COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM TECIDO DE BASALTO

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM TECIDO DE BASALTO Aluno: Thiago Pires Santoloni Lara Orientador: Flávio de Andrade Silva 1. Motivação e Objetivos O concreto convencional apresenta comportamento frágil e uma baixa deformação antes da ruptura se submetido a esforços de tração. Uma vez em ruptura, o concreto perde a capacidade de resistir a carregamentos, o que pode ocasionar o colapso da estrutura. Para corrigir tais desvantagens, foram desenvolvidas algumas alternativas de reforços, sendo comumente adotadas barras de aço e/ou a adição de fibras na matriz. Neste trabalho, abordarei exclusivamente o concreto reforçado com fibras, mais especificamente o reforço com fibras de basalto orientadas em formato de malha. Tal estrutura de reforço é chamada de concreto-têxtil. O uso de fibras de basalto proporciona um ganho significativo na resistência do concreto aos esforços de tração, fazendo com que o mesmo apresente comportamento dúctil e mais tenaz, isto é, o concreto apresenta grandes deformações e consegue absorver mais energia antes do colapso da estrutura. O estudo tem como objetivo, entender melhor o comportamento mecânico da fibra de basalto juntamente ao concreto sob diversos tipos de carregamentos, escalas e idades. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Estruturas e Materiais da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro sob a orientação do professor Flávio de Andrade Silva [1]. 2. Materiais e processos A matriz utilizada neste estudo é a mesma utilizada pelos Drs. Flávio Silva e Dimas Rambo no artigo [2] publicado pela revista Materials & Design em Janeiro de 2015, tendo como principais componentes o cimento aluminoso SECAR51, com aproximadamente 50% de aluminato de cálcio e o agregado miúdo ALAG com 40% de aluminato de cálcio sintético. Além dos componentes citados acima, a mistura apresenta superplastificante de policarboxilato em pó, modificador de viscosidade e água. Os insumos utilizados na confecção da matriz, assim como suas respectivas massas especificas, estão listados na tabela 1. Material Agregado fino aluminoso ALAG (kg/m³) 3184 Cimento CP5 - SECAR51 (kg/m³) 3035 Modificador de Viscosidade (kg/m³) 1300 Água (kg/m³) 1000 Super Plastificante (kg/m³) 450 Super Plastificante (%) 0,65 Fator Água/Cimento 0,35 Tabela 1 - Insumos da matriz cimentícia A fibra utilizada é feita de basalto e organizada em formato de manta, apresentando uma direção principal de resistência (eixo vertical). Detalhes da manta podem ser vistos na figura 1.

2 Figura 1 - Manta de Basalto 2.1. Preparação da matriz Para garantir uma compatibilidade dos resultados, o ordem de mistura adotada foi a mesma do estudo supracitado. A preparação da argamassa é feita no misturador planetário, utilizando sempre 50% de sua capacidade volumétrica máxima. De maneira a homogeneizar o conjunto, os componentes cimentícios são misturados previamente por volta de 60 segundos antes de se adicionar a água. Aos quatro minutos, adiciona-se o modificador de viscosidade continuando a mistura por mais um minuto. Após a mistura, os corpos de prova são então moldados, sempre intercalando matrizfibra-matriz e com camadas de igual espessura, garantindo assim uma homogeneidade da seção. Optou-se por utilizar cinco camadas de fibra assim como no estudo feito por RAMBO. A secagem dos corpos de prova é feita ao ar em um ambiente com temperatura de 25ºC ± 1ºC. Para evitar perda de água para o ambiente, e consequentemente retrações indesejadas, os corpos de prova são cobertos e isolados da umidade externa Resistencia a compressão e modulo de elasticidade Foram realizados ensaios de compressão simples, conforme NBR 5739:2007 onde foi obtido um modulo de elasticidade de 53,126 GPa e fck de aproximadamente 90 MPa. 3. Metodologia de ensaios Os ensaios foram divididos em três grupos, de acordo com sua geometria e carregamento: Grupo 1 Tração direta em corpos de prova de escala reduzida (500mm x 60mm x 10mm); Grupo 2 Tração direta em corpos de prova de escala natural (1000mm x 120mm x 20mm); Grupo 3 Flexão em três pontos com painel circular Grupo 1 - Ensaios de escala reduzida Os ensaios em escala reduzida foram feitos em dois arranjos distintos: Chapas de alumínio coladas com resina epóxi e chapas de aço aparafusadas. Os ensaios foram executados com velocidade constante de 0.1 mm/min e instrumentados com dois LVDT s.

3 Configuração 1 Chapas coladas O ensaio consiste em tracionar um corpo de prova retangular através de chapas de alumínio coladas em suas extremidades com uma resina epóxi. Foram executados alguns ensaios com esta configuração, mas a resina descolava do corpo de prova em todos os ensaios executados e bem antes da tensão de ruptura. Foi observado que a resina não tinha boa aderência a superfície, pois a mesma era muito lisa. Decidiu-se então que para os ensaios seguintes, antes da aplicação da resina, o corpo de prova deveria passar por um processo de escarificação na zona em contato com a resina. Apesar de melhorar o desempenho do conjunto corpo de prova-resina-chapa, as ranhuras não foram suficientes para conter o desplacamento da resina. Um dos resultados obtidos a partir da configuração 1 pode ser visto na figura 3. Descobriu-se que o problema de se utilizar a resina é o seu controle tecnológico, uma vez que a mesma apresenta pouca resistência a momentos fletores e qualquer variação de espessura entre dois pontos do corpo de prova gerava tais esforços. Figura 2 - Ilustração dos aparato de ensaio com chapas coladas 12 Tensão (MPa) Deformação (mm/mm) Figura 3 Exemplo de ensaio de tração direta em tamanho reduzido com chapas coladas e superfície de contato escarificada

