crf - concreto reforçado com fibras - mito e realidade

Concreto com fibras incorporadas.

Notas de aula Prof. Eduardo C. S. Thomaz pg. 1/13

CRF - Concreto Reforado com Fibras - Mito e Realidade

Resumo dos artigos do Prof. Sidney Mindess

Fibre Reinforced Concrete Myth and Reality Advances in Cement and

Concrete - ASME American Society of Civil Engineers 1994 Fiber reinforced concrete captulo 22 do livro Concrete- Prentice

Hall-2002

Concreto reforado com fibras ( CRF ) pode ser definido como um material feito com cimento Portland, agregados, e contendo fibras descontnuas misturadas. O Concreto Reforado com Fibras ( CRF ) vem sendo usado desde 1960. As fibras tm sido encaradas como uma panacia para todos os problemas que possam ser encontradas nas obras de concreto. Infelizmente, isso incorreto. Embora as fibras possam melhorar algumas das propriedades do concreto, o seu uso nunca resultar em um concreto sem fissuras. Em 1960 foram usadas fibras de asbestos misturadas ao cimento. Desde ento tm sido usados outros tipos de fibras como: ao, polipropileno, carbono, vidro, nylon, celulose, acrlico, polietileno, madeira, sisal, etc. As fibras mais usadas so as fibras de ao e as fibras de polipropileno. As fibras so usadas em lajes de concreto sobre o terreno ( 60 % ) , em concretos projetados ( 25 % ) e em pr-moldados ( 5% ) e outras aplicaes diversificadas. Algumas dessas fibras tm mdulo de elasticidade maior que o do concreto, outras tm mdulo de elasticidade menor que o do concreto. Porque deveramos usar fibras no concreto? Concreto simples, no armado, um material frgil, quebradio, com uma baixa resistncia trao e uma baixa capacidade de alongamento na trao. O papel das fibras descontnuas, distribudas aleatoriamente, o de atravessar as fissuras, que se formam no concreto, seja quando sob a ao de cargas externas ou quando sujeito a mudanas na temperatura ou na umidade do meio ambiente. As fibras provocam uma certa ductilidade aps a fissurao. Se as fibras forem suficientemente resistentes, bem aderidas matriz cimentcia, e em bastante quantidade, elas ajudaro a manter pequena a abertura das fissuras. Permitiro ao CRF resistir a tenses de trao bem elevadas, com uma grande capacidade de deformao no estgio ps-fissurao. (o chamado strain softening)



Infelizmente as fibras so imaginadas como sendo uma panacia para todos os problemas encontrados nas construes de concreto, pelo menos quando se l os prospectos dos fabricantes de fibras. Isso algumas vezes gera desapontamento entre os usurios quando as fibras no produzem um concreto sem fissuras. Embora as fibras possam de fato produzir melhorias no comportamento do concreto, devemos ser realistas quanto ao que realmente podemos esperar das fibras, principalmente se a quantidade de fibras for pequena, (menos de 1% em volume), como o caso geral. Como as fibras so relativamente caras, devemos estar preparados para responder pergunta : A mesma quantidade de dinheiro no poderia ser usada para colocar uma armadura adicional com barras, ou para escolher um trao melhor para a matriz cimentcia, ou para seguir melhores procedimentos de cura, etc. ? . Na breve reviso que segue, alguns dos mitos que envolvem o uso de fibras no concreto sero comparados com a prtica moderna do CRF. Mito No 1 : Fibras aumentam a resistncia do concreto. As fibras, por si s, tm pouco efeito nas propriedades mecnicas estticas, particularmente quando se usa pouca quantidade de fibras, como de praxe. A resistncia compresso, no aumenta mais que 25%, mesmo com grande volume de fibras de ao ( 2% em volume).

Fibras de polipropileno e fibras de carbono em grandes volumes, chegam a reduzir um pouco a resistncia do concreto, porque as fibras tendem a aumentar o volume de ar incorporado ao concreto durante a mistura.

