Usos, Benefícios e Questões Chave do Concreto Reforçado com Fibras

O concreto serve como a base da construção moderna, com melhorias contínuas em seu desempenho sendo um foco principal na engenharia. O surgimento do concreto reforçado com fibras (FRC) trouxe nova vitalidade a este material essencial. No entanto, também levanta inúmeras questões: O que são exatamente as fibras? O que distingue as macrofibras das microfibras? Como a fibra apropriada e a dosagem devem ser selecionadas? Este artigo fornece uma exploração aprofundada do concreto reforçado com fibras, abordando preocupações práticas de aplicação e oferecendo orientação para a construção de edifícios mais robustos e duráveis.

As fibras desempenham um papel crucial no concreto, funcionando como materiais de reforço em vez de meros aditivos. Conforme definido em ACI CT-18 (Terminologia do Concreto), as fibras preenchem as fissuras, unindo o concreto e melhorando significativamente seu desempenho geral.

A principal distinção entre macrofibras e microfibras reside em seu tamanho, normalmente medido pelo diâmetro equivalente ou densidade linear. Na indústria de FRC, a densidade linear é frequentemente expressa em denier, representando a massa (em gramas) de 9.000 metros de fibra.

As principais diferenças entre microfibras e macrofibras incluem:

• Fibras sintéticas: ASTM D7508/D7508M especifica os requisitos para macrofibras, microfibras e fibras híbridas (combinações de ambas). Esta norma também usa resistência à tração e comprimento de corte como propriedades distintivas adicionais.
• Microfibras naturais: ASTM D7357 descreve os requisitos de conformidade para fibras de celulose usadas em FRC.
• Fibras de aço: Classificadas como macrofibras, ASTM A820/A820M estabelece os requisitos mínimos para fibras de aço em aplicações FRC.

• Microfibras: Controlam principalmente a fissuração por retração plástica. Em dosagens típicas, elas não fornecem controle de temperatura ou fissuração por retração, nem melhoram outras propriedades do concreto. No entanto, microfibras fibriladas usadas em dosagens mínimas de 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) podem substituir a armadura de arame soldado leve (WWR) para controle de fissuração por temperatura e retração.
• Macrofibras: Melhoram significativamente o desempenho do concreto, incluindo resistência residual pós-fissuração, transferência de carga através de fissuras, durabilidade aprimorada, tenacidade à flexão, resistência à fadiga, resistência ao impacto e capacidade de cisalhamento.

Existem vários tipos de macrofibras sintéticas, cada um com vantagens exclusivas. Além das propriedades físicas, como resistência à tração, módulo de elasticidade, composição do material ou forma, diferenças menos óbvias incluem desempenho de mistura, tendência à formação de bolas, qualidade do acabamento da superfície e características de ligação com o concreto.

A chave para o uso bem-sucedido de macrofibras sintéticas reside na seleção de dosagens apropriadas que atendam aos requisitos de desempenho e às necessidades de trabalhabilidade/acabamento. Fibras mais fortes ou aquelas com melhores características de ligação podem exigir menos material do que alternativas mais fracas. Os fabricantes devem fornecer dados de teste para apoiar as recomendações de dosagem, com misturas de teste recomendadas quando houver incertezas.

As microfibras controlam principalmente a fissuração por retração plástica. Pesquisas mostram que elas fornecem capacidade de suporte de carga insignificante em concreto endurecido em dosagens típicas. Dosagens mais altas de microfibras podem complicar a mistura devido ao aumento da contagem de fibras e da área superficial, potencialmente causando problemas de trabalhabilidade e perda significativa de abatimento.

Em comparação com fibras mais curtas do mesmo tipo, as fibras mais longas têm maior área superficial, melhorando a ancoragem no concreto endurecido e melhorando o desempenho pós-fissuração em dosagens equivalentes. No entanto, existe um comprimento ideal para cada tipo de fibra, dependendo da forma específica, características de rigidez e resistência à compressão do concreto.

Misturas de teste pré-projeto, considerando os métodos de colocação e os requisitos de acabamento, ajudam a determinar os comprimentos ideais das fibras, evitando problemas como formação de bolas ou protrusão de fibras na superfície.

Macrofibras sintéticas (particularmente monofilamentos grandes e grossos) podem fornecer resistência residual comparável às fibras de aço, dependendo da dosagem. Outros fatores, como deformação antecipada e condições ambientais, também devem influenciar a seleção da fibra. Para algumas aplicações estruturais que exigem fibras de aço, as alternativas sintéticas não foram validadas.

