( PDF ) Almofada de apoio de compósito de cimento para ligações em concreto pré-moldado

Gustavo Henrique Siqueira

Almofada de apoio de compósito de cimento para

ligações em concreto pré-moldado

Dissertação apresentada à Escola de

Engenharia de São Carlos, da

Universidade de São Saulo, como

parte dos requisitos para obtenção

do Título de Mestre em Engenharia

de Estruturas

Orientador: Prof. Tit. Mounir Khalil El Debs

São Carlos

2007

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À Deus, pela proteção em mais essa etapa.

Aos meus pais, José Carlos e Adelina, e irmãos pelo

amor e carinho incondicionais durante todos esses anos.

À minha noiva, Ana Paula, pelo amor e compreensão

durante a realização deste trabalho

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À Deus, pelo amor e proteção durante todas as etapas de minha vida.

Aos meus pais, José Carlos e Adelina, meus irmãos Fábio, Júnior e Érica, minhas

cunhadas Vanessa e Luciana, meu avô, João Siqueira, pessoa muito simples mas de

sabedoria ímpar e, à minha noiva, Ana Paula e sua família, que sempre me deram apoio

e amor durante esta fase.

Aos meus grandes amigos da graduação, a galerinha mais ou menos, sem vocês a

faculdade de engenharia não teria a menor graça.

Ao meu orientador, Mounir Khalil El Debs, pela confiança, paciência, dedicação,

amizade e os preciosos ensinamentos desde a iniciação científica.

À professora Aline Barboza, pelo apoio e ajuda durante toda minha iniciação científica

e pelo incentivo durante todo o mestrado.

Aos funcionários do Laboratório pela ajuda e pelo profissionalismo na montagem e

execução de todos os ensaios desta pesquisa.

À todos os professores e funcionários do SET, que contribuíram para a conclusão deste

trabalho.

Aos amigos Paulino, Vinícius, Guilherme Said, Estevam, Guilherme David e Eric, com

os quais tive a oportunidade de passar os momentos de lazer e descontração durante

esses anos.

À todos os membros da sala 03, Danilo, Kenneth, João, Antônio e Rafael e os amigos

caçulas que fiz neste último ano de mestrado.

Aos grandes amigos que fiz no início do mestrado, Filipe, Denis, André, Saulo, Edmar,

Gláucia, Iara, Karenina, Lívia, Ronaldo, Tiago, Elian, Alice, Ricardo, Danusa, Thais,

Othavio, Walter, Eduardo, Gustavo, Edson, Paccola, Claudius e Luciano, pois todos

tiveram uma grande e importante participação em minha vida durante esse período.

De forma especial agradecer a dois amigos que conheci no início do curso de mestrado,

Luiz Carlos e Marlos, que sempre estiveram presentes em todos os momentos dessa

conquista e me ajudaram muito durante esse período.

À CNPq pelo apoio financeiro e as empresas Fitesa e Ciminas pela doação de materiais

para a realização desta pesquisa.

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1.1 Considerações Iniciais............................................................................................ 1

1.2 Objetivos................................................................................................................. 4

1.3 Justificativas ........................................................................................................... 5

1.4 Metodologia............................................................................................................ 6

1.5 Apresentação do Trabalho...................................................................................... 7

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2.1 Preliminares............................................................................................................ 9

2.2 Polímeros................................................................................................................ 9

2.2.1 Considerações Iniciais ................................................................................................ 9

2.2.2 Elastômeros...............................................................................................................13

2.2.3 Fibras ........................................................................................................................17

2.2.4 Látex.......................................................................................................................... 23

2.3 Argamassas modificadas com látex estireno-butadieno....................................... 31

2.4 Almofadas de apoio de compósito de cimento..................................................... 36

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3.1 Preliminares.......................................................................................................... 49

3.2 Materiais utilizados............................................................................................... 49

3.2.1 Cimento Portland ......................................................................................................49

3.2.2 Areia.......................................................................................................................... 50

3.2.3 Vermiculita termo-expandida.................................................................................... 51

3.2.4 Látex estireno-butadieno...........................................................................................54

3.2.5 Fibra de Polipropileno.............................................................................................. 55

3.2.6 Aditivo Superplastificante..........................................................................................57

3.3 Caracterização do compósito................................................................................ 59

3.3.1 Dosagem do compósito.............................................................................................. 59

3.3.2 Variáveis....................................................................................................................62

3.3.3 Caracterização do compósito....................................................................................63

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4.1 Preliminares.......................................................................................................... 71

4.2 Ensaios de força distribuída.................................................................................. 71

4.2.1 Carregamento Monotônico........................................................................................71

4.2.2 Carregamento Cíclico ............................................................................................... 74

4.3 Ensaios de força concentrada ............................................................................... 78

4.4 Ensaios de ligação de blocos................................................................................ 82

4.5 Ensaios de rotação de apoio.................................................................................. 87

4.6 Ensaio de tenacidade ao fraturamento.................................................................. 92

4.7 Microscopia ótica ................................................................................................. 96

4.8 Síntese do programa experimental ....................................................................... 98

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5.1 Preliminares........................................................................................................ 101

5.2 Resistências e módulo de deformação................................................................ 101

5.2.1 Resistência à compressão........................................................................................101

5.2.2 Resistência à tração por compressão diametral .....................................................104

5.2.2 Módulo de deformação............................................................................................ 106

5.3 Ensaios de força distribuída................................................................................ 111

5.3.1 Carregamento Monotônico......................................................................................111

5.3.2 Carregamento cíclico.............................................................................................. 115

5.4 Ensaios de força concentrada ............................................................................. 125

5.5 Ensaios de ligação de blocos.............................................................................. 131

5.6 Ensaios de rotação.............................................................................................. 137

5.7 Ensaio de tenacidade ao fraturamento................................................................ 157

5.8 Microscopia ótica ............................................................................................... 159

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Figura 1.1: Esquema de ligação viga-pilar...................................................................... 3

Figura 1.2: Almofadas de apoio de diferentes formatos. ................................................ 3

Figura 2.1: Influência do Grau de Cristalinidade e do Peso Molecular sobre as

características físicas do Polietileno (CALLISTER JR., 2000). .................................... 12

Figura 2.2: Representação esquemática de moléculas de cadeias de polímeros

com ligações cruzadas (a) em um estado sem tensão e (b) durante deformação

elástica sob aplicação de tensão de tração (CALLISTER JR., 2000)............................. 14

Figura 2.3: Reação de vulcanização de um elastômero (CALLISTER JR., 2000)....... 16

Figura 2.4: Curvas tensão-deformação até um alongamento de 600% para as

borrachas naturais vulcanizada e não-vulcanizada (CALLISTER JR., 2000). .............. 16

Figura 2.5: Modelo idealizado de formação do concreto de cimento polímero

(OHAMA, 1998 apud. PERUZZI, 2002). ...................................................................... 29

Figura 2.6: Modelo idealizado do processo de formação do filme de polímero

na partícula de cimento (STORTE, 1991 apud. PERUZZI, 2002)................................. 30

Figura 2.7: Esquema do ensaio de ligação pilar-pilar realizado por

BARBOZA (2002). ........................................................................................................ 38

Figura 2.8: a) Máquina de Ensaios e b) Aplicação de carga na almofada

(MONTEDOR, 2004)..................................................................................................... 42

Figura 2.9: Ensaio de carga localizada.......................................................................... 42

Figura 2.10: Resultados dos ensaios de compressão em corpos-de-prova

cilíndricos

(MONTEDOR, 2004)................................................................................... 44

Figura 2.11: Resultados dos ensaios de tração por compressão diametral em

corpos-de-prova cilíndricos (MONTEDOR, 2004)........................................................ 44

Figura 2.12: Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade em

corpos-de-prova cilíndricos (MONTEDOR, 2004)........................................................ 45

Figura 2.13: Resultados dos ensaios de rigidez de placa (MONTEDOR, 2004).......... 45

Figura 2.14: Resultados dos ensaios de ligação de blocos com almofadas de

10mm de espessura e 0% de inclinação (MONTEDOR, 2004). .................................... 46

Figura 2.15: Ligação Viga-Pilar estudada por BALDISSERA (2006)......................... 47

Figura 2.16: Ligação Viga-Pilar estudada por SOUZA (2006). ................................... 47

Figura 3.1: Curva Granulométrica da Areia utilizada nos ensaios................................ 51

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Figura 3.2: Vermiculita: natural, expandida e partícula expandida. ............................. 52

Figura 3.3: Curva granulométrica da vermiculita (Fonte: MONTEDOR, 2004).......... 54

Figura 3.4: Fibras de polipropileno............................................................................... 56

Figura 3.5: (a) Introdução de látex á mistura de cimento, areia e vermiculita;

(b) consistência da mistura antes da introdução de água e superplastificante;

(c) consistência melhorada após a introdução da água e superplastificante;

(d) introdução da fibra de polipropileno......................................................................... 64

Figura 3.6: (a)Batedeira industrial utilizada na pesquisa; (b) introdução de látex

á mistura de cimento, areia e vermiculita; (c) consistência melhorada após a

introdução da água e superplastificante; (d) introdução da fibra de polipropileno. ....... 64

Figura 3.7: (a) Consistência da argamassa; (b) compactação da argamassa ao

molde. ............................................................................................................................. 65

Figura 3.8: (a) e (b): Esquema do ensaio de compressão simples................................ 66

Figura 3.9 (a) e (b): Esquema do ensaio de tração por compressão diametral. ............ 67

Figura 3.10: Máquina de ensaios marca ELE. .............................................................. 68

Figura 3.11: (a) Corpo-de-prova com transdutor de deslocamento; (b) esquema

completo do ensaio de módulo de elasticidade. ............................................................. 68

Figura 3.12: Gráfico para determinação do módulo de elasticidade............................. 69

Figura 4.1: (a) Almofada do compósito; (b) e (c) Esquemas do ensaio de

carregamento monotônico; (d) Máquina de ensaios....................................................... 73

Figura 4.2: Gráfico força x deslocamento para duas amostras de almofada................. 74

Figura 4.3: Sistema de aquisição de dados System 6000.............................................. 75

Figura 4.4: Ciclos de carregamento da almofada.......................................................... 76

Figura 4.5: Carregamento cíclico na almofada. ............................................................ 77

Figura 4.6: Carregamento cíclico na almofada após a retirada de pontos

intermediários................................................................................................................. 77

Figura 4.7: Exemplo de ensaio de almofada com 1200 ciclos de carregamento. ......... 78

Figura 4.8: Exemplo de ensaio de almofada com 1200 ciclos após retirada de

pontos intermediários. .................................................................................................... 78

Figura 4.9: (a) Esquema frontal ensaio de carga concentrada (medidas em cm);

(b) Esquema tridimensional do ensaio............................................................................ 79

Figura 4.10: (a) Máquina MTS utilizada nos ensaios de carga localizada;

(b) Vista ampliada do ensaio de afundamento................................................................ 80

Figura 4.11: Curvas força x deslocamento para o traço V10PP4,0L30. ....................... 81

Figura 4.12: Curvas média força x deslocamento para o traço V10PP4,0L30. ............ 82

Figura 4.13: Esquema dos ensaios de ligação de blocos............................................... 83

Figura 4.14: Esquema das rugosidades e colocação dos blocos para ensaio. ............... 83

Figura 4.15: Esquema dos tipos de blocos ensaiados. .................................................. 84

Figura 4.16:– Primeira série de ensaios de blocos. ....................................................... 85

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Figura 4.17: Segunda série de ensaios de blocos. ......................................................... 86

Figura 4.18: (a) Ensaio de blocos lisos sem almofada; (b) blocos para ensaio

com rugosidade de 1,5mm sem almofada. ..................................................................... 87

Figura 4.19: Esquema básico do ensaio de rotação....................................................... 87

Figura 4.20: Esquema íntegro do ensaio de rotação. .................................................... 88

Figura 4.21: Detalhes do ensaio de rotação................................................................... 89

Figura 4.22: Convenção adotada para os ensaios.......................................................... 90

Figura 4.23: (a) e (b) Descolamento da extremidade da chapa em relação a

superfície da almofada.................................................................................................... 91

Figura 4.24: Relógios com bases magnéticas posicionados sobre base metálica. ........ 92

Figura 4.25: Esquema do ensaio de tenacidade ao fraturamento à flexão em

três pontos....................................................................................................................... 93

Figura 4.26: Deflexões importantes ao ensaio de tenacidade ao fraturamento............. 94

Figura 4.27: (a) Apoio móvel; (b) clip-gauge de medição da abertura da fissura;

(c) detalhe do ensaio sem o LVDT de monitoração dos deslocamentos verticais;

(d) esquema completo do ensaio. ................................................................................... 96

Figura 4.28: (a) Colocação da argamassa na forma; (b) acabamento superficial

da almofada. ................................................................................................................... 97

Figura 4.29: Esquema da retirada de amostra das almofadas. ...................................... 98

Figura 5.1: Gráfico comparativo para o ensaio de compressão simples..................... 102

Figura 5.2: Comparação dos resultados de resistência à compressão para 30%

de látex.......................................................................................................................... 104

Figura 5.3: Resistência a tração por compressão diametral. ....................................... 105

Figura 5.4: Comparação dos resultados de resistência à tração para 30%

de látex.......................................................................................................................... 106

Figura 5.5: Curva tensão x deformação. ..................................................................... 107

Figura 5.6: Módulo de elasticidade do compósito. ..................................................... 107

Figura 5.7: Comparação de resultados de módulo de elasticidade. ............................ 108

Figura 5.8: Relação entre módulos de elasticidade secante e tangente e

resistência a compressão............................................................................................... 111

Figura 5.9: Rigidez das placas. ................................................................................... 113

Figura 5.10: Relação entre Módulo de deformação e rigidez das placas.................... 114

Figura 5.11: Comparação das rigidezes de almofadas do compósito e

almofada de neoprene................................................................................................... 115

Figura 5.12: Almofadas do traço V5PP4,5L30 com 200 ciclos de carregamento. ..... 117

Figura 5.13: Almofadas do traço V10PP4L30 com 200 ciclos de carregamento. ...... 117

Figura 5.14: Almofadas do traço V15PP3,5L30 com 200 ciclos de carregamento. ... 118

Figura 5.15: (a) Almofadas do traço V10PP4L30 antes do ensaio;

(b) almofada do traço V10PP4L30 após o ensaio. ....................................................... 119

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Figura 5.16: Almofada do traço V5PP4,5L30 com 1200 ciclos de carregamento...... 120

Figura 5.17: Almofada do traço V10PP4L30 com 1200 ciclos de carregamento....... 121

Figura 5.18:– Almofada do traço V15PP3,5L30 com 1200 ciclos de carregamento.. 121

Figura 5.19: Comparação entre 50 e 200 ciclos de carga para o traço V10PP4L30... 123

Figura 5.20: Curvas das 10 amostras do ensaio de carga localizada para o traço

V5PP4,5L30. ................................................................................................................ 126

Figura 5.21: Curva média das amostras do ensaio de carga localizada para o

traço V5PP4,5L30. ....................................................................................................... 127

Figura 5.22: Curvas médias das amostras dos ensaios de carga localizada................ 128

Figura 5.23: Evolução do carregamento nas tiras do compósito................................. 129

Figura 5.24: Ruptura das tiras da almofada por tração. .............................................. 130

Figura 5.25: Gráfico do produto afundamento x força. .............................................. 131

Figura 5.26: Blocos da primeira série de ensaios........................................................ 133

Figura 5.27: Blocos da segunda série de ensaios. ....................................................... 134

Figura 5.28: Conjunto dos ensaios de ligação de blocos. ........................................... 135

Figura 5.29: Ruptura dos blocos lisos......................................................................... 136

Figura 5.30: Ruptura dos blocos rugosos.................................................................... 137

Figura 5.31: Planta de posicionamento dos relógios do ensaio de rotação................. 138

Figura 5.32: Deslocamento médio para o traço V5PP4,5L30 e=10mm. .................... 139

Figura 5.33: Rotações nos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=10mm....................... 140

Figura 5.34: Rotações médias dos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=10mm. ......... 140

Figura 5.35: Deslocamento médio para o traço V5PP4,5L30 e=20mm. .................... 141

Figura 5.36: Rotações nos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=20mm....................... 142

Figura 5.37: Rotações médias dos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=20mm. ......... 142

Figura 5.38: Deslocamento médio para o traço V10PP4L30 e=10mm. ..................... 143

Figura 5.39: Rotações nos apoios para o traço V10PP4L30 e=10mm........................ 144

Figura 5.40: Rotações médias dos apoios para o traço V10PP4L30 e=10mm. .......... 144

Figura 5.41: Deslocamento médio para o traço V10PP4L30 e=20mm. ..................... 145

Figura 5.42: Rotações nos apoios para o traço V10PP4L30 e=20mm........................ 146

Figura 5.43: Rotações médias dos apoios para o traço V10PP4L30 e=20mm. .......... 146

Figura 5.44: Deslocamento médio para o traço V15PP3,5L30 e=10mm. .................. 147

Figura 5.45: Rotações nos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=10mm..................... 148

Figura 5.46: Rotações médias dos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=10mm. ....... 148

Figura 5.47: Deslocamento médio para o traço V15PP3,5L30 e=20mm. .................. 149

Figura 5.48: Rotações nos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=20mm..................... 150

Figura 5.49: Rotações médias dos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=20mm. ....... 150

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Figura 5.50: Descolamento entre a chapa metálica e almofada de 20mm. ................. 151

Figura 5.51: Fissuras após ensaio de rotação em almofada de 20mm. ....................... 152

Figura 5.52: Comparação de rotações para as almofadas de 10mm de espessura. ..... 153

Figura 5.53: Viga de ponte rolante do laboratório de estruturas da EESC/USP......... 155

Figura 5.54: Viga de concreto armado idealizada....................................................... 155

Figura 5.55: Curvas de deslocamento vertical da linha de carga do compósito. ........ 157

Figura 5.56: Foto de uma das extremidades da superfície das almofadas do

compósito. .................................................................................................................... 159

Figura 5.57: Foto da região central da superfície das almofadas do compósito. ........ 160

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Tabela 2.1: Temperaturas de Transição Vítrea e de Fusão para alguns tipos de

Polímeros (CALLISTER JR., 2000). ............................................................................. 11

Tabela 2.2: Características importantes para cinco elastômeros comerciais

(CALLISTER JR., 2000)................................................................................................ 17

Tabela 2.3: Propriedades de algumas fibras – Fonte: TEZUKA (1989)....................... 20

Tabela 2.4: Ligações viga-pilar estudadas por MIOTTO (2002).................................. 37

Tabela 2.5: Misturas para ensaios de caracterização do material

(MONTEDOR, 2004)..................................................................................................... 40

Tabela 2.6: Variáveis analisadas. .................................................................................. 41

Tabela 2.7: Traço de referência..................................................................................... 41

Tabela 2.8: Legenda dos materiais................................................................................ 41

Tabela 2.9: Ensaios de ligação de blocos (MONTEDOR, 2004).................................. 43

Tabela 3.1: Características do cimento utilizado (Fonte: HOLCIM S.A.).................... 50

Tabela 3.2: Propriedades do látex estireno-butadieno (Rhodia do Brasil).................... 54

Tabela 3.3: Propriedades das fibras de polipropileno (Fonte: Fitesa S.A.)................... 56

Tabela 3.4: Características do Glenium 51 (Fonte: Catálogo Técnico do Fabricante). 59

Tabela 3.5: Traço de referência em massa .................................................................... 59

Tabela 3.6: Legenda adotada......................................................................................... 60

Tabela 3.7: Consumos de cimento para os traços estudados......................................... 61

Tabela 3.8: Variáveis estudadas. ................................................................................... 62

Tabela 4.1: Traços estudados no ensaio de carregamento monotônico......................... 72

Tabela 4.2: Traços estudados no ensaio de carga localizada......................................... 81

Tabela 4.3: Síntese do programa experimental. ............................................................ 99

Tabela 5.1: Resultados do ensaio de compressão simples para os traços estudados... 102

Tabela 5.2: Resultados do ensaio tração para os traços estudados.............................. 104

Tabela 5.3: Relações entre resistências e módulo de elasticidade............................... 109

Tabela 5.4: Rigidez das placas dos traços estudados. ................................................. 112

Tabela 5.5: Relações entre módulo de elasticidade e rigidez...................................... 113

Tabela 5.6: Traços estudados nos ensaios de carregamento cíclicos. ......................... 116

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Tabela 5.7: Comparação de valores de afundamentos para diferentescarregamentos. 124

Tabela 5.8: Comparação de valores de rigidezes para diferentes carregamentos. ...... 124

Tabela 5.9: Traços estudados no ensaio de carga localizada....................................... 125

Tabela 5.10: Resistências dos blocos da 1ª série de ensaios. ...................................... 132

Tabela 5.11: Resistências dos blocos da 2ª série de ensaios. ...................................... 133

Tabela 5.12: Tensões médias para o ensaio de tenacidade flexional. ......................... 158

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SIQUEIRA, G.H. (2007). Almofada de apoio de compósito de cimento para

ligações em concreto pré-moldado. 169p. Dissertação (Mestrado) – Escola de

Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.

Esta pesquisa apresenta um estudo de uma argamassa modificada para uso como

elemento de ligação entre elementos de concreto pré-moldado. A argamassa utilizada

nesta pesquisa é obtida pela introdução de látex estireno-butadieno (SB) e fibras de

polipropileno a uma argamassa de cimento e areia. Estas adições modificam suas

propriedades mecânicas, proporcionando o aumento da deformabilidade por diminuição

do módulo de elasticidade do compósito, conferindo-lhe características favoráveis ao

uso como elemento de apoio para elementos pré-moldados de concreto. Foram

realizados ensaios de caracterização do compósito por meio da obtenção das resistências

à compressão e à tração e, do módulo de elasticidade para corpos-de-prova cilíndricos

com 50mm de diâmetro com 100mm de altura. Ensaios de capacidade de deformação,

capacidade de rotação e capacidade de acomodação de imperfeições e distribuição das

tensões foram realizados em almofadas de 150mm x 150mm com espessura de 10mm.

Os resultados mostraram que o material possui boa capacidade de se deformar em níveis

de tensão da ordem de 10 a 20MPa mantendo sua resiliência. Valores de rotações entre

0,01 e 0,02rad foram obtidos nos ensaios, sendo estas maiores que os valores

necessários para a maioria dos casos convencionais de projeto. Na acomodação e

distribuição das tensões, a presença das almofadas promoveu uma melhora de 25% no

desempenho de ligações submetidas à compressão uniforme, com rugosidades de

1,0mm.

Palavras-chave: Almofadas de apoio, Fibras de Polipropileno; Látex Estireno-

butadieno; Ligações; Estruturas de concreto pré-moldado.

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SIQUEIRA, G.H. (2007). Bearing pad of cement composite for connections in

precast concrete. 169p. M.Sc. Dissertation – Escola de Engenharia de São Carlos,

Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.

This research presents a study of a mortar modified to use as bearing pad between

precast concrete elements. The mortar used in this research is achieved by the

introduction of styrene-butadiene latex (SB) and polypropylene fibers into a cement

mortar and sand, modifying their mechanical properties, as increase of the potential

deformation by decrease of the composite modulus of elasticity, providing favorable

characteristics to the use as bearing pad for precast concrete elements. Cylindrical

samples of 50mm of diameter with height of 100mm were molded and tested to

determination the compressive and the tensile strength and also the modulus of

elasticity of the composite. Compression tests with cushions of 150mm x 150mm of

base with thickness of 10mm were done to determinate the deformation capacity,

rotation capacity and capacity of accommodation of imperfections and distribution of

the stresses between precast elements. The results showed that the material has a

capacity to deform in levels of tension from 10 to 20MPa maintaining his resilience.

Values of rotations among 0,01 and 0,02rad were obtained, being these larger ones than

the necessary values for most of the conventional cases of project. In the

accommodation and distribution of the stresses, the presence of the bearing pad

promoted an improvement of 25% in the strength of connections subject to uniform

compressive stresses, with surface irregularities of 1,0mm.

Keywords: Bearing pad; Polypropylene fibers; Styrene-butadiene latex; Connections;

Precast concrete structures.

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1.1 Considerações Iniciais

As ligações entre elementos de concreto pré-moldado, geralmente, são a parte mais

importante do projeto deste tipo de sistema estrutural. Elas são de fundamental

importância na concepção do processo de fabricação dos elementos adjacentes à região

da ligação, no comportamento global da estrutura e nos serviços complementares

realizados no local.

Devido ao seu comportamento próprio as ligações podem promover a redistribuição dos

esforços nos elementos e ainda a modificação dos deslocamentos finais da estrutura. As

falhas de certas ligações, quando submetidas a determinadas ações, bem como defeitos

em sua execução, podem ocasionar deslocamentos excessivos e provocar o colapso da

estrutura.

As ligações devem se adequar a critérios relativos à resistência, ductilidade,

durabilidade e resistência ao fogo, bem como apresentar aspectos como estética,

produção e montagem (EL DEBS – 2000).

Nas ligações entre elementos de concreto pré-moldado, a transferência das tensões de

compressão pode ser de duas maneiras: (a) por contato direto; e (b) por inserção de

material entre os elementos.

Devido ao comportamento frágil do concreto, o apoio por contato direto é raramente

utilizado e limitado a baixas tensões de compressão. O uso de argamassa moldada no

local pode ser uma alternativa para minimizar as irregularidades da superfície de

contato. Sua gama de utilização é limitada e sua aplicação é restrita a baixos níveis de

tensão de compressão, sendo que, esta ainda requer trabalhos adicionais na obra.

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Com relação à inserção de material entre os elementos pré-moldados, o material pode

ser rígido ou flexível. O material rígido pode ser feito com elementos metálicos

embutidos nas peças pré-moldadas de concreto e, o contato pode ser feito por estes

elementos. Este tipo de ligação requer cuidados para garantir a uniformidade

dimensional da superfície de contato e freqüente manutenção, porque os elementos

metálicos podem ser expostos. Os elementos flexíveis podem ser na forma de almofadas

de elastômero. O elastômero mais comum utilizado como elemento de apoio entre

elementos de concreto pré-moldado é o policloropreno, conhecido comercialmente

como neoprene. Devido a sua flexibilidade este acomoda as irregularidades das

superfícies dos elementos pré-moldados, promovendo uma melhor distribuição das

tensões, permitindo certas rotações e deslocamentos horizontais entre as peças. Este

material apresenta como desvantagem de utilização seu alto custo e necessidade de

manutenção periódica.

O que se propõe neste trabalho é o desenvolvimento de um material à base de

argamassa de cimento modificada pela introdução de fibras de polipropileno, látex

estireno-butadieno (SB) e vermiculita. Este material deve possuir capacidade de

deformação de modo que se adeque à utilização como elemento de apoio para os

elementos de concreto pré-moldados de concreto. Essa composição foi escolhida devido

aos resultados de pesquisas realizadas anteriormente que mostraram que a utilização

conjunta desses materiais promove uma redução significativa do módulo de elasticidade

do compósito. A escolha da fibra de polipropileno foi motivada devido ao seu baixo

custo em relação a outros tipos de fibras encontradas comercialmente para utilização em

concretos e argamassas de cimento Portland.

Este material possui a vantagem de ser mais barato que o neoprene comercializado

atualmente, mas apresenta a desvantagem de não possuir a amplitude de utilização que o

mesmo. Sua utilização fica restrita às ligações onde não se apresentam esforços na

direção horizontal da peça, sendo o exemplo mais comum de utilização as ligações viga-

pilar de estruturas de edifícios comerciais e residenciais e de galpões industriais, como

apresentado na Figura 1.1.

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Figura 1.1: Esquema de ligação viga-pilar.

Outra vantagem apresentada pelo material é a capacidade de moldá-lo de acordo com a

tipologia da ligação, independentemente do tamanho e do tipo de apoio e da necessidade

de vazios na almofada do compósito para adequação aos chumbadores presentes nas

ligações. Um exemplo desta moldabilidade do material é apresentada na Figura 1.2.

Figura 1.2: Almofadas de apoio de diferentes formatos.

Os estudos com o material vêm sendo desenvolvidos no laboratório de estruturas da

Escola de Engenharia de São Carlos desde o ano 2000, com algumas variações dos

materiais incorporados na modificação do compósito.

EL DEBS et al. (2003) apresentam resultados de resistência à compressão, tração e

módulo de elasticidade para corpos-de-prova cilíndricos de argamassa modificada com

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fibra de polipropileno e PVA, látex SB e vermiculita. São apresentados resultados de

almofadas do compósito utilizadas como elemento de apoio em ensaios de ligações do

tipo viga-pilar e pilar-pilar, cujos resultados indicaram um grande potencial da

utilização do material como elemento de apoio para elementos de concreto pré-

moldado.

