Influência da adição de microfibras de polipropileno no fenômeno da retração por secagem em concretos empregados em pisos

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1 PATOLOGÍAS DE LAS CONSTRUCCIONES Influência da adição de microfibras de polipropileno no fenômeno da retração por secagem em concretos empregados em pisos Senisse, Juliana A. de Lima 1,a, Dal Molin, Denise C. Coitinho 2,b e Abitante, Ana Luiza R. 3,c 1 Mestranda Núcleo Orientado para Inovação da Edificação/UFRGS, Brasil. 2 Profª. Dra. Núcleo Orientado para Inovação da Edificação/UFRGS, Brasil. 3 Profª. Dra. Núcleo Orientado para Inovação da Edificação/UFRGS, Brasil. a b c Palavras-chave: Concreto, Retração por secagem, Microfibras de polipropileno Resumo. O concreto, ainda hoje, é um dos materiais de construção mais utilizados em todo o mundo. Devido a sua elevada empregabilidade, este material está sujeito a deparar-se com diferentes situações, principalmente, relacionadas com o proporcionamento de seus materiais e com o meio em que está inserido. Contudo, a interação inadequada entre estes parâmetros pode gerar diversos tipos de manifestações patológicas, as quais prejudicam severamente a durabilidade das estruturas. Uma propriedade altamente preocupante, relacionada com a deterioração prematura das estruturas e que está diretamente ligada, além de outros fatores, ao proporcionamento dos materiais constituintes do traço de concreto é o fenômeno da retração. As mudanças volumétricas, presentes durante o processo de secagem do concreto, induzem altas tensões de tração e de compressão no material, gerando uma tendência de fissuração no compósito cimentício. Em estruturas como pisos de concreto, esta manifestação patológica é altamente preocupante. Neste sentido, esta pesquisa tem por objetivo entender e avaliar a influência de adição de microfibras de polipropileno (0 g/m ; 300 g/m ; 600 g/m ; 900 g/m ) frente a redução da tendência de fissuração devido ao fenômeno da retração por secagem em concretos convencionais, comumente empregados em pisos. Os ensaios mecânicos demonstraram a influência significativa somente da idade de ruptura. Os resultados do ensaio de retração por secagem livre demonstram que o teor de adição de microfibras não reduziu a intensidade do fenômeno. No entanto, foi evidenciada a influência direta da idade nos resultados obtidos neste ensaio. No ensaio de retração por secagem restringida, o teor de adição de microfibras de polipropileno não influenciou significativamente na tendência de fissuração do material. Introdução A retração do concreto consiste em um fenômeno no qual ocorrem mudanças volumétricas no material cimentício, devido à influência de

