Compósito cimentício projetado - Engineered cementitious composite

Compósito cimentício projetado (ECC), também chamado de Compósitos à base de Cimento Endurecível (SHCC) ou mais popularmente como concreto dobrável , é um compósito à base de argamassa facilmente moldado reforçado com fibras curtas aleatórias especialmente selecionadas, geralmente fibras poliméricas . Ao contrário do concreto normal , o ECC tem uma capacidade de deformação na faixa de 3-7%, em comparação com 0,01% para pasta de cimento Portland comum (OPC), argamassa ou concreto. Portanto, o ECC atua mais como um material de metal dúctil do que como um material de vidro quebradiço (como o concreto OPC), levando a uma ampla variedade de aplicações.

Desenvolvimento

ECC, ao contrário do concreto reforçado com fibra comum , é uma família de materiais projetados micromecanicamente . Desde que um material cimentício seja projetado / desenvolvido com base na teoria da micromecânica e da mecânica da fratura para apresentar grande ductilidade à tração, ele pode ser chamado de ECC. Portanto, ECC não é um design de material fixo, mas uma ampla gama de tópicos em diferentes estágios de pesquisa, desenvolvimento e implementações. A família de materiais ECC está se expandindo. O desenvolvimento de um projeto de mistura individual de ECC requer esforços especiais por meio da engenharia sistemática do material em escalas nano, micro, macro e composta.

ECC é semelhante ao concreto à base de cimento Portland comum, exceto que pode deformar (ou dobrar) sob tensão. Vários grupos de pesquisa estão desenvolvendo ciência ECC, incluindo os da University of Michigan , University of California, Irvine , Delft University of Technology , University of Tokyo , Czech Technical University , University of British Columbia e Stanford University . A falta de durabilidade do concreto tradicional e a ruptura sob tensão, ambos decorrentes do comportamento quebradiço, têm sido um fator impulsionador no desenvolvimento do ECC.

Propriedades

ECC tem uma variedade de propriedades únicas, incluindo propriedades de tração superiores a outros compostos reforçados com fibra , facilidade de processamento em paridade com o cimento convencional, o uso de apenas uma pequena fração de volume de fibras (~ 2%), largura de rachadura apertada e falta de planos anisotropicamente fracos. Essas propriedades são em grande parte devido à interação entre as fibras e a matriz de cimentação, que pode ser customizada por meio de projetos micromecânicos. Essencialmente, as fibras criam muitas microfissuras com uma largura muito específica, em vez de algumas fissuras muito grandes (como no concreto convencional). Isso permite que o ECC se deforme sem falha catastrófica.

Este comportamento de microfissuração leva a uma resistência superior à corrosão (as rachaduras são tão pequenas e numerosas que é difícil para meios agressivos penetrar e atacar o aço de reforço), bem como à autocura. Na presença de água (durante uma tempestade, por exemplo) partículas de cimento não reagidas recentemente expostas devido ao hidrato de fissuração e formam uma série de produtos (hidrato de silicato de cálcio , calcita , etc.) que se expandem e preenchem a fissura. Esses produtos aparecem como um material de 'cicatriz' branco que preenche a fenda. Esse comportamento de autocura não apenas sela a rachadura para evitar o transporte de fluidos, mas as propriedades mecânicas são recuperadas. Essa autocura foi observada em uma variedade de cimentos e concretos convencionais; entretanto, acima de uma certa largura de fissura, a autocura se torna menos eficaz. São as larguras de rachaduras rigidamente controladas vistas no ECC que garantem que todas as rachaduras cicatrizem completamente quando expostas ao ambiente natural.

Quando combinados com um material mais condutor, todos os materiais de cimento podem aumentar e ser usados ​​para detecção de danos. Isso se baseia essencialmente no fato de que a condutividade muda à medida que ocorre o dano; a adição de material condutor tem como objetivo elevar a condutividade a um nível em que tais alterações sejam facilmente identificadas. Embora não seja uma propriedade material do próprio ECC, o ECC semicondutor para detecção de danos está sendo desenvolvido.

Tipos

Existem várias variedades diferentes de ECC, incluindo:

  • Os ECC leves (ou seja, de baixa densidade) foram desenvolvidos por meio da adição de espaços vazios de ar, bolhas de vidro, esferas de polímero e / ou agregados leves. Comparado a outros concretos leves, o ECC leve tem ductilidade superior. As aplicações incluem casas flutuantes, barcaças e canoas.
  • 'Concreto autoadensável' refere-se a um concreto que pode fluir com seu próprio peso. Por exemplo, um material autocompactável seria capaz de preencher um molde contendo um elaborado reforço de aço pré-posicionado sem a necessidade de vibração ou agitação para garantir uma distribuição uniforme. O ECC autocompactável foi desenvolvido através do uso de aditivos químicos para diminuir a viscosidade e através do controle das interações das partículas com a dosagem da mistura.
  • O ECC pulverizável, que pode ser pulverizado pneumaticamente a partir de uma mangueira, foi desenvolvido usando vários agentes superplastificantes e aditivos para redução da viscosidade. Em comparação com outros compósitos reforçados com fibra em spray, o ECC em spray tem capacidade de bombeamento aprimorada, além de suas propriedades mecânicas exclusivas. O ECC pulverizável tem sido usado para trabalhos de reforma / reparo e revestimentos de túneis / esgoto.
  • Um ECC extrudável para uso na extrusão de tubos foi desenvolvido pela primeira vez em 1998. Os tubos de ECC extrudados têm maior capacidade de carga e deformabilidade do que qualquer outro tubo composto reforçado com fibra extrudada.

