Pisos industriais e pavimentos de concreto reforçado com fibras (CFR)

O desenvolvimento da tecnologia de concepção e execução de pisos industriais com fibras têm mostrado uma clara evidência do futuro: até que não seja alterado o atual sistema de movimentação de cargas nas indústrias e centros de logística por empilhadeiras, e nas rodovias por caminhões, a indústria de materiais para construção está em constante busca por fibras de melhor desempenho e que evitem as principais ocorrências patológicas nos pavimentos construídos em concreto.

O meio técnico já entende o funcionamento do sistema de concreto com fibras, está em plena discussão de melhorias dos ensaios de controle que gerem subsídios para incremento dos modelos matemáticos para os dimensionamentos, enquanto acompanha outras utilizações de tecidos e reforços com fibras em estruturas convencionais, para verificação de seu desempenho em diversas situações.

Ensaio de resistência à tração na flexão, utilizado para obtenção das resistências residuais (tenacidade) do compósito concreto/fibra, conforme preconiza a NBR 16940/2021 – Concreto reforçado com fibras – Determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais) – Método de ensaio.

Considerando-se que, em menos de 20 anos, os pisos e pavimentos evoluíram do sistema de construção em “damas” para placas de até 70 x 70 m entre juntas, é de se esperar muito mais a cada década. Buscamos resumidamente mostrar esta evolução e sugerir uma visão do cenário neste horizonte.

Dentro da crença profissional de que: Nenhuma tecnologia possui valor se não for aplicada e traga benefícios para a humanidade;

Nenhum conhecimento será utilizado se não houver clara percepção, pelo potencial usuário, de seu benefício – tecnológico, econômico, ambiental e social.

A utilização indiscriminada de recursos naturais de fontes não renováveis migra rapidamente para o caos. A preocupação pela desconstrução das obras em execução, ao invés de sua demolição e descarte, será parte do projeto de viabilidade do empreendimento, para a continuidade da construção civil.

Apresenta-se um panorama dos conhecimentos sobre concretos estruturados com fibras, como colaboração aos colegas e leitores, para um futuro sustentável.

Os pisos industriais e pavimentos em concreto com fibras são utilizados em escala crescente no Brasil há cerca de 20 anos, e na história com registros há mais de 2.000 anos. Egípcios e Romanos já se utilizavam desta técnica – com sucesso – para a construção de vias e edificações, com os materiais e conhecimentos disponíveis na época.

Logicamente, a evolução do conhecimento dos materiais e técnicas construtivas pela cadeia de industrialização, especificação, controle e utilização, propiciou a viabilidade desta tecnologia para as necessidades atuais, como no caso dos pisos industriais e pavimentos, paredes de concreto, fachadas, pré-fabricados e túneis em escala crescente, e permite a quem milita nesta cadeia de desenvolvimento sugerir uma visão de futuro.

Conceituação

Ousando tomar e repassar os ensina- mentos da professora Maria Azevedo Noronha, de uma de suas palestras sobre este assunto, verifica-se que nos concretos sempre há esforços de tração, como se verifica, por exemplo, no ensaio de compressão de testemunhos, quando da formaformação dos cones de ruptura:

Tomado o elemento em destaque, verifica-se que no mesmo há tensões de compressão e, em consequência, de tração, motivo pelo qual há a ruptura como nas linhas esboçadas, em forma de cones.

Dentro deste elemento, tomada uma única fibra da matriz, e analisado o comportamento da mesma, encontra-se demonstrado na Figura 2.

Removido o elemento de fibra desta porção de matriz, para que o sistema esteja em equilíbrio, é necessário que a fibra esteja sob a mesma tensão que o elemento composto de onde foi removida.

Assim, pela Lei de Hooke, se a fibra está sob tensão e sofre alongamento devido a este esforço, haverá incremento de seu comprimento e, por consequência, diminuição de seu diâmetro, como em qualquer material que esteja em seu regime elástico (Figura 3).

Por definição, da resistência dos materiais, a razão entre a tensão T e a diferença de comprimento unitária dL / L – DIFERENÇA DE COMPRIMENTO PELO COMPRIMENTO INICIAL DA FIBRA – é o Módulo de elasticidade do material (da fibra), e, em função deste alongamento e consequente redução de diâmetro, há a perda de aderência entre a fibra e a matriz cimentícia em que está contida, o que causa perda de eficiência de resistência unitária da fibra no composto e, finalmente, o rompimento do composto (surgimento da fissura).

