Estudo Experimental e Ajustes Numéricos do Desgaste Abrasivo Hidráulico do Concreto Reforçado com Fibras de Aço

Estudo Experimental e Ajustes Numéricos do Desgaste Abrasivo Hidráulico do Concreto Reforçado com Fibras de Aço

EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ADJUSTMENTS OF HYDRO-ABRASIVE WEAR OF STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE

GROLLI, Va,*; GRIGOLO, G. b; GAVA, G. P. c; RIZZI, R.c

a Engenheiro Civil, Universidade Estadual do Oeste do Paraná

b Acadêmico de Engenharia Civil, Unioeste

 c Professor Doutor, Universidade Estadual do Oeste do Paraná.

Rua Salgado Filho, 2611, CEP 85810-140

* [e-mail]

Resumo

A utilização de fibras de aço como reforço no concreto é presente em diversas obras no mundo, inclusive em estruturas hidráulicas, apresentando benefícios, como a melhora na resistência à tração, e na capacidade de absorção de energia mecânica (tenacidade), podendo até substituir armaduras contínuas em alguns casos. Sabe-se que um dos principais agentes de desgaste das estruturas hidráulicas é a abrasão hidráulica, em que partículas suspensas no fluxo hidráulico, ao se atritarem com a superfície de concreto, levam ao desgaste. Este dano pode variar de 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 certas propriedades mecânicas. Contudo, ainda não está claro na literatura como as fibras de aço atuam na resistência hidro-abrasiva no concreto. Este trabalho apresenta resultados de um ensaio padronizado de desgaste hidro-abrasivo, objetivando investigar a influência de quatro teores de fibras de aço: 0, 40, 60 e 80 kg/m³ na composição de concretos submetidos ao desgaste por abrasão hidráulica. Concluiu-se estatisticamente que as fibras de aço melhoraram significativamente a resistência à abrasão hidráulica, quando comparado com o concreto sem fibras. Porém, os concretos com teores de 40 e 60 kg/m³ de fibra apresentaram perdas de massa equivalentes. Além disso, ajustou-se um modelo matemático logarítmico aos dados experimentais, obtendo elevados coeficientes de determinação, R², mostrando que o desgaste por abrasão hidráulica não ocorre de maneira linear.

Palavras-chave: Concreto Reforçado com Fibras de Aço, Abrasão Hidráulica, ASTM C1138M [1].

Abstract

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, 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 to verify the influence of four steel fiber contents: 0, 40, 60 and 80 kg/m³ [1]. 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. A log-normal 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.

Keywords: Steel Fiber Reinforced Concrete, Hydro-abrasive wear, ASTM C1138M [1].

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1. Introdução

A adição randômica de fibras de aço discretas na matriz cimentícia produz o concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). As fibras no interior do concreto criam uma ponte através das fissuras, minimizando consideravelmente a sua propagação, transmitindo a energia mecânica aplicada mesmo após a fissuração [2]. A utilização das fibras melhora propriedades importantes de concretos e argamassas, destacando-se a resistência ao impacto e a 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 [3]. No Brasil, o uso do CRFA se concentra em aplicações de baixo consumo de fibras e estruturas contínuas, destacando-se o uso em pisos industriais. A utilização nacional 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 [4]. O uso do CRFA também é presente em obras hidráulicas, seu uso foi descrito como bem sucedido no revestimento de partes do vertedouro da Usina Hidroelétrica de Itaipu [5]. Adicionalmente, foram indicados bons resultados na construção de um vertedouro extravasor de troncos (VET) na Usina Hidrelétrica Santo Antônio empregando o CRFA [6]. Estruturas hidráulicas, como canais, vertedouros, barragens e entre outas, estão sujeitas a mecanismos físicos de desgaste devido ao fluxo hidráulico. Estes fenômenos podem ser classificados em três grupos: Erosão - que é a ação direta no material devido ao fluxo de água, com velocidade e tempo suficientes para causar danos; Cavitação - que é a ação do impacto de bolhas em escoamentos turbulentos; 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 [7]. A abrasão hidráulica pode ser estudada em condições laboratoriais conforme a ASTM C1138M [1]. 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 avaliado pela perda de massa do corpo de prova. KRYZANOWSKI et al. [8] compararam a profundidade de desgaste de corpos de prova de concreto submetidos ao ensaio da ASTM C1138M [1], 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 [9] 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, ajustando a formulação resultante aos dados experimentais de perda de massa por cavitação em materiais metálicos. HORSZCZARUK [10] empregou tal modelo no estudo do desgaste por abrasão hidráulica no concreto, em que os parâmetros do modelo foram ajustados aos dados experimentais de perda de massa por abrasão hidráulica, obtidos segundo o ensaio preconizado pela ASTM C1138M [1]. 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 [1].

1. 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 [11]. Se tratando de durabilidade em estruturas hidráulicas, implica em quantificar os mecanismos de desgaste que envolve a ação da água, como, por exemplo, a abrasão hidráulica.