2 diferentes fatores. Durante o processo de endurecimento do material, na etapa onde ocorre a transformação de um fluido para um sólido poroso, a retração, inevitavelmente, estará presente nos materiais cimentícios, uma vez que os produtos gerados pelas reações de hidratação do cimento têm um volume menor se comparado com o volume inicial [1, 2]. Nesta fase de endurecimento, ocorre lentamente e de forma não homogênea o processo de secagem do material cimentício. Nas camadas superficiais do material obtêm-se, rapidamente, o equilíbrio hídrico com a umidade relativa do ambiente externo. No entanto, no interior do material, obviamente, dependendo de suas dimensões, o processo ocorre de forma mais branda, formando um diferencial de secage m [1-6]. Como consequência, o gradiente ou diferencial de secagem gera um aumento das tensões de tração na superfície e das tensões de compressão no interior do elemento. No momento em que estas tensões excedem a capacidade que o material pode suportar, o fenômeno da retração vem acompanhado por uma tendência de fissuração da matriz cimentícia. Tal manifestação patológica, além de contribuir para a deterioração das estruturas de concreto, prejudica as propriedades do material, devido às deformações presentes perto da zona superficial [4, 6, 7]. Da mesma forma, as propriedades mecânicas dos materiais cimentícios são diretamente afetadas pelo processo de secagem e, consequentemente, pelo fenômeno da retração por secagem presente nos compósitos cimentícios. Estudos demonstraram que durante o período de secagem do material, o efeito do mecanismo de sucção capilar majora tanto a resistência mecânica, quanto a degradação das propriedades elásticas [8]. Em pisos de concreto, as mudanças volumétricas provenientes do fenômeno da retração, é um fator extremamente preocupante, uma vez que originam fissuração e o empenamento (curling) das placas de concreto. Tais manifestações patológicas reduzem seriamente aspectos funcionais e estéticos destes elementos [1, 10]. Para estas estruturas, a taxa de secagem nunca será a mesma em toda a sua espessura, assim possibilitam a geração de um diferencial de secagem e, consequentemente, uma variação na intensidade deste fenômeno [9]. Conjuntamente, características inerentes a pisos de concreto, relacionadas com as dimensões do elemento, como a relação da superfície exposta ao ambiente/volume, bem como as restrições impostas às placas de concreto, influenciam de forma significativa na intensidade das deformações [6]. No entanto, sabe-se que diferentes fatores podem auxiliar na redução da intensidade e na tendência de fissuração gerada pela retração. Um destes parâmetros refere-se à incorporação de fibras sintéticas na constituição do traço de concreto [11]. Diferentes estudos demonstram que a inserção de fibras nos materiais cimentícios pode reduzir a tendência de fissuração gerada pelo fenômeno da retração, retardar a idade de aparecimento da primeira fissura e manter a integridade do elemento no momento pós-fissuração [12-14]. Neste sentido, esta pesquisa foi realizada com o intuito de avaliar o efeito da adição de microfibras de polipropileno, em concretos, comumente, empregados em pisos, frente ao fenômeno da retração por secagem ao longo

3 do tempo. A influência deste parâmetro foi avaliada por ensaios mecânicos, de resistência à compressão uniaxial e de resistência à tração na flexão, e de retração por secagem livre e retração por secagem restringida. Programa Experimental Metodologia Proporcionamento dos Materiais Os materiais utilizados para a produção dos concretos estudados foram cimento pozolânico (CP IV), agregado miúdo, de origem natural, com módulo de finura de 2,54, agregado graúdo de origem basáltica, com módulo de finura de 3,67, microfibras de polipropileno e aditivo químico plastificante. O traço do concreto foi de 1:2,3:2,7, em massa, para todos os traços estudados, variando somente o teor de adição de microfibras de polipropileno. Assim, para manterse um abatimento superior à 80mm, utilizou-se aditivo químico plastificante quando houve a necessidade. A quantidade de aditivo foi definida durante o processo de mistura dos materiais. As características dos concretos avaliados, para os ensaios mecânicos e de retração por secagem livre, são demonstradas na Tabela 1. Tabela 1: Características dos concretos avaliados Traço a/c Teor de adição (g/m_) Aditivo (g) Slump (mm) , , As microfibras de polipropileno (PP) empregadas nas misturas são filamentos extremamente finos, obtidos através do processo de extrusão, com diâmetro de 12 m, comprimento de 12mm, área superficial específica de 366m /kg e deformação na ruptura de 25%. Segundo o fabricante, estas fibras são quimicamente inertes e possuem excelente resistência em meio alcalino. Devido a limitações laboratoriais, relacionadas ao número de fôrmas utilizadas no ensaio de retração por secagem restringida, avaliaram-se concretos com teores de adição de microfibras de polipropileno de 0g/m (traço 1), 450g/m e 900g/m (traço 2), neste ensaio. Assim, manteve-se o intervalo de adição, para que se pudesse correlacionar os resultados obtidos em todos os ensaios. O traço com adição de 450g/m de microfibras de polipropileno obteve um abatimento de 80mm, com a incorporação de 37,9g de aditivo químico plastificante. Métodos de Ensaio O ensaio de resistência à compressão uniaxial e resistência à tração na flexão seguiram as normas brasileiras NBR 5739/94 e NBR 12142/94,

