Polypropylene fibers and their influence on the behavior of concretes exposed to high temperatures. Review

Abstract

The fire resistance of a structural concrete is evaluated by the time length that the element keeps performing its functions under high temperature conditions. It is usually believed that the concrete has an excellent durability before fire; however, in practice the stability of this material is reduced by high temperatures. Unfortunately, under such circumstances, concrete elements present excessive damages or even catastrophic failures. When exposed to high temperatures, cement based materials undergo physicochemical changes that damage their mechanical properties and spoil their resistance to heat transfer. Although the thermal features of a high strength concrete are similar to those of a conventional concrete, this material has a greater sensibility to high temperatures due to its reduced porosity, showing a higher relative loss of the mechanical properties and explosive spalling in the temperature range between 100 ºC and 400 ºC. The spalling can be avoided by adding polypropylene fibers in concrete: when melted and partially absorbed by the cement matrix, the fibers generate a permeable network that allows the outward gas migration, decreasing the pore pressure in the material and, consequently, eliminating the possibility of explosive spalling occurrence. Thus, in the present paper, a review regarding the behavior of concretes exposed to high temperatures, as well as the influence of polypropylene fibers have been addressed for concretes applied in the civil engineering area.

Full text

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Cerâmica 57 (2011) 22-31
INTRODUÇÃO
Quando utilizados nas construções, os elementos
estruturais de concreto devem ser projetados para atender
tanto aos requisitos de solicitações mecânicas quanto aos
de resistência ao fogo. Este último aspecto é avaliado pelo
intervalo de tempo em que o elemento estrutural continua a
desempenhar suas funções sob condições de alta temperatura.
Isto implica que a resistência ao fogo está relacionada com
o próprio elemento estrutural e não com o material que o
constitui, porém é imprescindível que o desempenho do
material não comprometa a resistência do elemento [1].
Um dos fatores determinantes do comportamento de um
elemento estrutural de concreto frente à ação do fogo é a
sua capacidade de isolar o calor (impedindo que ele atinja
a armadura) e de suportar a subseqüente ação da água e do
resfriamento mantendo suas propriedades mecânicas. Assim,
os requisitos de resistência ao fogo podem ser atribuídos ao
Fibras de polipropileno e sua infl uência no comportamento de concretos
expostos a altas temperaturas. Revisão
(Polypropylene fi bers and their infl uence on the behavior of concretes
exposed to high temperatures. Review)
A. L. de Castro, P. R. T. Tiba, V. C. Pandolfelli
Grupo de Engenharia de Microestrutura de Materiais (GEMM), Departamento de Engenharia de Materiais,
Universidade Federal de S. Carlos, Rod. Washington Luiz, km 235, S. Carlos, SP 13565-905
alelorencastro@yahoo.com.br, tiba_em03@yahoo.com.br, vicpando@power.ufscar.br
Resumo
A resistência ao fogo de um elemento estrutural de concreto é avaliada pelo intervalo de tempo em que o elemento continua
a desempenhar suas funções sob condições de alta temperatura. Normalmente acredita-se que o concreto tem uma excelente
durabilidade frente à ação do fogo, entretanto, na prática, a estabilidade desse material é prejudicada pelas altas temperaturas e os
elementos de concreto têm apresentado danos excessivos ou mesmo rupturas catastrófi cas sob tais condições. Quando expostos às
altas temperaturas, materiais à base de cimento sofrem mudanças físico-químicas que prejudicam suas propriedades mecânicas e
comprometem sua resistência à transferência de calor. Embora as características térmicas de um concreto de alta resistência sejam
semelhantes aos de um concreto convencional, este material possui uma maior sensibilidade às altas temperaturas devido à sua
porosidade reduzida, apresentando uma maior perda relativa das propriedades mecânicas e a ocorrência do lascamento explosivo
na faixa de temperatura entre 100 °C e 400 °C. O lascamento pode ser evitado pela introdução de fi bras de polipropileno na
composição do concreto: quando fundidas e parcialmente absorvidas pela matriz de cimento, as fi bras criam uma rede de canais
permeável que permite a migração dos gases para o exterior, reduzindo a pressão nos poros do material e, conseqüentemente,
eliminando a possibilidade de ocorrência do lascamento explosivo. Assim, no presente artigo, uma revisão sobre o comportamento
de concretos expostos às altas temperaturas, bem como a infl uência da fi bra de polipropileno sobre este comportamento foi realizada,
direcionando-se para os concretos aplicados na construção civil.
Palavras-chave: concreto, fi bras de polipropileno, resistência mecânica, lascamento.
Abstract
The fi re resistance of a structural concrete is evaluated by the time length that the element keeps performing its functions under
high temperature conditions. It is usually believed that the concrete has an excellent durability before fi re; however, in practice
the stability of this material is reduced by high temperatures. Unfortunately, under such circumstances, concrete elements present
excessive damages or even catastrophic failures. When exposed to high temperatures, cement based materials undergo physico-
chemical changes that damage their mechanical properties and spoil their resistance to heat transfer. Although the thermal features
of a high strength concrete are similar to those of a conventional concrete, this material has a greater sensibility to high temperatures
due to its reduced porosity, showing a higher relative loss of the mechanical properties and explosive spalling in the temperature
range between 100 °C and 400 °C. The spalling can be avoided by adding polypropylene fi bers in concrete: when melted and
partially absorbed by the cement matrix, the fi bers generate a permeable network that allows the outward gas migration, decreasing
the pore pressure in the material and, consequently, eliminating the possibility of explosive spalling occurrence. Thus, in the present
paper, a review regarding the behavior of concretes exposed to high temperatures, as well as the infl uence of polypropylene fi bers
have been addressed for concretes applied in the civil engineering area.
Keywords: concrete, polypropylene fi bers, mechanical resistance, spalling.
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fato de que, quando falharem as outras medidas de controle
do fogo, a integridade estrutural é a última defesa do
elemento de concreto. Geralmente acredita-se que o concreto
tem uma excelente durabilidade frente à ação do fogo, sendo
considerado um escudo efetivo para a armadura. Entretanto,
na prática, observa-se que o fogo prejudica o desempenho
do material e os elementos de concreto apresentam
danos excessivos ou mesmo rupturas catastrófi cas após
serem expostos a altas temperaturas, particularmente os
concretos de alta resistência [2-4]. Quando o concreto é
submetido a altas temperaturas, as distintas propriedades
térmicas de seus constituintes promovem a fi ssuração.
