudo em edifícios altos, obras de arte, e em estruturas localizadas em ambientes agressivos, como as estruturas marítimas costeiras. Este capítulo aborda a caraterização do betão no estado fresco e endurecido em duas fases distintas do trabalho experimental. Na primeira, enquanto se procedia ao desenvolvimento da composição do betão, avaliando assim as propriedades das quatro amassaduras realizadas. Na segunda fase, avaliando as propriedades apenas da composição de betão selecionada para a avaliação do comportamento de aderência entre o varão de GFRP a matriz de betão.
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A possibilidade de introduzir água do mar como água da mistura do betão é abordada devido aos seguintes fatores: (i) possibilidade de substituir água doce de boa qualidade por água do mar, um recurso hídrico que se encontra na maior parte da superfície terrestre, na execução de estruturas marítimas costeiras. A produção de betão consome elevadas quantidades de água, caso seja possível utilizar água do mar estamos a mitigar o problema da escassez de água potável; (ii) avaliar as propriedades mecânicas do betão a longo prazo quando se utiliza água do mar como água de mistura.
Em algumas regiões do planeta, este estudo torna-se particularmente importante visto que é difícil de aceder a outros tipos de água que não a água do mar.
O desenvolvimento do desenho da composição foi realizado com base no trabalho desenvolvido por Pereira (2016). Na referida dissertação, é desenvolvido e programado em Microsoft Excel o algoritmo de otimização tendo por base o método das expressões modificadas de Andreasen & Andersen (A&A). É aproveitado todo o conhecimento sobre a abordagem das expressões modificadas de A&A para desenvolver uma campanha experimental de fabrico e caraterização de quatro composições de betão, que serviram de base para a seleção da composição a utilizar na caraterização do comportamento dos varões de GFRP em ensaios de arranque direto.
No presente capítulo começa-se por realizar um estudo para o desenvolvimento e otimização da composição do betão a utilizar, de forma a obter-se uma composição que, enquanto no estado fresco, apresente elevada fluidez e estabilidade, e após endurecimento apresente resistência elevada.
3.2 Método das Expressões Modificadas de Andreasen & Andersen
O estudo das composições de betão teve origem nos primeiros trabalhos de Féret (1892). O autor demonstrou que a resistência máxima de um betão é atingida quando a porosidade da estrutura granular é mínima. Posteriormente, outros autores desenvolveram métodos alternativos para o cálculo das composições de betão, como Fuller e Thompson (1907) e Andreasen & Andersen (1930). Até aos dias de hoje alguns desses métodos são utilizados na determinação das composições, apesar de exibirem limitações, da qual se destaca a não contribuição das propriedades granulométricas da fração fina do esqueleto sólido da matriz. A utilização do método das expressões modificadas A&A permite que se
considere no estudo do desenvolvimento da matriz de betão a classificação granulométrica de todos os ingredientes sólidos, expressa pelo diâmetro máximo e mínimo das partículas, Dmax e Dmin, respetivamente,
como é apresentado na Equação (3.1). A utilização das equações modificadas de A&A em betões auto-compatáveis já foi demonstrada por Brouwers e Radix (2005) e Hunger e Brouwers (2006).
q q q q D D D D D P min max min ) ( (3.1)
O parâmetro D representa o tamanho do peneiro utilizado na análise granulometria do material. Dmin e
Dmax é o tamanho mínimo e máximo da partícula, respetivamente. O módulo de distribuição representa a
proporção entre as partículas finas e grossas. Para valores mais elevados do módulo de distribuição, q > 0,5, as misturas de betão tendem a ser mais grossas, enquanto que para valores menores, q < 0,25, as misturas tendem a ser mais finas (Hüsken & Brouwers 2008).
Segundo Mindess et al. (2003) a determinação das dosagens de uma composição de betão é influenciada por dois parâmetros: (i) a razão água cimento, w/c, e (ii) a classificação granulométrica dos agregados, sendo este um fator importante na composição da mistura do betão. A trabalhabilidade de um betão em estado fresco é fortemente influenciada pela composição granular da mistura e pela razão entre as partículas finas e grossas. Portanto, o esqueleto sólido da matriz de betão desempenha um papel importante mas propriedades do betão, sendo importante avaliar as propriedades granulométricas de todos os materiais. No caso dos betões auto-compatáveis, a determinação das proporções de mistura de betão é realizada de acordo com as propriedades pretendidas para o betão, quer no estado fresco quer no estado endurecido. A produção de um betão auto-compatável requer, deste modo, maiores exigências de desempenho relativamente a várias características do betão no estado fresco.
A composição de um betão é definida com o objetivo de satisfazer determinados requisitos, tais como a trabalhabilidade, resistência e durabilidade. No presente caso, as propriedades de desempenho requeridas devem satisfazer a produção de um betão auto-compatável de elevada resistência mecânica e fácil de aplicar, representando-se assim um conjunto significativo de aplicações de um betão utilizado em obras especiais sujeitas a ambientes agressivos tal como o marítimo.
