COMPORTAMENTO MECÂNICO DO CONCRETO AUTO ADENSÁVEL REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO, POLIPROPILENO E HÍBRIDAS

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DO CONCRETO AUTO ADENSÁVEL REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO, POLIPROPILENO E HÍBRIDAS Aluno: Vitor Moreira de Alencar Monteiro Orientador: Flávio de Andrade Silva Introdução O concreto, material estrutural vastamente utilizado em todos lugares do planeta, tem recebido atenção especial nas pesquisas dos últimos anos na engenharia civil. Apesar da adição de fibras não mudar consideravelmente a resistência à compressão ou o módulo de elasticidade, vários estudos sobre o concreto reforçado com fibras já mostraram que esse reforço conseguiu melhorar algumas das principais propriedades mecânicas do compósito como ductilidade, controle de abertura de fissura, entre outros. Vários tipos diferentes de fibras já foram estudados previamente, apresentando resultados diversos que dependem tanto da matriz de concreto analisada como das características da fibra estudada. Essa melhora nas propriedades mecânicas ocorre devido à dificuldade da propagação de fissuras com o reforço da fibra no concreto. A adição de fibras promove uma transferência de tensões através das superfícies das fissuras, reduzindo a concentração de tensões em volta da mesma [1]. Além disso, o reforço com a fibra promove um comportamento de strainhardening ou strain-softening depois de alcançado a primeira fissura dependendo do tipo de fibra utilizado. Esse comportamento conduz tanto a uma melhora na tenacidade quanto a um aumento na tensão residual para valores elevados de deformação [2]. Devido a essas características, o concreto reforçado com fibras tem sido usado para diferentes tipos de aplicação como o concreto projetado e para revestimentos de túneis [2], por exemplo. Apesar disso, as propriedades mecânicas do concreto reforçado com fibras dependem não só da matriz utilizada, mas também do tipo, da geometria e da fração volumétrica de fibra utilizada. Algumas das principais fibras já testadas e avaliadas são: vidro, aço, basalto e polipropileno [3]. Além disso, o concreto pode ser reforçado com não somente um tipo de fibra, mas também hibridização dois ou mais tipos diferentes de fibras. Com o objetivo de melhor entender o comportamento mecânico dos compósitos, o método mais utilizado é o ensaio de flexão. Várias normas diferentes já foram desenvolvidas para esse tipo de ensaio, como a norma europeia EN [4] e a RILEM TC 162-TDF [5], que testam os corpos de prova através de um ensaio de flexão em 3 pontos. Por outro lado, a norma ASTM 1609 [6] conduz os experimentos através de um ensaio de flexão em 4 pontos. O presente trabalho tem como objetivo analisar o comportamento mecânico da adição de fibras de aço, polipropileno e híbridas no concreto auto adensável através do ensaio de flexão em três pontos. Os ensaios mecânicos seguiram como base a norma EN

2 Metodologia a) Materiais Utilizados Os materiais cimentícios utilizados na produção do concreto autoadensável foram o cimento brasileiro CPV (C), sílica ativa (SF) e cinzas volantes (FA). Além disso, dois tamanhos de partícula de areia foram misturados junto com o resto do material: o primeiro variava de 0,15 mm até 4,8 mm (S1) e o segundo com 0,15 mm até 0,85 mm (S2). Além desses componentes, foi utilizado também brita (G) com um diâmetro máximo de 9,5 mm, sílica #325 (SM) (pó de quartzo) e superplastificante (SP) (Glenium 00 51). Por fim, o fator água/cimento utilizado foi de 0,5. Três tipos diferentes de fibras foram utilizados: duas fibras de aço (Dramix 3D 45/30 e Dramix 3D 80/60) e uma fibra de polipropileno (TUF Strand SF 40 mm). A primeira fibra de aço foi abreviada para o presente trabalho como SF1, a segunda como SF2 e, por fim, a de polipropileno como PPF. As fibras de aço foram estudas para três frações volumétricas diferentes 0,5% (40 kg/m³), 1,0% (80 kg/m³) e 2,0% (160 kg/m³). Cada percentual foi denominado, respectivamente, como C0,5%SF, C1,0%SF e C2,0%SF. O mesmo foi feito para a fibra de polipropileno: 0,33% (3 kg/m³), 0,66% (6kg/m³) e 1,10% (10kg/m³). Nesse caso, associados como C0,33%PPF, C0,66%PPF e C1,10%PPF. Além disso, uma composição híbrida também foi analisada: ela foi realizada com 0,5% de fibra aço com 0,66% de fibra de polipropileno. Uma composição somente com a matriz sem também foi analisada, denominada C0.66%H. A Tabela 1 mostra o traço base da matriz de concreto para a base do trabalho. Para incluir as fibras no traço, foi substituído o volume de brita pelo volume de fibras equivalente. Materiais Matriz Brita (G) (kg/m³) 492,04 Areia (S1) (kg/m³) 826,71 Areia (S2) (kg/m³) 99,60 Sílica 325 (SM) (kg/m³) 70 Cimento (C) (kg/m³) 360 Cinzas Volantes (FA) (kg/m³) 168 Sílica Ativa (SF) (kg/m³) 45 Superplastificante (SP) (%) 6,0% Água (W) (kg/m³) 155,65 fator Água/Cimento 0,50 Tabela 1: Traço base utilizado no programa experimental

3 b) Procedimentos de Moldagem As etapas de moldagem foram baseadas no manual de moldagem criado pelo próprio laboratório [7]. A mistura do concreto foi resumida abaixo: i. Mistura dos agregados (1 minuto) O primeiro passo consiste em misturar os agregados (brita e areia) do concreto com 70% da água pesada na etapa (a) por 1 minuto. ii. Mistura dos aditivos (1 minuto) Inserir todos os aditivos determinados no traço (cinzas volantes, sílica ativa, quartzo 325, entre outros) e misturar por mais 1 minuto. iii. Mistura do cimento (1 minuto) Misturar todo o cimento coletado por mais 1 minuto. Figura 1: Adição dos agregados com 70% da água e dos aditivos iv. Mistura do superplastificante com o restante da água (10 minutos) Após a mistura do cimento, insere-se os 30% restantes de água na betoneira com todo o superplastificante pesado anteriormente por 10 minutos. v. Mistura das fibras (5 minutos) Caso existam fibras no concreto analisado, elas devem ser misturadas com restante dos materiais por 5 minutos.

