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CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
Mariane Caroline de Araujo Braz^1 Felipe Bomfim Cavalcante do Nascimento^2 Engenharia Civil ISSN IMPRESSO 1980- ISSN ELETRÔNICO 2357-
RESUMO
O foco do presente trabalho é o concreto reforçado com fibras de aço. Desta forma, este artigo tem por finalidade apresentar essa tecnologia, que mesmo estando presente na construção civil desde 1960 ainda não é muito conhecida; suas vantagens em relação ao concreto convencional, que dentre as principais está o aumento na resistência mecânica de tração e no controle de uma das maiores patologias desse material – a fissuração; os principais condicionantes que garantem o bom desempenho do CRFA e explicar como ocorre a interação entre a matriz-fibra. O estudo apontou que a diferença do custo entre o concreto com fibras e o concreto convencional não é grande, visto que a mistura, o transporte e lançamento do concreto não muda com a incorporação de fibras e a espes- sura de uma laje de CRFA projetada para um dado carregamento, por exemplo, pode ser substancialmente reduzida, tornando assim insignificante a diferença total no primeiro custo. Entretanto, concluiu-se que esse satisfatório custo-benefício somente é possível em obras de grande porte como: concreto projetado para túneis, pavimentos, tubos de esgoto e outros. Para alcançar esse objetivo, utilizou-se uma revisão bibliográfica, reali- zada a partir de diferentes fontes tais como: livros, artigos científicos e monografias.
PALAVRAS-CHAVE
Concreto Reforçado com Fibras. Tração. Fissuração. Vantagens. Concreto Convencional.
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ABSTRACT
The focus of this work is reinforced concrete with steel fibers. Thus, this article aims to present this technology, even being present in construction since 1960 is still not well known; its advantages compared to conventional concrete, which is among the main increase in the strength of traction and control of a major pathologies such material
- the craking; the main conditions that guarantee the performance of the CRFA and explain how the interaction occurs between the matrix-fiber. The study showed that the difference in cost between the concrete with fibers and conventional concrete is not great, since the mixing, transport and placing of concrete does not change with the addition of fiber and the thickness of a CRFA slab designed for a given load, for example, can be substantially reduced, thus making insignificant the total difference in the first charge. However, it was concluded that satisfactory cost-benefit is possible only in major projects such as shotcrete for tunnels, pavements, drainage pipes and others. To achieve this goal, we used a literature review, performed from different sources such as books, scientific articles and monographs.
KEYWORDS
Reinforced Concrete with Fibers. Traction. Cracking. Advantages. Conventional Concrete.
1 INTRODUÇÃO
O concreto convencional formado por aglomerante, agregados naturais, água e aditivos é hoje o material mais utilizado na construção civil. Conforme Figueiredo (2011) isso é devido ao baixo custo e a capacidade de se acomodar a distintas condições de produção. Entretanto, o mesmo ainda possui algumas deficiências como a dificuldade de ocupar totalmente peças esbeltas muito armadas, baixa ductilidade, retração plástica e permeabilidade em ambientes úmidos, que originam várias patologias. A ameniza- ção ou extinção destas carências viraram o foco de pesquisa de vários especialistas, o que resultou no surgimento, ao longo dos anos, dos chamados concretos especiais, os quais trouxeram alguns avanços em relação ao concreto convencional. Os concretos especiais podem ser definidos como materiais de características específicas devido ao aprimoramento da tecnologia, que melhorou as deficiências do concreto tradicional ou incorporou propriedades não inerentes a este material, além de atender particularidades de cada obra, com produtos para serem empregados em locais/condições em que o concreto convencional não pode ser aplicado (FIGUEIRE- DO ET AL., 2004). Desta forma foram desenvolvidos vários tipos os concretos leves, de alto desempenho, autoadensável, massa, pesado, rolado, com retração compensada, com polímeros, fibras e outros.
