COMPORTAMENTO MECÂNICO DE FIBRAS DE POLIPROPILENO E DE AÇO NO CONCRETO AUTO ADENSÁVEL

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE FIBRAS DE POLIPROPILENO E DE AÇO NO CONCRETO AUTO ADENSÁVEL Aluno: Raphael Palmier Manfredi Orientador: Flávio de Andrade Silva Introdução O concreto, um dos materiais estruturais mais utilizados no mundo, tem sido foco maior nas últimas pesquisas na área de construção civil. Embora a adição de fibras não modifique de forma considerável a resistência à compressão do concreto, ou seu módulo de elasticidade, o estudo do concreto reforçado com fibras (CRF) já demonstrou melhora nas propriedades mecânicas como ductilidade, controle de abertura de fissuras e tenacidade. No entanto, tais propriedades dependem não apenas da matriz de concreto, mas também do tipo, geometria e volume percentual das fibras. Serão analisadas fibras de aço longas SF2 (60 mm) e curtas SF1 (30 mm) e fibras de polipropileno PPF (45 mm). Além disso, para melhor mistura está sendo utilizada uma matriz de concreto auto adensável para facilitar a trabalhabilidade do concreto reforçado com fibras. As fibras de aço e polipropileno utilizadas são normalmente encontradas a venda no mercado, fibras de aço sendo mais comuns no mercado nacional e as de polipropileno sendo mais encontradas para compra internacional. Embora mais barata em peso do que a fibra de aço, a fibra de polipropileno encarece ao ser importada para o país. Os estudos já realizados sobre o assunto reportaram que a adição de fibras de aço possui a tendência de melhorar moderadamente a resistência à flexão do concreto e a sua resistência a tração [1]. Já a adição de fibras de polipropileno tende a ter uma melhora considerável na resistência à flexão e na resiliência do concreto, a resistência à tração não é modificada de maneira significante. Ambas as fibras transformam o concreto em um material mais dúctil. Materiais e Metodologia A. Matrix Auto Adensável e sua mistura. Matrix: A matriz de concreto auto adensável utilizada, foi concebida previamente por Dimas[2] e consiste em 9 insumos diferentes: cimento CPV, cinza volante e sílica ativa, além de duas frações diferentes de areia (0.85 mm a 4.75mm e 0.15mm a 0.85mm), agregado graúdo com diâmetro máximo de 9.5 mm, pó de quartzo e superplastificante. O fator água/cimento utilizado foi de 0.5. A ideia por trás dessa matriz é a do empacotamento de grãos, ou seja, transformar a mistura em algo coeso em que todas as frações intermediárias entre brita e cimento estejam preenchidas, fazendo assim um concreto mais fluido e compacto. As únicas duas proporções modificadas durante a mistura foram o percentual de superplastificante e de agregado graúdo. Três diferentes percentuais de fibras foram selecionados para cada fibra: as fibras de aço foram selecionadas em 0,5%, 1% e 2% (percentual em relação à quantidade de cimento utilizada); já as fibras de polipropileno foram selecionadas em: 0.33%, 0.66% e 1.10%. Além de ser uma matriz complexa em termos de insumos, a sua preparação e moldagem também requer atenção, pois deve seguir um procedimento correto para melhor mistura:

2 Tabela A.1 Traço de concreto utilizado. Medidas em kg/m³ a) Mistura dos agregados (1 minuto) O primeiro passo consiste em misturar os agregados (brita e areia) do concreto com 70% da água pesada na previamente por 1 minuto. b) Mistura dos aditivos (1 minuto) Inserir todos os aditivos determinados no traço (cinzas volantes, sílica ativa, quartzo 325, entre outros) e misturar por mais 1 minuto. c) Mistura do cimento (1 minuto) Misturar todo o cimento coletado por mais 1 minuto. d) Mistura do superplastificante com o restante da água (10 minutos) Após a mistura do cimento, inserem-se os 30% restantes de água na betoneira com todo o superplastificante pesado anteriormente por 10 minutos. e) Mistura das fibras (5 minutos) Caso existam fibras no concreto analisado, elas devem ser misturadas com restante dos materiais por 5 minutos. B. Caracterização e propriedades mecânicas estudadas. Metodologia A análise das propriedades mecânicas do CRF será feita através de dois ensaios diferentes, um que demonstra influência da adição de fibras na resistência à flexão e outro que demonstra influência da adição de fibras na tenacidade e na abertura de fissuras do concreto na flexão. a. Ensaio de Flexão em Quatro-Pontos-ASTM C1609:

