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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO DESEMPENHO DE CONCRETOS REFORÇADOS COM FIBRAS CURTAS DE AÇO

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Academic year: 2021

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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO DESEMPENHO DE CONCRETOS

REFORÇADOS COM FIBRAS CURTAS DE AÇO

C. H. A. S. Melo(1); M. T. P. Aguilar(1); E. C. S. Corrêa(2); D. B. Santos(2); P. R. Cetlin(2) Rua Espírito Santo, 35, Centro, Belo Horizonte/MG, CEP 30.160-030

teresa@demc.ufmg.br

(1) Departamento de Engenharia de Materiais e Construção - UFMG (2) Departamento de Engenharia de Metalúrgica e de Materiais - UFMG

RESUMO

O concreto tem um amplo campo de aplicações na construção civil, podendo estar sujeito a temperaturas elevadas em diversas situações. Diferentes fatores influenciam o comportamento do mesmo quanto exposto a temperaturas elevadas. De modo geral, ao se elevar a temperatura, a água do cimento hidratado se evapora, ocorrendo a desidratação dos componentes ao mesmo tempo em que se inicia a expansão do inerte. Em conseqüência dessas ações contrárias, expansão e retração, ocorre a fissuração da pasta, com perda de resistência e queda significativa do módulo de elasticidade. Este fenômeno provavelmente está relacionado ao fato de que a microfissuração afeta com maior intensidade o módulo e a tenacidade do composto. Por outro lado, a adição de fibras metálicas curtas ao concreto promove um aumento da tenacidade do composto, justamente por atuar nas fissuras do mesmo. Sendo assim, é de se esperar que o concreto fabricado com adições de fibras preserve suas propriedades após exposição a temperaturas altas. Neste trabalho a influência das fibras de aço na microestrutura e tenacidade do concreto submetido a temperaturas elevadas é avaliada. Para isto, foi estudado o comportamento sob flexo-tração, com velocidade de deformação do corpo de prova controlada, de concretos de 30MPa fabricados com fibras curtas de aço, e submetidos a temperaturas de 200 e 400oC. Verificou-se que, em ambas as situações, a adição de fibras metálicas ao concreto é capaz de garantir a pseudo-ductilidade e a capacidade portante do compósito após exposição a temperaturas elevadas.

Palavras-Chaves: Fibras de aço, Microestrutura, Concreto, Temperatura.

INTRODUÇÃO

Durante sua vida útil, o concreto pode estar sujeito a altas temperaturas, quer seja por exigências de serviço ou por situações extraordinárias como incêndio. De modo geral, mesmo estando submetido a temperaturas elevadas, é capaz de manter a resistência por períodos relativamente longos, não sendo combustível e não emitindo gases tóxicos(1). Dessa forma, o concreto permite operações de resgate durante o incêndio sem risco de colapso da estrutura. No entanto, é importante que se conheça as propriedades residuais do composto com o intuito de se avaliar a capacidade portante do material após o sinistro. As fissuras são geradas durante a exposição do concreto a altas temperaturas em conseqüência de tensões de origem térmica (associadas a gradientes de temperatura). No entanto, é preciso que se considere também as tensões oriundas de alterações físico-químicas do concreto no aquecimento. Uma pasta saturada de cimento contém basicamente silicato de cálcio hidratado, hidróxido de cálcio e sulfoaluminato de cálcio hidratado, uma grande quantidade de água livre, de água capilar, além da água adsorvida(1). Esses vários tipos de água são prontamente perdidos ao elevar-se a temperatura do concreto em temperaturas próximas de 100oC. Entretanto, devido ao considerável calor de vaporização necessário para a conversão da água em vapor, a temperatura do concreto não se eleva até que toda a água evaporável tenha sido removida. Na presença desses vapores desenvolvem-se tensões que, dependendo da umidade e porosidade do concreto, são significativas nas camadas mais externas, sendo responsáveis pelo o estilhaçamento da superfície do mesmo, podendo levar ao destacamento do cobrimento das armaduras. Ao considerar o efeito de temperaturas superiores a 60ºC, é necessário distinguir entre a ação sobre o cimento hidratado e sobre o inerte(2). Quando o aquecimento atinge temperaturas próximas a 100ºC, a resistência começa a diminuir devido à perda

