2.1 Materiais e proporções de mistura

Para a preparação do concreto, foi utilizado o cimento Portland CP III 40 RS, conforme classificação em norma (^{ABNT, 2018}). Areia natural de módulo de finura de 1,92 e dimensão máxima de 2,4 mm foi utilizada como agregado miúdo. Dois tipos de agregado granítico foram utilizados no concreto como agregado graúdo, um de dimensão máxima característica de 19 mm e outro de 9 mm. Um superplastificante foi utilizado na preparação dos concretos. As fibras foram utilizadas na dosagem de 2kg/m³. Essa dosagem teve como objetivo principal reduzir a possibilidade de spalliing e seguiu uma tendência extraída do estudo do estado da arte do melhor consumo de fibra (^{Poon et al., 2004}; ^{Behnood e Ghandehari, 2009}; ^{Kim et al. ., 2013}; ^{Lourenço et al., 2011}; ^{Bei e Zhixiang, 2016}), onde os melhores resultados foram obtidos com taxa igual ou muito próxima a ela. As propriedades típicas das fibras são mostradas na Tabela 1.

2.2 Preparação dos corpos de prova

A proporção dos materiais utilizados para a confecção dos concretos está na Tabela 2. Foram produzidos seis traços, a referência sem fibras (NF), concreto reforçado com fibras de polipropileno (PP), concreto reforçado com fibras de poliéster (POL), concreto reforçado com fibras de poliamida (NY), concreto reforçado com fibras de aramida (AR) e concreto reforçado com fibras de polpa de aramida (AP).

Foram moldados corpos de prova cilíndricos e prismáticos de acordo com a NBR 5738 (^{ABNT, 2015a}). As misturas de concreto fresco foram testadas quanto à trabalhabilidade pelo ensaio de tronco de cone de acordo com a NBR NM 67 (^{ABNT, 1998}). Protótipos de concreto armado com seção transversal de 20x20cm e altura de 1,35m foram moldados logo depois.

Os corpos de prova permaneceram em cura úmida por 28 dias. Após esse período, os espécimes foram mantidos em ambiente controlado (câmara climatizadora) por mais 7 dias, com temperatura constante de 23°C e umidade relativa de 77%, próximo à realidade encontrada no estado do Espírito Santo - Brasil. Como os ensaios de altas temperaturas são influenciados pela umidade e, considerando que o objetivo era testar o concreto o mais próximo possível da realidade, foi realizado o controle de temperatura e umidade. Condicionar as amostras com o objetivo de fornecer a condição de umidade interna similar aos edifícios construídos é indicado pela ASTM E119 (^{ASTM, 2018}).

2.3 Métodos de ensaios em altas temperaturas

Antes dos ensaios mecânicos, as amostras foram submetidas a ensaios de altas temperaturas em mufla e chama direto. Na mufla, as temperaturas máximas atingidas para análise foram 300, 500 e 700°C. Essas faixas de temperatura analisadas (intervalos em que importantes transformações ocorrem no concreto) seguem uma tendência encontrada no estado da arte, como, por exemplo, em ^{Xiao e Falkner (2006}), ^{Shihada (2011}), ^{Suresh et al. . (2014}) e ^{Yermak et al. (2017}). Em um estudo anterior, ^{Dias et al. (2017}) observaram que a temperaturas mais altas os concretos perdiam sua capacidade estrutural.

Em relação ao spalling, um fenômeno que ocorre com o concreto sujeito a altas temperaturas, fatores como tipo agregado, tamanho das amostras, presença de aditivos, resistência do concreto e, principalmente, taxa de aquecimento, influenciam o aparecimento ou não do desplacamento. Na maioria dos casos, é necessária uma temperatura superior a 700°C para o spalling. No entanto, temperaturas acima de 500°C, adicionadas a outras características, já são suficientes. Por exemplo, ^{Akca e Zihnioglu (2013)} disseram que desplacamentos explosivos foram observados em seu trabalho, especialmente em amostras não fibrosas e que começaram após 500°C.

