Dentre os principais parâmetros de composição dos concretos com fibras, podem estar associados seguintes: (i) tipo e dimensões dos agregados, (ii) relação “agregados miúdos”/”agregados graúdos”, (iii) relação “volume de fibras”/”volume de concreto”, e (iv) o teor em aditivos. Ainda pode-se falar sobre as características da própria fibra, como por exemplo, se ela é do tipo “curta”, ou “longa”, “lisa” ou “rugosa”.
Conforme Rossi [1], o ponto de partida da dosagem pode ser compreendido como no que se diz: “Para uma dosagem em água e cimento fixadas, o concreto mais maleável é aquele que é o mais compacto, e o seu esqueleto mineral é ótimo”.
ROSSI [1] comenta que: “para os casos de concretos com fibras metálicas, constata-se que, quanto mais se aumenta o teor em fibras, mais se aumenta a relação “agregado miúdo”/”agregado graúdo”, assim como a quantidade da pasta de cimento”. Por isso, ele conclui que “as fibras metálicas aparentam desempenhar um papel similar aos dos agregados miúdos no esqueleto mineral dos concretos”. Outra coisa que os autores ressaltam é que, “o fato de se aumentar a quantidade de agregado miúdo implica em um aumento da porosidade do concreto, aumento este que deve ser compensado pela da pasta de cimento”.
Tudo isto deve estar ainda em acordo com as contingências que as fibras impõem ao concreto, em particular com relação à sua influência nas condições de mobilidade, interferindo diretamente sobre o agregado graúdo. Isto implica na necessidade de um “desconfinamento” interno para se prover a sua acomodação na estrutura.
Existe uma relação ideal entre a porcentagem do agregado miúdo e a do agregado graúdo, de modo a se poder aumentar a fluidez e o escoamento do concreto, do mesmo modo que existem condições impostas para com o teor em fibras, de modo que haja compatibilidade na formação de um bom esqueleto granular.
A definição de uma boa mistura com relação aos agregados é o primeiro
passo em um exercício de dosagem, e, uma vez que é estabelecida a proporção
entre os agregados, em função das condições de trabalhabilidade, as condições
de fluidez são ajustadas em função do teor de superplastificante e do volume da
pasta.
A Figura 1 ilustra a variação do comportamento do escoamento do concreto fresco em função da relação “agregado miúdo”/”agregado graúdo”. Ela mostra que existe um valor ótimo para esta relação. É obtida através de um ensaio realizado com um equipamento denominado por “maniabilimetro”, o qual avalia, o tempo de escoamento da mistura, sob condições padronizadas, em função da variação do teor dos agregados.
Figura 1: O tempo de escoamento para um concreto fresco em função da
relação agregado miúdo/agregado graúdo.
Percebe-se da Figura que a mobilidade da mistura tende a aumentar com a diminuição dos fatores de inércia e do atrito interno, conferidos pelo agregado graúdo, passando por um ponto ótimo, e então, ela vem a ser prejudicada em razão dos fatores do aumento da coesão interna, proporcionado pelo aumento do agregado miúdo.
Agora, se pode considerar o teor de saturação de fibras, o qual é aquele que não conduzirá mais a benefícios para o concreto, podendo, inclusive, atuar de modo desfavorável quando ultrapassado.
Do ponto de vista das relações que envolvem “comprimento de fibras” e “relações geométricas”, convém recordar que as fibras têm desempenhos coerentes com as suas dimensões; deve haver um comprimento mínimo para que esta atenda aos requisitos de ancoragem, e recomenda-se também, para o uso das fibras, que elas tenham comprimento igual ou superior ao dobro do diâmetro máximo do agregado (FIGUEIREDO, [2]), de modo que a eficácia seja perfeita. Neste sentido, se considera que para os casos em que o diâmetro máximo do agregado é pequeno, o comprimento da fibra poderá ser menor.
Uma variável associada à geometria e considerada importante para se definir
é o “fator fibras”. Este é definido como sendo a relação matemática entre o “comprimento
da fibra” e o “diâmetro da circunferência” que pode circunscrita na seção
transversal da fibra, conforme se mostra na Figura 2.
Figura 2: Fibra, indicando o comprimento, a circunferência circunscrita em sua seção transversal, e o Fator fibras
Esta variável combinada será bastante útil para definir aspectos
importantes das fibras tanto nos estados fresco como endurecidos.
