Análise experimental, Manuais, Projetos, Pesquisas de Materiais e Sistemas de Construção

Baixe Análise experimental e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Materiais e Sistemas de Construção, somente na Docsity! ISSN 1517-7076 artigo e11780, 2017 Autor Responsável: Josué Coelho do Amaral Júnior Data de envio: 22/04/2016 Data de aceite: 11/10/2016 10.1590/S1517-707620170001.0112 Análise experimental da adição de fibras poliméricas nas propriedades mecânicas do concreto Experimental analyses of polymeric fiber addition on concrete mechanical properties Josué Coelho do Amaral Júnior 1, Luiza Caroline Ferreira Silva 2, Weber Guadagnin Moravia 2 1 Departamento de Engenharia de Materiais – POSMAT/CEFET-MG, Belo Horizonte -MG e-mail: josueamaraljr@gmail.com 2 Departamento de Engenharia de Civil – DEC/CEFET-MG, Belo Horizonte -MG e-mail: luiza_caroline18@hotmail.com; moravia@civil.cefetmg.br RESUMO A adição de fibras ao concreto é uma prática que busca reduzir o surgimento de fissuras e suas respectivas aberturas. Diversos tipos de fibras são utilizadas com esse fim como, por exemplo, as fibras de aço e as fibras poliméricas. O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência da adição de fibras poliméricas nas propriedades mecânicas do concreto. Para isso foram realizados ensaios de resistência à compressão, módulo de elasticidade, resistência à tração na flexão e avaliada a tenacidade de corpos de prova confeccionados com concreto convencional (sem adição de fibras), concreto com adição de fibras de polipropileno e concreto com adição de fibras de polietileno de alto módulo. O comprimento das fibras poliméricas utilizadas é de 12 mm. Os resultados mostram que essas adições melhoram o desempenho do concreto para a resistência à tração e tenacidade, porém não causaram variações significativas na resistência à compressão e no módulo de elasti- cidade. Palavras-chave: concreto, fibra, fibras poliméricas, polipropileno, polietileno ABSTRACT The addition of fibers to concrete is a practice that seeks to reduce the appearance of cracks and their respective openings. Various types of fibers are used for this purpose, for example, steel fibers and polymeric fibers. This study evaluated the influence of the addition of fibers on the mechanical properties of concrete. For that were performed compressive strength tests, modulus of elasticity, tensile strength in bending and evaluated the tenacity of specimens made with conventional concrete (without fibers), concrete with addition of polypropylene fibers and concrete with adding high modulus polyethylene fibers. The results show that the additions improved concrete performance to tensile strength and toughness, but did not cause significant variations in the compressive strength and modulus of elasticity. Keywords: concrete, fiber, polymeric fiber, polypropylene, high modulus polyethylene. _______________________________________________________________________________________ 1. INTRODUÇÃO O concreto consiste em um material compósito com propriedades típicas de materiais cerâmicos como por exemplo a fragilidade. Sua composição básica apresenta uma matriz cimentícia, formado por cimento e água, que envolve os agregados graúdos e miúdos. O concreto possui uma resistência à compressão, adequada para o uso na construção civil. No entanto, possui baixos valores para a resistência a tração, o que leva a necessi- dade de reforçar o material para esse tipo de esforço [1]. A utilização de fibras como adição no concreto tem como principal objetivo reduzir o surgimento de fissuras e diminuir suas aberturas. Esse tipo de reforço ganhou muito interesse na indústria da construção e por parte de pesquisadores a partir da década de 60[ 2]. AMARAL, J.C.; SILVA, L.; MORAVIA, W.G. revista Matéria, v.22, n.1, 2017. Diversos tipos de fibras são utilizadas como reforço de concreto, sendo as principais, fibras de aço, fibras poliméricas e fibras