Testes de Concreto Endurecido em Tração

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Em um laboratório anterior focado em concreto em compressão, observamos que o concreto pode suportar tensões muito grandes sob forças compressivas uniaxiais. No entanto, as falhas observadas não foram falhas compressivas, mas falhas ao longo de planos de cisalhamento onde ocorrem forças máximas de tração. Assim, é importante compreender o comportamento concreto na tensão e, particularmente, sua força máxima, pois isso governará tanto seu comportamento final quanto o de serviço. Do ponto de vista final, combinações de tensão e tensões de tesoura levarão a rachaduras e falhas imediatas e catastróficas. Por essa razão, o concreto raramente é usado em uma condição não reforçada em aplicações estruturais; a maioria dos membros de concreto será reforçada com aço para que essas rachaduras possam ser paradas e as larguras de crack limitadas. Este último é importante do ponto de vista da manutenção, pois controlar as larguras e a distribuição de crack é a chave para a durabilidade, pois isso impedirá que sais de desicação e produtos químicos similares penetram e corroam o aço de reforço.

Os objetivos deste experimento são três vezes: (1) realizar testes de cilindro dividido de tração para determinar a resistência à tração de concreto, (2) realizar testes de feixe para determinar a resistência à tração de concreto, e (3) demonstrar a influência do reforço de aço no comportamento, comparando o comportamento do feixe levemente reforçado com um não reforçado.

A capacidade de tração (f_t)de um material composto frágil como o concreto está frequentemente na faixa de 1/10 de sua capacidade de compressão (f'c). Esse comportamento é impulsionado pela existência de uma camada muito fraca, chamada zona de transição interfacial (ITZ), entre a argamassa e o agregado. Esta camada muito fina (apenas cerca de 40 μm ou mais) contém menos hidratação de cimento e silicatos de cálcio (C-S-H) do que a argamassa, mas cristais mais grandes orientados de hidróxido de cálcio (C-H) bem como hidratos trissulfatos (ou ettringite, as estruturas longas semelhantes à agulha). Ambos os fatores contribuem para uma maior porosidade nessa camada e, portanto, para uma menor resistência. Além disso, o fato de que o espaçamento médio entre partículas agregadas é de apenas 2 a 2,5 vezes a espessura do ITZ, significa que uma quantidade muito significativa da argamassa, por algumas estimativas até 40%, é composta por esse material mais fraco.

O comportamento frágil do concreto é impulsionado pelo crescimento de microcracks que se propagam a partir de concentrações de estresse que ocorrem entre o agregado e a argamassa. Qual é, conceitualmente, o estado de estresse em torno de uma partícula agregada redonda idealizada como carga compressiva é aplicada? À medida que a compressão tenta "fluir" ao redor da partícula e o vetor de força se torna inclinado, as forças de tração se desenvolvem na direção horizontal. Essas forças são mais altas na interface devido às concentrações de estresse. A combinação de grandes forças de tração e um ITZ fraco levam a rachaduras preferenciais nesta área.

À medida que o estresse compressivo aumenta em um teste de cilindro, essas rachaduras começam a crescer e se propagar como resultado das tensões de tração transversa, das microcracks iniciais existentes e da presença do FRACO ITZ. O crescimento da rachadura se tornará instável à medida que o concreto atinge sua força máxima, e o concreto perderá sua capacidade de manter a força muito rapidamente à medida que as rachaduras se propagam em grande velocidade. Isso resulta em comportamento frágil global para concreto, bem como para muitos materiais cerâmicos semelhantes com zonas de interface fracas.

A característica baixa capacidade de tração do concreto também torna um teste de tensão direta muito difícil de realizar, pois espécimes convencionais de tração tendem a falhar nas garras devido às concentrações de estresse. Uma solução elegante em torno deste problema é testar cilindros do seu lado. Esse método é chamado de cilindro dividido, ou teste brasileiro. Neste teste, à medida que se afasta das cabeças de carregamento, onde há um estado complexo de estresse, um campo de estresse de tração horizontal uniforme se desenvolverá. Como o concreto é fraco em tensão, isso levará a uma rachadura vertical e à divisão do cilindro. A partir de estudos estatísticos, espera-se que o teste do cilindro dividido dê capacidades de tração na ordem de 6√f'c.

