1. Introdução

Hoje, o uso de fibras no concreto se tornou uma tendência frequente na construção civil. Em nosso país, inicialmente substituíram as telas eletro-soldadas em concreto fundido, pisos industriais e elementos pré-fabricados. A nível internacional, as aplicações desta tecnologia são variadas, entre elas, pavimentos, pisos industriais, apoios de encostas, elementos arquitetônicos e construção de túneis (^{Gettu et.al., 2004}; ^{Kasper et.al., 2008}; ^{De la Fonte et.al., 2012}). Atualmente, as fibras de aço também são utilizadas na construção de segmentos para revestimento de túneis (^{Blom, 2002}), (^{Burgers et.al., 2007}), (^{De la Fuente et.al., 2013}). No México, as primeiras aplicações foram em pisos industriais, porém, seu uso tem aumentado recentemente, principalmente em obras subterrâneas, tanto em obras civis como em mineração.

Uma das principais propriedades beneficiadas pelo reforço de fibras no concreto é a capacidade de absorção de energia após a fissuração, ou seja, por mais que o elemento fissure, ele pode continuar resistindo à carga e deformar-se sem colapsar, permitindo redistribuição das tensões (^{De Waal, 2000}), melhorando o comportamento antes da fratura, impacto e fadiga (Gopalaratnam e Gettu, 1995). A eficiência das fibras incorporadas na mistura de concreto depende (1) das propriedades da fibra: resistência, rigidez e aderência, (2) da distribuição da fibra: fração relativa, conteúdo e orientação (^{Zollo, 1997}).

Para medir a absorção de energia, foram desenvolvidos diferentes métodos de ensaio padronizados que permitem avaliar o desempenho do concreto reforçado com fibras, para sua aplicação é importante levar em consideração: 1) A complexidade do ensaio; 2) A complexidade da preparação da amostra; 3) A complexidade da execução; 4) A reprodutibilidade do ensaio; 5) Custo e aplicabilidade na prática e aceitação do método de ensaio pelos pesquisadores. (^{Kooiman, 2000}). Os métodos propostos para avaliar a absorção de energia de CRFs devem ser avaliados de acordo com as condições descritas acima para determinar sua aplicação prática como Protocolos de Controle em Obra para CRFs.

Levando em consideração os fundamentos anteriores e a vasta experiência do Instituto de Engenharia da UNAM em pesquisas sobre o CRF, este trabalho apresenta os resultados de um Programa Experimental de avaliação do desempenho do CPRF em um caso prático, a Extensão da Linha 12 do CDMX Metro. A absorção de energia (tenacidade) do concreto do revestimento primário do túnel L-12 e sua complexidade é avaliada para preparar os corpos de prova correspondentes aos ensaios de painel de seção quadrada ^{EN 14488-5} (l 600 × l 600 × h 100 mm), ensaio de painel circular ASTM C1550 (ϕ 800 × e 75 mm) e ensaio Barcelona ^{UNE 83515} (h 150 × ϕ 150 mm) proposto por ^{Chen (1970)}. Optou-se por usar padrões internacionais porque, durante essa campanha experimental, o México não tinha padrões que permitissem avaliar esse tipo de ensaio.

2. Trabalho de extensão da linha 12 do metro cdmx

2.2 Ensaios de controle

A propriedade mais representativa do CPRF é a absorção de energia. Após as fissuras do concreto, as fibras começam a trabalhar durante o processo de fissuração, redistribuindo e controlando a propagação das fissuras à medida que o sistema de revestimento CPRF sofre deformação. A capacidade de carga do CPRF determina o desempenho do sistema de revestimento.

A absorção de energia de CPRF é determinada por meio de ensaios de flexão. Existem dois procedimentos no uso tradicional: a) o ensaio de painel, seção circular ou seção quadrada, e b) o ensaio de viga. Para sua determinação, novos métodos de ensaio padronizados foram desenvolvidos, os quais são utilizados internacionalmente. O ensaio de viga é usado principalmente em aplicações de pavimentação.

O desempenho pós-elástico de painéis circulares / quadrados submetidos a uma carga pontual no centro é representado pela energia absorvida até uma deflexão central especificada. Os métodos de ensaio de resistência à flexão típicos incluem ASTM C1550, para painéis circulares, e ^{EN 14488-5}, para painéis quadrados. A determinação da capacidade de absorção de energia é o fator mais importante na avaliação do desempenho do CPRF, que é calculado para uma deflexão especificada, 25 mm em painel quadrado e 40 mm em painel circular.

