Grolli V - Abrasão hidráulica no CRFA

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Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas
Curso de Engenharia Civil
ESTUDO EXPERIMENTAL E AJUSTES NUMÉRICOS DO
DESGASTE ABRASIVO HIDRÁULICO DO CONCRETO
REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
Vinícius Grolli
Cascavel
2017
Vinícius Grolli
ESTUDO EXPERIMENTAL E AJUSTES NUMÉRICOS DO
DESGASTE ABRASIVO HIDRÁULICO DO CONCRETO
REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Civil da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná, como parte dos
requisitos para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientadora: Profa Dra Giovanna Patrícia Gava Oyamada
Co-orientador: Prof◦ Dr◦ Rogério Luis Rizzi
Cascavel
2017
Vinícius Grolli
ESTUDO EXPERIMENTAL E AJUSTES NUMÉRICOS DO
DESGASTE ABRASIVO HIDRÁULICO DO CONCRETO
REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO
Este trabalho de conclusão de curso será apresentado e defendido no dia 20 de dezembro de
2017 perante banca examinadora, como requisito parcial para a obtenção do título de
ENGENHEIRO CIVIL.
BANCA EXAMINADORA
Profa Dra Giovanna Patrícia Gava Oyamada
Orientadora e Presidente da Banca - Unioeste
Prof◦ Dr◦ Rogério Luis Rizzi
Co-orientador - Unioeste
Eng. Civil Me. Fabio Luiz Willrich
Itaipu Binacional
Prof◦ Me Jorge Augusto Wissmann
Unioeste
AGRADECIMENTOS
Nos dias 31/10/17 a 04/11/17 ocorreu a 59a edição do Congresso Brasileiro do Concreto,
onde foi possível conhecer alguns dos autores citados neste trabalho, sendo que houve um
simpósio inteiro dedicado ao concreto reforçado com fibras de aço, participando pesquisadores
do mundo inteiro. Neste congresso, percebi que este trabalho poderia contribuir, ao menos
que um pouco, ao cenário científico atual do concreto. Esta percepção foi muito reconfortante,
afinal foram meses de muita dedicação.
Apesar de todo o esforço que emprenhei, tenho total convicção que jamais teria conseguido
concluir este trabalho sozinho. É como disse Isaac Newton, “se vi mais longe, foi por estar de
pé sobre ombros de gigantes”. Assim, não escrevo estes agradecimentos por mera formalidade
ou educação, mas sim com um sentimento puro de gratidão e admiração.
Agradeço a Profa Dra Giovanna Patricia Gava por ter me ensinado tanto, confiado em mim, e
se dedicando a este trabalho, me auxiliando sempre que prcisei.
Agradeço ao Prof◦ Dr◦ Rogério Luis Rizzi que me despertou como pesquisador, ao me inserir
no projeto de pesquisa, há quatro anos atrás, a qual este trabalho de conclusão de curso pode
ganhar forma.
Agradeço aos meus amigos Carlos Henrique Rampanelli e Guilherme Pietrobon pela parceria
que tivemos durante toda a graduação, e também pelo apoio durante as concretagens,
necessárias para este trabalho.
Agradeço ao Gustavo Grigolo por ter me ajudado durante os ensaios de abrasão hidráulica e
contribuído sempre que precisasse.
Agradeço ao Maxer Rosa e sua equipe pela compreensão e auxílio durante todos os anos em
que trabalhei no Laboratório de Estruturas e Materiais de Engenharia (LEME) da UNIOESTE.
Agradeço à Fundação Parque Tecnológico Itaipu (FPTI) pelo suporte financeiro prestado.
Agradeço à empresa DRAMIX pelo fornecimento das fibras de aço e por disponibilizar
material bibliográfico.
Enfim, agradeço a todos que de alguma maneira, direta ou indiretamente, me auxiliaram neste
projeto, mas que não foram nominados acima.
“You never know how strong you are until being strong is
your only choice”
Bob Marley
RESUMO
GROLLI, V. Estudo Experimental e Ajustes Numéricos do Desgaste Abrasivo Hidráulico
do Concreto Reforçado com Fibras de Aço. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, 2017.
A utilização de fibras de aço como reforço no concreto encontra-se presente em diversas obras
no mundo, inclusive em estruturas hidráulicas. As fibras de aço no concreto apresentam muitos
benefícios, como maior resistência à tração, evitando fissuras de retração por secagem, maior
capacidade de absorção de energia mecânica (tenacidade), podendo até substituir armaduras
contínuas. Sabe-se que um dos principais agentes de desgaste das estruturas hidráulicas é
a abrasão hidráulica, em que partículas suspensas no fluxo hídrico, ao se atritarem com a
superfície de concreto, levam ao desgaste. Este dano pode variar de alguns milímetros à
muitos metros, comprometendo a integridade estrutural do concreto. Uma estratégia para
controlar este efeito é reforçar o concreto com fibras de aço, buscando melhorar determinadas
propriedades mecânicas. Contudo, ainda não está claro na literatura como as fibras de aço
atuam na resistência hidro-abrasiva no concreto. Este trabalho utilizou o ensaio de desgaste
hidro-abrasivo, método submerso, da ASTM C1138M (2012) para verificar a influência de
quatro teores de fibras de aço: 0, 40, 60 e 80 kg/m3, mantendo as demais variáveis do concreto
constantes. Concluiu-se estatisticamente que as fibras de aço melhoraram significativamente
a resistência à abrasão hidráulica, ao se comparar com o concreto sem fibras. Porém, os
teores de 40 e 60 kg/m3 obtiveram perdas de massa equivalentes, indicando que o emprego
de 40 kg/m3 ao invés de 60 kg/m3 refletiria em um mesmo desempenho contra o desgaste
hidro-abrasiva, mas com um menor custo. Ajustou-se um modelo matemático logarítmico
aos dados experimentais, obtendo bons coeficientes de determinação, R2, demonstrando que
o desgaste por abrasão hidráulica não ocorre de maneira linear.
Palavras Chave: Concreto Reforçado com Fibras de Aço. Abrasão Hidráulica. ASTM
C1138M (2012).
ABSTRACT
GROLLI, V. Experimental Study and Numerical Adjustments of Hydro-Abrasive Wear
of Steel Fiber Reinforced Concrete. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em
Engenharia Civil) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, 2017.
The use of steel fibers as concrete reinforcement is present in several structures, including
hydraulic ones. Steel fibers bring many benefits to concrete, such as greater tensile strength,
avoiding cracks propagation due to drying shrinkage or loading deformations, better mechanical
energy absorption, and even replace welded wire mesh in concrete slabs. One of the main wear
agents of hydraulic structures is hydraulic abrasion, in which particles suspended in water flow
leads to concrete mass decrement, when rubbing its surface. This damage can vary from a few
millimeters to many meters, compromising the structural integrity of the concrete. One strategy
to control this effect is to reinforce the concrete with steel fibers, in order to improve certain
mechanical properties. However, it is not clear how steel fibers act on hydro-abrasive resistance
of concrete. This work used the standard test method for abrasion resistance of concrete by
ASTM C1138M (2012), to verify the influence of four steel fiber contents: 0, 40, 60 and 80
kg/m3. It was statistically concluded that steel fibers reinforcement significantly improved the
hydraulic abrasion resistance, when compared with the concrete without fibers. However, the
contents of 40 and 60 kg/m3 obtained similar wear, indicating that the use of 40 kg/m3 instead
of 60 kg/m3 would reflect in the same performance against hydro-abrasive wear, but with a
lower financial cost. A logarithmic mathematical model was fitted to the experimental data,
obtaining high determination coefficients, R2, demonstrating that the hydraulic abrasion wear
does not occur in a linear way.
Key-words: Steel Fiber Reinforced Concrete. Hydro-abrasive wear. ASTM C1138M (2012).
