Instituto Brasileiro do Concreto. Capítulo 37 CONCRETO COM FIBRAS

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1 Capítulo 37 CONCRETO COM FIBRAS Antonio Domingues de Figueiredo Professor Doutor, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 37.1 Introdução O concreto possui uma série de características que lhe garantem o posto de material estrutural mais utilizado no mundo. Apesar disso, este material possui uma série de limitações, como o comportamento marcadamente frágil e a baixa capacidade de deformação apresentada antes da ruptura quando o material é tracionado. Além disso, a sua resistência à tração é muito reduzida quando comparada à sua resistência à compressão em função da susceptibilidade do material às fissuras e micro-fissuras que podem ocorrer em seu interior. Estas fissuras podem ser induzidas por várias fatores (Capítulos 20 e 31) como, até, pela própria retração da pasta restringida pelo agregado graúdo. Uma das alternativas técnicas que pode ser utilizada para minimizar essas limitações é o uso de fibras para o reforço do concreto. Os concretos com fibras podem ser definidos como compósitos, ou seja, materiais constituídos de, pelo menos, duas fases distintas principais. O próprio concreto sem fibras já é um compósito cujas fases principais são a pasta, os poros e os agregados. No entanto, consideram-se como fases principais do concreto com fibras a própria matriz de concreto e as fibras, que podem ser produzidas a partir de diferentes materiais, como aço, vidro, polipropileno, náilon, etc. As fibras são elementos descontínuos, cujo comprimento é bem maior que as dimensões da seção transversal. As fibras de aço, por exemplo, possuem geralmente extremidades na forma de gancho para aumentar sua ancoragem e têm comprimento variando de 25 mm, chamadas fibras curtas (Figura 1a), a 60 mm, chamadas fibras longas (Figura 1b). Podem ser fornecidas soltas (Figura 1a e 1b) ou coladas em pentes (Figura 1c), o que facilita o processo de mistura e homogeneização do material. As fibras de polipropileno podem ser divididas em dois tipos básicos: as microfibras e as macrofibras. As microfibras, por sua vez, podem ser fornecidas em duas formas: monofilamento e fibriladas. As fibriladas (Figura 2a) apresentam-se como uma malha de finos filamentos de seção retangular. A estrutura em malha das fibriladas promove um aumento na adesão entre a fibra e a matriz, devido a um efeito de intertravamento (BENTUR; MINDESS, 1990). As fibras chamadas de monofilamento consistem em fios cortados em comprimento padrão (Figura 2b). As macrofibras poliméricas surgiram no mercado internacional nos anos 1990 quando começaram a ser fornecidas em feixes de um grande número de fibras unidos por uma fita externa (Figura 3). As primeiras aplicações ocorreram para o concreto projetado, especialmente na Austrália e no Canadá. Mais recentemente, vários fabricantes passaram a disponibilizar diferentes tipos de macrofibras no mercado brasileiro (Figura 4). No entanto, ao contrário das fibras de polipropileno convencionais, estas macrofibras foram concebidas para se obter um reforço estrutural, nos mesmos moldes que uma fibra de aço. Há também produtos que mesclam macrofibras e microfibras de polipropileno (Figura 5). Estas fibras combinadas são produzidas com a intenção de propiciar simultaneamente ao concreto para pavimentos o controle de fissuração nas primeiras idades e o reforço no estado endurecido. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 1

2 a b c Figura 1 Fibras de aço soltas curtas (a) e longas (b) e longas coladas (c). Figura 2 Fibras de polipropileno fibriladas (a) e monofilamento (b). Figura 3 Cilindro de macrofibras poliméricas produzido para lançamento direto na betoneira para mistura no concreto. Figura 4 Macrofibras poliméricas disponíveis no mercado brasileiro. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 2

3 Figura 5 Macrofibras poliméricas fornecidas como uma mescla de fibras de baixo e de alto módulo de elasticidade. O material constituinte da fibra irá definir o módulo de elasticidade e a resistência mecânica da mesma, as quais são duas das propriedades que mais influenciam a capacidade de reforço que a fibra pode proporcionar ao concreto. As fibras que possuem módulo de elasticidade inferior ao do concreto endurecido, como as poliméricas, são chamadas de fibras de baixo módulo. Já as fibras que possuem módulo de elasticidade superior ao do concreto são conhecidas como fibras de alto módulo, como é o caso das fibras de aço e de carbono. Para ilustrar esse aspecto, foi produzido o esquema da Figura 6. Neste esquema existe uma matriz hipotética reforçada com três tipos de fibras, uma de baixo módulo de elasticidade e duas de alto módulo, sendo uma de baixa e outra de alta resistência mecânica. Todas as fases deste compósito hipotético foram consideradas como de comportamento elástico perfeito. A curva de tensão por deformação da matriz está representada pela linha O-A, enquanto as linhas O-B e O-C representam o trabalho elástico das fibras de alto módulo com alta e baixa resistência respectivamente. O comportamento da fibra de baixo módulo se encontra representado pela linha O- D. Supondo que há uma aderência perfeita entre as fibras e matriz, o compósito, quando for tracionado, irá se deformar com diferentes níveis de tensão para cada uma das fases. No momento em que a matriz chega próximo à sua tensão de ruptura (ponto A) o nível de tensão atingido pela fibra de baixo módulo (ponto D) é bem mais baixo que o da matriz. Ou seja, quando a matriz se rompe, surgindo assim uma fissura na mesma, a fibra de baixo módulo apresenta uma tensão mais baixa que a matriz nesse nível de deformação ( fibra de E baixo ); logo, deve haver um elevado teor de fibra de baixo módulo para que a mesma apresente capacidade de reforço. Além disso, a tensão por fibra não deve exceder a tensão de ruptura, a qual guarda certa proporcionalidade para o próprio módulo de elasticidade (Quadro 1). Níveis elevados de tensão na fibra também de baixo módulo irão produzir um elevado nível de deformação da mesma, o que irá se refletir numa grande abertura de fissura. Assim, este tipo de fibra é convencionalmente considerado como de baixa capacidade de reforço pós-fissuração. Assim, os teores dessas fibras, medidos em volume, devem ser maiores que os correspondentes das fibras de elevado módulo e resistência para garantir o mesmo nível de reforço do compósito, o que pode inviabilizar a aplicação do material devido aos elevados custos e à dificuldade que será produzida para a aplicação do material. Já a fibra de alto módulo de elasticidade e alta resistência apresentará um elevado nível de tensão ( fibra de E alto e alta resistência ) no momento em que o compósito atinge sua deformação crítica (ε de ruptura da matriz ). Isto permitirá a este tipo de Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 3

4 fibra proporcionar um elevado nível de reforço da matriz, com consumos menores que o das fibras de baixo módulo, caso sua resistência não seja superada. Figura 6 Diagrama de tensão por deformação elástica de matriz e fibras de alto e baixo módulo de elasticidade trabalhando em conjunto. Quadro 1 Valores de resistência mecânica e módulo de elasticidade para diversos tipos de fibra e matrizes (BENTUR; MINDESS, 1990). Material Diâmetro ( m) Densidade (g/cm 3 ) Módulo de elasticidade (GPa) Resistência à tração (GPa) Deformação na ruptura (%) Aço , ,5-2,0 0,5-3,5 Vidro , ,5 Amianto 0,02-0,4 2, ,5 2-3 Polipropileno ,9 1-7,7 0,5-0,75 8,0 Kevlar 10 1, ,6 2,1-4,0 Carbono 9 1, ,6 1,0 Náilon 1,1 4,0 0, Celulose 1,2 10 0,3-0,5 Acrílico 18 1, ,5 0,4-1,0 3 Polietileno 0,95 0,3 0,7x Fibra de madeira 1,5 71 0,9 Sisal ,8 3,0 Matriz de cimento (para comparação) 2, ,7 0,02 Por outro lado, mesmo que uma fibra tenha elevado módulo de elasticidade, mas tenha uma baixa resistência à tração ou ao cisalhamento, sua capacidade de reforço pósfissuração também será reduzida ou até inexistente. Ou seja, a combinação de baixa resistência e alto módulo irá corresponder necessariamente a um material frágil de baixa capacidade de deformação elástica. Observando-se a linha O-C da Figura 6, pode-se constatar que, no momento em que ocorre a ruptura da matriz (ponto A), também se terá ultrapassado o limite último de deformação da fibra. Dessa forma, só são consideradas fibras com capacidade de reforço das matrizes cimentícias, aquelas que apresentam maior capacidade de deformação na ruptura e maior resistência à tração que a matriz de concreto, conforme o ilustrado no Quadro 1. Este aspecto é importante, pois a base do Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 4

