Transcript
Universidade Estadual do Norte Fluminense Mestrado em Engenharia Civil
Trabalho apresentado à disciplina de propriedades físico-químicas do concreto fresco
CONCRETO COM FIBRAS Por: Gabriel Pereira Gonçalves / Noelço Silva Dias Júnior.
Prof. D.Sc. Guilherme Chagas Cordeiro.
Introdução:
O desenvolvimento tecnológico depende, em grande parte, dos avanços na área de materiais. Muitas das estruturas concebidas nos mais diversos campos da engenharia foram possíveis devido ao melhor aproveitamento das propriedades de materiais tradicionais tais como aço, alumínio, cerâmica e concreto. Compósitos possuem várias aplicações nos amplos campos de engenharia.Os compósitos mais empregados (eng. civil) são aqueles a base de cimento utilizados sob forma de concreto com fibras, de argamassa armada (ferrocimento) e de cimento amianto (fibrocimento).
Definição
Concreto reforçado com fibras ( CRF ) pode ser definido como um material feito com cimento Portland, agregados, e contendo fibras descontínuas misturadas.
Aplicação da fibra Lajes de concreto sobre o terreno ( 60 % )
Concretos projetados ( 25 % ) Pré-moldados ( 5% ) Outras aplicações diversificadas.
Aplicação para o concreto reforçado com fibras de aço:
elementos estruturais de usinas hidrelétricas.
Histórico das Fibras
A utilização de fibras com o intuito de reforçar matrizes frágeis é uma prática utilizada desde a antiguidade, quando se usava palha ou capim como reforços de tijolos de barro secos ao sol . Aplicação na própria natureza exemplo a madeira: lignina e pectina, sendo reforçada com fibras de celulose. Asbestos foi primeira fibra inorgânica usada provavelmente em 2500 a.C. Compósitos reforçados com fibras teve início, há décadas atrás, com o objetivo de incrementar as propriedades de resinas, metais e cerâmicas.
Décadas de 50 e 60
Começa tomar conhecimento do início da utilização de fibras como reforço de matrizes frágeis cimentíceas, de um modo mais sistemático, inicialmente utilizando apenas fibras de aço retas. Os resultados iniciais mostraram a notável alteração no comportamento do material após o surgimento da primeira fissura, com o aumento na tenacidade pós-fissuração. Surgiram também os primeiros problemas relacionados à trabalhabilidade de matrizes cimentíceas reforçadas com fibras de aço.
Concreto Cimento Portland
O concreto de cimento Portland (três componentes principais): pasta de cimento, agregados miúdos e agregados graúdos. Em função da natureza destes componentes principais e de suas proporções, bem como da utilização ou não de aditivos e adições, o compósito é capaz de apresentar uma grande variação de suas propriedades. Porém, o concreto normalmente contém microfissuras na zona de transição entre a matriz e os agregados graúdos. Problema micro-estrutural = concreto é submetido à tração ou à flexão – energia se concentra nas extremidades
As fibras agem como pontes de transferência de tensões, minimizando a concentração de tensões nas extremidades das fissuras, conforme mostra a Figura b
Fig a.
Fig b.
Por alterar o comportamento microscópico do concreto, a presença de fibras causa mudanças em suas propriedades macroscópicas, mais utilizadas no dimensionamento de estruturas. Enquanto o concreto convencional, quando submetido a tensões de tração, rompe repentinamente, no momento em que a deformação correspondente à sua resistência última for supera, o concreto reforçado com fibras continua resistindo a cargas consideráveis, com deformações bastante superiores à deformação de fratura do concreto convencional. Mas ainda, altera-se o padrão de fissuração do material, com uma tendência ao aparecimento de fissuras de menor abertura e mais regularmente espaçadas. Dado o impedimento à propagação causado pelas fibras, a primeira fissura não consegue levar o compósito à ruína (Nunes e Agopyan, 1998).
Mas ainda, altera-se o padrão de fissuração do material, com uma tendência ao aparecimento de fissuras de menor abertura e mais regularmente espaçadas. Dado o impedimento à propagação causado pelas fibras, a primeira fissura não consegue levar o compósito à ruína (Nunes e Agopyan, 1998).