naturais. Recentemente diversos estudos sobre a influência das fibras de aço no comportamento concreto foram publicados[3,4,5,6]. A influência das fibras poliméricas no comportamento do concreto foi analisada e estudada por diver- sos pesquisadores sobre diferentes aspectos [7,8,9,10]. A adição de fibras de poliproileno melhora significa- tivamente propriedades mecânicas do concreto, entre elas resistência à tração [9, 11, 12], tenacidade [9] e resistência à abrasão [9,13]. A resistência à compressão apresenta pouca ou nenhuma variação com adição de fibras poliméricas [11, 12, 14, 15]. O módulo de elasticidade do concreto também mostra não apresenta vari- ação significativa com adição de fibras [16]. O polietileno de alto módulo, conhecido também pela sigla HMPE, oriunda da nomenclatura em in- glês high modulus polyethylene, é um dos principais materiais na confecção de cabos submarinos para servi- ços de ancoragem[17]. Até a data de publicação deste trabalho não foram encontradas estudos a respeito da utilização das fibras de HMPE como adição ao concreto. Está incluso no escopo deste trabalho, avaliar os resultados obtidos para o concreto reforçado com fibras de HMPE, e comparar esses resultados com os obti- dos para o concreto com fibras de polipropileno para o concreto sem adição de fibras. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O concreto utilizado neste trabalho apresentou densidade de 2,3 g/cm³ e foi confeccionado utilizando cimento CP-V-ARI, areia média lavada, brita calcaria tamanho 1, com tamanho máximo de 24 mm e densidade apara- rente de 2,4 g/cm³, água potável, fibras de polipropileno (PP) e fibras de polietileno de alto módulo (HMPE). O traço utilizado, 1:2:2 com teor a/c de o,61, foi projetado para um fck de 25 MpaA adição de fibras aconteceu no teor de 1% em relação ao volume da matriz do compósito. A Tabela 1 apresenta as proporções de materiais consumidos para cada tipo de concreto estudado. Tabela 1: Proporções de materiais utilizados em cada traço estudado. CONCRETO CIMENTO AREIA BRITA ÁGUA FIBRAS Sem fibras 1000 g 2500 g 2500 g 610 ml 0% Com fibras PP 1000 g 2500 g 2500 g 610 ml 1% Com fibras HMPE 1000 g 2500 g 2500 g 610 ml 1% As fibras de polipropileno e polietileno de alto módulo utilizadas nesse trabalho possuem o mesmo comprimento, 12 mm. Na etapa de caracterização das fibras, foi possivel estimar o diametro das fibras atra- vés do ensaio de microscopia eletronica de varredura. A fibra de polipropileno possui um diâmetro médio de 35 μm e a fibra de polietileno de alto módulo um diâmetro médio de 20 μm. A Figura 1 mostra as fibras utilizadas nesse trabalho e a Tabela 2 apresenta as propriedades de interesse para esse trabalho conforme informações fornecidas pelos fabricantes. Figura 1: Fibras poliméricas utilizadas neste trabalho. (a) – Fibra de polietileno de alto módulo; (b) – fibra de polipropi- leno Tabela 2: Propriedades das fibras de polipropileno (PP) e polietileno de alto módulo (HMPE). AMARAL, J.C.; SILVA, L.; MORAVIA, W.G. revista Matéria, v.22, n.1, 2017. A Figura 3 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de módulo de elasticidade estático para o concreto convencional, concreto com adição de fibra de polipropileno e concreto com adição de fibra de HMPE. Estão presentes nesse gráfico o valor médio do Módulo de Elasticidade de cada corpo de prova e os intervalos de dispersão encontrados. Figura 3: Média e intervalo dos resultado dos ensaio de módulo de elasticidade. Para o convencional, o valor médio encontrado para o módulo de elasticidade foi de 23,2 GPa. Já o concreto com adição da fibra de polipropileno o valor encontrado para o módulo foi de 22,3 GPa, 3,9% me- nor que o concreto sem fibras. O concreto com adição de fibras de HMPE apresentou um valor médio de 24,9 GPa, 7,3% maior do que o concreto com adição de fibras Nenhuma dessas variações foram consideradas significativas, concluindo que a adição de fibras poli- méricas no teor