Adicionalmente, tensões internas são geradas devido à
mudança da microestrutura decorrente da decomposição das
fases hidratadas e ao desenvolvimento de altas pressões de
vapor nos poros. Com isso, o material passa por uma série
de transformações e reações que resultam na progressiva
quebra da estrutura de gel do C-S-H e, conseqüentemente,
perda da capacidade portante do elemento estrutural
(redução da resistência mecânica), aumento da tendência à
retração por secagem, fi ssuração, lascamento, mudança de
coloração associada com o agregado e mudança na estrutura
de poros (crescimento dos poros) levando ao aumento da
permeabilidade e à redução da durabilidade [5-8]. Assim, a
simulação das condições de exposição às altas temperaturas
– tais como aquelas geralmente experimentadas durante
um incêndio acidental – são de grande importância para a
avaliação do comportamento de elementos estruturais de
concreto. O desempenho do concreto deve ser avaliado de
acordo com sua capacidade de atuar como uma barreira
térmica, sua estabilidade volumétrica e suas propriedades
mecânicas, atendendo a rigorosos requisitos de normas
com relação à segurança ao fogo. O comportamento de
concretos expostos às altas temperaturas ou à ação do fogo
é determinado pela matriz de cimento, agregado, teor de
umidade, estrutura de poros e carregamento aplicado, além
da temperatura máxima, tempo de exposição e taxas de
aquecimento e resfriamento [1, 7, 9].
Comportamento do concreto exposto a altas
temperaturas
O efeito das altas temperaturas sobre as propriedades
mecânicas do concreto tem sido investigado desde 1940
e, desde então, tem-se constatado sua infl uência sobre o
comportamento destes materiais. Quando expostos às altas
temperaturas, materiais à base de cimento sofrem mudanças
físico-químicas que prejudicam suas propriedades mecânicas
e comprometem sua resistência à transferência de calor [1].
Assim, para predeterminar a resposta de estruturas de concreto
durante e após a exposição em elevadas temperaturas é
essencial que as propriedades microestruturais deste material
sejam totalmente compreendidas [10]. A estrutura do
concreto pode ser dividida em aproximadamente três níveis
– micro (< 1 μm), meso (entre 1 μm e 1 cm) e macro (> 1 cm)
– sendo que a temperatura infl uencia o seu comportamento
nos diferentes níveis estruturais. Nos níveis micro e meso,
o concreto sofre tanto mudanças físicas quanto químicas.
Fisicamente, as dilatações e as retrações térmicas promovem
uma grande mudança de volume que resulta em altas
tensões e deformações internas, levando à microfi ssuração
e, conseqüentemente, à redução da resistência mecânica do
material. Adicionalmente, a estrutura de poros (porosidade,
tamanho e distribuição dos poros) é alterada, gradientes
térmicos e hídricos são formados permitindo a migração da
água (difusão e secagem) e, no caso particular dos concretos
de alta resistência, ocorre o desenvolvimento de altas
pressões nos poros, levando ao lascamento explosivo de
material. Quimicamente, as altas temperaturas aumentam a
desidratação e promovem a decomposição da pasta de cimento
endurecida e dos agregados. No nível macro, em função das
alterações observadas nos níveis anteriores, a resistência, a
dureza e a tenacidade – propriedades fundamentais para o
comportamento do concreto na ruptura – são reduzidas e o
material passa por deformações irreversíveis, aumentando o
dano na estrutura. Desta forma, o estudo da estrutura de poros
no concreto após a exposição às altas temperaturas ajuda a
compreender os mecanismos de deterioração deste material
[11, 12]. Portanto, quando um material à base de cimento
como o concreto é aquecido, diversos fenômenos químicos
e físicos ocorrem na faixa de temperatura entre 100 °C e 900
°C. Até aproximadamente 550 °C, apenas a pasta de cimento
passa por mudanças físicas e químicas, enquanto a maioria
dos agregados comumente utilizados é pouco infl uenciada
pelo aquecimento. Nesta faixa de temperatura, as reações
endotérmicas ocorrem seguindo a ordem: liberação da água
da pasta de cimento (água capilar), desidratação da etringita,
do monossulfoaluminato de cálcio e do silicato de cálcio
hidratado (C-S-H), decomposição do hidróxido de cálcio
(Ca(OH)2), do C-S-H e do carbonato de cálcio. Com relação
aos agregados, os efeitos das altas temperaturas sobre o
agregado de sílica são distintos daqueles sobre os calcários:
na temperatura ambiente, a forma estável do quartzo é a
forma α, que se transforma em β-quartzo a 573 °C, que
posteriormente se transforma em β-tridimita a 867 °C e
que, para temperaturas superiores a 900 °C, se transforma
em β-cristobalita; por outro lado, os agregados calcários apenas
se dissociam para temperaturas variando entre 700 °C e 970 °C
[1, 10]. Assim, o comportamento de concretos expostos às altas
temperaturas não pode ser relacionado com um fator único,
sendo na verdade infl uenciado por diversos aspectos, tais como
a taxa de aquecimento, a temperatura máxima de exposição, a
relação água/cimento, o tipo de agregado, o teor de umidade,
a porosidade, a resistência do concreto, o tamanho e a idade
da amostra, o tipo de cura, a adição mineral e/ou o tipo de
fi bra incorporada, o carregamento aplicado etc., de maneira
que a alta temperatura infl uencia o seu comportamento
tensão-deformação e a transferência de umidade e calor no
seu interior [1, 5, 10, 11, 13].
