As macrofibras sintéticas apresentam inúmeras vantagens como: facilidade e rapidez na utilização, não são corroídas por umidade ou cloretos, menor custo, dentre outras vantagens.
O trabalho pretende demonstrar esta tecnologia bem como sugerir tabelas com dosagens orientativas em função das cargas aplicadas.
Reforço secundário de proteção mecânica sobre impermeabilização utilizando macrofibra sintética.
JOSE EDUARDO GRANATO (1) GUSTAVO POLIDORO (2)
(1) Viapol, Rua Apeninos 1126, São Paulo-SP CEP 04104-021 [email protected]
(2) Viapol, Rua Apeninos 1126, São Paulo-SP CEP 04104-021 [email protected]
Palavras chaves: macrofibras; fibras; proteção mecânica; impermeabilização; reforço.
1. RESUMO
As proteções mecânicas de concreto/argamassa são fundamentais para um bom desempenho e durabilidade de uma impermeabilização. Essa camada garante que não haverá perfuração e comprometimento da impermeabilização devido ao tráfego de veículos, pessoas ou outras ações mecânicas. Geralmente estas proteções para maior tráfego são de baixas espessuras (≥ 5cm) e são reforçadas com telas eletrossoldadas (no terço superior da seção) para combater as fissuras por retração, variação de temperatura do concreto e empenamento.
As macrofibras sintéticas podem ser usadas para proporcionar capacidade resistente equivalente aos reforços secundários em telas de aço. O reforço tridimensional proporcionado pelas fibras proporciona maior resistência nas variações de volume do concreto e também ajudam a distribuir as tensões igualmente no concreto e argamassa. Se as fissuras se formarem, as macrofibras proporcionam uma ponte de transferência de tensões entre as fissuras, ajudando a reduzir sua abertura e dissipação.
As macrofibras sintéticas apresentam inúmeras vantagens como: facilidade e rapidez na utilização, não são corroídas por umidade ou cloretos, menor custo, dentre outras vantagens.
O trabalho pretende demonstrar esta tecnologia bem como sugerir tabelas com dosagens orientativas em função das cargas aplicadas.
2. INTRODUÇÃO
As proteções mecânicas de concreto e argamassa para impermeabilização em muitas ocasiões são adotadas sem avaliação dos esforços a que as mesmas estarão submetidas, que muitas vezes são de baixo desempenho, apresentando inúmeras falhas conceituais e executivas, comprometendo e danificando o sistema de impermeabilização.
As principais patologias estão relacionadas a erros executivos, principalmente relacionados ao mal posicionamento da armadura para combate das tensões de retração.
A armadura de combate de retração deve ser posicionada sempre no terço superior da espessura do capeamento (concreto/argamassa) sempre respeitando o cobrimento mínimo necessário, para proteção da mesma contra efeito de corrosão provocada pela agressividade do meio ambiente. Essa armadura deve ser dimensionada de acordo com as tensões de retração e variação térmica geradas na estrutura da capa de proteção. Essas tensões podem variar de acordo com a paginação das juntas, sistema de cura utilizado, traço da argamassa/concreto (consumo de cimento, tipo de agregado, relação a/c) e condições térmicas e ambientais. Como essas tensões são maiores na parte superior da espessura de concreto, esse reforço de armadura com tela soldada sempre deve estar na parte superior do capeamento.
Não é comum no segmento de impermeabilização a utilização de espaçadores para o correto posicionamento das armaduras de telas soldadas.
Para o correto posicionamento das telas soldadas, e necessário a utilização de espaçadores e treliças.
Além das falhas executivas, não é comum o cálculo e dimensionamento dos reforços necessários em função das cargas de serviço, bem como da correta paginação das juntas.
