Experimental and analytical investigation on bond behavior between steel bars and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

Resumo Técnico: Investigação Experimental e Analítica sobre o Comportamento de Aderência entre Barras de Aço e Concreto de Agregados Reciclados Reforçado com Fibras de Aço

Definição do Problema
O rápido esgotamento dos recursos naturais de areia e pedra, aliado ao acúmulo de resíduos de construção e demolição, tornou necessária a utilização do Concreto de Agregados Reciclados (CAR). No entanto, o CAR apresenta propriedades mecânicas inferiores em comparação ao Concreto de Agregados Naturais (CAN), incluindo menor resistência à compressão e tração, durabilidade reduzida e desempenho de aderência comprometido entre a armadura de aço e a matriz de concreto. Esses defeitos inerentes, atribuídos à menor resistência, maior absorção de água e porosidade do agregado graúdo reciclado (AGR), limitam a aplicação do CAR em elementos estruturais. Embora a adição de fibras de aço (FA) seja reconhecida como um método eficaz para melhorar as propriedades mecânicas e a ductilidade do CAR, há uma carência de dados abrangentes sobre o comportamento de aderência-escorregamento entre barras de aço e o Concreto de Agregados Reciclados Reforçado com Fibras de Aço (CARRFA), particularmente para concretos de resistência normal. Os estudos existentes frequentemente focam em variantes de alta resistência ou fibras híbridas, deixando uma lacuna na compreensão dos mecanismos fundamentais de aderência e dos modelos constitutivos para o CARRFA em estruturas de engenharia prática.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem sistemática combinando testes experimentais, análise microscópica, modelagem analítica e simulação numérica:

1. Programa Experimental: Um total de 27 testes de arrancamento (pullout) foram realizados em corpos de prova de aderência. Os parâmetros de teste incluíram quatro variáveis: classe de resistência do concreto (C30, C45, C60), taxa de substituição de agregado graúdo reciclado (AGR) (0%, 50%, 100%), fração volumétrica de fibras de aço (0%, 1,0%, 1,5%) e comprimento de ancoragem (3d, 5d, 7d, onde d é o diâmetro da barra). Os corpos de prova utilizaram barras de aço HRB400 (16 mm de diâmetro) embebidas em blocos cúbicos de concreto de 150 mm.
2. Análise Microestrutural: A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foi utilizada para caracterizar a zona de transição interfacial (ZTI) e o mecanismo de ligação das fibras de aço dentro da matriz de concreto.
3. Modelagem Analítica: Com base nas curvas experimentais de tensão de aderência-escorregamento, foi desenvolvido um modelo constitutivo de quatro seções (ascendente, horizontal, descendente e residual). A análise estatística foi realizada para derivar fórmulas preditivas para a resistência de aderência última e residual em função da resistência do concreto, taxa de substituição de AGR, características das fibras de aço e comprimento de ancoragem.
4. Análise de Elementos Finitos (FEA): Simulações numéricas foram realizadas utilizando o software ABAQUS. Um modelo de simetria de quarto foi estabelecido usando elementos C3D8R para o concreto e o aço. Para simular o comportamento de aderência sem modelar explicitamente a geometria das nervuras (o que causa problemas de convergência), um elemento de mola não linear (Spring2) foi implementado via modificação de arquivo INP para representar a relação constitutiva de tensão de aderência-escorregamento derivada dos dados experimentais.

Principais Resultados

• Modos de Falha: Três modos primários de falha foram observados: fissuração por divisão (predominante em corpos de prova sem fibras de aço), escoamento da barra de aço (observado em corpos de prova de alta resistência, alta porcentagem de fibras ou longa ancoragem) e arrancamento (comum em corpos de prova com alto teor de fibras e curta ancoragem). A adição de fibras de aço melhorou significativamente a integridade dos corpos de prova, prevenindo falhas frágeis de divisão.
• Tendências de Resistência de Aderência:
  • Resistência do Concreto: Tanto a resistência de aderência última quanto a residual aumentaram com classes de resistência de concreto mais elevadas.
  • Substituição de AGR: A resistência de aderência diminuiu conforme a taxa de substituição de AGR aumentava, atribuído à ZTI mais fraca e à menor resistência dos agregados reciclados.
  • Comprimento de Ancoragem: A resistência de aderência diminuiu conforme o comprimento de ancoragem aumentou, devido à distribuição não uniforme da tensão de aderência ao longo da barra.
  • Fibras de Aço: A fração volumétrica de fibras de aço teve um efeito negligenciável na resistência de aderência última, mas melhorou significativamente a resistência de aderência residual. Corpos de prova com teores de fibra de 1,0% e 1,5% mostraram aumentos de resistência residual de aproximadamente 73% e 77%, respectivamente, em comparação ao RAC sem fibras.
• Achados Microestruturais: A análise por MEV confirmou que as fibras de aço efetivamente fazem a ponte entre as fissuras e dificultam sua propagação. A ZTI entre a fibra e a pasta de cimento mostrou a formação de gel C-S-H, contribuindo para o melhor desempenho pós-fissuração.
• Precisão do Modelo: O modelo constitutivo de tensão de aderência-escorregamento de quatro seções proposto demonstrou alta precisão, com a razão média entre a resistência de aderência última experimental e a calculada sendo de 1,013 e a resistência residual sendo de 0,950. As simulações de elementos finitos utilizando o método do elemento de mola proposto replicaram com sucesso as curvas de carga-escorregamento e as distribuições de tensão.

Significância e Alegações
O artigo alega que o modelo analítico proposto e o método de simulação de elementos finitos fornecem uma ferramenta prática e precisa para prever o comportamento de aderência entre barras de aço e o CARRFA. Especificamente, o estudo afirma que:

1. O modelo constitutivo derivado pode simular com precisão toda a resposta de aderência-escorregamento, incluindo a fase residual crítica onde as fibras de aço desempenham um papel dominante.
2. O método de FEA proposto, utilizando elementos de mola não lineares para representar o comportamento de aderência, oferece uma alternativa computacionalmente eficiente à malha complexa de geometrias de nervuras, reduzindo significativamente a carga de trabalho para pesquisadores que analisam estruturas de CARRFA.
3. Os achados validam a viabilidade do uso de CARRFA em aplicações estruturais, desde que as características específicas de aderência-escorregamento — particularmente o aumento da resistência residual devido às fibras de aço — sejam consideradas no projeto e na análise.

O estudo conclui que a compreensão desses mecanismos de aderência é essencial para promover a aplicação do CARRFA em estruturas de concreto armado, preenchendo a lacuna entre a inovação de materiais e a prática da engenharia estrutural.