Concretos especiais de nova geração
Marco Antônio de Morais Alcantara
As propriedades dos concretos com
fibras
As fibras apresentam as vantagens de melhorar as
propriedades mecânicas dos concretos, como por exemplo a resistência à fadiga,
e notadamente a ductilidade e a tenacidade. O concreto com fibras
é reconhecido também por seu comportamento com relação aos fenômenos de
retração Banthia e Yan [1].
Do ponto de vista do comportamento estrutural, conforme Khayat e Roussel [2] enumera-se as
vantagens do concreto com fibras no aumento da resistência ao cisalhamento em
vigas, na ductilidade de conexões vigas-pilares (os concretos com fibras são
recomendados para os casos de estruturas sujeitas à esforços sísmicos). O
concreto com fibras é recomendado para todos os casos de estruturas sujeitas a
deformações ao longo de sua vida util.
Ainda segundo Khayat e Roussel [2], as
construções em concreto com fibras permitem de realizar estruturas não armadas
onde o custo da mão de obra, e de outros encargos na concretagem, podem ser
minimizados.
O compósito concreto-fibras
A inclusão de fibras no concreto forma um compósito, onde a matriz é o
concreto. As propriedades do compósito são resultado de fatores diversos como
da natureza da matriz, da distribuição das fibras, a das condições de interface
entre a fibra e o concreto.
A utilização de fibras em matrizes de concreto pode ter dois objetivos:
fazer um reforço primário, ou secundário. O primeiro caso é o mesmo daquele da
utilização de argamassas com fibras; neste caso, o teor de fibras varia entre 5
a 20%. O segundo caso é aquele do concreto com fibras, onde geralmente a
porcentagem de fibras é limitada à 2% do volume total (BENTUR e MINDESS [3]).
As características químicas, físicas e mecânicas das fibras variam em
função da natureza do material (polimérica ou metálica, cristalina ou amorfa),
de suas geometrias, e de suas dimensões. Outras particularidades são a natureza
de sua superfície e a presença de meios de ancoragem à matriz.
A distribuição de fibras em uma matriz é variável. Elas podem estar
isoladas e dispersas na matriz, ou podem estar agrupadas fazendo vários tipos
de arranjos. A distribuição geométrica influi no espaçamento entre fibras,
orientação, e condições de interface.
A interface entre a superfície das fibras e a matriz é sempre marcada
por uma zona de transição, onde a pasta é menos rica em silicatos hidratados
com relação ao resto da matriz. Existe neste caso uma grande concentração de água e de cristais de hidróxido de sódio nesta região. As condições
determinantes sobre as condições de interface são o tipo de arranjo das fibras
e a natureza da matriz.
Os mecanismos de funcionamento do
par concreto-fibras
As fibras como inserção ao concreto: seu papel e interação.
As fibras envolvidas pelo concreto asseguram a transferência de esforços
que impedem o desenvolvimento de microfissuras ou de macrofissuras ao longo do
seu carregamento. A eficácia do seu funcionamento depende principalmente do
tipo de esforço, da porcentagem de fibras, de suas dimensões e de sua
resistência mecânica, e, sobretudo, do nível de carregamento. Os diferentes
tipos de fibras agem em função do estágio de carregamento imposto: as
microfibras que contém a microfissuração, e as macrofibras limitam a
macrofissuração.
Em função do nível de carregamento, e das condições de ancoragem,
pode-se ter: ou o deslocamento relativo da fibra com relação ao concreto, ou o
seu arrancamento. As fibras estão sujeitas à variação de tensão axial em decorrência
do carregamento e da posição, e de esforços resistentes de cisalhamento entre
elas e a matriz. A distribuição de esforços em uma fibra que está sujeita à um
esforço de arrancamento é ilustrada na Figura 1, elaborada conforme Bentur e Mindes [3].
Figura 1: Interação fibras-matriz. Esforço de arrancamento.
O histórico de carregamento pode ser compreendido conforme Bentur e Mindes [3]; existe dois estágios de comportamento durante o carregamento do concreto
com fibras. No início, as deformações são as mesmas tanto para as fibras como
para a matriz. O mecanismo de resistência é a transferência de esforços por
cisalhamento, o qual aumenta linearmente até se alcançar o estágio de
fissuração. Após este evento, e se o esforço de cisalhamento demandado é maior
do que a resistência de cisalhamento entre a fibra e a matriz, tau o mecanismo de
resistência principal se torna o atrito entre a fibra e a matriz, ao longo de
seu arrancamento. O valor da resistência permanece constante e igual a tfu . A Figura 2
mostra as etapas de comportamento ao longo do carregamento.
Figura 2: Estágios de resistência
do concreto com fibras. Evolução da tensão de aderência em função do nível de
carregamento
Um aspecto interessante é o comprimento de ancoragem de uma fibra.
Existe o comprimento de ancoragem critico de uma fibra em uma dada situação,
apresentado em Peiffer [4] e [5]. Se o comprimento de ancoragem da fibra à
matriz é menor do que o comprimento critico Lc, pode acontecer o deslocamento
relativo entre a fibra e a matriz, e, em caso contrário, se o comprimento de
ancoragem é maior do que Lc pode acontecer a ruptura da fibra (Figura 3). O
comprimento de ancoragem Lc pode ser calculado em função das características
geométricas da fibra, apresentados nas equações 1 e 2:
Para fibras de seção circular transversal circular:
Lc = su / ([ x (A/P)] (1)
Onde
su é a tensão última de ruptura à
tração da fibra;
t é a tensão de cisalhamento percebida entre a fibra e a matriz
A é área da seção transversal da fibra da fibra
P é o perímetro da seção transversal da fibra.