Como os incêndios reais em compartimentos apresentam um ponto ápice e logo depois o decaimento (^{Hartin, 2018}), nos testes realizados, após atingir a temperatura máxima estipulada, o forno foi desligado. A taxa de aquecimento utilizada foi de 10°C min e o resfriamento foi à temperatura ambiente por 24 horas. Os testes em mufla seguiram metodologias comumente encontradas no estado da arte para esse tipo de ensaio laboratorial (^{Ezziane et al., 2015}; ^{Poon et al., 2004}; ^{Pliya et al., 2011}; ^{Shihada, 2011}; ^{Pai e Chandra, 2013}; ^{Xiao e Falkner, 2006}; ^{Behnood e Ghandehari, 2009}; ^{Akca e Zihnioǧlu, 2013}; ^{Suresh et al., 2014}; ^{Sekhar e Raju, 2017}; ^{Bei e Zhixiang, 2016}; ^{Choumanidis et al., 2019}; ^{Srikar et al., 2016}; ^{Yermak et al., 2017}).

Para obter resultados que pudessem ser comparados com o aquecimento em mulfa, também foram realizados testes de chama direta de acordo com a ISO 834-R (^{ISO, 2015}). Para realizar o teste, as amostras foram colocadas verticalmente em uma grelha de aço com dimensões de (500x500) mm, a uma altura de 100mm do material combustível, deixando espaço entre elas para ter contato direto com o fogo. Nos ensaios com fogo real, como encontrado em (^{Shihada, 2011}), o material combustível utilizado foi a madeira. A quantidade de madeira utilizada em cada teste foi calculada com base em uma carga de incêndio padrão de risco baixo de 300 MJ/m² comumente encontrada em apartamentos no Brasil (^{Espírito Santo, 2009}; ^{São Paulo, 2011}; ^{ABNT, 2000}), sendo considerando o potencial calórico de 19 MJ/kg de madeira em cada queimadura. Para iniciar a queima foi utilizado álcool. Dois sensores termopar do tipo K foram inseridos no dispositivo para aferir a evolução da temperatura. O Corpo de Bombeiros do Espírito Santo - Brasil (CBMES) apoiou com conhecimento e equipamentos de proteção a realização do teste de chama real. Esse teste durou 80 minutos, o que praticamente coincidiu com o final do material combustível, e o resfriamento foi ambiente. O teste em mufla e o teste de fogo podem ser vistos na Fig. 1

Um termógrafo de sensor infravermelho foi utilizado antes, durante e após os testes de alta temperatura. Testes mecânicos de resistência à compressão, resistência à tração à flexão e resistência à tração por compressão diametral foram realizados após os testes de alta temperatura. Aferições de velocidade de pulso ultrassônico e perda de massa foram realizadas antes e após a submissão a alta temperatura.

Fig. 1 Aumento da temperatura através da mufla (a) e chama direta em grelha (b) 

Com o objetivo de complementar a análise, especialmente sobre spalling, foram realizados testes com fogo real nos protótipos, através de um dos simuladores de incêndio do CBMES. O módulo escolhido fornece um comportamento extremo de incêndio nos primeiros minutos de incêndio. A ventilação era controlada pelas portas frontais. A carga de incêndio estipulada também apresentava risco baixo usando madeira compensada e paletes. A disposição da carga de incêndio e dos pilares no simulador podem ser vistos na Fig. 2. A montagem seguiu padrões de queima dos corpos de bombeiros e teve como objetivo fornecer realidade na evolução do fogo e uniformidade de queima. Os sensores termopar tipo k foram inseridos a 0,8m e 1,6m de altura no container para medir a temperatura interna e um sensor estava monitorando a temperatura externa. Um bombeiro com todo o equipamento de proteção individual necessário iniciou esta simulação. Veja na Fig. 3 uma sequência de fotos da execução do ensaio.