3 O ensaio de flexão em prisma consiste em um sistema onde são aplicadas forças equidistantes no prisma com auxílio do pistão, criando assim um terço médio de momento constante no corpo. Com a matriz de concreto e os percentuais de fibras definidos, foram feitos três corpos de prova prismáticos de 750 x 150 x 150 mm para cada percentual de cada fibra. Após os 28 dia de cura do concreto foi feito o ensaio de flexão em quatro pontos para análise a resistência à flexão pura do concreto. O intervalo entre os suportes foi de 690 mm e entre os pontos de aplicação de carga foi de 230 mm, garantindo assim a flexão pura no terço médio do corpo de prova. Mede-se a deformação central do prisma. Figura B.1 Ensaio de Flexão em Quatro Pontos. Figuras B.2 à esquerda e B.3 à direita (Tensão x Deformação) - Resultados gerados no programa Grapher dos Ensaios de Flexão em Quatro Pontos. (Resultados com 1%,1.1% e 0.5%,0.66% de diferentes fibras)

4 Como podemos ver nas figuras B.2 e B.3, o concreto reforçado com fibra de polipropileno (PPF) apresentou uma maior resistência pós-pico em comparação ao concreto reforçado com fibra de aço (SF1) para 1%, no entanto não apresenta desempenho melhor em relação às fibras longas de aço (SF2). b. Ensaio de Flexão em Painel ASTM C1550: O ensaio de flexão em painel consiste em apoiar um painel de concreto em três apoios equidistantes do centro, presos por um cabo de aço. No painel é aplicada uma força até uma determinada deformação central ser atingida. Medem-se a deformação central do prisma bem como a abertura de fissuras na face inferior do painel. Com os mesmos percentuais de fibras já definidos, foram feitos três corpos de prova circulares de diâmetro 800 mm e espessura 70 mm. Após os 28 dias de cura do concreto, foi feito o ensaio de flexão em painel redondo para análise da tenacidade e da resiliência do concreto durante a flexão. Um arranjo de três pontos de apoio conectados por barras de aço formando um triângulo equilátero foi utilizado para suporte do disco, com um cilindro de aço aplicando força no centro do disco. Figura B.4 Ensaio de Flexão em Painel Redondo Como podemos ver nas figuras B.5 e B.6, o concreto reforçado com fibra de polipropileno (PPF) apresentou uma maior resistência para uma mesma abertura de fissura (4 mm) em comparação ao concreto reforçado com fibra de aço (SF1), além de conseguir obter um maior carregamento para uma mesma deflexão central ( 20 mm em diante).

5 Figura B.5 à esquerda (abertura de fissuras) e B.6 à direita (carregamento por deflexão central) - Resultados de ensaio de flexão em painel gerados no programa Grapher (Resultados de diferentes percentagens de aço (SF1) para maior percentagem de polipropileno (PPF)) Conclusões Baseado nos resultados obtidos no laboratório determinou-se a abertura de fissuras média, a resistência média a flexão e a tenacidade de cada uma das fibras. A fibra de polipropileno, em seu maior percentual, apresentou uma maior capacidade de carga e uma maior área sobre a curva no ensaio de flexão em painéis do que os três percentuais de fibra de aço curta. Já para o ensaio de flexão pura, os percentuais de 2% de fibras de aço curtas e longas apresentaram resultados extremamente melhores para ambos os ensaios. As fibras foram comparadas em termos de resiliência, tenacidade, tensão residual, entre outros aspectos. Vale ressaltar que todos os percentuais de todas as fibras apresentaram melhoras significativas para os termos citados, e todas foram gradativamente superiores. Em outras palavras, o desempenho é aumentado para uma maior quantidade de fibras. Referências 1 - Bentur A, Mindess S. Fibre Reinforced Cementitious Composites. England: Elsevier Applied Science; Rambo S. Alan Dimas. CONCRETOS AUTOADENSÁVEIS REFORÇADOS COM FIBRAS DE AÇO HÍBRIDAS: ASPECTOS MATERIAIS E ESTRUTURAIS f. Tese (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2012