Influência das fibras nas condições de trabalhabilidade
As fibras podem intervir nas condições de trabalhabilidade das misturas, em função do seu teor, da sua geometria e do módulo de elasticidade (FIGUEIREDO [2]). Podem causar bloqueios à mobilidade, afetando a fluidez. Em primeiro lugar pode-se considerar o efeito de superfície e de interação com a matriz, e ainda devido a esbeltez, e o grau de rigidez, o qual está relacionado com a deformação da fibra.
Para os casos de fibras longas, o estágio de saturação é alcançado com teor menor. A porcentagem de fibras para estes casos deve ser baixa de modo a se garantir a trabalhabilidade do concreto. Para o caso de fibras curtas, o aumento em seu teor pode conduzir aos seguintes resultados: (i) à diminuição da resistência mecânica causada pela heterogeneidade ao concreto; (ii) o aumento da resistência mecânica em razão em razão da ação de ajuda entre fibras, ou (iii) à uma estagnação da resistência mecânica em razão de se ter alcançado o ponto de saturação.
Para os casos de concretos vibrados, estudos mostram que a consistência
dos concretos varia em acordo com o teor de fibras e com o fator fibras. A
Figura 3 ilustra as influências destes fatores, conforme Figueiredo [2].
Com relação à ensaios de avaliação da trabalhabilidade, uma proposição é apresentada conforme Figueiredo {2. Este ensaio é normalizado como ASTMC995-94. Conforme a Figura 4, com a utilização de um cone de Abrams na posição invertida, e de um vibrador de imersão, o concreto é levado a passar pelo cone invertido.
Uma outra preocupação para o estado fresco é quanto a dispersão das fibras no concreto, pois elas podem estar aglomeradas, e contribuir para a formação de “ninhos”. Este problema pode ser decorrente da interação eletrostática entre as fibras, e deve ser percebido. Procedimentos na ordem de colocação de materiais e de mistura podem ser estudados para cada caso.
Influência das fibras e das configurações na resistência mecânica
Para a resistência mecânica, a qual é decorrente dos procedimentos de dosagem, esta poderá estar relacionada aos seguintes fatores:
-A relação agua/cimento, fator comum a todos os concretos.
-Configuração geométrica “fibras/concreto”, que, como dito, se traduz por um desconfinamento do concreto, o qual é corrigido pela adição maior em mistura de elementos mais finos.
-A dosagem em fibras, e o seu tipo.
Um aspecto importante é o da configuração dos esforços com relação às fibras. A Figura 5 ilustra duas configurações extremas: No primeiro caso os esforções estão disponibilizados como paralelos à direção de elongamento das fibras, e no segundo, em direção ortogonal ao elongamento. Uma direção intermediária poderia também ser considerada. No caso do esforço se dar no sentido ortogonal ao da direção das fibras se encontra a melhor condição para que a fibra possa atuar como ponte de transferência.
Figura 5: Influência da orientação das fibras e do esforço solicitante na resposta dos concretos com fibras
Aspectos que incidem na dosagem do concreto com fibras
Alguns aspectos podem ser ressaltados, com base em Figueiredo [2].
O impacto das fibras sobre o custo dos concretos. Isto implica na viabilidade técnica e econômica. Dosagens empíricas têm sido realizadas baseadas no consumo de fibras, e no nível de tensão a que o concreto estará submetido. Outros fatores poderiam ser as condições de saturação, e o nível de resistência mecãnica, para atender as exigências de desempenho mínimo de consumo adotado.
Do ponto de vista técnico, como já discutido aqui, busca-se a otimização da mistura de modo a poder atender às condições de trabalhabilidade. Busca-se um teor de argamassa de modo que as fibras possam ser incorporadas ao esqueleto granular. Quanto maior for o teor de fibras, maior será o teor de argamassa necessário para envolve-las.
Ao consumo de fibras busca-se correlacionar a variação das propriedades desejadas, como a tenacidade.
Um aspecto interessante, segundo Figueiredo [2], é que o ganho das propriedades, tais como a tenacidade, não é linear com relação a variação do teor de fibras, mas atende a modelos exponenciais e logaritmos.
O fator fibras também pode ser uma variável de controle.
Ao desempenho do concreto com fibras não se deve observar somente as
características das fibras, assim como o seu consumo, mas, também, quanto ao
tipo de matriz cimentícea, no sentido de se proporcionar as boas condições de
aderência e de ancoragem, e se garantir a funcionalidade.
Propriedades do concreto com fibras endurecido
Algumas questões de desempenho serão discutidas para o concreto endurecido, sendo que, não se deve deixar de considerar que estas propriedades não estão na somente na dependência do fato de que o concreto é dotado de fibras, mas de condições particulares relativas às características das fibras e da matriz do concreto.