Mehta e Monteiro (1994) argumentam que produtos reforçados com fibras não apresentam melhora substancial na resistência à tração, se comparados a misturas similares sem fibras. Pesquisas recentes, com emprego de microfibras, parecem indicar o contrário (Bernardi, 2003). Esta aparente contradição pode estar associada ao fato de que a incorporação de fibras normalmente provoca impactos sobre a trabalhabilidade. Historicamente, quando as fibras eram adicionadas à mistura, ocorria uma incorporação de ar, o que, associado aos problemas de moldagem e de distribuição inadequada das fibras na massa, acabava tendo reflexos negativos sobre a resistência.
Mais recentemente, com a evolução da tecnologia dos aditivos plastificantes e superplastificantes, está sendo possível obter misturas trabalháveis, com pouca incorporação de ar e boa distribuição das fibras na massa. Desta forma, se justificaria o fato de que o efeito final da adição de fibras, em termos de acréscimo de resistência, se tornou mais positivo. Estudos específicos são todavia necessários para esclarecer o assunto.
Mesmo admitindo que as resistências últimas à tração do compósito não aumentem apreciavelmente, as deformações de tração na ruptura certamente aumentam, com a incorporação das fibras. A eficiência do reforço das fibras se traduz num incremento da capacidade de absorção de energia do compósito. O índice capaz de indicar a capacidade de absorção de energia de um determinado material, para um determinado nível de deslocamento, é denominado tenacidade, que é também definida pela área sob o diagrama carga x deslocamento vertical (Ferreira, 2002). Comparado ao concreto convencional, portanto, o concreto reforçado com fibras é mais tenaz e resistente ao impacto. Entretanto, para que as fibras atuem de forma eficiente é fundamental que haja uma boa interação das mesmas com a matriz.
TIPOS DE FIBRAS UTILIZADAS COMO ELEMENTO DE REFORÇO (POLIMÉRICAS, VEGETAIS, METÁLICAS E MINERAIS)
1 FIBRAS POLIMÉRICAS a) fibras de polipropileno
b) Fibras de polietileno c) Fibras de poliester
2 FIBRAS METÁLICAS
As fibras metálicas mais comuns são as de aço. Sua resistência à tração é de aproximadamente 200 GPa. Dependendo do meio onde estão inseridas, apresentam problemas relacionados à corrosão. Uma técnica utilizada para minimizar tal problema é o banho de níquel (Taylor, 1994). Há uma grande variedade de formas e comprimentos, dependendo do processo de manufatura.
3 FIBRAS VEGETAIS
As fibras vegetais utilizadas em materiais compósitos podem ser de bambu, juta, capim elefante, malva, coco, piaçava, sisal, linho e cana-deaçúcar (Hannant, 1994). Algumas destas fibras podem atingir grandes resistências, como por exemplos, as fibras de bambu que atingem normalmente resistência acima de 100 MPa, com módulo de elasticidade entre 10 e 25 GPa.
4 FIBRAS MINERAIS
a) fibras de carbono b) fibras de amianto
c) fibras de vidro
Propriedades mecânicas das fibras mais usadas
Fibras de aço As fibras de aço são produzidas a partir de fios de aço trefilados, que são cortados e comercializados em diversos comprimentos e diâmetros. As destinadas ao reforço do concreto possuem comprimentos variando entre 6,7 e 76mm e fator de forma variando entre 20 e 100, sendo desta forma suficientemente curtas para se dispersarem aleatoriamente numa mistura fresca de concreto. Os concretos reforçados com fibras de aço vêm encontrando cada vez maior aceitação e, portanto, a utilização de fibras deste tipo de está progressivamente se expandindo em nível internacional. No Brasil, atualmente, as fibras deformadas nas extremidades são as mais facilmente encontradas.
Fibras de aço
Fibra de aço corrugada
Fibra com ancoragem em gancho e seção retangular
Fibra com gancho e seção circular a) solta b) em pentes
Adição de fibras de aço
PARÂMETROS INFLUENTES NA INTERAÇÃO FIBRA-MATRIZ
1 - Teor de fibras
O principal papel das fibras no compósito está associado ao controle da fissuração e à alteração do comportamento do concreto a partir do aparecimento da primeira fissura. Mudanças significativas no comportamento estrutural do material, no estágio pré-fissuração, somente são observadas quando utilizadas técnicas que garantam a adição de altos volumes de fibras. Sendo que, a incorporação de altos teores pode causar problemas de trabalhabilidade.
