Comportamento da ligação varões de Aço-Argamassa de reparação

Comportamento da ligação varões de Aço-Argamassa de reparação Resende Nsambu Universidade Agostinho Neto e Universidade Privada de Angola/Angola rnsambu@gmail.com Augusto Martins Gomes Instituto Superior Técnico/Portugal augusto@civil.ist.utl.pt Resumo: No presente artigo apresentam-se os resultados duma campanha experimental de ensaios de aderência efectuados num conjunto de cinco argamassas para reparação de estruturas de betão, sendo três comerciais e duas fabricadas em laboratório com cimento Portland do tipo CEM I 42.5 R. Os provetes são constituídos por cilindros normalizados de argamassa com,15 m de diâmetro e,3 m de altura, em que foram introduzidos varões de aço com 1 mm de diâmetro. Foram estudados três comprimentos de amarração: 1, 2 e 28 mm. No artigo analisa-se a influência do comprimento de amarração, do tipo de argamassa e da resistência à compressão da argamassa na tensão de aderência aço-argamassa. Palavras-chave: Aderência, amarração, armadura, argamassa, reparação. 1. INTRODUÇÃO A reparação e o reforço de estruturas de betão armado têm assumido uma importância crescente em todo o mundo em resultado da necessidade de reparar as estruturas existentes. Quando se recorre à aplicação de argamassas têm sido fundamentalmente utilizadas argamassas cimentícias que, em geral, são modificadas com polímeros. Existem trabalhos publicados por vários autores que referem os factores que podem influenciar o comportamento da ligação entre um varão de aço e o betão corrente. A utilização de um elevado teor de finos num betão causa uma redução da resistência de aderência. Uma vibração insuficiente, que não retira todo o ar do interior do betão, ou uma vibração excessiva, que produz segregação, podem causar um aumento da porosidade na zona de interface dos varões com o material cimentício que afecta a resistência de aderência. Uma composição que garante uma elevada coesão entre a pasta de cimento e os agregados minimiza o espalhamento e a segregação garantindo, deste modo, uma melhor resistência de aderência. Uma falta de estabilidade da mistura pode enfraquecer a interface

pasta de cimento-agregado aumentando a tendência para o desenvolvimento de micro fendilhação local que altera as propriedades mecânicas. Ensaios de arrancamento de varões de aços realizados por Petrov et. al. (21) num betão auto-compactável revelaram que a tensão de aderência é directamente afectada pela qualidade da zona de transição da interface entre a pasta de cimento e as armaduras embebidas. Os modos de rotura observados em ensaios de arrancamentos realizados num betão auto-contactável por Schiessl e Zilch (21), König et. al. (23) e Wang e Zheng (25), citados por Vacuende e Parra (29), são maioritariamente do tipo escorregamento, em que o varão se destaca sem ocorrência de fendilhação significativa no provete, e não do tipo splitting crack, em que se forma uma fenda que atravessa todo o provete, semelhante à que ocorre no ensaio de compressão diametral. Este comportamento é atribuído ao elevado teor de finos ocorrendo uma rotura espessa na superfície de ligação. Nos ensaios experimentais realizados no presente trabalho foram obtidos modos de rotura por escorregamento do varão, por rotura em tracção do aço e por Splitting crack. Os valores do comprimento de amarração foram comentados em face dos comprimentos definidos na norma Europeia EN 1992-24, e foram também analisados os modos de rotura observados. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Argamassas industriais Neste estudo foram utilizadas três argamassas de reparação comerciais que se designaram por AC1, ACP1 e ACP2. As composições destas argamassas são objecto de segredo industrial não sendo revelada a sua composição. As três argamassas são prontas a utilizar bastando adicionar água nas argamassas AC1 e ACP1 e no caso da argamassa ACP2 apenas uma emulsão polimérica que é fornecida conjuntamente com a argamassa. Os detalhes das três argamassas extraídos nos documentos técnicos dos fabricantes são seguidamente apresentados: A argamassa AC1 é uma argamassa cimentícia em pó com ligante à base de cimento portland, agregados seleccionados e aditivos especiais, de elevada resistência mecânica recomendada para trabalhos de reparação em betão até 4 cm de espessura. A relação água/produto recomendada pelo fabricante é de 15%. O estudo desta argamassa revelou que os valores da máxima dimensão dos agregados, do teor em partículas finas, do teor de ar no estado fresco e do módulo de finura, são, respectivamente de 1,19 m, 31,6%, 2,5% e 1,35. A argamassa ACP1 é uma argamassa melhorada com resinas sintéticas, recomendada para reparação em camada grossa, formulada à base de cimento portland, areias seleccionadas, sílica de fumo, resinas sintéticas e reforçada com fibras de poliamida. A relação água/produto indicada pelo fabricante é de 14,4%. Esta argamassa apresentou uma máxima dimensão do agregado de 1,19 mm, um teor em partículas finas de 41,7%,um teor de ar no estado fresco de 4% eum módulo de finura de 1,71. A argamassa ACP2 é um material fornecido em dois componentes, L e P. O componente L é um líquido de cor branca (resina sintética em emulsão, da família dos acrílicos) e o