Fig. 2 Simulador escolhido (a), dispositivo montado (b) e disposição dos sensores (c) 

Fig. 3 Simulação de incêndio real nos protótipos 

2.4 Procedimentos dos ensaios

Os testes de resistência à compressão axial, resistência à tração na flexão, resistência à tração por compressão diametral, perda de massa e velocidade de pulso ultrassônico (UPV) foram realizados posteriormente. Análises em macro e microescala também foram realizados nos corpos de prova.

A verificação do concreto submetido a temperaturas elevadas começou pela análise visual, observando desplacamento, fissuras e mudanças de cor. Foram geradas imagens de fragmentos de corpos de prova a uma profundidade de 1cm através de um microscópio eletrônico de varredura (MEV), visando verificar a zona de transição entre o agregado e a matriz cimentícia e, principalmente, a interação das fibras no concreto e a permanência ou não delas perante às altas temperaturas.

Os corpos de prova de concreto foram submetidos ao ensaio de resistência à compressão axial, seguindo o procedimento da NBR 5739 (^{ABNT, 2007}), após serem submetidos a temperaturas elevadas. O ensaio de resistência à tração na flexão foi realizado de acordo com os padrões encontrados na NBR 12142 (^{ABNT, 2010}), empregando o princípio da viga simplesmente apoiada com duas forças concentradas nos terços do vão. Para complementar a análise dos ensaios mecânicos destrutivos, também foi realizado o ensaio de resistência à tração por compressão diametral. O ensaio seguiu as normativas da NBR 7222 (^{ABNT, 2011}).

A perda de massa foi obtida através da razão entre a diferença da massa do corpo de prova antes e depois de ser submetido a temperatura elevada e a massa antes da queima, sendo o resultado apresentado em porcentagem. Os ensaios não destrutivos para determinar a velocidade de propagação de ondas longitudinais, obtidas por pulsos ultrassônicos, através dos corpos de prova de concreto, foram realizados com base na NBR 8802 (^{ABNT, 2013}), onde foi empregada a transmissão direta entre os transdutores.

3.1 Microestrutura do concreto

Pelas imagens geradas, a interação das fibras foi considerada satisfatória. Nos ensaios em mufla na faixa de 700°C, não foi observada a presença de fibras em nenhum traço, o que era esperado, uma vez que o ponto de fusão de todas as fibras não excedeu 500°C, como mostra a Tabela 1.

A Fig. 4 mostra as imagens do MEV dos concretos após serem submetidos a uma temperatura de 500°C na mufla.

Fig. 4 MEV dos concretos após serem submetidos a 500°C 

Observa-se que PP e POL não continham mais fibras após 500°C, que AR e AP não perderam as fibras em sua totalidade e em NY houve fusão parcial das fibras. A temperatura aplicada foi de 500°C, mas vale lembrar que o calor do concreto passa por condução e é por isso que algumas fibras da parte interna da NY permaneceram e outras não, ou seja, no ponto analisado a temperatura interna do concreto foi próxima de 260 ° C. As setas na Fig. 4 mostram isso. As setas indicam a presença ou vazio das fibras em cada tipo de concreto submetido a altas temperaturas.

Adiante será visto que NF e AP foram os concretos que apresentaram spalling no ensaio do simulador. Correlacionando com o ensaio do MEV verifica-se que a falta de porosidade para liberar vapor de água influenciou o desplacamento do NF. Já no AP, a alta fibrilação da polpa de aramida, a concentração superficial e o fato dela não fundir foram fatores determinantes para não aumentar a porosidade do concreto. Mais explicações serão fornecidas no tópico Teste em simulador de incêndio real.

3.2 Teste de fogo em grelha

Os sensores termopar tipo K mediram o comportamento da evolução real da temperatura ao longo do tempo nos ensaios de fogo direto em grelha e no ensaio do simulador de incêndio. Observa-se que o comportamento é bastante diferente da curva padrão ISO 834 de um forno elétrico. Essa diferença pode ser vista na Fig. 5.