Embora os parâmetros térmicos – como o calor específi co,
a difusividade, a condutividade térmica e o coefi ciente
de expansão térmica – de um concreto de alta resistência
sejam semelhantes aos de um concreto convencional, estes
materiais apresentam uma maior sensibilidade às altas
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temperaturas devido à sua porosidade reduzida, composta
por poros pequenos e pouco interconectados [13-15]. A
temperatura de 100 °C é um limite importante, pois acima
dela a permeabilidade do concreto aumenta em duas ordens
de grandeza devido ao aumento do tamanho dos poros
associado com a vaporização da água adsorvida e pela
desidratação das fases hidratadas [16]. As duas diferenças
principais observadas entre os comportamentos dos
concretos de alta resistência e dos concretos convencionais
expostos às altas temperaturas são a perda relativa das
propriedades mecânicas (resistência à compressão e módulo
de elasticidade) e a ocorrência do lascamento explosivo
(mesmo para taxas de aquecimento relativamente baixas, ou
seja, ≤ 5 °C/min) na faixa de temperatura entre 100 °C e 400
°C [17-19]. Com isso, surgem dúvidas sobre a aplicabilidade
das normas existentes para o projeto de estruturas de
concretos de alta resistência expostas à ação do fogo, uma
vez que elas são amplamente baseadas no comportamento
de concretos convencionais. Além disso, o mecanismo de
ruptura pelo lascamento explosivo tem sido observado
de maneira inconsistente nesses materiais. Geralmente,
o lascamento ocorre em algumas poucas amostras de um
grupo amplo de corpos, todos submetidos a condições de
ensaio idênticas. Esse comportamento irregular difi culta
predeterminar com precisão se um determinado concreto de
alta resistência romperá por lascamento explosivo quando
exposto ao fogo; porém, acredita-se que ele ocorre para
certas combinações de ensaio e que concretos com a adição
de sílica ativa (mais densos) sejam mais susceptíveis ao
lascamento [14, 17, 19-21].
Os resultados de ensaios com concretos convencionais
mostram que o comportamento sob compressão mecânica
é bastante infl uenciado pela temperatura, em ambas as
condições transitórias e estacionárias. Dentre os fatores que
infl uenciam a forma da curva tensão-deformação, a razão
agregado/cimento, o tipo de agregado e as condições de ensaio
são citados. Além disso, sendo as propriedades mecânicas
residuais o parâmetro avaliado (após o resfriamento), outros
fatores também devem ser considerados, tais como a taxa
de resfriamento, o tipo de aglomerante e as condições de
armazenagem [16]. As mesmas condições se aplicam aos
concretos de alta resistência, porém estes materiais perdem
sua resistência à compressão e sua dureza mais rapidamente
devido à maior densidade da pasta de cimento, à redistribuição
de tensões promovida pelo enfraquecimento da argamassa e
dano aos agregados que se tornam sobrecarregados e à maior
sensibilidade às microfi ssuras induzidas termicamente [16].
Com relação ao efeito sobre a perda de resistência dos
concretos, as altas temperaturas podem ser divididas em três
faixas, isto é, entre 20 °C e 400 °C, entre 400 °C e 800 °C e
acima de 800 °C. Na faixa entre 20 °C e 400 °C, o concreto de
alta resistência sofre maiores perdas de resistência do que o
concreto convencional. Na faixa entre 400 °C e 800 °C, apesar
da diminuição da diferença da taxa de perda de resistência
entre os concretos convencional e o de alta resistência,
ambos perdem a maior parte de sua resistência original,
especialmente para temperaturas acima de 600 °C. É nesta
faixa de temperatura que ocorre a indesejável desidratação
do gel de C-S-H da pasta de cimento, considerada crítica
em termos de perda da resistência. Acima de 800 °C, apenas
uma pequena porção (aproximadamente 30%) da resistência
original é mantida para ambos os concretos [2, 5, 17].
No estudo [6] para amostras de concreto expostas a
diferentes regimes de temperatura durante um intervalo de
tempo específi co, o efeito da temperatura sobre a resistência
à compressão do material foi praticamente desprezível até
400 °C; porém, devido a perda da água de ligação, verifi cou-
se uma perda signifi cativa da resistência à compressão para
temperaturas superiores, resultando tanto na redução do
teor de Ca(OH)2 quanto em mudanças da morfologia dos
hidratos e na formação de microfi ssuras. Assim, a perda de
resistência observada com o aumento da temperatura pode
estar relacionada com a perda da água de ligação, com o
aumento da porosidade e, conseqüentemente, com o aumento
da permeabilidade, tornando o concreto cada vez mais
susceptível à destruição. De acordo com os experimentos
desenvolvidos [3], verifi ca-se uma relação entre a resistência
à compressão residual e a permeabilidade do concreto, sendo
que quanto mais permeável for a amostra, mais pronunciada
será a perda de resistência. Os concretos de alta resistência,
principalmente os incorporados com sílica ativa, que possuem
baixa permeabilidade a temperatura ambiente, quando
expostos às altas temperaturas, apresentam um aumento
signifi cativo da permeabilidade: após a ação do fogo, tais
concretos podem ser considerados não-duráveis dependendo
da situação, mesmo que uma grande parte de sua resistência
à compressão seja mantida. O aumento da porosidade e do
diâmetro médio dos poros com o aumento da temperatura
pode ser considerado como o responsável pela perda de
resistência e aumento da permeabilidade dos concretos.
Assim, mesmo que o concreto conserve boa parte de sua
resistência mecânica, a avaliação quanto a sua durabilidade
deve ser feita, já que a perda desta propriedade pode resultar
na deterioração do concreto e da armadura, reduzindo a
vida útil da estrutura. No caso da resistência à tração por
compressão diametral, verifi ca-se que o comportamento de
concretos expostos às altas temperaturas é bastante distinto
da perda gradual normalmente observada para a resistência à
compressão. Isto porque uma elevada quantidade de micro-
e macro-fi ssuras são produzidas nas amostras em função
das incompatibilidades térmicas existentes no interior do
concreto, bem como da decomposição do Ca(OH)2 e de
outros hidratados e/ou componentes. Dessa maneira, a
resistência à tração dos concretos é mais sensível à formação
de fi ssuras do que a sua resistência à compressão [2, 5, 13,
22]. À medida que a temperatura aumenta, a resistência à
compressão diminui e a deformação de pico aumenta; em
outras palavras, o concreto enfraquece. Assim, o módulo de
elasticidade diminui com o aumento da temperatura e, para
um mesmo tratamento térmico, a redução no módulo é maior
do que a da resistência à compressão. Como observado na
Fig. 1, a forma da curva tensão-deformação varia com a
temperatura. Além disso, a ruptura da pasta de cimento tende
a coincidir com a ruptura dos agregados; como resultado, a
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parte pós-pico da curva é mais íngreme nesses concretos do
que nos concretos convencionais e a ductilidade induzida
termicamente é mais pronunciada [8, 16].