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da água combinada dos silicatos hidratados. A redução de resistência acelera-se no aquecimento até 500/600ºC em virtude da desidratação do hidróxido de cálcio. Em torno de 900oC ocorre a decomposição total dos silicatos hidratados.A evaporação da água do cimento da pasta hidratada provoca o aumento da retração da mesma. Ao mesmo tempo o inerte inicia uma expansão. Com conseqüência dessas duas ações contrárias, obtém-se uma fissuração da pasta que começa, portanto, a perder resistência. A porosidade e a mineralogia do agregado exercem influência importante no comportamento do concreto exposto ao fogo, pois esses fatores determinam a dilatação térmica diferencial entre o agregado e a pasta de cimento, e a resistência última da zona de transição. Das várias experiências realizadas sobre a ação da temperatura destacam-se as de Zoldners(2) que estudou a influência de diferentes tipos de inertes na compressão e na flexão. Os seus estudos concluíram que as perdas de resistência de flexão começam logo que inicia o aquecimento. Por outro lado, na compressão não há perdas sensíveis de resistência até 300ºC. Em estudos posteriores(3), observou-se que os módulos de elasticidade caem significamente com o aumento da temperatura. Isso poderia ser atribuído à microfissuração na zona de transição, que tem um efeito mais danoso na resistência à flexão e módulo de deformação do que na resistência do concreto à compressão. Concretos de maior porosidade e maior quantidade de água quimicamente combinada absorvem melhor as tensões induzidas pelas altas temperaturas.

Recentemente, um número crescente de estudos vem sendo realizados visando melhorar o desempenho do concreto no que diz respeito à resistência à flexo-tração e tenacidade(4-9). Uma das tendências atuais é o uso de materiais cimentícios reforçados com fibras curtas de aço. As fibras são introduzidas no compósito com a finalidade de aumentar a capacidade do concreto suportar deformações plásticas, ou seja, tornar o concreto pseudo-plástico. As fissuras ocorrem na matriz quando as deformações do conjunto excedem a capacidade de deformação da mesma. Na ausência de fibras a propagação das microfissuras leva à fratura frágil do material. Por possuírem módulo de elasticidade maior que o do concreto, as fibras, quando incorporadas ao composto, inibem a propagação das fissuras, através do mecanismo de transferência de tensões da matriz para o aço. Ou seja, mesmo após a fissuração o concreto mantém boa capacidade portante antes de se romper. Quando a resistência final do compósito é alcançada, a ruptura pode ocorrer por duas causas: os limites de escoamento dos materiais constituintes das fibras e da matriz são atingidos ou ocorre a falência da aderência entre a fibra e a matriz. Como resultado da restrição à propagação da fissura, ocorre o aumento da tenacidade, da resistência à fadiga e ao impacto. Quanto à resistência à compressão, a adição de fibras ao concreto produz modesto ou nenhum efeito. Também podem ser verificadas melhorias na qualidade do concreto no que diz respeito à durabilidade, pois com a redução da abertura de fissuras ao longo das peças estruturais há a restrição parcial da penetração de substâncias agressivas. Entretanto, é importante dar uma atenção especial à degradação das fibras que podem ser sensíveis a esses agentes, fato que pode agravar nas fibras próximas à superfície que não possuem cobrimento.

Considerando que as fibras contribuem para que o concreto seja mais tenaz, é de se esperar que o concreto fabricado com adições de fibras preserve melhor suas propriedades após exposição a temperaturas altas. Neste trabalho, avalia-se a influência das fibras de aço na microestrutura e tenacidade do concreto submetido a temperaturas elevadas.

MATERIAIS E MÉTODOS

O estudo consistiu em submeter corpos de prova de concreto com e sem adições de fibras de aço a ensaios de flexo-tração à temperatura ambiente antes e após aquecimento a 200ºC e 400oC. Os aspectos microestruturais do composto nas mesmas condições também foram observados.

As matrizes de concreto foram fabricadas objetivando uma resistência característica à compressão aos 28 dias de 30MPa e uma relação água/cimento de 0,5. Os materiais utilizados foram: cimento CP II-E32, areia média-fina silicosa e brita calcária com dimensão máxima característica de 9,5 mm. À essa matriz foi adicionado superplastificante de melanina sulfonado (1% da massa de cimento). No caso do compósito com fibras, foram adicionadas fibras de aço (Dramix® 50/.60), num teor de 30% da massa de cimento. Após a mistura, foram moldados corpos de prova prismáticos de dimensões 15 x 15 x 40 cm. Os corpos de prova foram armazenados em ambiente saturado a 25oC até serem submetidos à ciclagem térmica ou aos ensaios de flexão.