Fig. 5 Temperatura x tempo no teste de fogo em grelha (a) e na curva ISO 834 (b)  

Conforme observado no gráfico, no teste de fogo em grelha houve as fases da queima em compartimento, ou seja, os ensaios apresentaram o ponto de ignição, fase de crescimento, com ou sem queima generalizada, ponto ápice e decaimento em virtude da falta de material combustível. Comportamento diferente do encontrado em ensaios de mufla. Outro ponto divergente é o padrão de aquecimento do corpo de prova. O calor é passado por condução ao espécime. Em um incêndio, a frente de fogo, na maioria das vezes, possui um padrão. Na queima em mufla todos os lados transferem energia de maneira igual ao corpo de prova. Na Fig. 6 observa-se em imagens de termógrafo como o calor é passado nos dois tipos de ensaios realizados.

Fig. 6 Corpo de prova em fase de resfriamento logo após passar por queima em grelha (a) e logo após ser submetido a 500°C em mufla (b) 

A Fig. 6 (a) mostra um gradiente de temperatura bem definido, evidenciando pontos quentes na parte inferior da amostra, onde a carga de incêndio foi concentrada. A Fig. 6 (b) mostra que o aquecimento do corpo de prova é quase uniforme, o que era esperado, uma vez que a mufla aquece por todos os lados. A maioria dos incêndios reais tem uma frente de incêndio estabelecida, ou seja, o teste de incêndio em grelha foi mais eficaz nesse aspecto.

Outra informação importante é que embora a grelha atinja temperaturas mais altas que a mufla a 500°C, por exemplo, a temperatura da face do corpo de prova na mufla foi maior que o corpo de prova na grelha, mostrando que a energia térmica irradiada da mufla é maior.

Ensaios de concretos submetidos a temperaturas elevadas através de muflas podem ser reproduzíveis, mas não representam a realidade de um incêndio em compartimento e são muito mais severos do que os testes de fogo com material de carga finita.

3.3 Resistência à compressão axial

Os dados de resistência à compressão axial dos concretos ensaiados em mufla foram submetidos a ANOVA. Observou-se que o efeito isolado do tipo de concreto (NF, PP, POL, NY, AR e AP) e da variação de temperatura (23, 300, 500 e 700°C) foram significativos, bem como a interação entre as duas variáveis. Fig. 7 apresenta a resistência à compressão axial em função da temperatura dos concretos analisados.

Fig. 7 Resistência à compressão axial (a) e à tração por compressão diametral (b) em função da temperatura em mufla e na grelha. 

Analisando o ensaio na mufla, observa-se que de 23°C a 500°C quase não há alteração na resistência à compressão. A 700°C ocorre uma queda média de aproximadamente 50,2% dessa propriedade mecânica quando comparada à temperatura ambiente. Esse comportamento pode ser explicado pela faixa de temperatura em que as transformações importantes ocorrem no concreto, como mostra ^{Castellote et al. (2004}).

Após a ANOVA, conclui-se que há uma diferença entre os grupos de concretos submetidos a diferentes temperaturas, no entanto, somente com esta análise não é possível apontar se a diferença ocorre dentro do grupo ou entre os grupos. Um teste de comparação múltipla pode ser usado quando existe diferença, pois completa a análise, comparando e mostrando o resultado de todos os pares média. Para isso, foi utilizado o teste de comparações múltiplas de Tukey.

Após o teste de comparações múltiplas de Tukey, concluiu-se que:

Analisando o teste de fogo em grelha, os resultados mostram que o efeito da alta temperatura através de mufla é mais severo ao concreto. Apesar da temperatura final do teste de fogo chegar a quase 700°C, os valores obtidos de resistência à compressão axial em mufla a 700°C são em média 55% dos resultados em grelha.

3.4 Resistência à tração na flexão

Ao realizar a ANOVA, observou-se que as fibras e a temperatura influenciam independentemente o comportamento da resistência à tração à flexão no concreto. A temperatura foi a variável de maior impacto seguida pelo tipo de concreto (adição de fibras), mas a interação entre essas duas fontes de variação, tipo de concreto e temperatura, não foi significativa, pois o valor de P foi superior a 0,05.

