Caracterização mecânica da rigidez e resistência do concreto de ultra-alto desempenho reforçado por fibras (UHPFRC)

Mechanical characterisation of the stiffness and strength of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC)

Resumo

O Concreto de ultra-alto desempenho reforçado por fibras (UHPFRC) é um novo material desenvolvido para apresentar propriedades superiores, tais como alta resistência à compressão (superior a 100 MPa), grande durabilidade, baixa permeabilidade e comportamento dúctil satisfatório. O presente artigo reporta a extensiva caracterização mecânica do UHPFRC e comparação com a referência do concreto de pós reativos (CPR). Nesse sentido, são obtidos os valores de resistência à compressão aos 28 dias (f_c,28), módulo de elasticidade estático (E_ci), tenacidade (T) e módulo de elasticidade dinâmico (E_d). Observou-se que o UHPFRC apresentou aumento de 1,21 e 1,5 vez respectivo à resistência e à tenacidade em relação ao CPR respectivamente. No entanto, quando comparados o módulo de elasticidade dinâmico e o módulo de elasticidade tangente inicial, tanto o CPR quanto o UHPFRC apresentaram valores similares. As fibras não colaboraram para um nível baixo de tensão, mas foram ativadas para carregamentos superiores a 30% da tensão de ruptura. O módulo de elasticidade dinâmico do UHPFRC foi monitorado até os 365 dias, quando se observou que o material apresentou ganho de 3,08 GPa (1,07 vez) em relação aos 40 dias de maturidade. Tal ganho tardio de rigidez é gerado pela adição mineral de sílica ativa. Além disso, uma lei constitutiva de compressão foi obtida para o UHPFRC e para o CPR, obtendo-se um valor de R² = 0,992.

Palavras-chave:
Concreto de ultra alto desempenho reforçado por fibras (UHPFRC); Fibras; Concreto de pós reativos (CPR); Caracterização mecânica

Abstract

Ultra-high-performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) is a new material developed to present superior properties, such as high uniaxial compressive strength (superior to 100 MPa), high durability, low permeability and satisfactory ductile behaviour. This paper presents the mechanical characterisation of UHPFRC and compares it with a reference mixture of reactive powder concrete (RPC). The mechanical characterisation consisted in obtaining the following properties: compressive strength at 28 days (f_c,28), static elastic modulus (E_ci), toughness (T) and dynamic elastic modulus (Ed). UHPFRC presented 20% and 51% gain of strength and toughness, in relation of RPC. Nevertheless, the stiffness values (i.e., E_ci and E_d) were very similar to RPC. This behaviour is explained by the fact that steel fibres are not activated at low levels of stress, however, at higher loads, the toughness increases in UHPFRC samples. Furthermore, E_d were monitored up to 365 days, and there was considerable gain in stiffness over time, mainly due the addition of silica fume. Furthermore, a constitutive compression law was obtained for UHPFRC and RPC, with R² = 0,992.

Keywords:
Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC); Reactive Powder Concrete (RPC); Mechanical characterisation

Introdução

Em 1993, o trabalho de Richard e Cherezy foi precursor ao elevar as características mecânicas de misturas cimentícias a patamares até então nunca vistos. Assim, foi desenvolvido o concreto de pós reativos (CPR), por meio de utilização de partículas mais finas, adições minerais e tratamento térmico (CHEYREZY; RICHARD, 1994; RICHARD; CHEYREZY, 1995). Esses materiais se destacaram por sua grande durabilidade e alta resistência, características observadas devido à seleção rigorosa de materiais, projeto de empacotamento de partículas e processo de mistura padronizado (ALI, 2013; HABEL; GAUVREAU, 2008; SPASOJEVIĆ, 2008). Assim, o CPR apresentava resistência à compressão na ordem de 150-200 MPa com cura de autoclave (CHEYREZY; RICHARD, 1994; RICHARD et al., 1995) e porosidade inferior a 4% (ZDEB, 2013). Portanto, devido a suas características superiores de baixa porosidade e consideráveis durabilidade e resistência, o material tornou-se proeminente na utilização em instalações de armazenamento de resíduos industriais e nucleares (YAZICI et al., 2015).