Desta forma, é fácil entender que:

a) Em função do maior número de fibras em uma matriz (portanto, de maior volume ou peso de uma mesma fibra), haverá maior distribuição das tensões para cada elemento unitário e, por consequência, maior eficiência no controle de fissuração;

b) Para fibras de maior Módulo de elasticidade, com menor alongamento para uma mesma tensão, haverá menor variação de seu diâmetro e, em consequência, maior controle de fissuração;

c) Nas matrizes em que o concreto se encontram nas primeiras idades e, portanto, com baixa resistência e baixa capacidade de aderência em fibras de qualquer espécie, as fibras de menor Módulo de elasticidade, mas em grande concentração por unidade de peso, possuem comportamento melhor; em concretos com maior resistência e, portanto, maior capacidade de aderência a qualquer tipo de fibra, as fibras de maior Módulo de elasticidade apresentam melhor comportamento;

d) Sendo o concreto composto de agregados de diversos tamanhos envolvidos por pasta de cimento, é essencial haver fibras de diferentes comprimentos, para que as mesmas façam as ligações entre porções de pasta, argamassa e concreto, entre os diversos tamanhos dos agregados;

e) Fibras de baixa densidade, como de várias composições de materiais termoplásticos, tendem a segregar migrando para a superfície, assim como o oposto, ou seja, fibras muito densas tendem a segregação ou formação de agrupamentos (“ouriços” ou “novelos”).

Comportamento do concreto adicionado com fibras

Pelo exposto até o momento e após estudos acadêmicos e técnicos dos fabricantes, pode-se verificar que o composto de concreto com fibras é muito mais eficaz para as situações de tensões, quando comparados com os concretos simples, e dependendo do material, da quantidade e da homogeneidade das fibras adicionadas na matriz, pode-se substituir parcialmente ou até integralmente as armaduras convencionais para controle de fissuração, como em qualquer elemento de concreto armado.

É certo que em situações de peças como pilares, vigas e lajes, em que há grandes concentrações de tensões, qualquer estudo mostraria a inviabilidade de tal aplicação, pois seria necessária a alteração das dimensões geométricas das peças ou a concentração de grandes volumes de fibras.

Para o caso específico de pisos e pavimentos, em que os esforços de tração na flexão são preponderantes, os compostos de concreto com fibras apresentam desempenho de capacidade de redistribuição das tensões e controle de fissuração elevados, modificando o comportamento de um concreto convencional para um material semi-deformável, com absorção de energia, como se pode verificar através dos diversos trabalhos publicados citados (diversos encontros do IBRACON, seminários de Pisos e Pavimentos, etc).

Os dimensionamentos têm sido realizados com base no incremento das características mecânicas destes concretos, com teorias de deformação de peças apoiadas sobre meio elástico, considerando-se que, mesmo após o início do processo de fissuração, o composto de concreto com fibras continua com capacidade de suportar os esforços a que se encontra submetido, de forma similar aos estudos da Teoria de Plastificação das Estruturas.

Utilizando-se da norma de fibras NBR 16935/2021 – Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras – Procedimento, que estabelece os requisitos mínimos para garantia de desempenho mecânico para as estruturas de concreto reforçado com fibras (CRF) para atuação isolada ou em conjunto com as armaduras, para elementos estruturais e placas que apresentem capacidade de redistribuição de esforços considerando a interface com meio elástico, dimensionados e verificados no estado-limite último (ELU) e no estado-limite de serviço (ELS).

Temos notado que os métodos aplicados para dimensionamento de pisos atendem às exigências solicitadas pelas obras e que, durante estes quase 20 anos de desenvolvimento no Brasil, raramente se verificou patologias provenientes de falhas de considerações estruturais por carregamento ou por deficiências no dimensionamento.

2.1. Fibras, normas, seus materiais, vantagens e limitações

As estruturas de concreto reforçado com fibras (CRF) podem ser classificadas em função de sua moldagem, podendo-se dividi-las em estruturas de concreto moldado no local, pré-moldadas ou de concreto projetado. Cada um desses sistemas de moldagem tem especificidades, principalmente no que diz respeito à adição de fibras ao concreto e, também, ao seu controle. A Associação Brasileira de Normas Técnicas tem divulgado atualizações e novas publicações de normas que tratam do compósito concreto/fibra, estas normas estão destacadas abaixo:

- Revisão da NBR 15530/19 – Fibras de aço para concreto – Requisitos e métodos de ensaio. Esta norma especifica símbolos, classificação e códigos, dimensões, massas e variações permitidas, métodos de inspeção, embalagem, entrega e estocagem de fibras de aço para concreto. Esta Norma é aplicável a fibras de aço destinadas ao uso em concretos reforçados com fibras, em todos os tipos de concreto e outros compósitos cimentícios, inclusive em concreto com aplicação por bombeamento (concreto projetável) ou utilizados em pavimentação, pré-moldados, preparação in situ ou reparo. Esta norma também é aplicável a fibras utilizadas para reforço de materiais utilizados na engenharia, como por exemplo, fibras de aço inoxidável utilizadas como reforço de material refratário.