O processo de otimização da composição é efetuado atendendo aos materiais que compõem o esqueleto sólido da matriz de betão. As proporções de cada ingrediente são ajustadas até que se verifique um ajuste ótimo entre a curva da mistura e a curva de referência, usando o algoritmo de otimização baseado
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no método dos mínimos quadrados, conforme apresentado na Equação (3.2). Trata-se de um processo iterativo que termina quando se verificar o menor desvio entre a curva da mistura e a curva de referência. Quando a soma dos quadrados apresentar valores mínimos (RSS), é expectável que a composição de betão cumpra as propriedades de desempenho requeridas (Yu et al. 2014).
O parâmetro RSS representa o desvio entre a curva da mistura e a curva de referência expressa pela soma dos quadrados das várias partículas que compõem o esqueleto sólido.
i1i mix D
P e Ptar
Dii1representa a influência do agregado com diâmetro entre i e i+1 na curva da mistura e na curva de referência, respetivamente.
3.3 Materiais Utilizados na Composição
O betão é constituído pela mistura devidamente proporcionada de agregado (brita e areia), ligante, adições (pozolanas, cinzas ou filleres), água e adjuvantes. Estes componentes, quando combinados, formam uma pasta que endurece, conferindo à mistura níveis de coesão e resistência que possibilitam a sua utilização como material de construção (Coutinho 1998).
No âmbito do presente trabalho o ligante utilizado na composição do betão foi o cimento Portland CEM I 42,5R (segundo a classificação da NP EN 197-1:2001) da empresa Secil. As cinzas volantes foram a única adição, adição do tipo II, utilizada no estudo da composição.
Os agregados utilizados no estudo foram: (i) brita 4-8; (ii) brita 8-16; (iii) e meia areia. O agregado foi selecionado criteriosamente, estando limpo e isento de pó ou outras partículas. Para estudar a granulometria dos agregados procedeu-se à análise granulométrica conforme a norma NP EN 933-1: 2000. As Figura 3.1 e a Figura 3.2 mostram os agregados utilizados na produção do betão e as curvas granulométricas, respetivamente. A massa volúmica das partículas também foi avaliada conforme a norma NP EN 1097-6:2000.
n i i i tar i i mix D P D P RSS 1 2 1 1 (3.2)(a) (b) (c) Figura 3.1 - Agregados utilizados no fabrico do betão: (a) meia areia, (b) brita 4-8, (c) brita 8-16.
Figura 3.2 - Curvas granulométricas dos agregados utilizados.
Os adjuvantes utilizados na composição do betão foram: (i) superplastificante com base em policarboxilatos e (ii) controlador de viscosidade. No primeiro caso, trata-se de um superplastificante de alto desempenho, o Sika ViscoCrete 3002 HE. A sua incorporação melhora a trabalhabilidade da amassadura recorrendo a menores quantidades de água, promovendo ainda um desenvolvimento rápido das resistências iniciais. O controlador de viscosidade, estabilizador da Sika VP1, é introduzido na amassadura com o intuito de aumentar a estabilidade, homogeneidade e a coesão do betão melhorando as propriedades em estado fresco, melhorando a resistência a fenómenos de segregação e de exsudação.
3.4 Desenho da Composição
Como já referido anteriormente, a determinação das proporções de mistura do betão é elaborada com base no algoritmo de otimização já desenvolvido no âmbito de uma dissertação de mestrado Pereira
0,1 1 10 100 1000 10000 0 20 40 60 80 100 Percen tag em cum ul ati va q ue pa ss a [% ] Tamanho da partícula [µm] M.Areia Brita 4-8 Brita 8-16
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(2016). Todo o conhecimento adquirido ao longo desse trabalho foi também aplicado no desenvolvimento das misturas, que no caso desta dissertação teve como objetivo o de atingir resistências à compressão elevadas. Teve ainda como objetivo a obtenção de curvas de evolução da resistência à compressão e do módulo de elasticidade que permitissem atingir a maior parte da resistência máxima à compressão nos primeiros 28 dias de idade, para evitar uma grande discrepância de parâmetros mecânicos entre provetes ensaiados a idades ligeiramente diferentes após os 28 dias de idade. Neste contexto, a definição da quantidade de ligante a introduzir na mistura e do módulo de distribuição, q, a adotar teve por base a experiência adquirida durante a realização de ensaios preliminares. Deste modo, chegou-se à conclusão de que a quantidade de ligante a considerar no presente estudo é de 480 kg/m3 e o valor do módulo de
distribuição é de 0,30.
A quantidade de ligante considerada no estudo do desenho da composição atendeu à quantidade normal utilizada neste tipo de aplicações. Normalmente, a produção de betão em aplicações correntes utiliza uma quantidade de ligante a rondar os 360kg/m3, contudo, como o intuito do estudo é a produção de
um betão que ofereça resistência à compressão elevada, optou-se por incluir uma quantidade de ligante superior à normalmente utilizada em betões correntes.