No caso da tenacidade dos concretos, para menores
temperaturas de aquecimento (até 300 °C), a temperatura
relativamente alta no interior do concreto favorece uma
hidratação adicional da pasta de cimento e fortalece a zona de
interface. Porém, um aquecimento adicional promove uma
microfi ssuração mais severa, a desidratação e a decomposição
dos hidratos, reduzindo a resistência à fi ssuração [12]. Para
maiores temperaturas de exposição (acima de 300 °C), dois
fenômenos podem ocorrer: perda de umidade e mudanças
microestruturais que, em conjunto, geram microfi ssuras na
interface entre a pasta de cimento e os agregados e na própria
pasta de cimento e nos agregados, reduzindo a tenacidade do
concreto [23]. De uma forma geral, a resistência, a dureza
e a tenacidade do concreto diminuem com o aumento da
temperatura, tempo de exposição e ciclos térmicos. Dessa
maneira, o concreto se torna mais frágil. Portanto, as
mudanças nas propriedades mecânicas dos concretos sob
altas temperaturas estão relacionadas com a evaporação da
umidade do concreto, física ou quimicamente. A presença
de água permite que estas propriedades se desenvolvam
com o tempo por meio da relação água/cimento e do grau
de hidratação. De acordo com o tamanho dos poros que ela
preenche, a água presente no concreto pode ser classifi cada
como água capilar, água de gel e água quimicamente
combinada. A água capilar é a água que evapora rapidamente
e existe tanto nos poros capilares (100 Å – 2000 Å) da pasta
de cimento quanto nos poros dos agregados e na zona de
interface; ela pode evaporar facilmente quando a umidade
relativa é baixa ou a temperatura ambiente é alta. A água
de gel se encontra nos nanoporos (15 Å – 20 Å) da pasta
de cimento e é geralmente descrita como água adsorvida ou
fi sicamente ligada e não evapora facilmente, porém pode ser
perdida quando a temperatura ambiente for elevada. A água
quimicamente combinada, também conhecida como água
não-evaporável, é parte dos hidratos do cimento e apenas
pode ser liberada quando a decomposição química da pasta
de cimento e dos agregados ocorre sob elevadas temperaturas
(acima de 500 °C). Estes três tipos de água são conhecidos
como macro-, meso- e micro-água, respectivamente [23].
A maneira mais simples para avaliar a mudança de
umidade no concreto é pelo monitoramento da perda de
massa que, sob temperaturas elevadas, é signifi cativamente
dependente da composição química dos constituintes e dos
regimes de aquecimento. Em geral, a perda de massa do
concreto aumenta com o aumento da temperatura máxima
de exposição seguindo três estágios característicos. No
primeiro estágio (até 200 °C), a perda de massa aumenta
muito rapidamente com a temperatura e é atribuída à
evaporação da água dos capilares, sendo, portanto, um
processo predominantemente físico. Quando a temperatura
máxima de exposição varia entre 200 °C e 400 °C, a perda
de massa é promovida principalmente pela evaporação da
água do gel de C-S-H, com uma taxa de evaporação bastante
reduzida já que a saída de água dos poros intermediários
é difícil, o que caracteriza este segundo estágio como um
processo físico-químico. No terceiro estágio (acima de
400 °C), a perda de massa é promovida principalmente
pela decomposição da pasta de cimento e dos agregados,
representando um processo predominantemente químico
devido à evaporação da água quimicamente combinada [12,
23]. A relação entre os tipos de água presentes no concreto,
seus materiais constituintes e a temperatura é apresentada
na Fig. 2.
Há uma relação direta entre o tempo de exposição e a
perda de massa nos três estágios da evaporação da umidade.
Na primeira hora, a taxa de evaporação é reduzida já que
o calor só remove a umidade próxima à superfície da
amostra. Entre as 10 h e 24 h seguintes, a umidade diminui
acentuadamente, de maneira que a perda de massa é alta.
Figura 2: Tipos de água no concreto relacionados com seus
constituintes e com a temperatura: (a) 20 °C, (b) 105 °C e
(c) 850 °C [24].
[Figure 2: Types of water in the concrete related to its
constituents and temperature: (a) 20 °C, (b) 105 °C and (c)
850 °C [24].]
Figura 1: Curvas tensão-deformação de um concreto após
aquecimento a diferentes temperaturas [8].
[Figure 1: Stress-strain curves of concretes after heating at
different temperatures [8].]
45
30
15
0
412160
Deformação (x10-3)
8
Tensão (MPa)
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A temperatura também se torna gradualmente uniforme
na amostra e expulsa a umidade no interior da amostra
de concreto. Depois desse período, a taxa de evaporação é
novamente reduzida e a perda de umidade tende a se estabilizar.
Para temperaturas inferiores, o tempo de exposição para que
a migração da umidade estabilize é mais longo, enquanto um
tempo de exposição de 12 h é sufi ciente para a estabilização
da umidade sob temperaturas maiores (acima de 500 °C) [12].
Assim, o tempo de exposição e o período de cura também
infl uenciam a resistência de concretos expostos às altas
temperaturas. Tempos de exposição prolongados aumentam
levemente a resistência para temperaturas de aquecimento
menores, mas reduzem signifi cativamente a resistência
sob temperaturas maiores. Um período de cura prolongado
sempre contribui para o aumento da resistência, porém esse
efeito fortalecedor se torna insignifi cante após 28 dias [12].