3.5 Resistência à tração por compressão diametral

Observou-se que não houve alteração no resultado até a faixa de 300°C quando comparado à temperatura ambiente, e o valor médio da resistência diminui 12,9% na faixa de 500°C e 65,2% a 700°C.

Apresentou significância quando analisados as fontes de variação tipo de concreto e temperatura independentemente, bem como a interação entre as variáveis foi significativa com um intervalo de confiança de 95%. Fig. 7b apresenta o gráfico da resistência à tração por compressão diametral em função da temperatura.

Observou-se que NY, AR e AP apresentaram médias maiores que NF, PP e POL. Embora seja um ensaio que possa apresentar maiores variações de resultados do que os outros dois ensaios apresentados anteriormente (resistência à compressão axial e resistência à tração na flexão), vale ressaltar que as características das fibras podem ter influenciado os resultados. Verifica-se que mais uma vez a temperatura foi a variável de maior impacto. Após o teste de comparações múltiplas, verifica-se que a 700°C não há diferença entre os concretos analisados. Sugere-se que a orientação das fibras possa ter interferido nos resultados, pois nesse teste o POL obteve o menor resultado médio enquanto o AR obteve o maior. No teste de resistência à compressão, essa lógica foi invertida, ou seja, o POL obteve o maior resultado médio e o AR, o pior. Como essas amostras cilíndricas foram moldadas nas mesmas condições, é hipotetizado que a orientação das fibras possa ter influenciado o resultado. Verifica-se que os resultados obtidos no teste de fogo em grelha são próximos aos obtidos na mufla a 500°C.

3.6 Perda de massa

Os resultados da perda de massa foram significativos para um intervalo de confiança de 95%.

A partir dos 300°C a temperatura já influencia na perda de massa dos concretos ensaiados. Tanto nessa faixa de temperatura, onde a grande parte de perda de massa corresponde a água livre do compósito, quanto em 700°C, onde toda água livre já foi liberada, muitas transformações químicas já aconteceram, fissuras consideráveis já apareceram e o concreto já perdeu grande parte de sua característica estrutural (^{Ma et al, 2015}).

Na faixa de 500°C verifica-se que NF obteve a menor perda de massa do que os outros concretos. Essa faixa de temperatura é suficiente para fundir grande parte das fibras, proporcionando o esperado aumento de poros, mas ainda não é suficiente para realizar todas as transformações químicas do concreto. O gráfico de perda de massa em função da temperatura está na Fig. 8a.

Fig. 8 Perda de massa (a) e UPV (b) em função da temperatura. 

Apesar da temperatura final do teste de fogo real em grelha chegar a quase 700°C, o concreto apresenta menos perda que o concreto a 500°C em mufla, conforme pode ser visto nos resultados de perda de massa e UPV.

3.7 Velocidade de propagação de ondas ultrasônicas

A Fig. 8b evidencia o resultado esperado, ou seja, sugere-se a existência de fissuras e de até mesmo aumento dos poros com o acréscimo da temperatura.

Por análise gráfica, verificou-se que até 300°C não houve aumento de fissuras capazes de apresentar diferenças na análise ultrassonográfica. O método de teste não destrutivo para determinar a velocidade de propagação de ondas longitudinais, obtido por pulsos ultrassônicos através de um componente de concreto, tem como uma de suas principais aplicações a detecção de falhas internas de concretagem, profundidade de fissuras e outras imperfeições (^{ABNT, 2013}). Devido à taxa de aquecimento, à temperatura máxima atingida e ao resfriamento utilizado, a 300°C a perda de umidade não foi detectada. A 500°C, o NF exibia velocidade superior à do concreto com fibras, e a temperatura de 700°C era suficiente para obter o mesmo resultado em todos os concretos analisados.