2% fibras em volume

Sem fibras

compresso

3% fibras em volume



De um modo geral, as fibras :

no afetam muito a resistncia trao axial, embora, para grandes volumes de fibra, possa haver um aumento da resistncia trao de at 6%.

tm um grande efeito na resistncia trao na flexo. H relatos de aumento de mais que 100% na resistncia, para elevados teores de fibra.

tm pouco efeito na resistncia toro ou na resistncia ao cisalhamento. tm pouca influncia na resistncia abraso. so muito eficientes na melhoria das propriedades dinmicas do concreto. aumentam a resistncia fadiga do concreto. melhoram as propriedades do concreto sob a ao de cargas de impacto.

Existem, no entanto, outros modos, provavelmente mais baratos, de aumentar a resistncia do concreto. A real contribuio das fibras de aumentar a ductilidade do concreto. A ductilidade definida em funo da rea sob a curva Carga Flecha, em qualquer tipo de carregamento.

As fibras aumentam pouco a deformao na carga de pico. Aumentam muito a absoro de energia na parte ps-pico da curva Carga Flecha.

30 kg/m3 de fibras de ao

Sem fibras

Carga

Flecha

60 kg/m3 de fibras de ao



Mito No 2 : Fibras podem eliminar a fissurao no concreto. praticamente impossvel eliminar a fissurao no concreto, em especial a fissurao devida retrao. Essa fissurao uma caracterstica inerente matriz cimentcia, que fraca na trao, e que tem pouca capacidade de deformao na trao. O papel das fibras de reduzir a abertura das fissuras, por meio da ligao entre as duas bordas das fissuras. As fibras no reduzem a quantidade total das fissuras, e, sim, a abertura das fissuras que fica reduzida. Fibras de polipropileno, em um teor de 0,1 % em volume, so comercializadas como sendo uma garantia para a reduo da retrao plstica, retrao essa que ocorre nas primeiras 12 horas, antes que o concreto tenha desenvolvido muita resistncia. As fibras, realmente, so bastante efetivas nessa aplicao. Se, no entanto, for feito um trao correto e se forem tomados cuidados durante o lanamento do concreto, durante a vibrao do concreto e durante a cura do concreto, certamente sero obtidos resultados igualmente bons. Devido ao uso, na prtica, de baixos teores de fibras, elas no evitaro a fissurao causada pelas cargas atuantes. As aberturas das fissuras que sero reduzidas pelas fibras. Mito No 3 : Fibras reduzem grandemente a permeabilidade do concreto.

Em princpio, como as fibras ajudam a controlar a micro-fissurao e a macro-fissurao no concreto, elas deveriam reduzir a permeabilidade tambm. Isso realmente ocorre, tendo sido relatadas redues de at 80%. Infelizmente, isso no uma melhora significativa, como parece. Para que essa reduo fosse significativa, na prtica, ela deveria ser, pelo menos, de uma ordem de grandeza ( 10 vezes menor ) . Ver figura abaixo.

Pasta de cimento : T.C. Powers Journal ACI , Vol 51, No 3 1954 Concreto : Concrete Manual U.S.Bureau of Reclamation 1975