Outros métodos de avaliação da resistência à flexão são os ensaios de viga. Para isso, são necessários painéis CPRF que são cortados em vigas e ensaiados de acordo com as normas ASTM C1609 e ^{UNE EN-14651}, para determinar a tenacidade à flexão.

Um desenvolvimento recente é o Double-Punching Test (DPT), proposto por ^{Chen (1970)} padronizado pela ^{UNE 83515}, conhecido como ensaio de Barcelona. Este ensaio determina a tenacidade do cilindro que é calculada para uma abertura de fissura circunferencial especificada de 6 mm. ^{Carmona et.al., (2009)}, considera que este ensaio se caracteriza pela sua baixa complexidade no preparo dos corpos de prova, proporciona um controle sistemático adequado da CRF no local e apresenta uma grande superfície de fratura específica ao longo de sua altura.

Para avaliar o desempenho dos concretos do revestimento primário do túnel L-12, o II-UNAM realizou ensaios de controle, para os quais foram confeccionados diversos tipos de amostras CPRF obtidas no túnel, e realizada campanha experimental de acompanhamento em todas as operações de lançamento do concreto, com ênfase na amostragem e ensaio de amostras.

A Figura 1 mostra um procedimento típico para colocar o revestimento de aço primário no CPRF no túnel L-12. Quando o caminhão de concreto chega à obra, é obtida uma amostra de concreto sem fibra, a temperatura e o abatimento são medidos para sua rejeição ou aceitação. Em caso de aceitação, a quantidade de fibra de projeto é imediatamente incorporada, permitindo que seja integrada e misturada pelo tempo estabelecido. Terminado o tempo de mistura, o concreto é fornecido ao túnel por meio de uma tubulação, que é recebida por um caminhão betoneira que transporta o concreto do porto até a frente de obra, incorporando-o ao equipamento de vazamento. Os materiais utilizados na fabricação do concreto foram: cimento CPC 40RS (NMX-C-414-ONNCCE), agregados de pedra: areia de andesita, cascalho calcário com tamanho máximo de 10 mm (NMX-C-111-ONNCCE), aditivo de linha tipo B e F (ASTM C 494), aditivo acelerador TamShot 70 AF (ASTM C 1141) e fibra de aço longa de 35 mm, relação de esbeltez (l / Ø) 65, resistência à tração de 1.345 (N/m²2 ), na dosagem de 30 kg/m³ de concreto. Uma relação água / cimento 0,50. A resistência à compressão de projeto especificada em 28 dias é f´c = 250 kg/cm².

Figura 1 Procedimento para aplicar o revestimento primário do túnel L-12 

3. Ensaio de painél quadrado - en 14488-5

Os ensaios de absorção de energia em um painel com seção quadrada de l 600 × l 600 mm de seção e h 100 mm de espessura foram realizados de acordo com a norma ^{EN 14488-5}. O ensaio consiste em ensaiar painéis quadrados, os quais são submetidos a uma carga central que é aplicada através de uma placa quadrada de 100 × 100 mm e 20 mm de espessura. A partir do ensaio, obtém-se o comportamento carga-deformação e a partir dessa curva é calculada a capacidade de absorção de energia na faixa pós-fissuração até um deformação especificado de 25 mm, calculado como a área sob a curva.

Para realizar o ensaio de painel quadrado, está disponível um sistema de controle de malha fechada que permite o controle por deformação e um quadro de reação que é integrado a um atuador e sistema de célula de carga. O atuador tem capacidade de 500 kN, sendo utilizado um transdutor de deformação tipo LVDT para a instrumentação dos painéis. A velocidade de aplicação do deformação do pistão do atuador foi de 1 mm / min. A faixa de medição do LVDT usado é de 100 mm.

Na figura 2 é mostrada a configuração do ensaio de painel quadrado, conforme ^{EN 14488-5}. A face do painel que está nivelada corresponde à face superior da amostra no ensaio (^{EN 14488-5}).

Figura 2 Esquema de configuração do ensaio de painel, segundo a EN 14488-5 

Os painéis utilizados para este ensaio correspondem aos corpos de prova PCO-1, PCO-2 e PCO-3, os quais foram obtidos a partir da mesma mistura (lote) de concreto fornecido em campo para o revestimento primário do túnel. Sua ruptura típica se comporta formando duas fissuras principais que atravessam toda a seção do painel, e outras fissuras secundárias, conforme mostrado na figura 3. A ruptura foi gradativa, devido à presença das fibras na matriz do concreto.