- Publicação da NBR 16935/21 - Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras — Procedimento. Esta Norma estabelece os requisitos de desempenho mecânico para estruturas de concreto reforçado com fibras (CRF) para atuação isolada ou em conjunto com as armaduras, para elementos estruturais e placas que apresentem capacidade de redistribuição de esforços considerando a interface com meio elástico, dimensionados e verificados no estado-limite último (ELU) e no estado-limite de serviço (ELS) Esta Norma se aplica às estruturas de concreto reforçado com fibras, identificadas por massa específica seca maior do que 2 000 kg/m3, não excedendo 2 800 kg/m3, do grupo I de resistência (C20 a C50), conforme classificação da ABNT NBR 8953. Esta norma estabelece os requisitos específicos relativos ao projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras, em complemento aos requisitos gerais da ABNT NBR 6118.Esta Norma não se aplica aos requisitos para o dimensionamento de revestimento de túneis executados em concreto projetado reforçado com fibras. Esta Norma não se aplica aos requisitos para evitar os estados-limite gerados por certos tipos de ações, como sismo, impacto, explosões e fogo.

- Publicação da NBR 16938/21 - Concreto reforçado com fibras - Controle da qualidade. Esta Norma estabelece os procedimentos para a qualificação inicial do concreto reforçado com fibras (CRF) e para o controle tecnológico durante a produção deste concreto, incluindo os critérios para a sua aceitação na obra. Esta Norma se aplica ao concreto reforçado com fibras destinado às estruturas, incluindo ou não armaduras (passivas ou ativas). Esta Norma não se aplica ao controle da qualidade do concreto projetado reforçado com fibras.

- Publicação da NBR 16939/21 - Concreto reforçado com fibras - Determinação das resistências à fissuração e residuais à tração por duplo puncionamento - Método de ensaio. Esta Norma especifica o método de ensaio de duplo puncionamento para os corpos de prova ou testemunhos de concreto reforçado com fibras, para determinação da resistência à fissuração e das resistências residuais à tração.

- Publicação da NBR 16940/21 - Concreto reforçado com fibras - Determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais) - Método de ensaio. Esta Norma estabelece o método de ensaio para avaliação do comportamento mecânico do concreto reforçado com fibras na flexão, com a determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais).

Com as fibras atualmente em utilização, de forma mais intensa e comercialmente viável, se tem verificado que:

Para pisos, pavimentos, artefatos e alguns elementos pré-fabricados apresentam ótimo comportamento estrutural;
As operações de dosagem das fibras pelas empresas de serviços de concretagem são corriqueiras, com sistemas de controle de dosagem simples e eficientes;
Fibras de seção retangular em que uma das dimensões é muito superior à outra (planares) tendem a ter sua incorporação menos homogênea e apresentam maior volume de fibras na superfície do concreto;
Para cada tipo, material e quantidade de fibra, há limites de incorporação pela matriz do concreto, com tendência à segregação ou agrupamento; nestas condições, muitos fabricantes já comercializam as fibras em embalagens hidrossolúveis, que devem ser assim adicionadas ao caminhão betoneira: essas embalagens são sugadas pelo sistema de mistura da betoneira para a parte mais central do volume de concreto em mistura, quando são dissolvidas pela própria água da dosagem, o que permite excelente homogeneidade;
Fibras de densidade abaixo à da água migram e tendem a aparecer mais na superfície nas operações de aplicação e acabamento do concreto;
Para a boa homogeneização das fibras na massa do concreto, deve-se dosar a mesma em conjunto com os agregados na esteira da central dosadora do concreto, ou conforme as especificações do fabricante; fibras com densidade próxima à dos agregados (como as fibras de vidro, por exemplo) possuem boa dispersão em qualquer estágio de mistura ao concreto na betoneira;
As fibras que tendem a ter maior presença na superfície podem ter necessidade de incremento na quantidade para compensação das fibras perdidas;
Fibras de aço, em pisos e pavimentos externos ou locais de ambiente agressivo para armaduras (chuva ácida, solo ácido, indústrias, etc.), tendem a apresentar oxidação acentuada, tanto maior quanto maior for a presença de fibras na superfície, com prejuízo estético e estrutural;
Fibras estruturais de compostos sintéticos – polímeros mistos, desenvolvidas para substituição de fibras de Módulo de elasticidade elevado e, portanto, para substituição de armadura, têm apresentado bom desempenho; o topo dessa cadeia são as fibras de carbono, com excelente desempenho, mas ainda economicamente inviáveis;
Para qualquer fibra, deve-se verificar atentamente a variação de trabalhabilidade do concreto. Verifica-se que as dosagens realizadas em laboratório são mais afetadas em termos de perda de abatimento do que as dosagens em caminhões betoneira, quando as fibras são homogeneizadas de maneira mais eficiente. Essa perda de abatimento – que é aparente, pois ocorre a interligação das porções de concreto pelas fibras – é afetada pela quantidade de fibras na composição e, algumas vezes, há necessidade de revisão da proporção dos materiais ou a compensação com aditivos plastificantes para manutenção do abatimento inicial;
A mistura de fibras de materiais ou comprimentos diferentes permite ganho de desempenho nas diversas condições reológicas do concreto – evolução das condições físicas do concreto ao longo do tempo – se apresentam como excelente solução estrutural, ou para controle de fissuração, com ótima viabilidade de custos.

