Análise dos ganhos mecânicos decorrentes de adição de diferentes teores de fibras de aço em concreto auto-adensável com diferentes adições minerais

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ARTIGO ORIGINAL  

CARNEIRO, Roberto Carlos [1], IRRIGARAY, Mario Arlindo Paz [2]

CARNEIRO, Roberto Carlos. IRRIGARAY, Mario Arlindo Paz. Análise dos ganhos mecânicos decorrentes de adição de diferentes teores de fibras de aço em concreto auto-adensável com diferentes adições minerais. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 01, Vol. 06, pp. 153-158 Janeiro de 2019. ISSN: 2448-0959

RESUMO

O objetivo do presente estudo consiste em avaliar o comportamento mecânico do concreto auto-adensável com a incorporação de diferentes formas e teores de fibras de aço e diferentes adições minerais (sílica ativa e filer calcário). Para tanto, foi executado misturas, com diferentes fatores de formas geométricas (ancorada, corrugada e reta), nos teores distintos para cada tipo (0,5%, 0,75% e 1,0%) em volume. Foram usadas dois tipos de adições minerais (sílica ativa e filer calcário), sendo a primeira em forma de substituição de parte do cimento. Com base nos nesses insumos, foi produzida duas misturas referência com adição sílica ativa e filer calcário. Concluiu-se que a mistura com sílica ativa foi a que apresentou melhor desempenho nas propriedades mecânicas com incremento de 1% da fibra tipo ancorada. Este resultado deu-se devido ao índice de poros do concreto, uma vez que quanto menor a porosidade, maior será o módulo de deformação do compósito, ou seja, maior será a tendência à capacidade de resistir deformações.

Palavras chave: concreto auto-adensável, fibras de aço, comportamento mecânico.

INTRODUÇÃO

O emprego de fibras com finalidade de reforçar matrizes frágeis é uma prática utilizada desde a antiguidade, quando se empregava palha ou capim como reforços de tijolos de barro secos ao sol. A própria natureza dispõe de exemplos do uso de reforço fibroso em matrizes frágeis, tendo como exemplo a madeira, que é um compósito fibroso cuja matriz, constituída de lignina e pectina, sendo reforçada com fibras de celulose.

Estudos sobre o emprego de fibras no concreto melhoram as propriedades mecânicas, mitigando fissuras aos sofrerem tensões de tração, flexão, entre outras, tornando uma grande evolução nas últimas décadas (ROBINS; AUSTIN; JONES, 2002). Distintamente da prática das armaduras convencionais, que são previamente localizadas e devidamente montadas antes da concretagem, as fibras são adicionadas ao concreto, ficando distribuídas de forma voluntária na mistura, otimizando tempo e mão de obra, consequentemente custo em relação ao método tradicional de produção de concreto convencional (FIGUEIREDO, 2011).

A construção civil ainda se mostra resistente ao que é novo o que por sua vez justifica o fato de uma tecnologia como o concreto auto-adensável reforçado com fibras de aço (CAARFA), a qual traz indiscutíveis vantagens ao setor ainda estar restrita a três grupos de construção: pavimentação, concreto projetado e pré-moldado. Apesar disso, o emprego do concreto reforçado com fibras vem crescendo ao longo das últimas décadas.

O objetivo do estudo consiste em avaliar o comportamento mecânico do concreto auto-adensável com a incorporação de diferentes formas e teores de fibras de aço e diferentes adições minerais (sílica ativa e filer calcário).

CONCRETO COM FIBRAS DE AÇO

Adição de fibras altera as condições de consistência do concreto e sua trabalhabilidade. Isto vem acontecer, sobretudo porque ao adicionar fibras ao concreto se esta adicionando, além disso, uma grande área superficial que demanda água de molhagem. Portanto, quanto maior for à esbeltez das fibras maior será o impacto na trabalhabilidade do concreto. A resistência da fibra acaba afetando o teor crítico e, consequentemente, a capacidade resistente pós-fissuração. Isto ocorre porque, no momento em que a matriz fissura há uma transferência de tensões da mesma para a fibra cuja resistência é então acionada. Desta forma, quanto maior a resistência da fibra, tão maior será a capacidade resistente residual (FIGUEIREDO, 2011).

O concreto reforçado com fibra de aço (CRFA) é uma mistura heterogênea, denominada de compósito, de dois materiais distintos que é o concreto (matriz) e as fibras de aço. O resultado é um material que combina as características de seus componentes de maneira adequada, visando um melhor desempenho estrutural. Este novo material vem para suprir as carências do concreto tradicional.