1.2 Objetivos

No caso deste trabalho, dando seqüência aos estudos realizados por MONTEDOR

(2004), o objetivo principal foi o desenvolvimento de uma almofada feita de argamassa

à base de cimento, que seja suficientemente flexível para distribuir as tensões de contato

neste tipo de ligação viga-pilar. A utilização de fibras de polipropileno, substituindo as

fibras de Vidro e PVA utilizadas anteriormente, tendem a promover uma diminuição do

custo final de produção destas almofadas. Por isso o estudo foi dirigido estabelecendo-

se os seguintes objetivos específicos:

a) Avaliar a diminuição do módulo de elasticidade do compósito e rigidez das

almofadas do material, conferindo-lhe capacidade de deformação e, promovendo

assim, uma conveniente distribuição das tensões na região dos apoios dos

elementos pré-moldados;

b) Buscar uma relação entre a quantidade de vermiculita incorporada ao material e

seu conseqüente aumento de deformabilidade com diminuição de resistência,

buscando-se uma relação de equilíbrio entre estes fatores;

c) Verificar as características resilientes do material, por meio da aplicação de

carregamentos cíclicos nas almofadas, mostrando assim, a evolução da rigidez

destas nas situações de carregamentos de teor cíclico, a que os elementos

estruturais estão submetidos nas situações de utilização das estruturas em geral;

d) Avaliar o emprego da almofada em ligações de blocos de concreto, comparando

ligações com a presença do compósito, em relação a elementos íntegros e

elementos com emenda feita por junta seca;

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e) Verificar a capacidade de rotação destes elementos para garantir que estes são

capazes de absorver este tipo de solicitação sem introduzir esforços adicionais

nos elementos da ligação.

1.3 Justificativas

As ligações com a utilização de argamassa entre elementos pré-moldados é bastante

utilizada devido a sua facilidade de execução. Porém, neste tipo de configuração

apresentada, não existem parâmetros suficientes que determinem suas características

resistentes, portanto:

9 por se tratar de um material novo, existem poucos estudos neste sentido

no país, concentrando-se no Departamento de Engenharia de Estruturas

da Escola de Engenharia de São Carlos;

9 O comportamento da argamassa quando utilizada nas ligações ainda é

pouco conhecido, necessitando a realização de novos estudos para

avaliação mais ampla na sua utlização;

9 A argamassa apresentou boa capacidade de deformação, em alguns testes

previamente realizados;

9 A adição conjunta de vermiculita, látex e fibras promove uma redução

significativa do módulo de elasticidade do material, sobretudo se

comparado à almofada de cloropreno;

9 Já existem vários estudos caracterizando em separado a utilização destes

materiais quando incorporados à argamassas de cimento, mas a utilização

em conjunto desses três materiais ainda necessita ser estudada pois ainda

não foi bem caracterizada a sua capacidade resistente quando utilizada

como elemento de apoio.

Com base nos aspectos citados nota-se a relevância do estudo do material, mesmo

porque existem variações do tipo de fibras utilizadas que determinam algumas

características diferenciadas às argamassas produzidas.

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1.4 Metodologia

Para atingir os objetivos deste trabalho foi utilizada a seguinte metodologia:

a) Definição das variáveis do compósito

Em vista do trabalho desenvolvido anteriormente e visando-se economia, foi definida a

substituição das fibras de Vidro e PVA por fibra de polipropileno. De posse dos

resultados anteriores, foram estipuladas as variações nas quantidades de fibra e

vermiculita que seriam incorporadas, limitando-se o estudo a cinco traços diferentes,

diminuindo, em muito, a gama de variações a ser estudada.

b) Revisão bibliográfica

Através da revisão bibliográfica foram estudadas as características de modificação que

cada um dos elementos introduzidos na argamassa poderiam trazer. Através do

comportamento conferido por cada elemento em separado pode-se idealizar o

comportamento em conjunto destes elementos e assim criar um compósito voltado ao

uso destinado.

c) Ensaios físicos

Por meio dos ensaios experimentais foram verificadas as características reais do

compósito, possibilitando assim, a saída do campo hipotético para o campo das

informações reais sobre os corpos-de-prova e almofadas produzidos com este material.

d) Análise dos resultados

Por meio da análise dos resultados, fez-se uma avaliação crítica do compósito em

relação às características necessárias para seu uso como elemento de apoio, podendo

assim, validar as hipóteses de desempenho do material e influência de sua utilização nas

ligações.

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1.5 Apresentação do Trabalho

No capítulo 1, introdução, são apresentadas algumas utilizações do compósito bem

com algumas discussões das vantagens de sua utilização como elemento de apoio.

Tenta-se justificar a relevância da continuidade desse estudo em relação as

características que foram alteradas com a introdução de uma fibra diferente da utilizada

anteriormente.

No capítulo 2, revisão bibliográfica, são apresentadas as características dos elementos

utilizados na modificação da almofada. É apresentada uma pequena revisão

bibliográfica sobre os polímeros em geral, bem como as particularidades dos polímeros

utilizados nesta pesquisa. Apresenta-se uma pequena revisão das pesquisas realizadas

com almofadas desta natureza encontradas na literatura.

No capítulo 3, materiais utilizados, são apresentadas características dos materiais

utilizados nesta pesquisa e a caracterização do compósito, os aspectos de dosagem,

variáveis que seriam analisadas e propriedades mecânicas verificadas para diferentes

traços, que serviriam de parametrização para a realização de todo o programa

experimental.

No capítulo 4, programa experimental, são descritos todos os ensaios que foram

realizados em almofadas do compósito para verificação das propriedades necessárias a

sua utilização.

No capítulo 5, análise dos resultados, foram apresentados todos os resultados obtidos

nos vários ensaios que as almofadas de cinco traços do compósito foram submetidas,

bem como as comparações dos resultados obtidos na pesquisa realizada anteriormente

com o compósito.

No capítulo 6, considerações finais e conclusões, são feitas as considerações finais e

conclusões sobre o trabalho, bem como ainda algumas sugestões para trabalhos futuros

sobre o material.

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2.1 Preliminares

Este capítulo faz uma revisão do que pode ser encontrado na literatura sobre os

materiais introduzidos na modificação e utilizados na confecção das almofadas

estudadas neste trabalho. Inicialmente trata-se dos polímeros de maneira geral para que

se possa entender as características inerentes aos materiais aqui estudados. Em seguida,

são mostradas as particularidades de cada material e as principais propriedades que a

incorporação de polímeros à argamassa de cimento pode proporcionar. No final é feita

uma revisão sobre o que se tem de material específico sobre almofadas de argamassa

modificadas por polímeros.

2.2 Polímeros

2.2.1 Considerações Iniciais

A utilização de polímeros data de muitos séculos atrás, quando se utilizavam as formas

que ocorrem naturalmente dos mesmos. Estão inclusos nessas formas naturais dos

polímeros: madeira, borracha, algodão, lã, couro e, seda. Nos processos biológicos e

fisiológicos são de grande importância outras formas de polímeros naturais como as

proteínas, amidos e a celulose. Ferramentas modernas de pesquisa científica tornaram

possível a determinação das estruturas moleculares deste grupo de materiais, bem como,

o desenvolvimento de numerosos polímeros, os quais são sintetizados a partir de

moléculas orgânicas pequenas. De fato, desde o fim da Segunda Guerra Mundial, o

campo dos materiais, foi virtualmente revolucionado pelo advento dos polímeros

sintéticos. Os materiais sintéticos podem ser produzidos de maneira barata e, as suas

propriedades podem ser administradas a um nível em que muitas delas são superiores às

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suas contrapartes naturais (CALLISTER JR., 2000). Alguns dos exemplos de materiais

obtidos artificialmente e com grande utilização atualmente são os plásticos, as borrachas

e os materiais fibrosos.

Como o próprio nome já diz, as moléculas dos polímeros são compostas de várias

partes, e geralmente possuem tamanhos gigantescos, por isso são chamadas de

macromoléculas. Essas macromoléculas são compostas por entidades estruturais

orgânicas conhecidas por meros, que se repetem sucessivamente, onde os átomos estão

ligados entre si através de ligações covalentes. O termo mero tem origem na palavra

grega meros, que significa parte. O “mero” representa a unidade que se repete na cadeia

de um polímero.

Quando todas as unidades que se repetem ao longo de uma cadeia são do mesmo tipo, o

polímero resultante é chamado de homopolímero, e quando a cadeia é composta por

duas ou mais unidades mero diferentes, o mesmo é conhecido por copolímero. Estes

apresentam melhores combinações de propriedades do que aqueles, sendo que, novos

materiais que possam ser fácil e economicamente sintetizados e fabricados vêem sendo

continuamente estudados.

A Reação para obtenção de polímeros é denominada polimerização. Geralmente os

polímeros apresentam cadeias longas e, consequentemente, elevado peso molecular,

sendo que esta característica afeta significativamente as propriedades dos polímeros.

Para o caso desta pesquisa, o interesse maior está nos elementos que apresentam

elevado peso molecular e, por isso, se apresentam no estado sólido à temperatura

ambiente.

As propriedades mecânicas destes elementos são influenciadas por vários fatores, tais

como:

9 Peso Molecular: a magnitude do módulo de deformação não parece sofrer

influência direta, mas o limite de resistência à tração aumenta com o

aumento do peso molecular;

9 Grau de Cristalinidade: tanto o módulo de deformação quanto sua

resistência são aumentadas quando se aumenta o grau de cristalinidade

(pode-se entender, simplificadamente, a cristalinidade como sendo o

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empacotamento das cadeias moleculares que promovem um arranjo

ordenado da estrutura);

9 Temperatura: As propriedades mecânicas dos polímeros são altamente

sensíveis à temperatura. Dependendo do uso, é importante o conhecimento

das temperaturas de fusão e de transição vítrea. A primeira trata-se da

temperatura em que ocorre a transformação de um material sólido em líquido

com aquecimento e, a segunda, a temperatura na qual o polímero, que

apresenta características de uma borracha, passa para o estado rígido durante

o processo de resfriamento. Essas temperaturas são importantes para garantir

que as propriedades do uso a que se destina determinado polímero não sofra

alterações devido a mudanças no seu estado físico.

A título de exemplo, as variações de características físicas para o polietileno em relação

ao seu peso molecular e grau de cristalinidade são mostrados na Figura 2.1. Na Tabela

2.1 são apresentadas as temperaturas de transição vítrea e fusão para alguns polímeros

mais comuns.

Tabela 2.1: Temperaturas de Transição Vítrea e de Fusão para alguns tipos de Polímeros

(CALLISTER JR., 2000).

Material

Temperatura de

Transição Vítrea

[ºC (ºF)]

Temperatura de

Fusão

[ºC (ºF)]

Polietileno (baixa densidade)

Politetrafluoroetileno

Polietileno (alta densidade)

Polipropileno

Náilon 6.6

Poliéster (PET)

Cloreto de Polivinila

Poliestireno

Policarbonato

-110 (-165)

-97 (-140)

-90 (-130)

-18 (0)

57 (135)

69 (155)

87 (190)

100 (212)

150 (300)

115 (240)

327 (620)

137 (279)

175 (347)

265 (510)

212 (415)

240 (465)

265 (510)

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Peso Molecular (g/mol)

(Escala não-linear)

Percentual de Cristalinidad

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Figura 2.1: Influência do Grau de Cristalinidade e do Peso Molecular sobre as características

físicas do Polietileno (CALLISTER JR., 2000).

Os polímeros podem ser classificados, de acordo com a sua resposta mecânica a

temperaturas elevadas, em termoplásticos e termofixos. Polímeros termoplásticos

amolecem quando são aquecidos (e por fim se liquefazem) e endurecem quando são

resfriados, processos que são reversíveis e podem ser repetidos. Os termofixos se

tornam permanentemente duros quando aquecidos e não amolecem quando ocorrer uma

nova aplicação de calor.

As propriedades dos polímeros (resistência mecânica, resistência a abrasão, tenacidade,

estabilidade térmica, rigidez, deteriorabilidade, cor e resistência às chamas) podem ser

modificadas e melhoradas com a incorporação de aditivos no seu processo de

polimerização.

Existem variados tipos de elementos com uma aplicabilidade extensa e que nos são

familiares quando se trata deste tipo de elementos. Dentre eles podemos citar: os

plásticos, os elastômeros (ou borrachas), as fibras, os revestimentos, os adesivos, as

espumas e as películas. Uma outra variedade de polímeros muito utilizada são os látex,

que são polímeros em emulsão em água. Para os objetivos específicos desta pesquisa, os

Plásticos Duros

Plásticos Moles

Ceras

Tenazes

Ceras Frágeis

Graxas,

Líquidos

Ceras

Moles

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polímeros de interesse são os elastômeros, as fibras e os látex e, que terão suas

propriedades discutidas a seguir.

Quando o assunto é a aplicação dos polímeros na construção civil o conhecimento da

sociedade torna-se parcial, pois embora existam produtos utilizados há um bom tempo

como canos de água e esgoto em PVC, telhas plásticas, condutores elétricos e tintas,

também há aqueles produtos como revestimentos externos e acústicos, calhas, janelas,

polímeros aplicados em estruturas de concreto ou em revestimentos argamassados

(produtos mais recentes no mercado), entre outros. Um dos fatores que contribuem para

a falta de informação da sociedade em relação à estes produtos é a maior utilização e

divulgação dos produtos poliméricos em outros setores como o alimentício, o de

eletrodomésticos, o automobilístico e outros, que, comparados aos produtos poliméricos

existentes na construção civil, possuem maior tradição no mercado e uma maior escala

de produção.

Os avanços tecnológicos alcançados nos últimos anos na tecnologia de processamento

dos polímeros devem ser observados, sendo que, o uso dos mesmos tem auxiliado mais

a produtividade, a qualidade, o custo, a velocidade e as condições de higiene da obra, se

comparado a outros materiais convencionais.

Apesar dos materiais poliméricos serem cada vez mais utilizados na construção, ainda

existe um desconhecimento generalizado de sua natureza, características e propriedades

(VANDERGORIN, 1987). Um fator importante a ser considerado nessa falta de

informação e interesse por parte dos profissionais reside no fato de que, ainda, muitos

polímeros oferecem custo mais elevado que outros materiais convencionais, mas se

forem consideradas a velocidade de execução, a durabilidade e a baixa manutenção

destes materiais, estes tornam-se uma boa opção para serem utilizados.

2.2.2 Elastômeros

Uma das propriedades fascinantes dos materiais elastoméricos é a sua elasticidade, que

se assemelha à da borracha. Isto é, eles possuem a habilidade de serem deformados

segundo níveis de deformação muito grandes e em seguida retornarem elasticamente,

tais como molas, às suas formas originais (CALLISTER JR., 2000). Esse

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comportamento foi, provavelmente, primeiro observado na borracha natural, entretanto

os últimos anos trouxeram a síntese de um grande número de elastômeros com uma

grande variedade de propriedades. Seus módulos de elasticidade são muito pequenos e,

além disso, variam em função da deformação, uma vez que a curva tensão deformação

para esses materiais não é linear.

Em um estado sem tensões, um elastômero será amorfo e composto por cadeias

moleculares altamente torcidas, dobradas e espiraladas. A deformação elástica,

mediante a aplicação de uma carga de tração, consiste em desenrolar, destorcer e

retificar as cadeias apenas parcialmente e, como resultado, alongá-las na direção da

tensão, esse fenômeno está representado na Figura 2.2. Com a liberação da tensão, as

cadeias se enrolam novamente de acordo com a sua conformação antes aplicação da

tensão e, a peça macroscópica retorna à sua forma original.

Figura 2.2: Representação esquemática de moléculas de cadeias de polímeros com ligações cruzadas

(a) em um estado sem tensão e (b) durante deformação elástica sob aplicação de tensão de tração

(CALLISTER JR., 2000).

“Vários critérios devem ser atendidos para que um polímero seja elastomérico:

(1) Ele não deve ser facilmente cristalizável: os materiais elastoméricos são

amorfos, possuindo cadeias moleculares naturalmente espiraladas e dobradas em

seu estado sem a aplicação de tensões;

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(2) As rotações das ligações da cadeia devem estar relativamente livres, de modo

que as cadeias retorcidas possam responder de imediato a aplicação de uma

tensão;

(3) Para que os elastômeros experimentem deformações elásticas relativamente

grandes, o início do surgimento de uma deformação plástica deve ser retardado.

As ligações cruzadas atuam como pontos de ancoragem entre as cadeias e

impedem que ocorra deslizamento da cadeia. O papel das ligações cruzadas está

mostrado na Figura 2.2b. Em muitos elastômeros, a formação das ligações

cruzadas é realizada segundo um processo conhecido por vulcanização;

(4) Finalmente, o elastômero deve estar acima da sua temperatura de transição

vítrea, sendo esta a temperatura mais baixa na qual esse comportamento de

borracha persiste e, situando-se na faixa entre -90 °C e -50 °C. Abaixo da

temperatura de transição vítrea esses elementos se tornam

frágeis”.(CALLISTER JR.2000)

O processo de formação das ligações cruzadas nestes elementos é conhecido por

vulcanização, como já mencionado anteriormente, o qual é realizado através de uma

reação química irreversível, normalmente conduzida a uma temperatura elevada. Na

maioria das reações de vulcanização, compostos de enxofre são adicionados ao

elastômero aquecido, se ligando as cadeias principais do polímero, que se encontram

adjacentes, formando ligações cruzadas entre elas. A reação típica de um processo de

vulcanização está mostrada na Figura 2.3, onde m e n consistem em átomos de enxofre.

A borracha não vulcanizada é mole e pegajosa, possuindo baixa resistência à abrasão.

Algumas de suas características como, módulo de elasticidade, limite de resistência à

tração e a resistência à degradação por oxidação são melhoradas com esse processo de

vulcanização. O comportamento comparativo entre os gráficos de tensão-deformação

para borrachas naturais vulcanizadas e não vulcanizadas estão mostrados na Figura 2.4.

Para que se possa produzir uma borracha capaz de ser submetida a grandes deformações

sem que ocorra ruptura das ligações da cadeia primária, devem existir, relativamente,

poucas ligações cruzadas e estas devem estar bastante separadas nessa cadeia. Por

apresentarem essas ligações cruzadas, os materiais elastoméricos são polímeros

termofixos.

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Figura 2.3: Reação de vulcanização de um elastômero (CALLISTER JR., 2000).

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50

60

Tensão (MPa)

Deformação

Figura 2.4: Curvas tensão-deformação até um alongamento de 600% para as borrachas naturais

vulcanizada e não-vulcanizada (CALLISTER JR., 2000).

Na Tabela 2.2 são mostradas as propriedades e características importantes de cinco

elastômeros mais comuns. Deve-se lembrar que o policloropreno apresentado, é muito

utilizado na construção civil como elemento de apoio para elementos de concreto pré-

Vulcanizada

Não-vulcanizada

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moldado. A apresentação de algumas características do policloropreno, também

conhecido comercialmente como Neoprene, apesar de não ser o foco principal do

trabalho, são de imprescindível conhecimento já que o que se pretende aqui é a criação

de um elemento que possa substituir o elastômero em determinadas situações.

Tabela 2.2: Características importantes para cinco elastômeros comerciais

(CALLISTER JR., 2000).

Tipo Químico

Nome

Comercial

(Comum)

Alongamento

(%)

Faixa Útil de

Temperaturas

[ºC (ºF)]

Principais

Características de

Aplicação

Poli-isopreno natural

Copolímero

estireno-butadieno

Copolímero acrilonitrila-

butadieno

Cloropreno

Polissiloxano

Borracha Natural

(NR – Natural

Rubber)

GRS,

Buna S (SBR)

Buna A,

Nitrila (NBR)

Neopreno (CR)

Silicone (VMQ)

500-760

450-500

400-600

100-800

-60 a 120

(-75 a 250)

-60 a 120

(-75 a 250)

-50 a 105

(-60 a 300)

-50 a 105

(-60 a 225)

-115 a 315

(-175 a 600)

Excelentes

propriedades físicas:

boa resistência ao

corte, ao entalhe e à

abrasão; baixa

resistência ao calor, ao

ozônio e ao óleo; boas

propriedades elétricas

Boas propriedades

físicas: excelente

resistência à abrasão;

não possui resistência

a óleo, ozônio ou ao

tempo; propriedades

elétricas boas, porém

não excepcionais

Excelente resistência a

óleos vegetais,

animais e de petróleo;

propriedades ruins a

baixas temperaturas;

as propriedades

elétricas não são

excepcionais

Excelente resistência

ao ozônio, ao calor e

às intempéries; boa

resistência ao óleo;

excelente resistência a

chamas; não é tão bom

em aplicações

elétricas como a

borracha natural

Excelente resistência a

temperaturas altas e

baixas; baixa

resistência; excelentes

propriedades elétricas

2.2.3 Fibras

Neste trabalho serão apresentadas as características gerais de alguns tipos de fibras,

mas, sendo dada ênfase às fibras poliméricas, em especial à de polipropileno.

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Os polímeros em fibra são capazes de serem estirados na forma de longos filamentos

com pelo menos uma relação comprimento-diâmetro de 100:1.

Conforme o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1993), a relação de aspecto, ou

seja, a relação entre o comprimento e o diâmetro equivalente, é um parâmetro que

melhor descreve uma fibra, entretanto, TEZUKA (1989) acrescenta que na produção de

concretos com fibras, o campo dos diâmetros é bastante extenso, podendo não ser fácil

definir uma fibra somente pela relação comprimento/diâmetro.

De acordo com o mesmo autor, existe uma grande variedade de fibras para o uso em

matriz de cimento: fibras de silicatos cristalinos como o amianto, de vidro, de metal, o

aço carbono e o aço inox, de carbono, de vegetal natural como sisal, cânhamo, juta,

coco, etc., de polímero como polipropileno, nylon e polietileno.

Neste trabalho, importante serão as características dos concretos e argamassas de

cimento reforçados com fibras (CRF). Estes podem ser definidos como compósitos

preparados a partir de cimento hidráulico, agregados de um ou vários tamanhos, que

incorpora fibras discretas e descontínuas.

“As fibras mais utilizadas são as de amianto crisotila, de vidro, de aço de alta

resistência, de polipropileno e as de coco” (AGOPYAN, 1993). As fibras utilizadas

como reforço de matrizes cimentícias podem ser classificadas em dois grupos genéricos:

9 Fibras de baixo Módulo de Deformação, com alto índice de

alongamento;

9 Fibras de alto Módulo de Deformação, alta resistência.

Quando incorporadas aos concretos e argamassas, as fibras podem atuar de duas

maneiras: no estado fresco e no estado endurecido. No estado fresco elas atuam no

controle da fissuração causada pela retração e pela hidratação do cimento e, reduzem a

possibilidade de exsudação e segregação do concreto. No estado endurecido, inibem o

aparecimento de fissuras por retração plástica e, dependendo da suas características elas

podem atuar de maneira a melhorar as características dos elementos quanto ao controle

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da fissuração, resistência à fadiga, resistência ao impacto, resistência ao cisalhamento,

tenacidade à flexão.

Fibras com módulo de deformação maior que o da matriz cimentícia, quando

incorporadas, atuam no controle da fissuração no estado pré-fissurado, aumentando a

resistência do compósito e diminuindo sua ductilidade, pois quando ocorre a

deformação da matriz, são transmitidos esforços às fibras que suportam cargas elevadas

sofrendo ruptura frágil. Já as fibras com módulo de elasticidade menor que o da matriz

cimentícia, não alteram as propriedades do compósito antes da fissuração, aumentando

sua tenacidade e ductilidade no estado pós-fissurado, pois atuam como um elemento de

costura das fissuras.

De acordo com TEZUKA (1989), as fibras que têm módulo de elasticidade menor e

alongamento maior que o da matriz de cimento, geram compósitos com pequeno

aumento de resistência, mas, com grande capacidade de absorver energia e, portanto,

grande resistência ao impacto e tenacidade. Por outro lado acrescenta, fibras de módulo

de elasticidade elevado e grande resistência, tais como as fibras de aço, vidro e carbono,

produzem compósitos com características, principalmente, de elevada resistência à

tração, rigidez e absorções de ações dinâmicas. Na Tabela 2.3 são apresentadas as

propriedades de algumas fibras.

Materiais cimentícios não reforçados com fibra apresentam boa rigidez e adequada

resistência a compressão, contudo são frágeis (quebradiços), com baixas capacidades de

resistência a tração, a deformação, de resistência ao impacto, a fadiga, além de

possuírem baixa tenacidade e ductilidade. Para resolver estes problemas, tem havido um

aumento crescente nos últimos 30 anos no uso de concretos e cimentos reforçados com

fibras (BENTUR & MINDESS, 1990; MINDESS & BANTHIA, 1994; PERUZZI,

2002).

As fibras são introduzidas com o intuito de aumentar a resistência da argamassa ou

concreto, embora incrementos modestos possam ocorrer. Seu papel é controlar a

fissuração do CRF, e de alterar o comportamento do material uma vez a matriz

fissurada, já que atuam como micro-armaduras, ao ligar as fissuras e garantir ao

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material uma pseudoductilidade (BENTUR & MINDESS, 1990; MEHTA &

MONTEIRO, 1994; SAYEGH, 2001).

Tabela 2.3: Propriedades de algumas fibras – Fonte: TEZUKA (1989).

Tipo de

Fibra

Diâ-

metro

(µm)

Massa

Específi-

ca

(Kg/m3)

Coeficien-

te de

Poisson

Resistência

à Tração

(MPa)

Módulo de

Elasticida-

de

(GPa)

Alonga-

mento

Ruptura

(%)

Teores

Típicos

Volume

(%)

Resistência

aos Álcalis

Amianto

(crisotila)

0,02 a

20,00

2550,0 0,3 3500,0 168,0 2,0 a 3,0 10,0 boa

Aço

5,0 a

500,0

7840,0 0,28 a

0,33

1000 a 3000 196 a 210 3,0 a 4,0 0,5 a 2,0 boa

Vidro E

9,0 a

15,0

2550,0 0,22 a

0,25

2100 a 3500 77,0 2,0 a 3,5 1,0 a 8,0 pobre

Vidro

CEM-FIL

10,0 a

20,0

2700,0 0,2 2000 a 2800 70 a 84 2,0 a 3,0 1,0 a 8,0 razoável

Carbono

8,0 1900,0 0,2 a 0,4 2450 a 3150 230 a 315 1,0 2,0 a

12,0

boa

Kevlar

PRD 49 (*)

10,0 1450,0 0,3 2900,0 130 a 140 2,0 < 2,0 boa

Polipropile-

no Fibrilado

4,0 a

30,0

910,0 0,29 a

0,46

300 a 400 6,0 a 8,0 8,0 0,2 a

2,0

boa

Coco

100,0

a

400,0

- - 120 a 200 19 a 26 10,0 a25,0 1,0 a 5,0 pobre

Sisal

7,0 a

47,0

- - 280 a 568 13 a 26 3,0 a 5,0 1,0 a 5,0 pobre

Juta

20,0 a

100,0

- - 250 a 350 26 a 32 1,5 a 2,0 1,0 a 5,0 pobre

(*) Kevlar – poliamida aromática da Du Pont.

O reforço de argamassas e concretos de cimento Portland com fibras é uma maneira

bastante eficiente de reduzir a fragilidade na ruptura destes materiais, aumentar a

durabilidade e conferir propriedades mecânicas não encontradas nas argamassas e

concretos convencionais, relacionada à capacidade de deformação e absorção de

energia.

Segundo SWAMY (1992), de maior importância prática, é a ação das fibras como

pontes entre as fissuras e a melhora da capacidade de deformação na flexão pela matriz.

Do mesmo modo, de suma importância temos, a habilidade das fibras em inibir aumento

de fissuras instáveis e transformar uma ruptura frágil e rápida em ruptura estável e lenta,

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com tolerância ao dano, ductilidade na pós-fissuração e grande capacidade de absorção

de energia antes da ruptura.

As propriedades mecânicas dos materiais reforçados com fibras podem ser explicadas a

partir das características de sua microestrutura. “Destaca-se que pelo estudo da

microestrutura, obtém-se a resposta para a influência do tipo de fibra, idade de

hidratação e relação água/cimento e de como esses fatores devem ser devidamente

definidos a fim de que haja uma dosagem racional do compósito a ser empregado na

prática” (MEHTA & MONTEIRO,1994).

Quando se trata de ensaios com materiais fibrosos, destaca-se que durante o

carregamento do material, a tensão na qual ocorre a primeira fissura da matriz costuma

aumentar com a aderência e, ainda, com a relação comprimento-diâmetro e

concentração de fibras. Ao se elevar a aderência, obtém-se um acréscimo da resistência

à tração na fase elástica de solicitação e, em alguns casos, a redução da ductilidade.