Quando os volumes de fibras incorporados são elevados, ocorre tanto o incremento da tenacidade, como da resistência última dos elementos. A literatura da área, entretanto, não define limites a partir dos quais se poderia considerar que os volumes de fibras fossem considerados elevados.
Quantidade de fibras no concreto
2 - Comprimento Crítico
Os mecanismos de transferência de tensões no compósito são influenciados pelo comprimento crítico das fibras. É o menor comprimento necessário para o desenvolvimento de tensões nas fibras, iguais à sua resistência. O comprimento crítico pode ser calculado pela equação ao lado, em função da transferência da tensão tangencial de atrito entre a matriz e a fibra:
3 - Fator Forma
É um dos principais parâmetros de caracterização de uma fibra. O mesmo é definido como a relação entre o comprimento da fibra e o diâmetro de uma circunferência virtual cuja área equivalente à seção transversal da fibra, como representado na Figura abaixo.
4 - Módulo de Elasticidade das Fibras
O módulo de elasticidade da fibra é determinante no comportamento final do compósito. Das fibras mais utilizadas no reforço de matrizes cimentícias, os asbestos, as fibras de aço, a aramida, o vidro e o carbono possuem módulo de elasticidade que podem ser considerados altos, enquanto as fibras de polipropileno e nylon possuem módulos de elasticidade mais baixos.
5 - Distribuição e Ancoragem das Fibras
A direção de propagação de uma fissura de tração é transversal à direção da tensão atuante. Desta forma, o início e crescimento de cada nova fissura reduz a área disponível de suporte de carga, o que causa um aumento de tensões nas extremidades de cada fissura. Por esta razão se admite que o mecanismo de ruptura na tração se caracteriza pela união de algumas fissuras pré-existentes ou desenvolvidas nos primeiros estágios de carga, ao contrário do que acontece no estado de ruptura por tensões de compressão, que admite a existência de numerosas fissuras independentes.
6 - Volume crítico
O volume crítico de fibas Vf(crit) é o volume de fibras Vf que, após a fissuração da matriz, suportará o carregamento que o compósito suportava antes da fissuração. Ou seja, para que haja uma majoração na resistência última do compósito, devido à incorporação das fibras, é necessário que o teor de fibras empregado resulte num volume de fibras superior ao crítico.
COMPÓSITO E A INTERAÇÃO FIBRA-MATRIZ
Esquema de concentração de tensões para um concreto sem reforço de fibras.
Esquema de concentração de tensões para um concreto com o reforço de fibras.
Considerações práticas
Concreto reforçado com fibras onde há compatibilidade dimensional entre estas e o agregado graúdo.
Concreto reforçado com fibras onde há compatibilidade dimensional entre estas e o agregado graúdo.
Fibras de aço longas (a) e curtas (b).
Diferença de comportamento entre fibras dúcteis e frágeis quando inclinadas em relação à superfície de ruptura.
Fibra de sisal
Figura 2.2 – (a) Planta de sisal; (b) Fibras após beneficiamento.
Fibras de Sisal
Bahia e a Paraíba são os principais produtores de sisal. Brasil exporta cerca de 62% Exploração com baixo índice de modernização e capitalização - acentuado declínio. Primeiros estudos sobre aplicação de fibras naturais no concreto (Brasil) - Bahia - fibras de coco, sisal, bambu, piaçava e bagaço de cana-de-açucar.
Características
A fibra de sisal é um material de baixo custo de produção que possui módulo de elasticidade inferior ao da matriz cimentícia, razoável deformação de ruptura ( de 2% a 4%) e resistência à tração (de 227 MPa a 1 GPa) . Aderência Tração Compressão Durabilidade
Aderência
Comparado com as fibras de aço, existem poucos estudos para aderência entre matrizes de cimento e fibras vegetais.