Lista de Figuras
Figura 1 Classificação das fibras segundo BISFA (BISFA, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Figura 2 Perfis típicos das fibras utilizadas no concreto reforçado com fibras de aço
(NAAMAN, 2000). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Figura 3 Distribuição do mercado brasileiro de fibras de aço por tipo de aplicação no ano
de 2009 e no primeiro semestre de 2010 (FIGUEIREDO, 2011) . . . . . . . . . . 18
Figura 4 Gráficosde desgaste hidro abrasivo no concreto (ZANELLA et al., 1987). . . 20
Figura 5 Corpo de prova de CRFA após 72 horas de ensaio hidro-abrasivo (ZANELLA
et al., 1987). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 6 Fotografias da calha esquerda do vertedouro da UHE de Itaipu: a) Durante
a vistoria, b) Aspecto do CRFA após as condições reais de desgaste hídrico
(ZANELLA et al., 1987). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 7 Vista aérea da Usina Hidroelétrica de Santo Antônio - utiliza-se um sistema
para passagens de troncos e demais detritos afim de minimizar problemas
ambientais (BUSCARIOLLO, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura 8 Acabamento das faces hidráulicas do VET da UHE de Santo Antônio
(CHIEREGATO et al., 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 9 Classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto (ABNT
NBR 15530, 2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 10 Moldagem dos corpos de prova na calha do vertedouro da UHE Vrhovo
(KRYZANOWSKI et al., 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figura 11 Comparação das profundidades de degaste obtidas em campo e segundo a
ASTM C1138M (2006) (KRYZANOWSKI et al., 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 12 Imagem macroscópica da superfície de um corpo de prova de CRFA submetido
ao desgaste abrasivo segundo ASTM C1138M (2012): 1 - Vazio deixado pela
fibra, 2 - Fibra cortada (HORSZCZARUK, 2009). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 13 Desenho esquemático da formação da zona sombreada (HORSZCZARUK,
2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 14 Imagem macroscópica de um corpo de prova de concreto, as setas indicam a
formação da zona sombreada (HORSZCZARUK, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 15 Utilização do CRFA (em cinza escuro) na construção do Vertedouro Extravasor
de Troncos da UHE de Santo Antônio (CHIEREGATO et al., 2016). . . . . . . 35
Figura 16 Especificações da fibra Dramix RC 65/35 BN (Catálogo Dramix). . . . . . . . . . 36
Figura 17 Coesão do Concreto Reforçado com Fibras de Aço - consumo de fibras: 80
kg/m3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura 18 Curvas granulométricas dos agregados utilizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Figura 19 Ensaios de abatimento por tronco de cone nos concretos sem e com fibras de
aço, respectivamente da esquerda à direita, conforme a ABNT NBR NM 67
(1998). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura 20 Emprego da mesa vibratória como forma de adensamento do CRFA. . . . . . . . 44
Figura 21 Regularização da superfície com capeamento com enxofre. . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 22 Sequência do ensaio de abrasão em concreto segundo a norma ASTM C1138M
(2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 23 Corte transversal da máquina de abrasão com as especificações da ASTM
C1138M (2012) (POLISZUK, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 24 Recolhimento de dados referentes a massa saturada superfície seca (à esquerda)
e massa submersa (à direita) do corpo de prova, usando balança digital. . . . 47
Figura 25 Medição de diâmetros perpendiculares para estimativa da área do topo do corpo
de prova. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 26 Parâmetros utilizados na determinação da profundidade do desgaste, onde Dh
indica a diferença das alturas dos corpos de prova h e h1. . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 27 Ajuste do modelo matemático Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais
de perda de massa segundo ASTM C1138M (2012), utilizando o programa
STATISTICA software version 10 (2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 28 Fotografias dos concretos 0FA, 40FA, 60FA e 80FA com 0, 72 e 120 horas de
ensaio de resistência à abrasão hidráulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 29 Comparação entre as zonas sombreadas: a) Neste trabalho; b) Horszczaruk
(2009). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 30 Ilustração dos intervalos de confiança do teste de Tukey, com nível de
significância de 5%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 31 Ajustes do modelo matemático Horsczaruk-Sitnik aos dados experimentais
médios de perda de massa, obtidos conforme ASTM C1138M (2012), dos
concretos: 80, 60, 40 e 0 kg/m3 de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 32 Velocidade de perda de massa por abrasão hidráulica dos concretos: 80, 60, 40
e 0 kg/m3 de fibras de aço, avaliados conforme ASTM C1138M (2012). . . 60
Figura 33 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 80 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura 34 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 80 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 35 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 80 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Figura 36 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 60 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Figura 37 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 60 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Figura 38 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 60 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Figura 39 Evolução do desgaste hidro-abrasivo da superfície do concreto com 40 kg/m3
de fibras de aço - Corpo de Prova I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Figura 40 Evolução do desgaste hidro-abrasivo da superfície do concreto com 40 kg/m3
de fibras de aço - Corpo de Prova II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Figura 41 Evolução do desgaste hidro-abrasivo da superfície do concreto com 40 kg/m3
de fibras de aço - Corpo de Prova III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figura 42 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 0 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 43 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 0 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 44 Evolução do desgaste superficial hidro-abrasivo do concreto com 0 kg/m3 de
fibras de aço - Corpo de Prova III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 45 Ajuste do modelo de Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais médios de
perda de massa por abrasão hidráulica, segundo ASTM C1138M (2012) -
Concreto 80 kg/m3 FA. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura 46 Velocidade de perda de massa - Concreto 80 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura 47 Ajuste do modelo de Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais médios de
perda de massa por abrasão hidráulica, segundo ASTM C1138M (2012) -
Concreto 60 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 48 Velocidade de perda de massa - Concreto 60 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 49 Ajuste do modelo de Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais médios de
perda de massa por abrasão hidráulica, segundo ASTM C1138M (2012) -
Concreto 40 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 50 Velocidade de perda de massa - Concreto 40 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 51 Ajuste do modelo de Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais médios de
perda de massa por abrasão hidráulica, segundo ASTM C1138M (2012) -
Concreto 0 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura 52 Velocidade de perda de massa - Concreto 0 kg/m3 FA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Lista de Tabelas
Tabela 1 Tipo de fibra utilizada no concreto que revestiu partes do vertedouro da UHE
de Itaipu - sua seção era lisa e sem ganchos (ZANELLA et al., 1987). . . . . 21
Tabela 2 Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de
Aço utilizado por Hu et al. (2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Tabela 3 Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de
Aço utilizado por Horszcazaruk (2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Tabela 4 Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de
Aço utilizado por Chieregato et al. (2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Tabela 5 Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de
Aço utilizado por Gava (2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Tabela 6 Nomenclaturas e proporções dos concretos utilizados neste trabalho. . . . . . . . 40
Tabela 7 Informações referentes a caracterização dos agregados utilizados. . . . . . . . . . 40
Tabela 8 Caracterização do cimento CP II F 40 segundo seus índices químicos
(VOTORANTIM CIMENTOS, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Tabela 9 Caracterização do cimento CP II F 40 segundo seus índices físicos
(VOTORANTIM CIMENTOS, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 10 Caracterização do cimento CP II F 40 segundo seus índices físicos
(VOTORANTIM CIMENTOS, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 11 Dados técnicos do aditivo Superplastificante MC-PowerFlow 1180
(MC-BAUCHEMIE, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 12 Consumo de aditivo superplastificante e abatimento por tronco de cone dos
concretos avaliados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabela 13 Massa específica dos concretos no estado fresco e o percentual de vazios de ar
determinados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Tabela 14 Resultados de resistência à compressão, em função da idade, e módulo de
elasticidade dos teores de fibra de aço avaliados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Tabela 15 Perda de massa dos concretos com diferentes teores de fibra de aço após 72
horas, ensaiados segundo a ASTM C1138M (2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Tabela 16 Comparação entre os resultados de perda de massa do CRFA com o concreto
sem fibras, segundo a ASTM C1138M (2012) (HORSZCZARUK, 2009) . 54
Tabela 17 Teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov, com 5% de significância. . . 55
Tabela 18 Análise de variância dos dados de perda de massa dos concretos com diferentes
teores de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Tabela 19 Teste de Tukey com os dados de perda de massa dos concretos com diferentes
teores de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Tabela 20 Resultados do ajuste do modelo Horszczaruk-Sitnik aos dados experimentais
médios de perda de massa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Tabela 21 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM C1138M
(2012) - Corpo de Prova I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Tabela 22 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM C1138M
(2012) - Corpo de Prova II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabela 23 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM C1138M
(2012) - Corpo de Prova III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabela 24 Dados experimentais médios de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM
C1138M (2012) - Concreto: 80 kg/m3 de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Tabela 25 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 60 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova I. . . . . . . 84
Tabela 26 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 60 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova II. . . . . . 85
Tabela 27 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 60 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova III. . . . . 85
Tabela 28 Dados experimentais médios de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM
C1138M (2012) - Concreto: 60 kg/m3 de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Tabela 29 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 40 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova I. . . . . . . 86
Tabela 30 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 40 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova II. . . . . . 87
Tabela 31 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 40 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova III. . . . . 87
Tabela 32 Dados experimentais médios de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM
C1138M (2012) - Concreto: 40 kg/m3 de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Tabela 33 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 0 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova I. . . . . . . 88
Tabela 34 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 0 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova II. . . . . . 89
Tabela 35 Dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo no concreto de 0 kg/m3 de
fibras de aço, segundo a ASTM C1138M (2012) - Corpo de Prova III. . . . . 89
Tabela 36 Dados experimentais médios de desgaste hidro-abrasivo segundo ASTM
C1138M (2012) - Concreto: 0 kg/m3 de fibras de aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CRFA: Concreto reforçado com fibras de aço
VET: Vertedor extravasor de troncos
CEASB: Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens
FPTI: Fundação Parque Tecnológico Itaipu
CRF: Concreto reforçado com fibras
BISFA: The International Bureau for The Standardistation of Man-made Fibers
UHE: Usina Hidroelétrica
UHESA: Usina Hidroelétrica de Santo Antônio
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
LEME: Laboratório de Estruturas e Materiais de Engenharia
LISTADE SÍMBOLOS
R2: Coeficiente de determinação
λ: Fator de forma
mi: Massa da i-ésima partícula de concreto extraída
m(t): Massa média das partículas extraídas até ao tempo t
n(t): Número de partículas extraídas até o tempo t
a: Constante de ajuste
b: Constante de ajuste
te: Tempo em que ocorre a velocidade máxima de desgaste
Vmax: Velocidade máxima de desgaste
m: Teor total de agregados
α: Teor de argamassa
H: Relação água/materiais secos
Vt: Volume do corpo de prova no tempo t
mseca,t: Massa seca ao ar do corpo de prova
msub,t: Massa submersa do corpo de prova
ga: Massa unitária da água
∆Vt: Volume perdido de material
Vi: Volume inicial do corpo de prova
Vt: Volume do corpo de prova para o tempo considerado
Pt: Profundidade média de desgaste abrasivo
∆Vt: Volume perdido de material
A: Área do topo do corpo de prova
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.1 Objetivo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.2 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 O concreto reforçado com fibras de aço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 O desgaste hidro-abrasivo do concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 A influência da adição de fibras de aço na resistência à abrasão do concreto . . . . 29
2.4 Modelo matemático Horszczaruk-Sitnik para descrever o desgaste
hidro-abrasivo do concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Definição de variáveis - teores e tipo de fibras de aço empregadas . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Definição da proporção de materiais para a confecção do concreto avaliado . . . . . 36
3.2.1 Avaliação prática do traço apresentado por Gava (2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Caracterização dos materiais utilizados na moldagem dos corpos de prova . . . . . 40
3.3.1 Agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 Cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Aditivo superplastificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Moldagem dos corpos de prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Realização do ensaio abrasivo hidráulico (método submerso) segundo ASTM
C1138M (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Ajuste do modelo matemático aos dados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 RESULTADOS OBTIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1 Resultados de caracterização do concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Verificação da influência de diferentes teores de fibra de aço na resistência à
abrasão hidráulica do concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Ajuste de perda de massa segundo o modelo proposto por Horszczaruk-Sitnik . . 59
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
APÊNDICE A - Figuras dos corpos de prova ao longo do ensaio preconizado pela ASTM
C1138M (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
APÊNDICE B - Dados experimentais de perda de massa, perda volumétrica e
profundidade de desgaste de todos os corpos de prova, durante o ensaio preconizado
pela ASTM C1138M (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
APÊNDICE C - Todos os ajustes do modelo Horszczarul-Sitnik aos dados experimentais
segundo a ASTM C1138M (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11
1 INTRODUÇÃO
A concepção de reforçar com materiais fibrosos elementos resistentes à compressão,
porém de elevada fragilidade, perde-se no tempo. No antigo Egito colocava-se palha em argilas
para fazer tijolos, conseguindo-se maior resistência à flexão e, consequentemente, uma boa
manipulação após o seu cozimento ao sol (SARZALEJO et al., 2010).