Uma questão importante no desenvolvimento de um
estudo sobre o comportamento de concretos expostos a altas
temperaturas é o papel do procedimento de ensaio. Não existe
uma norma consensual sobre a medida das propriedades sob
tais condições e os diversos pesquisadores do assunto têm
utilizado métodos distintos. Assim, é necessário compreender
se o procedimento de ensaio tem efeitos signifi cativos sobre
as relações medidas entre a temperatura e as propriedades do
concreto [18]. Existem três variações para o ensaio sob altas
temperaturas no estado estacionário, os quais são comumente
conhecidos como ensaios tensionados, não-tensionados e
de tensão residual não-tensionado. Cada um destes métodos
fornece resultados típicos das condições de tensão interna nos
específi cos elementos de concreto [17]: ensaios tensionados:
são mais adequados para representar o desempenho do concreto
de um pilar ou da região comprimida da viga, pois neste
ensaio um pré-carregamento – normalmente correspondendo
entre 20% e 40% da resistência à compressão fi nal medida
na temperatura ambiente – é aplicado na amostra de concreto
antes do aquecimento e mantido durante o ensaio. O calor
é aplicado sob uma taxa constante até atingir a temperatura
desejada e mantido até que um estado estacionário térmico
seja alcançado. Então, a carga ou a deformação é aumentada
de acordo com a taxa predeterminada até a ruptura da amostra;
ensaios não-tensionados: são mais adequados para representar
o desempenho do concreto da região tracionada da viga ou
de um elemento pouco solicitado à compressão, pois neste
ensaio a amostra é aquecida sem pré-carregamento a uma taxa
constante até a temperatura alvo, e mantida até atingir um
estado estacionário térmico. Então, a carga ou a deformação é
aumentada de acordo com a taxa predeterminada até a ruptura
da amostra; tensão residual não-tensionado: é adequado para
avaliar as propriedades pós-fogo (ou residuais) do concreto,
pois neste ensaio a amostra é aquecida sem pré-carregamento
a uma taxa constante até a temperatura alvo e mantida até
que um estado estacionário térmico seja atingido. Então,
a amostra é resfriada – também de acordo com uma taxa
predeterminada – até a temperatura ambiente. A carga ou a
deformação é aplicada até a ruptura da amostra nas condições
do ambiente. Dentre os carregamentos térmicos, o choque
térmico é o mais severo, pois gradientes de alta temperatura
e picos de pressão de vapor ocorrem nos poros. Com isto,
tensões de tração superiores à resistência à tração do concreto
podem ser geradas, seguido pelo lascamento explosivo do
material próximo à superfície aquecida [16].
Também é importante saber quantifi car os efeitos de
outras variáveis chaves – tais como as proporções da mistura
e a incorporação de sílica ativa – sobre as propriedades de
concretos de alta resistência sob altas temperaturas [18]. Os
concretos incorporados com sílica ativa são mais sensíveis às
altas temperaturas, sendo altamente propensos à fi ssuração
e ao lascamento, apresentando um desempenho inferior
aos concretos convencionais (sem adição mineral) após o
aquecimento. A maior perda de resistência observada para
os concretos incorporados com sílica ativa é associada ao
teor de sílica, que produz uma zona de interface mais densa
entre os agregados e a matriz devido ao efeito fi ller e à
reação pozolânica promovidos por suas pequenas partículas.
Quando expostos às altas temperaturas, a pasta de cimento
retrai enquanto os agregados expandem, enfraquecendo a
zona de interface e a ligação entre eles; como conseqüência,
este processo aliado à decomposição química dos produtos
hidratados promovem uma severa deterioração e perda
de resistência no concreto submetido a tais condições. A
dosagem de sílica não tem nenhum efeito signifi cativo sobre
a resistência à compressão residual de concretos aquecidos
até 200 °C, porém a quantidade desta adição mineral passa a
infl uenciar o comportamento mecânico residual dos concretos
submetidos a temperaturas superiores a 300 °C; geralmente
uma substituição de 10% em peso de cimento é considerada
um limite para evitar o lascamento [3, 25].
Com a crescente utilização do concreto de alta resistência
em aplicações estruturais, as diferenças comportamentais
observadas entre este e o concreto convencional e a
inaplicabilidade das normas existentes para concretos
expostos ao fogo devem ser reconhecidas a fi m de reduzir a
probabilidade de uma ruptura prematura em uma situação de
incêndio. Até o momento, a quantidade de dados de ensaio
de concretos de alta resistência expostos ao fogo disponível
é insufi ciente para as diversas variáveis a serem consideradas
(resistência, permeabilidade e porosidade do concreto, tipo de
agregado, taxa de aquecimento etc.), com destaque para os
resultados obtidos a partir do ensaio tensionado que simula
a condição do elemento estrutural no caso de incêndio. Além
disso, a variação das relações tensão-deformação do concreto
de alta resistência com a temperatura deve ser estabelecida
experimentalmente e, apesar de não serem amplamente
publicadas na literatura, são essenciais para o desenvolvimento
de modelos constitutivos para predeterminar o desempenho
estrutural de concretos de alta resistência durante um incêndio
[17].