Assim sendo, os ensaios a serem empregados devem auxiliar a escolha da situação

ótima, na qual se compatibilizam tenacidades elevadas e resistências aceitáveis.

As características das fibras não são as únicas responsáveis pelo melhor desempenho

dos compósitos. Acréscimos na resistência à tração, deformação específica e ductilidade

podem ser obtidos através do proporcionamento adequado de agregados (como a

utilização de vermiculita, por exemplo), da relação água/cimento e de outras adições.

A maior aderência fibra-matriz, por sua vez, pode ser obtida a partir de reduções da

porosidade e da concentração de portlandita (hidróxido de cálcio). Além disso, a

utilização de fibras de perfil irregular confere acréscimos de até 10% para a resistência à

tração do compósito, ao ser comparada à resistência obtida com fibras cilíndricas e lisas

(BENTUR; MINDESS; DIAMOND, 1985c).

De acordo com BARTOS (1992), podem ser citadas as seguintes características que

podem ser alteradas melhorando a performance do material:

• Resistência – inclusas: à tração, compressão, cisallhamento, flexão, impacto,

fadiga, grau de isotropia;

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• Tenacidade – incluídos: último deslocamento, modo de ruptura, energia de

fraturamento, grau de isotropia;

• Deformação e estabilidade dimensional – compreendidos: módulo de

deformação, retração/inchamento, deformação elástica/plástica, movimento

térmico;

• Densidade, permeabilidade aos gases e líquidos, transmissão e retenção de calor,

transmissão sonora, propriedades elétricas;

• Aparência de superfície – inclusa a habilidade de aceitar diferentes tipos de

tratamentos e acabamentos superficiais;

• Durabilidade – definida como a quantidade de tempo durante o qual são

mantidos parâmetros de performance requeridos.

Segundo BALAGURU & SHAH (1992) os principais parâmetros que afetam a

interação fibra-matriz são:

9 Condição da matriz (fissurada ou não);

9 Composição da matriz;

9 Geometria da fibra;

9 Tipo de fibra (metálica, polimérica, vidro etc);

9 Características da superfície da fibra;

9 Rigidez da fibra em comparação com a da matriz;

9 Orientação das fibras (alinhadas ou distribuídas aleatoriamente);

9 Quantidade de fibras adicionadas;

9 Velocidade de carregamento;

9 Durabilidade das fibras no compósito.

A principal contribuição da adição de fibras nos concretos e argamassas de cimento

Portland é no estado de pós-fissuração, em que podem desempenhar duas funções:

aumentar a resistência do compósito, transferindo tensões através de fissuras; e

aumentar a tenacidade por fornecer mecanismos de maior absorção de energia, pelo

alongamento e deslocamento das fibras. Em se trabalhando tridimensionalmente, na

matriz de cimento Portland detêm-se as microfissuras a partir do início de sua formação.

A fissuração plástica é provocada pelo assentamento e/ou pela retração devido à rápida

evaporação da água de amassamento. As fibras atuam interceptando as microfissuras,

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absorvendo e dispersando a energia que, uma vez sem controle, produz um quadro

patológico de fissuras próprias de todas as massas que contenham o cimento Portland. O

importante advento da interceptação das microfissuras, em seu estágio inicial, é obtido

pela disseminação de milhares de fibras, interconectadas, que formam uma armadura

em forma de rede tridimensional.

Quando se trata da incorporação de fibras a pasta de cimento, existem várias referências

citando a relação entre uma quantidade ideal de fibra com o ganho de resistência. Se a

incorporação for menor que essa quantidade, o ganho de resistência não é significativo,

se maior que essa quantidade, aumenta-se em muito a incorporação de ar por parte da

argamassa, promovendo uma diminuição da resistência da argamassa. Nesta pesquisa,

como o ganho de resistência em grande escala não é o fator preponderante, não há uma

preocupação muito grande com a quantidade de fibra a ser incorporada, sendo a

preocupação principal a resposta final do compósito a essa incorporação e a atuação

conjunta de todos os elementos incorporados.

2.2.4 Látex

O termo látex foi originalmente empregado para designar o produto natural obtido da

seringueira, um leite branco constituído por partículas de borracha sólida dispersas em

água. Atualmente, qualquer material polimérico em emulsão na água é chamado de

látex, sendo que, o mesmo é composto por cerca de 50% de polímero em massa e 50%

de água (TEZUKA, 1988).

Segundo WALTERS (1988), látex são dispersões de partículas de polímeros orgânicos

em água. São fluídos leitosos que apresentam coloração branca. Sua consistência pode

variar de fluido a muito viscoso.

A definição de látex pode ser complementada pelos pesquisadores MEHTA &

MONTEIRO, 1994, que designam o látex como uma suspensão coloidal do polímero

em água, contendo cerca de 50% em peso de partículas esféricas muito pequenas de

polímero, mantidas em suspensão na água por agentes tenso-ativos.

A primeira referência aos látex ocorreu no início do século XVI, quando exploradores

espanhóis relataram que índios da América do Sul fabricavam sapatos a partir de látex

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retirados de árvores. O tipo de árvore, conhecida como hevea brasiliensis, produz o

material conhecido como látex de borracha natural (NRL – Natural Rubber Latex)

(WALTERS, 1987).

A utilização de materiais poliméricos para modificação de concretos e argamassas vem

sendo bastante difundida nos últimos anos, sendo estes elementos conhecidos,

genericamente, por concretos poliméricos.

Segundo CHODOUNSKY & BINA (1997), o desenvolvimento das propriedades do

concreto endurecido pela adição de polímeros está entrando na sua quinta década. Nas

décadas de 40 e 50, tanto o concreto de polímero como o concreto modificado com

polímero já eram utilizados.

Cabe aqui neste momento promover uma classificação dos tipos de produtos que podem

ser desenvolvidos a partir da modificação das argamassas e dos concretos com os

polímeros. Estes são classificados da seguinte maneira:

(a) Argamassa e Concreto de Polímero (CP)

Esse tipo de argamassa e/ou concreto, não possui cimento Portland como

aglomerante, a matriz principal é uma resina polimerizável acrescida de outro

material sob a forma de agregado ou filler.

O concreto e as argamassas de polímero são todos os materiais constituídos de

uma matriz de polímero e filler, preparado através da mistura completa da matriz

polimerizável (monômero ou resina) e agregados, seguida de polimerização in situ

(AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 1993).

“As características de um concreto de polímero específico são dependentes das

características de cada componente (agregado miúdo, agregado graúdo, filler e tipod

e polímero) e suas quantidades relativas[...]. O concreto de resina pode desenvolver

resistência à compressão da ordem de 140MPa em horas ou até mesmo em minutos,

sendo, adequado para concretagens de emergência em minas, túneis e auto-estradas,

recuperações de edifícios, etc.”(CHODOUNSKY & BINA, 1997).

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(b) Argamassa e Concreto Impregnado de Polímeros (CIP)

Os concretos e as argamassas impregnadas de polímeros são obtidos através da

aplicação de uma solução saturada de um monômero em um elemento previamente

seco, com subseqüente polimerização, ou com a utilização de pressão para que o

processo de impregnação seja efetivo. Essa impregnação é alcançada com o auxílio

de radiação ou catalisadores térmicos.

De acordo com o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1993), os concretos e

argamassas de cimento Portland são impregnados com um monômero e

posteriormente polimerizados. De forma geral, quase todos os tipos de material

endurecido, de diferentes tamanhos e configurações podem ser impregnados com

um monômero em um certo grau.

Segundo CHODOUNSKY & BINA (1997), no concreto endurecido, os vazios

(contendo água e ar), compreendendo poros capilares e microfissuras, não se

apresentam totalmente interligados, isto dificulta a penetração do polímero se sua

viscosidade é alta, portanto, no processo de produção do CIP, é essencial não

somente selecionar um polímero de baixa viscosidade, mas também, secar e criar

vácuo no concreto antes da impregnação. Monômeros como o metil-metacrilato e

estireno são comumente utilizados devido às suas propriedades adequadas e

consequentemente têm conduzido a concretos de melhores propriedades.

Os concretos e argamassas impregnados de polímero apresentam melhorias de

desempenho, se comparados aos concretos e argamassas convencionais de cimento

Portland, nas seguintes propriedades: resistência à compressão, resistência ao

impacto, resistência à tração, resistência à abrasão, resistência ao ataque de agentes

agressivos, resistência ao gelo e degelo, permeabilidade, módulo de elasticidade,

deformação lenta e retração por secagem (SILVA, 1996).

CHODOUNSKY & BINA (1997) mostram que em geral, a resistência à tração e

compressão destes concretos impregnados de polímero é quatro vezes maior que a

do concreto convencional, porém o alto custo desta prática só se justifica em casos

onde não é possível a aplicação de outros materiais.

(c) Argamassa e Concreto Modificado com Látex (CML)

Os concretos e argamassas modificados com látex podem ser entendidos como

uma categoria especial dos concretos modificados com polímeros (CMP), pois

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utiliza-se o látex como elemento modificador, sendo que este é constituído de uma

quantidade em sólidos de polímero em emulsão.

O concreto modificado com polímero (CMP), no que se refere aos materiais,

diverge do concreto de cimento Portland convencional apenas pela adição de um

monômero ou polímero, disperso em solução aquosa, proporcionando uma

polimerização in situ (GOMES, 2000).

As argamassas e concretos polímeros modificados são obtidos, quando no

processo de mistura, com o material fresco, são adicionados polímeros ou

monômeros, sendo realizada a cura e polimerização. Dentre as formas de utilização

de polímeros em concretos e argamassas, esta apresenta grande vantagem, pois não

necessita de mudanças significativas na tecnologia e processo de produção e nem a

utilização de equipamentos especiais (ROSSIGNOLO, 1999).

Segundo OHAMA (1987), a modificação dos concretos e argamassas é

conseqüência da hidratação do cimento Portland e da coalescência das partículas de

polímero formando filmes contínuos ou membranas, que ligam-se aos géis

hidratados do cimento e aos agregados, construindo uma cadeia monolítica na qual a

fase polímero interpenetra completamente a fase do cimento Portland hidratado.

Esta fase polimérica do material é a responsável pela diminuição da permeabilidade

do material e pelo aumento da aderência entre a pasta e o agregado.

“Há muitos tipos de látex no mercado, mas aproximadamente 5% deles podem

ser utilizados convenientemente com aglomerantes hidráulicos. Os outros 95%

poderão coagular quando combinados com cimento” (AMERICAN CONCRETE

INSTITUTE, 1995).

Entre os tipos de látex que podem ser utilizados como aglomerantes hidráulicos

podem ser citados como os mais utilizados atualmente: estireno-butadieno e

policloropropeno (sintéticos); e éster poliacrílico, estireno acrílico, acetato de vinila

e acetato de polivinila (termoplásticos) (BALLISTA, 2003).

Os látices utilizados com aglomerantes hidráulicos são geralmente produzidos

por um processo conhecido como polimerização de emulsão, cujo processo básico

envolve a mistura do monômero com água, surfactantes (estabilizadores) e

catalizadores.

O maior efeito dos surfactantes reflete-se na trabalhabilidade da mistura,

aumentando-a consideravelmente, sendo colaborante na redução da relação

água/cimento (a/c) em concretos e argamassas modificados com látex.

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O teor de ar incorporado por argamassas e concretos de cimento Portland

modificados com látex é aumentado de forma considerável pela ação dos

estabilizadores do látex, no entanto, apesar da incorporação de ar diminuir a

resistência à compressão, ela promove uma melhora considerável na absorção de

deformações.

A melhoria nas propriedades de argamassas e concretos de cimento Portland é

obtida pela diminuição na quantidade e redução no diâmetro de poros capilares e

aumento das forças de ligação entre o agregado e a matriz hidratada de cimento.

De acordo com o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995), a modificação

com látex ajuda de duas formas: as partículas do látex não somente reduzem a

quantidade da movimentação de água através do bloqueio dos capilares, mas,

também quando há fissuração, o filme de látex polimérico tampa estes canais e

restringe sua propagação.

Por meio de análise microestrutural de argamassas e concretos modificados com

polímero, pode-se observar a formação de pontes de polímeros através de

microfissuras, restringindo a propagação destas. Nota-se também uma forte ligação

entre a matriz aglomerante e os agregados. Estes são os principais motivos pelos

quais os concretos e argamassas modificados adquirem uma maior resistência à

tração (ROSSIGNOLO, 1999).

Ainda segundo o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995), o ponto ótimo

de modificação com polímero situa-se entre 5% e 10% do teor de sólidos por peso

de cimento. Percentagens menores não propiciam mudanças significativas nas

propriedades dos concretos e argamassas modificados. Além disso, não trarão os

benefícios da redução significativa da quantidade de água de amassamento, visto

que os látex possuem propriedades plastificantes no concreto fresco. O uso de

sólidos em excesso torna-se inviável economicamente e pode causar elevada

incorporação de ar ou um comportamento de polímero preenchido de agregados e

cimento, no qual o cimento entra como filler, ocorrendo descaracterização do

processo de modificação.

A formação da matriz aglomerante dos concretos modificados com látex se

caracteriza pela hidratação do cimento e pela coalescência das partículas de

polímeros presentes no látex, formando um filme de polímero. Dessa forma, a

matriz aglomerante é constituída de duas fases, a matriz de cimento hidratado e o

filme polimérico, que preenche parcialmente os vazios da matriz de cimento. Nesse

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processo, a hidratação do cimento precede o processo de coalescência do polímero

(OHAMA, 1998) e (ROSSIGNOLO, 2003).

A modificação das argamassas e dos concretos de cimento Portland com

polímeros é determinada tanto pela hidratação do cimento como pelo processo de

formação do filme de polímero em sua fase de deposição. A hidratação do cimento,

em geral, precede o processo de formação do filme de polímero, pela coalescência

das partículas de polímero. Em ambos os casos, a fase co-matriz é formada na

hidratação do cimento e no processo de formação do filme de polímero.

A fase co-matriz é geralmente formada de acordo com o modelo simplificado

mostrado na Figura 2.5. Na Figura 2.6 está sendo ilustrado o modelo idealizado do

processo de formação do filme de polímero na partícula de cimento hidratado.

De acordo com OHAMA (1998) as microfissuras na argamassa ou concreto

modificados sob tensão são ligadas através dos filmes de polímero ou membranas

formadas, o que previne a propagação de fissuras e, simultaneamente, desenvolve

uma forte ligação entre o cimento hidratado e o agregado. Dessa forma, as

propriedades das argamassas ou concretos de cimento Portland são geralmente

melhoradas em grande escala pela modificação com o látex.

As etapas que ocorrem durante o processo de formação do filme polimérico na mistura e

que foram retratadas por OHAMA (1987) são as seguintes:

Primeira Etapa:

“Quando o polímero látex é misturado com o concreto ou argamassa de cimento

Portland, ainda fresco, as partículas do látex estão dispersas uniformemente na pasta de

cimento. Nesta pasta de cimento e polímero, o gel de cimento é gradualmente formado

pela hidratação do cimento, e a fase líquida é saturada com hidróxido de cálcio formado

durante o processo de hidratação, enquanto as partículas do polímero látex depositam-se

parcialmente na superfície do gel já formado e dos grãos ainda não hidratados de

cimento. É provável que ocorra a formação de uma camada de silicato de cálcio em

função da reação do hidróxido de cálcio na fase líquida com a sílica da superfície dos

agregados”.

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Figura 2.5: Modelo idealizado de formação do concreto de cimento polímero (OHAMA, 1998 apud.

PERUZZI, 2002).

Segunda Etapa:

“Com a formação da estrutura do gel de cimento Portland, as partículas de

polímero são gradualmente confinadas nos poros capilares. O desenvolvimento da

hidratação do cimento reduz a água capilar, as partículas do polímero floculam

formando uma camada contínua e compacta de polímero sobre a superfície do gel de

cimento e também de seus grãos não hidratados, aderindo simultaneamente a estes e a

camada de silicato de cálcio formada sobre a superfície dos agregados. Neste caso, os

poros maiores presentes na mistura são colmatados pelas partículas do polímero”.

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Figura 2.6: Modelo idealizado do processo de formação do filme de polímero na partícula de

cimento (STORTE, 1991 apud. PERUZZI, 2002)

Terceira Etapa:

“Finalmente, com a redução da água combinada da hidratação do cimento, as

partículas do polímero coalescem sobre o cimento hidratado, formando filmes contínuos

ou membranas, que ligam-se aos géis hidratados do cimento e agregados, construindo

uma cadeia monolítica na qual a fase polímero interpenetra completamente a fase do

cimento Portland hidratado”.

De acordo com STORTE (1991), essa combinação das partículas do polímero com os

silicatos de cálcio é irreversível, o que comprova que existe aderência química das

partículas de látex com o cimento Portland hidratado.

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2.3 Argamassas modificadas com látex estireno-butadieno

Várias são as propriedades que podem ser observadas na modificação das argamassas

com o látex SB, mas para os objetivos específicos desta pesquisa serão apresentadas

apenas as propriedades que serão de interesse direto ao uso dos elementos produzidos.

2.3.1 Consistência/Trabalhabilidade

As argamassas e concretos modificados com o látex SB apresentam um aumento

na trabalhabilidade com relação às argamassa e concretos não modificados. Isto se deve

ao dispersante dos componentes do látex combinados a água. As partículas do polímero

agem como plastificantes, aumentando consideravelmente a trabalhabilidade das

misturas para uma mesma relação água/cimento, promovendo assim, os benefícios dos

plastificantes.

2.3.2 Teor de Ar Incorporado

O teor de ar incorporado altera as propriedades de resistência mecânica dos

concretos e argamassa, diminuindo-as com o seu aumento, portanto, deve ser

controlado. Por isso, são adicionados aos látex agentes anti-espumantes. “Os látex já

estão sendo comercializados com estes agentes e, como conseqüência, o teor de ar

incorporado nos concretos de cimento e polímero é da ordem de 2%, quase a mesma

proporção de um concreto convencional”(STORTE, 1991).

2.3.3 Tempo de Pega

Quanto à esta propriedade, tem-se observado que a modificação com látex não

altera significativamente a mesma, podendo-se obter valores levemente maiores do que

os apresentados pelos concretos convencionais.

De acordo com o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995), existe uma

restrição quanto ao tempo de aplicação dessas argamassas modificadas, que não se

relaciona com o tempo de pega, mas está relacionada à secagem da superfície, quando o

látex começa a formar filmes (coalescer), o que ocorre em poucos minutos. Se a

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superfície de uma mistura com látex torna-se muito seca, ocorre a formação de uma

membrana ou pele (coalescência do polímero). Geralmente, o tempo disponível para se

trabalhar com o material é de quinze a trinta minutos após mistura e exposição ao

ambiente.

2.3.4 Resistência à Compressão

Praticamente não costumam ocorrer alterações significativas na resistência à

compressão dos concretos e argamassas modificados com o látex estireno-butadieno. Na

verdade ganhos significativos podem ocorrer por causa da redução da água de

amassamento, em virtude das propriedades plastificantes dos látex.

STORTE (1991), entretanto, destaca que a resistência à compressão é bastante

influenciada pelo teor de sólidos e tipo de látex utilizado, assim como pela quantidade

de monômeros que formam o polímero.

Os ganhos significativos de resistência à compressão apresentados pelos

materiais modificados com o látex SB se devem basicamente a essa redução do fator

água/cimento da mistura. Nas pesquisas realizadas houve um ganho de resistência à

compressão por parte das argamassas e concretos modificados que foram atribuídos à

essa diminuição da quantidade de água de amassamento, não foi encontrada nenhuma

pesquisa que tratasse especificamente das propriedades do látex melhorando as

características à compressão das argamassas e concretos modificados.

2.3.5 Resistência à Tração

AFRIDI (1995), afirma que os concretos modificados com látex estireno-

butadieno têm sua resistência mecânica melhorada sobremaneira, sobretudo no que se

refere à tração. O autor obteve, em suas pesquisas, ganhos de até 100% nessas

características. O mesmo é observado por KUHLMANN (1987), que afirma que as

modificações promovidas pela adição do látex geram concretos com maior resistência à

flexão e tração.

FOLIC & RADONJANIN (1998) obtiveram ganhos de 40% no valor da

resistência à tração na flexão em relação ao concreto de referência, para uma adição de

7,5% do teor de sólidos/cimento de estireno-butadieno. Estes autores destacam que a

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resistência à tração depende fundamentalmente da aderência entre os agregados e a

matriz de cimento, e a adição do polímero pode ajudar das seguintes formas:

1. Aumentando esta aderência;

2. Protelando a microfissuração inicial devido ao menor módulo de

elasticidade.

2.3.6 Módulo de Elasticidade

As modificações promovidas pela adição de látex, geralmente, nos remetem a

concretos com menor módulo de elasticidade.

STORTE (1991) obteve módulo de elasticidade estático com 90% do módulo do

concreto de referência para traços com D

máx

= 9,5mm, relação teor de sólidos/cimento =

5% e consumo de cimento de 320kg/m

3

, e 80% do módulo do concreto de referência

para traços com D

máx

= 9,5mm, relação teor de sólidos/cimento = 10% e consumo de

cimento de 320kg/m

3

.

2.3.7 Retração por Secagem

“A retração não aumenta com o acréscimo de látex. Entretanto, as argamassas e

concretos modificados com látex são mais susceptíveis à retração inicial quando não

submetidos a processos eficazes de cura” (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE,

1995).

OHAMA (1998) demonstrou que a adição de látex ao concreto não aumenta o

valor de sua retração final. Em sua pesquisa, o autor utilizou três porcentagens de látex

estireno-butadieno em corpos-de-prova de concreto de três diferentes tamanhos. O

abatimento foi mantido constante através do ajuste do fator a/c. A medida da retração

após vários dias de cura demonstrou que a retração é governada pela quantidade de água

e não aumenta com a adição de látex.

2.3.8 Permeabilidade/Absorção

“A estrutura dos concretos modificados com látex é tal que os microporos e

vazios encontrados no concreto convencional estão parcialmente preenchidos com o

filme de polímero que se forma durante o período de cura. Este filme é responsável pela

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redução da permeabilidade e absorção de água. Esta propriedade tem sido

exaustivamente estudada em vários tipos de ensaios, tais como absorção de água,

resistência a carbonatação e permeabilidade a cloretos” (AMERICAN CONCRETE

IINSTITUTE, 1995).

Segundo OHAMA (1991) e RAY et al. (1995), a diminuição da permeabilidade

dos concretos de cimento Portland modificados com látex de estireno-butadieno ocorre

pela diminuição dos vazios do material, ocasionado pela formação da membrana de

polímero e pela diminuição da quantidade e do diâmetro dos poros capilares.

As pesquisas realizadas por KUHLMANN (1987), apontam que a adição de

látex estireno-butadieno reduz de maneira significativa as características de

permeabilidade em comparação a concretos convencionais com as mesmas

características.

2.3.9 Resistência à Carbonatação/Permeabilidade a Cloretos

OHAMA apud AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995) estudou

concretos modificados com látex estireno-butadieno expostos a gás carbônico, e

também expostos a soluções com dióxido de carbono. Após a exposição, os corpos-de-

prova foram abertos diametralmente e a profundidade de carbonatação medida com o

uso de reagente à base de fenolfetaleína. Os resultados mostraram que a carbonatação é

reduzida sobremaneira nos concretos modificados com látex.

A permeabilidade a cloretos dos concretos modificados com látex pode ser

medida por vários testes. OHAMA apud AMERICAN CONCRETE INSTITUTE

(1995) conduziu testes onde os cilindros eram submersos em soluções de sais por 28 e

91 dias. A penetração dos cloretos foi medida nos corpos-de-prova rompidos

diametralmente, com auxílio de uma solução reagente e se observa a mesma tendência

da profundidade de carbonatação. Os baixos valores de permeabilidade e absorção

obtidos nos concretos modificados com látex estireno-butadieno acabam por promover

proteção contra absorção e permeabilidade a cloretos.

2.3.10 Durabilidade

A durabilidade dos compósitos gerados a partir da modificação da argamassa de

cimento portland com látex estireno-butadieno é melhorada, proporcionando uma

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melhora no desempenho do material. Segundo BIJEN (1993), as seguintes hipóteses são

responsáveis pelo aumento na durabilidade dos materiais modificados:

9 Redução da água livre nos compósitos;

9 Proteção da fibra contra o crescimento da cal, quando utilizada;

9 Redução do ataque alcalino, porque o polímero forma um filme que protege a

fibra, pelo menos parcialmente e, esse filme polimérico promove uma redução

da quantidade de Ca(OH)

2

, possivelmente devido à adsorção deste entre os

filmes de polímero.

2.3.11 Forma de Cura

Quanto à cura dos concretos modificados com látex SB, existe um consenso de

que a cura úmida seja o método mais eficaz para os materiais provenientes dessa

incorporação. Embora exista esse consenso, vários autores divergem quanto ao tempo

de cura úmida a ser aplicado aos elementos.

Alguns autores como TEZUKA (1988), WALTERS (1990), STORTE (1991),

SHAKER et al. (1997) e FERREIRA JR. (1997), sugerem que o processo ideal de cura

dos concretos modificados com látex de estireno-butadieno é a cura úmida nas primeiras

24 horas após a moldagem, seguido de cura seca, ou seja, sem a presença de água. Já

autores como, RAY et al. (1995), recomendam a cura úmida nas primeiras 48 horas,

seguido de cura seca.

A melhor forma de cura para concretos modificados com látex estireno-

butadieno é a umidade relativa de 100% nas primeiras 24 a 48 horas, seguidas de cura

ao ar (umidade de 50%, se em laboratório). Durante este período de cura ao ar, qualquer

excesso de água evapora e permite a formação do filme que irá preencher a estrutura

interna do concreto (BALLISTA, 2003).

“A forma como a cura é executada tem influência direta nas propriedades dos

elementos confeccionados com látex. Normalmente, estes elementos requerem um

método de cura diferente devido à adição do polímero. As propriedades quase ótimas do

sistema modificado são alcançadas por uma combinação de cura úmida, por um

determinado número de dias, seguida de cura seca à temperatura ambiente” (GODOY &

BARROS, 1997).

A resistência ótima é obtida alcançando-se uma quantidade razoável de

hidratação do cimento sob condições úmidas nos primeiros estágios, seguido de

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condições secas, para promover a formação do filme de polímero devido à coalescência

do látex (OHAMA, 1987).

Segundo ROSSIGNOLO et al. (2000), o método de cura que proporciona

melhores características aos microconcretos modificados com látex estireno-butadieno é

o de cura úmida nas primeiras 24 horas depois da desforma e depois cura seca. Isto

porque, decorre da modificação, o efeito de diminuição da permeabilidade que impede a

entrada de água no concreto durante o processo de cura úmida, assim como também

impede a perda de água para o ambiente. Por isso os processos de cura úmida não são

muito eficazes neste tipo de material.

2.4 Almofadas de apoio de compósito de cimento

Os estudos com o compósito em questão vêm sendo desenvolvidos há algum tempo no

laboratório de estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP), sendo o

mesmo utilizado em pesquisas realizadas em ligações de elementos pré-moldados do

tipo viga-pilar. MIOTTO (2002) utilizou as almofadas de argamassa em sua pesquisa de

doutorado no referido tipo de ligação de elementos de concreto pré-moldados. A Tabela

2.4 apresenta as características dos ensaios realizados utilizando-se a almofada.

Nas vigas do modelo 1, como foram realizados ensaios com e sem a presença da

almofada, a pesquisadora pode notar algumas diferenças no início da fissuração, com

um retardo no aparecimento quando da presença da almofada e, uma menor fissuração

na região de compressão do consolo. Estas variações foram atribuídas a capacidade de

acomodação da almofada utilizada como aparelho de apoio e indicando a efetividade da

mesma. Para os modelos do tipo 2, os ensaios realizados foram sempre com a presença

da almofada de apoio.

Nos dois tipos de modelos ensaiados, a forma do consolo para apoio da viga no pilar

foram diferentes, exigindo-se uma adequação do aparelho de apoio à tipologia da

ligação, mostrando uma vantagem deste tipo de elemento à base de cimento, que é a

capacidade de moldá-lo na forma e modelo que a ligação necessita.

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Tabela 2.4: Ligações viga-pilar estudadas por MIOTTO (2002).

Variáveis

Modelo Característica dos modelos

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(cm)

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(mm)

Almofada de

Apoio

1.2

25 25,4 sem

1.3

25 25,4 com

Variável

Modelo Característica dos modelos

Continuidade da

Capa de Concreto

2.1

Com

(pilar intermediário)

2.2

Sem

(pilar de

extremidade)

No mesmo ano encontramos o estudo realizado por BARBOZA (2002), onde foram

estudadas ligações do tipo pilar-pilar, apresentadas na Figura 2.7.