46 | Cadernos de Graduação da retração hidráulica o material segundo Góis (2010, p. 63) regularmente contém muitas microfissuras na zona de transição entre a matriz e os agregados graúdos, e pouca energia é necessária para que ocorra o aumento destas fissuras. As fibras quando são adicionadas em módulo e quantidade (teor) apropriada minimizam esse comportamento frágil. No interior do concreto, tensões originadas pelos esforços sobre a estrutura, se propagam e de acordo com Figueiredo (2000), quando o concreto simples apresenta uma fissura, a mesma irá representar uma barreira à propagação dessas tensões. Nesse momento, a tensão que anteriormente cruzava aquele segmento contornará seu per- curso para outra região que permita a sua propagação, ou melhor, passam a se concen- trar na extremidade da fissura provocando um crescimento incontrolado da mesma, onde, no momento em que esta força mecânica vence a resistência da matriz, ocorrerá o rompimento abrupto do material (BARROS, 2009, p. 48), como mostra a Figura 1. Figura 1 – Esquema da concentração de tensões para concreto sem reforço de fibras Fonte: Barros (2009, p. 48).
No caso do concreto com adição de fibras, ocorre o retardamento no alar-
gamento dessa doença estrutural. As fibras agem como pontes de ligação, trans-
ferindo as solicitações de um lado a outro da matriz e minimizando as tensões
nas extremidades das fissuras (GOIS, 2010, p. 63), conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 – Esquema da concentração de tensões para concreto com reforço de fibras Fonte: Barros (2009, p. 48).
Cadernos de Graduação | 47 Com isto, a rapidez de propagação dessas patologias no concreto é bastante reduzida, pois é necessária uma quantidade maior de energia para o crescimento das mesmas e o material passa a ter um comportamento pseudo-dúctil. Watanabe (2008, p. 134) afirma que: Se as fibras forem suficientemente resistentes, bem aderidas à matriz cimentícia, e em bastante quantidade, elas ajudarão a manter pequena a abertura das fissuras. Permitirão ao CRF resistir a tensões de tração bem elevadas, com uma grande capacidade de deformação no estágio pós-fissuração (o chamado “strain softening”). Além de serem muito eficientes no controle da fissuração do concreto, as fibras metálicas contribuem para aprimorar algumas propriedades mecânicas, pois de acordo com Johnston (1994), as fibras em uma matriz cimentícia podem, em geral, ter dois efei- tos importantes. Primeiro, elas tendem a reforçar o compósito sobre todos os modos de carregamento que induzem a tração, isto é, retração restringida, tração direta ou na flexão e cisalhamento. Secundariamente, as fibras melhoram a ductibilidade e a tenacidade, re- sistência ao cisalhamento, à torção e à fadiga em comparação ao concreto convencional. É necessário salientar que as fibras não substituem o reforço convencional, pois estes elementos realizam papeis distintos na matriz do concreto. Há algumas aplica- ções onde ambas são empregadas para elevar o desempenho das estruturas.
2.1 Principais condicionantes que garantem o desempenho do CRFA
O desempenho dos compósitos reforçados com fibras é controlado principal- mente pelo teor das fibras, pelo seu fator de forma, pelas suas propriedades físicas e da matriz e pela aderência entre as duas fases (HANNANT, 1994). Por definição, as propriedades mecânicas da mistura heterogênea dependem do teor de fibras que são incorporadas no material, visto que estas formam o com- ponente estrutural. Em princípio, quanto maior for esse teor, melhor será o desempe- nho, pois maior será o número de fibras que interceptará cada microfissura, evitando assim a propagação das mesmas (GARCEZ, 2006). Quando se utiliza baixos teores, ocorrem mudanças principalmente no comportamento plástico e na tenacidade do compósito, expressos pelo alongamento da curva Tensão x Deformação. Com a utili- zação de altos teores essa curva (Tensão x Deformação) alonga-se em níveis maiores e no estágio da pós-fissuração o valor da resistência à tração pode passar a superar o encontrado na pré-fissuração da matriz cimentícia. Já o fator de forma trata-se da relação entre o comprimento e o diâmetro da circunferência virtual da fibra, cuja área seria equivalente à seção transversal da mes-
