Estudo do comportamento mecânico do UHPFRC produzido com fibras de aço e de PVA submetidos a elevadas temperaturas

Abstract

O concreto de ultra alto desempenho (UHPFRC) é um tipo especial de concreto que apresenta elevada resistência mecânica e durabilidade, ductilidade, ausência de agregados graúdos e uma microestrutura densa. Suas principais aplicações são em pontes, passarelas, obras arquitetônicas e reparação estrutural. Em situações de incêndio, é necessária a integridade da estrutura por tempo suficiente para que vidas sejam salvas antes de seu colapso. Uma das maiores preocupações do concreto sob elevadas temperaturas, além da perda de resistência, é o desplacamento, que tem ocorrência mais acentuada em concretos de elevadas resistências. O uso de fibras poliméricas é considerado benéfico para o controle do desplacamento, pois promove um aumento da porosidade no compósito que diminuem a pressão interna gerada pelo vapor de água, no entanto a adição de fibras poliméricas em UHPFRC podem reduzir significativamente a resistência a tração. Este trabalho teve o objetivo de avaliar as propriedades físicas e mecânicas do UHPFRC produzido com fibras metálicas e de PVA quando submetidos à elevadas temperaturas. Para isso, o trabalho foi divido em duas etapas: a primeira etapa consistiu em um delineamento fatorial para estudar o comportamento da resistência à compressão e módulo de elasticidade do UHPFRC frente a diferentes dosagens de fibras de aço e PVA e sob diferentes temperaturas de exposição a fim de determinar um traço ótimo com ambas as fibras que apresentesse um melhor comportamento antes e depois de tal exposição. A segunda etapa é a caracterização física e mecânica desse traço ótimo e de um traço referência (somente 2,00% de fibras de aço) para avaliar seu desempenho. Durante o procedimento de aquecimento dos traços na etapa 1, somente o uso das fibras de PVA não foram suficientes para prevenir a ocorrência do desplacamento para temperaturas de 300ºC ou superiores, causando danos em alguns corpos de prova desde pequenas fissuras até a sua degradação total. Com base nos resultados obtidos, o traço (definido como ótimo) que apresentou os melhores resultados de resistência a compressão e módulo de elasticidade foram obtidos para a dosagem de 0,50% das fibras de PVA e 1,65% de fibras de aço. Observou-se na etapa 2 que o traço ótimo apresentou, uma queda de 12% e 0,04% de resistência à compressão e do módulo de elasticidade, respectivamente. O traço ótimo foi classificado como UHPFRC 130/145, sendo uma classificação abaixo da que o traço referência atingiu (UHPFRC 150/165). Para a resistência à tração por flexão em quatro pontos, o traço ótimo apresentou um desempenho superior ao traço referência, tendo o limite de elascitidade 40% acima, enquanto que para o ensaio em 3 pontos, o comportamento entre os dois traços foi bastante semelhante, apresentando um comportamento hardening limitado. O traço ótimo apresentou um comportamento mecânico à tração por flexão semelhante ao traço referência, apesar de não ter apresentado neste estudo, o resultado esperado para a proteção de estruturas de UHPFRC em situação de incêndio.

Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a special type of concrete that features high mechanical strength and durability, ductility, absence of coarse aggregates and a dense microstructure. Its main applications are in bridges, footbridge, architectural works and structural repair. In fire situations, the integrity of the structure must be long enough for lives to be saved before it collapses. One of the biggest concerns of concrete at high temperatures, in addition to the loss of strength, is spalling, which is more pronounced in high-strength concretes. The use of polymeric fibers is considered beneficial for the control of spalling, as it promotes an increase in the porosity in the composite that reduces the internal pressure generated by the water vapor, however the addition of polymeric fibers in UHPFRC can significantly reduce the tensile strength. This work aimed to evaluate the physical and mechanical properties of UHPFRC produced with metallic and PVA fibers when subjected to high temperatures. For this, it was divided into two stages: the first stage consisted of a factorial design to study the behavior of the compressive strength and modulus of elasticity of UHPFRC against different dosages of steel and PVA fibers and under different exposure temperatures in order to determine an optimal mix with both fibers and that it presented a better behavior before and after such exposure. The second step is the physical and mechanical characterization of this optimal mix and a reference mix (only 2,00% steel fibers) to assess its performance. During the heating procedure of the mixes in step 1, only the use of PVA fibers was not enough to prevent spalling at temperatures of 300ºC or higher, causing damage to some specimens from small cracks to their total degradation. Based on the results obtained, the mix (defined as optimal) that presented the best results of compressive strength and modulus of elasticity was obtained for the dosage of 0.50% of PVA fibers and 1.65% of steel fibers. It's observed the optimal mix showed a decrease of 12% and 0,04% of compressive strength and Young's modulus, respectively. The optimal mix was classified as UHPFRC 130/145, being one classification lower than the reference mix (UHPFRC 150/165). In four-point bending test, the optimal mix performed better than the reference mix, with limit of elasticity 40% above, while in three-point bending test the performance between the mixes was quite similar, exhibiting a limited strain hardening behavior. The optimal mix presented a flexure tensile mechanical behavior similar to the reference mix, despite it doesn’t have presented in this study the expected result for the protection of UHPFRC structures in fire situation.