5 desempenho dos concretos reforçados com fibras está na capacidade de transferência de tensão pelas fissuras, como será mais bem discutido no item Pode-se concluir que fibras de baixa resistência e baixo módulo de elasticidade só são eficientes quando a resistência e o módulo de elasticidade do concreto também são baixos, isto é, no estado fresco e no início de seu processo de endurecimento. Assim, microfibras de polipropileno e náilon são utilizadas para o controle de fissuração plástica em pavimentos, por exemplo. Essas fibras não eliminam a necessidade de realização de uma boa cura, mas atuam no sentido de minimizar o risco de fissuração plástica O compósito e a interação fibra-matriz Considerações gerais Pode-se associar a reduzida capacidade de resistência à tração do concreto à sua grande dificuldade de interromper a propagação das fissuras quando é submetido a este tipo de esforço. Isso ocorre quando a direção de propagação das fissuras é transversal à direção principal de tensão, a área disponível para suporte de carga é reduzida, causando aumento das tensões presentes nas extremidades das fissuras. Esse comprometimento da resistência é muito maior quando o esforço é de tração do que em compressão. Logo, a ruptura na tração é causada por algumas fissuras que se unem e não por numerosas fissuras, como ocorre quando o concreto é comprimido (MEHTA; MONTEIRO, 2008). Por apresentar uma superfície total de ruptura menor, o gasto energético associado à ruptura por tração no concreto é também reduzido, caracterizando o comportamento mais frágil. Logo, o trabalho de ponte de transferência de tensão que a fibra pode realizar através das fissuras no concreto é um mecanismo muito interessante de aumento da energia associada à ruptura do material e à restrição à propagação de fissuras. No caso do concreto simples, apresentado na Figura 7a, uma fissura irá representar uma barreira à propagação de tensões, representadas simplificadamente por linhas de tensão. Com isto, haverá um desvio das linhas de tensão que irão se concentrar nas bordas da fissura e, caso essa tensão supere a resistência da matriz, ocorrerá a ruptura frágil do material. Caso o esforço seja cíclico, pode-se interpretar a ruptura por fadiga da mesma forma, ou seja, para cada ciclo há uma pequena propagação das microfissuras e, conseqüentemente, um aumento progressivo na concentração de tensões em sua extremidade até que ocorra a ruptura completa do material. Quando se adicionam fibras de resistência e módulo adequado ao concreto num teor apropriado, esse material deixa de ter o caráter marcadamente frágil. Isso ocorre pelo fato da fibra servir como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, diminuindo a concentração das mesmas nas extremidades da fissura (Figura 7b). Com isso, tem-se uma grande diminuição da velocidade de propagação das fissuras no material que passa a ter um comportamento pseudo-dúctil ou não frágil. Ou seja, o concreto reforçado com fibras apresenta certa capacidade resistente após a sua fissuração descaracterizando o comportamento frágil típico do material quando tracionado. Assim, com a utilização de fibras, será assegurada menor fissuração do concreto. Uma das vantagens do reforço proporcionado pelas fibras é o fato destas se distribuírem aleatoriamente no material, reforçando toda a peça, e não uma determinada posição, como ocorre com as armaduras convencionais. Por outro lado, se a peça estrutural tem esforços bem localizados, como ocorre numa viga bi-apoiada, onde as tensões de tração se concentram em sua parte inferior, o uso das fibras é inviável, pois não conseguem substituir as barras de aço de maneira econômica. Isto ocorre porque as barras de aço podem ser posicionadas de forma precisa para otimizar o reforço da estrutura. Dessa forma, o uso do concreto reforçado com fibras acaba sendo interessante para estruturas contínuas, como pavimentos e revestimento de túneis, onde há Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 5

6 possibilidade de redistribuição dos esforços que não se localizam em uma área específica da estrutura. Concreto sem fibras P P Concreto com fibras Fissura Concentração de tensões P P Linha de tensão Matriz de concreto Fissura Menor concentração de tensões Fibra de aço Figura 7 Esquema de concentração de tensões para um concreto simples (a) e com reforço de fibras (b) Aspectos tecnológicos fundamentais Como a eficiência da fibra depende de sua atuação como ponte de transferência de tensão ao longo da fissura que aparece no concreto, pode-se deduzir uma série de aspectos tecnológicos fundamentais. Um deles é o fato de a capacidade de reforço que as fibras apresentam depender diretamente do teor de fibra utilizado. Ou seja, quanto maior for o teor, maior será o número de fibras atuando como ponte de transferência de tensão, o que aumenta a capacidade de reforço pós-fissuração do compósito. No gráfico da Figura 8, estão apresentadas as curvas médias de carga por deflexão num ensaio de tração na flexão com deslocamento controlado que consiste no principal meio de controle da capacidade de reforço das fibras (item ). No gráfico, observa-se que o trecho elástico inicial, que ocorre até uma deflexão de cerca de 0,04 mm, a matriz de concreto trabalha sem apresentar alterações com o aumento do teor de fibras. Por outro lado, a carga resistida pós-pico ou pós-fissuração, que corresponde ao trabalho da matriz fissurada, aumenta como o incremento no consumo de fibras. Isto é, o consumo de 40 kg/m 3 de fibras proporciona uma resistência residual maior que o consumo de 30 kg/m 3 e este superior ao de 20 kg/m 3. Além do teor de fibras, o desempenho após a fissuração do concreto depende muito da geometria da fibra que está sendo utilizada. Para melhor representar essa influência, normalmente se utiliza um parâmetro chamado fator de forma (λ), que consiste no valor obtido a partir da divisão do comprimento da fibra pelo diâmetro do círculo cuja área seja equivalente à da seção transversal da fibra. Assim, ao se aumentar o comprimento da fibra ou reduzir a sua seção transversal, o valor de λ será maior. Em geral, quanto maior for λ, maior será a capacidade resistente após a fissuração do Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 6

7 concreto. No exemplo da Figura 9, fica claro resistência após a fissuração foi maior para a fibra mais longa. Figura 8 Curvas médias de carga por deflexão obtidas no ensaio de tração na flexão de concretos de fck=20mpa e com diferentes consumos de fibra de aço (FIGUEIREDO; NUNES; TANESI, 2000). Figura 9 Curvas médias de carga por deflexão obtidas no ensaio de tração na flexão de concretos de f ck =30MPa reforçados com fibras de 36 mm e 45 mm de comprimento que possuem a mesma seção transversal (FIGUEIREDO, CECCATO; TORNERI, 1997). Vale ressaltar que aumentar indefinidamente o comprimento da fibra não traz o benefício do aumento da resistência pós-fissuração. Isto ocorre quando se ultrapassa o chamado comprimento crítico da fibra (Lc). A definição do Lc está baseada no modelo que prevê a tensão entre a matriz e a fibra aumentando linearmente dos extremos para o centro da mesma. Esta tensão é máxima quando a tensão a que a fibra está submetida se iguala à tensão de cisalhamento entre esta e a matriz. Na Figura 10 se encontram apresentadas as situações possíveis de distribuição de tensão na fibra em relação ao Lc, quais sejam: L = Lc, L > Lc e L < Lc, onde L = comprimento da fibra. Assim, o Lc é aquele em que a fibra atinge uma tensão no seu centro igual à sua tensão de ruptura quando a fissura atinge perpendicularmente esta posição da fibra. Quando a fibra Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 7

8 tem um comprimento menor que o crítico, a carga de arrancamento proporcionada pelo comprimento embutido na matriz não é suficiente para produzir a ruptura da fibra. Nesta situação, com o aumento da deformação e conseqüentemente da abertura da fissura, a fibra que está atuando como ponte de transferência de tensões pela fissura será arrancada do lado que possuir menor comprimento embutido. Este é o caso encontrado para as fibras de aço no concreto de baixa e moderada resistência mecânica. Quando se tem um concreto de elevada resistência mecânica ou se utiliza uma fibra de menor resistência, melhora-se a condição de aderência relativa entre a fibra e a matriz e, nestes casos, o Lc é reduzido. Figura 10 Distribuições possíveis de tensão ao longo de uma fibra em função do comprimento crítico (adaptado de Bentur; Mindess, 1990). Isto reforça o conceito de que a resistência da fibra afeta diretamente o comportamento do compósito, pois ela acaba afetando o Lc e, conseqüentemente, a capacidade resistente pós-fissuração. Assim, quanto maior a resistência da fibra, tão maior será a capacidade resistente residual que ela pode proporcionar. Isto foi demonstrado para o caso do concreto projetado quando se comparou o desempenho entre duas fibras de aço com diferentes níveis de resistência (Figueiredo, 1997). As fibras utilizadas no referido estudo eram de dois tipos distintos, sendo uma fibra do tipo AI (item 37.3), com cerca de 1000 MPa de resistência à tração e λ de 46,2, e outra do tipo AII (item 37.3), com 600 MPa de resistência e λ de 46,7. Ou seja, as fibras podem ser consideradas geometricamente similares. No entanto, percebe-se através da Figura 11, que a capacidade resistente pós-fissuração, medida através do fator de tenacidade (item ), foi superior para a fibra de maior resistência mecânica. O comprimento da fibra sempre merece atenção. Recomenda-se a utilização de fibras cujo comprimento seja igual ou superior ao dobro da dimensão máxima característica do agregado utilizado no concreto. Em outras palavras, deve haver uma compatibilidade dimensional entre agregados e fibras de modo que estas interceptem com maior freqüência a fissura que ocorre no compósito (MAIDL, 1991). A compatibilidade dimensional possibilita a atuação da fibra como reforço do concreto e não como mero Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 8