Como se pode observar foi introduzido, na extremidade dos pilares, um reforço para

evitar que estes rompessem prematuramente naquela região. As almofadas de ligação

utilizadas possuíam 175mm de base, a mesma dimensão dos pilares e, 15mm de

espessura.

Os resultados dos ensaios mostraram que a utilização das almofadas de argamassa como

elemento de apoio para o caso das ligações pilar-pilar tende a ser uma situação

intermediária entre a junta de argamassa e o contato direto entre os pilares. Foram

utilizadas duas almofadas de compósito, uma delas com 1% de fibra de polipropileno e

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a outra com 4% de fibra de PVA. Observou-se que em relação ao valor teoricamente

resistido pelo concreto pré-moldado, houve menor aproveitamento para o modelo com

almofada de apoio de PVA, apesar do ganho de ductilidade em relação ao modelo com

junta de argamassa. Talvez uma almofada com menor teor de fibra proporcionasse

melhor comportamento.

Figura 2.7: Esquema do ensaio de ligação pilar-pilar realizado por BARBOZA (2002).

Constatou-se também que, devido à flexibilidade da almofada de apoio de argamassa, o

comportamento das tensões é mais uniforme, conseqüentemente ocorre menos

deterioração dos segmentos pré-moldados.

EL DEBS et al. (2003) apresenta uma síntese dos resultados obtidos para as almofadas

do compósito. No artigo são apresentados resultados de resistência à compressão, tração

e módulo de elasticidade para corpos-de-prova cilíndricos do compósito, bem como

resultados da utilização de almofadas em ligações do tipo viga-pilar e do tipo pilar-pilar.

Os resultados obtidos mostram que é possível a obtenção de um material

suficientemente deformável para ser utilizado como elemento de apoio de concreto pré-

moldado. Os resultados da ligação viga-pilar sugerem que, o uso das almofadas do

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compósito produzem ligações mais rígidas e estas características podem ser utilizadas

no projeto estrutural. Para o caso da ligação pilar-pilar, os resultados indicaram que as

almofadas do compósito podem ser utilizadas em casos onde os elementos pré-

moldados tenham resistência da ordem de 35MPa.

Na seqüência dos estudos podemos encontrar a pesquisa realizada por MONTEDOR

(2004) com almofadas de argamassa modificadas com látex, vermiculita e fibras de

PVA e vidro. Sua pesquisa serviu de base para este trabalho e seus resultados são de

grande importância no desenvolvimento do material em questão.

Na primeira parte de seus estudos, o pesquisador determinou as características

mecânicas do compósito. Foram estudados 21 traços, sendo moldados 11 corpos-de-

prova de 50mm x 100mm para cada traço, sendo 04 para determinação da resistência à

compressão, 04 para determinação da resistência à tração pelo ensaio de compressão

diametral e 03 para ensaio de módulo de elasticidade.

Nestes traços foram sendo estudadas várias combinações de vermiculita, látex estireno-

butadieno e fibras de Vidro, PVA e Polipropileno. Na Tabela 2.5 mostra-se os traços

estudados pelo pesquisador.

Observando-se a Tabela verifica-se que as concentrações de vermiculita variaram de 0%

a 50%, o látex de 0% a 40% e a fibra de 0% a 4%. Na Tabela 2.6 o padrão de variação

dos materiais é mostrado.

De posse dos resultados dos ensaios mecânicos e das dificuldades de incorporação dos

materiais encontradas durante a fase de moldagem das peças do compósito, o

pesquisador decidiu adotar um traço de referência apresentado na Tabela 2.7.

Essa mistura foi adotada porque com a incorporação de látex maiores que 30% da massa

de cimento houve uma queda acentuada nas resistências dos corpos-de-prova. Essa

configuração apresentou também resultados muito interessantes de capacidade de

deformação e módulo de elasticidade.

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Devido à diversidade de materiais utilizados na pesquisa, foi necessária a elaboração de

uma legenda para identificação dos diferentes traços estudados, da qual, pode-se

visualizar o respectivo material e a respectiva quantidade incorporada na amostra, sendo

esta mostrada na Tabela 2.8.

Tabela 2.5: Misturas para ensaios de caracterização do material (MONTEDOR, 2004).

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Tabela 2.6: Variáveis analisadas.

Tabela 2.7: Traço de referência.

Tabela 2.8: Legenda dos materiais.

Como exemplo de utilização da legenda segue um exemplo de traço utilizado na

pesquisa e sua respectiva explicação:

- V5PP2L30: significando que do traço de referência, 5% da quantidade em massa de

areia foi substituída por vermiculita, foi incorporado 2% de fibra de polipropileno e a

quantidade de látex foi mantida em 30%.

Na seqüência do trabalho, foram estudadas as características de placas de argamassa do

compósito com 150mm de base e espessuras de 10mm e 20mm. Foram realizados

alguns ensaios de compressão centrada sobre as almofadas para determinação da relação

entre tensão e deformação do material, chamada nesse trabalho de rigidez de almofada.

Os valores dessa rigidez obtida para as almofadas foram bem menores que o de uma

argamassa convencional e da ordem de 20 a 25 vezes maiores que a rigidez de uma

almofada de neoprene. O esquema do ensaio está mostrado nas figuras 2.8a e 2.8b.

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(a)

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Figura 2.8: a) Máquina de Ensaios e b) Aplicação de carga na almofada (MONTEDOR, 2004).

Para a determinação da capacidade de afundamento da placa foi realizado um ensaio de

carga localizada, onde um dispositivo metálico aplicava duas cargas em tiras de150mm

de comprimento com largura de 25mm, cortadas da almofada original de 150mm. As

medidas do afundamento sofrido pela tira foi medido com o auxílio de paquímetro. O

esquema do ensaio está mostrado na Figura 2.9.

Figura 2.9: Ensaio de carga localizada.

Na fase final de sua pesquisa, MONTEDOR (2004), realizou alguns ensaios que

simularam uma ligação pilar-pilar de elementos pré-moldados de concreto com

almofada na interface da ligação, denominada no trabalho de ensaio de ligação de bloco,

verificando assim, sua capacidade de distribuir as tensões dessa região. Foram

realizadas cinco séries de ensaios que estão apresentados na Tabela 2.9.

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Tabela 2.9: Ensaios de ligação de blocos (MONTEDOR, 2004).

Os elementos estudados eram prismáticos, com 150mm de base com altura de 300mm

para os blocos sem emenda e cúbicos, com 150mm de lado, onde dois elementos eram

sobrepostos e ensaiados conforme mostrado na Tabela anterior.

No caso dos resultados das resistências à compressão e tração e módulo de elasticidade,

os resultados são apresentados a seguir nas figuras 2.10, 2.11 e 2.12.

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Figura 2.10: Resultados dos ensaios de compressão em corpos-de-prova cilíndricos

(MONTEDOR, 2004).

Figura 2.11: Resultados dos ensaios de tração por compressão diametral em corpos-de-prova

cilíndricos (MONTEDOR, 2004).

Os resultados obtidos pelo pesquisador mostram que é possível a redução do módulo de

elasticidade do compósito com a introdução do látex, fibra e vermiculita, conferindo ao

material deformabilidade, característica essa, essencial aos elementos de apoio para

concreto pré-moldado. No caso dos ensaios com ligação de blocos, verificou-se que os

resultados dos blocos com a presença da almofada e sem inclinação se apresentaram

bem próximos aos valores dos elementos sem emenda, mostrando a efetiva contribuição

das almofadas na distribuição das tensões. Para o caso das ligações com inclinação, os

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resultados não se apresentaram muito consistentes, necessitando a verificação da

capacidade de rotação das almofadas de uma outra maneira, por meio de ensaios

realizados especificamente para medir a capacidade de acomodar rotações do

compósito.

Figura 2.12: Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade em corpos-de-prova cilíndricos

(MONTEDOR, 2004).

Nas figuras 2.13 e 2.14 são apresentados os principais resultados dos ensaios de

compressão centrada em placas do compósito.

Figura 2.13: Resultados dos ensaios de rigidez de placa (MONTEDOR, 2004).

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A rigidez das placas observada na Figura 2.13 é a relação tensão x deformação para as

almofadas do compósito e denota a deformabilidade destas.

Figura 2.14: Resultados dos ensaios de ligação de blocos com almofadas de 10m de espessura e 0%

de inclinação (MONTEDOR, 2004).

Na pesquisa realizada por BALDISSERA (2006), novamente foram utilizadas

almofadas do compósito como aparelho de apoio. Os ensaios consistiram em uma

reformulação do modelo proposto por MIOTTO (2002) mas agora utilizando um

chumbador inclinado na ligação viga-pilar. As variáveis analisadas foram semelhantes

às da pesquisa anterior, mudando-se somente o chumbador utilizado, para se tentar criar

uma ligação semi-rígida mais eficiente para elementos pré-moldados de concreto. Na

Figura 2.15 está mostrado um esquema do ensaio realizado nesta pesquisa.

A utilização da almofada nas ligações é recomendada, apesar de causar uma diminuição

na rigidez da ligação, uma vez que diminui a acomodação inicial da ligação e a

fissuração da região de compressão do consolo, indicando que sua presença garante uma

melhor distribuição das tensões de contato (MIOTTO - 2002).

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Figura 2.15: Ligação Viga-Pilar estudada por BALDISSERA (2006).

A utilização mais recente do material foi realizada por SOUZA (2006) em ensaios de

outra ligação semi-rígida de elementos pré-moldados de concreto. A pesquisa consistiu

basicamente da obtenção da rigidez da ligação por meio da investigação experimental

do comportamento das vigas pré-moldadas em conjunto com a influência do

desempenho da ligação semi-rígida. Para tanto, ao invés de promover um isolamento da

região da ligação, como encontrado na literatura, foi realizado um ensaio onde a viga

também foi analisada na obtenção dos resultados da pesquisa. O esquema do ensaio

proposto está mostrado na Figura 2.16.

Figura 2.16: Ligação Viga-Pilar estudada por SOUZA (2006).

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3.1 Preliminares

Este capítulo aborda os materiais utilizados nesta pesquisa, trazendo suas características

de acordo com as especificações e algumas de suas propriedades básicas. Também são

abordados os parâmetros adotados na dosagem do compósito e as variáveis analisadas

para se obter um elemento tão deformável quanto possível. Para encerrar, é apresentada

a caracterização das propriedades mecânicas do compósito por meio das suas

resistências à compressão, tração e módulo de deformação.

3.2 Materiais utilizados

3.2.1 Cimento Portland

O cimento Portland é composto sobretudo de material calcário, como rocha calcária ou

gesso, alumina e sílica, que podem ser encontrados em argilas e xisto. As argilas

contêm também alumina (Al

2

O

3

) e, freqüentemente, óxidos de ferro (Fe

2

O

3

) e álcalis. A

presença da alumina, dos óxidos de ferro e magnésio e dos álcalis na mistura de

matérias-primas tem efeito mineralizante na formação de silicatos de cálcio. Quando

não estão presentes quantidades suficientes de alumina e óxido de ferro nas matérias-

primas principais, estes são propositalmente incorporados à mistura por adição de

materiais secundários, como a bauxita e o minério de ferro (MEHTA & MONTEIRO,

1994).

O cimento utilizado neste projeto é o de alta resistência inicial (CP-V-ARI). O

desenvolvimento desse tipo de cimento é conseguido pela utilização de uma dosagem

diferente na produção do clínquer, bem como pela moagem mais fina do cimento, de

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forma que, ao reagir com a água, ele adquire elevadas resistências, com maior

velocidade (KATTAR & ALMEIDA, 1999). As características do cimento utilizado

estão mostradas na Tabela 3.1, destacando-se que o mesmo é produzido pela HOLCIM

S.A. e comercializado como CIMINAS.

Tabela 3.1: Características do cimento utilizado (Fonte: HOLCIM S.A.)

Características Unidade CP V ARI

Finura de Blaine (NBR 7224/1984) cm

2

/g 4687

Início de Pega (NBR 11581) min 130

Fim de Pega (NBR 11581) min 210

Resistência 1 dia (NBR 7215/1982) MPa 27,7

Resistência 3 dias (NBR 7215/1982) MPa 42,0

Resistência 7 dias (NBR 7215/1982) MPa 46,7

Resistência 28 dias (NBR 7215/1982) MPa 56,1

Este tipo de cimento aqui relacionado obtém suas características de tempo de pega e

endurecimento rápido a partir da formação de grande quantidade de etringita durante o

período inicial de hidratação. Neste tipo de cimento, o

43

CAS

é principal fonte de

aluminato para a formação de etringita e junto do

4

CAF

fornece os íons aluminato.

Este tipo de cimento apresenta taxas de resistência de cimento apropriadas para

aplicação em produtos de concretos pré-moldados e protendidos, já que nesses casos a

ciclagem rápida de fôrmas e moldes é uma necessidade econômica (MEHTA &

MONTEIRO, 1994).

3.2.2 Areia

A areia utilizada foi retirada do rio Mogi Guaçu, próximo a São Carlos. O material

utilizado é o mesmo da pesquisa realizada por MONTEDOR (2004) e os resultados

fornecidos por ele foram aproveitados na obtenção da curva granulométrica, a massa

unitária e a massa específica do agregado. O valor da massa específica da areia é de

2,63 g/cm³. Já sua massa unitária tem como valor 1,50 g/cm³. Para determinação desses

parâmetros, seguiram-se as prescrições da NBR 7251 (1982) e da NBR 9776 (1987). O

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diâmetro máximo característico da areia é igual a 2,4mm e seu módulo de finura

equivale a 2,29. Na Figura 3.1 é apresentada a curva granulométrica da areia utilizada.

Nesta pesquisa, na confecção das almofadas de argamassa, toda areia utilizada foi

passada na peneira 0,6mm, que foi praticado devido aos resultados da pesquisa anterior

que mostraram uma melhor adequação dessa areia no estudo das propriedades da

argamassa.

0.15 0.3 0.6 1.2 2.4 4.8 6.3 9.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Curva Granulométrica da Areia Fina - Zona 2

% Retida Acumulada

Abertura das Peneiras

Limite Inferior Limite Superior Amostra

Figura 3.1: Curva Granulométrica da Areia utilizada nos ensaios.

3.2.3 Vermiculita termo-expandida

A vermiculita é um mineral cujos cristais são formados por finíssimas lamínulas

superpostas, que quando submetidas a temperatura de aproximadamente 1000°C,

expandem-se constituindo a VERMICULITA EXPANDIDA, que tem múltiplas e

interessantes utilizações em vários setores da atividade humana.

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Dentre os principais usos na construção civil, está a sua aplicação como eficiente

isolante térmico-acústico, graças à baixa condutividade térmica e pequena propagação

sonora, além da freqüente utilização como redutor de peso de estruturas de concreto em

função do seu reduzido peso específico. Na presença deste material ocorre uma redução

do módulo de elasticidade, em razão da presença de uma grande quantidade de células

de ar, característica essa de grande importância para o material que está sendo estudado.

Quando submetida a altas temperaturas, a vermiculita perde água intersticial e as

lâminas se expandem, transformando-se em flocos que formam células de ar, que lhe

proporcionam um bom isolamento termo-acústico e baixa massa específica. Em seu

estado bruto possui a cor escura, sendo que após aquecimento e expansão passa a ter

coloração dourada, como pode ser visualizado na Figura 2.8.

Figura 3.2: Vermiculita: natural, expandida e partícula expandida.

O produto é inífugo, inodoro, não irrita a pele nem os pulmões, não conduz eletricidade,

é isolante térmico e absorvente acústico; não se decompõe, deteriora ou apodrece; não

atrai cupins ou insetos; é somente atacado pelo ácido fluorídrico a quente; pode

absorver até cinco vezes a sua massa em água, é lubrificante e tem as características

necessárias aos materiais filtrantes.

O nome vermiculita vem do latim vermiculare, pois ao ser aquecida quando do processo

de fabricação, sua aparência lembra a de “vermes”.

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A vermiculita é um material bastante semelhante à mica, formada essencialmente por

silicatos hidratados de alumínio e magnésio. Quando submetida a um aquecimento

adequado, a água contida entre suas milhares de lâminas se transforma em vapor,

fazendo com que as partículas explodam e se transformem em blocos sanfonados. Cada

bloco expandido aprisiona consigo células de ar, o que confere ao material excepcional

capacidade de isolação.

Para a confecção dos compósitos aqui estudados utilizou-se a vermiculita do tipo termo-

expandida, cujas propriedades são apresentadas a seguir:

9 Não tóxica

9 Absolutamente inorgânica

9 Não abrasiva (dureza mohs: 1,5 )

9 Não solúvel em bases e ácidos fracos e solventes orgânicos

9 Ponto de fusão 1.300°C

9 PH praticamente neutro

A vermiculita utilizada na confecção das almofadas e corpos-de-prova para a realização

dos ensaios é do mesmo lote utilizado na pesquisa realizada por MONTEDOR (2004),

onde, este pesquisador realizou ensaios de duas amostras do material, nos quais se

observou a diferença na dimensão máxima dos grãos. Uma amostra continha grãos que

foram retidos na peneira com abertura de 4,8mm, sendo classificado como agregado

graúdo e a outra amostra estudada possuía grãos visualmente menores que 4,8mm, não

sendo retidos na peneira com esta malha, sendo classificado, portanto, como agregado

miúdo.

Realizados os ensaios de determinação granulométrica nas amostras, obtiveram-se as

curvas granulométricas de cada uma delas utilizando um conjunto de peneiras

padronizadas.

Optou-se por utilizar o agregado miúdo, cuja curva granulométrica é mostrada na Figura

3.3, para a realização das moldagens e ensaios referentes a este trabalho.

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Figura 3.3: Curva granulométrica da vermiculita (Fonte: MONTEDOR, 2004).

3.2.4 Látex estireno-butadieno

O látex utilizado nos experimentos até aqui realizados foi o estireno-butadieno SB 112,

fornecido pela empresa Rhodia do Brasil e suas características são apresentadas na

Tabela 3.2. Optou-se pela utilização deste tipo de emulsão de látex (50% de água) em

razão de sua disponibilidade no Laboratório de Estruturas.

Tabela 3.2: Propriedades do látex estireno-butadieno (Rhodia do Brasil).

Propriedades Valores

Teor de sólidos 50%

Massa específica a 25ºC 1,02 kg/dm

3

Viscosidade Brookfield

(LVT 2/30 a 23ºC)

300 cps

pH 9,0

Estabilizador Aniônico

Aspecto Leitoso

Quando incorporado à mistura, durante a moldagem dos corpos-de-prova e almofadas,

atribui a esta uma cor roxa. As propriedades da incorporação deste nas argamassas já

foram discutidas anteriormente.

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3.2.5 Fibra de Polipropileno

Dentre as fibras sintéticas utilizadas, o polipropileno oferece o menor custo

comparando-se com fibras de poliamida, poliéster, entre outras. O uso de fibras de

polipropileno em substituição a outros tipos de fibra (aço e mineral) ainda é pouco

explorado. Como o polipropileno é hidrofóbico, sua introdução no concreto não afeta o

processo de hidratação da pasta de cimento, mas, ao mesmo tempo, impede a formação

de ligações fortes entre a fibra e a matriz cimentícia. No entanto, BENTUR et al. (1989)

sugerem a contribuição de dois efeitos na interação fibra-cimento: adesão interfacial e

interação mecânica, dos quais o segundo efeito está associado a fatores como separação

das fibras em multifilamentos durante a mistura do concreto, ramificação das fibrilas e

formação de minúsculas fibrilas na superfície da fibra, contribuindo para a conexão

entre a fibra e a matriz de cimento.

A fibra de polipropileno é formada de macrocélulas lineares saturadas de

hidrocarbonetos das quais um carbono, entre cada dois, comporta uma ramificação

metila, em disposição estática e sem substituições ulteriores. Esta fibra incorporada ao

concreto reduz substancialmente as fissuras de retração plástica, reduz a permeabilidade

e promove o aumento da resistência ao impacto, à abrasão e ao congelamento,

proporcionando aumento da durabilidade do concreto, além de aumentarem a resistência

à fadiga e a fragmentação.

Segundo JIANG & ROY (1992), a utilização de 2% de fibra de polipropileno na

elaboração de amostras de concreto, mostram que a adição das mesmas, interrompem ou

desviam a propagação de microfissuras, sendo isso equivalente a uma melhora na

resistência à tração. A interrupção das microfissuras também é observada por SHAH

(1991) em concretos contendo fibras de polipropileno.

Ainda são reduzidos os estudos sobre a zona de transição entre fibras de polipropileno e

pasta de cimento Portland. Como possibilidade de utilização destacam-se as fibras

fibriladas e a utilização de aditivos redutores de água para a matriz, já que as fibras

fibriladas tendem a incorporar significativo volume de vazios, o que acaba por anular o

efeito positivo do aumento da área superficial de contato com a matriz, no caso de fibras

curtas (CURRIE; GARDINER, 1989).

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As fibras utilizadas neste trabalho foram doadas pela Fitesa S.A., cortadas com

comprimentos de 6mm e 12mm e possuem uma espécie de rugosidade provocada pela

corrugação dos filamentos de maneira a melhorar a adesão entre a fibra e a pasta de

cimento, é o chamado fibrilamento. A Figura 3.4 mostra o aspecto da fibra utilizada e as

principais características da fibra de polipropileno são apresentadas na Tabela 3.3.

Figura 3.4: Fibras de polipropileno.

Tabela 3.3: Propriedades das fibras de polipropileno (Fonte: Fitesa S.A.).

Dados Técnicos Polipropileno

Base química:

Aspecto:

Cor:

Peso específico:

Ponto de fusão:

Diâmetro:

Comprimento:

Condutvidade térmica:

Área específica:

Tensão de ruptura:

Alongamento:

Polipropileno

Filamentos Finos

Branco

90g/cm³

165°C

20microns

6,0mm

Nula

255m²/kg

810MPa

28%

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3.2.6 Aditivo Superplastificante

Aditivo diz respeito a todo produto acrescentado em uma matriz, em quantidades

geralmente pequenas e bem homogeneizadas, que reforça ou melhora determinadas

características do compósito.

Os tipos mais comuns de aditivos, aplicados em larga escala em concretos ou

argamassas, são os seguintes: incorporadores de ar; redutores de água; retardadores e

aceleradores de pega; e os superplastificantes.

Os aditivos superplastificantes geralmente são utilizados para que se possa promover

uma redução de água de amassamento da mistura. No caso específico desta pesquisa, a

redução da relação água/cimento não foi o foco principal pelo qual se optou pela

utilização do superplastificante, mas sim, em razão de alguns traços não adquirirem a

trabalhabilidade adequada (dificuldades para moldar a mistura). A incorporação deste

foi pradronizada em 1% da massa de cimento para todos os traços que estão sendo

estudados, visto que, sua utilização potencializa os efeitos promovidos pela modificação

da argamassa com látex, melhorando as características do compósito por adição dos

efeitos do látex e do superplastificante simultaneamente.

O superplastificante utilizado nesta pesquisa é o GLENIUM 51, um aditivo de última

geração com base em uma cadeia de éter carboxílico modificado. Este aditivo foi

desenvolvido para concreto em geral, especialmente para indústria de pré-moldados e

concretos protendidos, onde se requer maior durabilidade e desempenho.

O GLENIUM 51 é isento de cloretos e atende as prescrições da norma ASTM C 494

(tipos A e F), ASTM C 1017, e é compatível com todos os cimentos que atendem a

ASTM 150.

Sua atuação é efetiva tanto no estado fresco como no estado endurecido. As

propriedades e benefícios na utilização deste tipo de aditivo são, de acordo com o

catálogo do fabricante:

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Estado Fresco:

9 Alta taxa de redução de água (40% aproximadamente);

9 Melhora a aderência e textura da superfície do concreto;

9 Produz concretos coesivos porém trabalháveis;

9 Reduz a exsudação.

Estado Endurecido:

9 Alta resistência à compressão axial inicial e final;

9 Alta resistência à tração na flexão inicial e final;

9 Aumenta o módulo de elasticidade;

9 Redução de permeabilidade.

As alterações que este promove no estado endurecido podem ser verificadas devido à

diminuição da relação água/cimento, como dito anteriormente, melhorando as

características mecânicas do compósito.

O que diferencia o GLENIUM 51 dos aditivos superplastificantes tradicionais (a base de

NSF ou MSF) é um novo mecanismo único de ações que melhora sensivelmente a

dispersão das partículas de cimento. Os tradicionais, tais como os sulfonatos de

melamina e naftaleno são baseados em polímeros que são absorvidos pelas partículas de

cimento. Acumulam-se na superfície das partículas de cimento no início do processo de

mistura do concreto. Os grupos sulfônicos das cadeias de polímeros aumentam a carga

negativa da superfície das partículas de cimento e dispersam estas por repulsão elétrica.

Este mecanismo eletrostático causa a dispersão da pasta de cimento e a conseqüência

positiva é que se requer menos água na mistura para se obter uma determinada

consistência do concreto.

O GLENIUM 51 tem uma estrutura química diferente da estrutura dos

superplastificantes tradicionais. Consiste de polímeros de éter carboxílico com largas

cadeias laterais. No começo do processo de mistura, inicia-se o mesmo mecanismo de

dispersão eletrostática que os tradicionais, porém as cadeias laterais unidas à estrutura

polimérica geram uma energia que estabiliza a capacidade de refração e dispersão das

partículas de cimento. Com este processo obtém-se um concreto fluido com uma grande

redução da quantidade de água. A Tabela 3.4 mostra os dados técnicos sobre o produto.

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Tabela 3.4: Características do Glenium 51 (Fonte: Catálogo Técnico do Fabricante).

Propriedades Valores

Função Principal: Superplastificante 3ª geração

Base química: Policarboxilatos

Aspecto: Liquido viscoso

Cor: Bege

Densidade: 1,067 a 1,107g/cm³

pH: 5 a 7

Sólidos: 28,5 a 31,5%

Viscosidade: 95 a 160 cps

3.3 Caracterização do compósito

3.3.1 Dosagem do compósito

Na composição da argamassa, praticou-se uma variação da quantidade dos elementos a

serem incorporados, sendo que o traço básico utilizado é o apresentado na Tabela 3.5,

devido às características satisfatórias apresentadas em ensaios preliminares. A partir dos

resultados obtidos por MONTEDOR (2004), com a utilização de fibras de PVA e

VIDRO no compósito, procurou-se parametrizar algumas proporções dos elementos a

fim de promover uma análise de desempenho desse novo compósito com os compósitos

obtidos anteriormente, já que neste caso, as fibras utilizadas anteriormente foram

substituídas por uma fibra polimérica de polipropileno, que apresenta custo menor em

relação às outras.

Tabela 3.5: Traço de referência em massa

Cimento Areia Látex Água

1 0,3 0,3 0,1

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Da Tabela 3.5 pode-se observar que a proporção líquida incorporada à mistura foi de 0,4

vezes a quantidade de cimento, sendo desse total, 30 % de látex e 10 % de água.

Considerando o teor de sólidos do látex, temos que, utilizou-se 15% do teor de massa de

sólidos para o látex estireno-butadieno e uma relação água/cimento final de 0,25.

Para que se possa promover uma identificação adequada dos resultados experimentais

apresentados foi elaborada uma legenda descritiva dos materiais utilizados, a mesma

está apresentada na Tabela 3.6.

Tabela 3.6: Legenda adotada.

Legenda Descrição

V + número Consumo de Vermiculita (em %)

PP + número Taxa volumétrica de Fibra de Polipropileno (em %)

L + número Taxa volumétrica de Látex (em %)

Para desenvolvimento dos traços estudados, o cálculo do consumo de cimento partiu da

equação 3.1, apresentada a seguir.

1,03,0

3,01

1000

+++

=

ac

C

ρρ

eq. (3.1)

onde:

3

/63,2

/12,3

cmg

areiaa

cimentoc

==

ρρ

Neste ponto deve-se destacar que toda a areia utilizada foi passada na peneira com

abertura de malha de 0,6mm.

Quando se incorpora vermiculita ao traço, é realizada uma alteração na equação 3.1

levando-se em conta sua massa específica, a fórmula utilizada nesta pesquisa no cálculo

do consumo de cimento para todos os traços estudados é apresentada na equação 3.2.