3. PATOLOGIAS DAS PROTEÇÕES MECÂNICAS
3.1 Fissuras
Basicamente, as fissuras geradas nas proteções mecânicas são devido à retração/variação térmica do concreto e raramente pelos carregamentos aplicados (estruturais). Para entender os padrões de fissura, é necessário compreender quais são os tipos de retrações em concreto, conforme figura abaixo. São elas: retração plástica, retração hidráulica ou por secagem e retração autógena.
a) Retração plástica: A retração plástica é aquela que ocorre nas primeiras horas de aplicação do concreto ainda fresco causada pela perda rápida de água e é agravada se o concreto estiver sujeito às ações de vento, incidência de raios solares, calor e baixa umidade relativa do ar. Como o concreto/argamassa nessas idades tem baixa resistência e a perda de água é acelerada, surgem pequenas fissuras (figura 8 e 9). A melhor solução para combate a esse fenômeno são as microfibras sintéticas, poisessas fibras têm demonstrado reduzir as fissuras por retração plástica no concreto em até 90%, proporcionando uma precoce resistência à ruptura e interceptando a propagação das fissuras devido à alta quantidade de filamentos de fibras por unidade de massa.
b) Retração de secagem: A retração por secagem é aquela que ocorre em toda a vida útil do concreto, embora seja maior nas primeiras idades, podendo ser agravada dependendo das condições de aplicação e manutenção, aumentando as tensões internas do concreto. Esse tipo de fissura ocorre porque existe uma força de atrito entre a proteção mecânica e o substrato (no caso a impermeabilização ou proteção mecânica primária) contrária às tensões de retração e, como a resistência à tração do concreto é baixa, as fissuras ocorrem geralmente no centro das placas, onde as tensões são mais altas.
Normalmente se dimensiona o corte das placas de proteção mecânica para a indução destas juntas, evitando que elas ocorram de forma aleatória.
As macrofibras sintéticas criam pontes de transferência de tensões entre as fissuras quando o concreto está sujeito à tração. Isso inibe a abertura e propagação das fissuras, evitando que suas tensões se concentrem no pico de abertura da mesma. Como essas fibras são aleatórias e distribuídas em toda a matriz do concreto, se obtém um reforço tridimensional, promovendo resistência pós-fissuração ao concreto e atuando como reforço efetivo no combate às tensões das fissuras de retração por secagem.
c) Empenamento: O empenamento ocorre quando a placa de concreto sofre uma distorção das bordas e cantos para cima, gerado por uma diferença de umidade e/ou temperatura entre a parte superior e inferior da placa. É errôneo pensar que a retração ocorre perfeitamente de forma horizontal em toda a espessura do concreto/argamassa. Geralmente as placas tendem a perder maior quantidade de água na parte superior ao invés da parte inferior do piso, isso porque a parte superior está exposta ao ambiente e sujeita às intempéries, enquanto a parte inferior permanece úmida. Esse efeito pode ser agravado dependendo das características geométricas da placa, tais como espessura (rigidez/peso), comprimento e largura. Em espessuras muito baixas, a placa não tem rigidez suficiente para resistir às deformações e tensões provocadas pelo empenamento (“curling”); além disso, alto espaçamento entre as juntas podem intensificar esse efeito.
Além do alto número de filamentos de macrofibras por quilo e do modo de dispersão das fibras no concreto/argamassa, podemos citar o fato da não absorção de água pelas fibras de polipropileno para contribuição no combate ao empenamento (“curling”). Tendo em vista que elas proporcionam uma maior superfície específica ao compósito, as mesmas retêm água livre em sua superfície que, apesar de prejudicar a trabalhabilidade do concreto, posteriormente contribui para melhor hidratação do cimento, pois esta água será absorvida no processo de cura do compósito.
Estando a influência do empenamento relacionado à temperatura e umidade, podemos ter tensões que se tem uma certa compensação ou se sobrepõe, reduzindo ou acumulando as tensões.
d) Exsudação: Outra propriedade das macro e microfibras sintéticas é a redução e melhor distribuição da exsudação da água do concreto. Ambas reduzem a fissuração por retração plástica, fissuras de assentamento plástico, diminui a exsudação da água e melhoram a resistência ao impacto.