2.2 Propostas para estudos de melhorias – A visão de Futuro

Através do acompanhamento das inúmeras obras executadas com o uso de fibras, ousamos mais uma vez para propor os seguintes desenvolvimentos:

2.2.1 Materiais e processos de fabricação

Utilização de materiais para a composição das fibras mais “amigáveis”, ou seja, menos sensíveis às condições ambientais, recicláveis ou de materiais reciclados, de maior facilidade de controle, precisam ser mais difundidas e desenvolvidas;
Fibras mistas de comprimentos e composições diferentes de materiais apresentam bom desempenho prático, devendo ser melhor estudadas em termos de desempenho estrutural e facilidade de suprimento para o mercado consumidor.

2.2.2 Projetos

Melhor aproveitamento de compostos com fibras, de seu conhecimento teórico e prático, possibilitará projetos mais confiáveis, viáveis e duráveis;
Há necessidade de melhor detalhamento e estudo de situações com pisos de pequenas espessuras, sobrepisos e sobrecamadas, em que se verifica o surgimento de empenamento e, em consequência, de quebras de quinas;
Avanços nos estudos de comportamento de estruturas sob tensão, novos modelos de dimensionamento e, principalmente, a divulgação de detalhes para a realização de projetos, possibilitarão racionalização do sistema e a busca pela sustentabilidade.

2.2.3 Dosagem, execução e controle

Fibras mais elaboradas possibilitam maiores facilidades de dosagem, controle e menor impacto nas operações de mistura, aplicação e acabamento do concreto;
A redução de surgimento de fibras na superfície de pisos e pavimentos, além de melhoria do efeito estético, possibilita redução de volume de dosagem e redução de operações de retrabalho (caso de fibras de aço que surgem em grande quantidade, com necessidade de remoção e aplicação de agente de correção);
A utilização de fibras (logicamente, conforme estudo de desempenho e avaliação de reciclagem) incrementa a conscientização do processo de desconstrução (ao invés de demolição), de reciclagem do concreto com fibras (ao invés de sua destinação para um “bota fora” ou aterro) e, portanto, traz benefícios para o meio ambiente e para redução dos custos sociais;
O controle de posicionamento das barras de transferência, armaduras eventuais de reforços e insertes, devem ter especial atenção, não só para os pisos e pavimentos com fibras, mas, neste caso, apresentam patologias em prazo menor se comparados com pisos estruturados com telas ou barras de aço; porém, no caso de telas e barras, quando do surgimento de fissuras sensíveis à penetração de umidade ou agentes agressores, estes apresentam maior intensidade e extensão do dano, ao longo do tempo, devido à expansão da armadura e deterioração do concreto.

2.2.4 Juntas no piso

Quando da execução de pisos em concreto com fibras, há maior liberdade do projetista para o posicionamento das juntas, sem necessidade de avaliação de cortes, sobras ou arranjos de armaduras com telas ou barras;
Com fibras se pode executar placas de pisos com juntas distanciadas até 50 metros, com elevada produtividade. Com qualquer tipo estruturação – aço, fibras ou protendido - as variações dimensionais das placas por retração, variação térmica ou higroscópica são similares;
Para pisos de pequenas espessuras, deve-se prever, nas proximidades das juntas, elementos de controle de empenamento.

2.2.5 Cura

Quanto à cura dos pisos com fibras, o que se tem observado, é que ela se mostra menos crítica se comparada com pisos estruturados com telas e barras, e muito menos critica se comparada com pisos protendidos.