O concreto é um exemplo de material frágil e de baixa capacidade de deformação.
Com a adição randômica de fibras de aço discretas na matriz cimentícia, produz-se o concreto
reforçado com fibras de aço (CRFA), e cria-se uma ponte através das fissuras, minimizando
consideravelmente a propagação de rachaduras, transmitindo a energia mecânica aplicada
mesmo após a fissuração (MINDESS, 1995). A sua utilização melhora muitas propriedades
importantes de concretos e argamassas, destacando-se a resistência ao impacto e dureza. As
resistências à flexão e à fadiga também são intensificadas. Tais melhorias nas propriedades do
concreto variam conforme o tipo e a quantidade das fibras usadas, assim como da qualidade da
matriz cimentícia (ACI, 1993).
No Brasil, o uso do concreto reforçado com fibras de aço se concentra em aplicações
de baixo consumo de fibras e estruturas contínuas, destacando-se o uso em pisos industriais.
Diferentemente, em países desenvolvidos, a sua utilização pode ser descrita como uma atividade
basicamente empírica, pois é muito frequente a utilização de teores fixos de fibras e a total
ausência de procedimentos de controle da qualidade do compósito (FIGUEIREDO, 2011).
O CRFA também é utilizado em obras hidráulicas, Zanella et al. (1987) descreveram o
uso bem sucedido do CRFA como revestimento em partes do vertedouro da Usina Hidroelétrica
de Itaipu. Adicionalmente, foram descritos bons resultados na construção de um vertedouro
extravasor de troncos (VET) na Usina Hidrelétrica Santo Antônio empregando o CRFA. Tal
aplicação possibilitou reduzir os custos da aplicação de aproximadamente 5.000 m de perfis
metálicos, o que demandaria um custo de construção maior (CHIEREGATO et al., 2016).
Estruturas hidráulicas, como canais, vertedouros, barragens e entre outas, estão sujeitas
a mecanismos físicos de desgaste devido ao fluxo hídrico. Segundo Momber e Kovacevic
(1994), estes fenômenos podem ser classificados em três grupos:
a) Erosão - que é a ação direta no material devido ao fluxo de água, com velocidade e tempo
suficientes para causar danos;
b) Cavitação - que é a ação do impacto de bolhas em escoamentos turbulentos;
12
c) Abrasão - que é a ação de partículas sólidas suspensas no escoamento que se chocam
com a superfície de concreto, causando atrito, esfolamento e ranhuras em sua superfície
(KORMANN 2002, apud ZUCH, 2008).
A abrasão hidráulica pode ser estudada em condições laboratoriais conforme a
ASTM C1138M (2012). Este ensaio consiste na circulação de 70 esferas de aço crômico, de
três diferentes diâmetros, em um corpo de prova cilíndrico de concreto submerso em água. O
atrito das esferas com a superfície do corpo de prova provoca o seu desgaste e este é avaliadopela perda de massa do corpo de prova (GROLLI et al., 2017).
Kryzanowski et al. (2012) comparou a profundidade de desgaste de corpos de prova
de concreto submetidos ao ensaio da ASTM C1138M (2012), com medições de profundidade
realizadas em condições naturais, na Usina Hidroelétrica de Vrhovo, na Eslovênia, e observaram
uma boa correlação entre os resultados experimentais e os obtidos in loco, obtendo um
coeficiente de determinação (R2) de 0,83, e concluindo o potencial deste procedimento em
recriar as condições de operação de estruturas hidráulicas submetidas à carga hidro-abrasiva.
Ainda não existe uma teoria suficientemente desenvolvida para modelar acuradamente
o desgaste hidro-abrasivo. Nessa situação, Sitnik (2008) fundamentou um modelo de desgaste
semi-empírico por meio de uma distribuição de densidade de probabilidade tipo log-normal,
utilizando conceitos e resultados da Teoria de Confiabilidade, e ajustou a formulação resultante
aos dados experimentais de perda de massa por cavitação em materiais metálicos. Horszczaruk
(2008) empregou tal modelo no estudo do desgaste por abrasão hidráulica no concreto, em
que os parâmetros do modelo foram ajustados aos dados experimentais obtidos segundo o
preconizado pela Norma ASTM C1138M (2012).
Neste trabalho foi verificada a influência da utilização de fibras de aço como reforço
na resistência à abrasão hidráulica do concreto, avaliada conforme a ASTM C1138M (2012).
Para isso, foram empregados quatro diferentes teores de fibras: 80, 60, 40 e 0 kg/m3, do tipo
Dramix RC 65/35 BN. Ao final, foram feitos justes do modelo matemático Horszczaruk-Sitnik
aos dados experimentais médios de perda de massa.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
Avaliar a perda de massa do concreto reforçado com fibras de aço quando submetido à
abrasão hidráulica.
13
1.1.2 Objetivos específicos
a) Verificar a influência de diferentes teores de fibra de aço na resistência à abrasão
hidráulica do concreto.
b) Comparar o desempenho, quanto à resistência à abrasão hidráulica, de concretos
reforçados com fibras de aço com o comportamento de concreto sem reforço.
c) Ajustar os modelos matemáticos de perda de massa e de velocidade de perda de massa
em função do tempo aos dados experimentais.
1.1.3 Justificativa
O concreto é amplamente utilizado nas construções civis e também em estruturas
hidráulicas, como vertedouros de usinas hidroelétricas. No passado, o principal avanço na
tecnologia do concreto foi no aumento de sua resistência à compressão. Contudo, a durabilidade
do concreto, em termos de importância para as indústrias de concreto, já é superior a sua
resistência mecânica (AITCIN, 2000). Se tratando de durabilidade em estruturas hidráulicas,
implica em saber descrever os mecanismos de desgaste que envolve a ação da água, como, por
exemplo, a abrasão hidráulica.
Este é o principal motivo que o Centro de Estudos Avançados em Segurança de
Barragens (CEASB) e a Fundação Parque Tecnológico Itaipu (FPTI) financiam o projeto
de pesquisa nomeado de “Estudos Experimental-Numéricos e Simulação Computacional
de Efeitos Abrasivo-Erosivos e Envelhecimento por Radiação Ultravioleta em Concretos
Assemelhados Àqueles Predominantes na Calha Esquerda do Vertedouro da Barragem da Usina
Hidroelétrica de Itaipu”, desenvolvido na UNIOESTE, sob coordenação do Prof◦ Dr◦ Rogério
Luis Rizzi. Este Trabalho de Conclusão de Curso é parte deste projeto de pesquisa e foi
conduzido objetivando avaliar o desgaste abrasivo de concreto reforçado com fibra de aço,
pois busca-se o estudo de materiais que possam ser empregados no reparo das estruturas do
vertedouro da Usina Hidroelétrica de Itaipu.