Figura 3 Modo de falha típico dos painéis quadrados ensaiados 

A Figura 4 mostra as curvas carga-deformação dos painéis ensaiados. As curvas apresentam comportamento semelhante, independente do painel ensaiado. As curvas apresentam duas seções, uma seção inicial ascendente e uma pós-fissura descendente. Na primeira seção, a carga sobe gradualmente com pequenos incrementos de deformação e ocorrem vários picos. Nesse trecho inicial da curva, a contribuição da fibra não é total, até que ocorra a fissura a partir da qual a fibra atua junto com o concreto. Nesta fase, foram observadas várias quedas de carga, principalmente devido à fissuração do concreto. Porém, há uma recuperação em todos os casos até atingir um valor de carga máxima, a partir do qual ocorre uma diminuição gradativa no pós-fissuração. O ensaio termina atingindo um deformação mínimo de 25 mm. A Figura 4 mostra que o comportamento pós-fissuração é muito semelhante para ambos os painéis, além disso, os valores de carga máxima são bastante semelhantes; portanto, estima-se que a absorção de energia apresenta valores semelhantes.

Figura 4 Curvas de carga-deformação dos painéis quadrados ensaiados 

A tenacidade foi determinada como a área sob a curva carga-deformação entre a origem e o deformação central de 25 mm, conforme especificado na ^{EN 14488-5}. Os resultados são apresentados na tabela 1. Os resultados mostram que a tenacidade média (absorção de energia) dos painéis ensaiados é de 843,14, com um coeficiente de variação de 5,27%. A repetibilidade dos resultados é bastante aceitável.

Esses painéis de ensaio apresentam alto grau de complexidade na etapa de amostragem, transporte e ensaio por se tratarem de corpos de prova com peso médio de 80 kg cada, além de necessitarem de pelo menos duas pessoas treinadas para o preparo e manuseio das amostras. durante a amostragem e ensaio. O excedente de concreto para sua elaboração deve ser considerado, em torno de 0,1 m³ para os três corpos de prova, situação que representa um custo extraordinário no consumo de concreto, que será afetado pela periodicidade do ensaio, porém, sua aplicação será determinada se o projeto especifica seu uso no Protocolo de Controle como método de avaliação, ou caso não, utilize outro ensaio se sua correlação com ele for conhecida.

4. Ensaio de painel circular - astm c1550

Os ensaios de absorção de energia em um painel de seção circular de 75 e × 800 ϕ mm foram realizados de acordo com a norma ASTM C1550. O ensaio permite caracterizar o comportamento à flexão do concreto expresso como absorção de energia na faixa pós-fissuração.

Para a realização dos ensaios, existe um dispositivo de montagem dos painéis que atende às especificações da norma. O dispositivo é constituído por uma placa circular sobre a qual são colocados três pontos de apoio diametralmente equidistantes. Esses três pontos de apoio são colocados simetricamente circunscritos em um círculo de 750 mm de diâmetro, e devem suportar a aplicação de uma carga vertical de 100 kN no centro do painel e ser suficientemente rígidos para que nenhum deformação inaceitável ocorra durante o ensaio. Esses suportes são constituídos por bases de aço piramidais com dispositivos nos vértices que atuam como uma junta esférica e permitem a rotação livre da placa durante o ensaio.

O painel se apoia sobre os três pivôs dispostos simetricamente e uma carga pontual é aplicada no centro do painel, conforme mostrado na figura 5. A carga é aplicada na face nivelada, com a face moldada do painel apoiada nos três pivôs. Durante o ensaio, a carga e o deformação são registrados continuamente e a curva carga-deformação é obtida, a partir da qual pode ser obtida a absorção de energia.

Figura 5 Esquema de configuração do ensaio de painel, segundo a ASTM C1550 

A informação da resposta carga-deformação completa do ensaio do painel circular requer também um equipamento de ensaio bastante rígido e um sistema de controle que permita obter informações no pós-pico (pós-fissuração), para o qual, foi utilizado o mesmo kit de ensaio de painel quadrado. A velocidade de deformaçãoo aplicada foi de 4 mm/min, conforme estabelecido pela ASTM C1550. O ensaio termina quando uma deformação mínima de 40 mm é alcançada. A instrumentação foi realizada com transdutor de deformação tipo LVDT de faixa de 100 mm, que é posicionado no centro da parte inferior do painel. A absorção de energia, calculada como a área sob a curva carga-deformação, é determinada para 5, 10, 20 e 40 mm de deformação, conforme especificado pela norma.