9 reforço da argamassa do concreto. Isso é importante porque a fratura se propaga preferencialmente na região de interface entre o agregado graúdo e a pasta para concretos de baixa e moderada resistência mecânica. Na Figura 12a, encontra-se representado um concreto com compatibilidade dimensional entre agregado e fibra, e na Figura 12b, outro onde isso não ocorre. Percebe-se que, quando não há a compatibilidade, poucas fibras trabalham como ponte de transferência de tensões na fissura. Para se minimizar o problema pode-se reduzir a dimensão máxima característica do agregado ou aumentar o comprimento da fibra. No caso de pavimentos, onde não há grandes restrições quanto à dimensão dos componentes do concreto, é possível utilizar fibras mais longas, com até 60 mm de comprimento, compatíveis com agregados de maiores dimensões (19 mm e 25 mm). A utilização de fibras curtas facilita a aplicação do concreto projetado, cuja dimensão máxima característica raramente ultrapassa 9,5 mm, uma vez que o material terá de passar por um mangote de dimensões reduzidas. Nesse caso, o comprimento da fibra não ultrapassa 35 mm de comprimento. Figura 11 Correlações obtidas entre o teor de fibra e o fator de tenacidade medidos em concreto projetado via seca de mesmo nível de resistência de matriz e fibras de diferentes resistências (adaptado de Figueiredo, 1997). Figura 12 Concreto reforçado com fibras em que há compatibilidade dimensional entre estas e o agregado graúdo (A) e onde não há (B). As fibras frágeis poderão aumentar a perda de eficiência relativa à sua inclinação em relação ao plano de ruptura. Isso ocorre pelo elevado nível de tensão de cisalhamento a que a fibra é submetida nessa situação. Se ela não for capaz de se deformar plasticamente, de modo a se alinhar ao esforço principal, acaba rompendo-se por cisalhamento, como na situação ilustrada na Figura 13. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 9

10 b Figura 13 Diferença de comportamento entre fibras dúcteis e frágeis quando inclinadas em relação à superfície de ruptura A norma brasileira de especificação das fibras de aço O Brasil conta com a norma ABNT NBR 15530:2007 intitulada Fibras de aço para concreto Especificação. Esta norma traz várias contribuições como a determinação de uma tipologia e classificação das fibras de aço (FIGUEIREDO, 2008). Esta classificação se encontra apresentada no Quadro 2 onde se pode observar a configuração geométrica dos tipos e classes de fibras previstas pela norma. Assim, há três tipos básicos em função da conformação geométrica do perfil longitudinal da fibra: Tipo A: fibra de aço com ancoragens nas extremidades Tipo C: fibra de aço corrugada Tipo R: fibra de aço reta O formato da seção transversal irá depender do tipo de aço utilizado na produção da fibra que pode ser trefilado ou laminado. Assim, além dos tipos, a especificação brasileira prevê três classes de fibras, as quais foram associadas ao tipo de aço que deu origem ás mesmas: Classe I: fibra oriunda de arame trefilado a frio Classe II: fibra oriunda de chapa laminada cortada a frio Classe III: fibra oriunda de arame trefilado e escarificado Quadro 2 Classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto (ABNT NBR 15530:2007). Tipo Classe da fibra Geometria I A II I C II III R I II Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 10

11 A norma ABNT NBR 15530:2007 regula dois fatores primordiais: a geometria da fibra e a resistência do aço que lhe deu origem. A importância destes fatores está discutida no item Assim, foi possível estabelecer classes de fibras em função de sua resistência. No Quadro 3 se encontram apresentados o nível de resistência mínima do aço e a respectiva classe da fibra. Constata-se que a norma prevê diferentes níveis de resistência em função da classe de fibra. Quadro 3 Requisitos especificados pela norma ABNT NBR (2007) para as fibras de aço. Fibra Limite de resistência à tração do aço MPa (*) f u AI 1000 AII 500 CI 800 CII 500 CIII 800 RI 1000 RII 500 (*) Esta determinação deve ser feita no aço, no diâmetro equivalente ao da fibra, imediatamente antes do corte A norma procura garantir também um desempenho mínimo do CRFA através da definição de fatores de forma ( ) mínimos para as fibras (FIGUEIREDO, 2008). Os valores especificados pela norma ABNT NBR 15530:2007 estão apresentados no Quadro 4 e são função da classe da fibra, ou seja, têm uma correspondência direta com o tipo de aço utilizado para sua produção. Para cada tipo de fibra há a definição das tolerâncias de variação do fator de forma de modo a minimizar variações no comportamento pósfissuração. Outra preocupação da norma é a garantia de uma ductilidade mínima para a fibra, o que é fundamental para evitar a fragilização do compósito (item ). Para isto, foi estabelecido o ensaio de dobramento que deve ser executado diretamente nas fibras em uma amostra de 10 exemplares retirados aleatoriamente de cada lote a ser analisado. Neste ensaio, deve-se verificar manualmente o dobramento da fibra sobre um pino de 3,2 mm de diâmetro até formarem um ângulo de 90º (Figura 14). Quadro 4 Requisitos de fator de forma mínimo das fibras de aço para concreto especificados pela norma ABNT NBR :2007. Classe da fibra Tipo de aço Fator de forma mínimo λ I Fio de aço trefilado 40 II Chapa de aço cortada 30 III Fio de aço trefilado e escarificado 30 Figura 14 Esquema adotado no ensaio de dobramento da fibra de aço segundo o previsto na norma ABNT NBR 15530:2007. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 11

12 37.4 O controle específico do concreto com fibras Tenacidade Para os concretos reforçados com fibras, defini-se a tenacidade como a área sob a curva carga por deslocamento do corpo-de-prova, que representa o trabalho dissipado no material durante o ensaio até certo nível de deslocamento. Tal valor é utilizado na avaliação dos compósitos e possui a desvantagem básica de depender das dimensões do corpo-de-prova, bem como do sistema de aplicação dos esforços. O método prescrito pela Japan Society of Civil Engineers (JSCE-SF4, 1984) para a determinação da tenacidade é o mais empregado no Brasil e também é o de concepção mais simples. Trata-se de um ensaio realizado em corpos-de-prova prismáticos submetido ao ensaio de flexão com quatro cutelos. Existem, no entanto, outros métodos como os propostos pela European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures (EFNARC, 1996), a saber: um de punção de placas, e outro de tração na flexão com corpos-de-prova prismáticos. Há também os métodos propostos mais recentemente pela American Society for Testing and Materials (ASTM C ) e pela International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures (RILEM TC162-TDF (2002). Estes métodos serão aqui descritos porque os demais são, basicamente, variantes dos mesmos O controle da tenacidade em prismas A primeira condição básica para a realização do ensaio de determinação da tenacidade em prismas é a utilização de prensas com capacidade de controle da velocidade de deslocamento. A segunda condição essencial é o controle eletrônico do deslocamento do corpo-de-prova ou da abertura de fissura induzida no mesmo conforme o caso. Para se garantir uma acuidade mínima no levantamento da curva de carga por deflexão, é exigida também a utilização do controle eletrônico de deslocamento por meio de um transdutor do tipo LVDT. O transdutor deve ser apoiado num suporte denominado "yoke" (JSCE-SF4, 1984) (Figura 15). Este sistema tem maior confiabilidade por medir o deslocamento tomando como referência o próprio corpo-de-prova, sem interferência de deformações externas. Não há norma atual de determinação de tenacidade à flexão que não exija o uso do yoke. Fixação do yoke no CP alinhado ao cutelo Anteparo da agulha do LVDT fixado no topo do CP Cutelos yoke LVDT Base da prensa Cutelos Figura 15 Posicionamento de corpo-de-prova, LVDT e cutelos no ensaio de tração na flexão com o sistema "yoke". Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 12

13 Existem, no entanto, fatores complicadores para a realização do ensaio de determinação da tenacidade em prismas. As variações relacionadas ao ensaio podem influenciar no resultado final, comprometendo tanto a repetibilidade quanto a reprodutibilidade do mesmo (GUIMARÃES; FIGUEIREDO, 2002). Vários fatores influenciam na qualidade do resultado começam pela garantia da homogeneidade do material durante a mistura e da uniformidade da moldagem dos corpos-de-prova, que deve ser realizado sobre mesa vibratória. Soquetes e vibradores do tipo agulha são inadequados para o adensamento do concreto com fibras, pois geram orientação indesejada das mesmas. Além disso, o laboratório de controle tecnológico precisa utilizar equipamento apropriado e pessoal bem treinado, pois erros de interpretação de resultado são muito freqüentes (GUIMARÃES; FIGUEIREDO, 2002). No método proposto pela recomendação japonesa JSCE SF-4 (1984) os prismas podem ter 10x10x40 cm 3, ensaiados com 30 cm de vão, ou 15x15x50 cm 3, ensaiados com 45 cm de vão. A dimensão do corpo-de-prova depende do tamanho da fibra utilizada no concreto (preconiza-se que a menor dimensão do prisma seja, no mínimo, três vezes maior que o comprimento da fibra). A medida da tenacidade é feita através da determinação do fator de tenacidade que é calculado a partir da área total sob a curva de carga por deflexão (Tb), medida em Joules ou kgf.cm, até a deflexão equivalente a L/150, onde L é o vão (Figura 16). O valor de Tb é utilizado na equação (1) para obtenção do valor do fator de tenacidade FT. Note-se que o valor de Tb dividido por δ tb corresponde à carga média suportada pelo corpo-de-prova durante o ensaio. Assim, o calculo de FT é equivalente ao calculo da tensão de tração na flexão no corpo-de-prova pela teoria da elasticidade ocorrendo, no entanto, já no regime plástico. Tb L FT (Equação 1), 2 tb b.h onde: FT = Fator de tenacidade na flexão (MPa); Tb = Tenacidade na flexão (J); δ tb = Deflexão equivalente a L/150 (cm); b = Largura do corpo-de-prova (cm); h = Altura do corpo-de-prova (cm); L = Vão do corpo-de-prova durante o ensaio (cm). CARGA (kn) Tb Tb DEFLEXÃO (mm) Figura 16 Critério da JSCE SF-4 (1984) para a determinação da tenacidade. Um método de ensaio que foi proposto especificamente para concreto projetado é o da EFNARC (1996). Nesse ensaio, utiliza-se um corpo-de-prova com 15 cm de largura, Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 13

