Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP

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1 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Pedro Colaço Franjoso da Silva Duarte Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Professor Doutor Jorge Manuel Calico Lopes de Brito Orientadores: Professor Doutor João Paulo Janeiro Gomes Ferreira Professor Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia Vogal: Professor Doutor Paulo Miguel de Macedo França Dezembro 2011

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3 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Resumo O comportamento estrutural do betão armado leva a que a sua fendilhação seja bastante recorrente e, naturalmente, tida em conta no dimensionamento de estruturas de betão armado. No entanto, a existência de aberturas de fendas excessivas pode comprometer a durabilidade, estética e funcionalidade da estrutura em questão. A existência de um excesso de cargas pode levar a que estes valores limite sejam ultrapassados, tornando também necessária a aplicação de um reforço estrutural. Para o excesso de esforços de flexão, uma das soluções de reforço possíveis consiste na colagem de laminados de CFRP, sendo recomendada a reparação das fendas numa fase prévia à aplicação do reforço, sendo a injecção de resinas epóxidas uma das técnicas de maior utilização quando se pretende repor os níveis de desempenho e o monolitismo do elemento. Esta dissertação tem como objectivos a avaliação da influência da injecção prévia com resinas epóxidas no comportamento do betão armado, aquando da aplicação de um reforço estrutural. Para tal, foi realizada uma campanha experimental com base em ensaios de flexão de vigas de betão armado, reforçadas com laminados de CFRP. No total, foram ensaiadas à flexão seis vigas com os seguintes tratamentos: duas vigas padrão; duas vigas fendilhadas e reforçadas e duas vigas fendilhadas, reparadas e reforçadas. Com base nos resultados obtidos conclui-se que a reparação das fendas, previamente à aplicação do sistema de reforço, confere uma maior rigidez inicial às vigas enquanto o seu efeito na resistência última das vigas não é conclusivo. Palavras-chave: fendilhação, vigas, injecção, resinas epóxidas, reforço, laminados de CFRP. i

4 Resumo ii

5 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Abstract Due to the structural behaviour of reinforced concrete, cracking is a common phenomenon. However, concrete cracking is already considered in the design of reinforced concrete structures, where the crack width is limited to certain values, so it does not compromise the durability of the structure. The existence of an overload may lead to exceeding crack width values, indicating the need for structural strengthening. When the overload develops mainly due to flexural stresses, one of the possible solutions consists of the bonding of CFRP laminates, though crack repair is recommended before the application of the retrofitting system. Crack repair through resin injection is one of most used techniques, where epoxy resin is the best material to reestablish the original performance level of a structural element. The main objectives of this dissertation comprise the determination of the influence of previous crack repair with epoxy resins in reinforced concrete s behavior, when a strengthening system is applied. For this purpose, an experimental campaign was conducted based on flexural tests of reinforced concrete beams, strengthened with CFRP laminates. Altogether, six T-shaped beams were tested: two reference beams; two cracked and strengthened beams and two cracked, repaired and strengthened beams. The achieved results show that repairing the cracks before the application of the retrofitting system ensures higher initial stiffness while the effect on the beam s maximum load wasn t conclusive.. Keywords: cracking, beams, injection, epoxy resin, strengthening, CFRP laminates iii

6 Abstract iv

7 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Agradecimentos A realização desta dissertação apenas foi possível graças ao apoio e colaboração de várias pessoas e entidades às quais presto os meus profundos agradecimentos. Aos orientadores deste trabalho, Prof. João Gomes Ferreira e Prof. João Ramôa Correia por todo o auxílio prestado, pela disponibilidade demonstrada para resolução de dúvidas e problemas existentes, pela informação concedida e principalmente pelas sugestões e orientação dada durante todo o trabalho. À empresa H Tecnic, Lda., cujo contributo foi essencial na realização da campanha experimental, nomeadamente no fornecimento de mão-de-obra e materiais necessários para o fabrico de vigas e para as operações de reparação e reforço das mesmas. Um agradecimento especial ao Eng. João Farinha e ao Eng. Nuno Cerqueira pela experiência transmitida e pelo rápido apoio prestado durante todo o trabalho. Às empresas Secil e Unibetão pelo fornecimento do betão pronto utilizado no fabrico das vigas e dos provetes de ensaio. À empresa S&P - Clever Reinforcement Company, pelo fornecimento da resina de colagem e dos laminados de CFRP usados na campanha experimental. Aos técnicos do Laboratório de Estruturas e Resistência de Materiais, Fernando Costa e Fernando Alves pelo auxílio imprescindível para a realização dos ensaios experimentais. Por fim, quero agradecer à minha família e à Diana, cujo apoio, motivação e confiança, foram essenciais para a realização deste trabalho. v

8 Agradecimentos vi

9 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Índice Resumo... i Abstract... iii Agradecimentos... v Índice... vii Índice de Figuras... ix Índice de Tabelas... xiii Índice de Gráficos... xiii Simbologia... xv 1 Introdução Enquadramento geral Objectivos Metodologia Organização do documento Estado da arte Introdução à reabilitação de estruturas de betão armado Anomalias em betão armado Projecto de reabilitação Técnicas de reparação Técnicas de reforço Reparação de fendas com injecção de resinas Fendilhação do betão armado Materiais de injecção Técnicas de injecção de fendas Mecanismos de injecção e processos de mistura Efeito das resinas no comportamento mecânico do betão armado Reforço por colagem de laminados de CFRP CFRP como material estrutural Processo de fabrico de laminados de CFRP Processo executivo do reforço de laminados de CFRP vii

10 Índice Dimensionamento de laminados de CFRP Programa experimental Objectivos Plano de ensaios Materiais e equipamento Esquema de ensaio Procedimento experimental Fabrico das vigas Ensaios experimentais Reparação por injecção de resinas Reforço das vigas com laminados de CFRP Dimensionamento dos laminados de CFRP Resistência mecânica das vigas de betão armado Capacidade resistente das vigas após reforço Dimensões dos laminados de CFRP Comprimento dos laminados de CFRP Verificações de segurança Modo de rotura Resultados e discussão Ensaios aos provetes Provetes cúbicos de betão Provetes cilíndricos de betão Varões de aço Ensaios às vigas de betão armado Vigas padrão Vigas apenas reforçadas Vigas reforçadas e reparadas com injecção de resinas Síntese de resultados Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros Conclusões Perspectivas de desenvolvimentos futuros viii

11 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP 6 Anexos A. Sikadur -52 Injection B. Emaco S C. S&P Laminates CFK D. S&P Resin Índice de Figuras Figura Fendilhação devido a retracção plástica... 7 Figura Fendilhação devido a retracção hídrica (secagem)... 7 Figura Aplicação de betão projectado Figura Reparação de fendas com injecção de resinas Figura Reforço de uma laje com recurso a chapas coladas Figura Reforço de um pilar com tecidos de CFRP Figura Exemplo de fissuras com humidade Figura Exemplo de uma fissura com infiltração, sem pressão Figura Variação dos valores de com a espessura do elemento Figura Reacções químicas de formação de resinas epóxidas Figura Resina epóxida Figura Espuma de poliuretano Figura Injecção de resina de poliuretano numa fenda Figura 2.14 Micro-cimento Figura Aplicação de selagem na fenda Figura Ordem de injecção para: a) fendas verticais e b) fendas horizontais Figura Colocação de um injector num dos furos realizados Figura 2.18 Purga da resina no buraco subsequente, após injecção da mesma Figura Colocação da resina nos balões de injecção Figura Injecção com recurso a molas Figura Bomba monocomponente manual Figura Bomba monocomponente eléctrica Sika Injection Pump EL Figura Diagrama carga-flecha de uma viga sujeita a injecção das fendas com rotura por flexão Figura Diagrama carga-flecha de uma viga sujeita a injecção das fendas com rotura por corte Figura Diagrama carga-flecha de três vigas sujeitas a injecção das fendas com rotura por flexão Figura Diagrama tensão-extensão de distintos tipos de fibras, do aço convencional e de cordões aço de pré-esforço Figura Representação de um processo de pultrusão ix

12 Índice de Figuras Figura Preparação da superfície com um jacto de areia e água Figura Aplicação dos laminados Figura Tipos de rotura da ligação do laminado Figura Análise da secção transversal de uma viga para o estado limite último de flexão: (a) geometria, (b) distribuição de extensões e (c) distribuição de tensões Figura Geometria da secção transversal das vigas Figura Pormenorização das armaduras Figura Cofragens com as armaduras das vigas Figura 3.4 Viga de betão armado pronta para ensaio Figura 3.5 Embalagem do componente A de Sikadur -52 Injection Figura 3.6 Embalagem do componente B de Sikadur -52 Injection Figura Argamassa Emaco S Figura Rolo de laminado de CFRP Figura Embalagem da resina de colagem Figura Bomba manual monocomponente de injecção Figura Injector de fixação mecânica Figura Macaco hidráulico e célula de carga Figura 3.13 Unidade de pressão Figura Deflectómetro TML Figura Disposição dos extensómetros nas vigas Figura Colocação e ligação dos extensómetros às armaduras longitudinais Figura Esquema de ensaio das vigas Figura Aspecto real do esquema de ensaio Figura Montagem das cofragens Figura Montagem das armaduras Figura Aspecto final das cofragens com as armaduras no seu interior Figura Espaçadores Figura Colocação e vibração do betão Figura Eliminação de excessos de betão Figura Regularização da superfície do betão Figura Fabrico dos provetes de betão Figura Ligações ao aparelho de aquisição de dados Figura Medidor óptico ou lupa de fendas Figura Criação de furos no betão com uma broca Figura Colocação dos injectores nos furos Figura Processo de mistura dos componentes da resina Figura Limpeza da bomba Figura Injecção da resina nas fendas Figura Injecção das resinas num injector na face inferior Figura Exemplo de formação de novas fendas x