Conforme poderá ser visto na Revisão Bibliográfica deste trabalho, no que tange ao
desgaste hidro-abrasivo do concreto, existem dúvidas e contradições na literatura científica,
sendo que ainda não há um critério geral para projetar um concreto resistente contra este
mecanismo de desgaste. Melhorar a resistência à abrasão do concreto é algo complexo e de
grande importância para a engenharia de estruturas hidráulicas. Além disso, a utilização de um
modelo matemático capaz de se ajustar com precisão aos dados experimentais e, futuramente,
após a sua parametrização, pode servir como agente norteador no projeto de superfícies de
túneis, vertedouros, bacias e entre outras estruturas que sofrem a ação hidro-abrasiva.
14
O emprego das fibras de aço como reforço no concreto implica em muitos benefícios
para estruturas de engenharia (ACI, 1993; MINDESS, 1995; FIGUEIREDO, 2005; GAVA,
2006), mas o CRFA ainda é pouco utilizado no Brasil, pois falta embasamento técnico de muitos
especificadores e aplicadores brasileiros, agravado pela carência de referências normativas.
Sendo que a relação clara entre a fibra de aço no concreto e sua influência na resistência
hidro-abrasiva de estruturas é igualmente desconhecida. Este trabalho objetivou clarear estas
questões importantes para a Engenharia Civil, por meio de estudos bibliográficos, ensaios
experimentais e ajustes matemáticos.
15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O concreto reforçado com fibras de aço
As fibras com adequada resistência mecânica à tração, distribuídas homogeneamente
dentro do concreto, constituem uma micro-armadura que mostra-se eficaz para combater o
fenômeno de fissuração por retração, além de conferir considerável ductilidade à medida em
que se elevam a quantidade e resistência das mesmas. Em tais circunstâncias, proporciona-se
grande tenacidade ao concreto (SARZALEJO et al., 2010).
O reforço em estruturas de concreto pode ser contínuo, descontínuo ou uma
combinação entre ambos. O termo contínuo implica que o comprimento do reforço é semelhante
à dimensão do elemento estrutural, e geralmente mais largo que sua menor dimensão. Já o termo
descontínuo refere-se a um reforço significativamente menor do que o comprimento da peça.
Reforço descontínuo geralmente alude ao reforço por meio de fibras (NAAMAN, 2000).
O concreto que contém cimento, água, agregado e fibras discretas e descontínuas
é denominado concreto reforçado com fibras (CRF), e também pode conter pozolanas e
outras adições comumente utilizadas no concreto convencional (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
Segundo SARZALEJO et al. (2010), as fibras utilizadas como reforço no concreto podem ser
classificadas em função da matéria prima em que são produzidas como:
a) Metálicas: aços carbono, suas ligas e alumínio;
b) Naturais: amianto (asbesto), celulose e carbono;
c) Sintéticas: nylon, polipropileno e outras.
A Figura 1 apresenta uma classificação das fibras segundo o Serviço Internacional de
Normatização de Fibras Artificiais (BISFA, The International Bureau for The Standardistation
of Man-made Fibers):
16
Fibras
Naturais Artificiais
Orgânicas Inorgânicas
Por transformações de
polímeros naturais:
Polímeros sintéticos
Acetato - (CA)
Alginato - (ALG)
Tricetato - (CTA)
Acrílico - (PAN)
Aramida - (AR)
Fibra ao cloro - (CLF)
Fibra ao flúor - (PTFE)
Poliamida - (PA)
Poliestireno - (PES)
Poliestileno (PE)
Polilamida - (PI)
Polipropileno - (PP)
Vinil - (PVAL)
Outros
Carbono - (CF)
Cerâmica - (CEF)
Vidro - (GF)
Metal - (MTF)
Figura 1: Classificação das fibras segundo BISFA (BISFA, 2017).
Existem diversas combinações geométricas de fibras de aço para serem empregadas no
reforço do concreto. As propriedades geométricas que podem ser alteradas são a forma da seção
transversal; o comprimento; o diâmetro; o diâmetro equivalente e a superfície (NAAMAN,
2000). O diâmetro equivalente da fibra corresponde ao diâmetro de uma circunferência com
área igual àquela da seção transversal da fibra (SARZALEJO et al., 2010).
Outra característica geométrica importante da fibra é o fator de forma, λ, que é a razão
entre o comprimento da fibra e o seu diâmetro equivalente, ou seja, define a sua esbeltez (ACI,
1993). Assim, na igualdade de comprimento, quanto mais elevado for o fator de forma, mais
reduzido será o seu diâmetro equivalente - a fibraé mais esbelta. O fator de forma também é
conhecido como relação de esbeltez ou relação de aspecto.
O diâmetro equivalente das fibras utilizadas em concreto varia entre 0,4 e 0,8 mm,
podendo ser utilizadas fibras de até 1 mm de diâmetro (NAAMAN, 2000). O comprimento das
fibras de aço empregadas no concreto pode variar entre 12,7 mm e 63,5 mm (ACI,1993). Para
desenvolver uma melhor aderência entre a fibra de aço e a matriz de concreto, a fibra pode ter
sua geometria modificada ao longo do seu comprimento, alterando sua superfície ou incluindo
deformações mecânicas. Assim, as fibras podem ser lisas, dentadas, deformadas, onduladas
ou corrugadas, enroladas, torcidas e deformadas nas extremidades em forma de ganchos, pás,
botões ou qualquer outro tipo de ancoragem (NAAMAN, 2000). As configurações típicas das
fibras utilizadas no concreto reforçado com fibras de aço estão ilustradas na Figura 2.
17
Lisa com seção circular achatada ou qualquer seção
Superfície dentada
Superfície torcida (seção poligonal)
Circular deformada na extremidade em ganchos
Circular deformada na extremidade em pás
Circular deformada na extremidade em bot sõe
Ondulada circular, achatada ou qualquer seção
Figura 2: Perfis típicos das fibras utilizadas no concreto reforçado com fibras de aço (NAAMAN, 2000).
Segundo Figueiredo (2011), a maior parte das fibras de aço disponíveis possuem
extremidades na forma de gancho para aumentar sua ancoragem, sendo que seus comprimentos
normalmente variam de 25 mm, chamadas fibras curtas, a 60 mm, chamadas de fibras longas.
Para facilitar o manuseio e a mistura, também são encontradas fibras em feixes, coladas com
cola solúvel em água (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
A utilização de fibras de aço como reforço melhora muitas propriedades importantes
de concretos e argamassas, destacando-se a resistência ao impacto e dureza. As resistências à
flexão, fadiga e o potencial de resistir à propagação de fissuras também são intensificadas. A
extensão de tais melhorias nas propriedades do concreto varia conforme o tipo e a quantidade
das fibras usadas, assim como da qualidade da matriz cimentícia (ACI, 1993).
Os efeitos da adição de fibras de aço ao concreto também são resumidos por Mindess
(1995) nos seguintes itens:
a) As fibras, quando empregadas em teores inferiores a um volume crítico, têm pouco ou
nenhum efeito na resistência estática do concreto (compressão, tração e flexão), assim
como na resistência ao cisalhamento;
b) As fibras, em alguns casos, são também efetivas na melhoria das propriedades
dinâmicas do concreto, particularmente na resistência à fadiga e no comportamento sob
carregamento de impacto;
c) As fibras aumentam consideravelmente a tenacidade ou a energia à fratura do concreto;
d) As fibras podem melhorar a componente mecânica de aderência entre o concreto
e as barras de reforço convencionais tanto em carregamentos estáticos quanto em
carregamentos dinâmicos, porque as fibras atuam como inibidoras da propagação das
fissuras oriundas da deformação das barras de aço;
18
e) As fibras não têm muito efeito sobre a fluência do concreto, contudo apresentam
considerável influência sobre a retração. As fibras de polipropileno em dosagens de
até 0,1% em volume podem reduzir a retração plástica, mas nesta dosagem têm pouco
efeito sobre a retração por secagem. As fibras de aço podem diminuir a retração plástica,
contudo seu efeito é mais significativo na redução da retração por secagem;
f) As fibras podem ser utilizadas para substituir as malhas de aço empregadas em lajes
e pavimentos de concreto. As fibras aleatoriamente distribuídas na massa de concreto
permitem a transferência uniforme das tensões e consequentemente contribuem para o
controle da fissuração das peças. Distintamente, as malhas de aço para efetivamente
controlarem a fissuração das lajes e pavimentos, devem estar corretamente posicionadas
na parte tracionada da peça, o que muitas vezes não ocorre devido à dificuldade de manter
tais malhas na parte superior do pavimento durante a moldagem deste;
g) As fibras podem reduzir a permeabilidade do concreto, mas este efeito não é muito
significativo.
Figueiredo (2011) realizou uma pesquisa junto aos principais fabricantes e
representantes nacionais de fibras para reforço do concreto, seus resultados estão ilustrados
na Figura 3. Nota-se que o mercado nacional de fibras é centralizado em aplicações de baixo
consumo de fibras e estruturas contínuas, como na pavimentação industrial, que é a principal
aplicação das fibras de aço. Em segundo lugar vem o concreto projetado e, em terceiro, os
pré-moldados.
Figura 3: Distribuição do mercado brasileiro de fibras de aço por tipo de aplicação no ano de 2009 e no
primeiro semestre de 2010 (FIGUEIREDO, 2011)
Segundo Noronha e Cossich (1981), as vantagens que se obtém na aplicação do CRFA
em estruturas pré-fabricadas são:
19
a) Diminuição dos custos de mão de obra;
b) Aumento da produção;
c) Diminuição de quebra de peças durante o transporte;
d) Diminuição do peso das peças;
e) Melhoria das condições de durabilidade;
f) Diminuição de custos de transporte;
g) Diminuição dos custos de manutenção.