4 Configuração 2 Chapas aparafusadas O ensaio consiste em tracionar o corpo de prova por meio de chapas, aparafusas em pares, nas extremidades do corpo de prova. Importante notar que o torque aplicado nos parafusos deve ser suficiente para manter o corpo de prova fixo, transferir as tensões e não esmagar o corpo de prova. Detalhes da configuração com chapas aparafusadas podem ser vistos na figura 4. Os ensaios de tração direta pela configuração 2 obtiveram melhores resultados, mostrando em 95% das vezes uma ruptura na seção entre as garras, resultado este esperado no ensaio. O padrão de fissuração também atendeu ao esperado e encontrado na literatura, dezenas de fissuras paralelas entre si e na direção perpendicular ao carregamento. O resultado de um dos ensaios pode ser visto na figura 5 Figura 4 - Ilustração dos aparato de ensaio com chapas aparafusadas Tensão (MPa) Deformação (mm/mm) Figura 5 - Exemplo de ensaio de tração direta em tamanho reduzido com chapas aparafusadas

5 3.2. Grupo 2 - Ensaios em escala natural Uma vez que os ensaios em tamanho reduzido com chapas aparafusadas se mostraram com resultados satisfatórios e compatíveis com os dados da literatura, os corpos de prova em escala natural foram ensaiados também com chapas aparafusadas, seguindo o esquema similar ao da figura 4, modificado apenas as dimensões do aparato. Detalhes das dimensões podem ser vistos na figura 8 e um comparativo de escalas entre dos corpos de prova do grupo 1 e 2 pode ser visto na figura 9. Assim como os ensaios de escala reduzida, os ensaios em escala natural foram feitos aos 9 dias Tensão (MPa) Deformação ( mm/mm) Figura 6 - Exemplo de ensaio de tração direta em tamanho natural com chapas aparafusadas Comparando os resultados obtidos em escala reduzida e natural, é possível observar que as dimensões da amostra influenciaram apenas na tensão de primeira fissura, não sendo relevantes na comparação em termos de tensão última e deformação máxima, tendo em vista que ambos os corpos de prova romperam com tensões próximas a 14 MPa e deformações correspondentes na ordem de 0,011 mm/mm. Um gráfico comparativo dos dois ensaios pode ser visto na figura Escala Reduzida Natural Tensão (MPa) Deformação (mm/mm) Figura 7 - Comparativo entre os corpos de prova em escala natural e reduzida

6 Figura 8 - Esquema do aparato de ensaio com chapas aparafusadas para corpos de prova de 100mm Figura 9 Comparativo de escala entre os corpos de prova de tamanho reduzido e natural 3.3. Grupo 3 - Flexão em três pontos com painel circular O ensaio de flexão em três pontos seguiu a norma americana ASTM C1550, e consistiu em aplicar um carregamento no centro de um disco, com três apoios rotulados sob bases rígidas (figuras 10). Na base do disco foi marcado um triangulo equilátero com baricentro coincidente com o centro do disco (e consequentemente com o ponto de aplicação de carga). Em cada um dos lados do triangulo marcado foram colocados transdutores de descolamentos GEFRAN PY-2-F-050-S01M com 50mm de curso para medir a propagação das fissuras e um transdutor GEFRAN PY-2-F-100-S01M com curso de 100mm colocado no centroide do triangulo de maneira a medir o deslocamento vertical no centro do vão. O disco estudado apresentava diâmetro igual a 800mm e altura de 20mm. Como dito anteriormente, a fibra de basalto apresenta uma única direção preferencial de carregamento, o que estaria conflitante com os esforços gerados pela flexão em disco, pois a mesma gera esforços em todas as direções do disco. Como solução para tal problema, foi adotada uma rotação de 60º em sentido horário entre as camadas de fibra, de maneira a garantir 6 direções de máxima resistência ao longo do disco. Gráficos de força por deslocamento no centro do vão e força por abertura de fissuras podem ser vistos nas figura 12 e 13.

7 Figura 10 Esquema de ensaio painel circular conforme ASTM C1550 Figura 11 - Base do painel circular e marcação das instrumentações

8 Figura 12 - Força x Deslocamento no centro do vão Figura 13 - Força x Abertura de fissura

9 4. Conclusão De acordo com os testes realizados até então, não foi possível observar nenhum efeito do tamanho dos corpos de prova no comportamento do compósito, uma vez que apresentam padrões de fissuras similares, tensões ultimas e deformações máximas correspondentes. Como foram executados até então somente três configurações geométricas de corpos de prova, mais estudos serão necessários para comprovar a inexistência de um fator-escala no material. Novos estudos, com novas geometrias, estão em desenvolvimento e os resultados serão importantes para complementar o estudo iniciado por RAMBO e garantir um melhor entendimento de concretos têxteis reforçados com fibra de basalto. 5. Referências [1] Flávio de Andrade Silva é Professor Assistente do Quadro Principal da PUC-RJ. Membro do Technical Committee ACI 544 (Fiber Reinforced Concrete), Rilem TC-TRC (Textile Reinforced Concrete) e Rilem TC-HFC (High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites). [2] RAMBO, D. A. S. e SILVA, F. A. Effect of elevated temperatures on the mechanical behavior of basalt textile reinforced refractory concrete. Materials & Design, v.65, p , jan