componente P um pó cinzento melhorado com resinas, fibras sintéticas e cargas especiais. A mistura dos dois componentes é feita na proporção de 16% do componente L e 84%do componente P. Os valores obtidos experimentalmente para a máxima dimensão do agregado, teor em partículas finas, teor de ar no estado fresco e módulo de finura foram de 2,38 mm, 39,4%, 3% e 1,56, respectivamente. 2.2 Argamassas formuladas em laboratório As argamassas formuladas em laboratório foram designadas por AN1 e AMP. Refira-se que estas duas argamassas foram utilizadas como argamassas de referência de forma a permitir estabelecer comparação com as argamassas industriais AC1, ACP1 e ACP2. Nas argamassas AN1 e AMP, utilizou-se um cimento portland do tipo CEM I de classe de resistência 42.5 R. Na formulação destas argamassas foram utilizadas duas areias, uma fina, AF, e uma média, AM, provenientes, respectivamente, de Sesimbra e Vale Milhaços. Nas análises granulométricas destas areias obtiveram-se valores do teor em partículas finas, da máxima dimensão e do módulo de finura de, respectivamente,,51%,,59 mm e 1,39 para a areia fina, AF, e de 1,71%, 2,38 mm e 3,13 para a areia média, AM. Com o objectivo de garantir uma melhor resistência, trabalhabilidade e homogeneidade, ambas as argamassas foram formuladas com 1/3 de areia fina, AF, e 2/3 de areia média, AM, e com uma relação ponderal cimento/areia de 1/3. Na argamassa N, a relação água/cimento foi de,5. Neste estudo foi ainda utilizada uma emulsão polimérica, designada por EP, de consistência líquida composto por 38,5±1,9% de resíduos sólidos secos. Produziu-se ainda uma outra argamassa, AMP, que resultou da introdução dessa emulsão polimérica, EP, na argamassa, AN1, tendo-se como objectivo avaliar a influência deste polímero no comportamento da argamassa.nesta argamassa AMP foi utilizada uma relação polímero/cimento de,15 e água/cimento de,35 e um traço ponderal cimento/areia de 1/3. Na tabela 1 são apresentadas as composições das argamassas produzidas em laboratório, argamassa normal - AN1- e modificada com adjuvante polimérico-amp1, e das argamassas industriais. Na mesma tabela apresentam-se ainda os valores da consistência por espalhamento e do teor de ar no estado fresco. 2.3 Ligação varões de aço-argamassa Na figura 1 apresenta-se um esquema dos provetes utilizados que foram produzidos com recurso a moldes cilíndricos com Ø=,15 h=,3m. Os varões de aço são posicionados no fundo do molde através de uma placa de contraplacado, com 2 mm de espessura e com um diâmetro ligeiramente inferior ao do cilindro normalizado, que tem um furo no centro por onde se atravessa o varão de 1 mm de diâmetro. Os comprimentos de amarração são estabelecidosatravés da introduçãodo varão num tubo de PVC com 11 mm de diâmetro e com 1 ou 2 mm de comprimento que impede o contacto do varão com a argamassa de reparação. Para cada comprimento de aderência foram ensaiados dois provetes. Refira-se que nalguns casos não foi possível obter resultados por terem ocorrido problemas durante a realização do ensaio. Após a colocação da argamassa nos respectivos moldes, os provetes foram conservados no ambiente de laboratório até a data de ensaio.