Apesar da pesquisa do Figueiredo (2011), o CRFA é também utilizado em projetos
que apresentam condições especiais. Buscando um concreto capaz de resistir ao desgaste
hídrico provocado por uma vazão de até 62.200 m3/s, vazão máxima do vertedouro da Usina
Hidroelétrica (UHE) de Itaipu, Silva e Scandiuzzi (1980) desenvolveram uma programação de
estudos que englobou a otimização de uma mistura de CRFA, considerando principalmente
propriedades como consistência, abatimento e resistência mecânica, neste trabalho, porém, não
foi mencionando nenhum experimento de desgaste hídrico. Concluiu-se que, para desenvolver
um traço de CRFA adequado, deve-se aumentar o seu teor de argamassa, afim de obter uma
mistura homogênea e com características mecânicas apropriadas. Notou-se também que as
fibras melhoraram consideravelmente a resistência à flexão e à tração do concreto. Em termos
de resistência à compressão, não observou-se mudanças significativas.
Nos estudos de desgaste hídrico feitos por Zanella et al. (1987), realizados em
um modelo reduzido do vertedouro da UHE de Itaipu, verificou-se que a região da soleira
imediatamente à jusante dos pilares estava sujeita, devido à turbulência da água, a um maior
desgaste. Com o objetivo de minimizar este problema, foi proposta, como possível alternativa,
a aplicação do CRFA naquela área.
Foram realizados ensaios de resistência à abrasão hidráulica, utilizando um método
desenvolvido no laboratório de concreto da ITAIPU, com base no experimento CED-801. A
Figura 4 mostra o desempenho superior do CRFA em comparação com o concreto convencional,
sem fibras e de mesmo traço. A Figura 5 apresenta um corpo de prova desgastado após o ensaio
de abrasão hidráulica (ZANELLA et al., 1987).
1CED-80 foi um procedimento de ensaio hidro-abrasivo no concreto, antecessor a padronização proposta pela
ASTM C1138M (2012) (CAUSEY, 1985).
20
Desgaste (%)
Tempo (h)
1 2 3 4 5 6
72
60
48
36
24
12
Desgaste (%)
Tempo (h)
1 2 3 4 5 6
72
60
48
36
24
12
Concreto Reforçado
com Fibras de Aço
Concreto
Convencional
Figura 4: Gráficos de desgaste hidro abrasivo no concreto (ZANELLA et al., 1987).
Figura 5: Corpo de prova de CRFA após 72 horas de ensaio hidro-abrasivo (ZANELLA et al., 1987).
Com o objetivo de simular as condições de produção, lançamento e acabamento
na obra, foi executada uma laje de 6 m2, em um plano inclinado (1:4), como ocorre na
calha do vertedouro da Itaipu. Uma tentativa de se fazer o acabamento, imediatamente após
o adensamento do concreto, com o auxílio de uma régua vibratória, não apresentou bons
resultados. Assim, efetuou-se um sarrafeamento simples e posterior alisamento manual com
desempenadeira de madeira. Ao iniciar a pega do concreto, a superfície da laje recebeu um
acabamento final com desempenadeira metálica.A Tabela 1 apresenta informações técnicas da
fibra estudada, e que foi posteriormente empregada no CRFA que revestiu partes do vertedouro
da UHE de Itaipu (ZANELLA et al., 1987).
21
Tabela 1: Tipo de fibra utilizada no concreto que revestiu partes do vertedouro da UHE de Itaipu - sua
seção era lisa e sem ganchos (ZANELLA et al., 1987).
Características Valor
Comprimento do fio (mm) 25
Diâmetro (mm) 0,4
Fator de forma 62,5
Massa específica (g/cm3) 7,94
A aplicação do CRFA no vertedouro da UHE de Itaipu foi executada em uma área de
aproximadamente 50 m2, com 50 cm de espessura, à jusante de cada pilar da calha. Após o
concreto ter suportado grandes vazões, superiores a 38.000 m3/s, verificou-se em campo que
o CRFA não apresentou desgastes aparentes. A Figura 6 apresenta uma fotografia do dia da
vistoria, e outra da superfície do revestimento de CRFA utilizado (ZANELLA et al., 1987).
Figura 6: Fotografias da calha esquerda do vertedouro da UHE de Itaipu: a) Durante a vistoria, b)
Aspecto do CRFA após as condições reais de desgaste hídrico (ZANELLA et al., 1987).
A Usina Hidroelétrica de Santo Antônio (UHESA), localizada no Rio Madeira - RO,
também é um exemplo da aplicação do CRFA em situação de desgaste superficial hídrico
significativo, mas com o agravante de que, em épocas de cheia, o Rio Madeira apresenta um
escoamento de troncos, detritos e demais corpos flutuantes ao longo de seu curso. Estima-se
que, na região onde foi construída a usina, chegam a passar 7.500 unidades por dia neste
período. A Figura 7 apresenta uma vista aérea desta UHE (CHIEREGATO et al., 2016;
BUSCARIOLLO, 2017).
22
Figura 7: Vista aérea da Usina Hidroelétrica de Santo Antônio - utiliza-se um sistema para passagens de
troncos e demais detritos afim de minimizar problemas ambientais (BUSCARIOLLO, 2017).
Inicialmente, o projeto desta estrutura para transposição de corpos flutuantes, chamada
de vertedouro extravasor de troncos (VET), foi concebido em revestimento metálico, visando
proteger suas superfícies contra os efeitos hidro-abrasivos da água e o notável impacto de
troncos de cone, que podem apresentar diâmetros superiores a 50 cm. Devido a problemas de
prazo e buscando alternativas mais econômicas, decidiu-se empregar o CRFA com consumo
de 80 kg/m3, e fibra do tipo DRAMIX RC 65/35 BN - a mesma utilizada neste trabalho
(CHIEREGATO et al., 2016).
O uso do CRFA no vertedouro extravasor de troncos da UHESA foi considerado
bem-sucedido, devido aos acabamentos das faces hidráulicas, e também pelos resultados dos
dados de controle. Adicionalmente, o uso das fibras de aço como reforço também resultou
em um controle maior contra a fissuração por retração, o que se pôde confirmar por medições
de temperatura in loco. O CRFA com consumo de 80 kg/m3 pode suportar temperaturas da
ordem de 75◦C, enquanto o limite para o concreto sem fibras seria de aproximadamente 45◦C,
limitando os consumos de cimento ou exigindo a pré-refrigeração do concreto. A Figura 8
apresenta uma vista interna do VET da UHESA, destacando o bom acabamento do revestimento
de CRFA (CHIEREGATO et al., 2016).
23
Figura 8: Acabamento das faces hidráulicas do VET da UHE de Santo Antônio (CHIEREGATO et al.,
2016).
Segundo Chieregato et al. (2016), a alternativa de utilização do CRFA no VET
possibilitou reduzir os custos que demandariam a aplicação de aproximadamente 5.000 m de
perfis metálicos e, consequentemente, os prazos que esta montagem exigiria, juntamente com a
blindagem, previstos no projeto inicial.
Apesar destes exemplos, a prática de utilização do concreto reforçado com fibra no
Brasil pode ser descrita como uma atividade basicamente empírica, pois é muito frequente a
utilização de teores fixos de fibras e a total ausência de procedimentos de controle da qualidade
do compósito. Os consumos de fibras de aço normalmente são fixados em múltiplos de 5 kg/m3
de concreto e não há preocupação da realização de uma otimização na dosagem, dado que não
há verificação de desempenho, mesmo custando cerca de quinze vezes mais que o cimento
(FIGUEIREDO, 2011).
Para mitigar esta situação, ainda devem ser vencidas várias dificuldades tecnológicas.
Isto é necessário para a confirmação da aplicação do CRFA como uma técnica amadurecida
do ponto de vista de engenharia nas condições nacionais. Esta afirmação não advém da
possibilidade de haver dúvidas quanto à viabilidade da tecnologia. O fato é que ainda falta
embasamento técnico de muitos especificadores e aplicadores brasileiros, o que é agravado pela
carência de referências normativas a respeito do assunto. Esta situação pode ser explicada,
em parte, pelo fato de haver poucos pesquisadores brasileiros atuando de maneira sistemática
na área do CRFA. Além disso, há uma grande dificuldade de transferência dos resultados de
pesquisa para o meio produtivo (FIGUEIREDO, 2011).
Em 2007, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) publicou a primeira
norma referente as fibras de aço utilizadas como reforço no concreto, intitulada de ABNT NBR
15530 (2007) "Fibras de aço para concreto - Especificação". Anteriormente, porém, o emprego
das fibras no Brasil era realizado sem que se tivesse à disposição qualquer norma nacional sobre
o assunto. Ou seja, a produção de fibras não precisava atender a qualquer requisito e o controle
24
do material em si era praticamente inexistente. Naturalmente, esta situação expunha o mercado
a riscos de insucesso causados pela falta de parâmetros mínimos que servissem de referência
para balizar a especificação e seleção do material (FIGUEIREDO, 2008).
