Dosagem através do empacotamento de partículas e avaliação do comportamento mecânico de concreto de ultra-alto desempenho híbrido

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Goes, Caroline Marcão Wolf de, 1990-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/3686
Resumo: Orientador: Luiz Carlos de Almeida
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spelling Dosagem através do empacotamento de partículas e avaliação do comportamento mecânico de concreto de ultra-alto desempenho híbridoDesign through particle packing and evaluation of the mechanica behavior of hybrid ultra-high performance concreteConcreto de alta resistênciaFibra de concreto armadoPozolanaUltra-high performance concreteFiber reinforced concretePozzolansOrientador: Luiz Carlos de AlmeidaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoResumo: O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) é uma nova geração de concreto que possui alta resistência à compressão, superior a 120 MPa, e maior durabilidade. Sua dosagem se baseia na utilização de materiais com granulometrias finas (tipicamente entre 0.20 e 600 ?m) e de técnicas de empacotamento das partículas, para minimizar a porosidade e obter uma microestrutura densa. Pode ser aplicado em reforço de estruturas, elementos arquitetônicos, torres eólicas, obras marítimas, e, principalmente, em obras de infraestrutura. Uma das principais vantagens do uso do CUAD é possibilitar a redução das dimensões dos elementos estruturais, o tempo de execução de estruturas e o custo (dependendo da estrutura). Apesar de ao longo da história ter sido produzido com alto teor de cimento, a utilização de materiais cimentícios, como metacaulim e resíduos industriais (sílica ativa, cinza volante, escória de alto forno) para substituir parte do cimento tem sido estudada para reduzir o impacto ambiental e o custo do concreto. As fibras confere alta ductilidade e tenacidade ao concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (CUADRF). Normalmente, apenas um tipo de fibra é adicionado em sua composição, sendo a fibra de aço a mais utilizada por ter alta resistência e alto módulo de elasticidade. Porém, a combinação de fibras de diferentes tipos, formatos, propriedades ou funcionalidades tem sido investigada, pois o desempenho de um concreto híbrido tende a ser superior ao desempenho de um concreto composto com apenas uma fibra. O objetivo da pesquisa foi desenvolver um traço de CUADRF híbrido utilizando fibras de aço de 13 mm de comprimento e 0.20 mm de diâmetro e fibras de álcool polivinílico de 6 mm de comprimento e 0.20 mm de diâmetro. Foram utilizados materiais disponíveis no mercado brasileiro, exceto as fibras de aço, com o intuito de auxiliar e incentivar a aplicação desse concreto na infraestrutura do país e contribuir para a elaboração de normas e recomendações nacionais. A primeira etapa do trabalho experimental consistiu na caracterização dos materiais (morfologia, densidade, granulometria e componentes químicos). Na segunda etapa, através do empacotamento de partículas produziu-se diferentes traços de CUAD que foram avaliados quanto à fluidez, porosidade e resistência à compressão. Esses traços foram separados em três combinações de materiais, diferenciando-se pelo uso de pó de quartzo, cinza volante e metacaulim. Na terceira etapa, o traço de melhor desempenho produzido na etapa anterior foi analisado com fibras. Nesta etapa, parte da água de amassamento foi substituída por gelo para melhorar a fluidez e o tempo de pega. Foram desenvolvidos três traços, sendo um sem fibras (CUAD referência), e dois CUADRF, sendo um com apenas fibras de aço (volume de 2%) e outro híbrido (volume de 1.5% de fibras de aço e 0.50% de fibras de álcool polivinílico). Os traços de CUAD compostos com cinza volante e metacaulim obtiveram resistência à compressão superior aos traços de CUAD com pó de quartzo, porque são pozolanas de alta reatividade. Verificou-se que adição do superplastificante em duas etapas favoreceu a fluidez. Devido as partículas da cinza volante serem esféricas resultou no aumento da fluidez e redução da relação água/aglomerante. Para a idade de 140 dias, o traço de CUADRF com 2% de fibras de aço obteve 146.01 MPa de resistência à compressão e o traço de CUADRF híbrido obteve 123.94 MPa. A adição de fibras ao CUAD aumentou significativamente a resistência à tração na flexão. O uso de fibras retas de aço com tratamento na superfície permitiu a obtenção de uma alta aderência entre fibra-matriz. Apesar da substituição de parte das fibras de aço por fibras de álcool polivinílico ter resultado na redução das resistências à compressão e à tração na flexão, a aplicação do CUADRF híbrido permite a construção de estruturas com menor probabilidade de corrosão, maior resistência ao incêndio e menor custo. Os resultados mostram um potencial para que o CUADRF seja produzido nacionalmente e com facilidade, devido a ampla variedade de matéria-prima disponível no Brasil, em condições de cura em temperatura ambiente e processos