1000

1 [0,3 (0,3. )] (0,3. )

0,3 0,1

ca v

C

aa

ρρ ρ

=

−

++++

eq. (3.2)

C

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1

onde:

3

0,356 /

consumo de vermiculita (em %)

v vermiculita

gcm

a

ρρ

==

=

Para melhor clareza da utilização da fórmula e da legenda adotada é apresentado um

exemplo de cálculo para o traço V25PP2L30. Esta simbologia significa que do traço de

referência mostrado acima, vai ser mantido constante o consumo de látex em 30%, vai

ser incorporada fibra de polipropileno na quantidade de 2% do volume da argamassa e,

da quantidade de agregado miúdo, que está sendo incorporado a uma taxa de 0,3 da

massa de cimento, 25% será de vermiculita e 75% será de areia fina. Sendo assim

temos:

0,25 = 25% de vermiculita.a =

Deixando a equação 3.2 da seguinte maneira:

1000

1 0,225 0,075

0,3 0,1

ca v

C

ρρ ρ

=

++++

Resultando em um consumo de cimento C = 984,78 kg/m

3

.

A Tabela 3.7 mostra os consumos de cimento para todos os traços estudados.

Tabela 3.7: Consumos de cimento para os traços estudados.

Traço Consumo de Cimento (Kg/m

3

)

V0PP5L30 1198,20

V5PP4,5L30 1150,23

V10PP4L30 1103,86

V15PP3,5L30 1061,10

V20PP3L30 1021,51

V25PP2,5L30 984,78

6

2

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3.3.2 Variáveis

As variáveis que estão sendo estudadas nesta pesquisa são a fibra de polipropileno e a

vermiculita.

A proporção de látex, de acordo com os resultados obtidos por MONTEDOR (2004),

foi mantida em 30%, sendo este valor o que apresentava melhores resultados para a

modificação da argamassa. O que verifica-se nessa pesquisa é a ação conjunta dessa

quantidade de látex com as outras adições do compósito.

Efetivamente, as variações efetuadas na amostra foram de vermiculita e fibra de

polipropileno, um resumo das incorporações está mostrado na Tabela 3.8.

Tabela 3.8: Variáveis estudadas.

A quantidade máxima de vermiculita incorporada à argamassa foi estipulada em 25% da

massa de areia devido a dificuldade da moldagem do compósito e, também, devido a

diminuição acentuada da resistência mecânica que o material apresentou. É importante

ressaltar que, com a incorporação de grandes quantidades de vermiculita (20% e 25%),

devido á grande capacidade de retenção de água da mesma, tornou-se necessário a

utilização de superplastificante na razão de 1%. Esta incorporação foi padronizada para

todos os traços de maneira que se pudesse equalizar a análise para todos os ensaios.

Quanto à quantidade de látex, quando incorporado em quantidades maiores que 30% do

volume, este proporciona uma queda significativa de resistência para a argamassa e, em

quantidades muito menores que os 30%, não apresentava modificações significativas

nas propriedades do compósito.

VARIÁVEIS DOSAGEM (%)

Vermiculita 0 5 10 15 20 25

Fibras 5 4,5 4 3,5 3,0 2,5

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6

3

A dosagem de fibra foi sendo verificada de acordo com a facilidade de preparação e

moldagem de cada traço levando-se em conta a quantidade de vermiculita já

incorporada, ou seja, uma quantidade de vermiculita foi fixada e a quantidade de fibra

foi variada até encontrar-se uma quantidade que não provocasse a perda de

trabalhabilidade da argamassa.

3.3.3 Caracterização do compósito

Para a determinação das características mecânicas do compósito, foram realizados

ensaios de compressão simples, tração por compressão diametral e módulo de

elasticidade em corpos-de-prova.

No processo de caracterização do material foram moldados 11 corpos-de-prova

cilíndricos de 50mm de diâmetro por 100mm de altura, sendo que 4 deles eram

utilizados para o ensaio de compressão uniaxial, 4 para o ensaio de tração por

compressão diametral e 3 para o ensaio de compressão uniaxial para a obtenção do

módulo de elasticidade. Considerando as seis dosagens estudadas, foram ensaiados 66

corpos-de-prova durante esse processo de caracterização do compósito.

Inicialmente, todo o processo de mistura dos materiais foi realizado manualmente,

devido ao pequeno volume de material a ser moldado e também a falta de um

equipamento de pequeno porte que fosse adequado. No decorrer da pesquisa, adquiriu-

se uma batedeira industrial que está sendo utilizada como argamassadeira do laboratório

de estruturas. A seqüência apresentada na Figura 3.5 mostra o processo de amassamento

manual e a seqüência da Figura 3.6 mostra o processo com a batedeira industrial. Nas

fotos é apresentada a ordem seqüencial na qual os materiais vão sendo incorporados,

primeiro ao cimento é misturada a areia e logo após a vermiculita, depois o látex é

introduzido seguido da água de amassamento e, depois de praticamente umedecida toda

a mistura ocorre a incorporação do superplastificante com um pouco de água e, somente

no final do processo que a fibra é adicionada.

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s

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3.5: (a) Introdução de látex á mistura de cimento, areia e vermiculita; (b) consistência da

mistura antes da introdução de água e superplastificante; (c) consistência melhorada após a

introdução da água e superplastificante; (d) introdução da fibra de polipropileno.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3.6: (a)Batedeira industrial utilizada na pesquisa; (b) introdução de látex á mistura de

cimento, areia e vermiculita; (c) consistência melhorada após a introdução da água e

superplastificante; (d) introdução da fibra de polipropileno.

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5

Tanto o material preparado manualmente quanto o preparado na batedeira industrial não

apresentaram diferenças nas propriedades mecânicas observadas, a diferença foi

observada no amassamento da argamassa, onde, a preparada na argamassadeira se

apresentava mais fluída, fato este atribuído à uma maior energia de amassamento

empregada e uma atuação mais efetiva do superplastificante na argamassa.

Na seqüência são apresentados os esquemas dos ensaios realizados em corpos-de-prova

cilíndricos para obtenção das características mecânicas do compósito.

O processo de cura utilizada nesta pesquisa foi o de 48 horas com umidade de 100%,

sendo 24 horas com cura em forma mantendo a amostra sob espuma saturada de água e

24 horas em câmara úmida e, após, cura ao ar, com umidade de 50% por pelo menos 7

dias.

Todos os ensaios desta pesquisa foram realizados para idades das amostras entre 14 e 21

dias.

Para o ensaio de compressão uniaxial, foram moldados 4 corpos-de-prova submetidos à

compressão simples, onde foi verificada somente a carga de ruptura do elemento,

obtendo-se assim, a tensão máxima do compósito para os diferentes traços. A Figura 3.7

mostra a moldagem dos corpos-de-prova e a Figura 3.8 o esquema do ensaio realizado.

(a)

(b)

Figura 3.7: (a) Consistência da argamassa; (b) compactação da argamassa ao molde.

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O processo de moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos foi executado segundo a

NBR-7215/1996 – Resistência à compressão do cimento Portland.

Os valores das resistências e módulo de elasticidade de cada traço serão apresentados no

capítulo de análise de resultados.

(a)

(b)

Figura 3.8: (a) e (b): Esquema do ensaio de compressão simples.

Para obtenção da resistência à tração do compósito, foi realizado o ensaio de

compressão diametral, que fornece o valor dessa resistência de maneira indireta. Foram

moldados também 4 corpos-de-prova que foram ensaiados em um dispositivo que aplica

carga distribuída numa linha diametral do elemento. Para cada ensaio foi obtida a carga

máxima de ruptura de cada corpo-de-prova, podendo-se calcular o valor da tensão

máxima de ruptura do compósito para cada traço estudado. O esquema do ensaio está

mostrado na Figura 3.9.

O cálculo da resistência à tração é realizado de forma indireta porque, a força de

compressão aplicada no sentido do diâmetro do cilindro, gera uma tensão de tração

transversal, uniforme ao longo do diâmetro e, cada elemento, submetido a um estado

duplo de tensões, não romperá por compressão, mas por uma tração que pode ser

calculada segundo a equação 3.3.

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(a)

(b)

Figura 3.9 (a) e (b): Esquema do ensaio de tração por compressão diametral.

ct,sp

2.F

.0,85

.d.h

f

π

=

eq. (3.3)

Onde:

f

ct,sp

: resistência a tração por compressão diametral;

F: força máxima aplicada;

d: diâmetro do corpo-de-prova;

h: altura do corpo-de-prova.

Para os ensaios de obtenção das resistências à compressão e tração do material, como

foi necessário somente o conhecimento das cargas máximas na ruptura dos corpos-de-

prova, os ensaios foram realizados na máquina da marca ELE do laboratório de

Estruturas. Esta máquina aplica carga apenas com o controle da força no elemento. A

máquina utilizada nos ensaios pode ser vista na Figura 3.10. Os ensaios de compressão

foram realizados segundo a NBR5739/1994 e, os ensaios de tração por compressão

diametral segundo a NBR7222/1994.

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Figura 3.10: Máquina de ensaios marca ELE.

Na obtenção do módulo de elasticidade, 3 corpos-de-prova cilíndricos foram ensaiados

com transdutores de deslocamento posicionados em lados opostos, podendo-se assim,

obter a curva tensão x deformação para o cálculo do módulo de elasticidade tangente e

secante para cada traço analisado. Cada transdutor possui haste de 50mm sendo

posicionado a uma distância de 25mm da extremidade do corpo-de-prova. Os ensaios

foram realizados na máquina de ensaios Versatester 30M do laboratório de Estruturas e

com o auxílio de um equipamento capaz de realizar a leitura dos transdutores. O

esquema do ensaio está mostrado na Figura 3.11.

(a)

(b)

Figura 3.11: (a) Corpo-de-prova com transdutor de deslocamento; (b) esquema completo do ensaio

de módulo de elasticidade.

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As leituras dos deslocamentos foi realizada a cada 2,5kN e os valores observados com a

ajuda do equipamento foram anotados em uma planilha manual, que depois foi passada

para uma planilha eletrônica. Estes valores foram lançados em gráficos, como mostrado

na Figura 3.12, possibilitando assim o cálculo dos valores do módulo de elasticidade

tangente e o secante.

Tensão x Deformação

y = -1E+06x

2

+ 14641x - 0.0805

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0.000% 0.050% 0.100% 0.150% 0.200% 0.250%

Deformação

Tensão (MPa)

Figura 3.12: Gráfico para determinação do módulo de elasticidade.

A Figura 3.12 ilustra um exemplo de um gráfico para um traço do compósito. Para

obtenção do valor do módulo de elasticidade tangente foi tomado o valor do coeficiente

variável x

1

da equação do segundo grau apresentada na Figura acima, ou seja, o valor do

módulo de elasticidade tangente para este traço é 14641 MPa. O valor do módulo de

elaticidade secante foi calculado pela razão entre um valor de resistência da ordem de

50% da tensão de ruptura do material sobre um ponto de deformação coincidente nas

duas curvas, tanto a experimental quanto a curva de regressão.

Seguindo o mesmo critério adotado por MONTEDOR (2004), a depuração dos

resultados das características mecânicas do material, foi realizada pelo critério de

Chauvenet, no qual, para uma série de medidas, a probabilidade de ocorrência de um

desvio de valor “x” é menor que 1/2n, onde n corresponde ao número de medidas

(TAKEYA, 2001).

William Chauvenet: importante matemático norte-americano do séc. XIX , realizou estudos no campo da

matemática, astronomia, deixando importantes contribuições para o desenvolvimento da ciência.

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4.1 Preliminares

Este capítulo descreve o programa experimental realizado especificamente com as

almofadas do compósito, trazendo suas características e suas propriedades básicas. São

descritos todos os ensaios realizados com almofadas de argamassa e os parâmetros que

foram estudados, verificando-se as características do elemento de apoio de argamassa.

São descritos os ensaios com carga distribuída sobre a almofada, ensaios com aplicação

de força concentrada, simulações de ligação utilizando a almofada como elemento de

apoio e a ensaios de rotação em almofadas do compósito, que visam medir a capacidade

de rotação que essas almofadas podem ser submetidas. Também no final desse capítulo

são descritos alguns ensaios que foram realizados com caráter exploratório para o

material, sendo apresentados como parâmetros qualitativos do compósito.

4.2 Ensaios de força distribuída

4.2.1 Carregamento Monotônico

O ensaio de carregamento monotônico foi realizado nas almofadas do compósito para

determinar a rigidez de placa, ou seja, uma medida da capacidade de deformação dessas

almofadas. Esta relação foi chamada de rigidez neste trabalho, e não módulo de

deformação de placa, devido a forma de placa do elemento e sua pequena espessura, que

quando verificada sua deformação, esta possui valores maiores que os corpos-de-prova

cilíndricos estudados, gerando uma redução significativa nos valores obtidos para a

rigidez das placas, em relação ao módulo de deformação dos corpos-de-prova

cilíndricos.

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Para este ensaio foram moldadas duas placas de 15cm x 15cm de lado com espessura de

10mm, para cinco traços diferentes do compósito, que foram submetidas à compressão

simples. Os dados foram salvos e uma curva força deslocamento foi traçada para cada

almofada, podendo-se a relação para cada um dos cinco traços estudados. Para as

almofadas, a cura e a idade de ruptura adotada foram as mesmas utilizadas para o caso

dos corpos-de-prova cilíndricos. Os cinco traços estudados nesta fase da pesquisa estão

apresentados na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Traços estudados no ensaio de carregamento monotônico.

Traços Estudados Descrição

V5PP4,5L30

5% de vermiculita e 4,5% de fibra de polipropileno

V10PP4L30

10% de vermiculita e 4,0% de fibra de polipropileno

V15PP3,5L30

15% de vermiculita e 3,5% de fibra de polipropileno

V20PP3L30

20% de vermiculita e 3,0% de fibra de polipropileno

V25PP2,5L30

25% de vermiculita e 2,5% de fibra de polipropileno

As almofadas foram ensaiadas na máquina marca INSTRON, modelo 8506, a uma

velocidade de 0,01mm/s e levadas até a carga de 2000kN. A Figura 4.1 mostra o

esquema do ensaio e a máquina de ensaios do laboratório de Estruturas. O sistema de

aquisição dos dados utilizados neste ensaio foi o modelo System 5000 da Measurements

Group.

Com os resultados foram traçadas as curvas força x deslocamento para os elementos e,

após a fase de acomodação das deformações inicias, foi traçada uma reta sobre estas

curvas (Figura 4.2), calculando-se a rigidez de cada uma das amostras como sendo o

coeficiente angular de cada reta. A rigidez admitida para cada traço foi a média destes

dois valores. Como a unidade de referência para estes valores é o Megapascal (MPa),

depois de realizado o cálculo deste coeficiente angular, as unidades foram devidamente

transformadas para este sistema.

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3

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.1: (a) Almofada do compósito; (b) e (c) Esquemas do ensaio de carregamento monotônico;

(d) Máquina de ensaios.

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Forca x Deslocamento

-2500.00

-2000.00

-1500.00

-1000.00

-500.00

0.00

-4.00-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.00

Afundamento (mm)

Força (kN)

PL1

PL2

Figura 4.2: Gráfico força x deslocamento para duas amostras de almofada.

A Equação 4.1 representa a maneira de calcular as rigidezes das placas de maneira a

torná-la mais compreensível.

R =

h

σ

Δ

eq.(4.1)

Onde:

R = rigidez da placa;

σ

= tensão aplicada na placa;

hΔ = variação da espessura da placa;

h = espessura da placa.

4.2.2 Carregamento Cíclico

Em complementação ao ensaio de carregamento monotônico, onde aplicou-se carga de

compressão até o limite máximo do equipamento e verificou-se a rigidez da almofada,

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realizou-se o ensaio de carregamento cíclico, no qual procurou-se obter uma

visualização da evolução da rigidez com um regime de carga repetitivas.

O esquema básico do ensaio cíclico foi o mesmo utilizado para o ensaio monotônico,

sendo que, as almofadas utilizadas neste ensaio possuíam as mesmas dimensões das do

ensaio anterior, ou seja, 15cm x 15cm de base e espessura de 10mm. A diferença ficou

por conta dos carregamentos que foram repetidos ciclicamente, até cargas que

promovessem pressões de contato da mesma ordem de grandeza do que se poderia

verificar em situações práticas de utilização das almofadas de apoio. Também a

quantidade de traços estudados foi reduzida a três do material, o V5PP4,5L30,

V10F4L30 e o V15F3,5L30.

A escolha desses traços se deu em função das resistências dos corpos-de-prova

cilíndricos e das rigidezes apresentadas nos ensaios monotônicos, acreditando-se que

estes seriam os mais adequados para uma utilização prática, gerando uma necessidade

de estudos mais concentrados sobre os mesmos.

Para a aquisição dos dados do ensaio, utilizou-se o sistema de aquisição para ensaios

dinâmicos System 6000 da Measurements Group (Figura 4.3).

Figura 4.3: Sistema de aquisição de dados System 6000.

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As tensões adotadas para este ensaio foram de 2,5MPa, 5,0MPa, 10,0MPa e 20,0MPa.

Com a adoção destes valores de tensões, as forças nas respectivas fases dos ensaios

foram de aproximadamente 55kN, 112kN, 225kN e 450kN. Na primeira fase dos

ensaios, para cada valor de tensão, foram realizados ciclos de 50 repetições (figuras 4.4

e 4.5) para cada carregamento correspondente. As cargas foram aplicadas até os valores

limites e levados a um valor próximo de zero, este não podendo ser atingido por

limitações da máquina de ensaio.

Carregamento Cíclico

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Tempo

Força (kN)

Figura 4.4: Ciclos de carregamento da almofada.

Como pode ser observado na Figura 4.4, para cada passo de carga foram aplicados 50

ciclos de carregamento. Como os dados se apresentaram em uma nuvem muito densa de

pontos e de difícil visualização do comportamento da rigidez ao longo do tempo, optou-

se por analisar os resultados a partir dos dados do primeiro e do último ciclo para cada

série do carregamento. Um exemplo dessa nova configuração dos dados pode ser

observado na Figura 4.6.

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200 ciclos

-500.000

-450.000

-400.000

-350.000

-300.000

-250.000

-200.000

-150.000

-100.000

-50.000

0.000

-1.800-1.600-1.400-1.200-1.000-0.800-0.600-0.400-0.2000.000

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 4.5: Carregamento cíclico na almofada.

T1PL1 200 ciclos

-500.000

-450.000

-400.000

-350.000

-300.000

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Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 4.6: Carregamento cíclico na almofada após a retirada de pontos intermediários.

Na segunda fase do estudo com carregamentos cíclicos foram realizados ensaios com a

mesma configuração dos ciclos anteriores, mas nesta nova fase optou-se por aplicar na

almofada um número maior de ciclos para cada incremento de carga. Estes ciclos

passaram então de 50 para 300 para cada passo de carga (Figura 4.7). Como se pode

observar, a dificuldade em ler os dados da evolução das rigidezes se apresentou maior

nesse caso, portanto adotou-se o mesmo procedimento de análise da primeira fase dos

ensaios, gerando-se curvas apenas do primeiro e do último ciclo de cada incremento de

carga (Figura 4.8).

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1200 ciclos

-500.000

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-350.000

-300.000

-250.000

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-50.000

0.000

-1.000-0.900-0.800-0.700-0.600-0.500-0.400-0.300-0.200-0.1000.000

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 4.7: Exemplo de ensaio de almofada com 1200 ciclos de carregamento.

1200 ciclos

-500.000

-450.000

-400.000

-350.000

-300.000

-250.000

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-1.000-0.900-0.800-0.700-0.600-0.500-0.400-0.300-0.200-0.1000.000

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 4.8: Exemplo de ensaio de almofada com 1200 ciclos após retirada de pontos intermediários.

4.3 Ensaios de força concentrada

Este ensaio de força concentrada derivou dos ensaios de força concentrada realizados

por MONTEDOR (2004) visando-se medir a capacidade de acomodação de cargas

pontuais de tiras de almofada do compósito, ou afundamento, parametrizando-se assim,

a quantidade de vermiculita como o objeto principal de observação.

A vermiculita foi o foco deste ensaio porque, a partir de uma determinada quantidade

incorporada na argamassa, as características da almofada são alteradas de maneira

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prejudicial, aumentando-se muito a capacidade de afundamento desta, em detrimento de

sua resistência e rigidez. Também porque, na pesquisa de MONTEDOR (2004), foi

realizado um ensaio onde se tentou descrever uma quantidade ideal para a incorporação

desta ao compósito.

Os resultados apresentados pelo pesquisador mostraram que, quanto maior essa

incorporação, isso acarreta numa maior deformabilidade da almofada, com reduzida

resistência, portanto, não sendo indicada sua utilização.

Este ensaio consistiu em cortar as almofadas de 15cm x 15cm em fatias de 2,5cm x

15cm, nas quais seriam aplicadas duas cargas pontuais em dois pontos localizados a

3,75cm da borda da fatia. Nesta pesquisa, optou-se por estudar com mais ênfase,

somente a espessura de 10mm, por esta apresentar melhores resultados de rigidez de

placa quando comparada às almofadas de 20mm de espessura, de acordo com a

pesquisa anterior. Neste momento cabe ressaltar que a rigidez de placa é a relação entre

a tensão aplicada e a deformação sofrida pela almofada, em ensaios de carga uniforme,

que será apresentado adiante. Um esquema do ensaio é apresentado na Figura 4.9.

(a)

(b)

Figura 4.9: (a) Esquema frontal ensaio de carga concentrada (medidas em cm); (b) Esquema

tridimensional do ensaio.

O ensaio consistiu na aplicação de carga com controle de deformação da máquina a uma

taxa de 0,01mm/s. Os dados foram gravados num sistema de aquisição de dados do

Atuador da Máquina

Fatia da Almofada

Dispositivo Metálico

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laboratório de mecânica das rochas do departamento de Geotecnia da Escola de

Engenharia de São Carlos a uma velocidade de três pontos por segundo. A máquina

utilizada para a realização deste ensaio é a MTS modelo 815 - Rock Mechanics Test

System - capacidade 2700 kN. Na Figura 4.10 está apresentada a máquina utilizada no

ensaio.

(a)

(b)

Figura 4.10: (a) Máquina MTS utilizada nos ensaios de carga localizada; (b) Vista ampliada do

ensaio de afundamento.

Foram retiradas amostras para seis traços diferentes do material, começando com teor

de 0% de vermiculita no compósito, até a quantidade de 25% de vermiculita na mistura.

Todos os traços estudados estão na Tabela 4.2

Para cada traço, 10 amostras de tiras de almofadas foram ensaiadas e pode-se obter a

curva força x deslocamento para cada amostra. A partir dessas curvas, verificou-se o

comportamento médio dessas amostras, traçando-se a curva média, a partir dos

resultados que se apresentaram com maior consistência, eliminando-se os resultados que

apresentaram as maiores diferenças. Um exemplo dos gráficos obtidos para um traço é

apresentado na Figura 4.11.

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Tabela 4.2: Traços estudados no ensaio de carga localizada.

Traços Estudados Descrição

V0PP5L30

0% de vermiculita e 5,0% de fibra de polipropileno

V5PP4,5L30

5% de vermiculita e 4,5% de fibra de polipropileno

V10PP4L30

10% de vermiculita e 4,0% de fibra de polipropileno

V15PP3,5L30

15% de vermiculita e 3,5% de fibra de polipropileno

V20PP3L30

20% de vermiculita e 3,0% de fibra de polipropileno

V25PP2,5L30

25% de vermiculita e 2,5% de fibra de polipropileno

Traço: V10PP4,0L30

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000

Afundamento (mm)

Força (kN)

CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

CP6

CP7

CP8

CP9

CP10

Figura 4.11: Curvas força x deslocamento para o traço V10PP4,0L30.

Com base na Figura 4.11, observou-se as curvas que apresentaram o comportamento

mais próximo, eliminando-se as curvas com comportamento muito distinto da maioria e,

traçando-se a curva média desse traço, como apresentado na Figura 4.12. Deve-se

ressaltar que devido à variabilidade dos resultados de cada tira de almofada, o critério

de eliminação das curvas foi puramente visual, devido à falta de outro método melhor

de análise da variabilidade das curvas.

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Média Amostras Traço: V10PP4,0L30

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000

Afundamento (mm)

Força (kN)

CP1

CP2

CP3

CP4

CP9

CP10

Médi

a

Figura 4.12: Curvas média força x deslocamento para o traço V10PP4,0L30.

4.4 Ensaios de ligação de blocos

Para justificar a capacidade de acomodação das almofadas do compósito, utilizou-se um

ensaio que promovesse uma comparação entre elementos simulando peças de concreto

moldado in loco e peças que foram sobrepostas simulando uma ligação de concreto pré-

moldado. Estes ensaios são uma seqüência dos experimentos realizados por

MONTEDOR (2004) sem a presença de inclinação entre os elementos.

Os ensaios consistiram basicamente em utilizar prismas de concreto com 15cm x 15cm

de base com 30cm de altura, que simulavam peças de concreto moldado in loco e cubos

de concreto com 15cm de lado, onde duas peças foram sobrepostas para simular uma

ligação de elementos de concreto pré-moldado (Figura 4.13).

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Figura 4.13: Esquema dos ensaios de ligação de blocos.

Nos ensaios simulando ligação entre elementos pré-moldados de concreto, foram

realizados ensaios com e sem presença da almofada como elemento de apoio, como

visto na Figura 4.13.

Para verificar a efetividade da acomodação das imperfeições das superfícies que

formam o contato entre os cubos de concreto, foram introduzidas rugosidades na face de

contato do bloco de que seria superposto(Figura 4.14).

Figura 4.14: Esquema das rugosidades e colocação dos blocos para ensaio.

1 – Sem emenda

2 – Com emenda e sem almofada

3 – Com emenda e com almofada

1 2

3

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Na Figura 4.14 pode-se observar o padrão de rugosidade imposto aos blocos de concreto

e o posicionamento dos mesmos para o ensaio. A Figura 4.15 mostra a foto dos três

tipos de blocos de concreto utilizados nesta pesquisa.

Figura 4.15: Esquema dos tipos de blocos ensaiados.

Para esses ensaios com blocos de concreto, foram introduzidas rugosidades variáveis de

maneira que se pudesse verificar a capacidade de acomodação das almofadas com a

presença de imperfeições na superfície. Portanto, para facilitar e padronizar a análise

dos resultados estes ensaios foram divididos em séries, que serão apresentadas a seguir:

1ª Série:

A primeira série de prismas (Figura 4.16) consistiu em ensaiar um grupo de blocos com

30cm de altura simulando uma peça de concreto moldada no local e, grupos de blocos

com 15cm de altura, com superfície lisa sem a presença da almofada e com a presença

da almofada na interface de ligação entre os blocos.

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Figura 4.16:– Primeira série de ensaios de blocos.

As almofadas destes ensaios foram fundidas aos blocos de concreto que ficariam na

base do elemento, como apresentado na figura, no momento da sua concretagem, para

uma melhor interação destes elementos.

2ª Série:

Para a segunda série de ensaios foram ensaiados somente blocos de 15cm de altura

(Figura 4.17), onde foram introduzidas rugosidades variáveis na face de um dos blocos

de concreto. Os valores das rugosidades introduzidas foram de 0,75mm, 1,00mm e

1,5mm. Como dito anteriormente, buscava-se assim, a capacidade de acomodação das

almofadas na presença de imperfeições nos elementos.

As almofadas desta série de ensaios também foram fundidas aos blocos de concreto no

momento da sua concretagem.

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Figura 4.17: Segunda série de ensaios de blocos.

Para cada série, os números das figuras 4.16 e 4.17 indicam uma concretagem diferente,

totalizando 9 moldagens em dias diferentes e, para garantir que todos os traços

estivessem com um mesmo padrão de resistência do concreto, foram retirados e

ensaiados corpo-de-prova cilíndricos com 10cm de diâmetro por 20cm de altura

juntamente os blocos.

Todos os ensaios foram de compressão e realizados na máquina ELLE presente no

Laboratório de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). As

figuras 4.18a e 4.18b mostram fotos de dois exemplos de ensaios realizados.

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7

(a)

(b)

Figura 4.18: (a) Ensaio de blocos lisos sem almofada; (b) blocos para ensaio com rugosidade de

1,5mm sem almofada.

4.5 Ensaios de rotação de apoio

Finalizando as séries de ensaios em placas foram realizados testes para medir a

capacidade de rotação das almofadas. Para tanto um sistema especial de aplicação de

carga nas almofadas foi preparado para que se pudesse realmente aplicar valores

expressivos de carregamentos que provocassem rotações com valores relativamente

altos. Sendo assim, podem-se atingir rotações com valores que foram convencionados

como sendo os limites para as almofadas, obtendo-se indicações práticas para a

utilização destas. Nas figuras 4.19 e 4.20 são apresentados os esquemas básicos do

ensaio.

Figura 4.19: Esquema básico do ensaio de rotação.

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Figura 4.20: Esquema íntegro do ensaio de rotação.

