COMPOSTOS CIMENTÍCIOS DE ALTO DESEMPENHO REFORÇADOS COM FIBRAS

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dos concretos do tipo MDF, porém, que são materiais naturalmente bastante viscosos, a adição de fibras pode ser difícil e problemática, já que estas tendem a reduzir a trabalhabilidade das misturas, prejudicando a compacidade e, em alguns casos, favorecendo a incorporação de ar.

Por esta razão, os pesquisadores da área se concentraram no estudo da adição de fibras a matrizes do tipo DSP. O resultado foi o desenvolvimento do material atualmente conhecido como concreto de alto desempenho reforçado com fibras – HPFRC (high performance fiber reinforced concrete).

A capacidade de múltipla fissuração e o comportamento de endurecimento sob deformação (strainhardening) são as principais características que diferenciam e justificam as grandes diferenças de comportamento estrutural entre os concretos reforçados com fibras tradicionais (normalmente designados pela sigla em ingês FRC – Fiber Reinforced Concrete) e os compósitos cimentícios de alto desempenho reforçados com fibras (identificados pela sigla HPFRC).

Seguindo esta vertente de desenvolvimento, alguns pesquisadores começaram a utilizar técnicas especiais de concepção e fabricação de HPFRCs, buscando aumentar a ductilidade sem ter que utilizar teores de fibras tão elevados. Isto resultou num grupo de materiais conhecido atualmente como Engineered Cementitious Composites - ECC, também chamados de High Ductility Fiber Reinforced Cementitious Composites - HDFRCC, que foram desenvolvidos como uma solução para suprir a principal deficiência observada nos concretos convencionais, relacionada ao seu comportamento à tração.

O Grupo de Pesquisa do ACE-MRL (Advanced Cementitious Materials –Materials Research Laboratory), da Universidade de Michigan, liderado pelo Prof. Victor Li, obteve resultados muito promissores com a criação de um tipo de compósito de alto desempenho reforçados com fibras de PVA projetados para resistir a elevadas tensões de tração e cargas de cisalhamento. A concepção deste material foi baseada na aplicação de conceitos de micromecânica e mecânica da fratura, que permitiram a obtenção de um material muito deformável com um volume moderado de fibras, da ordem de 2%. Este é um fator importante, pois as fibras representam um elemento de custo muito elevado para a fabricação dos compósitos e podem comprometer a trabalhabilidade, quando utilizadas em grandes volumes (superiores a 2%).

Devido à longa vida, a expectativa é de que o ECC custe menos, em longo prazo. O ECC e exibe quase todas as características procuradas pelos projetistas de rodovias e engenheiros estruturais para uma alta durabilidade. “A tecnologia tem sido usada em projetos no Japão, Coréia do Sul, Suíça, Austrália e Estados Unidos”, diz o professor Victor Li. Segundo ele, o concreto tradicional apresenta muitos problemas, tais como falta de durabilidade e sustentabilidade, falha grave sob carga, e as conseqüentes despesas de reparação.

Um estudo da Escola de Recursos Naturais e do Ambiente do Centro de Sistemas Sustentáveis dos Estados Unidos, realizado em conjunto com o grupo do professor Li, mostrou que diante de uma projeção de 60 anos de utilização de uma ponte, o ECC seria 37% menos dispendioso, consumiria 40% menos energia e produziria 39% menos dióxido de carbono (uma das principais causas do aquecimento global) do que o concreto convencional.

O estudo constata que as conclusões são baseadas no pressuposto de que o ECC duraria duas vezes mais que o convencional, dado que deve ser confirmado por meio de um estudo mais aprofundado. O concreto armado com fibras não é novo, mas Li acredita que o ECC, que é estudado há 15 anos, seja muito superior ao concreto armado com fibras em desenvolvimento hoje.

Os ECCs apresentam curvas tensão–deformação, quando submetidos à tração, semelhantes às que são registradas nos ensaios de materiais metálicos. Verifica-se que um ECC típico apresenta um comportamento que permite que se atinjam níveis de deformação específica superiores a 5%, enquanto os concretos convencionais falham quando a deformação específica atinge patamares da ordem de 0,01%.

Devido à sua elevada ductilidade, tais compósitos possuem elevada capacidade de absorção de energia e alta capacidade de deformação sob carregamentos de tração, resultado da capacidade de formação de diversas fissuras múltiplas de pequena abertura durante o processo de ruptura destes compósitos.

Os ECCs geralmente são produzidos com elevados teores de cimento, tipicamente duas ou três vezes maiores do que os utilizados em concretos convencionais. Este fato colabora no controle reológico, facilitando a dispersão de fibras e, mais especificamente, permitindo o controle da tenacidade da matriz, que é um dos fatores responsáveis pelo comportamento de strain-hardening dos compósitos (Wang and Li, 2007).

Para entender este tipo de comportamento, Li explica que, nos ECCs, a primeira fissura é seguida por um aumento ou pelo menos uma estabilização na capacidade de carga do compósito. Isto ocorre porque o carregamento, primeiramente suportado pela matriz, é transferido, após a abertura da primeira fissura, para uma grande quantidade de fibras de pequeno diâmetro, de boa capacidade à tração e adequada aderência à matriz, que interceptam a fissura. Estas fibras conseguem suportar as cargas e transferir o carregamento para outro ponto da matriz, provocando a abertura de uma nova fissura, que irá mobilizar e transferir o carregamento às fibras existentes nesta nova região. Este mecanismo se repete de forma sucessiva, permitindo que microfissuras múltiplas se desenvolvam ao longo do compósito, mas preservando a integridade global e evitando a ruptura do elemento. Este comportamento, que pode ser observado na figura 1, é denominado de strain-hardening.

O comportamaento de strain-hardening é o responsável pela característica mais importante de um ECC, que é justamente sua alta ductilidade. Isto significa que uma falha estrutural causada pela fratura do compósito tem menor probabilidade de ocorrer em elementos de ECC, em comparação a elementos de concreto simples. Li e Kanda (1998) salientam que o comportamento de strain-hardening está na raiz da alta tenacidade e elevada tolerância ao dano dos ECCs. O mesmo permite que o compósito sofra elevadas deformações sem romper, como se observa claramente na figura 2, que mostra o resultado de um ensaio à flexão realizado em um corpo-de-prova produzido com ECC reforçado com fibra de polietileno de alto módulo (PEECC).

Figura 1: Aspecto do padrão de fissuração de um compósito tipo ECC submetido à flexão [fonte: Li e Kanda, 1998]

Segundo Lepech and Li (2005)