Utilização de fi bras de polipropileno
O lascamento resulta de dois processos concomitantes:
o processo termo-mecânico, associado com os gradientes de
dilatação ou retração térmicos que ocorrem dentro do elemento
exposto a altas temperaturas; e o processo termo-hídrico,
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relacionado com a transferência de massa na rede de poros
(ar, vapor e água líquida) e que resulta no desenvolvimento
de altas pressões. Assim, o lascamento do concreto ocorre
por um processo termo-hidro-mecânico [24, 26-30]. O
processo termo-mecânico está associado diretamente com o
gradiente de temperatura no elemento de concreto, que induz
a tensões de compressão próximas a superfície aquecida
e a tensões de tração nas regiões internas do corpo. Além
disso, existem as incompatibilidades de deformação entre
a pasta de cimento e os agregados: enquanto os agregados
dilatam com o aumento da temperatura, a pasta de cimento
retrai devido à perda de água por secagem ou desidratação
e pela degradação química, que começa principalmente
a partir de 180 °C [24, 26]. O processo termo-hídrico está
associado com a transferência de massa (água líquida, vapor
d’água e ar). À medida que a temperatura aumenta, a água
é parcialmente evaporada, gerando uma pressão na rede de
poros. A baixa difusividade térmica do concreto resulta em
um acentuado gradiente de temperatura próximo a superfície
aquecida, fazendo com que o fl uxo de umidade ocorra tanto
para fora quanto para dentro do elemento. O vapor d’água e o
ar são parcialmente direcionados para a superfície aquecida,
mas eles também migram para o centro do elemento onde
o vapor condensa novamente assim que as condições
termodinâmicas são satisfeitas, resultando em uma camada
quase-saturada. Depois de algum tempo, o elemento de
concreto contém, a partir da superfície aquecida: a) uma
região seca e desidratada, b) uma região em processo de
secagem e desidratação e c) uma camada quase-saturada que
atua como uma parede impermeável, enquanto o restante do
elemento estrutural não é alterado. Assim, quanto menor a
permeabilidade do material, mais rápido – e mais próximo
à superfície aquecida – o obstáculo de umidade (camada
quase-saturada) é gerado e maior a pressão e o seu gradiente
resultantes [24, 26]. A migração da umidade é determinada
pelos gradientes de temperatura, pressão nos poros e
concentração de umidade [24]. A consideração de um
gradiente de temperatura dentro da amostra é uma função
das propriedades térmicas do material e das mudanças
físico-químicas que ocorrem durante o aquecimento. O
desenvolvimento de um gradiente de pressão, associado às
transferências de massa e de energia, atinge um máximo com
o tempo, comprovando a progressão da frente de secagem-
desidratação para o interior da amostra. Este gradiente
também é controlado pela permeabilidade do concreto ao
gás e ao líquido. Como uma conseqüência direta do aumento
da temperatura, a perda de massa é associada principalmente
à perda de água, eliminada no estado de vapor, cuja cinética
é controlada principalmente pela permeabilidade do
concreto localizado entre a superfície aquecida e a frente de
secagem-desidratação [27]. De acordo com Sullivan [31],
existem dois tipos de lascamento: o normal (progressivo) e o
explosivo, cujos mecanismos são completamente distintos.
O lascamento normal acontece quando a resistência à tração
do concreto é alcançada na superfície da amostra durante o
aquecimento, promovendo a fi ssuração e, conseqüentemente,
o desprendimento de material. Este é um tipo de ruptura
dúctil, já que aparecem fi ssuras prévias na superfície da
amostra. Por outro lado, o lascamento explosivo é uma
ruptura frágil e que ocorre repentina e violentamente. Este é
promovido pelas tensões e deformações impostas à estrutura
do gel de C-S-H, desenvolvendo elevadas energias dentro da
estrutura. Estas tensões não são necessariamente de tração,
podendo ser também de compressão ou uma combinação
de ambas, já que a restrição ao movimento de um elemento
pode aumentar a probabilidade do lascamento explosivo.
Devido à elevada perda de massa de concreto durante a
ação do fogo, o lascamento expõe as camadas mais internas
às altas temperaturas, aumentando a taxa de transmissão
de calor para o interior do elemento e para a armadura.
Assim, a integridade e a capacidade portante da estrutura de
concreto podem ser prejudicadas, as armaduras de reforço
podem ser expostas diretamente ao fogo e a estrutura inteira
fi ca comprometida (ruptura). A cinética e a amplitude do
processo de lascamento são controladas pelas propriedades
dos materiais, assim como pelas características do elemento
estrutural e das solicitações térmicas e mecânicas. As
propriedades dos materiais incluem as propriedades
de transferência de calor e de massa (condutividade e
capacidade térmica, permeabilidade ao vapor e à água
líquida) e mecânicas (resistência, fl uência térmica etc.), as
quais evoluem signifi cativamente durante a solicitação do
elemento devido às mudanças na microestrutura (porosidade,
distribuição granulométrica dos poros, microfi ssuração) e
dependem do teor de umidade e da dilatação térmica dos
agregados. Em uma escala maior, o tamanho e a forma do
elemento estrutural também determinam os gradientes de
temperatura e de umidade e, dessa maneira, toda a história
termo-hidro-mecânica. Assim, o lascamento é um processo
cuja complexidade é originada pelo conjunto dos processos
térmicos, hídricos, químicos e mecânicos, além das leis
que os governam [4, 20, 26]. De acordo com Phan e Carino
[18], a temperatura no centro de uma amostra de concreto,
quando o lascamento explosivo é observado, varia entre
200 °C e 325 °C e o tempo do lascamento coincide com o
tempo no qual existe uma grande diferença de temperatura
entre a superfície e o centro da amostra. Assim, enquanto a
pressão nos poros pode ser a causa principal do lascamento
explosivo, a presença de tensões induzidas termicamente
pode ter um efeito secundário (mas signifi cativo) sobre este
tipo de ruptura do material [21]. É importante destacar que
é possível verifi car variações para a faixa de temperatura
na qual ocorre o lascamento, sendo ela defi nida de acordo
com os fatores que infl uenciam o fenômeno, ou seja, a
estrutura de poros do concreto, o teor de umidade, a taxa
de aquecimento, a confi guração da amostra etc. [5]. A
possibilidade da ocorrência do lascamento é maior com a
redução da relação água/cimento ou com a densifi cação
adicional da matriz pela incorporação de adições minerais,
além das tensões entre o agregado e a pasta de cimento que
são geradas em função de suas incompatibilidades térmicas
[1]. Normalmente, a combinação de baixa permeabilidade,
baixa porosidade, baixa condutividade térmica e alto teor de
umidade leva ao aumento da tendência ao lascamento [10].
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O lascamento explosivo acontece nos primeiros estágios de
um incêndio sob a ação combinada da pressão nos poros e
das tensões térmicas. As fi ssuras se desenvolvem paralelas
à superfície quando a soma das tensões excede a resistência
de tração do material. Isto é acompanhado pela liberação
repentina de energia e uma violenta ruptura da região
aquecida (Fig. 3) [24].
O lascamento em elementos de concreto convencional
pode ser evitado pela correta seleção das dimensões, da forma
da seção transversal, da distribuição das tensões mecânicas
e do arranjo da armadura, em conjunto com sua secagem.