Cadernos de Graduação | 49 aprisionado. Os vazios de ar aprisionado, que na maioria das vezes são causados por deficiência nas dosagens e escolha dos materiais, são nefastos à qualidade final do concreto. Já as bolhas de ar incorporado substituem parte do agregado miúdo com as seguintes vantagens: possui melhor coeficiente de forma, é elástico e movimenta- -se sem atrito, diminuem a porcentagem de vazios acidentais e irregulares, aumenta a coesão, diminui a exsudação, impede a sedimentação e obtura a passagem de água, diminuindo os vazios capilares. A desvantagem do ar incorporado é que, se com o aumento do seu teor não houve uma redução do consumo de água no concreto, a resistência mecânica do mesmo diminui proporcionalmente (SANTANA, 2008). Segundo a Realmix (2010), os concretos convencionais devido ao processo de mistura contêm cerca de 1 a 3% do seu volume em ar aprisionado, nos concretos pro- duzidos em centrais, este percentual pode chegar à ordem de 4%. O intuito da utiliza- ção de aditivos incorporadores de ar ao concreto é gerar pequenas bolhas, distintas destas macro-bolhas anteriores, pois estas contribuir muito para a trabalhabilidade do concreto, sem necessariamente trazer reduções de resistências. O teor de ar é um tema de extrema importância no desempenho do CRFA. No que se refere à compressão, alguns autores afirmam que a fibra produz um pequeno, nenhum aumento ou até um decréscimo na resistência à compressão do CRFA. Segundo Bentur e Mindess (2007) o objetivo da adição de fibras ao concreto não é alterar a resistência à compressão do mesmo e o decréscimo pode não ser devido à adição de fibras ao concreto e sim à adição de mais água para aumentar a trabalhabilidade do mesmo. Contudo, um estudo realizado por Williamson ( APUD ACI 544.4R-88) observou um acréscimo de 23% resistência a compressão para um concreto com 2% de teor de fibras, no qual foram ensaiados corpos-de-prova cilíndricos de concreto com dimensão máxima do agregado de 19 mm e fibras com um fator de forma de 100. De forma distinta, na resistência a tração direta ou indireta os aumentos são mui- to consideráveis, visto que esse é um dos principais objetivos da adição. Como outrora afirmou Góis (2010, p. 53) O comportamento a tração do concreto reforçado com fibras é fortemente influenciado pela presença das mesmas, especialmente na fase de pós- -fissuração. Entretanto essa propriedade esta sujeita a alguns condicionantes, dentre eles o volume de fibras aplicado. Somente utilizando elevadas dosagens (cerca de 1,5% a 2% ou superiores em volume) podem ser obtidos incrementos relevantes. Além do teor e do fator forma da fibra há outros parâmetros relevantes que in- fluenciam na resistência de tração dos compósitos, como a geometria da fibra, forma da ligação entre a fibra e a matriz de concreto e o processo de mistura adotado. Um volume de 5% de fibras lisas e retas de aço orientadas na direção da tração pode acarretar um aumento nessa resistência de até 130%. Para uma distribuição
50 | Cadernos de Graduação aleatória das fibras, o aumento é mais moderado, atingindo valores em torno de 60% para um teor de 5% de fibras (BENTUR; MINDESS, 2007). Outro fator determinante do comportamento final do compósito é a elastici- dade da fibra (Tanesi e Agopyan, 1997). As fibras de aço possuem módulo de elasti- cidade que podem ser considerado alto, com isso no instante que a matriz se rompe originando as fissuras e transferindo a tensão para a fibra, esta apresentará uma boa capacidade de reforço após a fissuração, não permitindo grandes deformações do compósito nem a elevação da fissura mantendo o conjunto estável. Toledo e outros autores (2008) analisou o comportamento do concreto reforçado e concluiu que a boa dispersão das fibras de aço na matriz permitiu acréscimo no valor do módulo de elasticidade dos compósitos quando reforçado com 2% de fibras.
