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CONCRETO REFORADO COM FIBRAS DE AO E SUA APLICAO EM PAVIMENTOS1

Mauricio Bochicchio2

RESUMO O presente artigo trata sobre o concreto reforado com fibras de ao, descrevendo o mecanismo de interao entre o concreto e as fibras, e os principais fatores que interferem no seu comportamento mecnico no que diz respeito resistncia trao na flexo e tenacidade. Aborda a respeito dos tipos de fibra de ao, suas caractersticas geomtricas e mecnicas e a relao destas com o comportamento do concreto reforado com fibras de ao. Identifica as principais caractersticas do concreto reforado com fibras de ao na aplicao em pavimentos e aponta as prticas usuais em relao dosagem e controle tecnolgico, alm de apontar as principais vantagens e desvantagens do seu uso.

Palavras chave: Fibras de ao. Pavimentos de concreto.

1 INTRODUO

O concreto est entre os materiais mais utilizados no mundo, possui diversas

vantagens, tais como baixo custo, facilidade de adaptao a diversas condies de

produo e possibilidade de moldagem em variadas formas. No entanto, um

material de comportamento frgil e com baixa capacidade de deformao quando

submetido a esforos de trao, e ao fissurar perde totalmente sua capacidade de

resistir trao. A adio de fibras de ao ao concreto est entre as alternativas

tecnolgicas para melhoria destas caractersticas.

As fibras de ao adicionam ao concreto certa ductilidade, transformando-o em um

compsito de comportamento pseudo-dctil, aumentando sua tenacidade e a

1 Trabalho de Concluso de Curso de Engenharia Civil apresentado na Unifacs Universidade Salvador, em 2013.1. Orientado pelo Prof. Carlos Machado.2 Bacharel em Urbanismo (UNEB), Graduando em Engenharia Civil (UNIFACS). E-mail: mauboch@gmail.com.br

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resistncia trao na flexo; para o caso de pavimentos, ajuda a diminuir os

ndices de fissurao por retrao hidrulica e trmica.

Segundo Rodrigues (2010, p.67) a adio de fibras de ao incrementa a resistncia

ao impacto, fazendo com que o material apresente maior tenacidade e melhor

comportamento com relao fadiga, o que permite que mesmo depois de

apresentar determinada deformao plstica, o material ainda tenha capacidade

estrutural.

Carnio (1998) apud (OLIVEIRA, 2000, p.16) afirma que a adio das fibras de ao

ao concreto tem por finalidade inibir a abertura das fissuras, bem como a sua

propagao, e que, devido a esse controle de fissurao, o material apresenta

capacidade de se deformar absorvendo esforo, caracterstica esta de material com

ductilidade.

No entanto, a mera insero das fibras no a garantia da melhoria destas

condies, diversos fatores afetam o comportamento deste compsito, como: o teor

de fibras, forma e comprimento das fibras, o mdulo de elasticidade do concreto e

da fibra. Outro fator importante o controle tecnolgico, j que as fibras so

distribudas de modo aleatrio dentro da matriz de concreto, sua distribuio

homognea fundamental para o comportamento esperado do material.

Segundo Figueiredo (2011, p.4) atualmente, a prtica de utilizao do concreto

reforado com fibras no Brasil pode ser descrita como uma atividade basicamente

emprica, pois muito freqente a utilizao de teores fixos de fibras e a total

ausncia de procedimentos de controle da qualidade do compsito.

O concreto reforado com fibras ao um material ainda pouco explorado no pas,

em grande parte pelo desconhecimento dos profissionais a respeito de suas

possibilidades; seu uso teve incio na dcada de 1990, e desde ento j foram

realizados diversos estudos a respeito do assunto. Sua utilizao est concentrada

principalmente em pavimentos industriais, outras aplicaes tm sido em concreto

projetado para tneis e na fabricao de tubos de concreto.

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O presente trabalho se prope, com base em uma pesquisa bibliogrfica sobre o

tema, a contribuir com o entendimento e disseminao da tecnologia do concreto

reforado com fibras de ao, apontando a funo da insero das fibras de ao ao

concreto e descrevendo o mecanismo de interao entre o concreto e as fibras.

2 TIPOS DE FIBRAS DE AO

A NBR 15530 (ABNT, 2007) estabelece parmetros de classificao para as fibras

de ao de baixo teor de carbono e dispe sobre os requisitos mnimos de forma

geomtrica, tolerncias dimensionais, defeitos de fabricao, resistncia trao e

dobramento. Seu principal objetivo garantir que as fibras possuam especificaes

que atendam a um comportamento mnimo esperado para o concreto reforado com

fibras de ao, e tambm possibilitar uma ordenao do mercado para a produo do

material.