14 10 cm de altura e 50 cm de comprimento. O ensaio é realizado com o mesmo arranjo do ensaio preconizado pela JSCE-SF4 para 45 cm de vão. O que muda são os critérios de determinação da tenacidade a partir da curva de carga por deflexão. No critério da EFNARC (1996), são definidas classes de tenacidade associadas a faixas de tensão residual pós-fissuração (Figura 17). Estas faixas de tensão residual são calculadas pelo mesmo critério do fator de tenacidade utilizando-se a carga residual correspondente ao nível de deflexão ao invés da carga média obtida durante todo o ensaio. A principal vantagem desse método é associar um nível de deflexão (que está correlacionado com o nível de abertura de fissura) com uma capacidade resistente residual. Figura 17 Classes de tenacidade propostas pela EFNARC (1996). Um dos métodos de ensaios mais peculiares é o proposto pela norma americana ASTM C , que prescreve a utilização de uma placa de aço de 12 mm entre o corpo-de-prova e os cutelos inferiores durante o carregamento inicial. A placa de aço é utilizada para induzir uma fissura no corpo-de-prova sem a ocorrência do fenômeno chamado de instabilidade pós-pico. Este fenômeno consiste no deslocamento abrupto do LVDT no momento da ruptura da matriz de concreto, gerando a leitura de uma carga resistente pós-fissuração superestimada até uma deflexão de cerca de 0,5 mm. O gráfico da Figura 9 ilustra bem o fenômeno, associado à linha inclinada que ocorre após a ruptura da matriz, iniciando no pico de carga máxima e terminando onde a linha do gráfico fica mais horizontal. A instabilidade pós-pico que acaba por dificultar a medida da capacidade resistente do compósito para baixos níveis de deflexão e, conseqüentemente, baixos níveis de abertura de fissura, ou seja, a área correspondente ao estado limite de serviço. O uso da placa de aço é uma alternativa aos ensaios realizados em sistema fechado (close looping) que há muito vêm sendo apontados como fundamentais para a caracterização mais precisa do comportamento destes compósitos (GOLAPARATNAM; GETTU, 1995). No entanto, estes sistemas fechados demandam equipamentos mais sofisticados que encareceriam o controle rotineiro do material. Após a indução da fissura, a placa é removida, e o corpo-de-prova é novamente carregado, levantando-se a curva de carga por deflexão. A resistência residual média (ARS) é obtida pela média aritmética das resistências residuais a deslocamentos pré-determinados de 0,5 mm; 0,75 mm; 1,00 mm e 1,25 mm, conforme o apresentado na equação (2). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 14

15 Carga (kn) Carga (kn) Instituto Brasileiro do Concreto. P0,50 P0,75 P1,00 P1,25 L ARS (Equação 2), 4 2 b.h onde, ARS = Resistência residual média (MPa); P0,50 + P0,75 + P1,00 + P1,25 = Somatória das cargas nos respectivos deslocamentos (N); b = Largura do corpo-de-prova (mm); h = Altura do corpo-de-prova (mm); L = Vão do corpo-de-prova durante o ensaio (mm). Um dos ensaios mais promissores da atualidade é o proposto pela RILEM, que se tornou uma norma européia (RILEM TC162, 2002). Isto ocorre pelo fato deste método de ensaio estar associado a uma norma de dimensionamento de estruturas produzidas com concretos reforçados com fibras de aço. Sua concepção é bem distinta dos ensaios anteriores. Consiste no ensaio de tração na flexão de uma viga dotada de entalhe na sua base. Além disso, o carregamento é feito, na parte superior do corpo-de-prova, por um único cutelo no centro do vão. Assim, acaba-se por induzir o ponto de aparecimento da fissura e, com o entalhe, evita-se a instabilidade pós-pico e reduz-se a variabilidade do ensaio. A medida da tenacidade é feita a partir do critério exposto na Figura 18, e são obtidos dois valores diferentes de resistência equivalente: f eq.2 = D f BZ.2.1 D f BZ L 0,65 0,5 bh 2 sp (N/mm 2 ) (Equação 3), f eq.3 = D f BZ.3.1 D f BZ L 2,65 2,5 bh 2 sp (N/mm 2 ) (Equação 4), onde: b = largura do corpo-de-prova (mm); h sp = distância entre a ponta do entalhe e o topo do corpo-de-prova na seção transversal (mm); L = vão do corpo-de-prova (mm); D f bz.2.1, D f bz.2.11, D f bz.3.1, D f bz.3.11 = áreas sob as curvas de carga por deflexão equivalentes à absorção de energia proporcionada pelas fibras (N.mm), calculadas segundo a Figura 18. area D f BZ.2.1 area D f BZ.3.1 F u area D f BZ.2.11 F u area D f BZ.3.11 D b BZ F u 0,3 0,35 2 Deflexão (mm) D b BZ F u 0,3 2,35 Deflexão (mm) Figura 18 Critério para a determinação da tenacidade segundo a norma RILEM TC162 (2002). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 15

16 Apesar de o corte do entalhe poder causar danos localizados no corpo-de-prova, reduzindo o valor de carga máxima, a menor variabilidade do ensaio propicia o uso de valores característicos para o dimensionamento de certas peças, o que não ocorre para os outros ensaios. No entanto, a necessidade de utilização dos valores característicos é ainda discutível para certas aplicações do concreto com fibras. O que todos esses ensaios guardam em comum é o fato de realizarem o cálculo da resistência residual com base na teoria da elasticidade. É uma simplificação do comportamento do material que permite converter a energia absorvida no ensaio em tensão tornando mais fácil o emprego dos valores obtidos no dimensionamento das estruturas Ensaios em placas Os ensaios de punção de placas surgiram na Europa como uma forma alternativa de avaliação da tenacidade do concreto projetado (ROBINS, 1995). O esquema de ensaio proposto pela EFNARC (1996) é o mais tradicional e o mais freqüentemente usado no Brasil. Consiste no puncionamento de uma placa quadrada com 600 mm de borda e 500 mm de vão central, apoiada em seus quatro lados (Figura 19). O método prescreve que o ensaio seja realizado até o momento em que se atinge uma deflexão de 25 mm na placa. Esse ensaio permite a caracterização comparativa da tenacidade dos compósitos de concreto reforçado com fibras de aço e tela metálica e possibilita a avaliação comparativa de desempenho entre os diferentes tipos de reforço (FIGUEIREDO, 1997). Isso é muito útil quando não se dispõe de uma metodologia de dimensionamento do concreto reforçado com fibras e faz-se necessária a comprovação de equivalência de desempenho mecânico entre os diferentes tipos de reforço. O ensaio de punção de placa apresenta, no entanto, uma série de dificuldades, como o elevado peso do corpo-de-prova que se aproxima dos 100 kg. Como a placa fica sujeita ao esforço de projeção (impacto do jato de concreto), pode apresentar deformações que dificultam as condições de apoio e, logo, geram concentração de tensões. Assim, Figueiredo (1997) fez uma série de recomendações para a otimização do ensaio proposto pela EFNARC (1996), as quais foram implantadas por laboratórios de controle no Brasil. A primeira recomendação diz respeito à medida da deflexão que deve ser realizada por um LVDT posicionado na parte inferior da placa, cujo suporte deve ser fixado na parte superior da alma do perfil de apoio da placa (Figura 19). Isto visa diminuir ao máximo a parcela de deformação relativa ao suporte lida pelo equipamento. Assim, recomenda-se também que a garantia de um apoio contínuo da placa sobre o suporte seja feita com encunhamento metálico e não com argamassa, como recomenda a EFNARC (1996), uma vez que isto introduz um erro na leitura das deformações por incorporar a deformação da argamassa. Para isso, deve-se evitar que a placa seja posicionada como recomenda a EFNARC (1996), que orienta a face rugosa (parte externa da placa) para baixo, apoiada diretamente no suporte. Além disso, apoiar a placa pela face lisa reproduz o esforço de um tirante no revestimento de um túnel, o que reproduz melhor as condições de e minimiza os problemas de apoio. Esse ensaio permite também qualificar o material nos ensaios prévios à execução da obra (EFNARC, 1996). Na Figura 20, são apresentados os gráficos de puncionamento de quatro placas de concreto projetado reforçado com 30 kg/m 3 de fibras de aço e outras quatro com 50 kg/m 3. Percebe-se que, para os níveis mais baixos de deflexão, ocorre o aparecimento de múltiplas fissuras, gerando alguns picos e quedas no gráfico. A partir de certo momento, o número de fissuras se estabiliza, e o trabalho dissipado no ensaio consiste naquele relativo à ampliação da abertura das mesmas. À medida que a fissura abre, diminui a ancoragem das fibras, e a capacidade de suporte da carga diminui. A Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 16