Embora as macrofibras sintéticas normalmente tenham menor resistência à tração e módulo de elasticidade do que as fibras de aço, elas fornecem significativamente mais fibras para preencher potenciais fissuras. Quando devidamente dosadas, a capacidade total de transferência de tensão através das fissuras deve ser equivalente. A resistência seccional efetiva também depende da qualidade da ligação fibra-matriz—fibras de alta resistência com ligação insuficiente são candidatos a reforço ruins. O desempenho do FRC reflete o comportamento composto, não as propriedades individuais da fibra.

O concreto reforçado com fibras (FRC) incorpora fibras discretas (normalmente até 2,5 polegadas ou 64 mm) em concreto de cimento hidráulico. Os polímeros reforçados com fibras (FRP) usam fibras substancialmente mais longas embutidas em matrizes poliméricas sem cimento ou agregados.

As quantidades de fibra necessárias dependem dos critérios de desempenho FRC especificados. Para microfibras que controlam a retração plástica, as taxas de redução de fissuras (CRR) orientam a determinação da dosagem por ASTM C1579. Para macrofibras em concreto endurecido, as dosagens devem atender à resistência residual especificada (ASTM C1399), resistência flexural equivalente pós-fissuração (ASTM C1609) ou capacidade de absorção de energia (ASTM C1550), considerando o tipo/espessura do elemento, resistência do concreto, especificações de reforço e requisitos de carregamento.

Muitos fornecedores fornecem ferramentas de projeto (particularmente para lajes) para calcular as dosagens apropriadas.

Para lajes, as dosagens mínimas são normalmente estabelecidas pelos fabricantes com base em testes de produtos padronizados para atender aos requisitos ou padrões da indústria.

ANSI/SDI C-2017 para decks metálicos compostos especifica dosagens mínimas de macrofibras de 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) para fibras sintéticas e 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) para fibras de aço quando usadas para controle de temperatura/retração. Sob os requisitos UL, os limites superiores são 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) para fibras sintéticas e 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) para fibras de aço. O reforço com fibras atualmente não substitui o aço de momento negativo em conjuntos de decks compostos.

Dosagens abaixo das recomendações do fabricante ou dos requisitos do código não são aconselháveis. Os engenheiros devem consultar os fabricantes de fibras quando não tiverem certeza sobre aplicações ou dosagens.

Várias fontes fornecem orientação de projeto para concreto reforçado com macrofibras em várias aplicações estruturais:

• ACI 544.4R-18: Guia para Projeto com FRC
• ACI 360R-10: Guia para Projeto de Lajes
• ACI 322-14: Requisitos do Código de Concreto Residencial

Os fabricantes de fibras podem oferecer orientação adicional específica do produto.

As especificações de FRC de macrofibras devem ser baseadas no desempenho e específicas da aplicação, usando métodos aprovados da ACI 544.4R para calcular parâmetros característicos, como:

• Resistência residual média (ASTM C1399)
• Resistência residual ou resistência flexural equivalente (ASTM C1609)

Exemplo de especificação: "A dosagem de fibra deve fornecer uma resistência residual mínima de 200 psi (1,4 MPa) em concreto de 4.000 psi (28 MPa)." A conformidade deve ser verificada por meio de dados de teste do fabricante de acordo com os padrões ASTM relevantes.

Para concreto projetado, o desempenho do concreto projetado reforçado com fibras (FRS) é determinado pela capacidade de absorção de energia (ASTM C1550 ou EN 14488-5). Exemplo de especificação: "A dosagem de fibra deve fornecer uma absorção de energia mínima de 280 J em 7 dias em concreto projetado de 4.000 psi (28 MPa)."

O desempenho pós-fissuração do FRC pode ser avaliado via ASTM C1609, C1399 ou C1550 (absorção de energia). Os engenheiros devem determinar os valores apropriados com base na intenção do projeto e nos níveis de desempenho exigidos, consultando a ACI 544.4R para orientação.

Certas fibras (por exemplo, aço) próximas às superfícies de concreto em ambientes expostos podem corroer. Embora essa corrosão localizada não comprometa a integridade estrutural, seu impacto estético deve ser avaliado de antemão. Fibras sintéticas e naturais são não corrosivas e quimicamente inertes, não sendo afetadas pelas condições ambientais.

Embora as fibras normalmente não aumentem a resistência à flexão de primeira fissura do concreto (módulo de ruptura, ASTM C78), elas melhoram a capacidade de flexão da laje e a resistência à fadiga. Valores de tenacidade específicos da fibra apropriados permitem que seções de concreto mais finas suportem cargas de projeto.

ANSI/SDI C-2017 permite que macrofibras de aço ou sintéticas (em dosagens determinadas pelo fabricante que atendam aos requisitos mínimos) substituam a armadura de arame soldado (WWR) para controle de fissuras, não para resistência a tensões estruturais.