A quantidade de adições do tipo II, cinzas volantes, introduzida em cada mistura de betão é determinada no processo de otimização do esqueleto sólido que compõe a matriz de betão.
No caso dos adjuvantes usados na produção do betão, quantidade de superplastificante e controlador de viscosidade introduzidos na amassadura é de 1% da massa de cimento. A dosagem introduzida no processo de mistura reflete as recomendações do fabricante dos adjuvantes para o tipo de betão produzido.
O diâmetro máximo das partículas que constituem a mistura final será definido pela brita a utilizar, o agregado de maiores dimensões, enquanto que os materiais finos têm dimensões inferiores a 125 µm definidos pelo ligante, adições minerais e fração fina da meia areia.
No estudo das proporções dos componentes do esqueleto sólido da matriz de betão considerou-se a combinação de três areias e duas britas. Inicialmente foi necessário estudar a granulometria dos agregados tendo sido realizada a análise granulométrica conforme a norma NP EN 933-1:2000. A Figura 3.3 apresenta as curvas granulométricas dos agregados disponíveis para efetuar o estudo do desenho
da composição. Os agregados disponíveis foram combinados entre si com o intuito de analisar a sua influência no grau de ajuste da mistura à curva de referência, dada pelo algoritmo de otimização. O procedimento consiste em combinar os agregados três a três, verificando em função da granulometria o melhor ajuste na otimização do esqueleto sólido da matriz de betão, traduzido quando a soma dos quadrados apresenta o valor mínimo. A combinação entre agregados foi realizada para vários cenários, onde, se incluía (i) apenas a combinação de uma das britas (brita 4-8 ou brita 8-16) com as areias disponíveis, e onde se incluía (ii) ambas as britas na combinação com as respetivas areias. A Tabela 3.1 apresenta as várias hipóteses no estudo do desenho da composição até se encontrar o melhor ajuste da curva da mistura à curva de referência traduzida quando a soma dos quadrados é mínima. A Figura 3.4 - apresenta o gráfico de otimização para a combinação que apresentou a menor soma dos quadrados, 0,0114, que incluía a combinação dos três agregados: meia areia, brita 4-8, e brita 8-16.
Tabela 3.1 - Procedimento utilizado para combinar os agregados disponíveis no estudo da composição.
Cenários Areia fina Meia areia Areia grossa Brita 4-8 Brita 8-16 RSS
1 ✓ ✓ x ✓ x 0,0819 2 ✓ x ✓ ✓ x 0,1301 3 x ✓ ✓ ✓ x 0,0819 4 ✓ ✓ x x ✓ 0,0342 5 ✓ x ✓ x ✓ 0,0588 6 x ✓ ✓ x ✓ 0,0588 7 ✓ x x ✓ ✓ 0,0825 8 x ✓ x ✓ ✓ 0,0114 9 x x ✓ ✓ ✓ 0,0588
Figura 3.3 - Análise granulométrica dos agregados disponíveis no estudo da composição do betão.
0,1 1 10 100 1000 10000 0 20 40 60 80 100 Perce nt ag em cum ul ati va que pa ssa [% ] Tamanho da partícula [µm] Areia fina Meia areia Areia grossa Brita 4-8 Brita 8-16
26
Figura 3.4 - Gráfico de otimização da mistura final com os três ingredientes: meia areia; brita 4-8; brita 8-16.
Após a definição dos agregados que pertencem ao esqueleto sólido da matriz de betão, a otimização da mistura passou para outro nível de ajuste, no qual se analisou a influência do parâmetro w/p, que corresponde à relação água/pó, respetivamente. Para avaliar o efeito da razão w/p no comportamento das misturas no estado fresco, foram produzidas quarto misturas nas quais se fez variar este parâmetro entre 0,25 a 0,27 e 0,30, visto que os ensaios preliminares permitiram verificar que acima ou abaixo destes valores se obtinham mistura ou demasiado “secas” ou demasiado fluidas, respetivamente. Esperou-se que as misturas produzidas em laboratório apresentassem elevada fluidez, estabilidade e resistência à segregação. A resistência à ocorrência de segregação é definida pela capacidade das partículas em suspensão mantenham a homogeneidade durante a mistura, transporte e colocação. As partículas do agregado grosso devem fluir e permanecer dispersas na mistura.
3.4.1 Propriedades do Betão no Estado Fresco
O estudo da composição do betão compreende, como já foi referido anteriormente, a escolha dos componentes e o seu doseamento de modo a obter um betão que seja o mais compacto possível, trabalhabilidade adequada, ou seja, a facilidade e plasticidade suficiente para o enchimento completo dos moldes de cofragem e envolvimento das armaduras.
Para estudar as propriedades do betão no estado fresco realizou-se o ensaio de espalhamento (Slump flow test, na literatura inglesa) e a medição do tempo T500, conforme as recomendações presentes na
1E-3 0 0,1 1 10 0 20 40 60 80 100 Perce nt ag em cum ul ati va pass ad a [% ]
Diâmetro médio dos agregados [µm]
Curva da mistura Curva de referência