4 respectivamente. Para estes ensaios empregaram-se corpos-de-prova cilíndricos de 9,5 x 19cm e prismáticos de 10 x 10 x 35cm, respectivamente. Foram moldados nove corpos-de-prova, por ensaio, para cada traço de concreto estudado. Após a moldagem dos concretos, os corpos-de-prova (cp s), referentes aos ensaios mecânicos, foram armazenados em uma superfície rígida e livre da ação de intempéries, durante as primeiras 24h. Neste local, os cp s foram revestidos com um filme plástico, a fim de evitar a perda de água da mistura para o ambiente externo por evaporação. Posteriormente a este período, os corpos-de-prova foram desmoldados e armazenados em uma câmara úmida (UR 95% e temperatura de 23 ± 2 C) até a idade de execução dos ensaios, isto é, 7, 28 e 91 dias. O ensaio de retração por secagem livre seguiu as recomendações da norma americana ASTM C-157/93. Neste ensaio foram empregados moldes prismáticos metálicos, com dimensões de 7,5 x 7,5 x 28cm. Foram moldados dois corpos-de-prova para cada traço de concreto avaliado. Posteriormente ao processo de moldagem dos cp s, os mesmos foram revestidos por um filme plástico e armazenados em câmara úmida (UR 95% e temperatura de 23 ± 2 C) por 24 horas. Após este período, os cp s foram desmoldados e passaram por um processo de cura submersa durante o período de sete dias, em um recipiente com água, em temperatura ambiente, saturada em cal. A partir deste período, até a idade de 112 dias, os corpos-deprova foram armazenados ao ar, em uma câmara climatizada com temperatura (23 ± 1,7 C) e umidade (50 ± 4%) controladas. Leituras da variação unidimensional livre foram realizadas nas idades de 1, 4, 7, 14, 28, 56 e 112 dias. O método de ensaio de retração por secagem restringida seguiu as recomendações da norma AASHTO PP34-99/05. O molde empregado na pesquisa foi desenvolvido segundo as especificações desta norma, as dimensões do mesmo são apresentadas na Figura mm 305 mm 280 mm Fôrma de PVC Anel de concreto 150 mm Anel de aço Base (madeira ) Extensômetro elétrico Figura 1: Equipamento do ensaio de retração por secagem restringida, baseado na norma AASHTO PP34-99 (2005)

5 A moldagem dos corpos-de-prova, sendo de 1 para cada traço de concreto avaliado, foi realizada na câmara climatizada com temperatura (23 ± 1,7 C) e umidade (50 ± 4%) controladas, a fim de evitar variações nas leituras dos extensômetros elétricos, devido à possíveis mudanças de temperatura e umidade. Durante o processo de cura inicial, isto é, nas primeiras 24 horas, os anéis foram cobertos por um plástico espesso e por sacas de linhaça úmidas, evitando a ocorrência de evaporação de água da mistura. Após o processo de cura inicial, os corpos-de-prova foram desmoldados, retirando-se somente o anel externo (fôrma de PVC). Para que o processo de secagem ocorresse somente pelas laterais do anel, o plástico espesso foi colado em sua face superior. As leituras foram realizadas, ininterruptamente, durante 112 dias. Análise e Discussão dos Resultados Os resultados obtidos foram avaliados, estatisticamente, por uma análise de variância (ANOVA). Dados considerados como espúrios, isto é, os quais não estavam contidos no intervalo entre a média e ±1 desvio padrão, foram descartados durante a realização das análises. Os resultados destas análises são demonstrados, separadamente, para cada um dos ensaios realizados, a fim de facilitar a explicação dos resultados. Resistência à Compressão Uniaxial Os resultados obtidos no ensaio de resistência à compressão uniaxial dos concretos estudados são apresentados na Tabela 2. Com posse dos dados, partiu-se então para a análise de variância (ANOVA). Traço Tabela 2: Resultados do ensaio de resistência à compressão uniaxial Teor de adição (g/m_) Resistência à Compressão Uniaxial (MPa) Idade (dias) ,7 15,9 15,9 21,5 23,6 22,8 26,6 29,7 29, ,4 16,7 24,4 22,0 23,8 32,8 32,4 31, ,7 19,1 19,9 27,5 29,7 29,8 39,3 38,3 39, ,9 17,0 18,8 21,1 20,5 19,4 31,9 26,6 28,8 O efeito isolado da adição de microfibras de polipropileno sobre a resistência à compressão uniaxial do concreto é demonstrado na Figura 2. Para o concreto produzido com teor de adição de 600g/m de microfibras de PP (traço 3), verificou-se um acréscimo na sua resistência à compressão. A Figura 3 demonstra o efeito da interação entre o teor de adição de microfibras de PP e a idade de ruptura, sobre a resistência à compressão uniaxial do concreto. Em todas as idades avaliadas, verifica-se uma tendência de comportamento semelhante para os resultados obtidos. Através da Figura 3,

