BETÃO COM FIBRAS
1. INTRODUÇÃO Resumo histórico
Desde sempre as fibras foram usadas para reforçar outros materiais. A palha foi usada para reforçar tijolos cozidos ao sol, a crina de cavalo para reforçar argamassa e gesso.
Mais recentemente (1898) generalizou-se o uso do amianto que, face aos problemas de saúde (1960/1970) a ele associados foi sendo substituído por outras fibras.
Alguns materiais usados na construção – plásticos, cerâmicos, à base de cimento, à base de gesso – incorporam fibras de forma a melhorar o seu comportamento sob o ponto de vista de: tensões de tracção, compressão, módulo de elasticidade, resistência ao choque, fendilhação, durabilidade, fadiga, resistência ao impacto e abrasão, retracção, expansão, comportamento térmico, resistência ao fogo.
O emprego de agulhas de aço, fios de aço, chapa de aço para melhorar as características do betão datam de 1910. Desde 1960 que os E.U.A. se dedicam à investigação sobre a vantagem do uso das fibras metálicas.
O emprego de fibras de vidro no betão foi feito pela primeira vez, em 1950, na U.R.S.S..
Recentemente chegou-se à conclusão que as vulgares fibras de vidro (borosolicato) são atacadas e destruídas pelos álcalis do cimento, razão que levou a um trabalho de investigação de forma a produzir fibras de vidro invulneráveis aos álcalis [ACI 544].
Hoje, tanto as fibras sintéticas como as naturais são empregues.
2. Tipos de fibras
3. Fibras de aço
As fibras de aço usadas em betão têm uma esbelteza (razão comprimento/diâmetro) entre 20 e 100 e são suficientemente pequenas para que se possam dispersar facilmente. A Figura 1 mostra alguns tipos de fibras de aço em formas diferentes.
Figura 1 - Alguns tipos de fibras.
Nas circulares o diâmetro varia de 0,25 a 1,00 mm, nas de secção rectangular a menor dimensão varia de 0,15 a 0,64 mm e a maior de 0,25 a 2,03 mm. Algumas têm as extremidades em forma de gancho outras são onduladas, outras têm secção variável, outras são rugosas com a finalidade de aumentar a aderência. O comprimento geralmente varia entre 15 e 75 mm. O aço pode ser macio ou duro e podem ainda ter um revestimento (galvanização) como protecção anticorrosiva. Podem apresentar-se isoladas ou colocadas em bandas, que se soltam facilmente durante a mistura.
As características do aço, a esbelteza e a forma da fibra, são propriedades que têm de ser analisadas para a escolha do tipo de fibra: a esbelteza e a forma são fundamentais para a aderência. A resposta a exposições a temperaturas elevadas é variável conforme o tipo de aço.
3.1 - Propriedades do betão fresco com fibras
As propriedades de betão no estado fresco são função da quantidade de fibras, da esbelteza, da geometria da fibra e da composição do betão.
Nos betões com slump entre 25 e 120 mm, especialmente, a introdução de fibras (entre 15 e 80 kg/m3) faz baixar o slump, o que não significa que o betão não tenha bom comportamento na colocação e vibração.
Assim o valor do slump adequado será aquele para o qual o betão é colocado e vibrado com facilidade.
O comportamento do betão com fibras sob o ponto de vista e trabalhabilidade é idêntico ao do betão sem fibras. Contudo na fase de colocação/vibração é necessário que haja cuidado especial pois as fibras tendem a orientar-se segundo direcções preferenciais que dependem da proximidade da cofragem, da intensidade de vibração, da altura da queda do betão, etc..
As fibras longas e muito esbeltas, se usadas em grandes quantidades, podem formar “ouriços” com mais facilidade que as fibras curtas e menos esbeltas.
3.2 - Propriedades do betão endurecido 3.2.1 - Sob a acção de uma carga estática
As propriedades do betão endurecido dependem do betão em si e da orientação e percentagens de fibras.
As fibras transmitem ao betão uma certa ductilidade, após a rotura, sob a acção de uma carga; este aumento de ductilidade é função da aderência da fibra e da quantidade de fibras.
3.2.2 - Compressão
A tensão de rotura à compressão de um betão com fibras é praticamente idêntica à do betão sem fibras. O acréscimo ou decréscimo, se existir, é muito pequeno.