Com notórios avanços tecnológicos dos superplastificantes e adições minerais, permitiu-se a produção de concretos com altas proporções de finos, perfeitamente empacotados e com baixas relações água/aglutinante (ZDEB, 2013; FEHLING et al., 2014). Segundo Shi et al. (2015), o termo de “Concreto de Ultra Alto desempenho” (CUAD ou UHPC - Ultra-High-Performance Concrete) aparece no ano de 1994, quando De Larrard e Sedran (1994) otimizam uma mistura de CPR por meio do empacotamento de grãos, tendo denominado esse novo traço de UHPC. Nesse sentido, é notório que a mistura de CPR é o grande precursor do UHPC (DE LARRARD; SEDRAN, 1994; AÏTCIN, 2007). Dessa forma, como requisitos básicos, o UHPC deverá apresentar (a) propriedades mecânicas elevadas no longo prazo, (b) baixa permeabilidade e (c) longa vida em ambientes adversos (ZDEB, 2013; HANNA; MORCOUS; TADROS, 2014).

É notório que atualmente existem várias definições de UHPC na literatura, mas é bem aceito que se trata de uma mistura cimentícia com relação água-cimento (a/c) de aproximadamente 0,2 e resistência mínima à compressão aos 28 dias de no mínimo 100 MPa (HUNG; LEE; CHAN, 2019), resistência à tração de 5 MPa (ASSOCIATION..., 2013; HABEL et al., 2006; RUSSEL; GRAYBEAL, 2013; TUAN et al., 2011; WILLE et al., 2011; WU et al., 2016), sendo ainda esses valores de 5 a 16 vezes maiores que aqueles observados em concreto convencional (WANG et al., 2015). No entanto, com o aumento severo de resistência e a diminuição das imperfeições da microestrutura, o material tende a romper de forma frágil e brusca. Para contornar essa limitação, a fragilidade é geralmente compensada pela adição de fibras, o que transforma o UHPC em UHPFRC - Ultra High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (FEHLING et al., 2014).

Como estimativa inicial sobre as propriedades mecânicas e de durabilidade de uma mistura de UHPC/UHPFRC com cura a vapor, Cavill, Rebentrost e Perry (2006) elaboraram as Tabelas 1 e 2.

Tabela 1
Propriedades mecânicas usuais do UHPFRC

Propriedade	Valor
Fluidez - Flow table	190-200 mm após 20 golpes
Resistência à compressão com cura térmica	150 MPa
Resistência à tração sob flexão	24 MPa
Primeira fissura em flexão	20 MPa
Módulo de elasticidade	47 GPa
Densidade	2.450 kg/m3
Retração	< 500 μ depois de 50 dias em cura úmida e 0 em cura com calor

Cavill, Rebentrost e Perry (2006)

Tabela 2
Propriedades de durabilidade do UHPC

Propriedade	Valor
Porosidade total	2-6%
Microporosidade	< 1%
Absorção de água	< 0,2 kg/m2
Difusão de íons Cl-	0,02E-12 m2/s
Resistência elétrica (s/ fibra)	1,13E3 kωcm
Resistência elétrica (c/ fibra)	137 kωcm
Coeficiente de abrasão	1,3

Cavill, Rebentrost e Perry (2006)

Devido às propriedades mecânicas e de durabilidade, o UHPFRC tornou-se em pouco tempo um material emergente, com várias aplicações na indústria (AHLBORN; PUESE; MISSON, 2008; REBENTROST; WIGHT, 2008; SALEEM, 2011), fornecendo soluções econômicas, sustentáveis, duráveis e inovadoras em áreas em que o concreto normal luta para encontrar uma solução viável.