As fibras de aço podem ser incorporadas ao concreto para potencializar diversas de suas propriedades, dentre elas destaca-se: resistência à tração, compressão, tenacidade, resistência à fadiga, impacto e cargas explosivas. As fibras de aço também possibilitam ganhos na resistência à abrasão e cisalhamento. Essas vantagens são viáveis pelo potencial que as fibras têm em alterar o sistema de ruptura do compósito por meio do domínio dos seus processos de micro e macro-fissuração. Contudo, tal fenômeno é potencializado quando se produz concreto com dosagem satisfatória de teores de fibras de forma que aumentem suas características mecânicas. Com isso, fibras com diferentes formas e produzidas com diferentes materiais vêm sendo largamente empregadas na engenharia civil. Quando introduzidas ao concreto convencional, possibilita a vantagem de acréscimo nas suas propriedades mecânicas (ROBINS; AUSTIN; JONES, 2002).

Atualmente no Brasil a NBR 15530 (2007), regulamenta o emprego de fibras de aço, classificando segundo suas formas geométricas da seguinte forma: Tipo A: fibra de aço com ancoragem nas extremidades; Tipo C: fibra de aço corrugada; Tipo L: fibra de aço lisa.

A NBR 15530 (2007) classifica a resistência das fibras em função do tipo e classe, conforme Tabela 1

Tabela 1 – Requisitos e classes de fibra de aço

Fibra

Resistência à tração

                     (Mpa)

AI

AII

CI

CII

CIII

RI

RII

1000

500

800

500

800

1000

500

Fonte: NBR 15530 (2007)

Além dos requisitos acima expostos das características das fibras, ainda tem o comprimento máximo para cada classe de elementos, Tabela 2:

Tabela 2 – Requisito de fator de forma mínimo

Classe da fibra Tipo de aço Fator de Forma mínimo
I

II

II

Fio de aço trefilado

Chapa de aço cortada

Fio de aço trefilado e escarificado

40

30

30

Fonte: NBR 15530 (2007)

METODOLOGIA

O concreto foi produzido no canteiro de obras da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, em uma betoneira do tipo tambor horizontal com capacidade de 360 litros.

Após a determinação da pasta e de esqueleto granular, iniciou-se o processo de obtenção do traço do concreto de referência com adição de fíler. Para tal, deu-se início com 0,30% de aditivo, 20% de fíler calcário, e a proporção de esqueleto de 55% de areia e 45% de brita. Ao produzir essa mistura, demandou-se o reforço tanto de aditivo quanto de adição para que o concreto obtivesse as características de fluidez, coesão e resistência à segregação. Para incorporação de aditivo, foi necessário o incrementado das porções de 0,20% (até um total de 1,25%), já para o fíler, foi necessário apenas incorporação de 5%, perfazendo-se assim uma quantia final do traço em 25%, resultando em um espalhamento de 850 mm.

Considerando que a pesquisa deste trabalho é composta de diferentes adições minerais (sílica ativa x filer calcário), com diferentes teores e formas de fibra de aço, sendo que após ensaios em laboratório, os traços foram fixados conforme a Tabela 3 para adição mineral com sílica ativa e na Tabela 4 consta o traço para as misturas com adição de filer calcário. Considerando que a sílica ativa foi implementada em forma de substituição de parte do cimento, sendo:

Tabela 3 – Traço referência CO com AS

Fonte: Dados da pesquisa, (2017).

Para o concreto de referência com adição mineral com filer calcário, o traço obtido foi conforme a Tabela 4.

Tabela 4 – Traço referência CAA com AF

Cimento Fíler Areia Brita Água Aditivo
Unitário 1 0,25 2,1 1,7 0,45 0,0125
Kg/m³ 444,07 111,02 932,55 754,92 199,83 5,55

Fonte: Dados da pesquisa, (2017).

Com base nos traços acima, os concretos foram divididos em dois grupos com 10 misturas distintas para cada classe de adição mineral, variando em o teor das fibras em (0,5%, 0,75% e 1,0%), e das formas geométricas em ancorada, corrugada e lisa (A C L).

Para produzir o concreto reforçado com fibras, foram utilizados 3 tipos de fibras das classes (ancorada, corrugada e reta), com variações em seus teores em 0,5%, 0,75% e 1,0%, teores foram adotados em função de que percentuais além disso não tem ganhos significativos na resistência.

Para testar a habilidade de fluir das 20 misturas de concretos, com adição de fíler calcário e sílica ativa, foram realizados ensaios de extensão de fluxo, onde os diâmetros de extensão do espalhamento e o tempo tomado para o concreto alcançar um diâmetro de extensão de 50 cm (T50) atingiram valores dentro dos intervalos estabelecidos pela literatura. O ensaio para obter a resistência à compressão foi baseado na NBR 5739/2007. Todas as misturas foram ensaiadas com a idade de 28 dias, com cura úmida, submersos em água. Ao executar a compressão dos corpos de prova, utilizamos somente a rótula superior ao corpo de prova.