Esta norma procura estabelecer parâmetros de classificação para as fibras de aço de
baixo teor de carbono e dispor sobre os requisitos mínimos de forma geométrica, tolerâncias
dimensionais, defeitos de fabricação, resistência à tração e dobramento. A ABNT NBR 15530
(2007) determina uma tipologia e classificação de fibras de aço, o que pode ser apontado como
uma grande contribuição. Esta classificação permitiu estabelecer os requisitos e tolerâncias
específicas do material. São previstos na norma três tipos básicos de fibras em função de sua
conformação geométrica:
a) Tipo A: fibra de aço com ancoragens nas extremidades;
b) Tipo C: fibra de aço corrugada;
c) Tipo R: fibra de aço reta (ABNT NBR 15530, 2007).
Além dos tipos de fibras, a especificação brasileira para fibras de aço prevê três classes
de fibras, as quais foram associadas ao tipo de aço que deu origem as mesmas:
a) Classe I: fibra oriunda de arame trefilado a frio;
b) Classe II: fibra oriunda de chapa laminada cortada a frio;
c) Classe III: fibra oriunda de arame trefilado e escarificado (ABNT NBR 15530, 2007).
A Figura 9 apresenta esquematicamente a configuração geométrica dos referidos tipos
e classes de fibras previstas pela norma.
25
l
e
w
e
w
l
l
d
l
d
l
d
A
l
A
l
e
w
e
SEÇÃO A-A
Tipo Classe da fibra Geometria
A
C
R
I
I
I
II
II
II
III
Figura 9: Classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto (ABNT NBR 15530,
2007).
Em resumo, a norma procura se ater ao produto fibra, sem regular a verificação de
seu desempenho no concreto, o que deverá ser objeto de normalização futura (FIGUEIREDO,
2008). Assim, deve-se ressaltar o fato de que uma fibra que atenda a norma não terá garantido
o desempenho final no CRFA, dado que isto depende de uma série de fatores ligados às
características das fibras, do concreto e de sua interação (FIGUEIREDO, 2005).
26
2.2 O desgaste hidro-abrasivo do concreto
O termo abrasão geralmente se refere ao atrito seco, como no caso de desgaste em
pisos e pavimentos industriais por tráfego de veículos (MEHTA; MONTEIRO, 2008). Já em
estruturas hidráulicas, a terminologia é empregada para descrever o processo de desintegração
das superfícies de concreto expostas, resultante de cargas decorrentes do transporte de
sedimentos por fluídos (KRYZANOWSKI et al., 2012). Além da abrasão, existem outros dois
mecanismos de desgastenão químicos ou térmicos que envolvem a ação da água. A erosão,
ação direta do fluxo hídrico, e a cavitação, que leva à degradação pelo impacto de bolhas de
vapor formadas durante o fluxo turbulento. (MOMBER; KOVACEVIC, 1994).
Kryzawoski (2009) descreveu as fases do desgaste por abrasão hidráulica.
Inicialmente, o processo abrasivo é causado pelo transporte de sedimentos. O dano nas
estruturas de concreto, assim resultando em polimento/moagem devido ao rolamento ou
deslizamento de sedimentos (siltes, areais, cascalho e outros sólidos) contra a superfície.
Aumentando a capacidade de transporte, as pequenas partículas começam a se mover em
suspensão, e grandes partículas sólidas podem se mover por meio do rebote. Nesta fase,
o processo hidro-abrasivo depende do transporte de cargas de matéria em suspensão, e o
dano devido ao impacto de partículas sólidas na superfície do concreto pode ser observado.
Aumentando a capacidade de transporte, o tamanho e quantidade das partículas aumentam
significativamente e, simultaneamente, as pulsantes pressões na água também. Isso contribui
para a intensidade da abrasão.
As áreas mais suscetíveis a danos incluem vertedouros, bacias, condutos de drenagem
e revestimentos de túneis (GRAHAM, 1998). O dano abrasivo no concreto dessas estruturas
leva a problemas de manutenção, e o seu desgaste tipicamente varia de alguns centímetros a
muitos metros, e, em alguns casos, danos graves ocorrem depois de alguns anos de operação.
Danos abrasivos menores, em geral, não são um problema, mas danos mais severos podem
por em risco a integridade estrutural do concreto. Para proteger a estrutura hidráulica contra a
abrasão, busca-se misturas de concretos duráveis e resistentes (YEN et al., 2007).
Muitas vezes, o termo abrasão também é usado para descrever, genericamente, o
efeito de cavitação - que seria a formação de bolhas no fluído e o impacto destas com a
superfície de concreto. Contudo, como o mecanismo de ocorrência de tais fenômenos é distinto,
devem-se isolar tais eventos durante o experimento. Assim, estuda-se a abrasão hidráulica com
velocidades abaixo da velocidade crítica, em que o fluxo não se torna turbulento e evita-se a
cavitação (HORSZCZARUK, 2009).
Estes fenômenos físicos, somados a outros químicos e térmicos, atuam
simultaneamente nas estruturas hidráulicas. Assim, deve-se enfatizar que a distinção entre
27
causas físicas e químicas de deterioração é puramente arbitrária já que, na prática, as duas
frequentemente se sobrepõem. Por exemplo, a perda de massa por desgaste superficial e a
fissuração aumentam a permeabilidade do concreto, tornando-se a causa primária de um ou
mais processos de deterioração química. Da mesma forma, os efeitos nocivos dos fenômenos
químicos são físicos, a lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida por água
ou fluídos ácidos aumentará a porosidade do concreto, tornando o material mais vulnerável ao
desgaste superficial (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
O desgaste do concreto pode ser descrito como a mudança ou diminuição de sua
massa ou na profundidade de sua superfície, em função da caracterização dos materiais
(HORSZCZARUK, 2008). A resistência abrasiva do concreto é influenciada por fatores como,
resistência à compressão, proporção da mistura (traço), uso de aditivos cimentícios, adição de
fibras, condições de cura e acabamento da superfície (YEN et al., 2007). Mehta e Monteiro
(2008) também afirmam que os concretos resistentes ao desgaste hídrico tendem a possuir uma
baixa relação água/cimento, assim é comum o uso de adições ou aditivos superplastificantes.
Poliszuk (2015) realizou ensaios de resistência à abrasão hidráulica variando a relação
água/cimento e o teor de sílica ativa para uma dada relação água/cimento. Embora se tenha
produzido concretos de maior resistência à compressão, a maior concentração de sílica ativa
não alterou a resistência hidro-abrasiva do concreto significativamente. Contrariamente à
relação água/cimento, que apresentou influência considerável na perda de massa média dos
concretos ensaiados. Já Horszczaruk (2009) aponta que a resistência hidro-abrasiva depende
prioritariamente da zona de transição entre pasta cimentícia-agregado e pasta cimentícia-fibra
de aço. No geral, também deve-se ter cuidado com misturas de alto consumo de cimento, pois
estas liberam muito calor durante a hidratação, ocasionando fissuras e baixa durabilidade. Para
aumentar a vida útil das estruturas hidráulicas e que elas continuem seguras o maior tempo
possível, o concreto hidráulico deve ter uma alta durabilidade (YEN et al., 2007).
A abrasão hidráulica possui procedimento de teste normatizado que, segundo a ASTM
C1138M (2012), consiste na circulação de esferas de aço em um corpo de prova cilíndrico
de concreto submerso em água. O atrito das esferas com a superfície do corpo de prova
provoca o seu desgaste e este é avaliado pela perda de massa do corpo de prova. Kryzanowski
et al. (2012) compararam os resultados experimentais, obtidos em conformidade com esta
norma, com medições realizadas in loco no vertedouro da UHE Vrhovo, localizada no rio
Lower Sava - Eslovênia. O objetivo era verificar se os resultados experimentais, obtidos com
a ASTM C1138M (2006), possuem alguma correlação com o desgaste superficial do concreto
em condições reais de funcionamento de um vertedouro.
Assim, em 2001, moldou-se 9 corpos de prova de 2,5 x 2,5 m2 e espessura de 10 cm,
em uma das calhas do vertedouro da UHE Vrhovo. Seis destas áreas foram preenchidas com
28
concretos feitos em laboratório, enquanto que o restante foi preenchido com concretos de alta
resistência comerciais, cujo desempenho não foi relatado. Após aproximadamente 2,5 anos,
constituindo 804 horas de operação do vertedouro, mediu-se a profundidade de desgaste no
centro dos corpos de prova, em relação a marcas nas laterais da calha. A Figura 10 apresenta
uma fotografia tirada durante a moldagem destes corpos de prova (KRYZANOWSKI et al.,
2012).
Figura 10: Moldagem dos corpos de prova na calha do vertedouro da UHE Vrhovo (KRYZANOWSKI
et al., 2012).
Os mesmos traços dos concretos moldados em campo foram ensaiados por 72
horas segundo a ASTM C1138M (2006) com 900 dias de idade, onde também obteve-se
profundidades de desgaste, mas em condições laboratoriais. A Figura 11 compara os resultados
obtidos in loco e em laboratório (KRYZANOWSKI et al., 2012).
29
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
P
ro
fu
n
d
id
a
d
e
 d
e
 D
e
s
g
a
s
te
 -
 (
m
m
)
Misturas de Concreto
M1 M2 M3 M4 M5 M6
ASTM C1138M (2006)
in loco
Figura 11: Comparação das profundidades de degaste obtidas em campo e segundo a ASTM C1138M
(2006) (KRYZANOWSKI et al., 2012).