Tabela 1 - Composição das argamassas AN1, AMP e industriais AC1, ACP1 e ACP2. Materiais (kg/m 3 ) Designação de Argamassa AN1 AMP AC1 ACP1 ACP2 Cimento CEM I 42.5R 481,7 454,6 - - - Areia fina AF 448, 442,8 - - - Areia média AM 994, 941, - - - Total areia 1445, 1383,8 - - - Traço ponderal-cimento:areia 1:3 1:3 - - - Relação: P/C (%) - 15 - - - Emulsão: EP - 177,1 - - - Teor de resíduo seco - 68,2 - - - Relação: A/C,5,35 - - - Relação água/produto - -,15,144 - Relação água/liquido - - - -,16 Água total 24,8 18,9 - - - Água adicional - 5,2 - - - Consistência (%) 9,5 83,2 9,3 116, 76, Teor de ar 4,8 1,5 2,5 2,5 4. Figura 1 - Esquema do provete do ensaio da ligação varão de aço-argamassa. 2.3.1 Sistema de ensaio Os ensaios de aderência foram efectuados por arrancamento directo. Utilizou-se uma máquina Universal de tracção, INSTRON 1343 com a capacidade máxima de 25 kn. O varão com 3 mm de comprimento livre foi fixado à garra da cabeça inferior da máquina de ensaios de tracção e o provete foi apoiado directamente na base inferior de máquina através de uma travessa metálica suportado por cilindros de betão, figura 2.

Figura 2 - Provete e sistema do ensaio. O comportamento de ligação aço-argamassa foi monitorizado através do diagrama força-escorregamento do varão (foi medido o deslocamento da extremidade livre do varão). A aquisição de dados foi realizada através de um dataloger-spider 8 da HBM. A força foi medida com uma célula de carga, NOVATECH com capacidade de 2 kn. O escorregamento do varão foi medido na extremidade livre do varão com um transdutor de deslocamento com 5 mm de curso, figura 2. A velocidade carga utilizada no ensaio foi de,35 kn/s. Devido a problemas no equipamento de ensaio os testes não foram realizados aos 28 dias de idade, como tinha sido inicialmente previsto, só tendo sido possível iniciar os ensaios a partir dos 19 dias de idade dos provetes. O valor médio da tensão de aderência foi determinado através da expressão: F máx τ máx = (1) πφlb onde τ, F,φ, L são, respectivamente, a tensão de aderência na rotura (em MPa), a máx máx b força de rotura no varão (em N), o diâmetro do varão (em mm) e o comprimento de amarração (em mm). 2.3.2 Resultados experimentais Para cada argamassa estudada foram ensaiados três comprimentos de amarração: 1, 2 e 28 mm. Na tabela 2 apresentam-se os valores da força máxima de arrancamento, a relação entre a força máxima de arrancamento e a força de rotura do varão, a tensão média de aderência e o valor médio da tensão de aderência obtido no conjunto dos provetes com o mesmo comprimento de amarração, o modo de rotura obtido e o escorregamento do varãona rotura. Refira-se que o valor da força de rotura do varão obtido no ensaio de tracção foi de 45.5 kn.

