O concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) é um novo tipo de material compósito que pode ser moldado e projetado adicionando-se uma quantidade adequada de fibras curtas de aço ao concreto comum. Nos últimos anos, seu desenvolvimento tem sido rápido tanto no Brasil quanto no exterior. Ele supera as desvantagens do concreto, como baixa resistência à tração, pequeno alongamento na ruptura e fragilidade. Apresenta excelentes propriedades, como resistência à tração, resistência à flexão, resistência ao cisalhamento, resistência à fissuração, resistência à fadiga e alta tenacidade. Tem sido aplicado em engenharia hidráulica, rodovias e pontes, construção civil e outras áreas da engenharia.

 

一．Desenvolvimento de concreto reforçado com fibras de aço

 

Concreto reforçado com fibras (CRF) é a abreviação de concreto reforçado com fibras. Geralmente, é um compósito à base de cimento composto por pasta de cimento, argamassa ou concreto e materiais reforçados com fibras metálicas, fibras inorgânicas ou fibras orgânicas. É um novo material de construção formado pela dispersão uniforme de fibras curtas e finas com alta resistência à tração, alto alongamento na ruptura e alta resistência a álcalis na matriz de concreto. As fibras no concreto podem limitar a geração de fissuras precoces e a propagação subsequente de fissuras sob a ação de forças externas, superando eficazmente os defeitos inerentes do concreto, como baixa resistência à tração, facilidade de fissuração e baixa resistência à fadiga, e melhorando significativamente o desempenho de impermeabilidade, resistência à água, resistência ao gelo e proteção da armadura do concreto. O concreto reforçado com fibras, especialmente o concreto reforçado com fibras de aço, tem atraído cada vez mais atenção nos círculos acadêmicos e de engenharia na aplicação prática devido ao seu desempenho superior. Em 1907, o especialista soviético B. P. Hekpocab começou a utilizar concreto reforçado com fibras metálicas; Em 1910, H.F. Porter publicou um relatório de pesquisa sobre concreto reforçado com fibras curtas, sugerindo que fibras curtas de aço deveriam ser dispersas uniformemente no concreto para fortalecer os materiais da matriz; em 1911, Graham, dos Estados Unidos, adicionou fibras de aço ao concreto comum para melhorar a resistência e a estabilidade do concreto; na década de 1940, os Estados Unidos, a Grã-Bretanha, a França, a Alemanha, o Japão e outros países realizaram muitas pesquisas sobre o uso de fibras de aço para melhorar a resistência ao desgaste e à fissuração do concreto, a tecnologia de fabricação do concreto com fibras de aço e o aprimoramento da forma das fibras de aço para melhorar a aderência entre a fibra e a matriz de concreto; em 1963, J.P. Romualdi e G.B. Batson publicaram um artigo sobre o mecanismo de propagação de fissuras em concreto confinado com fibras de aço e concluíram que a resistência à fissuração do concreto reforçado com fibras de aço é determinada pelo espaçamento médio das fibras de aço, que desempenha um papel eficaz na tensão de tração (teoria do espaçamento das fibras), iniciando assim a fase de desenvolvimento prático desse novo material compósito. Até o momento, com a popularização e aplicação do concreto reforçado com fibras de aço, devido à diferente distribuição das fibras no concreto, existem principalmente quatro tipos: concreto reforçado com fibras de aço, concreto reforçado com fibras híbridas, concreto reforçado com fibras de aço em camadas e concreto reforçado com fibras híbridas em camadas.

 

sim.Mecanismo de reforço do concreto reforçado com fibras de aço

 

1. Teoria da mecânica dos compósitos. A teoria da mecânica dos compósitos baseia-se na teoria dos compósitos de fibras contínuas e é combinada com as características de distribuição das fibras de aço no concreto. Nessa teoria, os compósitos são considerados compósitos bifásicos, com a fibra como uma fase e a matriz como a outra.

 

Teoria do espaçamento das fibras. A teoria do espaçamento das fibras, também conhecida como teoria da resistência à fissuração, é proposta com base na mecânica da fratura elástica linear. Essa teoria sustenta que o efeito de reforço das fibras está relacionado apenas ao espaçamento uniforme entre as fibras (espaçamento mínimo).

 

三．Análise do estado de desenvolvimento do concreto reforçado com fibras de aço

 

1.Concreto reforçado com fibra de aço.O concreto reforçado com fibras de aço é um tipo de concreto armado relativamente uniforme e multidirecional, formado pela adição de pequenas quantidades de fibras de aço de baixo carbono, aço inoxidável e PRFV (Plástico Reforçado com Fibras) ao concreto comum. A quantidade de fibras de aço na mistura é geralmente de 1% a 2% em volume, enquanto 70 a 100 kg de fibras de aço são adicionados a cada metro cúbico de concreto, em peso. O comprimento das fibras de aço deve ser de 25 a 60 mm, o diâmetro de 0,25 a 1,25 mm, e a relação ideal entre comprimento e diâmetro deve ser de 50 a 700. Comparado ao concreto comum, o concreto reforçado com fibras de aço não só melhora a resistência à tração, ao cisalhamento, à flexão, ao desgaste e à fissuração, como também aumenta significativamente a tenacidade à fratura e a resistência ao impacto, além de melhorar consideravelmente a resistência à fadiga e a durabilidade da estrutura, especialmente a tenacidade, que pode aumentar de 10 a 20 vezes. As propriedades mecânicas do concreto reforçado com fibras de aço e do concreto comum são comparadas na China. Quando o teor de fibra de aço é de 15% a 20% e a relação água/cimento é de 0,45, a resistência à tração aumenta de 50% a 70%, a resistência à flexão aumenta de 120% a 180%, a resistência ao impacto aumenta de 10 a 20 vezes, a resistência à fadiga por impacto aumenta de 15 a 20 vezes, a tenacidade à flexão aumenta de 14 a 20 vezes e a resistência ao desgaste também é significativamente melhorada. Portanto, o concreto reforçado com fibra de aço apresenta melhores propriedades físicas e mecânicas do que o concreto convencional.