Sob avaliações UL e ICC-ES, algumas microfibras são reconhecidas como alternativas WWR em conjuntos específicos de piso/teto com classificação de incêndio.

Este problema histórico ocorreu principalmente com microfibras sintéticas quando técnicas de acabamento inadequadas foram usadas. Microfibras monofilamento modernas (normalmente limitadas a 1,0–1,5 lb/yd³ ou 0,6–0,9 kg/m³) e macrofibras minimizam esse efeito. Mistura, colocação e acabamento adequados produzem superfícies excelentes. A protrusão da fibra na superfície não compromete a integridade da laje—maçaricos podem derreter as fibras expostas se houver preocupações estéticas.

Embora alguns sintéticos (por exemplo, nylon) absorvam pequenas quantidades de água da mistura, as fibras comuns de polipropileno/polietileno são hidrofóbicas. A aparente redução do abatimento em dosagens mais altas resulta das fibras agindo como agentes coesivos, em vez de absorção de água.

Adicionar água reduz a resistência do concreto. Quando o alto teor de fibra afeta a trabalhabilidade, aditivos químicos—e não água extra—devem ser usados.

Os pontos ideais de adição variam de acordo com a forma, rigidez e dosagem da fibra—algumas funcionam melhor como os primeiros ingredientes, outras após todos os materiais serem carregados. Os fabricantes podem fornecer orientação, com testes pré-projeto recomendados para determinar o tempo ideal de adição e a duração da mistura.

Para concreto normal, recomenda-se normalmente 4–5 minutos de mistura após a adição de todos os ingredientes para operações de mistura pronta.

Todos os tipos de fibra podem formar bolas devido à mistura insuficiente, sequenciamento inadequado ou adição a misturas excessivamente secas, sem finos suficientes para revestir as fibras. Testes pré-projeto ajudam a verificar a compatibilidade da mistura com o tipo e a dosagem de fibra pretendidos.

Os efeitos do abatimento dependem de:

• Abatimento inicial da mistura (maior impacto em abatimentos iniciais mais baixos)
• Contagem e dosagem de fibras (dosagens mais altas aumentam o impacto)
• Área superficial total da fibra (área maior aumenta o impacto)

Observe que as medições do cone de abatimento indicam a consistência da mistura, não necessariamente a trabalhabilidade real. Embora o abatimento visual possa parecer reduzido, a trabalhabilidade real pode ser menos afetada. Testes pré-projeto determinam se os ajustes de trabalhabilidade são necessários.

As microfibras podem impactar o abatimento mais do que as macrofibras em taxas e dosagens equivalentes de comprimento para diâmetro devido ao maior número de fibras por libra. Geralmente:

• Microfibras sintéticas (1,0–3,0 lb/yd³ ou 0,6–1,8 kg/m³): perda de abatimento de 1–3 polegadas (25–75 mm)
• Macrofibras sintéticas (3,0–10,0 lb/yd³ ou 1,8–6,0 kg/m³) ou fibras de aço (15–50 lb/yd³ ou 9–29,6 kg/m³): perda de abatimento de 1–5 polegadas (25–125 mm)

Plastificantes (redutores de água de médio ou alto alcance) devem compensar a perda de abatimento. Ajustes na mistura podem ser necessários em dosagens altas para garantir o teor adequado de pasta. Evite o excesso de água para evitar a redução da resistência e a segregação.

As macrofibras geralmente não afetam adversamente o teor de ar ou a resistência à compressão. As mudanças percebidas geralmente resultam de mistura excessiva, adição de água, variações de temperatura ou medição incorreta da umidade nos agregados. As flutuações de ar também podem estar relacionadas a alterações reais no abatimento. Certos tratamentos históricos da superfície da fibra poderiam introduzir ar indesejado, mas isso agora é raro.

As mudanças no peso unitário dependem do tipo de fibra e dos ajustes do projeto da mistura. As fibras sintéticas normalmente não alteram o peso unitário se o teor de ar permanecer constante. Fibras de aço de maior densidade podem aumentar o peso unitário, dependendo da fração volumétrica e dos ajustes da mistura.

Em concreto de peso normal, as fibras devidamente proporcionadas e misturadas não flutuam nem afundam devido à gravidade específica do material e à viscosidade do concreto misturado. As fibras realmente ajudam a suspender agregados maiores e a evitar a segregação.

Geralmente compatível, mas alguns auxiliares de processamento de fibra ou acabamentos de fiação podem afetar outros produtos químicos do concreto. Sempre verifique com os fabricantes de fibras.