Nos provetes de ensaio a presença das fibras altera o tipo de fractura; uma vez atingida a carga máxima verifica-se uma deformação maior sob essa carga constante. No ensaio feito com cilindros pequenos e em que no betão se usaram fibras de grande comprimento os resultados obtidos são muito altos e irrealistas; com provetes cúbicos a situação é semelhante. No betão com fibras, a relação entre a tensão de rotura no cilindro e no cubo pode ser diferente da adoptada para betão sem fibras [ACI 544]. 3.2.3 - Flexão
As fibras (dependendo do quantidade e da aderência) alteram a distribuição de tensões na secção sujeita a flexão fazendo com o que o eixo neutro se desloque para a zona comprimida. Para dosagens altas de fibras há aumento de tensão de rotura à flexão.
Com dosagens de fibras da ordem 30-50 kg/m3 a tensão de tracção em flexão não é superior à do betão; o comportamento após ter sido atingido a carga máxima é diferente, devido à maior capacidade de absorção de energia.
Nos ensaios feitos com prismas pequenos, usando grandes quantidades de fibras, e aplicando as cargas apenas ao meio do vão e em que o alinhamento das fibras é predominantemente longitudinal pode haver um acréscimo grande de tensão de rotura (150%) [ACI 544].
3.2.4 - Tracção uniaxial
O acréscimo de tensão pode ser grande (30% a 40%) para dosagens de fibras superiores a 2,0% em volume e depende da quantidade de fibras localizadas segundo a direcção de tracção e da composição do betão.
3.2.5 - Corte
Os resultados obtidos em ensaios mostram que o aumento da tensão de corte (quando existe apenas corte puro) depende da técnica de ensaio e do alinhamento das fibras na zona de rotura por corte. Para 1% de fibras (em volume) o aumento pode ir de desprezável a 30% [ACI 544].
As fibras têm vantagens quando usadas para substituir os estribos nas vigas:
- a distribuição aleatória das fibras na massa de betão, situadas mais perto umas das outras do que os varões dos estribos, permite a distribuição de fissuração e menor abertura das fissuras;
- a tensão de tracção do betão fendilhado pode ser aumentada; - as fibras limitam a abertura das fissuras.
3.2.6 - Fadiga
Para um determinado tipo de fibra o aumento de resistência à fadiga é proporcional à quantidade de fibras.
A adição de fibras ao betão armado aumenta a resistência à fadiga e faz diminuir a abertura de fissuras sob a acção da carga.
3.2.7 - Fluência e retracção
Os resultados dos ensaios disponíveis mostram que as fibras em dosagens inferiores a 1% não influem na fluência nem na retracção do betão de cimento portland [ACI 544].
3.2.8 - Módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson
O módulo de elasticidade do betão contendo menos de 2% (em volume) de fibras é semelhante ao do betão com a mesma composição, mas sem fibras [ACI 544].
3.2.9 - Absorção de energia
O comportamento sob a acção de cargas dinâmicas ou estáticas de um betão com fibras pode ser muito diferente do comportamento do betão sem fibras, dependendo da composição do betão, do tipo e dosagem de fibras.
No caso da acção actuante ser uma carga dinâmica, no betão com fibras, o impacto produz uma fendilhação localizada sem que o restante betão seja afectado, ao contrário do que acontece no betão sem fibras em que o betão poderá ficar totalmente fraccionado.
Sob a acção de uma carga estática gradualmente crescente depois de atingido o pico de carga o betão com fibras mantém a integridade apesar de fissurado e com deformações consideráveis. No betão sem fibras, após o pico de carga e a 1ª fissura ele separar-se-á em bocados.
A melhor maneira de avaliar a capacidade para absorver energia do betão com fibras é por ensaios de flexão, especialmente os ensaios de flexão feitos sobre placa, no caso do betão projectado.
Na Figura 2 está representada uma curva carga/deformação obtida em ensaio de flexão e que permite calcular a absorção de energia correspondente a uma determinada deformação [ACI 544].
Figura 2 - Diagrama esquemático carga/deformação [ACI 544]. 3.2.10 - Condutibilidade térmica
A condutibilidade térmica aumenta ligeiramente para percentagens de fibras entre 0,5% e 1,5% (volume) [ACI 544].