Mito No 4 : As fibras podem ser usadas para substituir as barras da armadura

de ao no concreto armado. Esse mito, que pode ser muito perigoso, devido falta de compreenso dos diferentes papis que as fibras e as barras da armadura desempenham no concreto armado. Barras da armadura ( longitudinais e estribos ) so colocadas em posies bem definidas nas estruturas, de modo a suportar foras de trao, cisalhamento e ocasionalmente de compresso. As fibras, sendo descontnuas e dispersas randomicamente na matriz do concreto, no so muito eficientes nesse objetivo. Embora as fibras possam ser usadas pra substituir algumas das armaduras de cisalhamento ( estribos ), a sua funo primeira a de controlar a fissurao da matriz do concreto. As fibras so efetivas nesse controle da fissurao porque elas so muito numerosas e porque elas esto pouco espaadas. O nmero de fibras que pode existir no concreto est mostrado nas tabelas adiante, para vrios tipos e volumes de fibras de reforo. As fibras devem ser vistas como um material complementar para ser usado junto com as barras convencionais de armadura. sabido que as propriedades de todos os tipos de estruturas em concreto armado melhoram com a presena de um volume suficiente de fibras de ao, de fibras de polipropileno, ou de outras fibras, tanto para cargas estticas quanto para carga dinmicas. Em estruturas de concreto armado contendo barras de ao e fibras, as fibras atuam de dois modos: 1- As fibras permitem que a resistncia trao do CRF seja usada no projeto, visto que a

matriz cimentcia no perder sua capacidade de carga ao surgir a primeira fissura. 2- As fibras melhoram a aderncia entre a matriz cimentcia e as barras da armadura, aps o incio da fissurao, impedindo o crescimento das fissuras que surgem quando as barras se alongam. Infelizmente, o CRF ainda no usado de modo corrente nas estruturas comuns, por duas razes:

As diversas normas ainda no reconhecem os efeitos benficos das fibras e ainda no existem normas para o CRF.

Ainda no existem mtodos de caracterizao das propriedades do CRF, que permitam aos calculistas utilizar as propriedades especiais do CRF.



Quantidade de fibras no concreto

Tipo de fibra Dimenses das fibras Densidade

relativa

Volume de

fibras ( %)

Teor de fibras

(kg/m3)

Nmero de fibras

por m3 de concreto

Comprimento das fibras

por m3 de concreto

Barras de ao Armadura

convencional

( referncia para comparao)

dimetro da barra

= 25mm

7,85 3 % 240 (teor alto) 61 61 m

Fibras de ao

( Catlogo Dramix )

L = 50mm

= 0,5 mm 7,85 1 % 80 1 106 50 km

Fibras de

Polipropileno

L = 25mm

= 0,018mm 0,9 0,1 % 0,9 157 10

6 4 000 km

Fibras de Carbono

As mais resistentes, porm as mais caras. Usadas em alguns tipos de pr-fabricados

L = 6mm = 0,018mm 1,70 3 % 48

19 600 106

118 000 km



Propriedades mecnicas das fibras mais usadas

Tipo de fibra Resistncia a

trao MPa

Mdulo de elasticidade

GPa

Alongamento ltimo

% Ao

1000 205 30 %

Polipropileno

140 a 700 3,5 a 4,8 15 %

Carbono

As mais resistentes, porm as mais caras. Usadas em alguns tipos de pr-fabricados.

2500 a 3000 380 0,5 a 0,7 %

Mito No 5 : Nas lajes, as fibras podem ser usadas para substituir as malhas

soldadas de ao. Aqui, o mito e a realidade esto muito prximos. Malhas soldadas so muito usadas em lajes sobre o solo ou em pavimentos, para reduzir a fissurao devida retrao e aos efeitos trmicos.

A malha soldada visa manter o concreto integro, mesmo aps a ocorrncia de uma fissurao intensa.

As malhas funcionam bem, se colocadas na posio correta, isto a um tero da altura da laje, a contar do topo da laje ( no mnimo a 5cm do topo) . Elas so muitas vezes colocadas na posio errada, ou ento acabam sendo colocadas sobre o solo, na face inferior da laje, porque



os suportes para suport-las so imprprios, ou porque so pisados durante a obra. Nessa posio funcionam mal, e no cumprem o papel esperado de reduzir as fissuras. Nestes casos as fibras so um substituto excelente das malhas de ao, porque elas ficam distribudas em toda a espessura da laje. O resultado que as fibras so realmente capazes de ajudar a controlar a fissurao e os deslocamentos relativos das diversas partes em que fica dividida a laje fissurada. As malhas soldadas, quando corretamente posicionadas, so, no entanto, to efetivas quanto as fibras de ao ou de polipropileno no controle da fissurao das lajes e dos pavimentos. Mito No 6 : Sabe-se como caracterizar corretamente os efeitos das