Painéis ensaiados com carga de ponto central tipicamente falharam em formar três fissuras radiais começando no centro do painel e dividindo o corpo de prova em três seções, como mostrado na figura 6. O modo de falha foi gradual, devido à presença das fibras. na matriz de concreto, ao contrário do ensaio de painéis sem fibra, onde a partir de experiências anteriores observou-se que a falha é repentina (^{Aire e Rodríguez, 2011}).

De acordo com ASTM C1550, um ensaio bem-sucedido envolve um modo de falha que inclui pelo menos três trincas radiais. Ocasionalmente, os corpos-de-prova apresentam um modo de falha envolvendo uma única fissura, que se caracteriza pela baixa absorção de energia. O resultado deste ensaio deve ser descartado e apenas o resultado de dois ensaios mostrando um modo de falha que inclui três trincas radiais deve ser considerado. Neste estudo os três painéis apresentaram três fissuras radiais.

Figura 6 Modo de falha de painéis circulares 

A Figura 7 mostra a configuração do ensaio de painel circular e a figura 8 mostra as curvas carga-deformação a partir dos resultados obtidos. No México, o método de ensaio equivalente de ASTM C 1550 é regulamentado em NMX C539 (NMX 539, 2017). As curvas carga-deformação apresentam uma seção ascendente inicial onde a carga sobe gradativamente com pequenos incrementos de deformação. Nesta seção linear inicial a carga é suportada pelo concreto e a contribuição da fibra é mínima ou nula. Nesta primeira fase, a curva atinge um pico máximo (carga máxima), e imediatamente se inicia o processo de fissuração do concreto e a carga é transmitida às fibras, até que finalmente elas absorvem toda a carga e as fibras trabalham em conjunto com a concreto. A fase pós-fissuração é caracterizada por uma diminuição gradual da carga e deformação. Os três painéis têm capacidades residuais semelhantes.

Figura 7 Ensaio de painel de seção circular, ASTM C1550 

Figura 8 Curva carga vs deformação de painéis circulares 

A tenacidade foi determinada como a área sob a curva carga-deformação entre a origem e o deformação central especificado na norma. Os resultados são mostrados na Tabela 2. A absorção de energia foi determinada como a área sob a curva carga-deformação entre a origem e o deformação central especificado em ASTM C1550. Os resultados são apresentados na tabela 2. A absorção média de energia para os painéis ensaiados é de 311 Joules para um deformação de 40 mm, com um coeficiente de variação de 19,7%.

circulares, da mesma forma que os quadrados, também apresentam alto grau de complexidade na sua etapa de amostragem, transporte e ensaios por serem corpos de prova com peso médio de 100 kg cada, além de necessitarem de pelo menos duas pessoas treinadas para a preparação e manuseio de amostras durante a amostragem e ensaio. O processo de arrasamento é tedioso e dependendo das características da obra, a sua transferência para as salas de cura requer mais equipamentos, devendo também ter espaço suficiente para ser armazenada e curada. Deve-se considerar o excedente de concreto para sua elaboração, em torno de 0,15 m³ para os três corpos de prova, situação que representa um custo extraordinário no consumo de concreto, que será afetado pela periodicidade do ensaio, porém, sua aplicação será determinada se o projeto especifica seu uso para o Protocolo de Controle como método de avaliação, ou caso não, utilize outro ensaio caso seja conhecida sua correlação com este.

5. Ensaio barcelona - une 83515

O ensaio de Barcelona é um método de ensaio para determinar a resistência à fissuração, tenacidade e resistência residual do concreto reforçado com fibras por meio de um ensaio de puncionamento duplo. É aplicável a corpos de prova cilíndricos de concreto, moldados ou extraídos de uma estrutura, com altura aproximadamente igual ao seu diâmetro. Os elementos essenciais para a aplicação deste método de ensaio são: a corrente circunferencial com extensômetro, discos de carga (punções) e discos de montagem. Os corpos de prova podem ser obtidos por moldagem direta de moldes cilíndricos de h 150 × ϕ 150 mm, de moldes cilíndricos de h 150 × ϕ 300 mm e posterior corte para obter h / ϕ = 1, ou por extração de núcleo de ϕ 150 mm de estruturas reais, o que é uma vantagem do método quando é necessário avaliar o desempenho do concreto colocado no local.