17 partir das curvas de carga por deflexão obtidas no ensaio, pode-se determinar as curvas de absorção de energia. Essas curvas consistem na integração da área sob a curva de carga por deflexão, e os resultados são normalmente apresentados em Joules. Os gráficos da Figura 21 apresentam as curvas de absorção de energia obtidas a partir dos gráficos da Figura 20. O nível de absorção de energia obtido pela placa pode ser então comparado com as classes de tenacidade estabelecidas pela EFNARC (1996) para este tipo de ensaio, as quais estão apresentadas no Quadro 5. P (10x10)cm 2 10cm (50x50)cm 2 (60x60)cm 2 Figura 19 Esquema do ensaio de puncionamento de placas quadradas segundo Figueiredo (1997). Quadro 5 Classes de tenacidade para o ensaio de punção de placas estabelecido pela EFNARC (1996). Classe da tenacidade Nível de absorção de energia até uma deflexão de 25 mm (Joules) A 500 B 700 C 1000 O nível de deflexão imposto pela EFNARC, de 25 mm, é muito elevado. No entanto, é perfeitamente possível analisarem-se os resultados para menores níveis de deflexão. Em estudo feito considerando a energia absorvida até uma deflexão de 7 mm (FIGUEIREDO, 1997), foi possível diferenciar o desempenho das fibras segundo o teor utilizado. Um exemplo do resultado comparativo se encontra na Figura 22, em que se apresentam resultados obtidos com telas metálicas e com fibras de aço. A tela T1 possuía 4,5 mm de diâmetro médio de fio e malha quadrada de abertura 15 cm, enquanto a tela T2 possuía 5 mm de diâmetro médio de fio e malha também quadrada com abertura de 10 cm. Na Figura 16, mostra-se que a fibra pode apresentar um desempenho superior ao das telas reforçadas com tela metálica dependendo do teor de fibra utilizado. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 17

18 Energia (J) Energia (J) Carga (kn) Carga (kn) Instituto Brasileiro do Concreto kg/m média Deflexão (mm) 50kg/m média Deflexão (mm) Figura 20 Curvas de carga por deflexão obtida no ensaio de punção de placas com concretos projetados reforçados com 30 kg/m 3 e 50 kg/m 3 de fibras de aço Deflexão (mm) 30 kg/m 3 média kg/m média Deflexão (mm) Figura 21 Curvas de absorção de energia por deflexão obtida no ensaio de punção de placas com concretos projetados reforçados com 30 kg/m 3 e 50 kg/m 3 de fibras de aço. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 18

19 Figura 22 Resultados obtidos com ensaio de punção de placas de concreto projetado reforçado com fibras de aço em diversos teores e dois tipos de tela metálica (FIGUEIREDO, 1997). Apesar de os ensaios de tração na flexão e de punção de placas terem sido concebidos para o concreto reforçado com fibras de aço, são plenamente aplicáveis a qualquer outro tipo de fibra que venha a ser utilizada como reforço para o concreto. Assim, se uma fibra responde bem ao ensaio de tração na flexão, como uma de aço, muito provavelmente terá desempenho equivalente na estrutura Trabalhabilidade Além do efeito de contenção de fissuração no concreto endurecido, a adição de fibras altera as condições de consistência e mobilidade da mistura e, conseqüentemente, a sua trabalhabilidade. Essa alteração depende de uma série de fatores, incluindo o material que compõe a fibra, o seu teor e a geometria da fibra. As alterações ocorrem por que, ao se adicionar fibras à mistura, especialmente as de maior comprimento, produz-se uma restrição à mobilidade relativa das partículas, especialmente os agregados graúdos. Como se preconiza que as fibras tenham dimensões superiores a cerca de duas vezes a máxima dimensão do agregado (Figura 12), elas acabam proporcionando um bloqueio à sua mobilidade relativa, dificultando a fluidez da mistura. Assim, além da dimensão da fibra, outro aspecto importante a afetar a fluidez da mistura é o seu grau de rigidez, definido pelo fator de forma e, principalmente, pelo módulo de elasticidade da fibra. Isto ocorre porque fibras mais rígidas acabam por propiciar maior dificuldade à mobilidade dos concretos, especialmente no caso dos bombeados e projetados. As fibras acabam também por afetar os resultados obtidos métodos de ensaio destinados à verificação da trabalhabilidade do material, especialmente aqueles que utilizam baixas taxas de cisalhamento (Capítulo 13), como é o caso do abatimento de tronco de cone. Assim, o ACI 544.2R-89 recomenda dois diferentes métodos para a avaliação da trabalhabilidade do CRF, dado que considera o abatimento do tronco de cone inapropriado. O primeiro método é o cone invertido (ASTM C995-94), representado esquematicamente na Figura 23. Neste ensaio mede-se a fluidez do CRF submetido à vibração e forçado a descer por um cone de invertido. O segundo método proposto para a determinação dos parâmetros de trabalhabilidade do CRF é o VeBe (Capítulo 13). No entanto, já se comprovou que a adição de baixos teores de fibras alteram pouco as condições de trabalhabilidade, mas sem, necessariamente, reduzir a compactação do material (CECCATO; 1998). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 19

20 Tempo VeBe (s) Instituto Brasileiro do Concreto. Figura 23 Esquema para a realização do ensaio do cone invertido (Figueiredo, 2000). Num extenso estudo realizado por Ceccato (1998), foi demonstrado que o ensaio com o cone invertido não é adequado para a avaliação da trabalhabilidade de concretos reforçados com quaisquer teores de fibra, sejam altos ou baixos. Isto aconteceu por duas razões: a) Se o concreto é muito plástico acaba passando pela extremidade inferior aberta do cone invalidando o ensaio e b) Se o concreto é muito coeso acaba por entupir a mesma extremidade inferior de modo a impossibilitar a obtenção de qualquer resultado do ensaio. O estudo de Ceccato (1998) demonstrou que, para teores de fibra de aço inferiores a 60 kg/m 3 e em alguns casos até 80 kg/m 3, (caso o fator de forma não seja superior a 60) o ensaio do abatimento do tronco de cone mostrou-se adequado para a medida da consistência de concretos reforçados com fibras até um teor de 100 kg/m 3. O mesmo estudo comprovou experimentalmente a influência do teor da fibra e do fator de forma na trabalhabilidade do material. Na Figura 24 se encontram apresentados o gráficos obtidos no ensaio VeBe de concretos reforçados com fibras de diferentes fatores de forma e em vários teores. Nota-se claramente que à medida que se aumenta o teor de fibras, aumenta-se o tempo de compactação dado pelo VeBe, devido à maior coesão do material. Este aumento é tão mais intenso quanto maior for o fator de forma da fibra utilizada. 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 FF 80 FF 100 FF 60 R 2 = 0,972 R 2 = 0,996 R 2 = 0, Teor de Fibra (kg/m 3 ) Figura 24 Influência do fator de forma das fibras na compactabilidade do concreto reforçado com diferentes teores de fibra (Ceccato, 1998). Vale ressaltar, no entanto, que todos estes estudos são muito limitados no sentido de poder de avaliação do comportamento dos concretos reforçados com fibras no estado fresco. Atualmente faz-se necessária a realização de estudos reológicos mais abrangentes, de modo a parametrizar o comportamento do material num espectro maior de variação de taxas de cisalhamento (Capítulo 13). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 20

