Estudo do comportamento da aderência em elementos de concreto armado submetidos à corrosão e elevadas temperaturas

Abstract

O estudo do comportamento de aderência tem recebido grande atenção desde o final da década de 40, entretanto muitas incertezas persistem no que tange à definição do melhor método de ensaio e do desempenho esperado ao longo da vida útil de uma estrutura, especialmente quando a mesma está exposta a condições ambientais desfavoráveis. A corrosão da armadura e a degradação térmica devida à exposição a altas temperaturas são exemplos de situações onde ocorrem importantes modificações nas propriedades dos materiais envolvidos, tendo forte impacto no desempenho da aderência. Tendo em vista que esta é uma propriedade de fundamental importância para a adequada transferência de esforços e compatibilização de deformações entre o concreto e o aço, colaborando para um bom desempenho global da estrutura, o estudo destes efeitos é vital. Este trabalho propõe a elaboração de um modelo matemático que represente o comportamento de aderência de peças submetidas à corrosão de armadura e à exposição a elevadas temperaturas. Além disto, busca realizar uma comparação entre os resultados obtidos por três métodos distintos de ensaios. Para a elaboração do modelo matemático foram produzidos cps de concreto com diferentes resistências à compressão, nos quais foram inseridas barras de aço de distintos diâmetros, para capturar a influência destas variáveis independentes. A modelagem estatística utilizou o modelo cubo-estrela, com definição de 5 níveis de referência para as variáveis temperaturas de exposição (ambiente, 200°C, 400°C, 600°C e 800°C), taxa de corrosão (0, 3, 6, 9 e 12% de perda de massa) e diâmetro da barra (8, 12.5, 16, 20 e 25 mm); e de 3 níveis para a resistência do concreto (25, 45 e 65 MPa). A determinação do comportamento de aderência foi executada através de duas técnicas de ensaio, selecionadas dentre as várias descritas na literatura: o ensaio de arrancamento simples (pull-out test), recomendado pela RILEM (1973), e o ensaio de arrancamento excêntrico (cantilever bond test), proposto por KEMP ET AL (1968). Ambas se caracterizam por serem ensaios de arrancamento, entretanto a primeira apresenta somente tensões de tração e de compressão e a segunda apresenta, além das tensões de tração e compressão, as de cisalhamento e de flexão, gerando uma situação mais próxima do que ocorre em estruturas reais. Para permitir a comparação entre métodos de ensaio com filosofias diferentes, mais uma técnica foi selecionada, o ensaio de viga (beam test), também recomendado pela RILEM (1973). De acordo com a análise dos resultados, o ensaio de arrancamento simples e de viga fornecem, respectivamente, valores de tensão de aderência, cerca de, 70% e 150% superiores aos obtidos em ensaios de arrancamento excêntrico. Os dados indicam, ainda, que os efeitos de deterioração são extremamente importantes para avaliação do desempenho final da aderência. Percebe-se que, para temperaturas mais baixas, até aproximadamente 300°C, a temperatura não provoca alteração no desempenho da aderência, mas, a partir de 550°C, a redução é superior a 50%, para concretos de resistências elevadas (acima de 50 MPa). Já a corrosão apresenta comportamento diferenciado, resultando em um acréscimo de cerca de 17%, da tensão de aderência para baixas taxas de perda de massa e posterior perda de desempenho com o aumento desta.

The study of the bonding mechanism in reinforced concrete elements has received attention from researchers since the forties. Nonetheless, there are still doubts regarding test methods and long term performance, especially when the structure is subjected to aggressive environmental conditions. Rebar corrosion and thermal degradation due to exposure to high temperatures are important examples of instances when significant changes in material properties take place, resulting in alterations of bonding performance. The study of these effects are vital, given that bonding is a fundamental property to ensure the adequate transfer of tensile stresses and strains between concrete and the steel rebar, which ensures good structural behavior. The proposed research aims to generate a mathematical model to explain the bonding behavior of structural RC elements subject to chloride corrosion and exposure to fire conditions. Besides, it seeks to compare results obtained using 3 distinct test methods for bonding evaluation. To this end, concrete specimens with different compressive strengths (25, 45 e 65 MPa) were produced, and bars of various diameters (8, 12.5, 16, 20 e 25 mm) were inserted in them. A statistical approach was adopted to reduce the experimental matrix, using the cube-star model, with 5 reference levels for the variables temperature of exposure (laboratory, 200°C, 400°C, 600°C e 800°C), corrosion rates (0, 3, 6, 9 e 12% weight loss) and bar diameter; and 3 levels for the variable concrete compressive strength, as discussed above. The bonding resistance was determined using two test methods selected from the various methodologies discussed in the literature: the RILEM pull-out test (1973) and the cantilever bond test, proposed by KEMP ET AL in 1968. Both evaluate bonding stresses, but the second one introduces shear and bending forces that create a stress distribution more close to the one found in real concrete beams. In order to improve the comparison between test methods, another technique was used in the second part of the work. The chosen technique was the beam test recommended by RILEM in 1973. According of the test results the pull-out test and the beam test result, respectively, in bonding values 70% e 150% higher than the ones registered in the cantilever bond test. The data obtained indicates, also, that the deterioration effects are extremely important to evaluate the bonding performance. For lower exposure temperature, up to around 300°C, the bonding behavior is not affected by the heat. But when the temperature exceeds 550°C, the bonding loss is higher than 50%, for the concretes with higher compressive strength (> 50 MPa). The deterioration by corrosion improves slightly the bonding resistance (up to 20%) when corrosion rates are lower than 1.5%. However, when corrosion increases, the bonding capacity decreases quite rapidly.