Como as fibras promovem uma melhor coesão do concreto, isso evita a sedimentação dos agregados graúdos e consequentemente reduz a exsudação de água em pavimentos.
e) Corrosão das telas de aço: Quando a tela de aço soldada é posicionada mais na superfície da proteção mecânica, também pode ocorrer a corrosão das mesmas, devido a existência de umidade, carbonatação do concreto e ataque de cloretos.
4. REFORÇOS COM MACROFIBRAS SINTÉTICAS
4.1 O que são reforços secundários
Reforço secundário geralmente é descrito como o reforço em aço no concreto designado a combater e restringir as aberturas de fissuras das tensões de retração e variação de temperatura no concreto, não oferecendo nenhuma capacidade estrutural adicional, mas atua, melhor que as telas de aço no combate às fissuras de retração plástica. Fibras sintéticas monofilamento de comprimento curto em dosagens abaixo de 600 g/m³ de concreto tipicamente não oferecem nenhum valor capaz de resistir a estas tensões; portanto deve-se ter cuidado na hora de especificar microfibras como reforço secundário. Microfibras de longo comprimento, tais como as do tipo fibrilada, na dosagem de 900 g/m³ podem proporcionar algum reforço secundário, mas esses produtos têm limitações. As macrofibras sintéticas, em certas dosagens, podem ser usadas para proporcionar capacidade resistente equivalente ao aço para reforço secundário de limitadas aplicações estruturais.
4.2 Microfibra e Macrofibra
A ASTM C1116 define o Tipo III - Concreto Reforçado com Fibras Sintéticas como o concreto que contém micro e/ou macro fibras sintéticas para o qual prova documental pode ser produzida confirmando sua resistência a longo prazo para degradação quando em contato com a umidade e álcalis presentes na pasta de cimento ou às substâncias presentes em aditivos. A ASTM D7508 também fornece definições específicas, tais como denier e comprimento das fibras para definir as diferenças entre estes tipos de fibras. Também se afirma dentro da ASTM C1116 que as fibras a base de polipropileno ou polipropileno/polietileno, são conhecidas para serem duráveis no concreto.
Apesar das microfibras sintéticas proporcionarem alta resistência na formação de fissuras por retração plástica em relação às telas de aço, elas são incapazes de fornecer resistência na abertura de fissuras por retração hidráulica, carregamentos estruturais ou outras formas de tensões. Entretanto, esses produtos devem ser especificados em qualquer tipo de concreto para aumentar a resistência à fissuração, efeito “anti-spalling”, durabilidade e homogeneidade do concreto durante lançamento. A linha de microfibras (monofilamento e fibrilada) estão disponíveis no comprimento médio de 12mm e as dosagens mais comuns são de 300 a 900 g/m³, dependendo de cada aplicação.
As macrofibras sintéticas podem também proporcionar resistência às fissuras por retração plástica mas também irão fornecer ao concreto aumento de durabilidade, tenacidade e habilidade de proporcionar resistência estrutural limitada quando devidamente projetada. Essas fibras são dosadas em quantidades que são projetadas para serem equivalentes ao reforço convencional em aço, tais como vergalhões e telas eletrossoldadas, e ela irá se distribuir tridimensionalmente em toda a matriz do concreto. Esses cálculos podem ser baseados numa simples conversão da resistência à tração, momento fletor ou análise de charneiras plásticas (yield line theory). As macrofibras sintéticas têm a mesma aplicação das fibras metálicas, porém com características físicas diferentes. Essas fibras geralmente são mais fáceis de usar e proporcionam melhor acabamento em comparação com as fibras metálicas devido ao seu peso mais leve, natureza não corrosiva e capacidade de ser bombeada com facilidade. As macrofibras sintéticas são fornecidas no comprimento de 38 a 52mm e as dosagens variam de 1,8 a 9,0 kg/m³, dependendo de cada aplicação.
Os métodos de ensaio ASTM, como o C1399, C1609, C1550 e C1579 medem o desempenho físico e mecânico do Concreto Reforçado com Fibras (CRF) e a capacidade das fibras em resistir a aberturas de fissuras no concreto. As especificações de desempenho com base no uso do CRF exigem, normalmente, os dados de teste com base nessas normas.