convencionais de moldagem. Adicionalmente, analisou-se analíticamente modelos inversos para obter as curvas de tensão de tração por abertura de fissuras. Essas curvas podem ser utilizadas em projetos e modelos de elementos finitosAbstract: Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a new generation of concrete with high compressive strength, greater than 120 MPa, and high durability. The mix design is based on fine granulometry materials (between 0.20 and 600 ?m) and particle packing techniques, minimizing porosity and obtaining a dense microstructure. UHPFRC can be applied in retrofit structures, architectural elements, wind towers, maritime works, and more specifically, for infrastructure works. One of the main advantages of using UHPC is the possibility to reduce the dimensions of structural elements, the execution time of structures, and the cost (depending on the structure). Although it has been produced with a high cement content over the years, cementitious materials, such as metakaolin and industrial waste (silica fume, fly ash, blast furnace slag) can replace part of the cement to reduce environmental impact and concrete cost. The fibers provide high ductility and toughness to ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC). Usually, only one type of fiber is added in its composition, which steel fiber being the most used because it has high strength and a high modulus of elasticity. However, the combination of fibers of different types, shapes, properties, or functionalities has been investigated, as the performance of a hybrid concrete tends to be superior to the performance of a concrete with only one fiber. The research aimed to develop a hybrid UHPFRC blending steel fibers 13 mm long and 0.20 mm in diameter and polyvinyl alcohol fibers 6 mm long and 0.20 mm in diameter. Materials available in the Brazilian market were used, except for steel fibers, to help and encourage the application of this concrete in the country's infrastructure and contribute to the elaboration of national standards and recommendations. The first stage of the experimental work consisted of the materials' characterization (morphology, density, granulometry, and chemical components). In the second stage, different UHPC mixes were produced by the particle packing and were evaluated in terms of fluidity, porosity, and compressive strength. These mixes were separated into three material combinations, distinguished by using quartz powder, fly ash, and metakaolin. In the third step, the best performance mix produced in the previous step was analyzed with fibers. In this step, part of the kneading water was replaced by ice to improve fluidity and set time. Three mixes were developed, one without fibers (reference UHPC), and two UHPFRC, one with only steel fibers (volume of 2%) and another hybrid (volume of 1.5% of steel fibers and 0.50% of polyvinyl alcohol fibers). The UHPC mixes composed of fly ash and metakaolin obtained higher compressive strength than the UHPC mixes with quartz powder because they are pozzolans with high reactivity. The addition of the superplasticizer in two stages favored fluidity. Because the fly ash particles are spherical, it resulted in an increase in fluidity and a reduction in the water/binder ratio. At the age of 140 days, the UHPFRC mix with 2% steel fibers obtained 146.01 MPa of compressive strength, and the hybrid UHPFRC mix obtained 123.94 MPa. The addition of fibers to UHPC significantly increased the flexural tensile strength. Straight steel fibers with surface treatment allowed obtaining a high adhesion between fiber-matrix. Although the substitution of part of the steel fibers for polyvinyl alcohol fibers has resulted in the reduction of the compressive and tensile strengths in bending, the application of the hybrid UHPFRC allows the construction of structures with less probability of corrosion, higher resistance to fire, and less cost. The results show potential for UHPFRC to be produced nationally and efficiently, due to the wide variety of raw materials available in Brazil, under curing conditions at room temperature and conventional molding processes. Additionally, inverse models were analyzed analytically to obtain the curves of tensile stress-opening cracks. These curves can be used in designs and finite element modelsMestradoEstruturas e GeotécnicaMestra em Engenharia CivilCAPES88887.597172/2021-00[s.n.]Almeida, Luiz Carlos de, 1955-Buttignol, Thomaz Eduardo TeixeiraPimentel, Lia LorenaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASGoes, Caroline Marcão Wolf de, 1990-20222022-01-21T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (189 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/3686GOES, Caroline Marcão Wolf de. Dosagem através do empacotamento de partículas e avaliação do comportamento mecânico de concreto de ultra-alto desempenho híbrido. 2022. 1 recurso online (189 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Campinas, SP. 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