Para os casos de fibras retangulares de pequena espessura:
Lc = su /[t x 1/2e] ( 2)
Onde "e" é o valor da espessura da fibra.
Figura 3: Comprimento critico de ancoragem para os sistemas
fibras-matriz: situações onde pode ocorrer o arrancamento ou a ruptura da
matriz
O concreto com fibras sobre os
pontos de vista de comportamento de material e comportamento de estrutura
Rossi [6] descreve o comportamento do concreto tendo em vista a
fissuração do concreto (matriz), e das estruturas de concreto com fibras. Em
função do nível de fissuração imposto, dentro do caso de estruturas sujeitas à
esforços de tração, as microfissuras aparecem seguidas de suas conexões, e
formação de macrofissuras, até ao momento da ruptura. As fibras podem costurar
as microfissuras, retardando então a formação das macrofissuras; ou também
costurando as macrofissuras, assegurando a capacidade portante e a ductilidade
em escala de estrutura.
Dentro do caso de esforços à compressão, o processo de fissuração começa
através das microfissuras verticais, paralelas ao carregamento, seguidas de
seus alargamentos, e após, como consequência, inicia-se a formação de fissuras
oblíquas, as quais são mais sensíveis ao nível de comportamento de estrutura. O
papel das fibras é o de impedir o desenvolvimento de microfissuras, e assim,
retardando a formação de fissuras oblíquas, assegurando-se então a capacidade portante
da estrutura.
No mais, Rossi [6] apresenta que a ação das fibras é grandemente
influenciada por suas orientações e modos de aplicação de esforços. Dentro do
caso de fissuras provocadas por esforços de tração, as fissuras se abrem
segundo a direção normal com relação aos seus « lábios », e as fibras
trabalham em tração. Dentro dos casos de esforços à compressão, existem
movimentos tangenciais com relação aos lábios das fissuras, e as fibras são
fletidas, trabalhando sob condições menos favoráveis.
As condições ótimas de funcionamento
das fibras
As fibras devem apresentar dimensões compatíveis com os tipos de
fissuras, do nível de carregamento do concreto, e do diâmetro máximo dos
agregados. Para o caso de microfissuras, pode-se utilizar fibras curtas e em
maiores quantidades, enquanto que para os casos de macrofissuras, as fibras
podem ser de maiores dimensões e em menor quantidade por razões das condições
de trabalhabilidade. De modo a assegurar a costura da fissura deve-se utilizar
fibras com dimensões maiores do que o diâmetro máximo dos agregados.
Pode-se considerar a fibra quando em ação individual e quando em ação de
grupo das fibras. Segundo ROSSI [6], existe um teor mínimo de fibras de maneira
a haver a ação de ajuda de uma fibra com relação à outra, é um valor crítico
para a eficácia. Após um patamar onde o teor de fibras é eficaz, pode-se
alcançar um teor ótimo de fibras, pois a partir de então a zona de transição tende
a se tornar fraca, mesmo que a pasta seja rica, e a eficácia global se torna
reduzida.
Para caso de um compósito ideal, Peiffer [4] e [5] considera que o
comprimento ideal de uma fibra deve ser igual à duas vezes o comprimento de
ancoragem Lc, para que haja um bom comportamento mecânico do ponto de vista
arrancamento ou de ruptura da fibra; porém após este valor a eficácia não cresce
muito.
A Figura 4 ilustra o apresentado em Peiffer [4] e [5].
Figura 4: Eficácia do comprimento da fibra no compósito
A importância da resistência
mecânica e do modulo de elasticidade das fibras
Uma comparação é apresentada na Figura 5, a partir de Figueiredo [7]. Para
uma dada abertura de fissuras, observa-se que a fibra que apresenta maior valor
para o modulo de elasticidade e valor mais elevado de resistência mecânica,
pode apresentar uma resposta mais imediata com relação ao esforço demandado
para que ocorra o "comportamento de estrutura". A fibra que apresenta
valores menores tanto para a resistência mecânica, mas principalmente para o
modulo de elasticidade, precisa de um valor maior de deformação de modo à
apresentar o mesmo valor de tensão compatível com o da resistência da matriz
para se poder atuar como ponte.
Figura 5: Modelo de comportamento entre os casos de fibras apresentando
baixos valores de modulo de elasticidade, e de fibras de alto modulo de
elasticidade
Referências
[1] BANTHIA
N., YAN C. Shrinkage cracking in polyolefin fibrer-reinforced concrete. ACI
MATERIALS JOURNALS, 97-6, 2000, pp.432-437
[2] KHAYAT K.H., ROUSSEL Y. Testing and performance of
fiber-reinforced, self-consolidating concrete. . in : First RILEM International
symposium of self-compacting concrete. Stockolm, 1999, p. 509-521.
[3] BENTUR
A., MINDESS S. Fibre reinforced cementitious composites. New York, 1990,
ELSEVIER, 449p.
[4] PEIFFER G. Les composites à matrice cimentaire
renforcés de fibres FIBRAFLEX. CR-PAM(Centre de Recherches de Pont à Mousson).
1991, Documentation du Centre de recherche Ponts à Mousson .
[5] PEIFFER G. Mechanical effectiveness ribbon-shaped fibres
when used in fibres reinforced concrete. Centre de Recherches de Pont à
Mousson. 1991, Documentation du Centre de recherche Ponts à Mousson.
[6] ROSSI P. “Les bétons de
fibres métalliques”. Paris, 1998, PONTS ET CHAUSSEES, 309p.
[7] FIGUEREDO
A. D. Concreto com fibras de aço. São Paulo, 2000, Rapport BT/PCC/260
EPUSP-PCC, 66p.