Softwares para dimensionamento de placas de concreto reforçadas com macrofibras sintéticas estão disponíveis e levam em consideração as cargas atuantes, as condições ambientais (variação de temperatura e umidade), a resistência e espessura do concreto, dentre outros parâmetros.
As tabelas abaixo mostram alguns exemplos de consumo equivalente de macrofibras em substituição às telas soldadas.
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Proteção mecânica de impermeabilizações com macrofibras
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Características da macrofibra:
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Resistência à tração: 520-600 MPa. Módulo de elasticidade: 5 GPa Comprimento: 38 mm
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Concreto: fck:25 MPa e fctm,k: 3,6 MPa
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Concreto: fck:30 MPa e fctm,k: 4,0 MPa
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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4cm
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3,0 kg/m³
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Q92
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4cm
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3,0 kg/m³
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Q92
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5cm
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3,0 kg/m³
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Q75
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5cm
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2,5 kg/m³
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Q61
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7cm
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2,5 kg/m³
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Q61
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7cm
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2,5 kg/m³
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Q61
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Concreto: fck:25 MPa e fctm,k: 3,6 MPa
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Concreto: fck:30 MPa e fctm,k: 4,0 MPa
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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7cm
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4,5 kg/m³
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Q196
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7cm
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4,0 kg/m³
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Q159
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8cm
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3,5 kg/m³
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Q159
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8cm
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3,0 kg/m³
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Q138
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10cm
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3,0 kg/m³
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Q138
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10cm
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2,5 kg/m³
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Q92
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Proteção mecânica de lajes para tráfego de veículos leves
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Características da macrofibra:
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Resistência à tração: 600-650 MPa. Módulo de elasticidade: 9,5 GPa Comprimento: 51 mm
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Concreto: fck:25 MPa e fctm,k: 3,6 MPa
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Concreto: fck:30 MPa e fctm,k: 4,0 MPa
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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Espessura
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Dosagem de macrofibra
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Solução equivalente em tela de aço
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8cm
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4,5 kg/m³
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Inferior: Q196 Superior: Q138
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8cm
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4,0 kg/m³
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Inferior: Q159 Superior: Q138
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10cm
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3,5 kg/m³
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Dupla Q138
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10cm
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3,0 kg/m³
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Sup. Q138
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12cm
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3,0 kg/m³
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Sup. Q138
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12cm
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2,5 kg/m³
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Sup. Q92
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14cm
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2,5 kg/m³
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Sup. Q92
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14cm
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2,5 kg/m³
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Sup. Q92
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Tabela 2- Dosagens de macrofibras equivalente às telas de aço soldadas. Obs.: Para essas estimativas, foram simuladas situações com tamanho de placa de concreto de 4,0 x 4,0m
4.3 Outras vantagens das macrofibras sobre telas de aço
- Fácil transporte pois são muito leves e armazenamento;
- Fácil introdução das fibras no concreto, bastando adicionar na betoneira de obra ou em caminhão betoneira;
- Distribuição do elemento estruturante em toda a massa do concreto e não somente no terço superior da proteção mecânica;
- Evita os tão frequentes erros de montagem das telas, inclusive no posicionamento contínuo da tela entre juntas, impedindo o alívio de tensões na junta;
- Produto ecologicamente correto, pois sua produção tem menor emissão de gases do efeito estufa;
- Agilidade executiva e, portanto, redução do tempo de obra, garantindo mais economia;
- Economia: Redução no tempo de construção, mão-de-obra e montagens.
As telas de aço são muito incomodas de serem estocadas, manuseadas e ocupam muito espaço, além de obrigar a equipe a cortar as telas na medida das placas da proteção mecânica.
- Custos de material 20% menor em relação à telas e vergalhões;
- Aumento de Ductilidade no concreto: maior absorção de energia e resistência ao impacto;
- Maior Durabilidade devido à menor abertura e propagação de fissuras do CRF, reduzindo a penetração de produtos químicos no concreto. Isso também reduz os custos de longo prazo com reparos e manutenção da estrutura.
5. EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DE MACROFIBRAS EM PROTEÇÃO MECÂNICAS
Abaixo é apresentado uma aplicação das macrofibras sintéticas em proteção de impermeabilização sujeito ao tráfego de veículos
- Edifício residencial: laje térrea elevada (cobertura de subsolo)
- Macrofibra utilizada: Resistência à tração: 600-650 MPa - Módulo de elasticidade: 9,5 Gpa Comprimento: 51 mm
5.1 Comparativos de custo
Pode-se avaliar na planilha abaixo a relação de custo (somente de materiais) para uma solução convencional em concreto armado e a solução em concreto reforçado com fibras.
Essa planilha de custos ainda não leva em conta as economias de custos de mão de obra e outros com a redução do tempo de execução e a redução dos gastos de reparos ao longo da vida útil da estrutura, que ocorrem na solução em concreto armado que comumente possui fissuras, o que é praticamente eliminado na solução completa com fibras.
5.2 Comparativo técnico
Desconsiderando a bitola do aço e fatores como resistência e módulo da fibra, podemos simular a quantidade de fios linear presente nos diferentes tipos de reforços para aplicações convencionais:
Concreto Armado: Tela dupla
Espaçamento de 10 x 10cm → 44 metros de fio
Fibra de aço: 4.600 filamentos/kg
Comprimento 60mm, dosagem 20 kg/m³ → 828 metros de fio
Macrofibra sintética: 100.000 filamentos/kg
Comprimento 50mm, dosagem 4,5 kg/m³ → 3.375 metros de fio
As fibras sintéticas promovem um emaranhado de fios muito maior do que a fibra metálica e as telas, consequentemente, interceptam maior quantidade de fissuras.
6. CONCLUSÕES
Dentre outras aplicações já consagradas, as macrofibras sintéticas (e também as microfibras) são uma excelente opção técnica e econômica para ser introduzida nos projetos e execução das proteções mecânicas da impermeabilização, proporcionando uma solução segura e de fácil utilização, evitando erros comuns encontrados em diversas obras, já que os especialistas em impermeabilização na maioria das vezes não são especializados em dimensionar os reforços das proteções mecânicas.
O mercado já dispõe de ferramentas para smartphones (APP) que facilitam a conversão das telas metálicas em quantidade equivalente de macrofibras sintéticas, como o Euco Fiber Calc (Android e IOS), que em breve estará disponível na língua portuguesa e com a nomenclatura dos tipos de telas de aço disponíveis no Brasil.
Também está sendo desenvolvido para acesso via internet, um programa completo para dimensionamento de placas de concreto reforçadas com macrofibras sintéticas, levando em consideração as cargas atuantes, as condições ambientais (variação de temperatura e umidade), a resistência e espessura do concreto, dentre outros parâmetros.
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ACI Committee 360- Guide to Design of Slab-on-ground.
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ARMELIN, H.S.; HAMASSAKI, L.T. Avaliação do concreto projetado reforçado com fibras de aço e polipropileno na construção de túneis - NATM. 32a Reunião Anual do Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON). 1990. Anais.
ASME – American Society of Civil Engineers – 1994 Fiber Reinforced Concrete – Myth and Reality Advances in Cement and Concrete.
ASTM – American Society for Testing and Materials ASTM C1399 – 07a. Standard Test Method for Obtaining Average Residual-Strength of Fiber-Reinforced Concrete. Book of ASTM Standards. ASTM, Philadelphia, 2007.
ASTM – American Society for Testing and Materials ASTM C1609 – 12. Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading). Book of ASTM Standards. ASTM, Philadelphia, 2012.
EN 14651- Test Method for Fibered Concrete – Measuring the Flexural Tensile Strength.
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FIGUEIREDO, A. D. Concreto com fibras de aço. PCC USP – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de engenharia de construção civil, BT/PCC/260, 2000, São Paulo.
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