3.2.11 - Resistência à abrasão
As fibras não conferem melhoria ao betão, se a abrasão é provocada por detritos transportados por água circulando a baixa velocidade; no caso de alta velocidade da água ou de fenómenos de cavitação as fibras impedem que o betão se desintegre.
3.2.12 - Durabilidade
No betão não fissurado e com tensão de rotura superior a 25 MPa, a corrosão se existir fica limitada a uma zona com poucos milímetros de profundidade a contar da superfície. O facto das fibras não se tocarem impede a propagação da corrosão, mesmo em presença de ambientes com cloro. No betão fissurado, em que a abertura é superior a 0,1 mm há a probabilidade da ocorrência de corrosão. A prevenção consiste em adoptar fibras de aço inox ou galvanizadas [ACI 544].
3.2.13 - Fissuração resultante da retracção
As fibras, embora possam não reduzir a retracção conseguem distribuir a fissuração, aumentando o número de fissuras, diminuindo portanto a abertura de cada fissura.
Na Figura 3 pode observar-se que o emprego de uma pequena quantidade (0,25 % em volume) de fibras de aço rectas com o diâmetro de 0,4 mm e 0,25 mm de comprimento reduz significativamente a abertura das fissuras (1,5 do valor obtido no betão sem fibra) [ACI 544].
Figura 3 - Influência da percentagem de fibras na abertura das fissuras [ACI 544]. 3.3 - Composição do betão
O betão com fibras exige normalmente maior quantidade de cimento, maior quantidade de areia fina; o slump diminui com o aumento da quantidade de fibras. Na composição podem ser usados adjuvantes e adições tal como no betão sem fibras. É importante que o processo de amassadura seja eficaz de forma a dispersar normalmente as fibras.
3.4 - Aplicação das fibras de aço
Citam-se algumas aplicações do betão reforçado com fibras: - Elementos pré-fabricados Depósitos
Lajes
Estruturas se suporte de máquinas - Estruturas hidráulicas Canais
Barragens Condutas - Estruturas de betão refractário
- Pavimentos Pavimentos industriais, autoestradas, estações de abastecimento de combustíveis
- Betão projectado Estabilização de taludes Estruturas subterrâneas Reservatórios
Estruturas delgadas Reparações
4. Fibras sintéticas
Além das fibras de aço, vidro ou naturais há fibras sintéticas que se usam no fabrico de compósitos identificados como SNFRC.
Estas fibras são fabricadas com base em polímeros orgânicos com diferentes fórmulas. As que já foram empregues em betão são: acrílicas, aramid, nylon, poliéster, polietileno e polipropileno. Para muitas delas há ainda pouco conhecimento do seu comportamento.
4.1.1 - Fibras de Nylon
Muitos investigadores demonstraram haver melhoria na absorção de energia, ductilidade e control de fissuração com o emprego de 0,5% a 3% (em volume) de fibras de nylon. No entanto essa melhoria é função da ligação fibra/ligante, de geometria da fibra e a distribuição das fibras. Existem, já relatos sobre a pouca aderência fibra/matriz cimentícia [ACI 544].
4.1.2 - Fibras de Poliester
As fibras de poliéster na dosagem de 0.1% (em volume) têm sido usadas para diminuir a retracção plástica do betão [ACI 544].
4.1.3 - Fibras de Polietileno
O betão reforçado com estas fibras na dosagem de 2% a 4% (em volume) tem um comportamento linear, quando sujeito a flexão, até ao aparecimento da 1ª fissura; a partir daí há como que uma transferência do esforço aplicado ao betão para as fibras até que estas comecem a partir.
Na Figura 4 estão patentes algumas curvas obtidas no ensaio de flexão de betão reforçado com diferentes percentagens de fibras.
Figura 4 - Curvas força/deformação de betão reforçado com diferentes percentagens de fibras de polietileno.
As propriedades do compósito em que a dosagem de fibras pode variar de 0,1% a 10% (em volume) dependem muito da quantidade de fibras, de geometria das fibras, da composição da matriz o que, aliás, acontece com todas as fibras sintéticas [ACI 544]. 4.1.4.1 - Propriedades do betão fresco
Mesmo com dosagens inferiores a 2% de fibras (em volume) é possível manter a trabalhabilidade com recurso a um superplastificante. Também se verifica que, dependendo da composição do betão este pode ou não ter exsudação e segregação (para dosagens de 2%).