6 verifica-se a influência da idade de análise no aumento da resistência dos concretos, ou seja, com o passar do tempo, a resistência do material foi majorada, conforme esperado Resistência à Co Teor de adição de microfibras de polipropileno (g/m_) Figura 2: Efeito isolado do teor de adição de microfibras de PP sobre a resistência à compressão uniaxial Resistência à Com Teor de adição de microfibras de polipropileno (g/m_) 7 dias 28 dias 91 dias Figura 3: Efeito da interação entre o teor de adição de microfibras de PP e a idade sobre à resistência à compressão uniaxial Analisando estatisticamente os resultados, pelo método do teste de Fischer, notou-se a presença de diferença significativa entre os dados obtidos do traço com adição de 600g/m em relação aos demais. Assim, comprovando que a resistência à compressão do concreto, com este teor de adição, foi superior. Tal comportamento possivelmente ocorreu pela facilidade de dispersão das microfibras de PP na matriz cimentícia, devido à incorporação de aditivo químico na mistura. Desta forma, evitando com que ocorresse a formação de agrupamentos (tufos) de microfibras, os quais poderiam atuar como vazios e prejudicar as propriedades do concreto. Resistência à Tração na Flexão Os resultados obtidos no ensaio de resistência à tração na flexão dos concretos estudados são apresentados na Tabela 3. Com posse dos dados, partiu-se então para a análise de variância (ANOVA). O efeito isolado das variáveis controláveis referentes ao teor de adição de microfibras de PP e à idade são demonstrados nas Figura 4 e Figura 5, respectivamente. O efeito da interação entre estas duas variáveis não foi significativo, na análise de variância. Diferentemente do observado no ensaio de resistência à compressão, a adição de microfibras de PP não majorou a resistência à tração na flexão dos concretos estudados.

7 Traço Tabela 3: Resultados do ensaio de resistência à tração na flexão Teor de adição (g/m_) Resistência à Tração na Flexão (MPa) Idade (dias) ,71 7,86 6,96 7,88 8,21 8,21 9,04 9,86 8, ,18 6,85 6,91 6,72 7,28 6,84 9,48 8,79 8, ,21 6,55 6,29 8,04 7,24 7,85 7,63 8,21 8, ,01 7,17 7,33 7,95 7,03 7,75 8,03 8,21 7,80 8,8 8,6 8,4 8,8 8,6 8,4 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 Resistência à Traç 7,2 7,0 6, Teor de adição de microfibras de polipropileno (g/m_) Figura 4: Efeito isolado do teor de adição de microfibras de PP sobre a resistência à compressão uniaxial Resistência à Traç 7,2 7,0 6, Idade (dias) Figura 5: Efeito isolado da idade sobre a resistência à compressão uniaxial Cabe ressaltar que este tipo de microfibra de PP, empregada nas misturas, não foi utilizado com a finalidade de melhorar a resistência à tração na flexão dos concretos; pois, características como as dimensões, principalmente às relacionadas com o comprimento e o diâmetro da fibra, e o seu baixo módulo de elasticidade, comparado com o da matriz cimentícia, não influenciam diretamente na resistência à tração na flexão. Igualmente ao observado nos resultados de resistência à compressão uniaxial, verifica-se que a resistência à tração na flexão cresce com o aumento da idade do concreto. Este comportamento era esperado, uma vez que às reações de hidratação do cimento ocorrem ao longo do tempo, assim resultando em um aumento da resistência à tração na flexão. A partir das Figuras acima, percebe-se que a variabilidade dos resultados obtidos neste ensaio foi superior, se comparada com os dados do ensaio de resistência à compressão uniaxial.