Por meio de análises regressivas, Kryzanowski et al. (2012) obtiveram um coeficiente
de determinação, R2, de 0,83 entre as profundidades de desgaste obtidas experimentalmente
com a ASTM C1138M (2006), durante 72 horas de ensaio, e com medições na calha do
vertedouro da usina UHE Vrhovo. Ao utilizar a profundidade dos corpos de prova ensaiados
em laboratório com 36 horas, encontrou-se um coeficiente de determinação de 0,92. Assim,
concluiu-se que o método de ensaio hidro-abrasivo da referida norma foi conveniente para
correlacionar quantitativamente o desgaste hídrico do vertedouro desta usina, podendo ser
utilizado no aperfeiçoamento de futuros reparos na calha.
2.3 A influência da adição de fibras de aço na resistência à abrasão do concreto
As estruturas hidráulicas de concreto submetidas ao desgaste abrasivo por partículas
arrastadas na água são, muitas vezes, submetidas a outros fatores mecânicos, como cargas
dinâmicas ou cargas variáveis, sendo que o resultado de usar concretos de alta resistência,
nestes casos, não é sempre positivo. As possibilidades de melhora da resistência da matriz
cimentícia para com as ações agressivas do meio ambiente são, algumas vezes, relacionadas
com a introdução de diferentes fibras na matriz (HORSZCZARUK,2009).
A utilização de fibras de aço no concreto pode aperfeiçoar sua resistência para com
a cavitação, conforme o trabalho de Hu, Momber e Yu (2002). Entretanto, as fibras de aço
nem sempre melhoram a resistência erosiva e abrasiva do concreto em estruturas hidráulicas.
No caso da ação das partículas carregadas pela água a uma velocidade inferior a 10 m/s,
quando a cavitação não ocorre, um desgaste superior do concreto reforçado com fibras de
30
aço foi observado, quando comparado com o concreto sem fibras (HORSZCZARUK, 2004;
HORSZCZARUK, 2009).
O fenômeno de arrancar (pull out) fibras da matriz do cimento é comum no CRFA
(HORSZCZARUK, 2009). Segundo Hu (2002), o papel mais significante no processo de
desgaste abrasivo do concreto reforçado com fibras de aço é desencadeado pela inclinação
angular das partículas na superfície do concreto e a orientação de fibras de aço. Depois
de completar os testes abrasivos, Horszczaruk (2009) concluiu por meio de observações
macroscópicas na superfície das amostras, que as fibras de aço foram rompidas e puxadas para
fora da matriz, devido ao choque do material abrasivo (esferas de aço) com as fibras expostas.
A Figura 12 apresenta uma imagem macroscópica da superfície do concreto para ilustrar este
fenômeno.
Figura 12: Imagem macroscópica da superfície de um corpo de prova de CRFA submetido ao desgaste
abrasivo segundo ASTM C1138M (2012): 1 - Vazio deixado pela fibra, 2 - Fibra cortada
(HORSZCZARUK, 2009).
Este fenômeno é mais comumente observado em baixos ângulos de incidência entre as
partículas abrasivas e a superfície de concreto, α ≈ 15◦. Ou seja, quando as partículas colidem
perpendicularmente com o eixo longitudinal da fibra (SONG, HWANG e SHEU, 2005).
No caso do ângulo de incidência (α) entre 45◦ e 60◦ e sem que as fibras de aço
estivessem em paralelo com a superfície desgastada, a zona sombreada (shadow zone) é criada
atrás das fibras expostas, como resultado do contato perpendicular com o eixo longitudinal da
fibra. Esta área é protegida da ação abrasiva, porque a energia total do impacto é absorvida
pelas fibras de aço, que reflete as partículas abrasivas (HORSZCZARUK, 2008). A Figura 13
apresenta um desenho esquemático da formação da zona sombreada.
31
Proteção
Fibra
Zona
sombreada
α
Figura 13: Desenho esquemático da formação da zona sombreada (HORSZCZARUK, 2004).
A abrangência da zona sombreada depende do comprimento e fator de forma das fibras
de aço usadas e do posicionamento das fibras na matriz (HU et al., 2004). A delaminação das
fibras de aço rígidas da matriz do cimento é observada sob a influência de uma energia de choque
das esferas de aço. As fibras de aço sofrem considerável deformação plástica, causando também
fissuras próximas à zona de transição entre a fibra e a argamassa. Após a quebra da fibra, o
material da zona sombreada tende a ser desgastado por conta das esferas (HORSZCZARUK,
2008). A Figura 14 apresenta uma fotografia de uma zona sombreada.
Figura 14: Imagem macroscópica de um corpo de prova de concreto, as setas indicam a formação da
zona sombreada (HORSZCZARUK, 2008).
32
O tamanho da zona sombreada depende do ângulo de incidência das partículas
abrasivas e da direção das fibras de aço posicionadas na superfície testada. Devido às
especificações do ensaio hidro-abrasivo não foi possível, até o momento, formular uma relação
precisa entre o ângulo de incidência e a taxa de desgaste do concreto. Assim como em testes
laboratoriais, o ângulo de incidência varia de 0−90◦ em condições reais - partículas carregadas
pela água (HORSZCZARUK, 2009).
As conclusões da influência do uso de fibras de aço e de fibras de polipropileno na
resistência abrasiva do concreto de alto desempenho de Horszczaruk (2009) são apresentadas
como:
a) O grau de desgaste da superfície do concreto reforçado com fibras de aço depende do
posicionamento das fibras de aço, em relação à superfície superior da amostra, e do ângulo
de incidência da mistura abrasiva com a fibra. A, chamada até então, zona sombreada
foi observada quando as fibras de aço estavam aproximadamente perpendiculares com
a superfície da amostra, causando uma diminuição local de desgaste atrás da fibra. O
tamanho da zona sombreada depende do ângulo de incidência das partículas abrasivas,
para com a amostra de concreto, e do posicionamento das fibras de aço em relação à
superfície testada;
b) Uma maior resistência abrasiva foi observada em concretos reforçados com fibras de aço
menos rígidas - fator de forma acima de 50;
c) O uso de fibras de polipropileno causou um aumento da resistência abrasiva do concreto,
particularmente durante as primeiras 48h do teste.
2.4 Modelo matemático Horszczaruk-Sitnik para descrever o desgaste hidro-abrasivo do
concreto
Esta seção apresenta um modelo tipo log-normal, fundamentado matematicamente por
Sitnik (2008), por meio de conceitos e resultados da Teoria de Confiabilidade, e ajustado à
dados experimentais de desgaste hidro-abrasivo do concreto por Horszczaruk (2008) e Poliszuk
(2015). Este modelo, nomeado neste trabalho de Horszczaruk-Sitnik, também mostrou-se
apropriado para descrever o desgaste erosivo do concreto (ERBES et al., 2017), e cavitativo
em elementos metálicos, demonstrando um potencial de aplicação em outros tipos desgaste
superficial (SITNIK, 2008).
O processo de desgaste abrasivo pode ser descrito pelo decrescimento da massa do
concreto, causado por cargas que entram em contato com sua superfície. Assim, a massa total,
M(t), perdida por abrasão hidráulica até um tempo t pode ser determinada a partir da Equação
1.
33
M(t) =
n(t)∑
i=1
mi ≈ n(t)m(t) (1)
Em que mi é a massa da i-ésima partícula de concreto extraída, m(t) é a massa média
das partículas extraídas até ao tempo t e n(t) é o número de partículas extraídas até o tempo t.
Para formular a Equação 2, Sitnik (2008) usou conceitos e resultados da Teoria da
Confiabilidade, assim como resultados experimentais de desgaste por cavitação de materiais
metálicos, tal como aço, ferro fundido e alumínio. Ele concluiu que tal perda de massa pode ser
modelada pela Equação 2 - o modelo Horszczaruk-Sitnik.
M(t) = a[ln(t+ 1)]b (2)
Em que a e b são constantes de ajuste e t é o tempo em que a carga realiza o desgaste.
A Equação 2 foi baseada no pressuposto de que o diâmetro mínimo das partículas extraídas pelo
desgaste é constante e de diâmetro aproximado de 2 µm. Se o decréscimo de massa de concreto
após o tempo t pode ser descrito segundo a Equação 2, a velocidade de decrescimento de massa
do concreto, V (t), é determinada pela Equação 3
V (t) = M(t)′ =
d
dt
M(t) =
{
a[ln(t+ 1)]b
}′
=
ab
t+ 1
a[ln(t+ 1)]b−1
(3)
Da Equação 3, pode-se avaliar a velocidade máxima de desgaste, fazendo-se M(t)′′
igual a zero. Ou seja, a seguinte condição deve ser determinada:
M(t)′′ =
d2M(t)
dt2
=
ab
(t+ 1)2
{
(b− 1)[ln(t+ 1)]b−2 − [ln(t+ 1)]b−1
}
= 0
Obtendo, após alguma manipulação algébrica, que:
te = exp(b− 1)− 1 (4)
Em que te é o tempo necessário para se alcançar a velocidade máxima de desgaste,
Vmax. O valor máximo da velocidade de desgaste da massa é dada pela Equação 5
34
Vmax = maxM(t) =
ab
te + 1
[ln(te + 1)]
b−1
= ab
[(
b− 1
e
)]b−1 (5)
O modelo matemático que descreve o processo de desgaste abrasivo, Equação 2, assim
como a formulação para a velocidade de desgaste, Equação 3, podem ser apresentados quando
os valores das constantes de ajuste, a e b, são conhecidos. Seus valores são obtidos por meio de
ajustes, empregando métodos de regressão linear, aos dados determinados experimentalmente a
partir dos ensaios realizados em laboratório.
