Avaliação do comportamento mecânico de um ECC (Engineered Cementitious Composites) com fibras de polipropileno no recapeamento de pavimentos

Abstract

O Engineered Cementitious Composite ou ECC é um compósito cimentício de elevada capacidade de deformação, concebido na Universidade de Michigan. Constituído por agregados miúdos, cimento e fibras, o compósito apresenta elevada ductilidade associada com a capacidade de gerar microfissuras quando submetido a carregamentos, num comportamento conhecido como strain-hardening. As pesquisas previamente desenvolvidas no Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais (LEME) da UFRGS objetivaram caracterizar um ECC adaptado aos materiais do Brasil, adicionando-se fibras de polipropileno na elaboração do compósito, e estudando-se alternativas para a substituição parcial de cimento. Na pesquisa aqui relatada, adotou-se o traço de referência definido previamente (ECCRef) e também foi utilizado um traço alternativo com 30% (em volume) de cinza de casca de arroz moída por 4 horas, em substituição parcial do cimento (ECCCCA). A pesquisa foi dividida em duas abordagens. A primeira consistiu na caracterização das propriedades mecânica dos traços em laboratório com a realização de ensaios de resistência à tração na flexão, à compressão simples, avaliação da aderência por cisalhamento direto e da trabalhabilidade, bem como ensaios de fadiga em viga quatro pontos. Em ensaios monotônicos o ECCCCA apresentou uma resistência à tração na flexão média (ft,f) de 8,2 MPa e resistência à compressão simples média (fc) de 50 MPa; já o ECCRef teve valores médios de 6,8 MPa e 36 MPa, respetivamente. Nos ensaios de aderência obtiveram-se resistências ao cisalhamento de 2050 kPa (ECCCCA) e 1900 kPa (ECCRef) A avaliação da trabalhabilidade permitiu estabelecer critérios para aprimorar o processo de mistura e manuseio do material em estado fresco, desta forma obteve-se adequada trabalhabilidade no ensaio de flow table, que aumentou de 44 para 90, possibilitando a utilização de betoneiras de tombo e obter os volumes de material necessários. Com os resultados dos ensaios dinâmicos foram estabelecidos modelos de fadiga em termos da deformação específica de extensão inicial (εti), deformação específica de extensão inicial normalizada (ti/εtP) e tração inicial (σti), assim como da energia dissipada (DE), igualmente foi possível estudar o processo de degradação dos compósitos. A segunda abordagem da pesquisa consistiu na realização de ensaios em verdadeira grandeza, com a utilização do simulador de tráfego do Laboratório de Pavimentação (LAPAV). Foram construídos dois recapeamentos (de 50 e 30 mm de espessura) sobre pavimentos flexíveis que apresentavam idêntico padrão de trincamento. Em cada recapeamento foram aplicados 100 mil ciclos da carga de semi-eixo de 5,5 toneladas. Foram acompanhados, visualmente, o surgimento e evolução de fissuras e outras manifestações patológicas, bem como o desgaste superficial, por meio dos ensaios de Pêndulo Britânico e Altura de Mancha de Areia. Após o fim do tráfego, foram serradas placas das seções trafegadas para verificar a propagação das fissuras e a aderência entre o compósito e o pavimento. Concluiu-se que o controle de qualidade na mistura é fundamental para garantir a qualidade da superfície. Além disso, percebeu-se que a aparição de fissuras está associada com possíveis problemas de aderência ECC-pavimento asfáltico, e em menor escala reflexão de fissuras. Globalmente, constatou-se que é possível produzir ECC’s com materiais disponíveis no estado e que este material pode ser aplicado na restauração de pavimentos.