Propriedades mecânicas
Procurará inicialmente discutir as propriedades mecânicas, com base no tipo de solicitações, buscando-se um paralelo com os casos dos concretos sem fibras, ou seja, na maneira em que a presença das fibras poderá influenciar.
Casos de esforços por compressão e tração
Segundo a compreensão clássica, para os casos do concreto, em geral, os mecanismos de ruptura em compressão dependem a princípio de eventos de ruptura por tração, em decorrência da atuação concomitante de solicitações de tração interna, resultantes da aplicação do esforço de compressão. A Figura 6 ilustra este fenômeno.
Figura 6: Mecanismos de aplicação de tensões internas e modo de ruptura
para concretos em ensaios de compressão, em razão da influência dos esforços de
tração interna no concreto.
Rossi {1] considera sobre a formação de fissuras obliquas, além das fissuras verticais, como um estágio mais avançado, e sendo muito mais ativas diante dos mecanismos de ruptura. O papel das fibras seria o de conter a formação de fissuras obliquas no concreto, e por conseguinte, impedir ou retardar a ruptura por tração interna.
Poderia então pensar que, com a adição de fibras ao concreto, aumentaria sempre a resistência mecânica aos esforços de tração e de compressão, quando comparadas com os casos dos concretos ordinários. As variações seriam função do tipo e do teor de fibras, e resultantes da melhoria das condições de resistência à tração, assim como da diminuição da fissuração.
Quanto a isso, o meio técnico pode apresentar diferentes compreensões, depoimentos, e resultados de experiências realizadas.
Segundo Rossi [1], a origem das fissuras de tração no concreto, ocorridas durante a compressão, seriam mais devido às tensões que se desenvolvem à nível da pasta de cimento endurecido, em decorrência da diferença de rigidez entre esta e a dos agregados. O fenômeno se passa em uma escala muito pequena, de maneira que não seria econômico o procedimento da utilização de fibras para conter este tipo de fissuração. Além disso, as fibras consistem em uma heterogeneidade a mais, de modo a poder contribuir potencialmente também para a formação de fissuras.
Ainda conforme Rossi [1], a matriz com fibras é geralmente mais fraca do que as de outras de mesma composição e condições de trabalhabilidade. Dentro do caso de esforços à compressão, pode-se notar uma melhora no nível global da resistência mecânica, mas, o autor questiona, se o “comportamento de estrutura” (relativo ao compósito concreto + fibras) mascara a verdadeira resistência mecânica do material. O autor considera que o fenômeno de melhoria global é menos relevante dentro dos casos de esforços à tração, ou, quando o nível de atrito entre as fissuras é bastante baixo.
Não obstante, pode-se apontar experiências apresentados em Bascoul et al
[3], que apresenta casos em que são compreendidas como melhorias do nível da
resistência à tração para concretos com adição de fibras, comparando-se com os
casos de concretos de mesma composição, sem a adição de fibras. Também Casanova
[4] apresenta o conceito de otimização da composição, para o caso de “fibrar”
uma composição. Neste caso, após a otimização da mistura, é possível de serem
encontrados valores mais elevados para o concreto com fibras, quando comparados
aos casos dos concretos sem fibras.
Casos de esforços por tração direta
Com relação aos esforços de tração direta e aos esforços de flexão, se
considera normalmente a elevação do pico de resistência, comparativamente aos
casos de concretos sem fibras, assim como a energia dispendida durante a
ruptura. A Figura 7 apresenta alguns resultas apresentados em Peifer [5]. A
área sob a curva esforço-deformação representa a energia absorvida durante a
ruptura, a qual é conhecida como “Tenacidade”.
A Figura 7, conforme Peifer [5], apresenta alguns resultados sobre a
"resistência residual após o pico", em ensaios de tração.
Para os casos apresentados, utilizou-se inicialmente dos mesmos volumes no reforço, dados por 0,8% de fibras, para fibras metálicas, com comprimentos de 15mm e de 30mm. Verifica-se que o desempenho se apresentou melhor para os casos de fibras de 30mm. Segundo o autor, isto pôde ter acontecido em decorrência de se ter requerido um valor mais elevado de energia dissipada durante o processo de fissuração do concreto. Por outro lado, para outra experiência, utilizando os teores de 0,5% de reforço de fibras de 30mm e de 60mm, o desempenho foi levemente melhor para os casos de 30mm. A isto se atribuiu como causa os efeitos da diminuição das condições de trabalhabilidade, quando se utilizou o mesmo tipo de matriz para os dois casos, sendo as fibras de 60mm em condição mais desfavorável.