Propriedades mecânicas do UHPC/UHPFRC

Resistência à compressão uniaxial (f_c)

A resistência à compressão uniaxial (fc) do UHPFRC/UHPC foi extensivamente investigada por muitos pesquisadores. Corinaldesi e Moriconi (2012) avaliaram a influência do fator a/c e maturidade em relação ao valor de fc. As amostras foram curadas à temperatura ambiente (20 ºC + 100% UR) com relações a/c variáveis de 0,20 a 0,32. Os autores notaram que o aumento progressivo da relação a/c nem sempre conduz a matrizes de UHPC menos resistentes, uma vez que, para um valor intermediário de a/c = 0,24, observa-se o melhor resultado de fc, diferentemente do que é esperado para casos de concretos convencionais. Essa observação experimental é explicada pelo fato de que as propriedades da mistura fresca tais como a coesão e trabalhabilidade passam a influenciar severamente as propriedades mecânicas do UHPC/UHPFRC. Além disso, os autores relataram o rápido desenvolvimento de fc ao longo do tempo, uma vez que foram observados valores de fc nos primeiros dias na ordem de 30-40 MPa, e para a idade de 28 dias, 150-160 MPa, com cura térmica.

Resultados similares foram observados por Habel et al. (2006) e Toledo Filho et al. (2012). Habel et al. (2006) demonstraram que misturas de UHPFRC constituídas por CEM I 45,2 R apresentaram rápido desenvolvimento da reação de hidratação, sendo o fenômeno observado pelo aumento do grau de hidratação (r). Esses autores demonstraram experimentalmente que as propriedades mecânicas começavam a se desenvolver após 26 h da adição de água na mistura (r = 0) e que já aos 7 dias observava-se fc = 140 MPa com r = 0,83. Toledo Filho et al. (2012) desenvolveram um UHPFRC sustentável baseado em cimento de escória de alto forno, sílica, microfibras de wollastonita, fibras de aço e superplastificante. Mais uma vez, observou-se rápido desenvolvimento da resistência à compressão, cujo valor de fc no terceiro dia era igual a 75 MPa, seguido por 111 MPa, 162 MPa e 180 MPa para as idades subsequentes de 7, 28 e 180 dias respectivamente.

Módulo de elasticidade do UHPFRC

Graybeal (2007) desenvolveu uma equação para a estimativa do módulo de elasticidade estático tangente inicial do UHPFRC (E_ci) em função da resistência de compressão uniaxial característica (f_c), conforme a Equação 1. Similarmente, Alsalman et al. (2017) coletaram dados da literatura para a elaboração da Equação 1, por meio de 223 amostras em diferentes idades, com E_ci variando na faixa de 25 GPa a 68,3 GPa. Ainda nessa base de dados, pode-se inferir por análise estatística que o valor usualmente encontrado na literatura para o módulo de elasticidade do UHPC/UHPFRC é na faixa de 37 GPa a 68 GPa, com valor médio de aproximadamente 50 GPa, conforme a distribuição normal do eixo vertical da Figura 1.

Figura 1
Distribuição dos valores de Eci obtidos pela literatura

Comparativamente, pode-se afirmar que concretos convencionais apresentam E_ci usualmente na faixa de 25 GPa a 55 GPa (GIDRÃO, 2015). Portanto, conclui-se por meio da Figura 1 e observações experimentais de Gidrão (2015) que a melhora da resistência e das demais propriedades mecânicas do UHPFRC não é acompanhada por considerável aumento de E_ci. Cabe ressaltar que esse fenômeno, juntamente com a utilização de estruturas leves e delgadas, pode gerar problemas patológicos como os estados-limites de serviço e vibrações e deformações excessivas, além da instabilidade, o que justifica futuras investigações nesses assuntos.