Outra maneira indireta de testar concreto em tensão é usar uma amostra de feixe curto em uma configuração de teste de dobra de quatro pontos. A porção central do feixe está em constante momento e zero de tesoura, e assim uma relação simples pode ser derivada entre a carga de falha, as propriedades geométricas e a resistência à tração do feixe usando princípios teóricos elásticos. O feixe falhará repentinamente assim que uma rachadura se formar na parte inferior e não tiver força residual. Embora seja sabido que, ao falhar, a distribuição de cepas através da profundidade do feixe de concreto não segue muito as da teoria elástica, essa inconsistência é geralmente considerada como de pouca influência nos resultados finais. A partir de estudos estatísticos, espera-se que o teste de tração do feixe dê capacidades de tração na ordem de 7,5√f'c.

A falha súbita e frágil observada no teste do feixe de concreto seria inaceitável em qualquer aplicação prática, onde a ductilidade e a força residual para transportar pelo menos cargas gravitacionais são necessárias. O reforço de aço é adicionado na parte inferior (ou lado da tração) do feixe para evitar tais falhas bruscas; à medida que o concreto começa a rachar, o aço começará a ocupar as forças de tração. A técnica funciona desde que as barras, que possuem deformações superficiais para ajudá-las a transferir forças do concreto, estejam devidamente ancoradas. No caso de um feixe curto como o que será testado aqui, isso será realizado fornecendo um gancho no final das barras. Além disso, como rachaduras de tesoura diagonal podem ocorrer perto da profundidade média do feixe, estribos verticais são geralmente fornecidos. Finalmente, devido à natureza indeterminada das estruturas de concreto armado, é difícil saber com certeza onde a tensão e a compressão estarão em um feixe sob um determinado conjunto de cargas. Por essa razão, as barras também serão colocadas no topo, resultando na típica gaiola de aço que é vista na maioria das vigas em estruturas de concreto armado.

1. Teste de tensão dividida

1. Para este teste, use os cilindros de amostra que foram previamente preparados (veja o vídeo JoVE "Testes em concreto fresco"). Obtenha duas tiras finas de madeira de balsa ou similares (cerca de 1/8" grosso x 1" largo x 8' longo) para ajudar a distribuir as cargas nos cilindros.
2. Meça as dimensões dos dois cilindros. Desenhe uma linha ao longo do diâmetro em cada extremidade do espécime bisseccionando o cilindro.
3. Centralizar uma faixa ao longo do centro do bloco de rolamento inferior da máquina de teste.
4. Coloque o cilindro na tira e alinhe para que as linhas marcadas nas extremidades do espécime sejam verticais e centradas sobre a tira.
5. Coloque uma segunda tira longitudinalmente no cilindro.
6. Abaixe a cabeça de carregamento superior da máquina de teste até que o conjunto esteja fixado na máquina.
7. Estimar o carregamento máximo que o espécime pode tomar assumindo que a resistência à tração é de 6√f'c , onde f 'c é a força compressiva de concreto nominal.
8. Aplique a carga compressiva lentamente (em torno de 100 psi a 200 psi por min.) e continuamente até que o espécime falhe em tensão dividida.
9. Regisso máximo aplicado.
10. Examine a superfície da fratura e estime a porcentagem de agregado que fraturou.

2. Teste de tensão do feixe

1. Construa um feixe de concreto com uma seção transversal de 4 in. x 4 e 36 in.
2. Instale um aparelho de teste de dobra de 4 pontos na máquina de teste.
3. Levante cuidadosamente o feixe e instale-o no conjunto de testes.
4. Ligue a máquina de teste e ative o software para ler carga e deformações.
5. Estimar o carregamento máximo que a amostra pode tomar assumindo que a resistência à tração é de 7,5√f'c e aplique a carga compressiva lentamente (em torno de 100 psi a 200 psi por minuto.) e continuamente até que o espécime falhe.
6. Regisso máximo aplicado.
7. Examine a superfície da fratura e estime a porcentagem de agregado que fraturou.