2. Concreto híbrido de fibra. Dados de pesquisas relevantes mostram que a fibra de aço não promove significativamente a resistência à compressão do concreto, podendo até mesmo reduzi-la. Comparado ao concreto simples, há opiniões divergentes (aumento e diminuição) ou mesmo resultados intermediários sobre a impermeabilidade, resistência ao desgaste, resistência ao impacto e à retração plástica precoce do concreto reforçado com fibra de aço. Além disso, o concreto reforçado com fibra de aço apresenta alguns problemas, como a necessidade de grandes dosagens, o alto custo, a ferrugem e a quase inexistência de resistência à ruptura causada pelo fogo, o que tem afetado sua aplicação em diferentes graus. Nos últimos anos, alguns pesquisadores nacionais e estrangeiros começaram a se dedicar ao concreto híbrido com fibras (CHF), buscando misturar fibras com diferentes propriedades e vantagens, aprendendo umas com as outras e explorando o "efeito híbrido positivo" em diferentes níveis e estágios de carregamento para aprimorar diversas propriedades do concreto, de modo a atender às necessidades de diferentes projetos. No entanto, considerando suas diversas propriedades mecânicas, especialmente sua deformação e danos por fadiga, a lei de desenvolvimento da deformação e as características de danos sob cargas estáticas e dinâmicas e cargas cíclicas de amplitude constante ou variável, a quantidade e a proporção ideais de mistura de fibras, a relação entre os componentes dos materiais compósitos, o efeito e o mecanismo de reforço, o desempenho antifadiga, o mecanismo de falha e a tecnologia de construção, os problemas relacionados ao projeto da proporção da mistura precisam ser mais estudados.

3. Concreto reforçado com fibras de aço em camadas.O concreto monolítico reforçado com fibras não é fácil de misturar homogeneamente, as fibras tendem a aglomerar, a quantidade de fibras necessária é grande e o custo é relativamente alto, o que limita sua ampla aplicação. Através de extensa pesquisa teórica e prática em engenharia, propõe-se um novo tipo de estrutura com fibras de aço: o concreto reforçado com fibras de aço em camadas (LSFRC). Uma pequena quantidade de fibras de aço é distribuída uniformemente nas superfícies superior e inferior da placa de concreto, enquanto a camada intermediária permanece com concreto liso. No LSFRC, as fibras de aço são geralmente distribuídas manualmente ou mecanicamente. As fibras de aço são longas, com uma relação comprimento/diâmetro geralmente entre 70 e 120, apresentando uma distribuição bidimensional. Sem afetar as propriedades mecânicas, esse material não só reduz significativamente a quantidade de fibras de aço, como também evita o fenômeno de aglomeração que ocorre na mistura do concreto reforçado com fibras monolítico. Além disso, a posição da camada de fibras de aço no concreto tem grande impacto na resistência à flexão. O efeito de reforço é melhor quando a camada de fibras de aço está localizada na parte inferior do concreto. Com o deslocamento da camada de fibras de aço para cima, o efeito de reforço diminui significativamente. A resistência à flexão do concreto reforçado com fibras de aço de baixa densidade (LSFRC) é mais de 35% superior à do concreto simples com a mesma proporção de mistura, embora seja ligeiramente inferior à do concreto reforçado com fibras de aço de camada única. No entanto, o LSFRC permite uma grande economia de custos com materiais e não apresenta problemas de mistura complexa. Portanto, o LSFRC é um novo material com bons benefícios socioeconômicos e amplas perspectivas de aplicação, merecendo ser popularizado e utilizado na construção de pavimentos.

 

4.Concreto híbrido de fibras em camadas.O concreto reforçado com fibras híbridas em camadas (LHFRC) é um material compósito formado pela adição de 0,1% de fibra de polipropileno à base de concreto reforçado com fibras de aço (LSFRC). Essas fibras finas e curtas, com alta resistência à tração e alto alongamento na ruptura, são distribuídas uniformemente nas camadas superior e inferior de concreto reforçado com fibras de aço e na camada intermediária de concreto convencional. O LHFRC supera a fragilidade da camada intermediária de concreto convencional e previne potenciais riscos à segurança decorrentes do desgaste das fibras de aço na superfície. Além disso, o LHFRC aumenta significativamente a resistência à flexão do concreto. Comparado ao concreto convencional, sua resistência à flexão aumenta em cerca de 20%, enquanto que, comparado ao LSFRC, o aumento é de 2,6%. No entanto, o LHFRC tem pouco efeito sobre seu módulo de elasticidade à flexão, sendo 1,3% maior que o do concreto convencional e 0,3% menor que o do LSFRC. O LHFRC também pode aumentar significativamente a resistência à flexão do concreto, sendo seu índice de resistência à flexão cerca de 8 vezes maior que o do concreto simples e 1,3 vezes maior que o do LSFRC. Além disso, devido ao desempenho diferenciado de duas ou mais fibras no LHFRC em concreto, de acordo com as necessidades da engenharia, o efeito híbrido positivo de fibra sintética e fibra de aço no concreto pode ser utilizado para melhorar consideravelmente a ductilidade, durabilidade, resistência, resistência à fissuração, resistência à flexão e resistência à tração do material, aprimorando sua qualidade e prolongando sua vida útil.

—Resumo (arquitetura Shanxi, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)