fibras na performance do concreto. Esse pode ser o maior mito de todos. Como j esclarecido antes, as fibras so adicionadas ao concreto para alterar o comportamento ps-fissurao do CRF. No h, no entanto, um mtodo inequvoco para medir essa mudana de comportamento. A maioria dos pesquisadores tentou comparar diferentes CRF em termos da ductilidade. Isto , em termos da rea sob a curva Carga x Flecha. No h uma concordncia em como medir esse aumento de ductilidade produzido pelas fibras. Existem diversas abordagens:

Uma medida absoluta da ductilidade a energia requerida para deformar um corpo de prova, de uma geometria especifica, at uma deflexo especifica, medindo a rea sob a curva Carga X Flecha. O resultado desses ensaios depende inteiramente do tamanho do corpo de prova e da flecha especificada. Um ensaio desse tipo o especificado pelo Japan Concrete Institute.

Uma medida relativa da ductilidade pode ser definida em termos da rea sob a curva Carga X Flecha em diversos pontos, com deformaes mltiplas da deformao da primeira fissura. . A razo dessa rea em relao rea sob a curva, at o ponto da primeira fissura, uma medida da ductilidade.

rea 2

Carga

Flecha

rea 1

Ductilidade = rea 2 / rea 1



Esses dois mtodos so muito sensveis ao modo como as deflexes so medidas. Deve-se usar um sistema que elimine deflexes devidas deformao da mquina de ensaio e dos suportes do corpo de prova. (deformaes parasitas). Alm disso, ao usar a norma ASTM C1018, muito difcil definir, sem erro, o ponto da primeira fissura, pois isso depende da sensibilidade do sistema de aquisio de dados. Existe, por esse motivo, uma grande disperso de resultados. Muitas vezes no se consegue distinguir, por meio do ensaio, entre diferentes fibras ou entre diferentes teores de fibras. Isso ocorre para baixos volumes de fibra, que so os mais usados.

Concluses do Prof. Sidney Mindess :

Na reviso acima, seis dos mitos mais comuns sobre CRF foram comparados com a realidade da prtica dos Concretos com Fibras Incorporadas.

As fibras ainda so pouco utilizadas nas estruturas usuais de concreto armado ou protendido, devido falta de compreenso do real comportamento das fibras dentro do concreto e tambm devido falta de normas especficas para o seu uso.

Ainda assim, o Concreto Reforado com Fibras ( CRF ) j usado em muitas obras como: pavimentos rgidos, pavimentao de pontes, estradas, aeroportos, revestimento de tneis ( concreto projetado), pisos industriais, estacionamentos, obras hidrulicas e estabilizao de taludes (concreto projetado).

Comentrios adicionais :

Concretos com fibra de ao so muito usados em pavimentos de estradas, em pistas e ptios de aeroportos. O objetivo diminuir a espessura das lajes e reduzir a fissurao.

Terminal de Cargas Infraero SP



Concretos com fibras de ao so muito usados em pisos industriais. O objetivo reduzir danos devidos abraso, ao impacto e fadiga.

Foto: Catlogo Dramix

Fibras de polipropileno tambm so muito usadas em pisos industriais. O objetivo reduzir danos devidos fissurao da retrao plstica (retrao que ocorre nas primeiras 12 horas, antes que o concreto tenha desenvolvido muita resistncia). Para aproveitar os efeitos benficos desses dois tipos de fibra, e combater todos esses tipos de danos, usa-se o concreto com uma mistura de fibras de ao e fibras de polipropileno.

Concretos com fibras de ao ou de polipropileno so usados em pisos de garagens e estacionamentos.