O ensaio é realizado de acordo com a norma ^{UNE 83515}. A Figura 9 mostra um diagrama da configuração do ensaio Barcelona. A carga deve ser aplicada uniformemente com uma velocidade de descida do pistão da prensa de 0,5 ± 0,05 mm / min durante todo o ensaio. Isso é considerado concluído quando a deformação circunferencial total atinge pelo menos 6 mm.

Figura 9 Configuração do ensaio Barcelona - UNE 83515 

Para a realização deste ensaio, foi realizada uma amostragem numa calha de madeira 650 B x 350 b x 150 h mm, da qual foram extraídos 4 testemunhos. Para a extração dos testemunhos foi utilizada uma extratora, como a mostrada na Figura 10. A verticalidade do núcleo foi garantida por meio do nivelamento da superfície de apoio. A carga foi aplicada na face nivelada.

A Figura 11 mostra a configuração do ensaio. O método de ensaio equivalente de ^{UNE 83515} no México é NMX C538 (NMX C538, 2017).

Figura 10 Extração de testemunhos para o ensaio de Barcelona. 

Figura 11 Ensaio de dupla punção, configuração, UNE 83515 

A falha do cilindro no ensaio de Barcelona apresenta 3 trincas que cruzam toda a altura do cilindro, conforme mostrado na figura 12.

Figura 12 Modo de falha típico de cilindros, Ensaio de Barcelona. 

A Figura 13 mostra as curvas circunferenciais de deformação de carga dos cilindros ensaiados. As curvas apresentam uma deformação quase nula do início da carga até a carga máxima. Ao atingir a carga máxima, aparecem as primeiras fissuras e pós-fissuras. A carga diminui até uma certa abertura circunferencial e as fibras começam a funcionar. A carga é recuperada e o comportamento residual é apresentado.

Figura 13 Curvas de carga-deformação circunferencial do ensaio de Barcelona 

A Tabela 3 mostra os resultados de tenacidade dos cilindros ensaiados. O coeficiente de variação dos resultados varia entre 2,5% e 6,8%.

Os cilindros utilizados para este ensaio têm a vantagem de serem obtidos de calhas no caso do concreto lançado, extraindo-os de um elemento fundido ou confeccionando os próprios cilindros com moldes específicos, portanto, a sua obtenção tem um baixo grau de complexidade na etapa de amostragem, transporte e ensaio, por se tratarem de corpos de prova com peso médio de 5 kg cada, além de exigirem uma pessoa treinada para o preparo e manuseio das amostras durante a amostragem e os ensaios. O excedente de concreto para sua preparação é mínimo e sua aplicação será determinada se o projeto especificar seu uso para o Protocolo de Controle como método de avaliação.

6. Conclusões

A partir dos resultados obtidos para os três ensaios propostos em termos de absorção de energia, a análise estatística encontrou maior variabilidade nos resultados dos painéis circulares e menor variabilidade nos cilindros para o Ensaio de Barcelona. Essa situação pode ser atribuída ao motivo de maior espessura, maior concentração de fibras no núcleo de concreto.

As amostragens realizadas até o momento na obra de ampliação do L12 representam um projeto piloto para avaliação da aplicação dos métodos, os quais não são especificados para o projeto, portanto, não se pode afirmar que os valores obtidos estejam em conformidade com os parâmetros especificados em termos de absorção de energia para CPRFs de aço, no entanto, representam um divisor de águas para a implantação de um Protocolo de Controle que avalia o desempenho do CPRF e permite conhecer os diferentes cenários, facilidades, dificuldades e outros aspectos que se apresentam in loco durante o desenvolvimento das amostragens, resultados de ensaios e análises de todos os componentes envolvidos.

Derivado da campanha experimental aplicada ao caso prático da Extensão da Linha 12 do Metrô da Cidade do México, identifica-se que os processos de amostragem, preparação de corpos de prova e ensaios para o Ensaio de Barcelona (UNE 83515) são mais práticos desde o início. do ponto de vista das condições da obra, pois são corpos de prova de menor peso e menores dimensões, se comparados aos painéis, portanto, são feitos em menos tempo e quando você tem bastante experiência, manuseio, preparação e ensaios, pode ser feito por uma só pessoa.

O aumento da utilização do CRF, a experiência adquirida nestes trabalhos de campo e pesquisas relacionadas, têm motivado o setor privado, empresas de construção e instituições acadêmicas como o Instituto de Engenharia da UNAM a levantar, propor e desenvolver métodos de ensaio avaliar o CRF com base em normas internacionais, com o uso de informações em aplicações locais. Que vai promover um novo sistema de controle de qualidade para concreto reforçado com fibra em obras subterrâneas no México.