volumétrico de 1% não afeta o módulo de elasticidade. O mesmo foi verificado na literatura. A análise estatística dos resultados para módulo de elasticidade está apresentada na Tabela 4. O coefi- ciente de variação encontrado, para todos os traços de concreto estudados, foram abaixo do limite estabeleci- dos nesse trabalho para que os resultados sejam significativos. Tabela 4: Análise estatística dos resultados do ensaio de módulo de elasticidade. CONCRETO MÉDIA VARIÂNCIA DESVIO PADRÃO COEFICIENTE DE VARIAÇÃO Sem fibra 23,2 GPa 0,34 0,75 3,23 % Fibra PP 22,3 GPa 0,60 1,34 6,00 % Fibra HM- PE 24,9 GPa 0,20 0,44 1,76 % 3.3 Resistência à tração na flexão Os resultados dos ensaios de resistência à tração na flexão estão apresentados na Figura 4, estando presentes no gráfico a média dos resultados e o intervalo de dispersão. AMARAL, J.C.; SILVA, L.; MORAVIA, W.G. revista Matéria, v.22, n.1, 2017. Figura 4: Média e intervalo dos resultado do ensaio de resistência à tração. O concreto sem adição de fibras apresentou uma resistência à tração média de 4,09 MPa. O resultado médio obtido nos ensaios de tração na flexão do concreto com adição de fibras de polipropileno foi de 4,47 MPa enquanto que no concreto com adição de fibras de HMPE o resultado médio foi de 4,38 MPa. A adição de fibras no concreto levou a um aumento na resistência à tração em relação ao concreto sem fibras. Esse aumento foi de 9,3% para o concreto com adição de fibras de polipropileno e de 7,1 % para o concreto com adição de fibras de HMPE. O aumento da resistência à tração para os concretos com adição de fibras poliméricas em relação ao concreto sem adição de fibras condiz com o encontrado na literatura. A diferença entre os valores encontrados para o concreto com adição de fibras de polipropileno e para o concreto com fibras de HMPE foi muito pequena, o que deixa claro que apesar da fibra de HMPE possuir propriedades mecânicas superiores as fibras de polipropileno, os nódulos tem um impacto grande na resistên- cia final do material compósito reforçado com fibras. A análise estatística feita a partir dos resultados de cada corpo de prova está apresentada na Tabela 5. Tabela 5: Análise estatística dos resultados do ensaio de resistência à tração. CONCRETO MÉDIA VARIÂNCIA DESVIO PADRÃO COEFICIENTE DE VARIAÇÃO Sem fibra 4,09 MPa 0,11 0,21 5,13 % Fibra PP 4,47 MPa 0,12 0,23 5,51 % Fibra HMPE 4,38 MPa 0,12 0,24 5,47 % Para os concretos avaliados, o coeficiente de variação ficou abaixo do limite estabelecido nesse traba- lho. Isso demonstra a validade dos dados obtidos nos ensaios, e da metodologia adotada. A Figura 5 apresenta as curvas Carga X Deformação. Cada Grupo apresentado na figura, possui um corpo de prova de cada tipo de concreto estudado. Podemos notar um comportamento um pouco diferente no corpo de prova com adição de fibras de HMPE. O Concreto reforçado com fibras de HMPE deformou mais do que os demais concretos antes da ruptura. AMARAL, J.C.; SILVA, L.; MORAVIA, W.G. revista Matéria, v.22, n.1, 2017. Figura 5: Curvas Carga x Deformação do ensaio de tração na flexão. 3.4 Tenacidade Para obter o valor da tenacidade dos concretos estudados neste trabalho, foi calculada a área embaixo da curva carga (kN) x deformação (mm) obtida no ensaio de resistência à tração na flexão. Para calcular esse área, foi escolhido um método de integração numérica conhecido como integração por retângulos. Os valores médios encontrados para a tenacidade estão ilustrados na Figura 6. Figura 6: Média e intervalo dos resultado do ensaio de tenacidade. O concreto sem adição de fibras poliméricas apresentou um valor médio de tenacidade igual a 19,14 kN.mm. Tanto o concreto com adição de fibras de polipropileno quanto o concreto com adição de fibras de HMPE apresentaram valores médios de tenacidade superiores ao concreto sem adição de fibras. No caso do concreto com adição de fibras de polipropileno, a média dos resultados de tenacidade foi de 22,27 kN.mm.