13 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Figura Aspecto final da viga após a injecção e extracção dos injectores Figura Humidificação dos orifícios Figura Aspecto final dos orifícios após a sua reparação com argamassa Figura Delimitação da área sujeita a preparação Figura Martelo de agulhas Figura Limpeza do laminado com acetona Figura Mistura dos componentes da resina Figura Aplicação de uma camada de resina no betão Figura Aplicação da resina no laminado Figura Colocação dos laminados nas vigas Figura Aspecto final das vigas após reforço Figura Secção transversal das vigas de betão armado Figura Condições de apoio e de carregamento das vigas e respectivos diagramas de momentos e esforços transversos Figura Delimitação da zona Figura Ensaio de compressão a um cubo de betão Figura Evolução da tensão resistente do betão à compressão ao longo do tempo Figura Ensaio de compressão diametral a um cilindro de betão Figura Evolução da tensão resistente do betão à tracção ao longo do tempo Figura Diagrama tensão-deslocamento dos ensaios à tracção dos varões de 8 mm Figura Diagrama tensão-deslocamento dos ensaios à tracção dos varões de 12 mm Figura Deformações registadas pelos deflectómetros na viga V Figura Diagrama de deformações registadas na viga V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros nas vigas V1 e V Figura Deformação da viga V1 perto da sua rotura Figura Extensões registadas nas armaduras longitudinais superiores das vigas V1 e V Figura 4.12 Extensões registadas nas armaduras longitudinais superiores das vigas V1 e V Figura Posição da linha neutra ao longo do carregamento das vigas V1 e V Figura Relações momento-curvatura nas vigas V1 e V Figura Aberturas de fendas registadas nas vigas V1 e V Figura 4.16 Caracterização da fendilhação das vigas Figura Rotura da viga V1 por compressão do betão Figura Rotura da viga V2 por compressão do betão Figura Aberturas de fendas registadas nas vigas V3 e V4 previamente à aplicação de reforço Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros na viga V Figura Rotura da ligação do laminado na viga V Figura Deslocamentos registadas pelos deflectómetros na viga V xi

14 Índice de Figuras Figura Rotura da ligação do laminado na viga V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros centrais nas vigas V3 e V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros centrais para as vigas V1, V2, V3 e V Figura Extensões registadas nas armaduras longitudinais superiores das vigas V3 e V Figura Extensões registadas nas armaduras longitudinais inferiores das vigas V3 e V4 97 Figura Posição da linha neutra ao longo do carregamento das vigas V3 e V Figura Relações momento-curvatura nas vigas V1, V2, V3 e V Figura 4.30 Identificação das fendas na viga V3 previamente ao ensaio à rotura Figura Aberturas de fendas registadas nas vigas V3 e V4 na fase de fendilhação e nos ensaios até à rotura Figura Distribuição de fendas na viga V3 antes da sua rotura Figura 4.33 Distribuição de fendas na viga V4 antes da sua rotura Figura Aberturas de fendas registadas nas vigas V5 e V6 previamente à aplicação do reforço Figura 4.35 Deslocamentos a meio vão das vigas V5 e V6 durante o carregamento e descarregamento associado à operação de reparação Figura 4.36 Extensões das armaduras de tracção das vigas V5 e V6 durante o carregamento e descarregamento associado à operação de reparação Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros na viga V Figura Rotura da ligação do laminado de CFRP na viga V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros na viga V Figura Rotura da ligação do laminado de CFRP na viga V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros centrais nas vigas V5 e V Figura Deslocamentos registados pelos deflectómetros centrais nas vigas V1, V2, V5 e V Figura Deslocamentos registadas pelos deflectómetros centrais nas vigas V3, V4, V5 e V Figura Extensões registadas nas armaduras longitudinais inferiores das vigas V5 e V Figura Extensões registadas nas armaduras longitudinais superiores das vigas V5 e V Figura Posição da linha neutra ao longo do carregamento das vigas V5 e V Figura Relações momento-curvatura nas vigas V5 e V Figura Relações momento-curvatura nas vigas V3, V4, V5 e V Figura Aberturas de fendas registadas nas vigas V5 e V6 nos ensaios à rotura Figura Identificação das fendas na viga V6 previamente ao ensaio à rotura Figura Aberturas de fendas registadas nos ensaios à rotura das vigas V3, V4, V5 e V xii

15 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Figura Distribuição de fendas na viga V5 antes da sua rotura Figura Distribuição de fendas na viga V6 antes da sua rotura Índice de Tabelas Tabela Etapas de um projecto de reabilitação Tabela Técnicas de reforço existentes e sua aplicabilidade Tabela Classificação de fendas de acordo com a sua abertura máxima Tabela Valores limite de abertura de fendas consoante a classe de exposição Tabela Valores limite para z consoante o tipo de exposição do betão armado Tabela Diâmetros e espaçamentos de varões máximos para controlo de fendilhação Tabela Principais características de resinas epóxidas Tabela Resultados de ensaios à compressão de cubos fendilhados e reparados com resinas epóxidas Tabela Características físicas e mecânicas dos diferentes FRPs Tabela Valores do factor de segurança Tabela Propriedades físicas e mecânicas da resina aplicada na injecção Tabela Propriedades físicas e mecânicas do laminado de CFRP Tabela Propriedades da resina de colagem dos laminados Tabela Características dos equipamentos de medição Tabela Características das vigas Tabela Características mecânicas do betão e do aço Tabela Tipos e dimensões de laminados de CFRP da marca S&P Tabela Resultados dos ensaios de compressão nos provetes cúbicos aos 28 dias Tabela Resultados dos ensaios de compressão diametral dos provetes cilíndricos aos 28 dias Tabela Valores médios das tensões de cedência e tensões últimas dos varões ensaiados Tabela Resultados principais obtidos nas vigas V1 e V Tabela Resultados principais obtidos nas vigas V3 e V Tabela Resultados principais obtidos nas vigas V5 e V Índice de Gráficos Gráfico 1 Comparação dos valores de rigidez e carga de rotura das vigas padrão e vigas apenas reforçadas Gráfico 2 - Comparação dos valores de rigidez e carga de rotura das vigas padrão, vigas apenas reforçadas e vigas reparadas e reforçadas xiii

16 Índice de Gráficos xiv

17 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Simbologia Letras maiúsculas latinas área efectiva por armadura área da secção de betão área de betão efectiva área da secção de betão traccionado área da secção do laminado de CFRP área da secção de armaduras adicional para responder às novas solicitações área da secção de armadura longitudinal área da secção de armadura longitudinal de tracção área da secção de armadura longitudinal de compressão área da secção de armaduras necessária para responder às novas solicitações área mínima da secção de armadura longitudinal área por metro de armadura transversal coeficiente de segurança das propriedades resistentes do CFRP modulo de elasticidade do betão módulo de elasticidade do CFRP módulo de elasticidade do aço valor absoluto da força de tracção no banzo no momento imediatamente antes ao aparecimento da primeira fenda força de tracção existente no laminaod momento de inércia momento de inércia para o estado fendilhado momento aplicado valor de cálculo do momento resistente da secção de uma viga valor de cálculo do momento resistente da secção após reforço valor de cálculo do momento flector existente força existente no betão força existente no laminado de CFRP valor de cálculo do esforço normal actuante somatório das forças de tracção força existente nas armaduras longitudinais de tracção força existente nas armaduras longitudinais de compressão xv

18 Simbologia carga aplicada nos provetes cilíndricos pressão máxima admissível de injecção relação entre as futuras sobrecargas e cargas permanentes actuantes curvatura de um elemento estrutural valor nominal da carga actuante cargas permanentes sobrecargas força máxima existente na zona de ancoragem do laminado de CFRP valor de cálculo do esforço transverso existente. valor de cálculo do esforço transverso resistente Letras minúsculas latinas flecha elástica flecha instantânea largura da zona comprimida de betão de uma viga largura a secção do laminado de CFRP espessura de recobrimento distância da linha neutra à superfície superior do elemento distância das armaduras longitudinais de tracção à superfície superior da viga distância das armaduras longitudinais de compressão à superfície superior de uma viga distância do conjunto armaduras-laminado à superfície superior da viga distância do reforço à superfície superior da viga tensão máxima de aderência do betão valor de cálculo da resistência do betão à compressão valor característico da resistência à compressão do betão tensão de tracção máxima do betão valor característico da resistência do betão à tracção valor médio da resistência do betão à tracção valor médio da resistência à tracção do betão na idade em que se espera que o corram as primeiras fendas valor de cálculo da tensão máxima do CFRP valor característico da tensão máxima resistente do CFRP valor de cálculo da tensão de cedência do aço valor característico da tensão de cedência do aço altura do elemento coeficiente dependente da altura ou espessura do elemento estrutural xvi

19 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP coeficiente que considera o estado de fendilhação e o efeito das armaduras coeficiente que considera o efeito da distribuição de tensões coeficiente dependente da aderência das armaduras ao betão coeficiente dependente do tipo de esforço actuante factor geométrico que relaciona a largura da base da viga com a largura do laminado de CFRP coeficiente dependente da distribuição de tensões imediatamente antes do aparecimento da primeira fenda coeficiente dependente das condições de compactação do betão comprimento de laminado necessária para cobrir a zona de cedência das armaduras comprimento máximo de amarração do laminado de CFRP comprimento total do laminado número de camadas do reforço de CFRP numero de amostras espaçamento médio entre fendas espaçamento máximo entre fendas espessura do laminado de CFRP perímetro de ligação do laminado de CFRP perímetro de ligação das armaduras valor da abertura de fendas valor característico da abertura de fendas distância da linha neutra à superfície superior do elemento valor da tensão ultima obtida em determinada amostra valor da menor tensão ultima obtida num conjunto de amostras distância do centro de gravidade à superfície superior da viga factor de controlo da fendilhação braço entre forças de tracção e compressão, igual a 0,9d braço existente entre os conjuntos de forças e Letras gregas variação da extensão do aço na zona da fenda relação entre os módulos de elasticidade do aço e do betão factor de integração da distribuição de extensões factor de redução da distância ao centro de aplicação de esforços de compressão extensão do betão aquando da aplicação do sistema de reforço de CFRP extensão ao nível das armaduras de tracção xvii

20 Simbologia extensão do betão extensão média do betão extensão do betão devido à retracção extensão máxima de compressão do betão extensão do CFRP valor de cálculo da extensão máxima do CFRP valor limite da extensão do laminado de CFRP extensão máxima do CFRP valor de cálculo da extensão máxima do CFRP extensão do aço extensão das armaduras longitudinais de tracção extensão das armaduras longitudinais de compressão extensão média do aço extensão do aço existente na zona da fenda extensão do aço a zona da fenda imediatamente antes da formação da mesma extensão do aço a zona da fenda imediatamente depois da formação da mesma extensão média relativa entre o aço e o betão diâmetro das armaduras longitudinais factor de redução para determinação da resistência nominal diâmetro da base dos provetes cilíndricos diâmetro médio das armaduras longitudinais de tracção factor de redução da resistência do CFRP momento flector reduzido ângulo de propagação de esforços transversos percentagem de armadura percentagem de armadura efectiva desvio padrão tensão no betão tensão nas armaduras tensão de tracção obtida nas amostras tensão de corte existente no interface CFRP/betão valor médio da tensão de aderência do laminado de CFRP valor médio da tensão de aderência das armaduras percentagem mecânica de armadura parâmetro de ligação do laminado de CFRP factor de redução da área de secção de betão comprimido xviii