35
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Com o objetivo de verificar a influência da utilização de fibras de aço como reforço do
concreto na resistência à abrasão hidráulica, foi desenvolvido um programa experimental que
será detalhado na sequência.
3.1 Definição de variáveis - teores e tipo de fibras de aço empregadas
Um trabalho teórico e experimental foi conduzidopara a definição do tipo de fibra a
ser mais adequada, assim como o seus teores, com base no trabalho de Chieregato et al. (2016),
com a intenção de testar um concreto reforçado com fibras de aço com potencial de ser utilizado
em revestimento de estruturas hidráulicas, como os vertedouros.
Conforme Chieregato et al. (2016), durante a construção da Usina Hidroelétrica de
Santo Antônio, foi necessário construir um vertedouro extravasor de troncos (VET), devendo
estar estruturalmente apto a resistir impactos de troncos e ao desgaste hidro-abrasivo, sendo
que, inicialmente, este projeto seria concebido em estrutura metálica.
Porém, devido aos prazos previstos para execução da estrutura do VET e buscando
alternativas técnicas e econômicas, avaliou-se a utilização de concretos com características
especiais. Dentre estes, a opção escolhida foi o CRFA com consumo de fibras de 80 kg/m3, em
função da necessidade de atendimento aos requisitos de resistência à tração do concreto, à água
em velocidade e, notadamente, para absorver os impactos dos troncos. Assim, o Laboratório de
Controle Tecnológico da UHE de Santo Antônio realizou os estudos e ajustes experimentais das
dosagens de concreto, viabilizando esta técnica. A Figura 15 ilustra onde o CRFA foi utilizado
no vertedouro (CHIEREGATO et al., 2016).
Figura 15: Utilização do CRFA (em cinza escuro) na construção do Vertedouro Extravasor de Troncos
da UHE de Santo Antônio (CHIEREGATO et al., 2016).
36
A partir disso, optou-se neste trabalho testar os teores: 0, 40, 60 e 80 kg/m3,
mantendo-se o traço do concreto constante, objetivando avaliar a influência das fibras de aço
na resistência à abrasão hidráulica. Para isso, foi solicitado um pedido de doação à empresa
Dramix, no qual foi cedido 80 kg de fibras de aço do tipo RC 65/35 BN, que é a mesma utilizada
na construção do VET da UHE de Santo Antônio (CHIEREGATO et al., 2016). Este tipo de
fibra possui 14.500 fibras/kg, fator de forma de 64, sendo recomendado um consumo mínimo
de 17 kg/m3. A Figura 16 apresenta as demais informações técnicas da fibra empregada.
Figura 16: Especificações da fibra Dramix RC 65/35 BN (Catálogo Dramix).
3.2 Definição da proporção de materiais para a confecção do concreto avaliado
Para definir o traço do concreto a ser testado, foram analisadas as propriedades do
concreto de outros trabalhos listados abaixo, onde utilizou-se fibras de aço como reforço.
Dentre todos os trabalhos analisados, foi escolhido um para avaliar seu comportamento,
como abatimento, coesão, resistência à compressão e entre outros, empregando os agregados
disponíveis na região e verificar possíveis modificações, caso necessárias. O concreto que foi
utilizado nas moldagens deveria apresentar uma fluidez adequada, sem perder a coesão. Posto
que, diferentemente dos concretos sem a presença de fibras, o CRFA não pode ser adensado
utilizando um soquete metálico ou vibrador por imersão, já que no local onde coloca-se estes
aparatos não haverá fibra (GAVA, 2006).
Hu et al. (2004) avaliaram o desgaste hidro-erosivo do concreto comum e CRFA,
por meio de jato hidráulico sob pressão, variando a velocidade do fluxo, em dois ângulos de
incidência, 15 e 90◦. A Tabela 2 resume a proporção de materiais utilizadas neste trabalho.
37
Tabela 2: Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de Aço utilizado
por Hu et al. (2004).
Cimento Areia Pedrisco Água/cimento m α H Consumo de fibras
- - - - - (%) (%) (kg/m3)
1 1,38 2,22 0,55 3,6 52 12 5
Em que: m é o teor total de agregados, α é o teor de argamassa e H é a relação água/materiais secos.
Neste traço foram encontrados dois impedimentos. O primeiro é que o concreto
apresentou uma resistência à compressão baixa, 32 MPa, o que não é adequado para um
concreto com potencial de ser utilizado como reparo em vertedouros. O segundo refere-se ao
baixo consumo de fibras, onde empregou-se apenas 5 kg/m3. Segundo o American Concrete
Institute (1993), o teor usual de fibras de aço em concreto situa-se em torno de 0,25% em relação
ao volume, o que corresponde a aproximadamente 20 kg/m3. Ou seja, um teor de fibras inferior
a este, não apresentaria mudanças significativas no concreto.
Horszczaruk (2004) avaliou a resistência à abrasão hidráulica do CRFA com adição de
Sílica Ativa, variando a geometria das fibras (fator de forma) e também empregando fibras de
polipropileno. A Tabela 3 apresenta a proporção dos materiais utilizados neste trabalho.
Tabela 3: Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de Aço utilizado
por Horszcazaruk (2004).
Cimento Areia Pedrisco Água/cimento m α H Consumo de fibras
- - - - - (%) (%) (kg/m3)
1 1,08 2,58 0,27 3,66 45 5,79 70
Em que: m é o teor total de agregados, α é o teor de argamassa e H é a relação água/materiais secos.
Por se tratar de um concreto com uma relação água/aglomerante muita baixa, o que
dificultaria a trabalhabilidade do concreto. Outro inconveniente é a presença de agregado
graúdo, o que dificultaria o uso do CRFA como forma de reparo, já que a espessura da camada
normalmente é reduzida.
Chieregato et al. (2016) utilizaram o CRFA para a construção do Vertedouro
Extravasor de Troncos da Usina Hidroelétrica Santo Antônio com o objetivo de proteger e
reforçar sua superfície hidráulica. A Tabela 4 apresenta a proporção dos materiais utilizados
neste trabalho.
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Tabela 4: Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de Aço utilizado
por Chieregato et al. (2016).
Cimento Areia Pedrisco Água/cimento m α H Consumo de fibras
- - - - - (%) (%) (kg/m3)
1 1,65 1,38 0,44 3,03 66 10,92 80
Em que: m é o teor total de agregados, α é o teor de argamassa e H é a relação água/materiais secos.
Nota-se que em ambos os trabalhos de Horszczaruk (2004) e Chieregato et al. (2016)
foi usada adição de sílica ativa no concreto. Contudo, no trabalho de Poliszuk (2016)
verificou-se que a adição de sílica ativa não alterou significativamente a resistência à abrasão
hidráulica dos concretos. Excluindo a sílica ativa do traço de Chieregato et al. (2016), teria-se
um consumo elevado de cimento de 500 kg/m3, o que acarretaria outros empecilhos, como a
elevada retração por secagem e o alto calor de hidratação, entre outros.
Gava (2006) estudou o comportamento após a fissuração de vigas de concreto
reforçado com fibras de aço submetidas à flexão. A Tabela 5 apresenta a proporção dos materiais
utilizados em seu trabalho.
Tabela 5: Proporção dos materiais e parâmetros do Concreto Reforçado com Fibras de Aço utilizado
por Gava (2006).
Cimento Areia Pedrisco Água/cimento m α H Consumo de fibras
- - - - - (%) (%) (kg/m3)
1 2,04 1,67 0,44 3,71 65 9,34 40*
Em que: m é o teor total de agregados, α é o teor de argamassa e H é a relação água/materiais secos.
* Também foram utilizados outros teores de fibras de aço.
Este concreto possui um consumo de cimento menor, 460 kg/m3, e estimou-se que
o material obteria resistência à compressão de aproximadamente 50 MPa, possuindo também
um teor de fibras de aço significativo. Portanto, este traço foi escolhido para ser verificado
experimentalmente, utilizando os agregados e aditivos da região.
Diante dos traços de CRFA apresentados acima, pode-se verificar algumas
semelhanças, como teor de argamassa elevado, uso de agregado graúdo de maior dimensão,
inferior ao agregado 9,5/25 da ABNT NBR 7211 (2009), alto consumo de cimento e
abatimentos próximos de concretos auto adensáveis. O agregado mencionado, de dimensão
menor à brita 1, foi chamado de pedrisco neste trabalho.
3.2.1 Avaliação prática do traço apresentado por Gava (2006)
Avaliou-se as propriedades de abatimento e resistência à compressão do traço utilizado
por Gava (2006), com um consumo de fibras de aço de 80 kg/m3. Tal análise foi necessária,
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uma vez que os agregados retirados de outra região podem alterar a fluidez e consistência do
concreto, principalmente em função do teor de material pulverulento, assim