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A exposição do concreto a temperaturas elevadas consistiu em submeter os corpos de prova, secos naturalmente e sem carregamento, ao aquecimento gradual a uma taxa de aproximadamente 17oC/h até temperaturas de 200 e 400oC, nas quais foram mantidos por 5 horas e em seguida resfriados lentamente dentro do forno. Esses tratamentos térmicos foram realizados em forno de mufla com controle externo de temperatura.

Os ensaios de flexo-tração foram realizados em uma máquina de ensaios marca Instron modelo 4482. Os corpos de prova prismáticos foram ensaiados à flexão com aparato de três pontos de aplicação de carga e vão livre de 200 mm. A taxa de deflexão imposta foi de 0,0500 mm/min. Foram ensaiados três corpos de prova para cada situação.

A análise microscópica foi realizada em um Microscópico de Varredura Eletrônica (MEV) marca JEOL modelo JSM 35C, utilizando elétrons secundários. As amostras, extraídas em regiões próximas ou afastadas da superfície de ruptura, foram recobertas com ouro. Foram analisadas amostras de todos os corpos de testados.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Nas figuras 1 e 2 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de flexo-tração. Os gráficos indicam o efeito da adição das fibras metálicas e da temperatura no comportamento do composto cimentício. O concreto confeccionado sem fibras é um material com fratura frágil. O aquecimento à temperatura elevada compromete ainda mais esse comportamento na medida em que, quanto maior a temperatura de exposição, menor é a carga necessária para o colapso do material. Essa carga é reduzida em aproximadamente 60-70% para concretos submetidos a temperaturas de 200 e 400oC durante 5 horas.

0 10 20 30 40 50 60 70 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Deslocamento (mm) Carga (kN) 25ºC 200ºC 400ºC

Figura 1: Curva carga-deslocamento obtida no ensaio de flexo-tração a 25oC do concreto sem adição de fibras antes e após ser exposto a temperaturas de 200 e 400oC.

Considerando a área sob a curva (força x deslocamento) como um indicativo da energia absorvida pelo material antes da ruptura (tenacidade), constata-se para a temperatura ambiente que o acréscimo de fibras proporciona ao concreto um aumento considerável de sua tenacidade, e pouco influencia sua resistência à flexo-tração. As fibras proporcionam ao composto características dúcteis e modificam o regime de deformações mesmo antes da falha da matriz de concreto. De forma semelhante ao observado para o concreto sem fibras, o aumento de temperatura afeta o comportamento do material. No entanto, o concreto sem fibras é muito mais sensível a esse efeito. A adição de fibras curtas de aço na matriz de concreto submetido à temperatura elevada melhora consideravelmente o comportamento do mesmo após aquecimento, no tocante à sua capacidade portante. Quanto à tenacidade, as fibras promovem a um acréscimo da tenacidade em torno de 80 - 90% nos concretos após ciclagem térmica. O aquecimento do concreto a 200 e 400oC parece ter pouca influência na tenacidade do concreto reforçado com fibras: para esses compostos submetidos a elevadas temperaturas não há perda significativa da tenacidade, como ocorre com os concretos

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sem adição de fibras. Desse modo, a adição de fibras metálicas ao concreto é uma garantia da pseudo-ductilidade do compósito após exposição à temperaturas elevadas.

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0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Deslocamento (mm) Carga (kN) 400ºC 200ºC 25ºC

Figura 2: Curva carga-deslocamento obtida no ensaio de flexo-tração à 25oC do concreto reforçado com fibras antes e após ser exposto às temperaturas de 200 e 400oC.

Nas figuras de 3 e 8 são apresentadas micrografias do concreto nas várias situações estudadas. Nos compostos sem fibra, com e sem tratamentos térmicos, é detectada a presença de hidróxido de cálcio (placas), silicato de cálcio hidratado e sulfoaluminato de cálcio hidratado (agulhas). No entanto, constata-se a ocorrência de maior porosidade nos concretos tratados termicamente, não sendo possível observar uma diferença significativa do efeito do aumento de temperatura de tratamento. A análise das microestruturas do concreto tratado a 200 e 400oC indica que a presença de fibras no compósito tende a inibir a formação do sulfoaluminato de cálcio hidratado, assim como torna a estrutura mais compacta. A causa de tal efeito precisaria ser melhor estudada. Após a ciclagem térmica, observa-se a presença de um silicato de cálcio hidratado mais grosseiro. Este fato se evidencia após o tratamento a 400oC. A análise qualitativa indica menor quantidade de hidróxido de cálcio nas amostras aquecidas a 400oC. Nas temperaturas estudadas não se observou a ocorrência da desidratação dos silicatos. Deve-se ressaltar que essas observações se deram em pequenas regiões das amostras, sendo necessário um estudo mais abrangente para que se tenha conclusões taxativas quanto às fases.