21 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP 1 Introdução 1.1 Enquadramento geral Após o elevado número de construções realizadas durante o séc. XX, o mercado das construções novas tem vindo a abrandar nos últimos anos e prevê-se uma viragem para a execução de obras de reabilitação das construções existentes [1]. Dentro das anomalias que surgem em construções de betão armado, o aparecimento de fendas, ou fendilhação, destacase pelo número de casos ocorridos, de certa forma justificado pelo facto de ser também uma manifestação da existência de outras anomalias [2]. Quando a fendilhação ou outras anomalias se verificam, deve elaborar-se um plano de inspecção com o intuito de analisar a origem e a gravidade da anomalia e, se necessário, intervir de forma a restabelecer ou aumentar a capacidade resistente do elemento afectado. A decisão de aplicação de reforço ou de técnicas de reparação prende-se com a relação custobenefício de cada opção e o tipo de serviço a que o elemento ou a estrutura estará sujeito [3]. Neste trabalho, procura-se estudar a reparação de fendas em betão armado através da injecção de resinas epóxidas. Este processo consiste na reparação do elemento estrutural afectado através do preenchimento das fendas com resinas epóxidas que garantem a ligação entre as secções de betão e procuram repor o monolitismo do elemento. É normalmente utilizada resina epóxida para este efeito devido à sua resistência mecânica elevada e elevados níveis de aderência e resistência química [4]. Complementarmente, estuda-se o reforço de vigas de betão armado, com polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP). Esta técnica de reforço é amplamente aceite e considerada como conveniente e eficaz [5]. A sua inserção no âmbito deste trabalho prende-se com o facto de, quando se pretende reforçar elementos de betão armado fendilhados, ser, na maioria dos casos, efectuada uma reparação estrutural do elemento em causa antes da aplicação do reforço [2]. A injecção de resinas epóxidas nas fendas é uma técnica bastante utilizada na reparação estrutural do betão fendilhado, desconhecendo-se, no entanto, o efeito que esta reparação tem no comportamento final do elemento reforçado. 1.2 Objectivos O objectivo principal deste trabalho assenta no estudo da reparação de fendas em betão armado com injecção de resinas epóxidas. Em particular, pretende-se determinar a influência da injecção de resinas previamente a operações de reforço, nomeadamente com laminados de 1

22 Introdução fibras de carbono. Este estudo tem o intuito de servir de suporte a futuras intervenções de reabilitação estrutural de elementos de betão armado que apresentem fendas de flexão, na medida em que poderá ser útil no momento de determinação das técnicas de reabilitação. Como objectivo complementar, mas igualmente relevante, refere-se a aquisição de conhecimentos ao nível de fundamentos teóricos e de experiência técnica. Estes conhecimentos passam pela consciencialização do papel das resinas como material de reparação e da acção dos laminados de CFRP no reforço de vigas de betão armado. Por fim, no contexto mais técnico, pretende-se conhecer alguns cuidados ou obstáculos a considerar durante o processo experimental. 1.3 Metodologia Com o intuito de cumprir os objectivos referidos, o trabalho em questão assenta em dois componentes principais. O primeiro consiste na pesquisa bibliográfica nos âmbitos da reparação de fendas em betão armado com o recurso a injecção de resinas e do reforço estrutural com laminados de CFRP. Mais especificamente, pretende-se uma familiarização com as resinas de reforço estrutural e os métodos existentes de injecção. Para melhor compreensão da problemática em estudo, realizou-se uma campanha experimental baseada numa série de ensaios de flexão em vigas de betão armado que apresentam dimensões a uma escala considerável que pretende ser representativa de casos reais. De forma a caracterizar a acção das resinas no reforço das vigas com laminados, os objectos ensaiados consistem em vigas de betão armado reforçadas com laminados de CFRP que tenham sido injectadas com resinas e vigas reforçadas sem qualquer tratamento de reparação. O efeito da reparação das vigas no comportamento mecânico das vigas foi determinado através da análise dos deslocamentos das vigas e extensões das armaduras, verificadas durante os ensaios de carga. Analisou-se ainda o processo de fendilhação verificado durante o carregamento dos diferentes tipos de viga. 1.4 Organização do documento Este documento encontra-se dividido em 5 capítulos, iniciando-se este trabalho com uma secção introdutória, onde se apresenta o âmbito do mesmo, os seus objectivos principais e a metodologia aplicada para os atingir. 2

23 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP No segundo capítulo procura-se apresentar o estado da arte dos aspectos com maior relevância para este trabalho, estando dividido em três partes principais. Este inicia-se com uma introdução à reabilitação de estruturas de betão armado, através da descrição das anomalias mais frequentes, das diferentes etapas associadas a um projecto de reabilitação e das técnicas de reparação e reforço de maior utilização. Com maior especificidade, aborda-se na segunda parte deste estado da arte, a técnica de reparação de fendas em betão armado através da injecção de resinas. Para tal, é feita uma caracterização do fenómeno de fendilhação e descrevem-se os materiais de injecção actualmente disponíveis, bem como as diferentes técnicas e equipamentos existentes para a realização da injecção das fendas. Procura-se ainda comprovar a eficiência das resinas epóxidas na reparação estrutural do betão armado, através da apresentação de casos de estudo anteriores. A última parte do estado da arte é reservada ao reforço estrutural com recurso à colagem de laminados de CFRP. Aqui são dadas a conhecer as características mecânicas deste material compósito e a sua aplicabilidade no âmbito da construção civil. Descreve-se também o processo de fabrico dos laminados de CFRP, bem como o processo executivo da operação de reforço com recurso a este material. Por fim, é ainda considerado o dimensionamento dos laminados de CFRP, apresentando-se diferentes abordagens de cálculo, tendo em conta os modos de rotura possíveis. A campanha experimental levada a cabo neste trabalho é descrita no terceiro capítulo, onde se indicam os objectivos a esta associados e os ensaios que foram realizados. É feita uma descrição dos materiais e equipamentos utilizados, do esquema de ensaio e do procedimento experimental aplicado nas diferentes fases da campanha, nomeadamente, o fabrico das vigas de betão armado, a reparação das fendas com recurso a injecção de resinas, a colagem dos laminados de CFRP para reforço estrutural e o próprio carregamento à flexão das vigas. Com base nas características das vigas e das suas condições de apoio, apresentam-se ainda os cálculos efectuados para o dimensionamento dos laminados de CFRP. No quarto capítulo, são apresentados os resultados dos ensaios realizados na campanha experimental, particularmente o comportamento mecânico das vigas no que toca à deformação apresentada, extensão das armaduras e propagação da fendilhação. Apresentam-se ainda os resultados dos ensaios de resistência aos provetes dos materiais utilizados, para controlo da qualidade dos mesmos. Finalmente, no quinto capítulo são apresentadas as principais conclusões, baseadas principalmente nos resultados experimentais e sugerem-se tópicos para estudos futuros a realizar nesta área. 3

24 Introdução 4

25 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP 2 Estado da arte 2.1 Introdução à reabilitação de estruturas de betão armado O betão armado possui várias características que, comparativamente com outros materiais de construção, o tornam bastante vantajoso, tais como a sua resistência mecânica, a sua fácil acessibilidade ou a sua capacidade de assumir diferentes formas geométricas, entre outras. Em Portugal, este facto levou a que, em meados do século XX, se tenha verificado uma proliferação no uso deste material para a construção de novas estruturas. Contrariamente à filosofia inerente às suas primeiras primeiras aplicações, o betão armado é um material relativamente sensível, sendo que a sua degradação ocorre naturalmente com o tempo e pode manifestar-se de diferentes modos. Com o elevado número de construções de betão armado existentes hoje em dia, a solicitação de operações de reabilitação das mesmas é cada vez maior. Devido a esta recente necessidade, têm-se verificado inúmeros avanços ao nível das possíveis técnicas de reabilitação e dos materiais aplicados [2] Anomalias em betão armado As anomalias que se manifestam em estruturas de betão armado podem assumir diferentes formas e afectar de maneiras distintas o comportamento do betão armado. Esta afectação pode ir desde a simples alteração da componente estética até ao comprometimento severo da durabilidade e integridade estrutural das estruturas de betão armado. Neste ponto pretende-se apresentar uma introdução às anomalias passíveis de serem observadas em elementos de betão armado e que, de certa forma, provocam danos mais consideráveis. O aparecimento de anomalias em betão armado pode ser resultado de acções que se podem verificar ao longo das várias fases da vida de uma estrutura, ou seja, desde a fase de projecto até ao ponto de exploração normal, enumerando-se de seguida as principais causas: Erros de projecto/concepção; Erros de construção; Acções ambientais; Alteração do tipo de serviço da estrutura; Ocorrência de fenómenos naturais ou acidentes. 5

26 Estado da arte De acordo com Helene [6], cerca de noventa por cento das anomalias detectadas são consequência de erros de concepção e projecto (46%) ou de execução e qualidade dos materiais (44%), enquanto que apenas 10% destas anomalias estão associadas à utilização da estrutura. Segundo o autor, as anomalias mais comuns consistem em fendas, eflorescências, deformações excessivas, manchas no betão e corrosão das armaduras, sendo que a fissuração, as deformações excessivas e a corrosão das armaduras correspondem a mais de 50% das anomalias verificadas em estruturas de betão armado. É também necessário ter em conta que a identificação da causa que origina as anomalias existentes pode ser de dificuldade considerável, visto que é possível a mesma causa produzir anomalias diferentes no betão armado e, em muitos casos, uma anomalia pode ser resultado de várias acções em simultâneo [2]. Fendilhação Como foi referido, a fendilhação do betão é uma anomalia bastante comum em estruturas de betão armado. Isto deve-se principalmente ao facto de o aparecimento de fendas ser, para além de um indicador de problemas estruturais, um sinal da existência de outras anomalias no betão. A fendilhação no betão armado dá-se quando a tensão existente no betão ultrapassa os valores de resistência máxima à tracção do mesmo. Algumas das anomalias do betão provocam o aumento de tensões internas no material, pelo que é comum esse betão apresentar algum nível de fendilhação. No que toca à fendilhação do betão armado devido a acções físicas, uma das razões para o aparecimento de fendas consiste na retracção do betão. A retracção do betão é, na sua essência, uma redução de volume que se pode verificar de diferentes formas e para diferentes idades do betão. A sua distinção é feita da seguinte forma: Retracção plástica (Figura 2.1) - actua nas primeiras idades do betão (estado plástico) e é resultado da perda da água por evaporação capilar ou por absorção dos agregados; Retracção térmica - o calor libertado pela hidratação do cimento, juntamente com o seu posterior arrefecimento, origina variações de volume e a consequente fissuração do betão. Processa-se durante o período de presa e após a descofragem do betão; Retracção química é consequência do facto dos produtos de hidratação do cimento possuírem um volume inferior, relativamente à soma dos volumes da água e do cimento que os formam. Ocorre durante o período de hidratação do cimento, com maior intensidade nas primeiras idades; 6