Uma das principais dificuldades existentes na avaliação da aderência entre a fibra e a matriz é a grande variação na forma e na área da seção transversal, que variam de uma fibra para outra e mesmo ao longo da mesma fibra. Dificuldades na experimentação de fibras de celulose
Micrografia de argamassa reforçada com fibras curtas de sisal
Aderência
A aderência entre a fibra e a matriz é um dos mecanismos mais importantes na determinação do comportamento dos compósitos, sendo responsável pela distribuição de tensões entre os componentes, o que permite que o compósito, mesmo fissurado, possa resistir às cargas aplicadas
Resistência a Tração
A influência da fibra sobre o comportamento a tração vai depender de vários parâmetros, como tipo, comprimento e diâmetro da fibra, teor de fibra incorporado e forma de distribuição na matriz. As aplicações dos compósitos reforçados com fibras podem ser realizadas em dois tipos principais: concretos e argamassas reforçados com fibras curtas, incorporando pequenos volumes de fibras, e elementos construtivos manufaturados que incorporam grande volume de fibras longas e alinhadas.
Fibras longas x Fibras curtas
Compósitos com fibras longas - geralmente permitem o incremento da resistência a tração da matriz e comportamento pós-fissuração com até ganho de resistência. O processo de produção destes compósitos incrementa a tensão de aderência fibra-matriz, o que resulta em uma múltipla fissuração mesmo quando se utilizam fibras de baixo módulo de elasticidade. A adição de fibras curtas de sisal reduz a resistência a tração mas aumentam o módulo de elasticidade e a deformação última do compósito, com relação a matriz
Existem hipóteses geralmente adotadas de que, para pequenos comprimentos de embebimento, as fibras seria arrancadas da matriz sem se romper. Porém, essa hipótese pode variar principalmente devido a aleatoridade na distribuição e orientação de fibras e também a variação na seção transversal da fibra
Superfície de fratura de compósito tracionado
Mesmo quando não se verifica um aumento na resistência à tração, a presença de fibra traz benefícios ao material sob ação de tensões deste gênero, pois, na pós-fissuração, a transferência de tensões matriz / fibras assegura que o material ainda resista a determinados níveis de tensão enquanto as fibras são arrancadas da matriz. Este processo proporciona aumento no nível de deformação e na capacidade de absorver energia do compósito, fatores os quais levam a crer que esta fibra melhore a resistência do compósito a carregamentos dinâmicos.
Resistência a Compressão
Para as fibras vegetais é consenso que a adição das fibras resulta em uma diminuição da resistência a compressão. Apesar de uma possível redução da resistência à compressão, a simples adição de fibras resulta em um comportamento mais dúctil do material após a fissuração, uma vez que as fibras inibem a formação e propagação de fissuras de tração e de cisalhamento na matriz comprimida.
A utilização de fibras de sisal, como reforço de argamassa de cimento, consegue aumentar a deformação de ruptura do material, provendo maior tenacidade. Este fato está associado à presença das fibras ligando as macrofissuras
Trabalhabilidade
A inclusão de fibras tende a tornar a mistura menos trabalhável e conseqüentemente uma quantidade grande de vazios pode ser incorporada durante a mistura se não houver homogeneização adequada.
Durabilidade
Deteorização e enfraquecimento - ataque alcalino da fibra, mineralização da fibra devido à migração de produtos de hidratação do cimento para seu interior, e variação volumétrica da fibra devido a alta absorção de água. Solução - impermeabilização matriz, a proteção superficial da fibra, ou a redução da alcalinidade e do teor de hidróxido de cálcio livre matriz. Uso de materiais pozolânicos: aumenta resistência à compressão, a resistência química, reduz o teor de hidróxido de cálcio livre, reduz o pH e a concentração de íon hidroxila (OH-) na água de poro, além de reduzir a permeabilidade da matriz
Ruptura das fibras após o processo de envelhecimento acelerado dos compósitos
Conclusão
Diferentes tipos de fibras; Diferentes propriedades;
“Embora as fibras possam de fato produzir melhorias no comportamento do concreto, devemos ser realistas quanto ao que realmente podemos esperar das fibras, principalmente se a quantidade de fibras for pequena, (menos de 1% em volume), como é o caso geral”. (Thomaz, notas de aula - IME)