4 Figura 2: Lançamento das fibras no concreto. Figura 3: Resumo das principais etapas da mistura do concreto c) Programa Experimental As medidas dos corpos de prova seguiram a norma EN [3] com seção transversal de 150 x 150 mm e comprimento de 550 mm. Além disso, foi realizado um entalhe de 15 mm de profundidade com 3 mm de largura na base de cada corpo de prova. Utilizando como base a norma europeia, o ensaio foi realizado com um vão entre apoios de 500 mm. A velocidade de ensaio foi 0,10 mm/min com controle de deslocamento pelo Clip-Gauge que mede a abertura de fissura na faixa central do corpo de prova onde fica localizado o entalhe. Figura 4: Desenho Esquemático do ensaio mecânico

5 Resultados e Discussões Figura 5: Ensaio de flexão de acordo com a EN Como definido no Model Code 2010 [ ], a tensão de flexão residual pode ser obtida a partir do ensaio de flexão em três pontos nos prismas a partir da seguinte expressão: fr = tensão (MPa) FR = força aplicada (kn) L = valor do vão = 500 mm b = largura do corpo de prova = 150 mm hsp = altura acima do entalhe = 125 mm fr = 3FRL/(2bhsp²) Utilizando essa expressão como base, foi possível construir todos os gráficos de tensão por abertura de fissura para uma melhor análise do comportamento mecânico das fibras analisadas. a) Reforço com Fibras de Aço e Polipropileno (a) (b) (c) Figura 5: Tensão por deformação para o concreto reforçado com as fibras (a) SF1 (b) SF2 (c) PPF

6 A partir da Figura 5, é possível perceber que como a mistura das fibras com o concreto promove uma melhora muito grande após a primeira fissura. Independente do percentual e do tipo de fibra, as tensões residuais se propagam para valores altos de abertura de fissura, enquanto a matriz praticamente não apresenta tensões residuais pós-pico. Quanto maior o percentual de fibras, maiores são as tensões residuais, com destaque para o reforço com 2,0% da fibra de aço SF2 que apresentou a maior resistência para grandes deformações. Além disso, as fibras de aço apresentam um comportamento de strainhardening após a primeira fissura, algo que não foi presenta no reforço com polipropileno. Dessa maneira, o reforço com fibras de aço apresentou tensões residuais consideravelmente maiores quando comparado com o polipropileno. b) Reforço com Fibras Híbridas (a) (b) Figura 6: Comparação dos reforços para as seguintes frações volumétricas analisadas (a) 0,5% (b) 1,0% De acordo com a Figura 6a, é possível analisar que o concreto reforçado com a hibridização de fibras de aço e polipropileno apresenta tensões residuais bastante superiores quando comparada com os reforços isolados com SF1 e PPF. Dessa maneira, a hibridização de fibras consegue de fato melhorar a resistência mecânica do compósito. O uso da fibra SF2, porém, ainda consegue promover tensões maiores quando comparados com o reforço híbrido. Na Figura 6b, por outro lado, o reforço híbrido não consegue superar o uso de 1,0% de SF1 e para valores de abertura de fissura maiores que 2 mm, 1,1% de PPF também se mostra mais eficiente quando comparados com a hibridização.

7 Conclusões Baseado nos resultados obtidos no laboratório, foi possível realizar todos gráficos de tensão por CMOD para cada corpo de prova analisado. Além disso, calculou-se os valores de tensão residual além da tensão de primeira fissura para cada amostra. Para as três fibras analisadas, os principais parâmetros mecânicos aumentaram proporcionalmente com o aumento das frações volumétricas de fibra utilizadas. Apesar de haver perda considerável de trabalhabilidade do concreto com o aumento do percentual de fibras, as tensões residuais, a tenacidade e a ductilidade sofreram um aumento muito relevante. Essa tendência foi válida tanto para as fibras de aço quanto para a fibra de polipropileno, em especial para a fibra de aço Dramix 3D 80/60, que apresentou os melhores resultados. A adição de fibras, portanto, melhora expressivamente as propriedades mecânicas do concreto convencional. Referências [1]FIGUEIREDO, A. D. Concreto com Fibras de Aço. Disponível em: < Acesso em: 25 jul [2] MOBASHER, B; BARSBY, C; BAKHSHI, M. Comparative evaluation of early age toughness parameters in fiber reinforced concrete. Materials and Structures, v. 47, p , Disponível em: < Acesso em: 25 jul [3] ALMUSALLAM, S.M; AL-SALLOUM, Y; ABBAS, H; ABADEL A. Analytical and experimental investigations on the fracture behavior of hybrid fiber reinforced concrete. Cement and Concrete Composites. v. 74, p , Disponível em: < Acesso em: 25 jul [4] EN Test method for metallic fiber concrete measuring the flexural tensile strength (Limit of proportionality (LOP), residual), [5] RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. [6] ASTM C Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading). [7] PEREIRA, G; MONTEIRO, V; MANFREDI, R. Produção e Moldagem com CAA Reforçado com Fibras, Disponível em: < Acesso em: 25 jul