Se específica, usualmente, a utilização de estruturação com aço (telas, barras ou protensão) e adição extra de fibras, para controle das fissuras nas baixas idades, em que ainda não há boa integração entre concreto e armaduras.

2.2.5 Cura

Quanto à cura dos pisos com fibras, o que se tem observado, é que ela se mostra menos crítica se comparada com pisos estruturados com telas e barras, e muito menos critica se comparada com pisos protendidos.

3. Conclusões

Por avaliação de grande número de projetos de pisos e pavimentos realizados em concreto com fibras, em várias situações geográficas, de solos com diferentes capacidades de suporte e comportamento de recalques, condições de exposição e de carregamento, diferentes dimensões geométricas, variações de culturas, capacitação dos executores e laboratórios, frequências de manutenções e durabilidade, pode-se concluir:

1 - Os pisos e pavimentos em concreto com fibras são uma realidade, como a condição de adição de fibras para:

a) Controle de fissuração em baixas idades em concretos simples;

b) Controle de fissuração em qualquer idade em concretos simples;

c) Controle de fissuração em baixas idades em concretos estruturados com telas ou barras ou protendido de aço;

d) Estruturação de pisos e pavimentos para diversas utilizações.

2 - A evolução dos processos de dimensionamento e avaliação de capacidades de suporte dos solos, dos conhecimentos dos carregamentos e variações climáticas, possibilitam maior avanço nos projetos e execuções de pisos com fibras e, portanto, a sua viabilização.

3 – Novos materiais, misturas de fibras de materiais diferentes, de comprimentos compostos, mostram-se muito eficazes, com ganhos de produtividade e durabilidade, além das facilidades de intervenções para alterações de layout, e no final da vida útil, de criteriosa desconstrução e reciclagem dos materiais, com menores impactos ambientais, econômicos e sociais.

4 – O conhecimento das empresas de serviços de concretagem (além dos projetistas e especificadores) sobre fibras, dosagens, utilizações e controles, se tornará parte das necessidades de seus técnicos e equipes de apoio, com o crescimento da utilização deste tipo de concreto para qualquer tamanho de obra – de uma simples calçada aos mais avançados centros de distribuição ou parques industriais, de pavimentos para estacionamento de veículos até rodovias e aeroportos.

5 – Fibras estruturais compostas que minimizem os inconvenientes encontrados nas fibras estruturais atuais e aditivos líquidos que, quando adicionados ao concreto, polimerizam e criam estruturas fibrilares em sua massa, formando cadeias de fibras, são as próximas evoluções das fibras.

6 - Com a evolução da capacidade de análise do comportamento do compósito – como microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura - quando ocorre o rompimento total do compósito de concreto com fibra, nota-se que há uma grande tendência de ocorrer alongamento das fibras, por esticamento, e consequente diminuição de sua seção, que acarreta no escoamento da mesma e consequentemente sua perda de eficiência dentro da matriz cimentícia, desta forma, pode-se afirmar que não há o rompimento da fibra, e sim o seu escoamento por perda de seção.

Referências Bibliográficas

[01] Associação BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 6118/14: projeto e execução de obras de concreto armado – procedimento. ABNT: Rio de Janeiro.

____ NBR 15530/19: Fibras de aço para concreto — Requisitos e métodos de ensaio.

____NBR 16935/21: Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras — Procedimento.

____NBR 16938/21: Concreto reforçado com fibras - Controle da qualidade.

____NBR 16939/21: Concreto reforçado com fibras - Determinação das resistências à fissuração e residuais à tração por duplo puncionamento - Método de ensaio.

____NBR 16940/21: Concreto reforçado com fibras - Determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais) - Método de ensaio.

[02] Barbosa, Maria T. G. – Teoria da Plasticidade Aplicada ao Estudo da Aderência Aço – Concreto, Revista de Engenharia Estudo e Pesquisa UFJF 1999.

[03] Teutsch, Manfred – Fibre Concrete in Concrete and Precast Plants, Revista de Engenharia Estudo e Pesquisa UFJF 1999.

[04] Maciel, Adriano da Silva, et all – Comportamento de Vigas de Concreto de Alto Desempenho com Diferentes Tipos de Fibras, 44 Congresso Brasileiro do Concreto 2002.

[05] Bina, Paulo, et all – Estado da Arte dos Pisos Industriais e Pavimentos: do Sistema de Damas ao Protendido, 44 Congresso Brasileiro do Concreto 2002.

[06] Bina, Paulo, et all – Projeto Sirius – A Tecnologia de Concreto Aplicada No Sistema De Blindagem Do Acelerador De Partículas Do Projeto Sirius – Planejamento E Estudo De Dosagem. 60 Congresso Brasileiro do Concreto 2018.

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