Foi empregada a análise de variância (ANOVA – Analysis Of Variance) – nível de confiança de 95%. Em caso confirmado essa diferença estatística, foi realizada o teste de Kruskall-Wallis e procedimento de Análise Kruskall-Wallis e procedimento de Bonferroni

ANÁLISE DOS RESULTADOS

O resultado do experimento evidenciou que o incremento de fibras de aço ao concreto auto-adensável, em seu estado plástico, reduz as propriedades de fluidez e de sua habilidade passante, à medida que se aumenta o teor de fibras, sendo pouco significante as formas geométricas das fibras. Ao analisar o comportamento do concreto nesses ensaios, as misturas com incorporação de 1,0% de fibras de aço, atendendo as recomendações da NBR 15823 (2010) de sua utilização. Todas as misturas produzidas com fibra de aço com os teores de 0,5%, 0,75% e 1,0%, o concreto permaneceu com as características técnicas de CAA, entretanto à medida que se amplia o teor, a trabalhabilidade vai decaindo. Todavia, ao avaliar a forma geométrica das fibras a diferença não é expressiva entre elas, sendo que as propriedades da fluidez sofreram mínimas alterações entre as diferentes misturas. Com isso, podemos dizer que as fibras não são diferentes para o quesito fuidez CAA.

Ao analisar o CAA em seu estado endurecido, as propriedades mecânicas sofreram alterações, dependendo do teor e forma da fibra incorporado, diferente do que ocorreu no estado plástico. A resistência à compressão sofreu alterações ascendente com as fibras ancorada e corrugada. Onde a lisa proporcionou índices negativos em relação às demais. Quando analisado o tipo de adição mineral, fica evidente que as mistura com sílica ativa apresentou uma diferença significativa em relação à com filer calcário. Considerando que a fase sólida do concreto é constituída pelos agregados (graúdo e miúdo), pasta de cimento hidratada e interface pasta-agregado (zona de transição).

Pelo fato de ter se empregado nesta pesquisa as adições de filer calcário e, sílica como em substituição ao cimento, a qual proporcionou maior resistência na zona de transição, portanto provocando maior desempenho à compressão aos concretos com sílica ativa. Também o emprego de fibras de aço estimulou o crescimento da resistência compressão, sendo com a forma ancorada com teor de 1,0%, que proporcionou maior desempenho, chegando a 26,87% em relação ao concreto referência. Já a mistura com filer calcário obteve ganho de 23,47% em relação ao compósito referência com o mesmo teor e forma de fibra. Contudo, a mistura com adição de sílica ativa obteve um desempenho de 17,73% em relação a co AF, representando 18Mpa, com consumo de 408,70kg/m³, perfazendo economia de 7,15% de cimento/ m³. Com isso o concreto produzido com a adição em substituição de sílica ativa é mais eficiente tanto no desempenho de resistência à compressão tanto como no concumo de cimento, o tonando mais satisfatório em relaação ao filer calcário.

Com relação ao módulo de elasticidade, o desempenho foi de 16,43% com 1,0% de fibra ancorada e adição de sílica ativa. Já o compósito com adição de filer calcário obteve um acréscimo de 7,97%.

Com relação ao ensaio de tração na flexão, o comportamento da mistura com sílica ativa, em relação ao concreto referência com filer calcário foi de 13,81%. Já dentro do grupo de sílica ativa, a performance foi de 7,92% com teor de 1,0% de fibra corrugada. Ao avaliar o compósito com filer calcário, o ganho foi de 22,88% com a mesma forma e teor da mistura com sílica ativa. Considerando a análise estatística, o concreto produzido com as diferentes adições minerais não acusou diferença significativa.

Com relação à propriedade da tenacidade do concreto no regime elástico, não houve diferença significativa entre as 20 misturas. Sendo a mistura com 1,0% de fibra ancorada e adição sílica ativa obteve ganho de 30,39%, e a com filer calcário chegou à 19,90%, com a fibra corrugada no mesmo teor.

Quando relacionamos a melhor performance do melhor comportamento do composto com sílica ativa em relação ao concreto referência com filer calcário, esse ganho chega à 46,14%, e de 7% da mistura referência com sílica ativa para a mistura com 1,0% de fibra corrugada com filer calcário.

CONCLUSÃO

Com base nas propriedades mecânicas do presente estudo ficou comprovado que a mistura que apresentou melhor desempenho foi a com sílica ativa com 1% da fibra tipo ancorada. Este resultado deu-se devido ao índice de poros do concreto, uma vez que quanto menor a porosidade, maior será o módulo de deformação do compósito, ou seja, maior será a tendência à capacidade de resistir deformações.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 15530: Fibras de aço para concreto – Especificações. Rio de Janeiro, 2007.

______. NBR 15823-3: CAA – Determinação ao da habilidade de passante Método do anel J. Rio de Janeiro, 2010.

_______NBR 5739: Concreto – Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 2007.

FIGUEIREDO, A. D. Concreto reforçado com fibras. São Paulo, 2011. 248f. Tese (Doutorado) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Construção Civil II, São Paulo, 2011.

ROBINS, P. J, AUSTIN S. A, JONES, P. A. Pull-out behaviour of hooked steel fibres. Mater Struct, 2002;35(7):pp. 434–42.

[1] Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus Pato Branco – PR

[2] Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil

Enviado: Janeiro, 2019

Aprovado: Janeiro, 2019

 

 

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