2.2 DESVANTAGENS E VANTAGENS DO CRFA EM RELAÇÃO AO CONCRETO
CONVENCIONAL
Com base em todos estes fatores apresentado percebe-se que uma grande des- vantagem do CRFA é a trabalhabilidade. Como afirmam Mehta e Monteiro (2014, p. 561) É bem conhecido que a adição de qualquer tipo de fibra em concreto convencional reduz a trabalhabilidade. Independente do tipo de fibra, a perda da trabalhabilidade é consideravelmente proporcional ao volume de concentração de fibras no concreto [...] Geralmente, o requisito de trabalhabilidade adequada de mistura contendo fibras pode ser alcançado com o uso de ar incorporado, aditivos plastificantes, maior quantidade de pasta de cimento (com ou sem pozolana), e uso de fibras coladas em conjunto. A redução desse importante condicionante de produtividade é motivada pelo fator de forma e pela geometria da fibra, pela fração volumétrica adicionada, pelo traço do concreto, pela granulométrica do agregado e pela aderência das fibras com a matriz. Geralmente, fibras longas e em altos teores tendem a reduzir mais a tra- balhabilidade. Esses concretos produzidos de forma convencional apresentam difícil dispersão das fibras, podendo-se observar o agrupamento de fibras e consequen- temente a formação de novelos. Neste contexto, a produção de concretos fluidos reforçados com fibras propicia a combinação do desempenho mecânico fornecido pelas fibras com uma boa dispersão das mesmas, pela fluidez obtida nos concretos (VELASCO, 2008; MARANGON, 2006). Segundo Mehta e Monteiro (2014, p. 562) com a utilização de moderno super- plastificantes à base de acrílico tem sido possível desenvolver concreto autoadensá- vel reforçado com fibras de aço, visto que devido à alta trabalhabilidade, o concreto
52 | Cadernos de Graduação lançamento, a vibração e a cura do concreto. Além da utilização de fibras em tama- nho, proporção e forma adequada. Diante dessa necessidade, de garantir a qualidade desse novo produto a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) publicou em 2007 a primeira norma brasileira sobre fibras de aço a NBR 15530: 2007 – Fibras de aço para concreto – Especificação. A mesma estabelece parâmetros para a classificação das fibras de aço com baixo teor de carbono e dispõe sobre os requisitos mínimos de forma geométrica, tolerâncias dimensionais, defeitos de fabricação, resistência à tração e dobramento. Procura-se garantir que o produto fornecido em conformidade com estes requisitos tenha potencial para proporcionar um desempenho adequado ao concreto reforça- do com fibras de aço (CRFA). Na NBR 15530 (2007) são previstos na norma três tipos básicos de fibras em função de sua conformação geométrica: o Tipo A corresponde a fibra de aço com ancoragens nas extremidades; o Tipo C é referente fibra de aço corrugada; e Tipo R indica a fibra de aço reta. Além disso, existem três classes previstas para fibras de aço segundo esta nor- ma, as quais foram definidas segundo o aço que deu origem às mesmas: a Classe I refere-se à fibra oriunda de arame trefilado a frio; a Classe II indica a fibra oriunda de chapa laminada cortada a frio; e a Classe III corresponde a fibra oriunda de arame trefilado e escarificado (GÓIS, 2010, p. 39). Segundo Figueiredo e outros autores (2008), além dessa classificação possibili- tar o estabelecimento de requisitos mínimos que podem ser correlacionados com o comportamento final do CRFA, procurou-se também abranger a maioria das fibras de aço disponíveis no mercado nacional.
3 CONCLUSÃO
Diferente de outros campos da economia de forma geral a construção civil ainda é muito resistente ao que é novo o que explica o fato de uma tecnologia como o CRFA, a qual traz enormes vantagens ao setor ainda estar restringidas a três grupos de cons- trução: pavimentação, concreto projetado e pré-moldado. Mesmo assim, o emprego do concreto reforçado com fibras vem crescendo ao longo das últimas décadas. Essa tecnologia veio para suprir as deficiências do concreto convencional e se for corretamente preparada e aplicada trará enormes benefícios ao setor, visto que não apresentam muita distinção nas etapas de preparação do concreto convencional, exigindo apenas uma atenção especial na dosagem, lançamento e vibração. Como relatado o custo benéfico é muito satisfatório, entretanto presente ape- nas em obras de grande porte. Um grande empecilho é a diminuição na trabalhabi- lidade, importante condicionante da produtividade de uma obra, entretanto o mer-
Cadernos de Graduação | 53 cado já possui técnicas que a minimizam, como o concreto fluido reforçado com fibras de aço e superplastificantes. Percebeu-se que o seu uso é mais disseminado em países europeus principalmente devido à cultura. Contudo, o CRFA é uma ótima solução para países quentes como o Brasil, visto que a mudança de temperatura é um dos principais fatores da origem de fissuras.
REFERÊNCIA
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- Acadêmica do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário Tiradentes – UNIT. E-mail: mariane.carol@hotmail.com
- Docente do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário Tiradentes – UNIT. E-mail: bomfimfelipe@hotmail.com Data do recebimento: 09 de julho de 2015 Data de avaliação: 03 de agosto de 2015 Data de aceite: 15 de setembro de 2015