Eq. 1 ${\mathit{E}}_{\mathit{ci}}=3,840\sqrt{{\mathit{f}}_{\mathit{c}}^{\text{'}}}126\mathit{MPa}\le {\mathit{f}}_{\mathit{c}}^{\text{'}}\le 193\mathit{MPa}$

Em que f_c’ é calculado conforme o ACI 318-11 (AMERICAN..., 2011).

Dado o contexto de potencial de aplicabilidade do UHPFRC e do UHPC na indústria da construção civil, pode-se listar os seguintes objetivos para o presente artigo:

1. apresentar a metodologia básica de fabricação do UHPFRC em uma betoneira usual;

2. caracterizar a resistência uniaxial de compressão aos 28 dias (fc,28);

3. obter o módulo de elasticidade dinâmico (Ed) e estático (Eci) desse material;

4. quantificar a tenacidade para a compressão;

5. determinar a influência das fibras nas propriedades supracitadas; e

6. realizar um estudo comparativo das propriedades supracitadas com o concreto de pós reativos.

Materiais e métodos

O presente trabalho objetiva a caracterização da rigidez e resistência de misturas de UHPFRC e CPR. Nesse sentido, foram moldados 10 corpos de prova cilíndricos (5 cm diâmetro x 10 cm comprimento) para dois traços diferentes (i.e., UHPFRC e CPR). Utilizaram-se apenas agregados finos, e o traço foi baseado nos extensivos estudos experimentais já realizados no laboratório de estruturas da USP-São Carlos, LE-SET (KRAHL; CARRAZEDO; EL DEBS, 2018; KRAHL; GIDRÃO; CARRAZEDO, 2018). A Tabela 3 demonstra os traços estudados em massa. Dessa forma, 5 corpos de prova de cada traço foram ensaiados aos 28 dias para a obtenção do f_c e do E_ci, com ensaio de compressão uniaxial. Os outros 5 foram analisados por meio do ensaio acústico, um ensaio não destrutivo, realizado nas idades de 1, 3, 7, 14, 28 e 40 dias. A areia utilizada foi industrial, da mineração Jundu, com diâmetro máximo de agregado de 0,42 mm. Já as fibras metálicas apresentavam dimensões características de 12 mm (maior dimensão) x 0,2 mm (diâmetro), com resistência de f_u = 2700 MPa. Essas fibras ainda apresentam banho de cobre, com o objetivo de melhorar a aderência com a matriz cimentícia, conforme os procedimentos usuais para a produção do UHPFRC (JANKOVIC et al., 2016; KRAHL et al., 2018; PENG; HU; DING, 2010), em que o material é tipicamente produzido com fibras revestidas de cobre para aumentar o atrito e melhorar a transferência de tensões entre fissuras.

Tabela 3
Dosagens de concreto, em massa

ID	Cim.* (kg)	Areia (kg)	Sílica ativa (kg)	Fibras (%)**	Água (kg)	Sp. (%)***
UHPFRC	1	1	0,266	1,165	0,2	9
UHPC	1	1	0,266	-	0,2	9

• Nota:
• ^*
  o cimento utilizado foi o CPV-ARI Votorantim;
• ^**
  a porcentagem das fibras é sobre o volume total; e
• ^***
  a porcentagem do superplastificante é sobre a massa de cimento.

Neste trabalho a mistura de UHPFRC foi feita em um misturador de eixo horizontal de grande potência (vide Figura 2a), próprio para a produção do UHPFRC. Primeiramente, todos os componentes (exceto as fibras) foram misturados a seco por 5 min. Posteriormente, adicionaram-se água e superplastificante na mistura. Após 10 min de mistura, obteve-se a homogeneidade necessária, conforme se observa na Figura 2b. Nesse instante são adicionadas fibras metálicas, e o concreto fresco é misturado por mais 5 min. O espalhamento foi determinado conforme a NBR 15823-2 (ABNT, 2017), que resultou em 60 cm, conforme as Figuras 2c e 2d. Ainda que não fosse necessário, os corpos de prova cilíndricos de 5 cm x 10 cm foram moldados com o auxílio de uma mesa vibratória para eliminar possíveis vazios. Após 24 h da concretagem, os moldes foram retirados, e os corpos de prova foram transferidos para a cura úmida.