21 Além da perda de fluidez, outro problema que podem surgir é o aparecimento dos chamados ouriços. Os ouriços são bolas formadas por fibras aglomeradas, como a apresentada na Figura 25. No caso da incorporação de ouriços no concreto, serão produzidos não só uma redução do teor de fibra homogeneamente distribuído, como também um ponto fraco (muito poroso) no local onde cada ouriço se alojar. No caso do concreto projetado, se alguma proteção não for providenciada, os ouriços produzirão entupimentos do mangote, com sérios riscos à continuidade da operação. Figura 25 Ouriço formado por fibras de aço mal misturadas ao concreto (Figueiredo, 2000). As causas da formação dos ouriços estão invariavelmente associadas à dificuldade de dispersão da fibra durante a mistura inadequada do material. Fibras de maior fator de forma produzem um maior risco de ouriços. Além disso, se a fibra é adicionada à betoneira de maneira descuidada, lançando-se o conteúdo do saco ou da caixa de fibras de uma só vez, o risco será muitas vezes maior. Por isso, recomenda-se lançar a fibra progressivamente junto com os agregados, homogeneizando a mistura antes do lançamento do cimento. Para facilitar a mistura, utiliza-se também as fibras coladas em pentes, como alguns fornecedores disponibilizam (Figura 1c). Quando são misturados ao concreto, os pentes têm as suas colas dissolvidas, permitindo uma homogeneização facilitada para o compósito. Por outro lado, em algumas aplicações específicas, como o concreto projetado, pré-moldado, etc., o aumento da coesão e perda de mobilidade do concreto pode significar uma melhora na trabalhabilidade, uma vez que minimiza riscos de desplacamentos e garante a estabilidade dimensional do concreto recém-desformado. Por isso, é comum o emprego de fibras poliméricas como as de polipropileno e náilon para se aumentar a coesão do material quando isso é desejado. Além disso, a adição das fibras poliméricas reduz a taxa de exsudação do concreto (FIGUEIREDO, TANESI, NINCE, 2002), diminuindo a retração global do material por dificultar a movimentação de água no seu interior Resistência à compressão O objetivo da adição de fibras ao concreto não é alterar a sua resistência à compressão. No entanto, como as fibras atuam como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, sejam elas produzidas por esforços de tração ou cisalhamento como ocorre no ensaio de compressão, o concreto também apresentará um ganho quanto à tenacidade na compressão. Este comportamento pode ser medido segundo o procedimento de ensaio prescrito pela JSCE (JSCE-SF5, 1984), cujo esquema se Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 21

22 encontra apresentado na Figura 26. O acoplamento de dois LVDTs ao corpo-de-prova exigido no ensaio tem como objetivo levantar a curva de carga por deformação axial. Corpo-de-prova LVDTs Distância de leitura das deformações Figura 26 Esquema de ensaio para determinação da tenacidade na compressão (JSCE-SF5, 1984b). Da mesma forma que a tenacidade medida no ensaio de tração na flexão, a tenacidade medida na compressão e o controle da fissuração apresentarão um ganho quando da utilização de um teor maior de fibras, ou mesmo fibras com maior fator de forma. O gasto energético pós-fissuração por compressão da matriz também apresentará diferenças significativas em função de um direcionamento preferencial da fibra. No caso do concreto projetado, existe uma clara tendência ao direcionamento preferencial da fibra segundo o plano de projeção (ARMELIN; HELENE, 1995), conforme o apresentado na Figura 27. Tal efeito induz a uma anisotropia para o material no que se refere ao consumo energético pós-fissuração. Assim, se o concreto for comprimido no sentido perpendicular ao plano de projeção, apresentará um maior gasto energético pós-fissuração do que o concreto comprimido no sentido paralelo ao plano de projeção. Figura 27 Anisotropia quanto à tenacidade segundo a direção de compressão no concreto projetado (baseado em ARMELIN; HELENE, 1995) Durabilidade A fadiga é a ruptura de um material por esforço cíclico, que ocorre num nível de tensão inferior ao determinado durante o ensaio estático. Isso ocorre porque, a cada ciclo de carregamento, as fissuras existentes tendem a se propagar, diminuindo a área útil para Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 22

23 transferência de tensão. Quanto mais próxima o máximo da carga cíclica estiver da correspondente à resistência do material, e quanto maior a diferença entre a carga mínima e a máxima, menor será o número de ciclos necessários para se atingir a ruptura do concreto. As fibras de elevado módulo e resistência reduzem a propagação das fissuras, aumentando o número de ciclos necessários para a ruptura do material, ou seja, aumentando a sua vida útil. Para tal, as fibras devem ter pequenas dimensões de modo a bloquear a propagação da fissura na argamassa que envolve os agregados graúdos. Ou seja, o controle da fadiga deve ter uma concepção distinta da utilizada para a maximização da tenacidade. Por outro lado, concretos de elevado nível de tenacidade irão propiciar uma melhor condição de controle da propagação do dano gerado pela fadiga. Uma vez fissurado, o concreto simples perderá completamente a sua capacidade de suporte, se o mesmo for reforçado com fibras, haverá uma capacidade residual que permitirá o prolongamento das condições de utilização da estrutura. Num estudo experimental destinado à avaliação do controle da propagação de dano, foram utilizados corpos-de-prova pré-fissurados de concretos reforçados com fibras de aço com ancoragem em gancho, com fator de forma igual a 60, num teor de 2% em volume, o material suportou mais de 2,7x10 6 ciclos de tensões, variando de 10% a 70% da resistência estática (NAAMAN; HAMMOND, 1998). A restrição à propagação da fissura não está condicionada à utilização de elevados teores de fibras como este. Mesmo pequenas quantidades de fibras representam um ganho com relação à fadiga, como demonstraram Li; Matsumoto (1998). Tal resultado é extremamente promissor para utilizações de concretos reforçados com fibras sujeitos a esse tipo de esforço, como é o caso dos pavimentos rígidos. O ganho de resistência à fadiga é um dos maiores proporcionados pelas fibras ao concreto convencional. Como aponta o ACI 544.1R-96, a resistência dos concretos reforçados com fibras aos esforços dinâmicos como cargas explosivas e cargas dinâmicas em geral é de três a dez vezes maior do que os valores obtidos para o concreto sem reforço. Isso advém do fato de ser grande a quantidade de energia dissipada no compósito. O acréscimo na dissipação de energia é proveniente da eliminação da fragilidade típica do concreto simples. Todo o material dúctil apresenta maior resistência ao impacto por proporcionar uma maior dissipação de energia pelas deformações plásticas que é capaz de apresentar. De maneira semelhante, o material pseudo-dúctil produzido pelo reforço de fibras de aço no concreto irá requerer um maior gasto energético para a sua ruptura por esforço dinâmico. Como não há como assegurar recobrimento mínimo para as fibras, é freqüente a ocorrência de fibras na superfície do concreto e, por conseguinte, é comum se observar fibras oxidadas na superfície de pavimentos e túneis. Dessa maneira é natural surgirem dúvidas com relação à durabilidade do concreto reforçado com fibras de aço. De fato, a durabilidade das fibras de aço está condicionada ao seu confinamento no meio fortemente alcalino (ph em torno de 12,5) do concreto, em que permanecerá apassivada. Assim, a corrosão das fibras na superfície do concreto está associada à perda de alcalinidade por diversos mecanismos, tais como chuva ácida, fuligem ácida, fungos, cloretos, e carbonatação superficial do material. No entanto, como a fibra possui um diâmetro reduzido, o volume de óxidos gerados não é suficiente para produzir a ruptura ou o destacamento do concreto no seu entorno; portanto, garante-se a integridade do componente estrutural sem fissuras e, dessa maneira, a proteção das fibras em seu interior. Além disso, para que haja corrosão da armadura no concreto, deve haver uma diferença de potencial, a qual pode ser originada por diferenças de concentração iônica, umidade, aeração, tensão no aço ou no concreto (Capítulo 22 e 26). Tanto maior será a dificuldade de se encontrar uma diferença de potencial numa armadura, quanto menores forem suas dimensões. Assim, as fibras são muito menos sujeitas à corrosão eletrolítica que as armaduras convencionais. Bentur; Mindess (1990) relatam uma série de pesquisas Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 23