Este ensaio foi dimensionado de maneira que as rotações aplicadas nas almofadas

fossem maiores que as observadas em situações práticas onde se pode lançar mão do

uso do compósito. Para tanto, utilizou-se como referência para o dimensionamento da

chapa metálica, uma viga de ponte rolante do laboratório de Estruturas da EESC/USP,

onde os giros máximos que poderiam ser observados nestas foram adotados como

valores mínimos de rotações a serem aplicadas nas almofadas. Essa viga suporta uma

Laje de Reação

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ponte rolante com capacidade de 6 toneladas. Como essa é uma viga protendida e,

consequentemente, os valores das rotações seriam diminuídos devido aos efeitos da

protensão, o cálculo foi realizado desprezando-se a protensão, ou seja, os valores das

rotações foram majorados para o caso.

Como pode ser observado nas figuras 4.19 e 4.20, para que se pudesse promover uma

efetiva rotação na almofada foi utilizada uma chapa metálica de 100cm de

comprimento, largura de 15cm e espessura de 12,5mm sobre a qual, nas extremidades,

foram colocadas almofadas do compósito atuando como um elemento de apoio

submetido a rotação. Sobre esta chapa foram aplicadas cargas duas excêntricas

próximas aos apoios. O ensaio pode ser comparado a um ensaio de flexão em quatro

pontos, sendo que, os pontos de aplicação de carga ficam com uma pequena

excentricidade em relação ao centro médio dos apoios (Figura 4.21).

Figura 4.21: Detalhes do ensaio de rotação.

A carga foi aplicada por meio de um macaco-hidráulico manual, com capacidade de 100

toneladas. Para distribuição das forças para a chapa foi utilizada uma viga metálica de

Perfil I com 350mm de altura com cinco enrigecedores de cada lado da peça para

garantir que essa não sofresse deformação gradativa no processo de aplicação das

forças. Os distribuidores de carga foram pensados de maneira que as posições da

Viga de Aplicação de carga

Macaco-hidráulico Manual

Aplicadores de Carga Excêntrica

Chapa Metálica

Almofadas

Apoio Almofada

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0

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resultante das forças aplicadas aos apoios tivessem as excentricidades requeridas e as

tensões aplicadas à chapa metálica não provocassem nenhum tipo de deformação

plástica na mesma.

Foram posicionados cinco relógios analógicos com precisão de 0,01mm (centésimo de

milímetro) de cada lado da chapa. Em cada lado dos apoios colocou-se dois relógios

para verificação das diferenças de afundamento sofridas na almofada, tornando possível

o cálculo das rotações sofridas. No centro da chapa metálica foi posicionado um relógio,

que ficou incumbido do controle de deslocamento desse ponto para que a tensão de

escoamento desta não fosse atingida.

Neste ensaio foi adotada uma convenção dos relógios e das vistas da chapa metálica

(Figura 4.22) de maneira a facilitar a visualização e interpretação dos resultados

medidos.

Figura 4.22: Convenção adotada para os ensaios.

As almofadas utilizadas possuíam 15cm de base com espessuras de 10mm e 20mm.

Nesta fase de ensaios, como feito nos ensaios de ligação de bloco, não foram testados

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todos os traços das almofadas. Como o traço V10PP4L30 se apresentou com as

características desejadas nos ensaios anteriores, os ensaios foram concentrados neste e

nos traços com suas porcentagens, respectivamente, abaixo e acima deste, ou seja, os

traços V5PP4,5L30 e o V15PP3,5L30. A tentativa foi de se obter uma gama de

resultados em torno desse traço com 10% de vermiculita para sua aplicação.

A aplicação de carga foi realizada manualmente e por etapas, sendo que, em cada etapa

aplicou-se um incremento de 100kN de carga e os valores de cada relógio analógico

foram lidos e anotados em uma planilha preparada para o ensaio. A carga máxima

aplicada foi a de 900kN (90ton.) devido a limitação do macaco-hidráulico.

As excentricidades foram testadas de maneira empírica numa primeira etapa para que,

com o carregamento aplicado e o giro sofrido pela chapa metálica, não houvesse um

descolamento desta com a superfície da almofada, como pode ser visto na Figura 4.23.

(a)

(b)

Figura 4.23: (a) e (b) Descolamento da extremidade da chapa em relação a superfície da almofada.

Para as almofadas de 10mm de espessura a excentricidade obtida e adotada entre a

posição da resultante do carregamento em relação ao centro do apoio foi de 60,0mm.

Nos ensaios com almofadas de 20mm essa excentricidade teve que ser diminuída para

55,0mm para não ocorrer o descolamento entre as superfícies da almofada e da chapa

metálica.

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Os relógios comparadores utilizados na obtenção dos resultados foram todos montados

com base magnética em vigas metálicas, posicionadas em frente ao pórtico de reação

utilizado para o ensaio (Figura 4.24). Esse cuidado foi tomado de maneira que os

resultados das medidas dos relógios não sofressem interferências de deformações e

acomodações sofridas pelo pórtico.

Figura 4.24: Relógios com bases magnéticas posicionados sobre base metálica.

Todos os relógios utilizados eram da marca Mitutoyo, sendo a capacidade de leitura de

50mm para os relógios posicionados sobre os apoios e 30mm para os alocados no meio

do vão da chapa metálica.

4.6 Ensaio de tenacidade ao fraturamento

Os ensaios de fraturamento foram realizados com o intuito inicial de determinar a

tenacidade flexional do material. Devido à grande deformabilidade apresentada pelo

mesmo, bem como às limitações de curso do clip-gauge (transdutor de deslocamentos)

disponível para o controle do ensaio, o objetivo inicial não pôde ser totalmente atingido.

Mesmo assim, alguns resultados de caráter qualitativo puderam ser obtidos. As

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recomendações adotadas para a condução dos ensaios foram as da RILEM TC 162-TDF

(2002). Apesar de destinadas à obtenção de parâmetros de tenacidade ao fraturamento

de compósito reforçados com fibras de aço, as recomendações referidas foram

empregadas para a determinação de indicadores da tenacidade ao fraturamento do

compósito com fibras de polipropileno, investigado nesta pesquisa.

Os ensaios foram conduzidos submetendo-se pequenas vigas moldadas com o

compósito aqui estudado, à flexão em três pontos. Cada viga foi entalhada no centro do

vão objetivando a criação de um plano preferencial de fraturamento, em virtude da

fragilização da seção transversal (Figura 4.25).

Figura 4.25: Esquema do ensaio de tenacidade ao fraturamento à flexão em três pontos.

Como pode ser observado na Figura 4.24, o comprimento nominal (l) adotado para as

vigas foi de 34,00cm, objetivando a obtenção de vãos livres (s) iguais a 30,0cm. Todas

as outras medidas respeitaram proporções usualmente utilizadas em ensaios desta

natureza, ou seja, alturas (w) larguras (b) e profundidades dos entalhes (a

0

)

correspondentes a 1/4, 1/8 e 1/16 do vão livre, respectivamente. As medidas adotadas

resultaram, portanto, da adequação das proporções recomendadas pela RILEM para

corpos-de-prova utilizados em ensaios de concreto com fibras, ao material da pesquisa.

Os parâmetros obtidos nos ensaio de fraturamento foram a tensão limite de

proporcionalidade ou tensão limite da fase elástica, f

fct,L

, que corresponde à contribuição

da matriz de cimento na resistência global do compósito, e as tensões residuais à tração

na flexão, f

R,i

. Estas últimas podem ser traduzidas como valores da efetiva contribuição

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da fibra na resistência do compósito com a evolução do carregamento e do processo de

fissuração.

Neste caso, os valores dos deslocamentos verticais da linha de carga, que são utilizados

como pontos chave no cálculo dos parâmetros do ensaio, foram alterados respeitando-se

as proporções indicadas nas recomendações. A Figura 4.26 apresenta esquematicamente

os deslocamentos utilizados para a obtenção dos valores das tensões de interesse.

Figura 4.26: Deflexões importantes ao ensaio de tenacidade ao fraturamento.

Para o cálculo da tensão limite de proporcionalidade, f

fct,L

, utiliza-se a força denominada

F

L

, correspondente ao deslocamento de 0,05mm. Os demais valores de deslocamentos

verticais da linha de carga, δ

R,i

, necessários aos cálculos das resistências residuais, são

padronizados. A esses valores correspondem forças residuais F

Ri

. Os deslocamentos

verticais residuais apresentados na Figura 4.26, são frações do vão livre da viga com

0,276mm (l/1087), 0,786mm (l/382), 1,29mm (l/233) e 1,80mm (l/167),

respectivamente.

F

[

kN

]

0,05

δ

R

,

1

δ

R

,

2

δ

R

,

3

δ

R

,

4

F

R4

F

R3

F

R2

F

R1

F

L

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Para o cálculo das tensões residuais é utilizada a equação apresentada a seguir, que

decorre da teoria elementar de vigas:

,

2

.

3

2.

Ri

s

p

Fl

f

bh

= eq.( 4.2)

Onde:

f

R,i

= tensão residual para o deslocamento i;

F

R,i

= força correspondente ao deslocamento i;

l = vão livre da viga;

b = base da viga;

h

sp

= altura do ligamento (altura da viga menos a altura do entalhe inicial e que

corresponde à altura resistente à fissuração).

Para a execução dos ensaios foram utilizados apoios móveis com o objetivo de garantir

liberdade de translação horizontal nas extremidades das vigas. Para o controle e a

monitoração dos ensaios foram utilizados dois transdutores de deslocamentos, um

posicionado na abertura do entalhe e o outro, sob a linha de carga. O primeiro deles, um

clip-gauge de controle, foi posicionado na peça para o acompanhamento da abertura da

fissura e conseqüente controle do ensaio. O segundo transdutor, um LVDT, foi

posicionado no centro do vão de maneira a monitorar os deslocamentos verticais da

peça nesta posição.

Entretanto, os ensaios não puderam ser realizados até o final. Conforme citado, o clip-

gauge posicionado sobre a viga possuía curso máximo de 2,0mm, valor inferior àqueles

obtidos para as aberturas das fissuras. Assim, os dados decorrentes dos ensaios

acabaram sendo insuficientes ao cálculo de todos os parâmetros de tenacidade flexional

que poderiam ser conseguidos em ensaio desta natureza. Este fato terminou por limitar

as análises à avaliação qualitativa da efetividade das fibras incorporadas ao compósito.

A Figura 4.27 mostra alguns detalhes do ensaio.

Para a fixação do transdutor destinado à monitoração dos deslocamentos verticais,

utilizou-se um suporte construído com uma fina chapa metálica, dobrada e posicionada

em frente à viga por meio de sargentos metálicos. Estes, por sua vez, foram colocados

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sobre os apoios para evitar a introdução de esforços adicionais estranhos ao ensaio. Na

extremidade superior da viga, sob o ponto de transmissão da carga, colocou-se uma

cantoneira de alumínio para servir de apoio superior ao LVDT. Estes detalhes podem

ser observados na Figura 4.27d.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.27: (a) Apoio móvel; (b) clip-gauge de medição da abertura da fissura; (c) detalhe do

ensaio sem o LVDT de monitoração dos deslocamentos verticais; (d) esquema completo do ensaio.

Um aspecto importante a ser ressaltado é que os deslocamentos monitorados nos ensaios

foram medidos sempre relativamente à própria viga, uma vez que nenhum elemento

externo para fixação dos transdutores foi utilizado, o que garantiu a medida de

deslocamentos relativos. Esta é uma exigência neste tipo de ensaio.

4.7 Microscopia ótica

Ao final de todos os ensaios com almofada, acreditou-se que devido ao processo de

moldagem das mesmas, as imperfeições presentes em sua face superior seriam benéficas

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para produzir melhores efeitos de acomodação quando estas estivessem em uso. Para

tanto, resolveu-se verificar o padrão dessa rugosidade superficial por meio de fotos de

microscópio ótico com uma ampliação suficientemente grande de maneira a se

visualizar como estava se apresentando este padrão. A Figura 4.28 mostra um detalhe da

moldagem de uma peça.

(a)

(b)

Figura 4.28: (a) Colocação da argamassa na forma; (b) acabamento superficial da almofada.

De acordo com a Figura 4.28 pode-se observar que na superfície inferior da almofada,

devido ao fundo das fôrmas devidamente lisas, a almofada não apresenta padrão de

rugosidade superficial, sendo perfeitamente lisa.

Para a captura das fotos do compósito foi retirada uma pequena amostra do meio de

uma almofada não ensaiada e uma pequena amostra de uma almofada submetida ao

ensaio cíclico de carregamento. Com estas fotos visa-se mostrar o padrão de rugosidade

apresentado antes dos carregamentos na almofada e depois dos mesmos. A Figura 4.29

apresenta o esquema da retirada da amostra.

As amostras foram cortadas somente com disco especial de corte para cerâmica, não

tendo-se nenhum outro tipo de cuidado especial durante a sua retirada, portanto, neste

tipo de análise, não tenta-se mostrar a precisão de uma foto retirada por meio de

microscopia eletrônica de varredura (MEV), mas sim uma idéia das rugosidades antes e

depois de ensaiadas.

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Figura 4.29: Esquema da retirada de amostra das almofadas.

4.8 Síntese do programa experimental

A síntese do programa experimental (Tabela 4.3) foi introduzida neste ponto do texto

para facilitar o entendimento e ajudar no processo de visualização dos resultados que

será apresentado no próximo capítulo. Nela são apresentados os principais pontos dos

estudos desenvolvidos com uma breve descrição dos ensaios, o tipo de ensaio realizado

e a quantidade de amostras ensaiadas.

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Tabela 4.3: Síntese do programa experimental.

Caracterização do compósito

Traços Compressão Tração Módulo de Elasticidade

V0PP5L30

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

V20PP3L30

V25PP2,5L30

4 corpos-de-prova

cilíndricos de 50mm de

diâmetro por 100mm de

altura para cada traço

4 corpos-de-prova

cilíndricos de 50mm de

diâmetro por 100mm de

altura para cada traço

3 corpos-de-prova cilíndricos

de 50mm de diâmetro por

100mm de altura para cada

traço

Total de amostras

24 corpos-de-prova 24 corpos-de-prova 18 corpos-de-prova

Ensaio de força distribuída

Carregamento monotônico - compressão Carregamento cíclico - compressão

V5PP4,5L30 V5PP4,5L30

V10PP4L30 V10PP4L30

V15PP3,5L30 V15PP3,5L30

V20PP3L30 -

V25PP2,5L30

2 placas de 150mm x

150mm com espessura

de 10mm para cada traço

-

Aplicação de 50 e 300 ciclos

de carga em almofadas de

10mm e 20mm de espessura*

Total de amostras

10 almofadas

Total de amostras

9 almofadas

* Aplicação de pressões com intensidades de 2,5MPa, 5,0MPa, 10,0MPa e 20,0MPa.

Ensaio de força concentrada

Traços Compressão

V0PP5L30

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

V20PP3L30

V25PP2,5L30

10 tiras de 25mm x 150mm cortadas das almofadas do compósito e ensaiadas com

auxílio de dispositivo metálico para aplicação de força concentrada para cada traço

Total de amostras

60 tiras de almofada

Ensaio de ligação de blocos

Traço da almofada Compressão com rugosidade variável

V10PP4L30

9 conjuntos de blocos, 4 peças para cada conjunto, que simulavam peças de

concreto moldado no local e concreto pré-moldado com e sem presença da

almofada nas ligações e com rugosidades de 0,75mm, 1,00mm e 1,5mm

Total de amostras

36 blocos e 16 almofadas

Ensaio de rotação de apoio

Traços Compressão excêntrica

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

aplicação cargas excêntricas gerando pressões de até 20MPa em almofadas de

150mm de lado, sendo 2 almofadas de 10mm de 2 almofadas de 20mm de

espessura para cada traço

Total de amostras

12 almofadas

Ensaio tenacidade ao fraturamento

Traços Flexão em 3 pontos

V10PP4L30

5 vigas de 300,0mm de vão livre com altura de 75,0mm e largura de 37,5mm com

um entalhe de 20,0mm no meio do vão

Total de amostras

5 vigas

5

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

5.1 Preliminares

Neste capítulo serão apresentados todos os resultados dos ensaios realizados para a

caracterização do compósito e também das almofadas produzidas com o compósito. A

análise dos pontos importantes de cada ensaio será abordada no decorrer da

apresentação dos mesmos e, assim, as discussões acerca das características obtidas serão

tratadas gradativamente. O objetivo principal deste capítulo é a realização de uma

análise crítica das características do compósito para sua utilização na produção das

almofadas que servirão ao uso como elemento de apoio.

5.2 Resistências e módulo de deformação

5.2.1 Resistência à compressão

Os ensaios de compressão foram realizados em seis dosagens diferentes do compósito,

sendo que, os resultados dessa resistência foram preponderantes na escolha dos traços

que passariam por ensaios mais específicos e também na determinação do traço básico a

ser utilizado na produção de almofadas para elemento de apoio. Na Tabela 5.1 são

apresentados os resultados para as diferentes dosagens estudadas.

1

0

2

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

Tabela 5.1: Resultados do ensaio de compressão simples para os traços estudados.

Traço Tensão de Ruptura (MPa)

V0PP5L30 43,00

V5PP4,5L30 36,30

V10PP4L30 34,90

V15PP3,5L30 29,40

V20PP3L30 24,40

V25PP2,5L30 20,20

Para facilitar a visualização dos resultados, na figura 5.1 é apresentado o gráfico de

valores comparativos para este traço.

Tensão Máxima de Compressão

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

R

eferênc

i

a

V

0PP5L30

V

5PP4,5L

30

V10PP4L30

V15P

P3,5L

30

V20PP3L30

V25P

P2.5L

30

Traços

Tensão (MPa)

Figura 5.1: Gráfico comparativo para o ensaio de compressão simples.

Os resultados obtidos nesta pesquisa se mostram com a mesma tendência obtida pela

pesquisa realizada por MONTEDOR (2004), onde a diminuição da quantidade de fibra

e o aumento da quantidade de vermiculita, para amostras com valores constantes na

quantidade de látex, apresentam uma diminuição no seu valor de resistência à

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

0

3

compressão. Nos resultados obtidos na pesquisa anterior, quando da análise das

características do compósito para cada material incorporado, tinha-se um aumento na

resistência à compressão com o aumento na quantidade de fibra incorporada,

diminuição da resistência com o aumento da porcentagem de vermiculita e, um aumento

na resistência para valores de incorporação de látex até a ordem de 30%, a partir desse

valor ocorria uma queda nos valores da mesma.

Para o compósito estudado, apesar da mudança do tipo de fibra estudada, onde

anteriormente foram utilizadas fibras de PVA e de Vidro e, agora está sendo utilizada

fibra de Polipropileno, observa-se que essa tendência mantém-se apesar da diferença no

tipo da fibra.

Para a confecção de almofadas a serem utilizadas como aparelho de apoio de elementos

de concreto pré-moldado, o compósito necessita de certa resistência e níveis de

deformabilidade condizentes à sua aplicação.

Utilizando resultados da pesquisa de MONTEDOR (2004), pode-se realizar uma

comparação entre valores de resistência de elementos com a mesma quantidade de

vermiculita e látex (Figura 5.2). Os valores em laranja são da pesquisa realizada

anteriormente e as letras F e VD indicam a quantidade de fibra de PVA e vidro,

respectivamente, que foi introduzida no compósito.

Pela análise da Figura 5.2 pode-se verificar que com a introdução da fibra de

polipropileno os valores de resistência não sofreram alterações significativas, mostrando

que a fibra de polipropileno pode ser utilizada sem a perda de desempenho no

comportamento do compósito. Pôde-se introduzir uma quantidade maior da fibra de

polipropileno, verificando-se alguns resultados de resistência maior para corpos-de-

prova moldados com este tipo de fibra.

Na ruptura, estes corpos-de-prova, devido à presença da fibra, não apresentaram ruptura

frágil, continuando íntegros ao final do ensaio. Apresentando apenas um esmagamento

em suas bases devido ao efeito de confinamento que estes estão submetidos pelos pratos

da máquina de ensaios.

1

0

4

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

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R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

Comparação de resultados com 30% de látex

0

5

10

15

20

25

30

35

40

V5PP4,5

V5F

4

V5VD

3

V10

P

P4

V10

F

3

V25

P

P2,

5

V25

F

3

V

2

5VD

2

Traços

Resistência (MPa)

Figura 5.2: Comparação dos resultados de resistência à compressão para 30% de látex.

5.2.2 Resistência à tração por compressão diametral

Para os ensaios de resistência à tração por compressão diametral, também foram

estudados seis traços do compósito. Na Tabela 5.2 são apresentados os resultados

médios dos ensaios de quatro corpos-de-prova para cada traço.

Tabela 5.2: Resultados do ensaio tração para os traços estudados.

Traço Tensão de Ruptura (MPa)

V0PP5L30 2,87

V5PP4,5L30 2,71

V10PP4L30 2,66

V15PP3,5L30 3,15

V20PP3L30 2,36

V25PP2,5L30 2,41

Esses valores também foram plotados em forma de gráfico para facilitar a visualização e

estão apresentados na Figura 5.3.

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

0

5

Tensão Máxima de Tração por Compressão Diametral

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

R

eferência

V

0PP5L30

V

5PP4,5L30

V10PP4L30

V15P

P3,5L

30

V20PP3L30

V25P

P2.5L

30

Traços

Tensão (MPa)

Figura 5.3: Resistência a tração por compressão diametral.

Como pode ser observado na Figura 5.3, com a diminuição da quantidade de fibra e o

aumento da quantidade de vermiculita, existe a tendência de diminuição da redução da

resistência a tração do compósito. Essa relação também obedece aos resultados obtidos

por MONTEDOR (2004). O aumento da resistência por parte do traço V15F3,5L30 não

pode ser explicada somente por meio da análise dessa amostragem. No geral, o

comportamento do compósito obedece a uma tendência de resultados que já foram

devidamente apresentados na pesquisa realizada anteriormente.

Como realizado para a compressão, também são comparados valores de alguns traços

desta pesquisa com a pesquisa anterior (Figura 5.4), podendo-se verificar o

comportamento de cada tipo de fibra incorporada.

Uma característica importante que cabe ser ressaltada aqui é que, assim como na

compressão com a presença da fibra, os corpos-de-prova não apresentam ruptura frágil,

apenas sofrendo um leve esmagamento no sentido diametral e rompendo sem separação

de superfícies.

1

0

6

C

a

p

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t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

Pode-se ver que para o caso da tração, existe uma diminuição mais acentuada quando se

promove a mudança do tipo de fibra incorporada. A fibra de polipropileno, que possui

valor de módulo de deformação e resistências menores, apresenta menor desempenho

quando comparada às fibras de PVA e vidro neste tipo de ensaio.

Comparação de resultados com 30% de látex

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

V5PP4,5 V5F4 V5VD3 V10PP4 V10F3 V25PP2,5 V25F3 V25VD2

Traços

Resistência (MPa)

Figura 5.4: Comparação dos resultados de resistência à tração para 30% de látex.

5.2.2 Módulo de deformação

O foco principal deste trabalho foi diminuir o módulo de deformação da argamassa e

com isso, torná-la mais deformável e propícia a ser utilizada como elemento de apoio

para os elementos de concreto pré-moldado. Logicamente que somente o aumento na

deformabilidade do material não seria uma boa condição para justificar sua utilização,

mas, nesta fase do estudo, somente esta foi o principal foco de estudo.

Para os resultados de módulo de deformação, foram coletados dados de deslocamento e

força aplicada em corpos-de-prova cilíndricos, sendo estes valores posteriormente

plotados em um gráfico tensão x deformação para os mesmos, possibilitando assim, a

C

a

p

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t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

0

7

obtenção dos valores dos módulos de elasticidade secante e tangente do material

(figuras 5.5 e 5.6).

Curvas Tensão x Deformação

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

0.000% 0.050% 0.100% 0.150% 0.200% 0.250% 0.300% 0.350% 0.400%

Deformação

Tensão (MPa)

V0PP5L30

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

V20PP3L30

V25PP2,5L30

Figura 5.5: Curva tensão x deformação.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Refe

r

ênci

a

V0PP5L30

V

5

PP4,5L

3

0

V1

0

PP4L3

0

V15PP3

,

5L30

V2

0

PP3L3

0

V25PP

2,

5L30

Módulo de Elasticidade (GPa)

Elast. Sec (GPa) Elast. Tan (GPa)

Figura 5.6: Módulo de elasticidade do compósito.

1

0

8

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

Pode-se observar a partir da Figura 5.6, que existe uma tendência de aumento no

módulo de elasticidade do compósito nos traços com uma menor quantidade de

vermiculita e maior de fibra. Os valores dos traços com 15 e 25% de vermiculita se

apresentaram fora do padrão de diminuição apresentado para os outros traços das

argamassas, não existindo uma explicação provável somente de posse dos valores dos

ensaios realizados.

A incorporação de cada um dos materiais de modificação (vermiculita, fibra ou látex)

traz um tipo de mudança nas características finais do compósito. No caso desta

pesquisa, partiu-se destas características que cada um dos elementos em separado traria

para a almofada e, promoveu-se a junção de todos os componentes, buscando-se no

final, o compósito que trouxesse a melhor resposta no conjunto de suas características.

Na Figura 5.7 apresenta-se a comparação entre alguns traços estudados nesta pesquisa e

alguns traços com a mesma quantidade de vermiculita e látex estudado por

MONTEDOR (2004).

Comparação de resultados com 30% de látex

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

V5P

P

4

,5

V5F4

V5V

D

3

V

10

P

P4

V10F3

V

2

5

P

2,

5

V25F3

V25VD2

Traços

Módulo de Elasticidade Tangente (GPa)

Figura 5.7: Comparação de resultados de módulo de elasticidade.

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

0

9

Observando-se a Figura 5.7 pode-se ver que com a fibra de polipropileno nos corpos-de-

prova, os valores do módulo de elasticidade tangente foram maiores que para os corpos-

de-prova na presença de fibras de PVA e vidro. Este fato, isoladamente, não é

conclusivo para poder dizer que a utilização de fibras de polipropileno não seria

recomendável frente às outras fibras, mesmo porque, os módulos de elasticidade desses

traços se apresentaram inferiores aos de uma argamassa convencional de cimento.

Para finalizar o processo de análise, compararam-se os resultados de resistência a

compressão com a resistência à tração do material e também resultados do módulo de

elasticidade, tanto tangente quanto secante, com os valores de resistência, gerando-se as

respectivas relações que estão apresentadas na Tabela 5.3.

Tabela 5.3: Relações entre resistências e módulo de elasticidade.

Traço

f

c

(MPa) f

t

(MPa) E

ci

(GPa) E

cs

(GPa) f

c

/f

t

E

ci

/f

c

E

ci

/f

c

1/2

E

cs

/f

c

1/2

V0F5L30

43,00 2,87 15,4 13,2 14,98 358,37 2350 2008

V5F4,5L30

36,30 2,71 16,1 13,5 13,39 442,42 2666 2242

V10F4L30

34,90 2,66 13,1 11,9 13,12 376,22 2223 2008

V15F3,5L30

29,40 3,15 14,6 12,8 9,33 497,96 2700 2363

V20F3L30

24,40 2,36 10,4 8,90 10,34 424,18 2095 1794

V25F2,5L30

20,20 2,41 11,7 10,4 8,38 577,72 2597 2314

Observando-se os valores da relação de resistências, pode-se visualizar que os valores

apresentam-se entre 8 e 15 vezes, não sendo este o indicativo principal do melhor traço

a ser utilizado.

A relação de E

ci

/f

c

(elasticidade tangente sobre resistência à compressão) foi um

indicativo mais claro do desempenho dos traços do compósito. Para tornar mais clara a

análise, foi utilizada a relação entre E

ci

e E

cs

(elasticidade tangente e secante) sobre f

c

1/2

(resistência à compressão elevada ao quadrado) que pode ser comparada à relação de

valores de módulo de elasticidade secante e tangente sobre a resistência à compressão

prescritos pela NBR-6118/2003 para concretos entre 10 e 50MPa. As relações estão

descritas abaixo:

1

0

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

5600. 5600

ci

ci cj

cj

E

Ef

f

=→=

eq. (5.1)

Sendo:

E

ci

= Módulo de elasticidade tangente;

f

cj

= Resistência à compressão do concreto aos j dias.

Para efeito de projeto, nas verificações em regime elástico da estrutura, tais como,

esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço, deve ser utilizado o

módulo de elasticidade secante. Portanto a relação fica da seguinte forma:

0,85.5600. 4760

ci

cs ck

ck

E

Ef

f

=→= eq. (5.2)

Sendo:

E

cs

= Módulo de elasticidade secante;

f

ck

= Resistência característica do concreto à compressão.