Casos de esforços por flexão
Para os casos de esforços à flexão, a adição de fibras pode promover ao concreto o aumento das resistências máximas, e da ductilidade. O aumento da resistência após o pico é dado em razão de que as fibras que se colocam estrategicamente costurando as fissuras, e se constituindo em “pontes de transferência de esforços”. O processo de ruptura se desenvolve enquanto que ocorre a perda destas ligações, por meio da ruptura das fibras ou do seu arrancamento.
A Figura 8 ilustra os casos de um concreto com fibras e de concreto sem
fibras.
O valor do aumento da resistência de pico em flexão pode depender do nível de resistência do concreto e do teor de fibras incorporadas, além das propriedades elásticas das fibras. Considerando um esforço igual, uma fibra com alto módulo de elasticidade deverá perceber que houve uma fissura em estágios mais cedo do que aquela que apresente baixo módulo de elasticidade, ou que apresente o maior comprimento; ainda têm as suas condições de aderência.
Tendo em vista os diferentes tipos de respostas, têm-se considerado as fibras curtas recomendadas para conter as microfissuras, e as fibras longas para conter as macrofissuras.
Isto pode ser compreendido conforme a experiência de Alcantara [6], onde, se utilizou de fibras metálicas curtas de alta aderência, de 30mm, e de fibras longas de polipropileno, de 50mm.
No caso das fibras metálicas, as fibras contribuíram para o aumento do
pico de flexão; quando no início da fissuração as fibras atuaram como ponte de
transferência de esforços, vindo, após, a sofrer rupturas durante a sequência
do carregamento, em razão de suas altas aderências à matriz. Este comportamento
padrão é apresentado na Figura 9.
Para os casos de fibras de polipropileno, verificou-se que, quando no
início da abertura de fissura, estas fibras aparentemente ainda não haviam
“percebido que havia ocorrido uma fissura”, ainda não atuavam como ponte de
transferência de esforços. Por esta razão, não aumentaram o valor do pico de
flexão, contudo, para os maiores valores de abertura de fissura, notava-se que havia
uma oposição ao carregamento, requerendo uma grande energia de ruptura. Este
comportamento padrão é apresentado na Figura 10.
Figura 10: Padrão de comportamento encontrado para o caso de fibras de polipropileno.
Alcantara [6] procurou então otimizar o uso dos dois tipos de fibras: de “fibras curtas metálicas de alta aderência”, e “fibras de polipropileno”, de modo que da sinergia observou-se uma elevação do pico de flexão, e um prolongamento da ductilidade do material, conforme se verifica pela Figura 11.
Em se tratando de um mesmo teor e tipo de fibras, quanto à dimensão da
fibra, Peifer [5] considera a eficácia de fibras de 30mm melhor do que a 45mm,
no que concerne ao aumento da resistência à flexão, e a capacidade de
deformação após o pico de ruptura. Este comportamento é explicado pelo autor com
base nos aspectos de porosidade, da trabalhabilidade, e das condições de
lançamento, proporcionadas de modo mais favorável para os casos de fibras de 30
mm. O autor considera ainda que uma fibra de aço mais fina permite melhor
ligação de interface fibra-matriz, justificando-se que para um teor de fibras
« finas » de 0,6% em peso de materiais, existe a mesma eficácia que a
utilização de 2% de fibras « grossas », para um mesmo tipo de
concreto como matriz.
A energia dissipada na ruptura
A tenacidade dos materiais é definida como a energia dissipada ao longo do carregamento e ruptura dos materiais. Esta pode ser medida através da área sob a curva “força x deslocamento”. Graças ao aumento da resistência pós pico de ruptura, pode-se ver que para os concretos com adição de fibras, a energia dispensada é bem maior do que a dos casos dos concretos ordinários.
Outros tipos de solicitações
Outros esforços que podem ser considerados são os de cisalhamento, esforços cíclicos e esforços dinâmicos. No que concerne à resistência ao cisalhamento do concreto, geradas em decorrência dos esforços de flexão, Rossi [1] considera que o emprego de fibras pode melhorar o desempenho, de modo a se eliminar as armaduras tradicionais de cisalhamento.