27 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Retracção hídrica é consequência da perda de água pela pasta de cimento, pelo que é possível dividi-la em dois grupos: retracção autogénea, fenómeno que ocorre durante as primeiras semanas e que consiste no consumo da água durante as reacções de hidratação, e retracção de secagem (Figura 2.2), processo que se prolonga durante vários anos até o betão se encontrar totalmente seco. solução mais eficaz no controlo da retracção do betão assenta na aplicação de uma dosagem de relação água/cimento o mais reduzida possível sem que comprometa a trabalhabilidade do betão [7]. Figura Fendilhação devido a retracção plástica [8] Figura Fendilhação devido a retracção hídrica (secagem) [8] Dentro das acções físicas a que o betão está sujeito pode-se ainda considerar o efeito da fluência que pode levar a deformações excessivas e consequente fendilhação. As variações de temperatura a que o betão armado se encontra exposto, em conjunto com uma deficiente concepção de juntas de dilatação, podem levar ao aparecimento de fendas no betão armado. Por fim, as fendas de carácter estrutural são maioritariamente provocadas por erros ao nível de projecto e da construção ou a alteração do tipo de serviço da estrutura. Os erros mais comuns ao nível de projecto baseiam-se em deficiências na pormenorização de elementos construtivos, tais como os materiais a utilizar, recobrimento a aplicar ou na pormenorização das armaduras, sendo também possível verificarem-se erros na consideração de cargas e esforços actuantes. Relativamente aos erros comuns ocorridos durante a execução da obra, destacam-se as falhas na aplicação, compactação e cura do betão, colocação de armaduras, o mau escoramento das cofragens ou a retirada precoce das mesmas [9]. Os assentamentos de terreno são outra causa provável do aparecimento de fendas e podem ser classificados como uniformes ou diferenciais. Os assentamentos uniformes são pouco preocupantes, excepto se apresentarem valores elevados, enquanto que os assentamentos diferenciais são mais danosos, sendo que a fendilhação resultante em paredes costuma apresentar uma inclinação aproximadamente de 45º [2]. 7

28 Estado da arte Corrosão das armaduras A corrosão de armaduras dá-se quando estas se encontram em contacto com água e oxigénio e o seu produto final consiste em óxidos de ferro cuja contribuição para a resistência mecânica é praticamente desprezável. Esta perda de secção resistente das armaduras leva a que, por vezes, se verifique a rotura das mesmas [2]. No caso de existência de fendas no betão armado, estas não são muito preocupantes quando se desenvolvem com uma orientação transversal às armaduras, pelo menos com aberturas inferiores a 0,4 mm, desde que o recobrimento de betão seja apropriado, ao nível da espessura e densidade, e que este não se encontre exposto a ataques de cloretos. Relativamente às fendas paralelas às armaduras, estas aumentam de forma considerável a exposição das armaduras e, consequentemente, o seu risco de corrosão. Em muitos casos, as fendas que se desenvolvem paralelamente às armaduras são resultado da corrosão das mesmas. A formação de óxidos de ferro tende a provocar um aumento de volume das armaduras, principalmente em espessura, que provoca o aumento de tensões no betão e propicia o aparecimento de fendas. A melhor iniciativa na minimização do perigo de corrosão das armaduras consiste em aplicar um recobrimento suficientemente espesso e denso [10]. Despassivação do betão O betão possui uma alcalinidade relativamente elevada que, em contacto com o aço, lhe garante uma protecção contra a corrosão através da formação de uma película passivante em volta da armadura. A carbonatação do betão é resultado da reacção entre o dióxido de carbono presente no ar e o hidróxido de cálcio, presente no betão, que leva à formação de carbonato de cálcio e à diminuição do ph. Verifica-se uma perda de alcalinidade que, quando atinge as armaduras, provoca o desaparecimento da película de protecção, aumentando o risco de corrosão das armaduras. Esta reacção vai-se propagando da superfície exterior do betão para o seu interior a uma profundidade que depende aproximadamente da raiz quadrada do tempo. A película passivante das armaduras pode também ser atacada por acção dos iões cloreto, caso um valor limite da concentração de iões cloreto seja ultrapassado. Tanto o dióxido de carbono como os iões cloreto propagam-se por difusão para o interior do betão, sendo que os iões cloreto efectuam essa difusão através dos poros de betão com presença de água. Estes iões cloreto são normalmente originários da água do mar, sendo a penetração dos mesmos no betão é mais preocupante quando existe um ciclo de molhagem e secagem do betão. O ritmo de propagação dos iões cloreto encontra-se também aproximadamente dependente da raiz quadrada do tempo. 8

29 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Ataques químicos Os ataques químicos no betão armado caracterizam-se principalmente por reacções entre agentes exteriores e constituintes do betão que alteram as características de resistência do mesmo. É possível distinguir os ataques químicos em três classes diferentes: ataques de ácidos, sulfatos e álcalis. Existem vários agentes, gasosos, líquidos ou sólidos, que, ao entrar em contacto com o betão, reagem com os compostos de cálcio e produzem novos compostos incoerentes e expansivos. Entre estas reacções incluem-se os ataques de ácidos que podem provocar a desagregação de partes de betão ou uma fendilhação generalizada. Os ataques de sulfatos distinguem-se dos ataques de ácidos, na medida em que os ataques de sulfatos consistem em reacções entre iões de sulfato e determinados compostos do cimento, reacções essas com um carácter expansivo, que tendem a causar o aumento da porosidade do betão, uma fendilhação de padrão irregular ou a consequente desagregação do betão. Por fim, os ataques de álcalis dão-se quando os agregados do betão possuem uma concentração elevada de sílica reactiva que reage com os álcalis que se podem encontrar nos poros do betão. A reacção é altamente expansiva e o seu produto final consiste num gel de álcali-silica, pelo que o betão fica fendilhado ou mesmo desintegrado e composto por um material de resistência mecânica inferior [2]. Outras anomalias Pode-se considerar que a existência de vazios ou zonas porosas é uma anomalia no betão armado uma vez que, embora de índole maioritariamente estética, pode trazer outros problemas ao nível da facilidade de penetração no betão por agentes exteriores ou alguma influência no comportamento estrutural para casos mais gravosos. As causas principais destas anomalias assentam na deficiente aplicação e compactação do betão, ou mesmo nas características dos seus constituintes. A ocorrência de descasques ou desagregação do betão mencionados anteriormente é também considerada como anomalia do betão embora esteja bastante ligada à ocorrência de outras anomalias, nomeadamente, ataques químicos, corrosão de armaduras ou excesso de cargas. É necessário ter também em conta os fenómenos biomecânicos, tais como a abrasão e a cavitação, cuja acção, se apresentar uma intensidade elevada, podem provocar danos consideráveis no betão. Por fim, salientam-se ainda os agentes biológicos, vegetais ou animais, que, em contacto com o betão, podem provocar reacções químicas com o mesmo, alterando as características mecânicas deste, ou mesmo, o desenvolvimento dos agentes vegetais que pode provocar o aumento de tensões internas no betão [2]. 9

30 Estado da arte Projecto de reabilitação Antes de se avançar para a abordagem do processo de reabilitação de uma estrutura é necessário ter presente as correctas noções sobre os termos normalmente utilizados neste âmbito, nomeadamente os seguintes: reabilitação, reparação e reforço. Estes três conceitos podem ser diferenciados através do seu objectivo principal. Reabilitação Operação que tem como intuito o aumento da durabilidade de uma estrutura e pode ser realizado através da reparação, reforço ou uma combinação das duas acções. Reparação - todas as acções que visam repor totalmente ou parcialmente os níveis de desempenho iniciais da estrutura. Reforço - acção que incide sobre o comportamento de uma estrutura, visando o aumento da resistência e/ou ductilidade dos seus elementos, garantindo um desempenho superior relativamente ao seu estado inicial. Existem actualmente vários métodos de reforço e reparação de estruturas, pelo que é necessário realizar uma análise cuidada da situação existente da estrutura a reabilitar, e futuras aplicações para a mesma, de forma a ser possível determinar a intervenção que melhor cumpra os requisitos estabelecidos. Um projecto de reabilitação tem como principal objectivo caracterizar as condições existentes numa determinada estrutura e avaliar a sua compatibilidade com a futura utilização da mesma. Devido às condicionantes e especificidades de cada estrutura, não existe um método universal para a realização deste tipo de projectos. Existe, no entanto, uma série de passos que se consideram essenciais para a correcta realização de um projecto de reabilitação, tendo sempre em conta os objectivos pretendidos pelo dono de obra, e que são apresentados na Tabela 2.1. Relativamente à avaliação estrutural, é de referir que se recomenda uma maior exigência, comparativamente com estruturas novas, ao nível dos coeficientes de majoração para as cargas actuantes e dos coeficientes de minoração da capacidade resistente da estrutura, sendo que estes últimos podem ser ajustados através de um valor denominado de relação de capacidade, com os valores apresentados no CEB Bulletin D Information nº162, que variam de acordo com os danos existentes na estrutura [11]. Um passo essencial em qualquer operação de reabilitação consiste na identificação das causas das anomalias existentes, sendo que se for possível eliminar a acção que desencadeia o aparecimento das anomalias, esta deve ser feita previamente à operação de reabilitação. A determinação do tipo de intervenção e da técnica de reabilitação a aplicar deve então ser realizada tendo em conta as condicionantes existentes [12]. 10