Estas relações estão apresentadas na forma de gráfico na Figura 5.8 comparando-se os

valores dos traços estudados com o concreto, de onde se pode tirar a conclusão que,

como necessita-se de um material com grande capacidade de deformação com a maior

resistência possível, precisamos do menor valor da relação E

c

/f

c

1/2

.

Pela análise dos resultados podemos ver que dois traços concorrem para serem eleitos

os mais adequados a serem utilizados por apresentarem os menores valores de E

c

/f

c

1/2

na

Figura 5.8, o traço V10PP4L30 e o V20PP3L30. Como critério de utilização da

amostra foi então verificado o valor da resistência à compressão, remetendo-se a

utilização do traço V10F4L30. Estes resultados nos mostram a uma tendência de um

traço para ser utilizado na confecção das almofadas, um número maior de estudos se faz

necessário para que se possa promover com maior grau de certeza a eleição do melhor,

dentre os traços estudados, a ser utilizado na confecção das almofadas do compósito.

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

Relação do módulo de elasticidade pela raíz quadrada da

resistência à compressão

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

V0PP

5

L3

0

V5PP4,5L

3

0

V10PP4L

30

V15

P

P3,

5L3

0

V20PP3L30

V25PP2,5L3

0

C

o

ncr

e

to

Traços

Ecs/(fc)^1/2 Eci/(fc)^1/2

Figura 5.8: Relação entre módulos de elasticidade secante e tangente e resistência a compressão.

5.3 Ensaios de força distribuída

5.3.1 Carregamento Monotônico

Este ensaio foi realizado visando-se determinar a rigidez de placa, que nada mais é que

a relação tensão x deformação das almofadas do compósito e mede a capacidade de

deformação elástica do material.

A partir das curvas geradas no ensaio de carregamento monotônico, foi realizada a

análise das amostras das almofadas e os resultados foram devidamente tratados. O

procedimento para o cálculo da rigidez, cuja simbologia adotada neste trabalho foi a

letra R, está apresentado no capítulo 4, no item 4.2. Nesta fase do trabalho foram

ensaiadas placas com dimensões de 150mm x 150mm de base com espessura de 10mm.

A escolha dessa espessura foi motivada pela pesquisa realizada por MONTEDOR

(2004), onde este obteve melhores resultados para alguns ensaios em específico com

10mm de espessura das almofadas.

E

cs

/

(

f

c

)

1/2

E

c

i

/

(

f

c

)

1/2

1

2

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

Na Tabela 5.4 são apresentados os valores de rigidez obtidos para os traços estudados.

Tabela 5.4: Rigidez das placas dos traços estudados.

Traço Rigidezes (MPa)

PL1 PL2

Rigidez Média

(MPa)

V5PP4,5L30 412 365 388

V10PP4L30 338 364 351

V15PP3,5L30 293 376 335

V20PP3L30 209 192 201

V25PP2,5L30 321 257 289

Como pode ser observado na Tabela 5.4, ocorre a diminuição no valor da rigidez com o

aumento da quantidade de vermiculita e diminuição da quantidade de fibra. Esta

tendência também foi observada na pesquisa anterior, mantendo-se nesta pesquisa,

apesar da utilização da fibra de Polipropileno em substituição das fibras de PVA e

Vidro.

Para facilitar a visualização dos resultados, os valores de rigidez foram plotados em um

gráfico que está apresentado na Figura 5.9.

Como se pode observar, os valores de rigidez das placas apresentaram-se bem menores

que os valores do módulo de elasticidade dos corpos-de-prova, denotando-se que estas

possuem uma maior capacidade de deformação e, conseqüente, melhor transmissão das

tensões na região das ligações entre os elementos pré-moldados de concreto. Na Tabela

5.5 e na Figura 5.10 são apresentados os valores da relação entre os valores do módulo

de elasticidade dos corpos-de-prova com a rigidez das almofadas.

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

1

3

V

5PP4,5L30

V

10PP4L30

V

15PP3,5L30

V

20PP3L30

V

25PP2,5L30

Rigidez (MPa)

388 351 335 201 289

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rigidez (MPa)

Traços

Rigidez

Figura 5.9: Rigidez das placas.

Tabela 5.5: Relações entre módulo de elasticidade e rigidez.

Traço

E

ci

(GPa) E

cs

(GPa)

R (MPa)

E

ci

/R E

cs

/R

V5PP4,5L30

16,1 13,5 388 41,4 34,8

V10PP4L30

13,1 11,9 351 37,4 33,8

V15PP3,5L30

14,6 12,8 335 43,7 38,2

V20PP3L30

10,4 8,90 201 51,5 44,1

V25PP2,5L30

11,7 10,4 289 40,4 36,0

1

4

C

a

p

í

t

u

l

o

5

–

A

n

á

l

i

s

e

d

e

R

e

s

u

l

t

a

d

o

s

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

V5PP4,5L30 V10PP4L30 V15PP3,5L30 V20PP3L30 V25PP2,5L30

Traços

Relação Ec/R

Eci/R

Ecs/R

Figura 5.10: Relação entre Módulo de deformação e rigidez das placas.

Com base nestes resultados pode-se verificar uma diminuição da ordem de 35 vezes

para o módulo de elasticidade em relação a rigidez das almofadas do compósito.

Percebe-se que as almofadas produzidas com o compósito possuem uma capacidade de

deformação grande, se comparada aos corpos-de-prova do mesmo compósito e de

concreto.

Para poder mostrar a capacidade de deformação dessas almofadas serão apresentados os

resultados da rigidez do compósito com a rigidez de almofadas de neoprene e almofadas

estudadas de argamassa com o mesmo teor de vermiculita e látex, mas com fibras

diferentes, ensaiadas por MONTEDOR (2004), com os mesmos 150mm de lado com

10mm de espessura (Figura. 5.11).

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5

Comparação de Rigidez

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

V5PP4,5L30

V5F4L30

V5VD

3L

30

V10PP4L30

V10F3L3

V25P

P

2,5L30

V25F2L30

V25VD2L30

Policlo

r

oprene

Materiais

Rigidez (MPa)

Figura 5.11: Comparação das rigidezes de almofadas do compósito e almofada de neoprene.

Observando-se a Figura 5.11 pode-se verificar que a rigidez das almofadas apresentam-

se da ordem de 3 a 6 vezes maiores que a rigidez do neoprene e com valores menores

que apresentados para argamassas comuns de cimento. A rigidez das almofadas com os

diferentes tipos de fibras se apresentam-se com valores próximos, podendo-se efetuar a

troca da fibra de PVA e vidro por fibra de polipropileno, que possui custo menor, na

produção das almofadas.

5.3.2 Carregamento cíclico

A partir da verificação dos baixos valores apresentados de rigidez das almofadas do

compósito e, já se tendo ciência da potencialidade da aplicação do material como

elemento de apoio, partiu-se para a análise da evolução da rigidez das placas com a

aplicação de ciclos de carga e descarga nas almofadas.

Esta situação seria algo mais próximo da situação de atuação do compósito na prática,

pois, este estaria sendo utilizado em situações de serviço onde os carregamentos não

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s

necessariamente estariam presentes o tempo todo, mas sim, se apresentariam com certa

variabilidade e repetições cíclicas.

Para tanto, pensou-se em aplicar nas almofadas do compósito, tensões de contato com

valores que pudessem representar uma gama de situações as quais o compósito estaria

sendo submetido. Na Tabela 5.6 estão apresentados os traços ensaiados bem como as

tensões utilizadas e o número de ciclos de carga a que estes foram submetidos para

verificação da evolução da rigidez.

Tabela 5.6: Traços estudados nos ensaios de carregamento cíclicos.

TRAÇOS

Tensão (MPa)

V5PP4,5L30 V10PP4L30 V15PP3,4L30

2,0

5,0

10,0

20,0

50 ciclos 50 ciclos 50 ciclos 1

a

fase

2,0

5,0

10,0

20,0

300 ciclos 300 ciclos 300 ciclos 2

a

fase

Os ensaios foram realizados em placas de 150mm x 150mm e espessura de 10mm e

foram divididos em duas fases. Na primeira fase dos estudos, para cada tensão de

contato calculada e apresentada na Tabela 5.6, foram aplicados 50 ciclos de

carregamento, totalizando 200 ciclos para cada almofada do compósito. Na segunda

fase, o número de ciclos para cada pressão foi aumentado de 50 para 300, totalizando

1200 ciclos para cada almofada.

A seguir, nas figuras 5.12, 5.13 e 5.14, serão apresentados os gráficos obtidos para cada

um dos traços da Tabela 5.6 na primeira fase do estudo. Foram ensaiadas 2 almofadas

para cada um dos traços nessa primeira fase de estudos. Nas figuras serão ressaltados os

primeiros e os últimos ciclos de carga para cada uma das pressões em cada almofada.

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V5PP4,5L30 - 200 ciclos e=10mm

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

pl1 50kN

pl1 112kN

pl1 225kN

pl1 450kN

pl2 50kN

pl2 112kN

pl2 250kN

pl2 450kN

Figura 5.12: Almofadas do traço V5PP4,5L30 com 200 ciclos de carregamento.

V10PP4L30 - 200 ciclos e=10mm

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

pl1 0-200kN

pl1 450kN

pl2 50kN

pl2 112kN

pl2 225kN

pl2 450kN

Figura 5.13: Almofadas do traço V10PP4L30 com 200 ciclos de carregamento.

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V15PP3,5L30 - 200 ciclos e=10mm

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

pl1 50kN

pl1 112kN

pl1 225kN

pl1 450kN

pl2 50kN

pl2 112kN

pl2 250kN

pl2 450kN

Figura 5.14: Almofadas do traço V15PP3,5L30 com 200 ciclos de carregamento.

Observando-se as figuras, pode-se visualizar o padrão de evolução da rigidez das

almofadas, sendo que, a não ser por uma deformação plástica devido ao carregamento, a

cada ciclo de carga o comportamento das deformações se mantém em um padrão

constante, não sofrendo grandes variações. Nos traços das figuras 5.12 e 5.13 observa-se

uma deformação inicial maior que o traço da Figura 5.14. Isto se deve a um problema

no ajuste inicial da máquina de ensaios no momento do início do carregamento, onde

esta almofada passou por um ciclo de carregamento de 50kN. Após esse ciclo,

observou-se que os valores não haviam sido calibrados e zerados antes do início da

aquisição dos dados do ensaio, provocando a interrupção deste primeiro ciclo de

carregamento e iniciando o ensaio novamente. Isto provocou uma acomodação inicial

na superfície da almofada que justifica essa menor deformação no momento do reinício

do ensaio.

O que se pode obter como positivo dessa interrupção do ensaio foi que, mesmo após um

ciclo de acomodação das irregularidades da superfície da almofada pelo carregamento, a

rigidez apresentou um padrão coerente e conciso durante a evolução dos ciclos de carga.

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Os valores em vermelho são do último ciclo de carga para cada almofada, podendo-se

visualizar que as rigidezes estão dentro de uma região na qual não ocorre evolução dos

afundamentos nas almofadas. A partir de certa acomodação inicial, os ciclos de carga e

descarga se apresentam comportados, sem evolução da deterioração da rigidez da

almofada, denotando a capacidade resiliente do material.

As almofadas utilizadas, após o ensaio, não apresentaram problemas quanto a coesão e

estabilidade, evidenciando somente o esmagamento das imperfeições superficiais

provenientes do seu processo de moldagem (Figura 5.15) e algumas pequenas fissuras

nas faces de borda das almofadas.

(a)

(b)

Figura 5.15: (a) Almofadas do traço V10PP4L30 antes do ensaio (b) almofada do traço V10PP4L30

após o ensaio.

Após a realização dessa primeira fase de estudos, surgiu a necessidade de promover um

número maior de ciclos para verificar se a tendência da evolução das rigidezes se

manteria com o mesmo padrão apresentado. Por isso realizou-se ensaios almofadas do

compósito com 1200 ciclos de carregamento, 300 para cada pressão de contato, mas

agora em somente uma amostra de almofada do compósito.

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Foram coletados muitos dados para cada traço, tornando a visualização dos resultados

mais confusa ainda do que na primeira fase de estudos, então na apresentação destes

resultados resolveu-se apresentar somente os valores do ciclo inicial das cargas, um

ciclo intermediário e o ciclo final para cada pressão. Nas figuras 5.16, 5.17 e 5.18 são

apresentados os gráficos de cada almofada.

V5PP4,5L30 - 1200 ciclos e=10mm

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 5.16: Almofada do traço V5PP4,5L30 com 1200 ciclos de carregamento.

Os resultados apresentaram-se consistentes assim como na primeira fase do estudo,

sendo que, a rigidez manteve com a mesma tendência de estabilização em torno de um

valor após a fase de acomodação das deformações superficiais da almofada. Em

vermelho nos gráficos estão apresentados os últimos ciclos de cada pressão de contato.

Observa-se que, o último ciclo de carregamento se apresenta em uma situação

intermediária em cada etapa de carga, evidenciando que após a acomodação das

deformações a rigidez tende a um ponto de equilíbrio não sofrendo maiores

modificações.

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V10PP4L30 - 1200 ciclos e=10mm

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 5.17: Almofada do traço V10PP4L30 com 1200 ciclos de carregamento.

V15PP3,5L30 - 1200 ciclos

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

ciclos 50kN

ciclo 112kN

ciclo 225kN

ciclo 450kN

Figura 5.18:– Almofada do traço V15PP3,5L30 com 1200 ciclos de carregamento.

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Após os ensaios as almofadas mostraram-se com a mesma consistência da primeira fase

do estudo, não apresentando problemas visíveis na sua estrutura, estando estas íntegras e

somente com deformações discretas em sua superfície, assim como as outras almofadas.

Para o traço V15F3,5L30 ocorreu um problema na aquisição dos dados, por isso o

ensaio teve de ser reiniciado, promovendo a acomodação inicial da superfície da

almofada e puxando todos os valores do gráfico para deformações menores, como pode

ser observado na Figura 5.18.

Deve-se ressaltar neste momento que os ensaios foram concentrados nas almofadas do

traço com 10% de vermiculita e nos traços imediatamente próximos ao mesmo, com 5 e

15% de vermiculita, respectivamente. Adotaram-se somente estes traços de posse dos

resultados das rigidezes por meio das almofadas do ensaio de carregamento

monotônico.

Foram colocados em um mesmo gráfico os ciclos inicial, intermediário e final para duas

almofadas do material, para se poder ter noção do comportamento da almofada com a

evolução dos carregamentos, sendo uma delas submetida ao regime de 50 ciclos e a

outra submetida a 300 ciclos para cada tensão de contato (Figura 5.19).

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V10PP4L30 - ciclos conjuntos

-500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

Deslocamento (mm)

Força (kN)

50kN 50 ciclos

112kN 50 ciclos

225kN 50 ciclos

450kN 50 ciclos

50 kN 300 ciclos

112 kN 300 ciclos

225kN 300 ciclos

450kN 300 ciclos

Figura 5.19: Comparação entre 50 e 200 ciclos de carga para o traço V10PP4L30.

A conclusão que se pode tirar pela análise do gráfico foi que a almofada do compósito

submetida aos 1200 ciclos de carregamento, sofreu uma acomodação maior e por isso se

apresentou com deformações menores durante a evolução do carregamento. É

importante notar que no início do carregamento as duas almofadas possuem

deformações muito próximas, sendo que a evolução do carregamento provoca uma

maior acomodação para a almofada submetida a um número maior de ciclos de

carregamento.

Na Tabela 5.7 são mostrados valores das deformações, para um mesmo nível de

carregamento, com almofadas submetidas a carregamento monotônico, carregamento

cíclico com 50 e 300 ciclos, para o traço V10PP4L30. Na Tabela 5.8 são apresentados

os valores da rigidez para o último ciclo de carga de cada tipo de ensaio em comparação

com a rigidez do ensaio de carregamento monotônico.

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Tabela 5.7: Comparação de valores de afundamentos para diferentes carregamentos.

Afundamento (mm)

Tipo de Carregamento

50 kN 112 kN 225 kN 450 kN

Monotônico

0.59 0.80 1.16 1.54

50 Ciclos

0.80 1.16 1.47 1.83

300 Ciclos

0.82 1.10 1.34 1.71

Tabela 5.8: Comparação de valores de rigidezes para diferentes carregamentos.

Rigidez (MPa)

Traços

200 ciclos 1200 ciclos Monotônico

V5PP4,5L30

420 370 388

V10PP4L30

363 374 351

V15PP3,5L30

373 380 335

Pela Tabela 5.7 fica claro que o afundamento sofre uma acomodação maior para os

carregamentos submetidos a um maior número de ciclos, sofrendo uma diminuição nos

seus valores. Comparando-se os valores dos afundamentos sofridos com carregamento

monotônico em relação ao cíclico, observa-se uma diferença nestes afundamentos, o

que mostra que a rigidez dos carregamentos cíclicos é sofre uma alteração. Sendo que,

essa variação no seu valor deve-se as deformações residuais que qualquer material com

comportamento não elástico apresenta quando submetido a esse tipo de ensaio.

Analisando a Tabela 5.8 vemos que a rigidez não sofre grandes variações mesmo após a

aplicação de um grande número de repetições de carga, mostrando assim, que o material

possui capacidade resiliente.

A acomodação da rigidez após um determinado número de ciclos de carga mostra que a

almofada está respondendo de maneira adequada ao seu propósito, pois, para a

utilização a que se destina o material, essa capacidade resiliente é imprescindível.

Acredita-se que essa propriedade fica conferida ao material devido à grande quantidade

de fibra incorporada, que acaba atuando como elemento de costura das fissuras

impedindo o seu aparecimento ou sua propagação, mantendo o material íntegro.

Com relação a esse aspecto, uma característica a ser ressaltada é que, apesar de a fibra

utilizada nesta pesquisa ser de polipropileno, com baixo módulo de deformação, esta

possui módulo de deformação maior que a rigidez das almofadas, comprovando que

estas, atuam no sentido de combater o início da fissuração. Não atuando somente no

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estado pós-fissurado da argamassa, como se encontra na literatura em estudos sobre as

fibras com baixo módulo de deformação.

5.4 Ensaios de força concentrada

Dando seqüência aos testes, foram realizados os ensaios de carga localizada, que como

explicado no cap. 4, consistiram na aplicação de cargas pontuais em tiras de almofadas

do compósito visando obter uma medida da capacidade de afundamento destas e através

dos resultados conseguir uma medida da melhor quantidade de vermiculita a ser

incorporada ao compósito.

Para este tipo de ensaio, foram realizados testes em todos os traços desenvolvidos do

compósito durante a pesquisa e também foram moldadas placas para um traço sem a

presença de vermiculita visando-se comprovar que a introdução desta na argamassa

realmente proporciona uma maior deformabilidade do material. Na Tabela 5.9 são

apresentados esses traços, lembrando que para cada traço foram ensaiadas 10 tiras de

almofada, dos quais foi realizada uma análise visual das amostras com o mesmo tipo de

comportamento e assim, o comportamento médio para o material foi assumido como

sendo o valor destas amostras.

Tabela 5.9: Traços estudados no ensaio de carga localizada.

Traço Descrição

V0PP5L30 0% de vermiculita e 5% de fibra

V5PP4,5L30 5% de vermiculita e 4,5% de fibra

V10PP4L30 10% de vermiculita e 4% de fibra

V15PP3,5L30 15% de vermiculita e 3,5% de fibra

V20PP3L30 20% de vermiculita e 3% de fibra

V25PP2,5L30 25% de vermiculita e 2,5% de fibra

Neste ensaio, tentou-se traduzir uma tendência para as curvas de afundamento das

amostras do material, por meio de carregamento sempre com controle dos

deslocamentos da máquina de ensaio. Como se tratam de várias tiras de almofadas, a

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variabilidade dos resultados é relativamente grande, necessitando de uma análise

criteriosa no momento de verificação da tendência dos afundamentos sofridos por cada

traço. Nas figuras 5.20 e 5.21 são apresentados os conjuntos de curvas para o traço

V10PP4L30.

Afundamento V5F4,5L30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Afundamento (mm)

Força (kN)

CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

CP6

CP7

CP8

CP9

CP10

Figura 5.20: Curvas das 10 amostras do ensaio de carga localizada para o traço V5PP4,5L30.

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Afundamento V5F4,5L30

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40

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60

70

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Afundamento (mm)

Força (kN)

CP3

CP4

CP5

CP7

CP8

CP9

CP10

Média

Figura 5.21: Curva média das amostras do ensaio de carga localizada para o traço V5PP4,5L30.

Como se pode se observar pelas figuras, o tratamento foi feito pela tendência de

acomodação dos pontos próximos a um valor de afundamento. As curvas com

comportamento muito diferente do apresentado pela maioria das amostras foram

eliminadas da análise. A partir da retirada de algumas curvas, que se mostraram muito

dispersas, traçou-se uma curva média para as amostras de cada traço. A mesma análise

feita para uma amostra foi realizada para as demais, portanto, não serão apresentados os

valores de cada traço em separado, sendo apresentadas as curvas médias de cada traço.

Com esse valor médio das curvas de força aplicada por afundamento sofrido, foram

plotados os valores de todos os traços em um mesmo gráfico, de maneira a facilitar a

visualização do comportamento de todos esses traços estudados. A Figura 5.22 traz os

gráficos da média dos afundamentos para todas as amostras dos traços estudados.

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Afundamento Médio

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20

30

40

50

60

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Afundamento (mm)

Força (kN)

V0PP5L30

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

V20PP3L30

V25PP2,5L30

Figura 5.22: Curvas médias das amostras dos ensaios de carga localizada.

No início do carregamento, pode-se observar um comportamento bem definido do

material, em que, quanto menor a quantidade de vermiculita empregada na amostra

existe um aumento da rigidez das almofadas, evidenciando o aumento da

deformabilidade do compósito com a adição da vermiculita. Com a evolução do

carregamento esse comportamento começa a desaparecer, porque ocorre o esmagamento

da almofada e as fibras começam a atuar no sentido de manter a coesão da tira da

almofada, como pode ser observado na Figura 5.23.

Quando o carregamento começa a esmagar a tira da almofada e começa a fissuração na

região localizada abaixo dos pontos de aplicação das forças, a inclinação da curva sofre

uma pequena alteração. Sendo esta menos pronunciada nos traços com o aumento da

quantidade de vermiculita ou mais pronunciada como no caso do traço sem vermiculita,

onde existe uma mudança brusca na inclinação da curva, como pode ser observado na

Figura 5.22.

Na região central das tiras da almofada, entre os pontos de aplicação de carga, ocorre

um confinamento da peça, gerando tensões de tração nessa região e provocando a

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ruptura dessa região da tira por tensão de tração, este fenômeno pode ser observado na

Figura 5.24.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.23: Evolução do carregamento nas tiras do compósito.

1

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s

(a)

(b)

Figura 5.24: Ruptura das tiras da almofada por tração.

Na tentativa de gerar valores que sejam palpáveis no que diz respeito à medida da

melhor quantidade de vermiculita a ser incorporada ao compósito, teve-se a idéia de

utilizar o produto entre a força aplicada e o afundamento máximo sofridos pela tira de

almofada, ou seja, o trabalho plástico da amostra. Esse é um valor que tenta quantificar

a melhor quantidade de vermiculita a ser incorporada no compósito, comparando-se

todos os traços estudados. Portanto, na Figura 5.25, são apresentados os valores desse

fator.

A Figura 5.25 nos mostra que o traço com 10% de vermiculita se mostrou com o maior

valor para o produto entre a força e o afundamento, evidenciando sua maior habilidade

em suportar maiores níveis de carregamento localizado sem sofrer ruptura ou danos

irreversíveis às almofadas provenientes da utilização deste traço. O que se pode

verificar analisando-se as figuras 5.22 e 5.25 é que as almofadas com pequena

quantidade de vermiculita e muita fibra possuem uma maior resistência inicial,

rompendo-se com valores de afundamentos menores. As tiras com porcentagens altas de

vermiculita incorporada são mais deformáveis, porém admitem cargas bem inferiores.

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1

V0PP5L30 V5PP4,5L30 V10PP4,0L30 V15PP3,5L30 V20PP3,0L30 V25PP2,5L30

Afund. x Força

229 245 260 175 181 172

0

50

100

150

200

250

300

Afund. x Força (kN.mm)

Traços

Afundamento x Força Aplicada

Figura 5.25: Gráfico do produto afundamento x força.

Cabe aqui ressaltar que os afundamentos verificados nas tiras não correspondem aos

seus valores reais, somam-se a esses as folgas da máquina e dos equipamentos

necessários ao ensaio, por isso, os valores obtidos podem ser adotados como valores de

verificação, que tendem a mostrar um comportamento melhor para o traço V10PP4L30.

Não podendo este sozinho ser fator preponderante na escolha do melhor traço para a

confecção das almofadas, mas sim um parâmetro que em conjunto com todos os outros

estudos indique a melhor opção.

5.5 Ensaios de ligação de blocos

Após a realização dos ensaios anteriores e de posse dos resultados que indicavam o

traço V10F4L30 como sendo o mais indicado a ser utilizado na confecção das

almofadas para elemento de apoio, partiu-se para a efetiva verificação da capacidade de

atuação do compósito. Para tanto, foram realizados os ensaios de ligação de blocos, que

simulam uma ligação do tipo pilar-pilar para elementos pré-moldados, podendo-se

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assim, visualizar a capacidade de transmissão das tensões e a acomodação das

imperfeições inerentes a região da interface entre elementos.

Como explicado no capítulo 4, os ensaios foram divididos em duas etapas, aqui

denominadas de séries de ensaios somente para facilitar a análise e visualização dos

resultados. Inicialmente os resultados serão apresentados separadamente para cada série

e no final será desenvolvida uma discussão de todos os resultados em conjunto.

1ª Série:

A primeira série de ensaios consistiu na utilização de blocos prismáticos de 15cm de

base com altura de 30cm e, cubos de 15cm de lado que foram superpostos para o ensaio.

Na Tabela 5.10 são apresentados os resultados desse ensaio.

Tabela 5.10: Resistências dos blocos da 1ª série de ensaios.

Prismas Cilindros (*)

Dimensões (cm) Resistência (MPa) Descrição Resistência (MPa)

15x15x30 38,7

Sem emenda

58,0

15x15x15 33,4

Liso com almofada

56,5

15x15x15 32,7

Liso sem almofada

52,0

(*) Diâmetro de 100mm e altura de 200mm.

Pela Tabela 5.10, pode-se ver que a presença da almofada nos blocos com emenda já

proporcionaram uma pequena melhora na acomodação das tensões e imperfeições da

região das ligações, promovendo uma correta transmissão dos esforços, melhorando um

pouco a resistência dos blocos. É importante notar que a resistência do concreto do

ensaio dos blocos lisos e com almofada se apresentou um pouco menor do que os outros

elementos da série, como mostram os valores dos corpos-de-prova cilíndricos, moldados

para o controle do concreto. Portanto, a ligação dos blocos lisos com almofada se

apresentou com melhor desempenho do que a ligação dos blocos lisos sem almofada.

Na Figura 5.26 os valores das resistências dos prismas são apresentados na forma de

gráfico para facilitar sua visualização.

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Primeira Série de Blocos

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

s/ emenda liso c/ almofada liso s/ almofada

Blocos

Resistência (MPa)

Figura 5.26: Blocos da primeira série de ensaios.

2ª Série:

Na segunda série de ensaios foram introduzidas rugosidades na face de contato do

corpo-de-prova que ficaria sobreposto no momento do ensaio, sendo que sobre o bloco

que serviria de base continha em sua extremidade almofada ou o contato era do tipo

junta seca. Na Tabela 5.11 são apresentados os resultados para os ensaios com as

rugosidades estudadas.

Tabela 5.11: Resistências dos blocos da 2ª série de ensaios.

Prismas Cilindros (*)

Dimensões (cm) Resistência (MPa) Descrição Resistência (MPa)

32,7

Rugosidade 0,75mm com almofada

55,5

15x15x15

20,3

Rugosidade 0,75mm sem almofada

58,0

25,9

Rugosidade 1,00mm com almofada

38,0

15x15x15

18,1

Rugosidade 1,00mm sem almofada

53,0

23,0

Rugosidade 1,50mm com almofada

61,0

15x15x15

20,6

Rugosidade 1,50mm sem almofada

56,5

(*) Diâmetro de 100mm e altura de 200mm.

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Pelos dados da Tabela 5.11 pode-se visualizar que a presença da almofada apresentou

uma melhora significativa nas resistências dos blocos. Com o aumento das rugosidades,

os valores das resistências sofreram significativas reduções, mas sempre com valores

maiores na presença da almofada, evidenciando que o comportamento da ligação tem

seu desempenho melhorado nessa situação. A Figura 5.27 mostra os valores na forma de

gráfico.