24 em que o desempenho do concreto reforçado com fibras foi superior ao convencional, seja com ataques severos de cloretos, seja por efeito de congelamento. Mesmo com o concreto fissurado, a fibra apresenta uma capacidade resistente à corrosão, como apontou o estudo desenvolvido por Chanvillard, Aitcin, Lupien (1989), que não observaram sinais de corrosão e perda de seção transversal por esse fenômeno quando a abertura de fissuras nos pavimentos foi inferior a 0,2 mm. A retração e a fluência são pouco afetadas pela adição de fibras. Ao menos é isso o que tem apontado uma série de testes (ACI 544.1R-96). Como esses fenômenos estão associados ao movimento de fluídos dentro do concreto, a fibra não é capaz de promover uma restrição a essa movimentação. No entanto, quando a retração é restringida, as fibras podem proporcionar um controle da fissuração. Em testes utilizando anéis de Coutinho 1 pesquisas (ACI 544.1R-96) mostraram que as fibras contribuem para reduzir a quantidade de fissuras, bem como sua abertura média. Assim, é de se esperar que a estrutura apresente um desempenho superior com relação à durabilidade com a utilização de fibras em vez da armadura contínua convencional. Caso venha a ser utilizada uma fibra de polimérica, haverá também uma maior resistência à corrosão, o que pode potencializar a durabilidade do compósito. No entanto, em matrizes fissuradas, a deformação lenta das fibras poliméricas é comprovadamente maior (PUJADAS, 2008), comprometendo a manutenção de abertura de fissura em níveis desejados para estruturas com carregamento contínuo Dosagem do concreto com fibras As fibras, quaisquer que sejam os materiais empregados para a sua produção, têm um papel muito importante na definição do custo do concreto. Mesmo com consumos regulares, da ordem de 40 kg/m 3 de fibras de aço, o custo unitário do metro cúbico do concreto irá praticamente dobrar. Apesar disso, metodologias propostas para a otimização do conteúdo de fibras no concreto são raras. Na realidade, a prática comum é fixação de consumos empíricos (MORGAN, 1995), independentemente das características da matriz e das próprias fibras. Além disso, há recomendações genéricas como as apresentadas por Mehta e Monteiro (2008) indicando faixas de consumo muito maiores do que as praticadas nas condições de campo. Um exemplo disso é a indicação de frações volumétricas de 1% a 2% (equivalentes a 80 kg/m 3 a 160 kg/m 3 de fibras de aço) para o reforço do concreto projetado. Tais faixas de consumo são absolutamente impraticáveis e inviáveis economicamente. Assim, a prática de fixação de consumos empíricos, sem definição de desempenho, é muito freqüente, especialmente no Brasil, o que pode comprometer severamente o desempenho da estrutura. Da mesma forma, as fibras poliméricas também são especificadas fixando-se consumos. Em alguns casos, estes consumos são definidos em função do nível de tensão a que a estrutura está submetida. Exemplo disso é o proposto por Khoury e Anderberg (2000), onde se define um consumo mínimo de 1 kg por metro cúbico de concreto não tensionado. Quando a tensão for de até 3 N/mm 2 o consumo vai a até 2 kg/m 3, e quando a tensão chega a 6 N/mm 2, o consumo mínimo deve ser de 3 kg/m 3. No entanto, outros fatores devem ser considerados, como a condição de saturação do material e seu nível de resistência (NINCE, 2007). Assim, para se garantir a viabilidade econômica, bem como o desempenho adequado dos concretos reforçados com fibras, deve-se aplicar metodologias de dosagem que otimizem o seu consumo, isto é, que definam o mínimo consumo necessário para atender às exigências de desempenho. 1 Anéis de Coutinho são corpos-de-prova em forma de anel produzidos com argamassas ou concretos em torno de outro anel rígido de aço que serve de restrição à sua retração. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 24

25 Atualmente, o que se tem proposto como metodologia de dosagem para os concretos com fibras são procedimentos experimentais que complementam aqueles já utilizados para o concreto convencional. Dessa maneira, a dosagem do CRF irá depender das condições de aplicação e, como conseqüência, das características exigidas para a matriz de concreto, especialmente concernentes à trabalhabilidade (item ). No caso do concreto plástico (consultar Capítulo 12), por exemplo, a dosagem do concreto com fibras deve começar com a determinação de um teor de argamassa adequado (FIGUEIREDO; NUNES; TANESI, 2000). O teor é invariavelmente superior ao do concreto simples, pelo fato de a fibra ficar embutida na argamassa do concreto. Assim, quanto maior o consumo de fibras, maior será o teor de argamassa necessário para envolvê-las de maneira adequada e garantir a aplicabilidade do material. Qualquer que seja o tipo de concreto, o principal aspecto a ser observado na dosagem da fibra é a correlação do consumo desta com o desempenho desejado. Ou seja, deve-se procurar correlacionar a tenacidade, qualquer que seja o método de determinação da mesma (item ), com o consumo de fibra. Os modelos exponenciais (FIGUEIREDO, 1997) e logarítmicos têm se mostrado eficientes para a correlação entre a tenacidade, qualquer que seja o critério de medida. No gráfico da Figura 28, encontra-se apresentado o resultado obtido com os tipos de fibras apresentados no Quadro 6, com uma matriz uniforme de concreto projetado de resistência média em torno de 35 MPa (FIGUEIREDO, 1997). Percebe-se nitidamente que o desempenho é proporcional ao fator de forma da fibra. Além disso, o ganho relativo de tenacidade com o aumento do teor de fibra não é linear, ou seja, usar o dobro do teor de fibra que não irá dobrar a tenacidade obtida com o material, o que endossa o uso de modelos exponenciais e logarítmicos. Quadro 6 Características básicas das fibras analisadas. FIBRA FORMATO LONGITUDINAL SEÇÃO FATOR DE TRANSVERSAL FORMA F1 0,50mm 60,0 30mm F2 30mm 0,65mm 46,2 0,50mm F3 27,3 25mm 1,35mm Na Figura 29, são apresentados valores experimentais em que se pode observar um aumento no desempenho com relação à tenacidade à medida que se teve um incremento na resistência mecânica da matriz. Isso pode ser justificado, no caso específico, pela melhora na aderência entre fibra e matriz proporcionada pela maior qualidade da última, o que aumenta a resistência ao arrancamento da fibra. Esta constatação não é sempre encontrada para o CRFA, uma vez que, para fibras longas, com comprimento acima do crítico (item ) para uma dada matriz, a carga de arrancamento pode levar à ruptura de algumas das fibras, reduzindo o desempenho pós- Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 25

26 fissuração. Isto foi comprovado no estudo de dosagem para concreto projetado por via seca desenvolvido por Figueiredo (1997), o que pode ser observado na Figura 30. O desempenho da fibra é nitidamente reduzido para maior resistência da matriz e menor consumo de fibra. Isto se deve ao fato de o número de fibras presente na seção de ruptura ser reduzido. F1, F2 e F3 são as fibras identificadas no Quadro 6 Figura 28 Fator de tenacidade em função do consumo de fibra por metro cúbico de concreto projetado para diferentes tipos de fibras de aço (FIGUEIREDO, 1997). Assim, matrizes de concreto com maior resistência terão como efeito uma redução do comprimento crítico, produzindo um número maior de rupturas quando da transferência de tensões da matriz para as fibras durante o processo de fissuração. Por outro lado, com o aumento do teor de fibras e, conseqüentemente, do seu número presentes na seção de ruptura, a tensão absorvida por cada uma delas no momento em que a matriz se rompe é menor. Com isso, diminui-se o número de rupturas e, por conseqüência, a diferença de desempenho quanto à tenacidade. Tais resultados levam a concluir que especificar um teor de fibra, independentemente da qualidade da matriz, não tem fundamentação técnica. Figura 29 Correlações obtidas entre o fator de tenacidade e o teor de fibras para as diferentes matrizes de concreto. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 26

27 Figura 30 Curvas de dosagem para uma mesma fibra de aço em concretos projetados via seca com diferentes níveis de resistência à compressão (FIGUEIREDO, 1997) Aplicações principais Concreto para pavimentos A utilização dos concretos reforçados com fibras de aço em pavimentos é uma das principais aplicações no Brasil, ao lado do revestimento de túneis. Isso se deve a algumas vantagens tecnológicas do uso de fibras de aço em pavimentos. A primeira vantagem é eliminar a etapa de colocação da armadura, o que reduz o tempo total de execução da obra e o número de operários necessários para tal. Há também uma economia de espaço na obra, uma vez que não é necessário estocar a armadura. As fibras não requerem o uso de espaçadores e, no caso de se utilizar um concreto com consistência adequada e sem excesso de vibração, garantem o reforço de toda a espessura de concreto do pavimento. Isso nem sempre ocorre com o uso de telas metálicas, que podem ser deslocadas com a passagem de carrinhos de mão saindo da posição prevista em projeto. Existe uma maior facilidade de acesso na obra, podendo-se, em alguns casos, atingir o local de lançamento do concreto com o próprio caminhão betoneira, o que é quase sempre impossível quando da utilização de telas metálicas. As fibras também permitem o corte das juntas de dilatação sem a necessidade de barras de transferência pré-instaladas. Além disso, as fibras reforçam as bordas das juntas minimizando o efeito de lascamento nessas regiões e não representam restrição quanto à mecanização da execução do pavimento. No entanto, nem tudo é vantagem no uso das fibras. Como toda tecnologia, o concreto reforçado com fibras possui suas limitações e até desvantagens. Se por um lado a fibra minimiza o quadro geral de fissuração do pavimento, por outro lado isto contribui para o aumento do risco de empenamento do pavimento por retração diferencial. Portanto, a observação dos cuidados relativos à cura é fundamental. Mesmo após a realização do correto acabamento superficial do pavimento, algumas fibras ficam na superfície do concreto. Essas fibras estarão particularmente susceptíveis à corrosão, o que provocará o aparecimento de certo número de pontos de ferrugem, prejudicando o aspecto estético do pavimento. Além disso, se houver algum problema que requeira a demolição do pavimento, a exigência de energia para isso será muitas vezes maior, Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 27