Figura 3: Microestrutura do concreto sem adição de fibras antes de ser exposto a temperaturas elevadas.

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Figura 4: Microestrutura do concreto com adição de fibras antes de ser exposto a temperaturas elevadas.

Figura 5: Microestrutura do concreto sem adição de fibras após ser exposto à temperatura de 200oC.

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Figura 7: Microestrutura do concreto sem adição de fibras após ser exposto à temperatura de 400oC.

Figura 8: Microestrutura do concreto com adição de fibras após ser exposto à temperatura de 400oC.

CONCLUSÕES

A adição de fibras metálicas ao concreto, além de proporcionar ao composto características dúcteis, melhora consideravelmente seu comportamento após ser submetido a temperaturas elevadas, promovendo um aumento significativo da sua capacidade portante. No que diz respeito à tenacidade e à resistência a flexo-tração, nos concretos reforçados com fibras não há perda significativa dessas características, como ocorre com os compostos sem adição de fibras. Desse modo, a adição de fibras metálicas ao concreto é uma garantia da pseudo-ductilidade do compósito que será utilizado em locais sujeitos a temperaturas elevadas. Esses resultados indicam serem as fibras metálicas uma adição necessária ao concreto quando se vislumbra a possibilidade de ocorrência de incêndios ou elevadas temperaturas de serviço. Essa melhoria de desempenho poderia estar relacionada a uma menor porosidade do compósito e à menor quantidade de sulfoaluminato de cálcio hidratado. No entanto, para que se estabeleça tal relação de forma mais clara, estudos mais específicos estão sendo realizados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. P.K. Metha, P.J. Monteiro, Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais; PINI, 1994.

2. A.S. Coutinho, Fabrico e Propriedade do Betão; Laboratório Nacional de Engenharia Civil, 1997. 3 C. Cruz, J. Res. & Dev.- Portland Cement Association 111 1 (1966) 37 – 45.

4 N. Banthia, J.F. Trottier, ACI Materials Journal March-April (1995) 146 - 154.

5 A.D. Figueiredo, P.R.L. Helene, Anais do Internacional Congress on High Performance Concrete

and Performance and Quality of Concrete Structures, Junho de 1996, 248 - 259.

6 J.K. Keer, Fiber Reinforced Concrete, in New Reinforced Concretes, Surrey University Press, 1984. 7 P. Soroushian, Z. Bayasi, ACI Materials Journal March-April (1991) 129 - 133.

8 P.S. Surendra, ACI Materials Journal November-December (1991) 595 - 602. 9 R.N. Swamy, Matériaux et Constructions 8 (1975) 235 - 254.

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INFLUENCE OF THE TEMPERATURE ON CONCRETES WITH SHORT STEEL

FIBERS

C. H. A. S. Melo(1); M. T. P. Aguilar(1); E. C. S. Corrêa(2); D. B. Santos(2); P. R. Cetlin(2) Rua Espírito Santo, 35, Centro, Belo Horizont e/MG, CEP 30.160-030

carlota@cce.ufmg.br

(1) Departamento de Engenharia de Materiais e Construção – UFMG (2) Departamento de Engenharia de Metalurgia e Materiais

ABSTRACT

High temperature situations are commonly observed in concrete structures. Several factors may affect the material behavior under these circumstances, such as the loss of water and the consequent dehydration of the components. As a result of the phenomena of retraction and expansion of aggregates, the cracking resistance seems to decrease, leading to the reduction of the young modulus and the strength of the composite. On the other hand, the addition of metallic fibers might attenuate the cracking risk, allowing an increase in the toughness of the material. In this paper, the influence of the use of short steel fibers in the performance of concrete subjected to high temperatures is analyzed. Toughness and microstructural aspects are verified through bending tests and scanning electron microscopy. The results indicate an increase in the ductility and in the strength of the whole structure.

Referências

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