Figura 2
Aspectos sobre a produção do concreto

Aos 28 dias, 5 corpos de prova de cada traço foram retificados e ensaiados em condição saturada com superfície para a obtenção da resistência de compressão uniaxial (f_c,28) e módulo de elasticidade tangente inicial (E_ci). As outras 5 amostras foram analisadas por meio de ensaio acústico, fazendo-se os ensaios com 1, 3, 7, 14, 28, 40 e 365 dias de maturidade do concreto.

Ensaio de compressão simples

Os ensaios de compressão simples foram efetuados em uma prensa Instrom servo-hidráulica com capacidade de 1.500 kN e controle de deslocamento. Dois sensores LVDT com comprimento de 50 mm foram fixos em cada lado do corpo de prova para se calcular o deslocamento longitudinal (videFigura 3). O módulo de elasticidade tangente inicial (E_ci) foi obtido pela reta dada pelos níveis de tensão de 0-30% do carregamento de ruptura (i.e., 0,30 f_c), conforme as prescrições da NBR 8522 (ABNT, 2019).

Figura 3
Esquema do ensaio estático

Ensaio acústico

Nesta seção adota-se o procedimento e equações dados pelas normas internacionais E1876-01 (AMERICAN..., 2001) e C215-02 (AMERICAN..., 2003) para o ensaio acústico. Esse ensaio consiste basicamente em excitar a peça a ser analisada com um impacto de curta duração, captando por meio de um microfone o sinal acústico gerado pela vibração. Por meio de uma transformada rápida de Fourier (FFT), leva-se o problema no domínio do tempo para o da frequência, e assim se determina a frequência natural fundamental (f_n,1) da peça. Posteriormente é possível correlacionar, por meio de equações apresentadas na literatura (Equações 2 a 7), essa mesma frequência natural fundamental a parâmetros como massa específica do material (ρ), geometria do corpo de prova (comprimento, largura, diâmetro), coeficiente de Poisson dinâmico (ν_d) e módulo de elasticidade dinâmico (E_d). O esquema do ensaio pode ser contemplado conforme a Figura 4. Um corpo de prova cilíndrico pode apresentar dois modos de vibração fundamentais:

Figura 4
Esquema do ensaio acústico

1. flexional; e

2. longitudinal.

A caracterização desses picos de frequência natural é conforme a Figura 5.

Figura 5
Caracterização dos picos de frequência natural

O módulo de elasticidade obtido pelo modo de vibração flexional (E_d,f, em Pa) é determinado através da Equação 2:

Eq. 2 ${\mathit{E}}_{\mathit{d},\mathit{f}}=1,6067\left(\frac{{\mathit{L}}^3}{{\mathit{D}}^4}\right)\mathit{m}·\mathit{f}_{\mathit{N},1,\mathit{f}}{}^2·\mathit{T}_1{}^{\text{'}},$

Em que:

• m é a massa do corpo de prova (em gramas);

• D é o diâmetro do corpo de prova (em mm);

• L é o comprimento do corpo de prova (em mm);

• f_N,1,f é a frequência natural fundamental flexional obtida em um sinal como o da Figura 5 (em hertz); e

• T₁’ é um fator de correção para o modo fundamental flexional dado pela Equação 3:

  Eq. 3 $\mathit{T}^{\text{'}}{}_1=1+4,939\left(1+0,0752{\mathit{\upsilon }}_{\mathit{d}}+0,8109\mathit{\upsilon }_{\mathit{d}}{}^2\right){\left(\frac{\mathit{D}}{\mathit{L}}\right)}^2-0,4883{\left(\frac{\mathit{D}}{\mathit{L}}\right)}^4-\left[\frac{4,691\left(1+0,2023{\mathit{\upsilon }}_{\mathit{d}}+2,173\mathit{\upsilon }_{\mathit{d}}{}^2\right){\left(\frac{\mathit{D}}{\mathit{L}}\right)}^4}{1,000+4,754\left(1+0,1408{\mathit{\upsilon }}_{\mathit{d}}+1,536\mathit{\upsilon }_{\mathit{d}}{}^2\right){\left(\frac{\mathit{D}}{\mathit{L}}\right)}^2}\right]$

Em que ν é o coeficiente de Poisson dinâmico, estimado em 0,20.

Já o módulo de elasticidade dinâmico é obtido por vibração longitudinal (E_d,l, em Pa), mediante a excitação do corpo de prova cilíndrico com um impacto de curta duração de forma centrada, determinado conforme a Equação 4:

Eq. 4 ${\mathit{E}}_{\mathit{d},\mathit{l}}=5,093\left(\frac{\mathit{L}}{{\mathit{D}}^2}\right)\mathit{m}·\mathit{f}_{\mathit{N},1,\mathit{l}}{}^2$

Resultados

Mecânicos estáticos

As Figuras 6a e 6b apresentam respectivamente os diagramas de tensão-deformação na compressão para o UHPFRC e o CPR. Para o UHPFRC notam-se valores de resistência médios de 112 MPa. Já para o CPR observam-se valores médios de 93 MPa. A Figura 6c apresenta um box plot com as resistências das amostras de CPR e UHPFRC. Nesse caso, observa-se que a adição de fibras gerou certo grau de confinamento, que aumenta a resistência média de compressão dos corpos de prova em 1,21 vez. Além disso, foi obtida uma lei constitutiva para o CPR e o UHPFRC por meio de um fit parabólico experimental. Tal lei constitutiva é conforme as Equações 5 e 6, respectivamente para o UHPFRC e o CPR, ambos apresentando correlação de R² = 0,99. Uma vez que a resistência à compressão é superior a 100 MPa, pode-se adotar a nomenclatura de UHPFRC, conforme concretos com propriedades mecânicas similares na literatura (HUNG; LEE; CHAN, 2019; SU et al., 2016).

Figura 6
Relação constitutiva de compressão e distribuição de valores

Eq. 5 $\mathit{\sigma }\left(\mathrm{MPa}\right)=-1,938+42941.033\epsilon -3436158,694{\epsilon }^2$

Eq. 6 $\mathit{\sigma }\left(\mathrm{MPa}\right)=-1.361++39911.546\epsilon -2472423.460{\epsilon }^2$

A tenacidade é a energia que o material absorve até sua ruptura, dada pela área sob o gráfico de tensão-deformação de compressão, conforme a Equação 7 (KRAHL; GIDRÃO; CARRAZEDO, 2019). Esse parâmetro é medido da deformação zero até a deformação de pico (e_pico). A Figura 7a apresenta a diferença entre a tenacidade obtida pelas leis constitutivas parabólicas do CPR e do UHPFRC. Desses resultados observa-se que a utilização de fibras metálicas aumenta não somente a resistência do corpo de prova, mas também sua tenacidade. A Figura 7b apresenta o box plot, que contém a tenacidade calculada para amostras de CPR e de UHPFRC. Nota-se que a tenacidade do UHPFRC é 1,5 vez maior que a do CPR sem fibras, o que demonstra novamente que a adição de fibras aumenta consideravelmente a tenacidade na ruptura do UHPFRC, contribuindo para uma ruptura dúctil. Diferentemente, para o caso do CPR foi observada uma ruptura frágil.

Figura 7
Comparação entre as tenacidades do UHPFRC e CPR

A resiliência é dada pela energia elástica de deformação, calculada pela área abaixo do ramo linear do diagrama de tensão-deformação. Nesse sentido, nota-se pela Figura 7a que as resiliências do UHPFRC e do CPR são iguais.