Argamassa/comprimento de aderência Tabela 2-Resultados dos ensaios de arrancamento. Força máxima Relação F máx /F u Tensão de aderência Tensão média de aderência Modo de rotura Escorregamento após rotura (mm) AN1/1.1 27,1.59 8,63 Escorr. 21,7 AN1/1.2 25,2.55 7,91 8,26 Escorr. 6,8 AN1/2.1 41,6.91 6,62 Escorr. 15,7 AN1/2.2 45,1.99 7,18 6,9 Escorr.,6 AN1/28.1 44,1.97 5,2 5,2 Escorr. 3,12 AMP/1.1 25,4.56 8,9 Escorr. 4,95 AMP/1.2 28,6.63 9,11 8,6 Escorr. 13,6 AMP/2.1 45,2.99 7,7 Escorr. 23,5 AMP/2.2 44,6.98 7,4 7,6 Escorr. 2,5 AMP/28.1 44,9,98 5,11 Escorr. 6,85 AMP/28.2 46,3 1,2 5,27 5,19 Escorr. 3,98 AC1/1.1 34,2,75 1,9 Escorr. 2,5 AC1/1.2 31,3,68 9,97 1,4 Escorr. 14, AC1/2.1 44,5,98 7,9 Escorr. 9,47 AC1/2.2 44,5,98 7,9 7,9 Escorr. 11,1 AC1/28.1 45.2,99 5,14 5,14 Aço,46 ACP1/1.1 4,1,88 12,8 Escorr. 15,1 ACP1/1.2 32,,71 1,2 11,5 Escorr. 16,5 ACP1/2.1 44,6,98 7,1 Escorr. 1,35 ACP1/2.2 44.9,98 7,15 7,13 Escorr. 1,35 ACP1/28.1 46.3 1,2 5,27 Escorr.,3 ACP1/28.2 44.6,98 5,7 5,17 Escorr.,45 ACP2/1.1 32.,7 1,2 Escorr. 16,5 ACP2/1.2 26.4,58 8,41 9,31 Escorr. 19,8 ACP2/2.1 45.2,99 7,19 Escorr. 25,8 APC2/2.2 44.1,97 7,2 7,11 Escorr. 18,9 APC2/28.1 48.1 1,6 5,47 5,47 Aço,7 Nas figuras 3 a 8 apresentam-se os diagramas força-deslocamento obtidos nos ensaios de arrancamento dos varões para os comprimentos de aderência de 1, 2 e 28 mm, nas argamassas AN1, AMP1, AC1, ACP1 e ACP2. 3 2 Força [kn] 1 5 1 15 2 25 Escorregamento [mm] AN1/1.1 AN1/1.2 Figura 3 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Argamassa Normal.

5 4 Força [kn] 3 2 1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Escorregamento [mm] AN1/28.1 Figura 4 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Argamassa Normal. 5 4 Força [kn] 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Escorregamento [mm] AMP1/28.1 AMP1/28.2 Figura 5 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Argamassa Modificada. 5 4 Força [kn] 3 2 1,1,2,3,4,5 Escorregamento [mm] Figura 6 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Arg. pré-doseada AC1. 5 AC1/28.1 4 3 Força [kn] 2 1 5 1 15 2 Escorregamento [mm] ACP1/1.1 ACP1/1.2 Figura 7 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Arg. pré-doseadas ACP2.

4 3 Força [kn] 2 1 5 1 15 2 25 Escorregamento [mm] ACP2/1.1 ACP2/1.2 Figura 8 - Diagrama força de arrancamento-escorregamento. Arg. pré-doseada ACP2. Da análise dos gráficos obtidos nos ensaios de arrancamento dos varões, constata-se que o valor médio da tensão de aderência na ligação diminui com o aumento do comprimento de amarração. Verifica-se também que a maioria das curvas apresenta uma evolução do diagrama força-escorregamento semelhante aos resultados observados por Homayoun et al. (1992), que são referidos por Daoud Lorrain (22), realizados em betão normal e de alto desempenho. São disto exemplo as curvas, AN1/1.1 e AN1/1.2, AN1/2.1, AMP/1.1, AMP/1.2 e AMP/2.2, ACP1/1.1 e ACP1/1.2, ACP2/1.1 e ACP2/1.2, ACP2/2.1 e ACP2/2.2. Nos modelos com o comprimento de aderência de 28 mm observaram-se modos de rotura com comportamento dúctil, apresentando um patamar limitado com escorregamento nulo, tendo ocorrido a rotura no aço. Este comportamento verificou-se nas seguintes situações: AC1/28.1 e ACP2/28.2. Nos modelos AMP/28.1 e AMP/28.2, verificou-se um patamar de ductilidade mais ou menos limitado, seguido do aumento do escorregamento associado a uma diminuição da força de arrancamento. Para o comprimento de 1 mm verificou-se um domínio quase linear muito limitado, no qual o escorregamento aço/argamassa é nulo, seguido de um troço descendente com escorregamento. O valor de pico representa o valor limite da resistência da ligação. A relação entre a força máxima obtida no ensaio de ligação e a força de rotura do varão é de 57% para a argamassa AN1, 59% na argamassa AMP, 68% na argamassa AC1, 79% na argamassa ACP1 e 64% na argamassa ACP2. A força máxima de arrancamento aumenta com o comprimento de aderência independentemente do tipo de argamassa. Nos modelos ensaiados com 2 mm de comprimento de aderência, verificou-se que a relação entre a força máxima e a força de rotura do varão foi de 95% a 98% para as argamassas AN1 e AMP e de 98% nas argamassas AC1, ACP1 e ACP2. Para as mesmas argamassas e para 28 mm de comprimento de aderência, aquela relação foi de 97%, 1%, 99% e 16%. Por outro lado, observa-se nos modelos AN1/1.1, AN1/1.2, AN1/2.1, AMP/1.1 e AMP/1.2 que, após o pico da força, ocorre um ramo descendente seguido depois de um patamar mais ou menos horizontal, que traduz o atrito do aço embebido na argamassa degradada. Este comportamento resulta na rotura do tipo splitting crack, observado por Homayoun et al. (1992).