31 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Tabela Etapas de um projecto de reabilitação 1 Recolha de documentação I. Projectos da obra Memórias descritivas, peças desenhadas, especificações técnicas. II. Registos da construção - Origem e ensaios de materiais, registos de fiscalização, livro de obra. III. Registo de alterações no uso da estrutura ou intervenções de reabilitação anteriores 2 Inspecção da estrutura I. Medição de geometrias dos elementos estruturalmente mais relevantes. II. Identificação de fissuras e respectiva caracterização, deslocamentos e deformações perceptíveis e outras zonas com indícios de deterioração futura. III. Quantificação das propriedades mecânicas do betão e do aço através de ensaios in-situ ou em laboratório. 3 Avaliação estrutural I. Verificação da segurança da estrutura face às condições iniciais de projecto. II. Verificação da segurança da estrutura face às novas exigências de utilização. Determinação do tipo de intervenção: 4 Avaliação final 1. Conservação preventiva 2. Reparação/Reforço da estrutura 3. Mudança/limitação do uso da estrutura 4. Abandono ou demolição da estrutura Dentro do mesmo âmbito, a vertente económica é fundamental na tomada de decisão, pelo que por vezes é possível proceder à reabilitação da estrutura mas, devido a esta solução não ser economicamente viável, é escolhido outro tipo de solução [3] Técnicas de reparação Como foi referido, a reparação tem como objectivo o restabelecimento das características mecânicas iniciais de uma estrutura. As acções de reparação possuem uma grande gama de técnicas possíveis com diferentes níveis de intervenção, ou seja, as acções de reparação abrangem desde o preenchimento de pequenos vazios até à reconstrução parcial de 11

32 Estado da arte elementos. Neste ponto pretende-se apresentar resumidamente os diferentes procedimentos de reparação existentes face às anomalias anteriormente referidas. De entre as várias técnicas existentes, é possível identificar dois tipos de abordagens, a reparação através do preenchimento de falhas na continuidade do betão ou através da substituição dos materiais danificados. Na substituição dos materiais danificados é frequentemente aplicado um material semelhante, mas com determinadas propriedades que previnem a recorrência de determinadas anomalias. Caso esta substituição seja feita com materiais de resistências mecânicas superiores, esta operação pode ser considerada como uma operação de reforço. Não existe um método único de reparação de uma anomalia, pelo que a escolha da técnica e dos materiais a utilizar encontra-se dependente das condições existentes e da gravidade e extensão da anomalia. Considerando inicialmente a reparação de vazios ou zonas porosas, esta é feita com recurso a pequenas perfurações no betão com a frequência que se verificar necessária, desde que estas consigam interceptar os vazios existentes. É posteriormente feita uma limpeza do interior de forma a retirar possíveis partículas soltas. Para o preenchimento de vazios de pequeno volume aconselha-se a utilização de resinas epóxidas enquanto que para maiores volumes recomenda-se a utilização da argamassas não retrácteis à base de cimento com possíveis aditivos. Face à existência de descasques ou desagregações de betão, o procedimento de reparação passa essencialmente pela remoção de todo o betão afectado e cuja integridade esteja em risco, sendo este substituído por materiais novos. Dentro dos possíveis materiais de substituição, encontram-se as argamassas epóxidas ou argamassas de cimento não retrácteis, para lacunas relativamente pequenas, ou mesmo betão convencional, normalmente aplicado em reparações de grande extensão. É possível que, aliado a estas anomalias, se verifiquem danos nas armaduras, como deformações ou corrosão das mesmas, pelo se deve proceder à sua substituição através da soldadura ou empalme de novos varões. O betão deve então ser retirado deixando as armaduras expostas e com uma folga razoável até ao ponto de soldadura ou de empalme. Normalmente, devido às grandes quantidades de betão a substituir, recorre-se à aplicação de betão normal, betão não retráctil ou betão projectado. A aplicação do betão de substituição pode ser realizada basicamente de duas formas: através de métodos tradicionais com recurso a cofragens, ou então através do sistema de betão projectado, sendo este ultimo método normalmente utilizado quando se está perante grandes superfícies de betão a reparar. Em ambos os casos, é necessário garantir a aderência entre o betão novo e o existente. 12

33 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP O sistema de reparação de betão projectado consiste, como o nome indica, em projectar betão na superfície a reparar, como é visível na Figura 2.3. O betão utilizado para projecção é semelhante ao convencional, sendo que neste caso existe um maior controlo ao nível da dimensão máxima dos agregados. O betão projectado tem a vantagem de dispensar cofragens, na medida em que a projecção garante a compactação do betão e transmite-lhe uma grande aderência, mesmo em superfícies verticais ou horizontais invertidas (tectos). Aos betões a projectar pode-se ainda adicionar outros materiais que melhoram as suas características de resistência ou durabilidade, tais como fibras de aço ou fibras de vidro (GRC). Relativamente à acção de ataques químicos no betão armado, o método de reparação habitual consiste na substituição do betão e armaduras afectadas. No entanto, se for verificado que o processo de contaminação se encontra estabilizado, é possível recorrer ao preenchimento das falhas existentes, desde que a aderência dos materiais de preenchimento ao betão não esteja comprometida. Por fim, e com maior relevância para este trabalho, refere-se a reparação de fendas em betão armado. Em primeiro lugar, é necessário fazer uma correcta caracterização das fendas existentes, na medida em que as características das fendas condicionam o tipo de reparação e os materiais a aplicar. O preenchimento de fendas com recurso a injecção de resinas é o procedimento mais comum para este tipo de anomalia e consiste na injecção, sob pressão, de resinas através de injectores colocados junto das fendas (Figura 2.4). As características das resinas, nomeadamente ao nível da sua aderência ao betão e resistência mecânica permitem realizar uma reparação estrutural do elemento de betão armado em causa. Este método será abordado de forma mais detalhada mais à frente neste trabalho. Figura Aplicação de betão projectado [13] Figura Reparação de fendas com injecção de resinas [14] Caso não seja necessária a reparação estrutural do betão armado, é também possível realizar a reparação de fendas através da sua selagem. Esta operação consiste na abertura da superfície da fenda e o seu preenchimento com um material selante. O campo de utilização desta técnica baseia-se em situações em que é necessário realizar a impermeabilização das 13

34 Estado da arte fendas à água ou ao ar, tais como zonas onde existe pressão hidrostática aplicada sobre a superfície do betão. Dentro dos materiais de selagem passíveis de aplicação encontram-se as resinas de poliuretano, silicones, polisulfuretos ou argamassas poliméricas [2, 15] Técnicas de reforço O reforço de betão armado pressupõe, geralmente, a introdução ou adição de novos materiais resistentes nos elementos que demonstrem uma resistência mecânica inferior à que lhe é exigida pelo tipo de acções a que se encontram sujeitos. Na Tabela 2.2 enumeram-se as várias técnicas de reforço existentes e indica-se em quais elementos estruturais de betão armado estas são aplicadas mais habitualmente. Tabela Técnicas de reforço existentes e sua aplicabilidade Elemento estrutural Técnicas de reforço Pilares Flexão Vigas Corte Lajes Paredes Encamisamento de betão x x x x x Colagem de chapas metálicas x x x x x Aplicação de sistemas de CFRP x x x x Introdução de perfis metálicos x x x x Introdução de pré-esforço x x O encamisamento de betão, como se pode observar na Tabela 2.2, é uma técnica que pode ser utilizada no reforço de qualquer elemento estrutural e a sua realização assenta no aumento das dimensões da secção de um determinado elemento. Associada a esta técnica de reforço está, normalmente, a adição de armaduras resistentes à tracção e ao esforço transverso. A aderência entre os materiais existentes e os novos é de grande importância pelo que, antes de se aplicar o betão novo, deve-se remover o betão existente até deixar as armaduras expostas. A colagem de chapas metálicas pode ser aplicada em vigas e lajes e é, na maioria dos casos, usada no aumento da resistência à flexão, pelo que, nestes casos, a sua forma assemelha-se à de um laminado que percorre o elemento longitudinalmente. A colagem é feita com recurso a colas epóxidas, sendo aplicada uma pressão uniforme sobre a chapa até o adesivo ganhar resistência, de modo a que este apresente a espessura desejada. As chapas metálicas podem também ser utilizadas no reforço da resistência das vigas ao esforço transverso pelo que as chapas são colocadas verticalmente nas faces laterais das vigas e normalmente soldadas à chapa metálica longitudinal. Na Figura 2.5 é possível observar a utilização da colagem de chapas metálicas para reforço à flexão de uma laje. 14

35 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Relativamente à utilização de sistemas de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers), o sistema de aplicação é relativamente semelhante ao empregue na colagem de chapas metálicas para reforço de vigas e lajes. No reforço de vigas e lajes podem ser utilizados, para colagem, laminados ou mantas de CFRP para reforço à flexão. No reforço ao esforço transverso de vigas, podem ser coladas mantas de CFRP, que envolvem transversalmente a viga, ou laminados em L, aplicados em ambos os lados da viga e ancorados no banzo da mesma. A técnica de envolvimento dos elementos é também utilizada para o reforço de pilares, sendo que nesta operação são colados tecidos de CFRP que actuam multidireccionalmente (Figura 2.6). O reforço à flexão de vigas de betão armado com recurso a laminados de CFRP irá ser apresentado de forma mais pormenorizada no ponto 2.3 deste trabalho. Figura Reforço de uma laje com recurso a chapas coladas [14] Figura Reforço de um pilar com tecidos de CFRP [17] O reforço de pilares através da introdução de perfis metálicos é feito geralmente através da colagem de cantoneiras às arestas dos pilares, com argamassas epóxidas, e unidas entre si por soldadura de chapas metálicas ou varões. As cantoneiras são também ligadas a capitéis que fazem a ligação entre o pilar e as lajes superior e inferior através de um adesivo à base de epóxidos. No reforço de vigas pode ser utilizada a colagem de cantoneiras nos cantos da viga ou pode-se recorrer à criação de um elemento misto em que um perfil metálico, por exemplo em I é colado à superfície inferior da viga, existindo um aumento significativo da altura do elemento. A colagem de vigas metálicas pode ser também utilizada no reforço de lajes, embora, em ambos os casos exista uma maior dificuldade em garantir o monolitismo da solução final. Para o reforço de lajes, existe a alternativa de introduzir os perfis metálicos nas mesmas, garantindo uma melhor transmissão de esforços, apesar de implicar maiores trabalhos na laje existente. No reforço de paredes são abertos roços na mesma onde são introduzidas cantoneiras e fixadas com argamassas epóxidas, formando uma estrutura quadrilátera na qual as cantoneiras estão unidas entre si através da soldagem de chapas metálicas. A aplicação de pré-esforço pode ser utilizada no reforço de vigas, na medida em que o traçado dos cabos, que podem ser exteriores ou interiores à peça a reforçar, permite contrariar as 15