Esses números mostram que a temperatura não é a única variável que influencia significativamente os resultados do mesmo concreto após condições severas, pois o fluxo de calor, a frente de fogo e a carga de incêndio são essenciais para determinar o comportamento. Os ensaios em mufla, embora importantes para fins de comparação, não representam a realidade de um incêndio real e outros testes, como o teste de fogo real, podem complementar a análise.

3.8 Teste em simulador de incêndio real

Na Fig.9 são mostrados os índices de temperatura em função do tempo de cada um dos sensores que monitoraram o incêndio no simulador de incêndio.

Fig. 9 Temperatura x tempo no simulador de incêndio para os três sensores. 

A temperatura média no sensor externo ao container foi de 42°C. Observou-se que, de fato, o fogo teve um comportamento extremo no simulador, pois em apenas 6 minutos após o início do incêndio a temperatura no container atingiu sua faixa máxima de 786°C no sensor localizado a 1,60m.

Os primeiros 2 minutos foram de queima lenta apenas no centro da ignição do material e de muita liberação de fumaça branca (vapor de água da madeira). Com 4 minutos de simulação, já havia uma queima generalizada dos paletes centrais e chamas tocando o teto. Até 5 minutos, ficou claro que a fumaça branca começou a ficar cinza. A partir daí o comportamento começou a mudar. Em 6 minutos, a fumaça já estava cinza claro e já ocupava toda a porta. Nesse momento, começou a queimar a madeira do fundo. Aos 10 minutos ocorreu a queima geral na madeira do fundo e do teto. Aos 11 minutos, a fumaça gerada já estava turva, quase marrom-cáqui, uma característica de queima incompleta, o que significa que ainda havia muito material combustível sendo carregado na fumaça. Tanto que, no momento do ensaio até os 12 minutos, a fumaça foi queimada, com o aparecimento de chamas fora do container (esse momento é chamado de "flash"). É por isso que se pode ver quase um segundo pico de aumento de temperatura no sensor superior. Após uma queima generalizada, aos 13 minutos a fumaça estava cinza escura. Aos 23 minutos, queima lenta apenas no centro (o restante do material combustível). Depois disso, a curva de temperatura continua a diminuir. Este é um comportamento real de um incêndio.

Após o ensaio e o resfriamento total do local, a análise visual de cada protótipo foi realizada no dia seguinte. A Fig. 10 mostra os pilares lado a lado. As marcações feitas nas imagens dos pilares mostram os desplacamentos ocorridos em alguns dos concretos.

Fig. 10 Pilares após serem submetidos ao fogo, destacando NF e AP pós fogo, mostrando o topo (a), centro (b) e base (c). 

Observou-se que NF foi o que exibiu maior desplacamento, seguido pelo AP. AR também apresentou um pequeno desplacamento na base. Os pilares de PP e POL não apresentaram desplacamento, ou seja, os danos não foram observados na análise visual. Tais concretos só apresentaram marca de queima oriundas da madeira. Pelo menos uma face de cada pilar apresentou essa marca de fuligem, característica muito comum encontrada nos incêndios devido a queima incompleta dos materiais combustíveis.

Dessa análise conclui-se que as fibras poliméricas diminuem a incidência de spalling no concreto e que as fibras com menor temperatura de fusão são mais eficientes, pois elas derretem em temperaturas mais baixas e abrem poros, liberando assim o vapor d’água no interior do concreto.

Fibras poliméricas de alto desempenho, como foi o caso da aramida, não se mostraram eficientes no quesito desplacamento. A polpa de aramida, por ser menor e criar mais redes e entrelaçamentos de fibras, não derreteu antes da faixa de 500°C e não liberou poros, oferecendo resistência para o concreto. Tal fato foi essencial para o aparecimento do spalling.

A Fig. 10 também mostra os detalhes dos pilares mais afetados. Spalling de superfície e de aresta foram observados em NF e AP. Como principais influências, além da presença da fibra no caso do PA, podem-se citar a permeabilidade do concreto, expansão térmica do agregado, presença de armadura e taxa de aquecimento.