Geopolímero para reparo e reabilitação de vigas de concreto armado por P. Balaguru, Professor Stephen Kurtz e Jon Rudolph

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1 Geopolímero para reparo e reabilitação de vigas de concreto armado por P. Balaguru, Professor Stephen Kurtz e Jon Rudolph À prova de fogo Reparos externos e reabilitação estrutural para infraestruturas envelhecidas, construções envelhecidas, áreas propensas a terremotos e a furacões Resumo Este relatório apresenta os resultados de uma investigação experimental do comportamento de vigas de concreto armado reforçadas com tecidos de fibra de carbono e geopolímero. O principal objetivo da investigação foi determinar se o geopolímero pode ser usado em vez dos polímeros orgânicos para a fixação dos tecidos de carbono ao concreto. Quatro vigas de concreto armado, que eram similares às reforçadas com tecidos de carbono e adesivos orgânicos, foram testadas. As vigas tinham 0, 2, 3 e 5 camadas de tecidos de carbono unidirecional coladas nas faces de tensão das vigas. Os resultados indicam que o geopolímero oferece excelente aderência tanto à superfície de concreto e aos planos interlaminares dos tecidos. Todas as três vigas quebraram pelo rompimento dos tecidos. Isto é muito significativo, porque muito poucos investigadores relataram a ruptura das vigas com o rompimento dos tecidos. A ruptura padrão mais comum relatada na literatura é a ruptura por delaminação dos tecidos na interface do concreto e dos tecidos. Por isso pode-se afirmar que o geopolímero provê tão boa ou melhor adesão em comparação aos polímeros orgânicos. Além disso, o geopolímero é resistente, não se degrada com a luz ultravioleta, e é quimicamente compatível com o concreto. Portanto, o produto pode ser desenvolvido com sucesso para utilização na reparação e reabilitação de estruturas de concreto. 1

2 Introdução Sabe-se que a infraestrutura nacional necessita de grandes reparos e reabilitação. Uma série de técnicas de reparo e reforço estão sendo promovidas. O reforço das estruturas de concreto armado com chapas de aço coladas externamente é uma das técnicas desenvolvidas na década de Recentemente, a alta resistência de placas de compósitos de carbono, vidro e aramida estão sendo promovidas como uma melhor alternativa do que as chapas de aço. As principais vantagens na utilização das placas de compósitos são: leveza, resistência à corrosão e facilidade de aplicação. A leveza é uma grande vantagem durante a construção, porque o uso de equipamentos pesados não é necessário. Os compósitos podem ser também aplicados camada por camada resultando em estrutura final quase homogênea. A principal desvantagem dos compósitos é a falta de resistência ao fogo e degradação sob a luz ultravioleta induzindo a problemas a longo prazo. Os tecidos de carbono e vidro podem resistir à exposição normal ao fogo e são estáveis sob luz ultravioleta. Mas o ponto fraco são os polímeros orgânicos que são utilizados para aderir esses tecidos ao concreto. Por isso, uma investigação foi realizada para avaliar a utilização de um polímero inorgânico que foi desenvolvido recentemente. Este polímero inorgânico, conhecido como geopolímero, é um aluminossilicato que pode suportar até 1000 C (2000 F). O polímero é durável e não se degrada sob a luz ultravioleta. Programa experimental Diversos pesquisadores têm avaliado vigas reforçadas com fibras de carbono e polímeros orgânicos. O programa experimental em vigor foi desenvolvido para simular a investigação conduzida na Universidade de Sherbrooke. Esta estratégia foi utilizada para reduzir o número de vigas a serem testadas para comparar polímeros orgânicos e geopolímeros. Quatro vigas isoladas em concreto armado que eram semelhantes às vigas de Sherbrooke foram moldadas e curadas por 28 dias. Então, três das vigas foram reforçadas com tecidos de carbono e geopolímero. Todos as quatro vigas foram testadas como vigas simplesmente apoiadas sob quatro pontos de carga. Os detalhes das vigas e procedimentos experimentais são apresentados nas seções seguintes. Detalhes das vigas Quatro vigas de concreto armado que tinham 3200 mm de comprimento, 200 mm de largura e 300 mm de profundidade foram construídas. Estas vigas foram testadas simplesmente apoiadas num vão de 3000 mm. Os detalhes do reforço das vigas são mostrados na Fig. 1. O reforço de tração consistiu de 2f4 barras. O reforço de tração foi mantido a um mínimo, a fim de evitar a falha de cisalhamento das vigas reforçadas. A resistência à compressão do concreto foi de cerca de 6800 psi. Os cilindros de controle feitos com todas as quatro vigas forneceram resultados consistentes de resistência à compressão. 2

3 Figura 1: Cortes transversais da viga Reforçando as vigas Três vigas foram reforçadas usando 2, 3 e 5 camadas de tecido de carbono unidirecional. O tecido feito de fibras de carbono T300 tinha uma densidade de 5 oz/yd 2 (169,53 g/m²). Após a cura, a superfície inferior das vigas foi tornada áspera, primeiramente por polimento a seco seguido por jato de areia. Estas operações removeram a camada fraca da argamassa, expondo alguns agregados. A superfície áspera foi coberta com uma mistura de geopolímero para evitar a perda de geopolímero a partir dos tecidos para os vazios do concreto. Os tecidos foram impregnados a mão, pré-impregnados e colocados na parte inferior da superfície da viga. A viga com duas camadas foi deixada secar por 24 horas e aquecidas a 80 C para curar o geopolímero. Para vigas com 3 e 5 camadas, após a colocação dos tecidos, elas foram cobertas com um tecido e cerca de 28 polegadas de mercúrio de vácuo foi aplicado para uma melhor aderência. Estas vigas foram também aquecidas a 80 C para facilitar a cura. Instrumentação e Teste de Instalação As vigas foram instrumentadas para medir deformações no concreto, a tração do aço, e o compósito; e as deflexões. Os valores de deformação no compósito podem ser considerados como valores médios somente, porque as bitolas foram coladas tanto nas fibras como na matriz. As vigas foram simplesmente apoiadas em um vão de 3000 mm e duas cargas concentradas foram aplicados em 1000 mm a partir dos apoios. As 3