Com relação aos esforços cíclicos, Houari et al [7] considera a resistência à flexão, sob esforços cíclicos, importantes para os casos de construções marinhas, pontes, aeroportos e outros. Conforme os autores, a eficácia do concreto com fibras para este tipo de situação depende sobretudo do tipo de fibra, e da sua dispersão na mistura. As fibras mais esbeltas e longas são mais adequadas para este tipo de situação.
Quanto ao comportamento dinâmico das estruturas, segundo Casanova [4], este é melhorado graças à energia que é consumida durante o arrancamento das fibras. O mesmo parecer é apresentado em Peifer [5], no sentido de que os danos provocados aos materiais, em decorrência dos esforços dinâmicos permanecem na superfície.
O Fenômeno de fluência
Com relação à fluência, pode-se considerar diferentes opiniões e critérios de julgamento. Casanova [4] considera que este fenômeno depende da redistribuição de esforços no interior da estrutura, assim como do tipo da matriz de concreto. Segundo a experiência deste autor, para os casos de concretos com adição de fibras e para os casos sem adição de fibras, que apresentam a mesma composição, a adição de fibras não contribuiu radicalmente para a variação quanto a este tipo de esforço.
Compreende-se deste autor que, para um concreto com adição de fibras, a sua otimização na composição pode ser um fator relevante quanto à melhoria na fluência. Ainda, dentro dos casos de baixos níveis de carregamento, próximo de 30% da resistência do material, as fibras não podem jogar com um papel importante de costura de fissuras, de modo a mostrar uma performance mais significativa quanto a este tipo de esforço.
A Figura 12, ilustrada a partir de Peifer [5], apresenta um caso de
deformação por fluência a partir de ensaios de flexão, para os casos de
concretos ordinários, com e sem a adição de 1,5% de fibras em volume. As curvas
mostram a comparação entre os dois tipos de concretos. O nível do carregamento
varia de 0,25Q, a 0,8Q, onde "Q" representa a carga de ruptura.
Pode-se observar que os benefícios da adição de fibras são percebidos tantos
para os níveis mais elevados de carregamento, como para os níveis mais baixos,
porém, a ação das fibras é percebida em prazo mais curto para os níveis de
carga ou de deformação mais elevados.
Figura 12: Influência da presença de fibras na fluência do concreto, conforme o nível de carregamento
Convém atentar, quantos aos aspectos da retração do concreto e do
processo de fluência. Os dois podem estar relacionados, porém, o fenômeno da
retração implica em deformações não orientadas do ponto de vista de
solicitações, ocorrendo de modo generalizado, e a deformação por fluência
depende da direção do esforço. Outro aspecto paralelo ao processo da fluência
para os concretos em geral, é o fenômeno da relaxação de tensões, quando
mantido um nível constante de deformação.
O fenômeno da retração nos concretos com adição de fibras
Os fenômenos de retração são geralmente provocados pela auto dessecação devido a hidratação, secagem por evaporação, e por origem térmica. Os fenômenos são ligados à pasta de cimento e ao esqueleto granular. Trabalhando-se com a pasta de cimento, segundo Casanova [4], existem resultados hoje de baixos valores de retração. O autor considera que, para se evitar resultados contraditórios sobre a avaliação dos fenômenos de retração, convém que se trabalhe com o concreto otimizado quanto à sua composição.
Bibliografia
[1] ROSSI. P. “Les bétons de fibres métalliques”. Paris, 1998, PONTS ET CHAUSSEES, 309p.
[2] FIGUEIREDO, A.D. Concreto com fibras. In : Concreto, ciência e tecnologia, 37, São Paulo, 2011, IBRACON, 1327-1365
[3] BASCOUL, A; FANUTZA, K; TOUMI, A. Evaluation des performances mécaniques d’un béton à haute performance micro-fibré: Aproche experimentale.
[4] CASANOVA, P. Bétons renforcés de fibres métalliques du matériau à la structure. Paris, 1996, LCPC, 203p.
[5] PEIFFER ,G. Mechanical effectiveness ribbon-shaped fibres when used in fibres reinforced concrete. CR-PAM (Centre de Recherches de Pont à Mousson). 1991, np
[6] ALCANTARA, M. Betons auto-plaçants et fibrages hybrides: composition, rheologie et comportement mécanique, Toulouse, 2004, INSA, 190p. (thése)
[7] HOUARI, H; DEBICKI, P; CLASTRES, P; Behavior of concrete reinforced with metal fibres, under cyclic loading. The Second International Symposium TEXTILES COMPOSITES IN BUILDING CONSTRUCTION, 1992, Lyon.