Porém, a experiência prática e os ensaios dos materiais
mostram que o lascamento de elementos de concreto de
alta resistência sempre ocorre quando há exposição ao
fogo, mesmo para baixas taxas de aquecimento. A principal
razão para isso é que a matriz densa destes concretos (com
permeabilidade extremamente baixa) impede a saída do
vapor d’água gerado com as altas temperaturas. Com isto,
pressões de vapor são geradas dentro dos poros da matriz,
que aumentam com o aquecimento; as pressões geradas
nos poros continuam a aumentar até que estas promovem
o lascamento explosivo do concreto aquecido [2, 17]. A
tendência ao lascamento explosivo de concretos de alta
resistência indica que elementos estruturais produzidos
com estes materiais podem ser mais susceptíveis à perda do
cobrimento que fornece proteção térmica à armadura [18].
Isto pode ser evitado pela introdução de um sistema capilar
artifi cial dentro da massa de concreto destes elementos, o
qual pode ser obtido durante ou após o endurecimento do
material (sem prejudicar as propriedades inicialmente
desejadas) ou sob a infl uência do fogo. Este procedimento
pode ser alcançado com a introdução de fi bras de baixo
ponto de fusão que formam capilares por meio da dissolução,
amolecimento, decomposição, retração ou fusão, cujos
benefícios podem ser maximizados pela forma (diâmetro
e comprimento) das fi bras e quantidade incorporada [4,
10]. Devido à quantidade de fatores envolvidos, as fi bras
podem ser corretamente distribuídas por toda a matriz do
concreto, ao redor das partículas de agregados e ainda nas
camadas de contorno dos elementos [32]. Por possuírem
um baixo módulo de elasticidade, as fi bras de polipropileno
não evitam a formação e a propagação de trincas sob altos
níveis de tensões [32]. Porém, sua utilização em concreto
reduz consideravelmente a ocorrência de lascamento no
material quando exposto ao fogo, sendo este efeito função
da densidade da matriz (relação água/cimento), da umidade
inicial das amostras, do tipo e da quantidade de agregado
e do tipo, espessura e comprimento das fi bras e da taxa de
aquecimento adotada [1, 14, 15, 33]. Como as fi bras de
polipropileno fundem próximo a 170 °C, elas têm um efeito
signifi cativo sobre o comportamento hidráulico do concreto
sob altas temperaturas, ou seja, nesta temperatura inicia-se
a formação de uma rede permeável que permite a migração
dos gases para o exterior, reduzindo a pressão nos poros do
material e, conseqüentemente, eliminando a possibilidade
de ocorrência do lascamento explosivo nos concretos de alta
resistência [10, 22, 27, 28].
A permeabilidade do concreto é determinada por
sua microestrutura e/ou porosidade e é esta propriedade
que controla a expulsão de água do material submetido a
temperaturas variadas. Dessa maneira, a estrutura de poros
e o teor de aglomerante têm um efeito considerável sobre o
comportamento de concretos expostos ao fogo, especialmente
sobre o lascamento observado sob altas temperaturas.
Como a incorporação de fi bras altera a microestrutura
de um concreto, as propriedades inerentes dos diferentes
tipos de fi bras também infl uenciam as propriedades destes
materiais sob ação do fogo [10, 34]. Os efeitos da fusão e da
degradação das fi bras contribuem para o aumento do volume
de poros. Como a espessura da fi bra corresponde à espessura
da zona de interface, a utilização destas aparentemente
introduz uma zona de interface adicional, resultando em
uma maior permeabilidade do concreto [29]. Assim, para
que as fi bras de polipropileno contribuam com o aumento
da permeabilidade quando fundidas, dois critérios devem
ser obedecidos: pelo menos uma parte das fi bras deve ser
Figura 3: Lascamento devido à combinação dos mecanismos
de pressão nos poros e tensões térmicas [24].
[Figure 3: Spalling due to the combination of pore pressure
and thermal stress mechanisms [24].]
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absorvida pela matriz cimentícia circundante; e as fi bras
devem constituir uma rede conectada, seja sozinha ou em
conjunto com outros vazios mais permeáveis que a matriz
[27].
Os mecanismos potenciais para o alívio da pressão
nos poros de concretos aquecidos induzidos pela presença
de fi bras de polipropileno podem ser de duas formas: os
reservatórios descontínuos (bolhas de ar e microfi ssuras)
para acomodar o vapor em expansão e os canais contínuos
para a migração do vapor de umidade. A efi ciência dos
mecanismos de alívio de pressão não depende apenas das
características do material polipropileno, mas também
das características da própria fi bra relacionadas com
suas dimensões. Considerações importantes incluem a
utilização de monofi lamentos lisos de pequenos diâmetros
e comprimento adequado para permitir uma boa dispersão
das fi bras e a interconectividade entre elas. Os parâmetros
que podem ser signifi cantes para a criação de reservatórios
e canais contínuos são a área superfi cial gerada e o
comprimento linear adicional obtido, os quais dependem do
teor de fi bra [24].
Como as fi bras de polipropileno possuem uma superfície
hidrofóbica e um módulo de elasticidade menor que a matriz
de cimento, a existência de uma adesão físico-química entre
a fi bra e a matriz é normalmente descartada [35]. Para
superar essa difi culdade, fi bras de polipropileno especiais
estão sendo desenvolvidas para a utilização em materiais à
base de cimento, onde dois mecanismos contribuem com a
ligação: a adesão interfacial e o ancoramento mecânico. Os
efeitos da adesão são mais importantes para o aumento da
resistência ao início da fi ssuração, enquanto o ancoramento
mecânico tem maior importância para a zona pós-fi ssuração,
pois a ligação fi bra-matriz deve permanecer efetiva para
grandes deslocamentos à medida que a fi bra é sacada da
matriz [36]. As fi bras de polipropileno sofrem mudanças de
fases diretas à medida que são aquecidas, iniciando com a
fase de transição vítrea (amolecimento), seguida pela fase
de fusão endotérmica que inicia a 150 °C, atinge o pico a
165 °C e se completa a 176 °C. Na fusão, uma fi bra contrai
no comprimento e expande na largura, resultando em um
aumento de volume total de 7%. A fusão é seguida por uma
pirólise endotérmica envolvendo a quebra da cadeia principal
de carbono em moléculas menores. A pirólise detectável
começa aproximadamente a 325 °C com a liberação de
vapores de hidrocarbonetos, atinge o pico próximo a 460
°C e completa a 475 °C. Os produtos voláteis entram em
combustão a 550 °C na presença de oxigênio, mas quando
expostos diretamente a chama, a combustão acontece
entre 350 °C e 400 °C. Durante um incêndio, a combustão
acontece preferencialmente para vapores de hidrocarbonetos
liberados a partir da superfície do concreto [30]. Assim,
as transformações das fi bras de polipropileno no concreto
aquecido ocorrem dentro de um ambiente físico, químico,
térmico, hídrico e mecanicamente complexo. A presença
das fi bras de polipropileno infl uencia preferencialmente
a distribuição de umidade e a pressão nos poros dentro do
concreto tanto no espaço quanto no tempo. Os gradientes
de temperatura também são infl uenciados pelo transporte de
energia promovido pela migração de umidade e pelas reações
de calor das fi bras [24]. As propriedades típicas de uma fi bra de
polipropileno incluem: densidade de 0,90 g/cm3, resistência
à tração entre 550 MPa e 690 MPa, módulo de elasticidade
de 3,40 GPa e alongamento no escoamento de 15% [9].