36 Estado da arte acções existentes. Este método tem a vantagem de não necessitar da descarga do elemento, mas pode trazer problemas na zona de ancoragem e tem efeitos estéticos consideráveis [2,11]. 2.2 Reparação de fendas com injecção de resinas O tipo de fendas existentes no betão armado influencia, de certa forma, as características da operação de injecção. Assim sendo, para além de neste ponto se expor as diferentes técnicas e materiais que melhor se adequam a cada situação, é também referida alguma informação acerca das caracterizações possíveis das fendas e dos mecanismos de formação das mesmas Fendilhação do betão armado O betão armado como material estrutural pretende tirar partido das características dos materiais que o compõem, na medida em que este funciona de modo a que o betão suporte os esforços de compressão e que as armaduras resistam aos esforços de tracção. No entanto, continua a existir uma secção de betão sob a acção de esforços de tracção pelo que este irá eventualmente fendilhar. Caracterização de fendas Como foi referido, é necessário analisar as fendas de forma a escolher correctamente o tipo de reabilitação a efectuar. A caracterização das fendas pode ser feita em diferentes níveis: Abertura máxima das fendas; Actividade das fendas; Acções e esforços de fendilhação; Teor de humidade. Relativamente ao primeiro modo de classificação, a abertura das fendas é o primeiro indicador da gravidade da situação presente, sendo que estas se encontram discriminadas como se indica na Tabela 2.3 [2]. Tabela Classificação de fendas de acordo com a sua abertura máxima [2] Tipo de fendas Microfissuras Fissuras intermédias Macrofissuras Largura máxima 0,05 mm Entre 0,05 mm e 0,4 mm 0,4 mm 16

37 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP As microfissuras são pequenas fendas que se desenvolvem apenas na zona do betão envolvente das armaduras. A existência destas microfissuras foi comprovada experimentalmente por Broms (1965) [18] e por Goto e Otsuka (1971) [19]. Tanto as fissuras intermédias como as macrofissuras podem-se apresentar em qualquer zona do betão [10]. As fendas podem também ser classificadas de acordo com a sua actividade, isto é, a estabilidade que apresentam. Uma fenda é considerada inactiva se, ao longo de um período tempo suficientemente representativo, a fenda não apresenta variações referentes à sua abertura. Pelo contrário, se a fenda apresenta variações de abertura de índole cíclica ou crescente, a fenda considera-se activa. A actividade de uma fenda pode ser monitorizada através de testemunhos colocados sobre a fenda, como calços de gesso ou tiras de vidro ou de papel, mas que apenas indicam se existe actividade ou não. A caracterização quantitativa da actividade de uma fenda pode ser feita com recurso a fissurómetros mecânicos ou eléctricos [16]. Como foi demonstrado anteriormente, a fendilhação do betão é uma manifestação possível de diferentes acções, sendo que cada acção é responsável por uma distribuição de esforços distinta e, consequentemente, por fendas distintas. Assim sendo, é de certa forma possível caracterizar as fendas consoante a acção que levou à sua formação. No caso de existir um excesso de cargas nos elementos de betão armado é possível observar a existência de fendas características de cada tipo de esforço existente. Se a fendilhação for consequência da acção de tracção pura, as fendas desenvolvem-se em planos paralelos ao longo do elemento. Se as fendas se manifestarem devido à flexão excessiva do elemento, então estas desenvolver-se-ão desde a face de tensão de tracção máxima até à linha neutra. As fendas provocadas por excesso de esforço transverso desenvolvem-se nas faces laterais e apresentam uma inclinação correspondente às bielas de transmissão de esforços. Por fim, o excesso de esforços de torção provoca fendas que se desenvolvem de forma helicoidal [10]. O teor de humidade existente nas fendas é também um factor condicionante na escolha dos materiais de injecção a aplicar. Assim, pode-se atribuir as seguintes classificações de fendas consoante o teor de humidade existente [20]: Fissuras secas Sem infiltrações de água e com nenhum resíduo de água detectável na zona fissurada (Figura 2.7); Fissuras com humidade Manchas na zona fissurada, mas sem presença de água. Sinais de infiltração recente ou com água ou humidade visível nos bordos da fissura ou no seu interior; Fissuras com infiltração, sem pressão Possui água visível na zona fissurada ou apresenta um ligeiro gotejar através da fissura (Figura 2.8); Fissuras com infiltração, com pressão Saída contínua de água através da fissura. 17

38 Estado da arte Figura Exemplo de fissuras com humidade [20] Figura Exemplo de uma fissura com infiltração, sem pressão [20] Controlo de fendilhação Um dos pressupostos que se deve ter em consideração no dimensionamento de estruturas de betão armado é que o fenómeno da fendilhação é, na maioria dos casos, inevitável. É, no entanto, necessário obedecer a determinados princípios que permitem, de certa forma, exercer um controlo sobre a fendilhação, nomeadamente ao nível da abertura de fendas que se venha a verificar. Este controlo pode ser feito de através de duas abordagens: o controlo directo e o controlo indirecto. Segundo o CEB/FIB [10] o controlo directo da fendilhação assenta no cálculo da abertura de fendas característica ( ) cuja fórmula de cálculo se apresenta de seguida: (2.2-1) Onde, corresponde ao espaçamento máximo entre fendas, e representam a extensão média do aço e do betão, respectivamente, e corresponde à extensão do betão devido à retracção, assumindo geralmente um valor negativo, embora, na maioria das vezes, desprezável. Para o cálculo do espaçamento máximo entre fendas é muitas vezes empregue a fórmula indicada no Eurocódigo 2, que se apresenta de seguida: (2.2-2) onde corresponde ao recobrimento das armaduras, é um coeficiente que tem em conta a aderência entre a armadura e o betão, podendo assumir dois valores: 0,8 para varões de alta aderência, ou seja, nervurados ou rugosos, e 1,6 para varões lisos. Na mesma expressão é um coeficiente que representa o tipo de esforço actuante, seja ele de flexão ou tracção pura (varia entre 0,5 e 1, respectivamente), corresponde ao diâmetro das armaduras longitudinais e refere-se à percentagem de armadura efectiva, ou seja, tem em conta a área de betão 18

39 sob acção das tensões transmitidas pelas armaduras, Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP é válida se o espaçamento entre armaduras longitudinais for inferior a. De notar que esta fórmula apenas contrário assume-se que a distância máxima entre fendas corresponde a [21]:, caso (2.2-3) Onde h corresponde à altura do elemento e do elemento. à distância da linha neutra à superfície superior Considerando a extensão do betão por retracção desprezável para o âmbito deste trabalho, a diferença entre as extensões médias do aço e do betão, também denominada de extensão média relativa entre o aço e o betão ( ), pode ser determinada da seguinte forma: (2.2-4) e sendo, então, (2.2-5) onde corresponde à extensão do aço existente na zona da fenda, corresponde à relação entre os módulos de elasticidade do aço e do betão, é um factor de integração da distribuição de extensões, que assume o valor de 0,6 para acções de curta duração e de 0,38 para acções de longa duração ou cíclicas, e correspondem à extensão do aço na zona da fenda, imediatamente antes e depois da formação da mesma, respectivamente, e assume o valor médio de resistência do betão à tracção [10]. O Eurocódigo 2 limita a abertura de fendas aos valores indicados na Tabela 2.4, que se encontram dependentes da classe de exposição do elemento em causa. A definição das classes de exposição encontra-se no mesmo documento. Tabela Valores limite de abertura de fendas consoante a classe de exposição [22] Classe de exposição Valores máximos para (mm) X0, XC1 0,4 XC2, XC3, XC4 XD1, XD2 XS1, XS2, XS3 0,3 O American Concrete Institute aborda também o controlo directo da fendilhação no ACI , onde se recomenda o cálculo de um factor, determinado da seguinte forma: 19

40 Estado da arte (2.2-6) onde, corresponde à tensão nas armaduras, corresponde a uma área efectiva por armadura, ou seja, a relação entre a área efectiva de betão e o nº de varões e à espessura de recobrimento de betão. A utilização desta fórmula pretende dar ênfase ao papel da tensão nas armaduras no controlo de fendilhação. O princípio de limitação deste valor consoante o tipo de exposição em que o elemento de betão armado se encontra é também utilizado neste caso, apresentando-se estes valores na Tabela 2.5 Tabela Valores limite para z consoante o tipo de exposição do betão armado [23] Tipo de exposição Interior de estruturas Exterior de estruturas Estruturas retentoras de líquidos Estruturas expostas a condições ambientais severas Valor limite de 30,6 kn/mm 25,4 kn/mm 20,1 kn/mm 16,6 kn/mm Relativamente ao controlo indirecto da fendilhação, o primeiro passo consiste em garantir a presença de uma quantidade de armadura mínima,. Esta armadura mínima assegura a ductilidade do elemento em questão após a formação da primeira fenda. Caso contrário a armadura plastifica, impossibilitando a transmissão de tensões do aço para o betão e o consequente aparecimento de novas fendas. Na expressão (2.2-7) demonstra-se qual a quantidade de armadura que impede a plastificação após o aparecimento da primeira fenda, no caso de existência de tracção pura. (2.2-7) Nesta expressão, representa a tensão de tracção máxima do betão, corresponde à área de betão traccionado, corresponde à área de armadura, representa a percentagem de armadura, corresponde à tensão de cedência do aço e corresponde à relação entre os módulos de elasticidade do aço e do betão De acordo com o Eurocódigo 2, o cálculo da armadura mínima assume a seguinte forma: (2.2-8) onde representa a área de betão traccionada, corresponde ao valor médio da resistência à tracção do betão na idade em que se espera que ocorram as primeiras fendas, sendo que geralmente assume o valor de, tensão média de resistência à tracção do betão 20

41 aos 28 dias de idade, tensões auto-equilibradas na diminuição de Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP representa um coeficiente que considera o efeito não uniforme das espessura ou altura do elemento, de acordo com o gráfico da Figura 2.9., assumindo valores dependentes da Figura Variação dos valores de com a espessura do elemento [22] Para fendilhação devido a cargas aplicadas,. Por fim corresponde a um coeficiente que tem em conta a distribuição de tensões imediatamente antes do aparecimento da primeira fenda, assumindo então os seguintes valores: Para tracção simples, Para flexão simples ou composta o Para secções rectangulares ou almas de secções em caixão ou em T (2.2-9) o Para banzos de secções em caixão ou em T (2.2-10) onde, representa a tensão média actuante na zona em questão (, sendo o valor do esforço normal actuante), corresponde a um coeficiente que considera o efeito dos esforços normais na distribuição de tensões, assumindo o valor de 1,5 para esforços normais de compressão e para esforços normais de tracção, corresponde ao menor valor entre e 1,0 m, e representa o valor absoluto da força de tracção no banzo no momento imediatamente antes ao aparecimento da primeira fenda [22]. O Eurocódigo 2 recomenda um método de controlo indirecto da fendilhação baseado na imposição de limites no diâmetro das armaduras a utilizar e no espaçamento entre armaduras consoante a tensão no aço e a abertura de fendas que se pretende obter. No entanto, a 21