Foto : Catlogo Dramix

Concretos com fibras de ao tambm so muito usados em pisos porturios.



O concreto com fibras, de ao ou de polipropileno, muito usado em revestimentos de tneis. aplicado como concreto projetado. As perdas devidas reflexo do concreto projetado ( repique ) ficam reduzidas, pois a coeso do concreto fresco fica maior, quando se usam fibras. O uso de fibras de ao, de micro-slica e de aceleradores de pega permite a execuo de camadas espessas de concreto projetado.

Foto: Catlogo Dramix

Concreto projetado, via mida

Slump durante a projeo

(mm)

IR = ndice de Reflexo

IR = projetadaMassarefletidaMassa

Sem fibras de Polipropileno 120 11,3 %

Com 1kg/m3 de fibras de Polipropileno 90 7,6 %

A reflexo do concreto projetado com fibras de ao de 6 % ( via mida ) e de 10 % ( via seca ).

Relatrio L.A. Falco Bauer - 5186 / 2002 para a firma FITESA Na estabilizao de taludes usado concreto projetado, com fibras. So usadas fibras de ao, malhas soldadas de ao e tirantes ancorados no macio rochoso. Usando-se concreto projetado com fibras de ao, micro-slica e de aceleradores de pega, pode-se executar camadas espessas de concreto projetado.

Foto : Catlogo Dramix



Fibras de polipropileno so muito usadas para reduzir a fissurao devida retrao plstica (ocorre no concreto ainda mole). As fibras de polipropileno so, por isso, muito usadas em estruturas de conteno de gua, como em Estaes de Tratamento de gua (E.T.A.), Estaes de Tratamento de Esgotos (E.T.E.), galerias e paredes de canais. As fibras de polipropileno so tambm usadas em outras estruturas em contato com a gua, como vertedouros e bacias de dissipao em barragens.

Muitos outros tipos de fibras so pesquisados, embora nem todos encontrem uso corrente em obras de concreto.

O custo elevado no permite o uso de algumas dessas fibras.

Propriedades mecnicas de diversas fibras

O custo elevado no permite o uso de algumas dessas fibras.

Tipo de fibra Dimetro

equivalente (m)

Densidade relativa

Resistncia trao (Mpa)

Mdulo de elasticidade

(Gpa)

Alongamento ltimo

(%) Acrlico 13-104 1,16-1,18 270-1000 14-19 7,5-50,0 Aramide I 12 1,44 2900 60 4,4 Aramide II 10 1,44 2350 115 2,5 Carbono PAN HM 8 1,6-1,7 2500-3000 380 0,5- 0,7 Carbono PAN HT 9 1,6-1,7 3450-4000 230 1,0-1,5 Carbono GP 10-13 1,6-1,7 480-790 27-35 2,0-2,4 Carbono HP 9-18 1,8-2,1 1500-3100 150-480 0,5-1,1 Nylon 23 1,14 970 5 20 Poliester 20 1,34-139 230-1100 17 12-150 Polietileno 25-1000 0,92-0,96 75-590 5 3-80 Polipropileno --- 0,90-0,91 140-700 3,5-4,8 15



O Polipropileno, muito usado nas fibras para o concreto, um Polmero de alta resistncia qumica e de alta resistncia a solventes.

A estrutura qumica do polmero polipropileno a mostrada abaixo.

As fibras de polipropileno so fabricadas em forma de fibrilas retangulares ou de mono-filamentos cilndricos.

Fibrilas finas em forma retangular

Foto : PCA Portland Cement Association Mono-filamentos cilndricos finos

Foto : PCA Portland Cement Association

Esto sendo usadas misturas de fibras de resinas de polipropileno e de polietileno . Os dois polmeros so incompatveis e se separam durante o manuseio e a mistura no concreto.

C C

H

H

C H3

H

n C = Carbono H = Hidrognio n = nmero de repeties do segmento

crf - concreto reforçado com fibras - mito e realidade

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