3. Teste de feixe reforçado

1. Construa um feixe de concreto, reforçado com duas barras #3 (3/8 de diâmetro) localizadas a cerca de 0,5 0 in. da parte inferior. As barras têm ganchos nas extremidades para evitar uma falha na retirada do bar. O feixe é de 4 polegadas x 4 polegadas em seção transversal com um comprimento de 36 polegadas sem suporte.
2. Instale um aparelho de teste de dobra de 4 pontos na máquina de teste.
3. Levante cuidadosamente o feixe e instale-o no conjunto de testes.
4. Ligue a máquina de teste e ative o software para ler carga e deformações.
5. Estimar o carregamento máximo que a amostra pode tomar assumindo que a resistência à tração é de 7,5√f'c e aplique a carga compressiva lentamente (em torno de 100 psi a 200 psi por minuto.) e continuamente até que o espécime falhe.
6. Regissocreve a carga aplicada e as deformações à medida que o teste progride.

A resistência à tração para a carga compressiva máxima alcançada durante o teste de tração dividida é dada pela seguinte fórmula:
f_t = 2Pmax/ (πDL)
onde D é o diâmetro (polegadas), L é o comprimento (polegadas), e Pmax é a carga compressiva máxima (lb.) alcançada durante o teste de tração. Para estes testes, a média foi de 388 psi com desvio padrão de 22,2 psi (Tabela 1).

Teste #	(psi)	P (lbs)	(psi)
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		Média =	388.07	5.61
		St. Dev.	22.20	0.32

Mesa 1. Resultados para o teste de tração dividida.

A força de tração para a carga compressiva máxima alcançada durante o teste de tração do feixe é dada pela seguinte fórmula:
f_t = P_maxL/ (bd²)
onde d é a profundidade (polegadas), b é a largura, L é o comprimento (polegadas), e P_max é a carga compressiva máxima (lb.) alcançada durante o teste de tração. Esta fórmula é válida para o caso em que as cargas são aplicadas no terceiro ponto. Para esses testes, a média foi de 522,9 psi (Tabela 2).

Teste #	(psi)	P (lbs)	(psi)
1	4780	2675	501.6	7.3
2	4780	2903	544.3	7.9
		Média =	522.9	7.6
		St. Dev.	30.23	0.44

Mesa 2. Resultados para o teste de tração do feixe.

A curva de deflexão de carga para as vigas de concreto não reforçadas e reforçadas é mostrada na Fig. 1. O feixe não forçado provavelmente seguiu o mesmo caminho de carga inicialmente, mas falhou assim que a rachadura inicial ocorreu. O reforçado mostra uma leve descontinuidade quando ocorreram o cracking inicial e uma rigidez ligeiramente menor à medida que começa a pegar a carga novamente em sua condição rachada. A carga continua para aumentar até que o concreto comece a ceder, quando a curva começa a se achatar. No entanto, como o aço é muito dúctil e endurece a tensão, a carga continuará a aumentar ligeiramente e a falha ocorrerá em deformações muito grandes quando o concreto em cima esmaga.

Figura 1: Comparação das curvas de deflexão de carga para vigas de concreto não reforçadas (azul) e reforçadas (vermelhas) em (a) pequenas cargas e (b) grandes cargas (curvas completas).

O teste demonstrou a natureza frágil das falhas de tração no concreto e mostrou que a resistência à tração é apenas uma fração (1/8 a 1/12) a da força compressiva. Falhas frágeis desse tipo podem ter consequências catastróficas para a segurança humana e, portanto, todas as estruturas de concreto precisam ser reforçadas com barras de aço (ou similares) para tomar forças de tração. Uma comparação da curva de deformação de carga para os feixes não reforçados e reforçados indicam não apenas que este último possui maior força, mas também uma grande capacidade de deformação.

A chave para a segurança e o desempenho a longo prazo das estruturas de concreto é fornecer reforço de aço em áreas de alto estresse de tração e corte. Em geral, a quantidade de aço necessária para atingir essa meta é pequena, na ordem de 1%-1,5% da área do trecho transversal de concreto. Essa pequena quantidade significa que estruturas de concreto podem ser econômicas, seguras e proporcionar uma boa manutenção. Além disso, a capacidade de lançar concreto em qualquer forma desejada dá ao arquiteto grande margem de manobra no desenvolvimento de estruturas esteticamente agradáveis.