8 Retração por Secagem Livre Os resultados obtidos no ensaio de retração por secagem livre são demonstrados na Tabela 4. Nota-se que a magnitude da deformação unidimensional livre foi mais acentuada no traço 2, isto é, com teor de adição de 300g/m de microfibras de PP. Para os demais concretos estudados, aos 112 dias, a intensidade do fenômeno foi semelhante, sendo de aproximadamente -420 m. Traço Tabela 4: Resultados do ensaio de retração por secagem livre Teor de adição (g/m_) Corpo-deprova Retração por Secagem Livre ( m) Idade (dias) Avaliando os resultados pela análise de variância verificou-se a significância do efeito isolado do teor de adição de microfibras de PP e da idade, frente à retração por secagem livre, as Figura 6 e Figura 7 demonstram este resultado. A partir dos resultados obtidos, verificou-se que a incorporação de microfibras de polipropileno na mistura não reduziu a intensidade da retração por secagem livre. Tal fato pode ter ocorrido devido à dificuldade de dispersão das microfibras de polipropileno nas misturas estudadas. Acredita-se que tal variação mostrou-se significativa, possivelmente, por apresentar problemas relacionados à dificuldade de moldagem, assim incorporando vazios na matriz cimentícia, aumentando a porosidade interna do concreto. Analisando os resultados estatisticamente, através do método do teste de Fischer, percebe-se que os dados de retração por secagem livre, para os concretos com adição de microfibras de PP, diferem significativamente em relação ao concreto referência; porém entre eles, tal diferença não mostrou-se significativa. Segundo a Figura 7, verifica-se o aumento da magnitude da retração por secagem livre com o passar do tempo, comportamento esperado. Em outras palavras, pode-se dizer que existe uma relação direta entre a idade de análise e a deformação unidimensional livre do concreto.

9 m) ( m) Retração por Secage Teor de adição de microfibras de polipropileno (g/m_) Figura 6: Efeito do teor de adição de microfibras de PP sobre a retração por secagem livre Retração por Secage Idade (dias) Figura 7: Efeito da idade sobre a retração por secagem livre Realizando uma análise estatística pelo teste de Fischer, notou-se que a retração até o 14 dia não apresentou diferença significativa para os resultados obtidos nas primeiras idades. Contudo, a partir deste momento a magnitude do fenômeno foi acentuada, demonstrando o aumento da deformação unidimensional livre com o passar do tempo. Cabe lembrar que nesta pesquisa as leituras foram realizadas somente até os 112 dias, porém sabe-se que o crescimento da intensidade deste fenômeno é contínuo ao longo do tempo. Portanto, leituras em idades mais avançadas, certamente, possibilitariam um melhor entendimento deste fenômeno. Retração por Secagem Restringida A Figura 8 apresenta os resultados obtidos no ensaio de retração por secagem restringida. O gráfico demonstra as tensões sofridas pelo anel de aço (núcleo) durante o processo de secagem do material. Analisando o gráfico, percebe-se uma leve queda na tensão sofrida pelo núcleo de aço, nos traços de concreto com adição de 0g/m e de 450g/m. Para o traço com adição de 900g/m, nota-se uma queda brusca na tensão, próximo

10 aos 100 dias. Tal comportamento representa o acontecimento de um alívio das tensões geradas sobre o anel de aço e das deformações do compósito cimentício, o qual evidencia a ocorrência de fissuração na matriz cimentícia. A Figura 9 demonstra a abertura das fissuras aos 145 dias, para os traços produzidos sem adição de microfibras de PP (a) e com teores de adição de 450g/m (b) e 900g/m (c), respectivamente. Contudo, as primeiras fissuras foram observadas, visualmente, próximo a idade de 112 dias para todos os traços de concreto avaliados. 1 Fibras 0g/m_ 0,5 450g/m_ 900g/m_ ,5-1 Idade (dias) Figura 8: Valores médios diários da retração por secagem restringida do concreto (a) (b) (c) Figura 9: Abertura das fissuras. (a) sem microfibras de PP. (b) teor de adição de 450g/m de microfibras de PP. (c) teor de adição de 900g/m de microfibras de PP