Aplicações de campo

O ECC encontrou uso em uma série de aplicações de grande escala no Japão, Coréia, Suíça, Austrália e os EUA [3]. Esses incluem:

  • A barragem de Mitaka perto de Hiroshima foi reparada usando ECC em 2003. A superfície da barragem de 60 anos de idade foi gravemente danificada, mostrando evidências de rachaduras, estilhaçamento e algum vazamento de água. Uma camada de ECC de 20 mm de espessura foi aplicada por pulverização sobre a superfície de 600 m 2 .
  • Também em 2003, um muro de contenção de terra em Gifu, Japão, foi reparado usando ECC. O cimento Portland comum não pôde ser usado devido à severidade da rachadura na estrutura original, que teria causado rachaduras reflexivas. O ECC foi planejado para minimizar esse perigo; após um ano, apenas microfissuras de largura tolerável foram observadas.
  • O prédio de apartamentos de 95 m (312 pés) Glorio Roppongi em Tóquio contém um total de 54 feixes de acoplamento ECC (dois por andar) destinados a mitigar os danos do terremoto. As propriedades do ECC (alta tolerância a danos, alta absorção de energia e capacidade de deformar sob cisalhamento) conferem propriedades superiores em aplicações de resistência sísmica quando comparado ao cimento Portland comum . Estruturas semelhantes incluem a Torre Nabeaure Yokohama de 41 andares (quatro vigas de acoplamento por andar).
  • A ponte Mihara com 1 km (0,62 mi) de comprimento em Hokkaido , Japão, foi aberta ao tráfego em 2005. O leito da estrada reforçado com aço contém cerca de 800 m3 de material ECC. A ductilidade à tração e o comportamento de controle de trincas do ECC levaram a uma redução de 40% no material usado durante a construção.
  • Da mesma forma, uma plataforma de ponte ECC de 225 mm de espessura na interestadual 94 em Michigan foi concluída em 2005. 30 m 3 de material foram usados, entregues no local em caminhões de mistura padrão. Devido às propriedades mecânicas exclusivas do ECC, este deck também usou menos material do que um deck proposto feito de cimento Portland comum. Tanto a Universidade de Michigan quanto o Departamento de Transporte de Michigan estão monitorando a ponte na tentativa de verificar a durabilidade superior teórica do ECC; após quatro anos de monitoramento, o desempenho permaneceu inalterado.
  • O primeiro remendo de ECC de auto-consolidação e alta resistência inicial foi colocado na ponte Ellsworth Road sobre a US-23 em novembro de 2006. O ECC de alta resistência inicial pode atingir uma resistência à compressão de 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi ) em quatro horas e 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) em 28 dias, permitindo reparo rápido e reabertura da sessão ao tráfego. O reparo ECC de alta resistência inicial mostrou durabilidade superior a longo prazo em condições de campo em comparação com os materiais de reparo de concreto típicos.

Comparação com outros materiais compostos

Propriedades FRC HPFRCC comum ECC
Metodologia de Design N / D Use Vf alto Baseado em micromecânica, minimizar Vf para custo e processabilidade
Fibra Qualquer tipo, Vf geralmente inferior a 2%; df para aço ~ 500 micrômetros Principalmente aço, Vf geralmente> 5%; df ~ 150 micrômetro Fibras poliméricas sob medida, Vf geralmente inferior a 2%; df <50 micrômetro
Matriz Agregados grosseiros Agregados finos Controlado para resistência da matriz, tamanho da falha; areia fina
Interface Não controlado Não controlado Ligações químicas e de fricção controladas para propriedades de ligação
Propriedades mecânicas Suavização de tensões: Endurecimento por deformação: Endurecimento por deformação:
Tensão de tração 0,1% <1,5% > 3% (típico); 8% máx.
Largura da fissura Ilimitado Normalmente várias centenas de micrômetros, ilimitado além de 1,5% de tensão Normalmente <100 micrômetros durante o endurecimento por deformação

Nota: FRC = cimento reforçado com fibra. HPFRCC = Compósitos Cimentícios Reforçados com Fibra de Alto Desempenho

Veja também

Referências

links externos