Nos modelos AN1/28.1, AC1/2.1 e AC1/2.2, ACP1/2.1, ACP1/28.1 e ACP1/28.2, também se verificou uma perda brusca de força após a ocorrência do máximo, tendo depois ocorrido um novo patamar. Nos provetes acima referidos esta descarga foi, respectivamente, da ordem de 68%, 79% e 76%, 71%, 74% e 75%, dos valores de pico da força de arrancamento. Na tabela 3 apresentam-se também as expressões obtidas por regressão linear da resistência à compressão em função da idade, donde se extrapolaram os valores da resistência à compressão na data de ensaio. Tabela 3-Resistência à compressão, idade das argamassas, curvas der regressão linear Argamassa Curva f c (t) Coeficiente de correlação (R 2 ) Idade de ensaio (dias) f cm.j idade de ensaio AC1 3,392lnt + 44,9,935 113 6,1 ACP1 7,586lnt + 25,25,917 12 61,6 ACP2 5,24lnt + 3,55,984 12 55,5 AMP 5,743lnt + 28,24,935 19 55,2 AN1 3,633lnt + 25,28,886 13 42,9 Na figura 9 apresentam-se as curvas de correlação entre os valores da relação entre a tensão média de aderência e a resistência à compressão da argamassa e o comprimento de aderência dos varões, obtidas nas argamassas pré-doseadas. média / fcm,3,2,1 -,5742 ACP2: τ/f cm = 2,4392xL b R 2 =,9281 -,844 ACP1: τ/f cm = 7,7469xL b R 2 =,9843 -,834 AC1: τ/f cm = 6,6373xL b R 2 =,8973 1 15 2 25 3 L b [comprimento de amarração] AC1 ACP1 ACP2 Figura 9 - Valores da evolução da relação entre a tensão de aderência/ e a resistência à compressão com o comprimento de aderência dos varões para as argamassas AC1, ACP1 e ACP2.