28 implicando um consumo de tempo muito maior do que aquele associado à armadura convencional Concreto para revestimento túneis Existem dois tipos de concretos utilizados para o revestimento de túneis em que as fibras têm um largo emprego: o concreto projetado e o pré-moldado. No caso do concreto projetado, há uma forte restrição com relação ao comprimento da fibra, uma vez que o concreto deverá passar por uma tubulação. O ACI 506.1R-98 recomenda que o comprimento da fibra seja metade do diâmetro interno do mangote e, como estes diâmetros são da ordem de 65 mm, invariavelmente utilizam-se fibras curtas para o reforço do concreto projetado. A utilização de fibras no concreto projetado ocorre para revestimento de túneis urbanos, metroviários, de desvio e adução e interceptores de esgoto principalmente. Isso se deve a uma série de vantagens tecnológicas. A primeira delas é o fato de o concreto projetado reforçado com fibras poder ser aplicado imediatamente após a escavação com menor risco de acidentes por desprendimento de parte do maciço. Além disso, a velocidade de execução do túnel é aumentada pela eliminação da fase de instalação da tela metálica. Porém, uma desvantagem do uso das fibras é o fato de, ao se acelerar a execução da obra de túneis com revestimento em concreto projetado, haverá uma maior exigência quanto à resistência inicial (CELESTINO. 1996). Normalmente, tem-se uma grande fissuração associada ao revestimento primário de concreto projetado que deve acomodar as grandes deformações iniciais do maciço recém-escavado. Esta fissuração é reduzida com a utilização das fibras que impedem a sua propagação, aumentando a durabilidade do revestimento devido à redução da fissuração, que é o caminho preferencial de entrada de agentes agressivos no túnel. A quantidade de perdas por reflexão pode ser diminuída com o uso de fibras (FIGUEIREDO, 1997). No entanto, como as fibras são refletidas preferencialmente, existe o risco de se ter uma perda muito grande desse material, principalmente quando o processo utilizado é o de via seca. Devido a isso, o controle da tenacidade do concreto projetado (ver Capítulo 38), como ocorre com as outras propriedades mecânicas, deve ser feito a partir de testemunhos extraídos de placas projetadas convenientemente, dado que é impossível reproduzir as características do material em corpos-de-prova moldados convencionalmente. Outro tipo de concreto muito utilizado para o revestimento de túneis em que é freqüente o emprego das fibras são os pré-moldados com grande velocidade de produção (Figura 31) para atender à elevada demanda exigida para que a tuneladora trabalhe na velocidade de escavação esperada. Eles são utilizados quando o sistema de escavação e revestimento de túnel é mecanizado e realizado por meio de tuneladora. Nesse caso, empregam-se segmentos que, justapostos, formam um anel que é instalado progressivamente pela máquina. Quando se utilizam fibras de aço, os principais ganhos são associados à maior velocidade de execução das peças, devido à economia no sistema industrial montado para isso. Isto ocorre porque se simplifica muito o processo eliminando as etapas e sistemas necessários à instalação de armadura convencional. Ou seja, a aplicação do reforço se restringe à utilização de um sistema de alimentação contínua das fibras como o ilustrado na Figura 32. O uso de fibras de aço para a produção dos segmentos destinados aos túneis produzidos pelo sistema mecanizado ou TBM 2, também traz como vantagem a diminuição dos riscos de perda de segmentos durante o seu manuseio, pela maior resistência a impactos que a fibra proporciona. A ocorrência de destacamentos superficiais (Figura 33) 2 Sigla originada do termo em inglês para designar túneis construídos por máquina tuneladora, ou seja, Tunnel Boring Machine (TBM). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 28

29 poderá implicar numa grande perda de desempenho dos segmentos que estarão submetidos a elevados níveis de tensão durante o avanço da tuneladora que apóia seus macacos hidráulicos nos anéis recém instalados. A dosagem da fibra para a produção destes segmentos segue os mesmos procedimentos para os concretos plásticos destinados a pavimentos. No entanto, é necessário verificar o desempenho do compósito para menores idades (TELLES; FIGUEIREDO, 2006), pois as peças são submetidas a esforços muito importantes durante o processo de desmoldagem e transporte das mesmas até o pátio de estocagem. Além disso, dado o elevado nível de esforços a que estarão submetidas as peças, é freqüente a necessidade de se utilizar um concreto de elevada resistência mecânica para atender aos requisitos de projeto. Figura 31 Linha de montagem das fôrmas metálicas destinadas à produção dos anéis segmentados da obra da Linha 4 Amarela do Metrô de São Paulo. Figura 32 Sistema de alimentação contínua de fibras para o misturador que produzirá o concreto destinado à moldagem dos anéis segmentados da obra da Linha 4 Amarela do Metrô de São Paulo. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 29

30 Figura 33 Exemplo de dano superficial de segmento produzido com reforço convencional. Qualquer que seja o material de revestimento do túnel, é crescente a preocupação quanto à sua proteção no caso de incêndio, porque o concreto dos túneis se encontra, na maioria das vezes, completamente saturado de água e, no caso de elevação rápida da temperatura, poderá haver a expansão do vapor no seu interior sem possibilidade de dispersão dos gases. Com o aumento da pressão interna, pode haver a ruptura do material devido ao fenômeno chamado destacamento ou lascamento explosivo (explosive spalling). Diante deste risco, uma das técnicas que se vem empregando para minimizar esses riscos é o emprego de fibras de polipropileno (FIGUEIREDO, TANESI; NINCE, 2002). Frente às altas temperaturas geradas durante um incêndio, as fibras de polipropileno acabam por se fundir, deixando pequenos canais no concreto que permitem a saída dos vapores (Figura 31) e, reduzindo a pressão interna, praticamente eliminam o risco de lascamento explosivo. A utilização deste tipo de proteção passiva se faz mais necessária nas situações em que o concreto é de elevada resistência e trabalha em condições de saturação de água, dado que isto aumenta a suscetibilidade do material ao lascamento explosivo (NINCE, 2007). Esta é uma situação freqüente para o caso dos revestimentos de túneis produzidos por tuneladoras. Conforme já comentado anteriormente, existem recomendações que definem consumos fixos de fibra por metro cúbico de concreto. No entanto, a utilização de teores empíricos, mesmo que recomendados por recomendações e normas técnicas, não deve eliminar a etapa de avaliação do material sujeito a elevadas temperaturas, especialmente para obras de grande vulto e responsabilidade como é o caso dos túneis. No trabalho desenvolvido por Nince (2007) é feita uma proposta de metodologia de avaliação do teor da fibra para minimização do fenômeno. Vale lembrar que, como ocorre para as fibras de aço, há diferenças de desempenho entre as fibras de polipropileno utilizadas para este fim e, por essa razão, a mera fixação de um teor mínimo não é garantia de segurança da obra. Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 30

31 Figura 31 Canais deixados pelas fibras de polipropileno fibriladas após a exposição do concreto a temperaturas de 400 o C (NINCE, 2007) Tubos de concreto para obras de saneamento A indústria de pré-moldados é outro grande campo de aplicação dos concretos com fibras devido à maior velocidade de produção que seu uso proporciona. As vantagens do uso de fibras, nesse caso, são as mesmas apontadas para a produção de anéis segmentados para o revestimento de túneis. O uso dos concretos reforçados com fibras de aço para a produção de tubos de esgoto é regulado pela norma brasileira ABNT NBR 8890:2007 para tubos de concreto para águas pluviais e esgoto. Esta norma foi produzida em paralelo com a especificação de fibras de aço e permite a utilização de fibras deste tipo apenas para o reforço dos tubos, além do sistema normal de reforço com vergalhões de aço para concreto armado convencional. É a primeira norma brasileira a tratar da aplicação do concreto reforçado com fibras. Para o caso específico do uso de fibras, a norma ABNT NBR 8890:2007 determinou algumas mudanças no sistema principal de qualificação dos tubos com fibras, ou seja, reformulou o procedimento de ensaio de compressão diametral (Figura 32). No caso de utilização de fibras de aço, o procedimento de ensaio consiste numa rotina de carregamento, descarregamento e re-carregamento do tubo, de modo a se possibilitar a verificação da sua capacidade resistente pós-fissuração (Figueiredo; Chama Neto, 2007), conforme apresentado no esquema da Figura 33. A norma é mais exigente para os tubos reforçados com fibras do que para os tubos convencionais, não permitindo o surgimento de qualquer tipo de dano ao componente quando o mesmo é submetido à carga de fissuração prevista para o tubo convencionalmente armado. Além disso, o procedimento envolve a determinação da carga máxima obtida no segundo ciclo de carregamento após a fissuração da matriz do tubo. Esta medida visa possibilitar a determinação da carga máxima pós-fissuração, o que é um parâmetro fundamental para a otimização do sistema de reforço com fibras para os tubos. A realização do ensaio de compressão diametral é essencial para a garantia da qualidade do componente. Como exemplo, pode-se observar os resultados reais obtidos de tubos ensaiados segundo este método que se encontram apresentados nas Figuras 34 e 35. Nestas figuras estão apresentados os gráficos de carga por deslocamento diametral de dois tubos com diferentes consumos de fibras e percebe-se claramente que o tubo de menor consumo não atingiu os requisitos especificados pela norma para a carga máxima de ruptura e carga máxima pósfissuração. Neste sentido, a norma exige um consumo mínimo de 20 kg/m 3 de fibra de aço do tipo AI (item 37.3) e os resultados comprovam que baixos teores irão significar Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 31

32 tubos com baixo nível de resistência residual pós-fissuração, o que compromete a segurança desta aplicação. Figura 32 Tubo de CRF sendo submetido ao ensaio de compressão diametral (FIGUEIREDO; CHAMA NETO, 2007). Figura 33 Esquema do plano de carregamento proposto para o ensaio de compressão diametral de tubos de concreto reforçados com fibras de aço proposto pela ABNT NBR 8890 (2007). Livro Concreto: Ciência e Tecnologia 32