42 Estado da arte limitação do espaçamento entre armaduras é apenas uma condição alternativa para a acção de cargas verticais. Estes valores limite podem ser observados na Tabela 2.6. Tabela Diâmetros e espaçamentos de varões máximos para controlo de fendilhação Tensão no aço (MPa) Máximo diâmetro do varão (mm) Máximo espaçamento entre varões (mm) w k = 0,40 mm w k = 0,30 mm w k = 0,20 mm w k = 0,40 mm w k = 0,30 mm w k = 0,20 mm Materiais de injecção Quando é determinada a utilização de resinas de injecção para preenchimento de fendas é necessário considerar o tipo de resina a aplicar tendo em conta a sua função. Existem duas qualidades principais de resina que serão abordadas de seguida: resinas epóxidas e resinas de poliuretano. De notar que, devido ao seu custo relativamente elevado, a injecção de resinas não é aconselhável quando se pretende reparar betão com vazios consideráveis ou em que a superfície do betão se encontre muito fendilhada. Nestes casos é preferível dar uso a argamassas cimentícias, no preenchimento de grandes vazios, ou a reconstrução da superfície do betão, para os casos de fendilhação generalizada [24]. A distribuição dos materiais de injecção para reparação do betão encontra-se, actualmente, dependente da marcação CE. De modo a estes produtos obterem a etiqueta de conformidade CE, é necessário que cumpram os requisitos da norma europeia EN A parte 5 da EN 1504 especifica os requisitos para a identificação, comportamento (que inclui aspectos de durabilidade) e segurança dos produtos para preenchimento de fendas e cavidades internas no betão, por injecção ou por gravidade. Dentro dos produtos abrangidos pela norma EN encontram-se as resinas epóxidas, as resinas de poliuretano e o micro-cimento, embora não estejam incluídas as espumas de poliuretano [20, 25] Resinas epóxidas As resinas epóxidas consistem em copolímeros que são formados através da mistura entre um polímero epóxido e um agente catalizador (ou endurecedor), que interagem de forma a obter 22

43 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP produtos fortemente ligados e cruzados, com uma elevada resistência mecânica, aderência e resistência química. O agente principal na polimerização é a funcionalidade epóxi, um anel de três membros, composto por um átomo de oxigénio e dois de carbono. A grande maioria das resinas epóxidas é constituída pela mistura entre epiclorohidrina e bisfenol-a, sendo o processo químico visível na Figura 2.10 [26]. Figura Reacções químicas de formação de resinas epóxidas [26] As primeiras tentativas comerciais do fabrico da resina através da epiclorohidrina aconteceram em 1927 nos Estados Unidos da América. O mérito da primeira síntese de uma resina baseada no bisfenol-a foi partilhado entre o Dr. Pierre Castan da Suíça e o norte-americano Dr. S. O. Greenlee em Hoje em dia, as resinas epóxidas possuem uma grande diversidade de funções, tais como as seguintes [4]: Tintas anticorrosivas e protecção de pinturas; Adesivos estruturais; Sistemas electrónicos; Aglutinantes para fabrico de compósitos; Indústria automóvel e aeronáutica. No âmbito da construção civil, as resinas epóxidas são comercializadas no estado líquido, juntamente com uma embalagem de endurecedor em que a mistura é realizada de acordo com as indicações do fabricante. A aplicação das resinas epóxidas é feita logo a seguir à mistura dos dois componentes durante um período denominado de pot life, período de tempo durante o qual o material apresenta as condições indicadas de trabalhabilidade, sendo que, no caso das resinas, corresponde ao tempo de polimerização. O pot life de uma resina epóxida encontra-se dependente da temperatura ambiente, diminuindo à medida que a temperatura aumenta. Como a reacção de polimerização é exotérmica, a quantidade de resina misturada também influencia o pot life, na medida em que maiores quantidades de mistura levam a uma maior libertação de calor. [2]. 23

44 Estado da arte A variedade de resinas epóxidas disponíveis no mercado actual é bastante alargada, devido ao seu elevado número de aplicações possíveis. Estas encontram-se principalmente diferenciadas de acordo com a sua utilização, referindo-se o preenchimento de fissuras, a execução de selagens ou a colagem de reforços estruturais, tais como chapas de aço ou laminados de fibras sintéticas. De acordo com a utilização a que se propõem, as características que as resinas apresentam, como a sua viscosidade, pot life, aspecto físico, entre outras, variam de modo a melhor cumprirem os objectivos em questão. O tempo necessário para a resina ganhar resistência varia entre 0.5 a 10 horas, atingindo-se a máxima resistência por volta dos 7 dias. Quando a resina endurece, é inútil tentar que esta adira a qualquer material pois esta adquire uma consistência vítrea sem qualquer aderência, sendo possível observar o seu aspecto final na Figura No que toca à utilização das resinas epóxidas para reparação de betão armado, estas destacam-se pela sua boa aderência ao betão, a boa protecção conferida contra a corrosão das armaduras e por serem capazes de repor, quase na sua totalidade, a capacidade resistente de estrutura, quando devidamente aplicadas. Comparativamente com o betão, estas apresentam uma resistência superior, tanto à compressão como à tracção. No entanto, o seu elevado módulo de elasticidade faz com que, para fendas activas, estas resinas não sejam as mais indicadas, na medida em que é provável o aparecimento de novas fendas junto à zona reparada. Na tabela 2.7 pode-se observar os valores das características mecânicas das resinas epóxidas. Tabela Principais características de resinas epóxidas [2] Resistência à compressão Resistência à tracção Módulo de elasticidade MPa MPa 2 3 GPa Deformação na rotura 1 9 % Peso específico kn/m 3 Retracção volumétrica na cura 1 3 % Temperatura de transição vítrea ºC Coeficiente de dilatação térmica µm/m/ºc Figura Resina epóxida [20] A aplicação das resinas epóxidas como material de preenchimento de fendas encontra-se limitada a fendas que apresentem uma abertura entre 0,1 e 6 milímetros pois, abaixo do primeiro limite é praticamente impossível que as resinas penetrem em espaços mais reduzidos e, no segundo limite, é difícil reter as resinas nas fendas. Uma das soluções praticadas consiste na alteração da viscosidade das resinas para uma melhor penetração ou aderência ao betão. Pode-se ainda recorrer ao enchimento de resinas com agregados finos (filler) quando se pretende executar o preenchimento de fendas com uma abertura considerável, prática que 24

45 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP permite reduzir os custos do material e os problemas relacionados com a retracção, fluência e calor de reacção [2,22]. Resinas de poliuretano Do ponto de vista químico, os poliuretanos podem-se considerar uma família de polímeros devido ao elevado número de variações que podem assumir, facto que os torna aplicáveis para inúmeras funções. Um poliuretano é formado através de uma reacção que envolve mais do que uma ligação em cadeia de uretano, sendo estas criadas através da reacção entre dois compostos, isocianatos e hidroxilas. Os isocianatos possuem na sua composição azoto, carbono e oxigénio, e a reacção com as hidroxilas é provocada pelo elemento hidrogénio presente neste composto. Assim sendo, a produção de resinas de poliuretano é normalmente realizada através da reacção entre um poliol, que é meramente um álcool que contém mais do que um átomo de hidrogénio, e um diisocianato, composto que possui dois isocianatos. É necessária a introdução de calor ou catalisadores para a reacção ficar completa, ponto a partir do qual a resina começa a assumir a sua forma final e irreversível, mesmo sujeita novamente a altas temperaturas [27]. Relativamente à aplicação das resinas de poliuretano na construção civil, estas podem ser utilizadas como revestimento para pavimentos, membranas de impermeabilização e para selar e eliminar ou reduzir a infiltração de águas nas fendas ou juntas do betão [28]. Estas também podem ser aplicadas em fendas que apresentem um reduzido nível de actividade. No entanto, é importante salientar que as resinas de poliuretano não devem ser utilizadas para reparar estruturalmente o betão, pois a sua resistência não é muito significativa. Tal como as resinas epóxidas, estas resinas não podem ser injectadas em fendas com uma abertura inferior a 0,1 milímetros. As resinas de poliuretano encontram-se disponíveis numa grande variedade relativa às suas propriedades físicas. A reacção dos componentes destas resinas é, geralmente, expansiva e o seu produto final pode-se assumir como uma espuma flexível, visível na Figura 2.12, ou como sólidos semi-flexíveis de elevada densidade que podem ser utilizados para estabelecer a ligação entre secções de betão sujeitas a movimento. Apesar de ambos os produtos serem resinas de poliuretano, o produto final na forma de espuma é normalmente designado de espuma de poliuretanto enquanto o produto final na forma de sólido semi flexível é designado de resina de poliuretano. A grande maioria das resinas de poliuretano inicia o seu processo de reacção e cura através da interacção com a água, tornando-as ideais na reparação de betão que esteja em contacto com água ou em ambientes muito húmidos [24]. A distribuição das resinas para consumo é feita em dois componentes. Um dos componentes consiste na resina de poliuretano pura, enquanto o segundo é um reagente composto 25

46 Estado da arte basicamente por água. O pot-life deste tipo de resinas é de curta duração, após a mistura da resina com a água, pelo que é aconselhada a utilização de equipamentos de injecção que realizem a mistura poucos instantes antes da injecção da resina, visto não ser possível realizar a injecção de apenas a resina de poliuretano no seu estado puro. [24]. Na Figura 2.13 é possível observar a saída da resina de poliuretano de uma fenda, resultado da injecção da mesma. Figura Espuma de poliuretano [20] Figura Injecção de resina de poliuretano numa fenda [29] Micro-cimentos Apesar de este material estar fora do âmbito da injecção de resinas, ele pode também ser utilizado na reparação de fendas em betão armado. Na reparação de betão armado, a sua aplicação assenta essencialmente na selagem de fissuras e como grout de injecção para preenchimento de vazios, incluído fissuras. No entanto, a injecção deste material pode também ser executada para a consolidação e impermeabilização de solos ou rochas fragmentadas. Como o nome indica, o micro-cimento é composto por partículas de dimensão bastante reduzida, com a máxima dimensão dos agregados a rondar os 10 a 20 micrómetros. A sua distribuição é normalmente feita através de dois componentes. O componente principal consiste no pó de cimento que é posteriormente misturado com um líquido, maioritariamente composto por água, que pode conter adjuvantes. A relação água/cimento da mistura é superior à unidade pelo que o produto final apresenta uma viscosidade relativamente reduzida. Este facto, aliado às dimensões dos agregados, faz com que os limites de abertura de fendas em que se pode usar este material sejam bastante similares aos existentes para as resinas. Na Figura 2.14 é possível observar a aparência do micro-cimento após a mistura dos seus componentes. A introdução de micro-cimento no betão armado permite a recuperação de alguma alcalinidade no recobrimento das armaduras, contribuindo assim para a protecção contra corrosão das mesmas. Comparativamente com as resinas epóxidas, o micro-cimento possui um período de trabalhabilidade ou pot-life de maior duração, mas a razão da menor utilização deste material 26