4 cargas foram medidas utilizando sistemas de registro de dados MTS. A instalação da viga, pronta para o teste é mostrada na Figura 2. As cargas foram aplicadas em incrementos de 1000 ou 500 lb. Para cada incremento de carga, deformações, deflexões e padrões de fissuramento foram registrados. Figura 2: viga antes do início dos testes Resultados e discussão Um resumo dos resultados é apresentado na Tabela 1, que mostra as cargas correspondentes ao escoamento e a ruptura final, e deflexões no meio do vão na ruptura. Tabela 1: Resumo dos resultados dos testes Modo de ruptura Como mencionado anteriormente, todas as vigas armadas romperam por ruptura do compósito. Isto mostra que o geopolímero provê efetiva aderência mesmo quando cinco camadas de tecido foram usadas. Na prática, o número de camadas tecido de tem que ser limitado a 3 ou 4 por razões econômicas. Assim, se o sistema de reparo é realizado adequadamente, a ruptura por delaminação do compósito pode ser essencialmente eliminada. Uma vez que as vigas foram propositadamente 4

5 subarmadas com suficiente reforço ao cisalhamento, a ruptura ao cisalhamento não ocorre mesmo quando a capacidade do momento foi aumentada em 50 por cento sobre a viga de controle. Como o número de camadas aumentou, o comprimento do compósito que rompeu também aumentou. Comportamento da Carga-deflexão e padrões de fissuramento Como esperado, a rigidez da viga aumentou com o número de camadas de tecido, como indicado pela diminuição na deflexão, mostrado na Fig. 3. A profundidade da linha neutra parece aumentar com o número de camadas. Isso também deve ser esperado porque o aumento da força de tensão para uma determinada curvatura requer o aumento da força de compressão. Dado que a resistência do concreto é a mesma, o aumento da capacidade da força de compressão tem de vir do aumento da força de compressão proporcionada por uma maior profundidade da linha neutra. Os padrões de fissuramento das vigas reforçadas são diferentes da viga de controle. As vigas reforçadas apresentaram mais fissuras e foram espaçadas mais próximas entre si. Como aumentou o número de camadas, o comprimento da viga sobre a qual ocorreram fissuras extensivas também aumentou. A largura máxima da fissura foi menor do que para as vigas reforçadas. Os padrões típicos de fissuramento são mostrados na Fig. 4. Figura 3: Carga x Deflexão. Todas as vigas 5

6 Figura 4: Padrões de fissuramento para a viga #2 com carga de lbs, após ruptura do compósito (abaixo) Comparação entre polímero orgânico e geopolímero Como mencionado anteriormente, as vigas foram concebidas de modo a permitir uma comparação direta com os resultados obtidos por Labossiere na Universidade de Sherbrooke. Sua viga de controle tinha uma capacidade de 14,3 kips, e sua viga reforçada tinha uma capacidade de 22,4 kips. Consequentemente o reforço proveu um aumento de cerca de 50%. Eles usaram três camadas de tecido unidirecional da Tonen. A quantidade do reforço em três camadas de tecido da Tonen é ligeiramente superior a cinco camadas de tecido utilizado no estudo em vigor. A viga com cinco camadas também suportou 50% mais carga do que a viga de controle, Tabela 1. A principal diferença entre o polímero orgânico e o geopolímero é o padrão de ruptura. No estudo de Sherbrooke, o compósito descamou, enquanto que o compósito rompeu no estudo atual (ver Fig. 5). A ruptura por delaminação não somente subutiliza a resistência do compósito, mas é também extremamente frágil. Este tipo de ruptura pode ser evitada a qualquer custo, a fim de fornecer um alerta de uma iminente ruptura. As deflexões e os padrões de fissuramento das vigas com polímeros orgânicos e geopolímeros são comparáveis. O compósito no estudo vigente registrou deformações maiores do que os relatados no estudo de Sherbrooke. Resumindo, pode ser declarado que os geopolímeros fornecem uma melhor performance estrutural do que os polímeros orgânicos. Figura 5: Ruptura do compósito Geopolímero-Carbono 6

7 Conclusões Baseado nos resultados experimentais obtidos do estudo em vigor, e os resultados relatados por outros pesquisadores, as seguintes conclusões podem ser delineadas: Os geopolímeros podem ser usados com sucesso para aglutinar tecidos de carbono em vigas de concreto armado. Com um projeto e processo de construção adequado, a ruptura por delaminação do compósito pode ser eliminada. A performance do geopolímero é melhor que a do polímero orgânico em termos de adesão. Além disso, o geopolímero é resistente ao fogo, estável sob luz UV e não envolve nenhuma substância tóxica. O geopolímero é à base de água e nenhum equipamento de proteção além de luvas é necessário. O material excedente pode ser descartado como um resíduo comum. Este aspecto é muito importante durante a fase de construção. 7