Segunda Série de Blocos

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

Rug. 0,75mm Rug. 1,00mm Rug. 1,5mm

Resistência (MPa)

com almofada sem almofada

Figura 5.27: Blocos da segunda série de ensaios.

Para os blocos com rugosidade de 1,0mm, pode-se notar que existe uma grande

diferença na resistência do concreto para os blocos com e sem almofadas, que pode ser

visualizada nos corpos-de-prova cilíndricos. Este fato deve ter ocorrido pela mudança

no lote do cimento utilizado entre as concretagens dos elementos da série com e sem as

almofadas, que foram realizadas em datas diferentes e, porque as resistências para todos

os outros traços que foram ensaiados se apresentaram com um padrão mais próximo de

resistência. O fator positivo que se pode analisar através disso é que mesmo com um

concreto menos resistente do que para o mesmo ensaio sem a presença da almofada, os

resultados dos blocos com a almofada, se apresentaram com resistência maior,

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mostrando a atuação da almofada no sentido de uma melhor distribuição das tensões na

região da ligação.

Finalizando a análise desse ensaio, todos os resultados foram colocados em um mesmo

gráfico, podendo-se promover as comparações entre todos os blocos ensaiados e,

podendo-se também visualizar a evolução das suas respectivas resistências(Figura.

5.28).

Blocos

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

Rug. 1,5mm Rug. 1,00mm Rug. 0,75mm Liso S/ emenda

Resistência (MPa)

com almofada sem almofada

Figura 5.28: Conjunto dos ensaios de ligação de blocos.

A Figura 5.28 traduz e evidencia toda a evolução do comportamento das ligações entre

blocos com e sem presença de almofadas e rugosidades variadas.

O padrão de ruptura apresentado para os blocos está apresentado nas figuras 5.29 e 5.30.

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s

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.29: Ruptura dos blocos lisos.

Para os blocos lisos, o padrão de ruptura observado foi o de fissuras que se

concentravam mais na região central dos blocos, se propagando de uma face à outra de

cada bloco, mostrando-se com o mesmo comportamento para um mesmo par de blocos

superpostos, na presença ou não das almofadas. Já no caso dos blocos rugosos, as

fissuras se propagavam mais próximas às extremidades destes, tendendo ao

arrancamento de suas arestas devido a localização das tensões provocadas pelas

rugosidades, como pode ser observada na Figura 5.30. As fissuras se propagavam para

os dois blocos estudados, sendo que a almofada apresentava fissuras na mesma posição

das fissuras que se propagavam pelos blocos.

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(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5.30: Ruptura dos blocos rugosos.

5.6 Ensaios de rotação

Para completar a série de verificações acerca do comportamento das almofadas, esta

série de ensaios de rotação foi desenvolvida para se tentar determinar a capacidade de

rotação que efetivamente se poderia aplicar sobre o material sem que esse sofresse

danos irreversíveis e perdesse a capacidade de atuação como elemento de apoio.

Nesta pesquisa, como mostrado no capítulo 4, a capacidade de rotação das almofadas

foi verificada aplicando-se uma carga excêntrica sobre uma chapa metálica,

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ocasionando sua rotação. Essa rotação da chapa metálica foi transmitida efetivamente às

almofadas do compósito.

Para a correta verificação dos resultados, está apresentada na Figura 5.31 uma planta de

posicionamento dos relógios bem como a nomenclatura do posicionamento da chapa

metálica.

Figura 5.31: Planta de posicionamento dos relógios do ensaio de rotação.

Neste ensaio foram moldadas almofadas de três traços do material, sendo estas de duas

espessuras diferentes, 10mm e 20mm. Os traços estudados foram o V5PP4,5L30,

V10PP4L30 e o V15PP3,5L30, com 150mm x 150mm de base. Estes traços foram

escolhidos devido ao melhor desempenho apresentado nos resultados anteriores com

valores de incorporação de vermiculita em torno de 10%.

Os dados experimentais provenientes dos ensaios foram colocados em gráficos e serão

apresentados a seguir. A apresentação dos resultados será feita por traço e espessura da

almofada. Pode-se verificar que o trecho de carregamento dos gráficos apresenta valores

menores de deslocamento. Ao final do carregamento e início do descarregamento das

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almofadas, estas apresentam uma acomodação lenta e com valores de deslocamentos

crescentes até determinados níveis de carga. Isso se deve a lentidão da volta do pistão

do macaco hidráulico no processo de descarregamento das almofadas. Após um valor de

tensão, os valores de deslocamento dos relógios voltam a descer normalmente se

aproximando de zero, como pode ser observado nos gráficos.

V5PP4,5L30:

1) Almofada com espessura de 10mm e excentricidade de 6,0cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.32 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 10mm.

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100

200

300

400

500

600

700

800

900

-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,502,00

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamento Médio V5PP4,5L30 e=10mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 2 e 6

Desloc. Médio: Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.32: Deslocamento médio para o traço V5PP4,5L30 e=10mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.33 e 5.34 são apresentados os resultados das

rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 10mm.

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-0,03-0,03-0,02-0,02-0,01-0,010,00

Força (tkN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V5PP4,5L30 e=10mm

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.33: Rotações nos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=10mm.

0

100

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300

400

500

600

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900

-0,03-0,03-0,02-0,02-0,01-0,010,00

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V5PP4,5L30 e=10mm

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.34: Rotações médias dos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=10mm.

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2) Almofada com espessura de 20mm e excentricidade de 5,5cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.35 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 20mm.

0

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200

300

400

500

600

700

800

900

-2,50-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,50

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamento Médio V5PP4,5L30 e=20mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 3 e 6

Desloc. Médio: Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.35: Deslocamento médio para o traço V5PP4,5L30 e=20mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.36 e 5.37 são apresentados os resultados das

rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 20mm.

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-0,03-0,03-0,02-0,02-0,01-0,010,000,010,01

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V5PP4,5L30 e=20mm

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.36: Rotações nos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=20mm.

0

100

200

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500

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-0,028-0,023-0,018-0,013-0,008-0,0030,002

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V5PP4,5L30 e=20mm

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.37: Rotações médias dos apoios para o traço V5PP4,5L30 e=20mm.

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V10PP4L30:

1) Almofada com espessura de 10mm e excentricidade de 6,0cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.38 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 10mm.

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-2,500-2,000-1,500-1,000-0,5000,0000,5001,000

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamento Médio V10PP4L30 e=10mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 2 e 6

Desloc. Médio:Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.38: Deslocamento médio para o traço V10PP4L30 e=10mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.39 e 5.40 são apresentados os resultados das

rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 10mm.

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4

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-0,025-0,020-0,015-0,010-0,0050,0000,005

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V10PP4L30 e=10mm

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.39: Rotações nos apoios para o traço V10PP4L30 e=10mm.

0

100

200

300

400

500

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-0,023-0,018-0,013-0,008-0,0030,002

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V10PP4L30 e=10mm

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.40: Rotações médias dos apoios para o traço V10PP4L30 e=10mm.

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2) Almofada com espessura de 20mm e excentricidade de 5,5cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.41 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 20mm.

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-4,000-3,500-3,000-2,500-2,000-1,500-1,000-0,5000,0000,5001,000

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamentos Médios V10PP4L30 e=20mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 2 e 6

Desloc. Médio: Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.41: Deslocamento médio para o traço V10PP4L30 e=20mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.42 e 5. 43 são apresentados os resultados

das rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 20mm.

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-0,035-0,030-0,025-0,020-0,015-0,010-0,0050,0000,005

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V10PP4L30 e=20mm

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.42: Rotações nos apoios para o traço V10PP4L30 e=20mm.

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100

200

300

400

500

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700

800

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1000

-0,038-0,033-0,028-0,023-0,018-0,013-0,008-0,0030,002

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V10PP4L30 e=20mm

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.43: Rotações médias dos apoios para o traço V10PP4L30 e=20mm.

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V15PP3,5L30:

1) Almofada com espessura de 10mm e excentricidade de 6,0cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.44 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 10mm.

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-2,500-2,000-1,500-1,000-0,5000,0000,5001,0001,5002,000

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamento Médio V15PP3,5L30 e=10mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 2 e 6

Desloc. Médio: Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.44: Deslocamento médio para o traço V15PP3,5L30 e=10mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.45 e 5.46 são apresentados os resultados das

rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 10mm.

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-0,030-0,025-0,020-0,015-0,010-0,0050,000

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V15PP3,5L30

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.45: Rotações nos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=10mm.

0

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1000

-0,028-0,023-0,018-0,013-0,008-0,0030,002

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V15PP3,5L30

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.46: Rotações médias dos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=10mm.

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2) Almofada com espessura de 20mm e excentricidade de 5,5cm:

9 Deslocamento nos Apoios: A Figura 5.47 traz os deslocamentos médios nos

apoios para almofadas com espessura de 20mm.

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-4,000-3,000-2,000-1,0000,0001,0002,0003,0004,000

Força (kN)

Deslocamento (mm)

Deslocamento Médio V15PP3,5L30 e=20mm

Desloc. Médio: Relógios 1 e 5

Desloc. Médio: Relógios 2 e 6

Desloc. Médio: Relógios 4 e 8

Desloc. Médio: Relógios 3 e 7

Figura 5.47: Deslocamento médio para o traço V15PP3,5L30 e=20mm.

9 Rotações nos Apoios: Nas figuras 5.48 e 5.49 são apresentados os resultados das

rotações nos apoios para as almofadas com espessura de 20mm.

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-0,060-0,050-0,040-0,030-0,020-0,0100,000

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações nos Apoios V15PP3,5L30 e=20mm

Apoio Direito Interno

Apoio Esquerdo Interno

Apoio Direito Externo

Apoio Esquerdo Externo

Figura 5.48: Rotações nos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=20mm.

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500

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-0,058-0,048-0,038-0,028-0,018-0,0080,002

Força (kN)

Rotação (rad)

Rotações Médias dos Apoios V15PP3,5L30 e=20mm

Rotação Média Apoio Direito

Rotação Média Apoio Esquerdo

Figura 5.49: Rotações médias dos apoios para o traço V15PP3,5L30 e=20mm.

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1

Pela análise dos deslocamentos e giros apresentados por cada traço e espessura de

almofadas, pode-se concluir que as almofadas com 20mm de espessura apresentaram

grande capacidade de giro, mas também valores menos uniformes para os

deslocamentos e rotações sofridas e, apresentando sempre descolamento da superfície

externa da chapa em relação à almofada. Isto pode ser visualizado na Figura 5.47, onde

os deslocamentos sofridos nas porções do apoio se repetem tanto para os relógios

posicionados mais ao meio da placa como para os relógios mais externos, que não

poderiam apresentar deslocamentos com sinais positivos. Acredita-se que esta inversão

pronunciada nestes valores advém da espessura elevada da almofada, na qual o

carregamento excêntrico acaba provocando um maior afundamento na porção mais

interna do apoio, provocando concentração de tensões nessa região. Isso acarreta um

giro maior na porção mais externa do apoio com descolamento desta face da chapa em

relação à almofada, como mostra a Figura 5.50.

Figura 5.50: Descolamento entre a chapa metálica e almofada de 20mm.

Ocorre também, para as almofadas de 20mm de espessura, um padrão de fissuração

elevado, decorrente da concentração de tensões em determinadas porções destas. Este

fato é prejudicial para o desempenho em situações de uso do compósito, não sendo

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s

recomendável sua ocorrência. Este padrão de fissuração está apresentado na Figura

5.51.

Figura 5.51: Fissuras após ensaio de rotação em almofada de 20mm.

Para as almofadas de 10mm de espessura, obtiveram-se resultados com um padrão

melhor de desempenho. Os giros máximos foram calculados aceitando-se valores

positivos de até 0,5mm de deslocamento dos relógios de extremidade. Estes valores

geraram descolamentos quase imperceptíveis, com pequena concentração de tensão na

almofada, não sendo prejudiciais ao seu desempenho.

No traço com 5% de vermiculita, sua maior rigidez e menor deformabilidade

provocaram um descolamento da extremidade da chapa metálica em relação à almofada,

como pode ser visualizado pelos deslocamentos apresentados na Figura 5.32. Esse

descolamento foi responsável pelos valores elevados de capacidade de rotação para esse

traço. No apoio onde o descolamento foi menor, a capacidade de giro apresentada

também foi bem menor. Em situações normais, o valor adotado para a capacidade de

giro deste traço seria de 0,01 rad, apresentado pela Figura 5.34 no apoio direito.

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Para o traço com 10% de vermiculita, pode-se visualizar um padrão mais homogêneo

dos deslocamentos, existindo um descolamento da chapa em relação à almofada, mas

este se pronuncia na fase de descarregamento da chapa metálica (Figura 5.38). As

figuras 5.39 e 5.40 mostram que os valores máximos de rotação suportados por esse

traço se apresentam da ordem de 0,02 rad, o que se considera como um valor adequado

de capacidade de rotação.

O traço com 15% de vermiculita já apresentou valores de capacidade de rotação da

ordem de 0,025 rad (Figura 5.46), como se esperava, o aumento da quantidade de

vermiculita aumentou a deformabilidade do material. Ocorreu também uma inversão

dos valores de deslocamento relativo de um dos apoios, acarretando um descolamento

da extremidade da chapa em relação à almofada. Como os valores experimentais se

apresentaram com deslocamentos positivos maiores que 0,5mm, houve uma grande

concentração de tensão na almofada e, esse valor de giro de 0,025 rad não pode ser

considerado, com segurança, como o valor da capacidade de rotação para este traço.

Um comparativo da capacidade de giro entre as almofadas com 10mm de espessura está

mostrado na Figura 5.52.

Comparação de rotações das almofadas de 10mm de

espessura

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

-0.012-0.01-0.008-0.006-0.004-0.0020

rotações (rad)

Tensão (MPa)

V5PP4,5L30

V10PP4L30

V15PP3,5L30

Figura 5.52: Comparação de rotações para as almofadas de 10mm de espessura.

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Na Figura 5.52, estão mostradas as leituras de rotações estritamente positivas, sem que

houvesse concentração de tensões em certas regiões das almofadas, devido ao

descolamento, mesmo que em pequena escala, entre esta e a chapa metálica. Para o

cálculo da capacidade máxima de rotação das almofadas foram aceitos valores de

deslocamento positivo de até 0,5mm, como dito anteriormente. Os descolamentos

existentes e a concentração de tensões neste caso, não comprometeram a integridade das

almofadas, ao contrário das almofadas de 20mm.

As rotações apresentadas na Figura 5.52 não se comportaram da maneira esperada. Com

o aumento da quantidade de vermiculita acredita-se que o material aumente sua

capacidade de rotação. O que pode explicar esse comportamento fora do padrão para os

traços com 5 e 10% de vermiculita foi que, ocorreram problemas de leitura dos relógios

num primeiro estágio de carregamento do ensaio. O ensaio teve que ser reiniciado, o

que determinou a deformabilidade apresentada pelo traço com 5% de vermiculita para o

início do carregamento.

Para níveis de tensões maiores que 5,0MPa, o que se observa é um maior enrijecimento

da almofada com 5% de vermiculita, que pode ser comprovado pela taxa de evolução

das rotações a partir deste nível de tensões. Deste ponto em diante, os traços começam a

ter um comportamento mais próximo do esperado. Lembrando que, a taxa de evolução

da rotação para os traços com 10% e 15% de vermiculita estão invertidas,

provavelmente, devido a um carregamento e descarregamento nas almofadas com 10%

de vermiculita.

Outro ponto importante a ser ressaltado é que, acredita-se que a capacidade de rotação

das almofadas é maior que os valores obtidos na Figura 5.52. A configuração de

aplicação dos carregamentos apresentou-se muito instável. As almofadas de 10mm,

mesmo apresentando concentração de tensões se mostraram sem grande danificação

aparente e sem fissurações em grande quantidade e em padrões preocupantes. Uma

melhoria na execução do ensaio pode acarretar valores maiores e mais confiáveis de

capacidade de rotação.

Para os valores de rotações verificados em resultados de cálculos de vigas utilizadas em

situações práticas, a capacidade de rotação das almofadas se apresentou bem maior do

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que as solicitações calculadas. Os valores calculados para efetuar uma comparação

foram o de uma viga de ponte rolante existente no laboratório de estruturas, cujos dados

serão apresentados na Figura 5.53 e uma viga de concreto armado simples com seção e

solicitação apresentados na Figura 5.54.

Figura 5.53: Viga de ponte rolante do laboratório de estruturas da EESC/USP.

Figura 5.54: Viga de concreto armado idealizada.

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Para o caso da viga de concreto do Laboratório de Estruturas do departamento de

Engenharia de Estruturas da EESC/USP, o giro máximo calculado através de tabelas

adequadas para a situação de carregamento foi de 0,004 rad. As resultantes das forças

aplicadas pela ponte rolante são de 69,0kN com distância de 3,60m. Considerando todas

as ações atuando sobre a mesma e desconsiderando o efeito da protensão aplicada sobre

a viga. A equação utilizada no cálculo da rotação para este caso é apresentada na

equação 5.3.

()

2

apoio

Pa

la

EI

θ

=−

eq. (5.3)

Sendo:

θ

apoio

= giro nos apoios;

P = forças resultantes aplicadas pela aplicadas pela ponte rolante;

a

= distância do apoio da viga às resultantes da ponte rolante;

l

= comprimento da viga;

EI = rigidez da viga.

No caso da viga da Figura 5.56, pensou-se em uma viga usual de edifício de concreto

armado considerando que esta estaria submetida a um carregamento elevado, com a

consideração da rigidez efetiva desta da ordem de 30% da rigidez da seção íntegra,

devido ao processo de fissuração. Nestas condições a rotação máxima calculada foi de

0,005 rad. A rotação para este caso foi calculada segundo a equação 5.4.

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24

apoio

pl

EI

θ

=

eq. (5.4)

Sendo:

θ

apoio

= giro nos apoios;

p = resultante do carregamento distribuído na viga;

l

= comprimento da viga;

EI = rigidez da viga.

Tratando-se de concreto pré-moldado, no projeto dos aparelhos de apoio, as indicações

de projeto aconselham adotar uma rotação inicial devido à imprecisão de montagem da

ordem de 0,01 rad, segundo EL DEBS (2000). Se somarmos esta indicação de projeto

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aos valores obtidos nos cálculos, teremos rotações da ordem de 0,015 rad, sendo este

valor menor que a rotação obtida para as almofadas do compósito, sendo estas capazes

de absorver as rotações ocasionadas por carregamentos usuais na prática.

5.7 Ensaio de tenacidade ao fraturamento

Como referido no capítulo 4, os ensaio de fraturamento objetivam a determinação de

parâmetros relacionados à tenacidade flexional do compósito, a exemplo do limite de

proporcionalidade da fase elástica do material, assim como as contribuições das fibras

incorporadas, através da determinação das resistências residuais. Estes ensaios foram

realizados somente no traço V10PP4L30 devido ao seu desempenho nos resultados dos

ensaios realizados anteriormente.

Na Figura 5.55 são apresentadas as curvas de deslocamento vertical da linha de carga

para as quatro amostras estudadas.

Deslocamento Vertical da Linha de carga

0

0.2

0.4

0.6

0.8

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1.2

1.4

1.6

1.8

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00

Deslocamento (mm)

Força (kN)

CP1

CP2

CP3

CP4

Figura 5.55: Curvas de deslocamento vertical da linha de carga do compósito.

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Por meio da observação das curvas na Figura 5.55, pode-se verificar o comportamento

típico de materiais fibrosos. No presente caso, observa-se que após a carga máxima

ocorre uma redução considerável da capacidade portante do elemento, decorrente da

propagação da fissura. Entretanto, a deformabilidade do corpo-de-prova estende-se a

níveis de deslocamento consideravelmente elevados. Em decorrência do comportamento

relativamente uniforme obtido no grupo de ensaios, pode-se supor que as fibras tenham

sofrido escorregamento na região da fissura, eventualmente em decorrência do

comprimento das mesmas. Tendo em vista os baixos valores de módulo de elasticidade

apresentados pelo compósito, comparativamente ao módulo de elasticidade das fibras,

uma queda tão acentuada na resistência, após a propagação da fissura, não era esperada.

Para cada corpo-de-prova foram calculadas as tensões na fase elástica e as tensões

residuais para cada uma dos deslocamentos pré-estabelecidos. Estes valores são

apresentados na Tabela 5.12.

Tabela 5.12: Tensões médias para o ensaio de tenacidade flexional.

Média dos CP´s MPa Contribuição da Fibra(%)

Tensão Limite de Proporcionalidade f

fct,L

: 5.064 0.00

Tensão Flexional Residual 1 - f

R,1

: 2.586 51.07

Tensão Flexional Residual 2 - f

R,2

: 2.271 44.84

Tensão Flexional Residual 3 - f

R,3

: 2.007 39.64

Tensão Flexional Residual 4 - f

R,4

: 1.718 33.93

Por meio dos valores apresentados na Tabela 5.12, pode-se verificar que as

contribuições das fibras na resistência do compósito variam de aproximadamente 50%,

para baixos níveis de deslocamento da linha de carga, até 30% para níveis maiores de

deslocamentos verticais.

Cabe aqui ressaltar que os ensaios de fraturamento conseguem mostrar adequadamente

o aspecto qualitativo da interação fibra-matriz em situações de solicitações flexionais.

Neste caso, a qualidade da interface fibra-matriz poderia e deveria ser melhorada com

uma alteração no comprimento das fibras incorporadas ao compósito ou mesclando-se

fibras de diferentes tamanhos. No caso desta pesquisa, como as almofadas foram

submetidas essencialmente a esforços de compressão, acredita-se que os níveis de

contribuição das fibras na resistência do compósito foram adequados.

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Por outro lado, o resultado do conjunto de ensaios realizados nas almofadas evidenciou

que as mesmas apresentaram propriedades interessantes para utilização como elemento

de apoio. Tendo em vista a sua capacidade de apresentar comportamento resiliente, a

sua aptidão de atingir níveis de resistências adequados além de grande capacidade de

deformar-se inelasticamente, acredita-se que o compósito possa ser adequadamente

utilizado nos casos de estruturas submetidas a esforços repetitivos.

5.8 Microscopia ótica

Nesta fase do estudo foram tiradas fotos de uma tira da porção central de uma almofada

ensaiada e outra não ensaiada do compósito, para que se pudesse avaliar se existe algum

tipo de padrão de rugosidade superficial proveniente do processo de moldagem destas

que seria benéfico para a capacidade de deformação do material.

As figuras 5.56 e 5.57 trazem as fotos ampliadas de parte da tira retirada das almofadas,

onde observa-se a diferença nos padrões de forma superficial das almofadas.

Figura 5.56: Foto de uma das extremidades da superfície das almofadas do compósito.

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Figura 5.57: Foto da região central da superfície das almofadas do compósito.

A ordem das fotos da Figura 5.57 segue a ordem das fotos da Figura 5.56, sendo

apresentadas primeiramente as almofadas ensaiadas e na seqüência as almofadas não

ensaiadas. Na Figura 5.56 foi introduzida uma escala para se verificar a ampliação

utilizada. A ampliação do microscópio ótico utilizada nas fotos foi de 25x, mas a

obtenção das fotos foi realizada por meio de máquina fotográfica digital e, a soma da

ampliação da máquina digital pode ter causado algumas distorções nessa ampliação.

Para as almofadas não-ensaiadas observa-se um padrão maior de imperfeições

superficiais, fato que, observando-se as fotos das almofadas ensaiadas temos uma

mostra de maior acomodação devido à deformação desta proveniente do ensaio

realizado.

Este estudo foi realizado da maneira mais simples possível, sem grandes requintes de

aparelhagem, portanto, só podemos ver uma tendência de acomodação dessas

imperfeições provenientes do processo de moldagem das placas. Estas fotos reforçam a

hipótese de que essas imperfeições ajudam no processo de acomodação das peças pré-

moldadas na região da ligação, mas não podem ser conclusivas para esta afirmação,

sendo necessários ensaios específicos focando o processo de produção das almofadas

para que se possam fazer afirmações acerca desta hipótese.

Amostra Ensaiada

Amostra Não-ensaiada

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A partir dos resultados obtidos através das séries ensaios realizados nesta pesquisa,

pode-se concluir que:

a) Com relação ao módulo de elasticidade e rigidez das almofadas, obteve-se um

material com valores realmente reduzidos. Em se tratando de módulo de elasticidade

dos corpos-de-prova, os valores obtidos encontram-se com valores da ordem de 50 a

60% do valor de uma argamassa de cimento convencional de referência e, próximos aos

valores obtidos com as fibras de PVA e vidro da pesquisa anterior. Pode-se assim

constatar que, não ocorrem grandes mudanças com a utilização da fibra de

polipropileno. Para a rigidez das almofadas, obteve-se um material com valores

próximos aos da pesquisa anterior e, sendo estes apenas cinco a seis vezes maiores que

para almofadas de policloropreno, evidenciando a capacidade de deformação do

compósito. O custo de uma almofada do compósito é bem inferior ao custo de uma

almofada de policroropreno, sendo o compósito, uma alternativa econômica para ser

utilizado nas ligações em que este pode ser empregado.

b) Na busca de uma relação entre a quantidade de vermiculita a ser incorporada e a

deformabilidade do material, os ensaios mostraram uma indicação de qual traço a ser

utilizado. O conjunto de resultados mostrou que o traço que apresenta as melhores

características para ser utilizado como elemento de apoio é o V10PP4L30 (traço em

massa - 1:0,3:0,3:0,1 – cimento:areia:látex:água, sendo que 10% da massa de areia é

substituída por vermiculita, são introduzidos 4% de fibra de polipropileno e 1% de

superplastificante), seguindo a mesma linha de conclusões da pesquisa anterior.

c) O material apresentou capacidade resiliente, o que pode ser observado nos resultados

dos ensaios de carregamento cíclico, onde as rigidezes do material submetido à

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carregamento monotônico se mostraram próximas às rigidezes do último ciclo de carga

deste ensaio repetitivo. O material também apresentou uma parcela de recuperação

elástica de suas propriedades onde, após certa deformação inicial, a rigidez do

compósito permanece constante, mesmo para um nível de tensão da ordem de 20MPa,

duas vezes uma tensão normal de serviço para este tipo de almofada de apoio.

d) Nas ligações de concreto pré-moldado, a presença da almofada melhorou o

desempenho da ligação quando da existência de imperfeições iniciais nas peças ou a

presença de rugosidade entre as superfícies dos elementos pré-moldados da ligação.

Para o caso dos elementos perfeitamente lisos o desempenho das almofadas ficou um

pouco abaixo do esperado quando esta estava presente, mas deve-se ressaltar que, estes

elementos lisos foram moldados com um rigoroso controle de qualidade para garantir a

ausência de imperfeições. A existência de qualquer tipo de imperfeição mostra que o

desempenho das ligações sem a presença das almofadas sofre uma queda. Para níveis de

imperfeição e rugosidades muito elevados, maiores que 1,5mm, a efetividade das

almofadas também é reduzida.

e) A capacidade das almofadas em absorver rotações foi adequada. Os valores de

rotações máximas obtidas para o compósito foram da ordem de 25% maiores que para

casos convencionais. As almofadas de 10mm de espessura se apresentaram mais

adequadas do que as almofadas do mesmo material mas com 20mm de espessura. A

capacidade de rotação do compósito não se compara à capacidade de elementos

elastoméricos, mas, a grande vantagem da utilização das almofadas de argamassa de

cimento como elemento de apoio é a economia gerada. Além desta se apresentar com

um custo de produção significativamente menor que os aparelhos de apoio comerciais,

esta também tem vantagem no que se diz respeito ao custo de manutenção. Sendo o

elemento de apoio construído com o mesmo material básico da estrutura, acredita-se

que este não necessite de reparos ao longo do tempo, possuindo vida útil da ordem da

vida útil da estrutura.

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Como sugestão para trabalhos futuros:

9 Estudar a influência da moldagem no comportamento do compósito, pois se

acredita que, as rugosidades que se formam devido ao processo de moldagem

utilizado nesta pesquisa ajudem na deformabilidade do material.

9 Estudar a influência do processo de moldagem das placas, mudando-o para o

sistema de moldagem do tipo bateria para verificar se a não presença dessa

rugosidade superficial afeta em grande escala a capacidade de deformação do

material.

9 Estudar os feitos provocados pela utilização de mescla de fibras de 6mm de

comprimento com fibras de 12mm de comprimento, para se melhorar um

eventual comportamento à flexão do material.

9 Verificar a metodologia do ensaio de capacidade de rotação de apoio,

estudando-se possíveis modificações no ensaio, principalmente a modificação

do sistema de distribuição das forças à chapa metálica, podendo-se assim,

verificar de uma maneira mais confiável e simples a capacidade de rotação do

compósito.

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