2.3.3 Comprimento de amarração De acordo com o Eurocódigo 2 (24), o comprimento de amarração de base, L b, necessário para transmitir por aderência a força de tracção de um varão de aço para o betão é determinado, através da seguinte expressão: L φ f syd b= (2) 4 fbd em que: φ - diâmetro do varão em mm; f syd - valor de cálculo da tensão de cedência em MPa e f bd - tensão de rotura de aderência aos 28 dias de idade em MPa. Na tabela 4 apresenta-se o cálculo do comprimento de amarração de base de um varão de aço A5 embebido nas argamassas AC1, ACP1, ACP2, AN1 e AMP, de acordo com a equação 2. O ensaio de tracção realizado no varão de aço, revelou que este é da classe A5, cujo valor de cálculo da tensão de cedência é de 435 MPa, a que corresponde a uma força de cedência F syd de 34,1 kn. O valor característico da resistência à compressão das argamassas, f ck,cil, foi obtido a partir dos resultados do ensaio de compressão de cubos de 4 cm de aresta, tendo-se determinado f ck,4 (valor característico da resistência à compressão aos 28 dias) através das regras estabelecidas na norma NP ENV 26 de 1993. O valor característico da resistência em cilindros normalizados, f ck, foi obtido a partir de f ck,4, utilizando os coeficientes que relacionam os dois tipos de cubos, com 4 e 15 cm de aresta, de.91,.88, 1.6 e 1.9, respectivamente para as argamassas AC1, ACP2, AMP e AN1. O valor obtido foi multiplicado aplicando-se um coeficiente de,83 que se considerou para relacionar a resistência de cubos com a de cilindros. Na conversão de f ck,4 para f ck,15 da argamassa ACP1 considerou-se o mesmo valor obtido para a argamassa ACP2, de,88. O valor médio da resistência à tracção simples, f ctm, aos 28 dias de idade foi definido através da seguinte equação definida no Eurocódigo 2 (24) a partir dos valores de f ck,cil : 2 ctm =.3 ( fck )3 (3) f em que: f ctm - resistência à tracção directa e f ck - resistência característica especificada para o material cimentício. Ainda de acordo com o Eurocódigo 2, o valor característico da resistência à tracção simples da argamassa f ctk, foi admitido ser.7 do valor de f ctm, enquanto que o valor de dimensionamento à tracção, f ctd foi obtido minorando o valor de f ctk por 1,5. Refira-se que o valor de cálculo da tensão de aderência, f bd, foi estimado com base no disposto no Eurocódigo 2 a partir do valor de f ctd. Observando a tabela 4, os valores do comprimento de base das argamassas AC1, ACP1 e ACP2, podem ser considerados iguais a 28 mm, enquanto que nas argamassas AN1 e AMP podem ser considerados de 4 e 35 mm, respectivamente.

Argamassa AC1 ACP1 ACP2 AMP AN1 Tabela 4-Comprimento de amarração de base (Eurocódigo 2). f cm,4 cm f ck,4 cm 55,6 48,6 52,7 47,7 49,3 4,9 47,6 39,3 37,1 31,3 f ck,cil f ctm f ctk f ctd f bd = 2,25f ctd L b de base (m) 44,3 3,76 2,63 1,75 3,94,276 44,9 3,79 2,65 1,77 3,98,273 38,6 3,43 2,4 1,6 3,6,32 3,8 2,95 2,6 1,37 3,8,353 23,8 2,48 1,74 1,16 2,61,417 Analisando a tabela 2 verifica-se que nos ensaios de arrancamento de varões a rotura do varão ocorreu apenas nos ensaios AC1/28.1, ACP1/28.1 e 2 e ACP2/28.1. Não se tendo realizado ensaios de arrancamento com comprimento de amarração compreendidos entre os 2 e os 28 mm, e superiores a 28 mm, apenas é possível concluir que nos três casos acima referidos o comprimento de amarração obtido experimentalmente é coerente com o especificado no Eurocódigo 2. No caso das argamassas AN1 e AMP com comprimentos de amarração 28 mm verificou-se o escorregamento dos varões, resultado também coerente com a exigência regulamentar que define comprimentos de amarração superiores a 28 mm. 3. CONCLUSÕES Da análise dos resultados dos ensaios de compressão é possível extrair as seguintes principais conclusões: a) Verificou-se a necessidade de se realizarem mais ensaios de aderência aço-argamassa com outros comprimentos de aderência e outros diâmetros, no sentido de se determinar o comprimento de amarração dos varões de aço nas argamassas de reparação; b) Os valores da tensão média de aderência varão-argamassa indicados na tabela 2 demonstram que as argamassas pré-doseadas AC1, ACP2 e ACP1, assim como a argamassa AMP, apresentam resultados superiores relativamente à argamassa normal AN1; c) Na ligação varão de aço-argamassa verificou-se em todas as argamassas ensaiadas a existência de boas relações entre a tensão média de aderência, a tensão à tracção simples, e o comprimento de aderência. Verificou-se também que o valor da tensão média de aderência, decresce com o aumento do comprimento de aderência, associado ao aumento da força de arrancamento e à redução do escorregamento da ligação.

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