4.1.4.2 - Tensão de rotura à compressão
Há notícia de ensaios feitos com percentagens de fibras de 0,1% a 2,0% (em volume). Por enquanto, não há consenso quanto à influência das fibras na tensão de rotura à compressão. Em princípio, parece que não tem qualquer efeito. Contudo o mecanismo de rotura do betão com fibras é diferente do betão sem fibras; o betão com fibras rompe de um modo mais dúctil, especialmente em compósitos com alta tensão de rotura. Este facto pode ser demonstrado pelo ensaio à compressão de provetes de ensaio com e sem fibras [ACI 544].
4.1.4.3 - Módulo de Elasticidade
Com percentagens de 0,1 a 2% (em volume) parece não existir qualquer efeito das fibras sobre este parâmetro.
4.1.4.4 - Tensões de rotura à Flexão
Não há consenso sobre o benefício do emprego de fibras.
Alguns ensaios mostram que com 0,1% (em volume) de fibras há um leve acréscimo na tensão de rotura (0,7% a 2,6%) e que com 0,2% a 0,3% há um pequeno decréscimo [ACI 544].
4.1.4.5 - Resistência ao Impacto
Há ensaios em que se registou melhoria no desempenho do compósito e outros em que tal não se verificou [ACI 544].
Tal como acontece com o betão reforçado com fibras de aço a resistência à flexão aumenta após o compósito ter sido sujeito a fadiga.
4.1.4.7 - Absorção de Energia
Os resultados obtidos para absorção de energia dependem do tipo de máquina de ensaio e método de carga empregue.
Ao serem usadas máquinas com carga controlada o compósito com 0,1% (em volume) de fibras rompe repentinamente, sem que se verifique aumento de absorção de energia em relação ao betão base, tanto aos 7 como aos 28 dias. Com 0,2% e 0,3% de fibras verifica-se aumento considerável.
Se os ensaios forem feitos com máquina com deformação controlada verifica-se que mesmo os betões com 0,1% de fibras podem apresentar alguma melhoria.
A absorção de energia é afectada pelo comprimento das fibras, a geometria e a aderência.
O conteúdo de fibras determina o comportamento do compósito após a fissuração. Na Figura 5 pode analisar-se a influência da dosagem de fibras no comportamento do compósito.
Figura 5 - Curvas carga/deformação de compósitos com diferentes percentagens de fibras de polipropileno.
4.1.4.8 - Retracção e Fissuração
Alguns ensaios mostram a capacidade das fibras para reduzir a retracção por secagem, de betões com 0,1%, 0,2% e 0,3% de fibras. Na Figura 6 apresentam-se a variação da retracção com o tempo em função da dosagem de fibras. Neste ensaio os provetes foram curados em água e posteriormente sujeitos a secagem acelerada.
a) 0% e 0,1% em volume.
b) 0% e 0,2% em volume.
c) 0% e 0,3% em volume.
Figura 6 - Influência da percentagem de fibras na retracção por secagem [ACI 544]. 4.1.4.9 - Aderência
O bom desempenho das fibras no betão reforçado com fibras depende basicamente da aderência das fibras à pasta de cimento. O facto do polipropileno ser quimicamente inerte elimina a hipótese de ligação química. Os resultados obtidos com fibras fibriladas são melhores que com monofilamento, como resultado da penetração da matriz cimentícia possibilitando ancoragens. Também há referência a ligações tipo mecânico
4.1.4.10 - Ensaios a Elevadas Temperaturas
A cura em autoclave pode não ser compatível com este tipo de fibras.
Ensaios demonstram que compósitos sujeitos a cura em autoclave a 0,4 MPa/140oC durante 24 horas e posteriormente secos em estufa a 116oC durante 24 horas perderam ductilidade resultante da degradação das fibras por oxidação devida ao calor na estufa. O processo pode ser aplicado se a temperatura de secagem for substancialmente reduzida.
4.1.5 - Betão Reforçado com Fibras Distintas
O emprego de dois ou mais tipos de fibras pode ser vantajoso ao tirar partido das propriedades específicas de cada uma.
Há estudos recentes feitos com micro-fibras de aço (25 microns de diâmetro e 3 mm de comprimento) e micro-fibras de carbono (18 microns de diâmetro e 6 microns de comprimento).
Parece possível, obter compósitos destinados a aplicações específicas se se misturar em proporções adequadas fibras de diferentes tipos e com características específicas.