Eq. 7 ${\mathit{T}}_{\mathit{c}}=\underset{\epsilon =0}{\overset{{\epsilon }_{\mathit{pico}}}{\int }}\mathit{\sigma }\mathit{d}\epsilon$

O módulo de elasticidade estático é apresentado na Figura 8. Nota-se que a adição de fibras não influencia o valor médio de E_ci, observando-se praticamente o mesmo valor médio (quadrados no box plot) para o UHPFRC e o CPR, de acordo com a Figura 8.

Figura 8
Distribuição de valores de E_ci

Módulo de elasticidade dinâmico

A Figura 9a demonstra o comportamento do módulo de elasticidade dinâmico E_d em função do tempo (em dias) para os traços de CPR e de UHPFRC. É possível verificar que, dentro da variabilidade experimental, o comportamento de E_d é praticamente igual para os dois casos. Observa-se que já em 5 dias ambos os concretos apresentam módulo de elasticidade dinâmico próximo de 32 GPa, sendo esse valor aproximadamente 80% do valor de E_d para 28 dias. Esse rápido crescimento de E_d em função da maturidade é explicado pela utilização do CPV-ARI, que acelera as reações de hidratação do cimento anidro que ocorrem ao longo do tempo (MEHTA; MONTEIRO, 2014; NEVILLE, 2016).

Figura 9
Módulo de elasticidade dinâmico

A Figura 9b apresenta o comportamento do módulo de elasticidade dinâmico do UHPFRC até os 365 dias de maturidade. Do gráfico nota-se que em idades mais avançadas ocorrem reações pozolânicas tardias devido à adição de pó de sílica ativa, atingindo valores médios de 52 GPa para 365 dias de cura úmida.

Essa tendência é confirmada estatisticamente pela Figura 9c, onde se comparam em um box plot os valores de Ed para as maturidades de 40 e 365 dias. Observando os valores médios, nota-se o aumento de 40,86 GPa (40 dias) para 43,88 GPa (365 dias), um aumento médio de 1,07 vez. Essa é uma indicação estatística do aumento de módulo de elasticidade dinâmico devido às reações pós-reativas.

A Figura 10 apresenta a relação entre os módulos dinâmicos e estáticos (i.e., E_d/E_ci). Dessa figura observa-se que apresenta média de 1,11 e 1,12 respectivamente para o UHPFRC e o CPR. Resultados similares são obtidos pela literatura, em que se afirma que concretos de alta resistência apresentam relação E_d/E_ci geralmente de 1,10 (GIDRÃO, 2015; MEHTA; MONTEIRO, 2014; NEVILLE, 2016).

Figura 10
Comparação entre UHPFRC e CPR aos 28 dias

Efeito de adição das fibras metálicas

Conforme os resultados até agora apresentados, pode-se confirmar que as fibras não colaboram para o aumento do módulo de elasticidade dinâmico e estático do concreto, devido ao baixo nível de fissuração em que essas propriedades são determinadas. A Figura 11 apresenta a comparação entre módulo de elasticidade dinâmico do UHPFRC e CPR aos 28 dias. Nota-se que ambos os materiais apresentam o valor médio de E_d muito próximo, o que demonstra que para pequenas deformações e sem fissuração os materiais se comportam de forma similar. A Figura 12 confirma a hipótese, pois aos 28 dias a relação entre o módulo de elasticidade dinâmico do concretos com fibras e o sem fibras (i.e., E_d,c/fibras/E_d,s/fibras) apresenta distribuição normal centrada em 1, o que demonstra que a adição de fibras estatisticamente não representa ganho de rigidez da mistura. Sabe-se que a fibra metálica é um material que apresenta um módulo de elasticidade mais elevado que o concreto (E_fibra = 210 GPa >> E_d,s/fibras = 40 MPa), no entanto essa adição é em pequena fração volumétrica (Vf = 1,16 %), o que praticamente não altera o módulo de elasticidade. Além disso, o módulo de elasticidade dinâmico é obtido sob baixas deformações (e consequentemente pouca danificação da matriz cimentícia), onde a fibra não se encontra ativada e totalmente embutida na matriz.