11 De acordo com a Tabela 4, percebe-se que a deformação unidimensional livre média dos concretos estudados sem adição de microfibras de PP, e com teores de adição de 450g/m e de 900g/m, aos 112 dias, foram de -453 m, -553 m e -389 m, respectivamente. Assim, pode-se dizer que esta intensidade da retração por secagem livre corresponde à deformação máxima que o concreto suporta antes da ocorrência da fissuração. Analisando a Tabela 4, conjuntamente, com a Tabela 3, percebe-se que a menor intensidade de retração por secagem livre (-389 m), a qual gerou fissuração ocorreu no concreto com menor resistência à tração na flexão média (8,01MPa). No entanto, para os demais traços de concreto, tal comportamento não foi verificado. Desta forma, para os materiais e técnicas empregadas na pesquisa, a adição de microfibras de polipropileno não reduziu a tendência de fissuração da matriz cimentícia. Tal fato pode ter ocorrido devido ao aumento da permeabilidade do material, quando microfibras foram incorporadas, assim tornando o material cimentício mais vulnerável ao processo de secagem. Conclusões A influência do teor de adição de microfibras de polipropileno e da idade foi verificada através de uma análise estatística. Da relação destes fatores com os ensaios de resistência à compressão uniaxial, resistência à tração na flexão, retração por secagem livre e retração por secagem restringida, realizados ao longo do tempo, conclui-se que: o efeito da adição de microfibras de polipropileno na resistência à compressão uniaxial dos concretos estudados mostrou-se significativo, causando incrementos de 7% para adições de 300g/m, e de 22,40% para adições de 600g/m. No entanto, tal influência é pouco expressiva se comparada com os resultados obtidos na análise de variância para a idade de ruptura; devido às características próprias da microfibra de polipropileno utilizada, a inserção da mesma nos concretos reduziu a resistência à tração na flexão do material; a incorporação de microfibras de polipropileno nos compósitos cimentícios não reduziu a intensidade da retração por secagem livre. Contudo, tal variação mostrou-se significativa, possivelmente, por apresentar problemas relacionados à dificuldade de moldagem, assim incorporando vazios na matriz cimentícia, aumentando a porosidade interna do concreto; a idade exerceu influência direta e significativa nos ensaios mecânicos e no ensaio de retração por secagem livre; no ensaio de retração por secagem restringida, o teor de adição de microfibras de polipropileno não influenciou na tendência de fissuração do material, uma vez que em todos os concretos estudados ocorreu o aparecimento de fissuras;

12 o fato da não dispersão das microfibras de polipropileno, causadas pela ausência de aditivo químico, possivelmente, prejudicou as propriedades mecânicas e aumentaram a retração por secagem dos concretos avaliados. Referências [1] E. E. Holt and M. Leivo: Cement and Concrete Composites. Vol. 26 (2004), p [2] H. Colina and P. Acker: Materials and Structures. Vol. 33 (2000), p [3] E. E. Holt: Early ages autogenous shrinkage of concrete (Technical Research Centre of Finland, ESPOO, 2001). [4] F. Benboudjema, F. Meftah and J. Torrenti: Materials and Structures. Vol. 40 (2007), p [5] C. de Sa, F. Benboudjema, M. Thiery and J. Sicardi: Cement and Concrete Composites. Vol. 30 (2008), p [6] F. H. Wittmann, F. Beltzung and T. J. Zhao: International Journal Structures Engineering. Vol. 1 (2009), p [7] J. Bisschop and J. G. M. Van Meier: Materials and Structures. Vol. 35 (2002), p [8] N. Burlion, F. Bougeois and J. F. Shao: Cement and Concrete Composites. Vol. 27 (2005), p [9] ACI Committee 302: American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan [10] M. A. Chodounsky and F. A. Viecili, in: Pisos Industriais de Concreto Aspectos Teóricos e Executivos. São Paulo, Reggenza, 2007, in press. [11] M. Hsie, C. Tu and P. S. Song: Materials Science and Engineering A. Vol. 494 (2008), p [12] P. S. Song, S. Hwang and B. C. Sheu: Cement and Concrete Research. Vol. 35 (2005), p [13] N. Banthia and R. Gupta: Cement and Concrete Research. Vol. 36 (2006), p [14] E. Boghossian and L. Wegner: Cement and Concrete Composites. Vol. 30 (2008), p

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