Investigação experimental das propriedades mecânicas de compósitos de concreto com adições híbridas de fibras

Abstract

Com a consolidação e difusão da tecnologia do concreto armado, empregada em construções das mais variadas naturezas, o desempenho das obras passou a depender diretamente da qualidade e propriedade dos seus materiais integrantes, o que gerou a necessidade e justificou os esforços envolvidos na avaliação de suas características e na melhoria de sua capacidade. A necessidade de compensar a nítida deficiência que o concreto apresenta com seu comportamento frágil e na sua baixa capacidade de deformação é a principal razão pela qual foi indispensável à incorporação de reforços. No entanto, as convencionais armaduras principais são incapazes de controlar a fissuração localizada, o que pode comprometer a durabilidade do material. Portanto, o desafio atual consiste em melhorar seu desempenho a tração de forma a distribuir essa capacidade resistente por todo o material, ao longo de todas as suas fases. Uma das soluções mais aventadas e promissoras de melhorar o desempenho deficiente à tração consiste na adição de fibras, misturadas ainda no estado fresco, com uma distribuição aleatória ao longo do volume, possibilitando a obtenção de um compósito com propriedades mais isotrópicas, bem como a promoção de efeitos positivos, a exemplo do ganho de resistência à ruptura, redução das deformações, o controle do processo de fissuração em diferentes níveis de tamanho (micro, meso e macro) em distintas zonas do concreto e, consequentemente, o aumento da durabilidade da estrutura. Dada a importância do tema e as possibilidades de melhoria levantadas, essa pesquisa visa colaborar com estudos envolvendo diferentes tipos de fibras no concreto e os diversos papéis que elas podem exercer. Contribuir nessa ideia de consorciar fibras com distintas características - misturas híbridas - é a principal motivação do presente trabalho, que tem como objetivo, explorar as proporções e combinações de fibras e entender como afetam as propriedades do compósito resultante, visando obter o desempenho mais adequado tanto antes quanto após a fissuração. Deste modo, o caráter inovador e o interesse associado a esse estudo estão diretamente ligados à realização de um programa experimental, para a geração de modelos de comportamento confiáveis, visando à previsão de caracterização mecânica e estabelecimento de parâmetros de seleção de fibras, bem como a futura implementação de leis constitutivas em simulações numéricas. Os resultados obedecem ao procedimento cuja metodologia prevê a investigação de combinações binárias e terciárias de fibras de aço, de polipropileno e carbono - com teores totais investigados de 0,6%, 0,8% e 1,15% de volume com relação ao concreto - comparando o desempenho dos compósitos resultantes, em relação ao concreto simples cuja resistência à compressão nominal (fc28) é de 25 MPa. Nas análises foram avaliadas as particularidades das misturas no estado fresco e, para o estado endurecido, as prescrições das normas ABNT NBR 5739:1994, ABNT NBR 7222:1994, JSCE SF4 (1984) e RILEM TC 162 TDF. Por fim foi efetuada uma análise da habilidade dos modelos propostos em reproduzir os valores experimentais, com vistas à consideração do efeito da hibridização das fibras na mistura e os resultados mostraram que a efetiva participação das fibras metálicas e prudente combinação com as fibras sintéticas contribuem positivamente no desempenho do CRF, onde o ganho na resistência à flexão pode assumir valores, aproximadamente, na faixa de 50 a 90%, dependendo do teor total de fibras e a combinação entre elas, sem que haja a ocorrência de problemas no processo de produção.

With the consolidation and dissemination of reinforced concrete technology, used in the most varied nature’s buildings, the performance of works came to depend directly on the quality and property of the used materials, which made it necessary and justified the involved efforts in assessing their features and in the improvement of its capacity. The need to compensate the clear deficiency that the concrete has with its brittle behavior and its low deformation capacity is the main reason why it was indispensable to incorporate reinforcements.However, the conventional main reinforcement were unable to control localized cracking, which may impair material durability. Therefore, the current challenge is to improve their performance traction to distribute the load capacity throughout the material, through all its phases. One of the most suggested and promising solutions to improve the poor tensile performance consists in the addition of fibers mixed into it still fresh, with a random distribution throughout the volume, making it possible to obtain a composite having more isotropic properties, as well as promoting positive effects, such as the gain resistance to breakage, reduced deformation, the control of the cracking process in different size levels (micro, meso and macro) in different zones of the concrete and, consequently, increase the durability of the structure. Given the importance of the topic and the possibilities for improvement raised, this research attempts to cooperate with studies involving different types of fibers in the concrete and the various roles it can play. Contribute to the idea of consorting fibers with different characteristics -hybrid mixtures -is the main motivation of this work, which aims to explore the proportions and fiber combinations and understand how they affect the properties of the resulting composite in order to obtain the most appropriate performance before or after cracking. Thus, the innovative nature and interest associated with this study is linked directly to the implementation of an experimental program to generate reliable role models, aiming to predict the mechanical characterization and establishment of fiber selection parameters and the future implementation of constitutive laws in numerical simulations. The results comply with the methodology procedure for the research of binary and tertiary combinations of steel fibers, polypropylene and carbon - investigated with total concentration of 0.6%, 0.8% and 1.15% volume with respect to the concrete - comparing the performance of the resulting composite relative to plain concrete whose compression at the nominal resistance (fc28) is 25 MPa. In the analysis we evaluated the characteristics of the mixtures in the fresh state and, to the hardened state, the required standards ABNT NBR 5739:1994, ABNT NBR 7222:1994, JSCE SF4 (1984) e RILEM TC 162 TDF. Finally an analysis was made of the ability of the proposed models to reproduce the experimental values with a view to the consideration of the effect of hybridization of the fibers in the mix and the results showed that the effective participation of metallic fibers and prudent combination with synthetic fibers contribute positively in performance of CRF, where the gain on the flexural strength can assume values approximately in the range of 50 to 90% depending on the total fiber content and the combination of them, without the occurrence of problems in the production process.