Figura 11
Comparação do módulo de elasticidade dinâmico entre UHPFRC e CPR aos 28 dias

Figura 12
Análise estatística da razão E_d,c/fibras/E_d,s/fibras

Diferentemente, para os níveis de deformação e fissuração maiores, as fibras são “ativadas”, melhorando o comportamento do concreto. Nesse sentido, a Figura 13 apresenta o histograma de proporção entre f_c para concretos com fibras e sem fibras (i.e., UHPFRC/CPR). Pode-se perceber para esse caso que a distribuição normal fica em torno da média de 1,20, demonstrando a melhoria em 20% na capacidade de carga última para concretos com utilização de fibras. Após tensões de 0,3 f_c a 0,4 f_c ocorre danificação da matriz cimentícia, e assim, a adição de fibras atua como ponte de transferência de tensões, aumentando a resistência à compressão, o que contribui para o controle de fissuração, confinamento e, consequentemente, para o aumento de suas tensões últimas de ruptura f_c. Esse resultado também confirma os comportamentos superiores de tenacidade e resistência do UHPFRC em relação ao CPR (Figuras 6c, 7a e 7b).

Figura 13
Análise estatística da razão f_,c/fibras/a_c,s/fibras

Conclusões

O presente artigo desenvolveu o estudo de caracterização mecânica de concretos de pós reativos e UHPFRC quanto a resistência, rigidez (estática e dinâmica) e tenacidade. Os seguintes aspectos são relevantes:

1. o UHPFRC apresentou resistência 1,21 vez maior (f_c = 112 MPa) que a referência de CPR;

2. foi obtida uma lei constitutiva parabólica para o CPR e para o UHPFRC;

3. a tenacidade do UHPFRC na compressão foi 1,5 vez maior que a do CPR. O aumento da tenacidade resolve um problema clássico do concreto de alta resistência, que é a ruptura brusca;

4. cabe salientar que a determinação da tenacidade seria mais conclusiva quando obtida pelo ensaio de flexão, sendo essa situação mais adequada para maiores conclusões sobre esse parâmetro. Nesse sentido, os autores recomendam a avaliação dessa situação para futuros estudos. No entanto, espera-se que essas observações levem às mesmas constatações apresentadas neste artigo;

5. observou-se um crescimento de 3,08 GPa (1,07 vez) para o módulo de elasticidade dinâmico de amostras com maturidades entre 40 e 365 dias. Tal crescimento é devido à adição de pós reativos;

6. obteve-se a relação entre os módulos de elasticidade dinâmico e estático de E_d/E_ci = 1,1, aos 28 dias;

7. a adição de fibras metálicas não gerou considerável melhoria na rigidez; e

8. o aumento considerável da resistência, assim como valores de rigidez praticamente iguais aos concretos usuais indicam a necessidade de mais estudos do material em situações de estados-limites de serviço, sobretudo em casos de deformações excessivas, vibrações e instabilidade.

• Errata
  No artigo "Caracterização mecânica da rigidez e resistência do concreto de ultra-alto deseempenho reforçado por fibras (UHPFRC)", com número de DOI: <http://dx.doi.org/10.1590/s1678-86212020000200388>, publicado no periódico Ambiente Construído, 20(2):73-88.
  Na página 76:
  Onde se via a Figura 1:
  
  
  Vê-se a Figura 1:
  
  
  Na página 82:
  Onde se via a Figura 7a:
  
  
  Vê-se a Figura 7a:
  
  

Referências

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  08 Maio 2020
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2020

Histórico

• Recebido
  23 Nov 2018
• Aceito
  29 Set 2019