Engineered Cementitious Composite or ECC is a material with a high deformation capacity, designed at the University of Michigan. Composed of fine aggregates, cement and fibres, the composite presents high ductility associated with the ability to generate microcracks when loaded, in a behavior known as strain-hardening. The research previously developed in the Laboratory of Structural Models and Tests (LEME) of UFRGS aimed to characterize an ECC adapted to the materials of Brazil, adding polypropylene fibres in the preparation of the composite, and studying alternatives for the partial replacement of cement. In the research reported here, the previously defined reference mix proportion (ECCRef) was adopted and an alternative mix proportion was used with 30% (by volume) of unprocessed rice-husk ash grinded for 4 hours, in partial replacement of the cement (ECCCCA). The research was divided into two approaches. The first one consisted in the characterization of the mechanical properties of the ECC’s in the laboratory with the execution of tests of flexural behavior and compressive strength, evaluation of adhesion by direct shear tests and the workability, as well as fatigue tests in four point configuration. In monotonic tests ECCCCA showed a resistance to flexural strength of 8.2 MPa and average compression strength of 50 MPa; ECCRef had mean values of 6.8 MPa and 36 MPa, respectively. In the adhesion tests, shear strengths of 2050 kPa (ECCCCA) and 1900 kPa (ECCRef) were obtained The evaluation of the workability allowed for the determination of criteria to improve the process of mixing and handling of the material in fresh state, in this way, adequate workability was obtained in the flow table test, which increased from 44 to 90, permitting the use of concrete mixer machines and to obtain the required volumes of material. With the results of the dynamic tests, fatigue models were stipulated in terms of initial tensile strain (εti), normalized initial tensile strain (ti/εtP) and initial traction (σti), as well as the dissipated energy (DE), it was also possible to study the process of degradation of the composites. The second approach of the research consisted in the accomplishment of tests in true greatness, with the use of the Accelerated Loading Facility of the Laboratory of Pavements (LAPAV). Two overlays (50 and 30 mm thick) were built over flexible pavements that had the same cracking pattern. At each overlay, 100 thousand cycles of the semi-axle load of 5.5 tons were applied. The appearance and evolution of cracks and other pathologies were monitored visually, as well as surface wear through the British Pendulum and Sand Patch tests. After the end of the traffic simulator, plates of the trafficked sections were sawn to verify the propagation of the cracks and the adhesion between the composite and the pavement. It was concluded that the quality control in the mixture is fundamental to guarantee the quality of the surface. In addition, it was noticed that the appearance of cracks is associated with possible problems of adhesion ECC-asphalt pavement, and to a lesser extent reflective cracking. Overall, it has been found that it is possible to produce ECC's with Brazilian materials and the ECC can be applied in the restoration of pavements.

El ECC (Engineered Cementitious Composites) es un compósito cementicio de elevada capacidad de deformación desarrollado en la Universidad de Michigan. Conformado por agregados finos, cemento y fibras poliméricas, presenta una alta ductilidad asociada con la capacidad de generar microfisuras durante la aplicación de cargas, comportamiento conocido como strain-hardening. Las investigaciones previamente desarrolladas en el Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais (LEME) de la UFRGS se direccionaron para caracterizar un ECC adaptado a los materiales brasileros, utilizando fibras de polipropileno y estudiando alternativas para la sustitución parcial del cemento. En la presente investigación se adoptó el trazo de referencia definido previamente (ECCRef), también fue utilizado un trazo alternativo con 30% (en volumen) de ceniza de cáscara de arroz molida por 4 horas como substituto parcial del cemento (ECCCCA). La investigación fue dividida en dos abordajes. La primera consistió en la caracterización de las propiedades mecánicas en laboratorio con la realización de ensayos de resistencia a tracción por flexión e compresión simple, evaluación de la adherencia por corte directo y de la trabajabilidad, además de ensayos de fatiga en viga cuatro puntos. En ensayos monotónicos el ECCCCA presentó una resistencia a la tracción por flexión media (ft,f) de 8,2 MPa y resistencia a la compresión simple media (fc) de 50 MPa; ya el ECCRef tuvo valores medios de 6,8 MPa y 36 MPa, respectivamente. En los ensayos de adherencia se obtuvieron resistencias al corte de 2050 kPa (ECCCCA) y 1900 kPa (ECCRef). La evaluación de la trabajabilidad permitió establecer criterios para mejorar el proceso de mezcla y manipulación del material en estado fresco, de esa forma se obtuvo una adecuada trabajabilidad en el ensayo de flow table, que aumentó de 44 para 90, posibilitando la utilización de mezcladoras de tambor y la obtención de los volúmenes de material necesarios. Con los resultados de los ensayos dinámicos fueron establecidos modelos de fatiga en términos de la deformación específica de extensión inicial (εti), de la deformación específica de extensión inicial normalizada (ti/εtP), de la tracción inicial (σti) y de la energía disipada (DE), igualmente fue posible estudiar el proceso de degradación de los compósitos El segundo abordaje de la investigación consistió en la realización de ensayos en verdadera grandeza con la utilización del simulador de tráfico del Laboratório de Pavimentação (LAPAV). Fueron construidos dos recapeamentos (de 50 y 30 mm de altura) sobre pavimentos flexibles que presentaban idéntico patrón de fisuración. En cada recapeamento fueron aplicados 100 mil ciclos da carga de semi-eje de 5,5 toneladas. Fueron acompañados, visualmente, la aparición y evolución de fisuras y otras patologías, así como el desgaste superficial por medio de los ensayos de Péndulo Británico y Altura de Mancha de Arena. Una vez terminados los ciclos de carga, fueron extraídas placas de las secciones ensayadas para verificar la propagación de las fisuras y la adherencia entre el compósito y el pavimento. Se concluyó que el control de calidad durante el proceso de mezcla es fundamental para garantizar la calidad superficial. Además, fue percibido que la aparición de fisuras está asociada con posibles problemas de adherencia ECC-pavimento asfáltico y en menor escala reflexión de fisuras. Globalmente, se constató que es posible producir ECC’s con materiales disponibles a nivel local y que este material puede ser aplicado en la restauración de pavimentos.