Quimicamente, esta fi bra apresenta uma boa resistência aos
ácidos e aos álcalis, porém é susceptível à oxidação (por
isto as fi bras comercializadas são estabilizadas contra essa
reação) [30]. Do ponto de vista industrial, uma dosagem de
fi bra de 2 kg/m3 de concreto, com comprimento entre 10 mm
e 20 mm e diâmetro entre 50 μm e 200 μm normalmente é
adotada como regra para evitar o lascamento em concretos
de alta resistência. Porém, estes valores não são otimizados
e não podem ser extrapolados para uma ampla variação de
concreto – com maior resistência, menor permeabilidade ou
partículas menores – sem se conhecer exatamente como a
fi bra atua, em particular quando ela própria não constitui
uma rede interconectada [27]. Os resultados de ensaios
desenvolvidos por diversos pesquisadores e apresentados
na literatura indicam efeitos contraditórios da adição de
fi bra de polipropileno sobre as resistências à compressão e
à tração do concreto, sendo essas diferenças atribuídas às
variações na composição da matriz, no tipo e na quantidade
de fi bra adicionada, nas condições de produção do material
e nos métodos de ensaio adotados [37]. A incorporação
de fi bra de polipropileno não resulta necessariamente em
uma redução signifi cativa da resistência, mesmo que ela
vaporize sob altas temperaturas [11]; porém verifi ca-se que a
resistência fi nal de concretos incorporados com essas fi bras
mostra uma redução bem defi nida em função da temperatura
máxima de exposição. Isso pode ser explicado pelos vazios
criados durante a fusão da fi bra, que resultam em um
material com baixa resistência. Isto ocorre pela conversão
dos vazios ocupados pelas fi bras em microfi ssuras que
podem causar a ruptura prematura sob tensões de tração
e pela dispersão insufi ciente das fi bras durante o processo
de mistura, criando uma estrutura de múltiplos fi lamentos
no concreto que aumentam a porosidade local e, assim, a
resistência diminui [9, 15]. A incorporação de fi bras de
polipropileno não implica no aumento da tenacidade do
concreto quando comparado com os valores obtidos para
concreto sem fi bras após exposição a 600 °C, porém, após
800 °C, valores menores são obtidos para estes concretos
quando comparado às misturas sem fi bras. Isto indica que as
fi bras de polipropileno contribuem pouco com a capacidade
de absorção de energia dos concretos após exposição às altas
temperaturas, embora elas melhorem levemente a tenacidade
dos concretos sem aquecimento. Enquanto a perda de dureza
do concreto é muito mais rápida após exposição às altas
temperaturas, a perda de tenacidade é mais lenta quando
comparada com a perda de resistência à compressão [15].
Além disso, verifi ca-se uma diferença signifi cativa entre a
porosidade de concretos com e sem a incorporação de fi bras
de polipropileno após exposição a temperaturas superiores a
200 °C, o que pode resultar em uma menor pressão de vapor
nos primeiros instantes da exposição ao calor, indicando um
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menor risco ao lascamento no caso de um incêndio acidental
[10]. Assim, além do efeito positivo sobre o lascamento
de concretos expostos às altas temperaturas, as fi bras de
polipropileno reduzem a trabalhabilidade e a exsudação de
água para a superfície do concreto, evitando a segregação
quando no estado fresco e aumentam a resistência à tração, a
capacidade de deformação na tração e a resistência ao gelo-
degelo do concreto quando no estado endurecido. Com isto,
nos últimos anos, as fi bras de polipropileno têm ganhado
popularidade e têm sido adicionadas em pequenas frações
à mistura de concreto para reduzir a fi ssuração por retração
(plástica e por secagem) [9, 30].
CONCLUSÕES
Apesar de o concreto ser considerado resistente à ação
do fogo, verifi ca-se que, na prática, o desempenho deste
material é prejudicado pelas altas temperaturas. Além disso,
os comportamentos do concreto convencional e do concreto
de alta resistência sob altas temperaturas são distintos.
Os concretos de alta resistência apresentam uma maior
sensibilidade às altas temperaturas devido à sua porosidade
reduzida, sendo as duas diferenças principais relacionadas
com a perda relativa das propriedades mecânicas
(resistência à compressão e módulo de elasticidade) e com a
ocorrência do lascamento explosivo na faixa de temperatura
entre 100 °C e 400 °C. Com isso surgem dúvidas sobre a
aplicabilidade das normas existentes para o projeto de
estruturas de concretos de alta resistência expostas à ação
do fogo, uma vez que elas são amplamente baseadas no
comportamento de concretos convencionais. Assim, dada
a crescente utilização dos concretos de alta resistência, as
diferenças de comportamento observadas entre os concretos
e a inaplicabilidade das normas existentes para o projeto
de estruturas de concretos de alta resistência expostas
à ação do fogo, estudos contínuos devem ser efetuados
sobre o comportamento destes materiais expostos às altas
temperaturas a fi m de se evitar uma grande probabilidade de
colapso em situação real de incêndio.
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