47 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP na reparação de fendas assenta essencialmente no facto de os micro-cimentos não garantirem uma adesão ao betão existente tão elevada como a verificada na utilização de resinas, o que a torna menos aconselhável para reparação estrutural de elementos fendilhados [20] Figura 2.14 Micro-cimento [20] Técnicas de injecção de fendas A injecção da resina nas fendas pode ser efectuada de diferentes modos. A determinação do método de injecção não se encontra associada a nenhum critério explícito, pelo que a escolha é normalmente feita com base nos requisitos do dono de obra ou nas recomendações de quem realiza a reparação, através do aproveitamento de materiais que possui ou na experiência adquirida em determinadas técnicas. Um dos principais aspectos a ter em conta numa operação de injecção consiste na pressão utilizada, existindo sistemas de baixa e alta pressão. Na determinação do sistema a utilizar é necessário ter em conta tanto a viscosidade da resina como a abertura da fenda. Para aberturas de fendas elevadas recomenda-se a utilização do sistema de baixa pressão, embora seja requerido um pot-life das resinas mais duradouro. Caso se esteja perante fendas com uma abertura reduzida, então pode ser essencial a utilização de sistemas de alta pressão para uma correcta penetração da resina, que deverá apresentar uma viscosidade reduzida. No entanto, a utilização deste método pressupõe a limitação da pressão utilizada, de modo a que a injecção não provoque tensões adicionais no betão e a consequente verificação da abertura de novas fendas ou o prolongamento das existentes. Neste ponto pretende-se descrever os procedimentos executivos das várias técnicas existentes de injecção de fendas. Uma acção comum a todas técnicas de injecção consiste na preparação e limpeza da fenda, de forma a garantir uma boa aderência entre os materiais injectados e o betão. Esta operação pode ser feita recorrendo a pequenas escovas na superfície da fenda ou com a utilização de ar comprimido para retirar possíveis poeiras ou outros resíduos no interior da fenda. 27

48 Estado da arte Injecção com injectores colados à superfície Neste tipo de injecção, o primeiro passo consiste numa preparação prévia da superfície do betão junto à fenda, com o propósito de melhorar a operação posterior de selagem. Para tal, é realizado um alargamento da abertura da fenda à superfície em forma de V, recorrendo a brocas, pequenos martelos pneumáticos ou discos de corte, que introduzem uma certa rugosidade no betão, sendo que a profundidade desta abertura deve ser aproximadamente de 10 a 20 milímetros. Posteriormente, são colados os injectores ao longo da fenda, com adesivos próprios para o efeito, e com uma distância entre si que se considere razoável, tendo em conta a espessura do elemento a reparar. A distância entre injectores normalmente utilizada varia entre uma e uma vez e meia a espessura do elemento a reparar, sendo também condicionante se a reparação é feita de um lado, ou em ambos os lados do elemento, a profundidade da fenda, a viscosidade do material de injecção ou a pressão de injecção. No caso de existirem bifurcações no desenvolvimento da fenda, recomenda-se a colocação de um injector no ponto de bifurcação. Recomenda-se ainda a inserção de um prego no interior dos injectores para comprovar que a cola de fixação dos mesmos não põe em causa a passagem do material de injecção. Concluída a colagem dos injectores, pode-se proceder à selagem da fenda (Figura 2.15), que é realizada com aplicação de um material tixotrópico com resinas epóxidas ou com argamassas à base de cimento, sendo que neste caso, aconselha-se molhar a superfície da fenda previamente, de modo a que o material selante proceda a uma correcta secagem. Existe a possibilidade de realizar furos no material selante e apenas colocar nesta altura os tubos de injecção, embora desta forma se comprometa, até certo ponto, a eficácia da selagem da fenda. Relativamente aos equipamentos de injecção, estes encontram-se disponíveis com uma certa diversidade, pelo que a sua diferenciação pode basear-se na fonte de pressão ou no processo de mistura dos componentes dos materiais de injecção. Estes equipamentos serão abordados posteriormente com maior detalhe. Após a colocação dos injectores e a selagem das fendas, estão reunidas as condições para se realizar a injecção das fendas. O processo de injecção possui um carácter iterativo, na medida em que se inicia com a colocação de uma válvula anti-retorno no injector onde se vai iniciar a injecção, procedendo-se à realização de referida operação. Quando o material de injecção começa a sair pelo injector adjacente, é interrompida a injecção e coloca-se a válvula antiretorno no injector onde se verificou a purga, procede-se à injecção no referido injector e assim sucessivamente. Perante fendas que se desenvolvam na vertical, a injecção deve ser feita de baixo para cima, de forma a tirar partido da acção da gravidade para um melhor preenchimento das fendas. Quando a fenda é horizontal, a injecção deve-se iniciar num ponto intermédio, sendo que posteriormente se pode optar pela injecção completa de um dos lados e de seguida 28

49 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP se realizar a injecção do lado em falta, ou realizar a injecção em lados alternados. Esta ordem pode ser observada na Figura 2.16 Caso exista um consumo superior ao esperado de material de injecção sem que este saia pelo tubo existente, deve ser interrompida a injecção devido à possibilidade de existir alguma rotura na selagem ou uma comunicação com um vazio de grandes dimensões [2,20]. Figura Aplicação de selagem na fenda [20] Figura Ordem de injecção para: a) fendas verticais e b) fendas horizontais [2] Injecção com injectores fixados mecanicamente O processo executivo para este tipo de injecção é, na sua essência, bastante similar ao verificado para os injectores colados à superfície. Neste caso, é também efectuada uma abertura da superfície da fenda e a respectiva limpeza, seguido da aplicação do material selante. Posteriormente, procede-se à execução de furos no betão armado onde irão ser colocados os injectores, que podem ser também denominados de packers. Como, na grande maioria dos casos, a orientação da fenda no interior do elemento é desconhecida, estes furos são realizados em lados alternados da fenda e com uma inclinação de aproximadamente 45º, considerando um plano perpendicular à superfície do betão, e com uma profundidade que permita ao furos intersectar a fenda. É então colocado um injector no furo, por onde se pretende começar a injectar, como se pode observar na Figura 2.17, e este é apertado de forma a fixar-se no betão. Enquanto os injectores que são colados à superfície consistem basicamente em tubos ordinários, estes injectores encontram-se dotados com um segmento de borracha que envolve uma zona roscada. Este facto faz com que, ao rodar os injectores, se esteja a aplicar uma força de compressão na borracha que, consequentemente, começa a expandir-se radialmente, aumentando consideravelmente a sua força de fixação e a estanqueidade do furo. Visto estes injectores possuírem uma válvula anti-retorno de origem, é necessário deixar desimpedido o buraco por onde se prevê que o material de injecção comece a sair (Figura 29

50 Estado da arte 2.18), ou seja, os injectores são apenas colocados após a realização da injecção no buraco anterior. De notar que neste caso é utilizada a mesma ordem de injecção. Figura Colocação de um injector num dos furos realizados [30] Figura 2.18 Purga da resina no buraco subsequente, após injecção da mesma [30] Após a conclusão da injecção e da cura do material injectado, é possível retirar a parte exterior do injector, desenroscando a mesma. O resto do injector fica perdido no interior do betão [30]. Injecção com injectores de pressão Deve-se notar, em primeiro lugar, que este método de injecção de fendas tem níveis de utilização algo reduzidos, não existindo também muita documentação neste âmbito. Estes injectores de pressão são constituídos por duas partes: um tubo de injecção, em tudo semelhante aos injectores colados à superfície, excepto no facto de este ser adaptável ao segundo componente que consiste numa cápsula, onde é inserido o material de injecção, sendo esta cápsula responsável pela criação da pressão de injecção. Esta pressão pode ser exercida através da utilização de pequenos balões ou molas e assume valores relativamente reduzidos. O facto de a injecção ser feita a baixa pressão faz com que os materiais de injecção necessitem de ter um pot-life consideravelmente mais longo e, consequentemente, se tornem mais onerosos. A preparação prévia à injecção é feita através da colocação dos tubos de injecção na superfície da fenda, seguida da selagem da mesma e, por fim, são encaixadas as cápsulas nos respectivos tubos. Relativamente ao sistema de injecção com balões, a introdução da resina nos balões é possível através da existência de uma ligação tripla que une o tubo de injecção, o balão e a boca de introdução da resina. Esta ligação possui válvulas anti-retorno que garantem o correcto deslocamento do material de injecção pela boca de introdução até ao balão e, posteriormente, até ao tubo de injecção. Na Figura 2.19 é visível a realização da injecção de fendas através desta técnica. 30

51 Estudo experimental do efeito da reparação de fendas no comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP Para a injecção de fendas com recurso a molas, visível na Figura 2.20, esta é feita através da introdução do material de injecção num compartimento que é posteriormente colocado na cápsula de injecção, liga-se a cápsula ao tubo de injecção e solta-se a mola para pressurizar o material de injecção e introduzi-lo na fenda. Figura Colocação da resina nos balões de injecção [31] Figura Injecção com recurso a molas [31] Neste caso, não existe uma ordem de injecção definida, na medida em que todos os injectores se encontram em funcionamento em simultâneo, embora seja habitual começar a introdução do material de injecção numa cápsula de um dos extremos da fenda e prosseguir esta acção nas restantes cápsulas até chegar ao outro extremo. Feita a introdução do material de injecção em todas as cápsulas, regressa-se às primeiras cápsulas onde se iniciou o processo de injecção para verificação da necessidade de introduzir mais material. Prossegue-se esta verificação para as restantes cápsulas, repetindo este processo até se dar a injecção por concluída. Estes mecanismos de injecção permitem ao utilizador observar visualmente o progresso da injecção através das variações de volume, sendo que se conclui que a injecção está completa quando não existem variações de volume nas cápsulas, passado um determinado período de tempo [31, 32]. Impregnação A técnica de impregnação consiste na aplicação directa do material de preenchimento nas fendas, sem qualquer uso de pressão, não podendo, portanto, ser considerada uma injecção. No entanto, devido ao seu carácter de reparação de fendas com materiais de preenchimento semelhantes aos utilizados em injecções, será feita uma descrição breve deste método. A impregnação é uma técnica que pretende tirar partido da gravidade, pelo que o seu processo executivo é de relativa simplicidade. A aplicação do material de preenchimento é feita com 31