Quanto resistncia do ao utilizado na fabricao das fibras, a norma define

resistncias mnimas em funo da classe da fibra, a menor resistncia prevista para

o ao de 500MPa.

Quadro 1 Limites de resistncia trao para os diversos tipos e classes de fibras de ao conforme NBR 15530

Fonte: Figueiredo (2011)

As fibras de ao so classificadas de acordo com o seu formato e tipo de ao que

lhe d origem, conforme indicado no Quadro 2. Quanto ao formato podem ser: Tipo

A - com ancoragem nas extremidades, Tipo B - corrugada e Tipo R - reta. Quanto

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classe podem ser: Classe I produzida a partir de arame trefilado, Classe II

obtida a partir de chapa laminada cortada a frio e Classe III produzida com arame

trefilado e escarificado. Quadro 2 Classificao e geometria das fibras de ao para reforo de concreto conforme NBR 15530

Fonte: Figueiredo (2011)

Outro ponto importante de que trata a norma diz respeito ao fator de forma, que a

relao geomtrica obtida a partir da diviso do comprimento da fibra, no alongado,

pelo dimetro do crculo com rea equivalente de sua seo transversal (L/d). A

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norma indica tambm valores mximos de variao do comprimento e dimetro

especificados.

Quadro 3 Requisitos de fator de forma mnimo das fibras de ao para concreto conforme NBR 15530

Fonte: Figueiredo (2011)

A NBR 15530 (ABNT, 2007) estabelece tambm o ensaio de dobramento, que

consiste no dobramento da fibra a 90 em um pino de 3,2mm de dimetro,

temperatura de 16C. O ensaio realizado em uma amostra de 10 exemplares por

lote, e no mnimo 90% destas no podem sofrer quebra.

A preocupao com a variao dimensional para se garantir que o fator de forma

da fibra no apresente grandes variaes e no prejudique o comportamento do

concreto reforado com fibras de ao quanto sua resistncia ps-fissurao

(FIGUEIREDO, 2011, p.23).

A norma define tambm um percentual mximo de fibras com defeitos de fabricao,

verificao realizada para cada lote fabricado, com uma amostra de no mnimo

200g. O lote aceito se no apresentar mais que 5% de peas com defeito. Podem

ocorrer defeitos como, peas emendadas pelo topo, prejudicial principalmente para

os concretos projetados, e tambm peas sem ancoragem, para o caso das fibras

tipo A, o que pode afetar o fator de forma. Quadro 4 Plano de amostragem para um lote de fibras que ser submetido ao controle de recebimento conforme NBR 15530

Fonte: Figueiredo (2011)

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3 O MECANISMO DE INTERAO ENTRE O CONCRETO E AS FIBRAS DE AO

A base do desempenho dos concretos reforados com fibras est no papel exercido

pelas fibras como ponte de transferncia de tenso pelas fissuras surgidas no

momento de rompimento do concreto. As fibras de ao atuam como reforo do

concreto endurecido, podendo em certos casos substituir a armadura convencional.

Segundo Figueiredo (2011) entre as principais causas de fissuras est a retrao da

pasta de cimento dentro da matriz, que restringida pelos agregados que so bem

mais rgidos, causando esforos de trao na pasta e sua possvel fissurao.

As fissuras conduzem a uma concentrao de tenses em suas bordas, quando o

material carregado, facilitando a ruptura do mesmo. Ao se iniciar uma nova fissura

ocorre diminuio da rea disponvel de suporte de carga, o que causa um aumento

das tenses nas extremidades das fissuras, quando esta tenso supera a tenso

crtica h a ruptura abrupta do material. No caso de esforo cclico ocorre ruptura por

fadiga da seguinte forma, a cada ciclo de carregamento h um aumento progressivo

das microfissuras, e com isso um aumento progressivo das tenses, at que ocorra

a ruptura do material.

Ao se adicionar fibras de ao de resistncia e mdulo de elasticidade, adequados e

num teor apropriado, o concreto deixa de ter o comportamento frgil. Aps o

rompimento da matriz, as fibras fazem o papel de ponte de transferncia de tenses,

cuja concentrao nas extremidades ento minimizada. Com isso, tem-se uma

reduo da velocidade de propagao das fissuras no material que passa a ter um

comportamento pseudo-dctil ou no frgil.

Aps a fissurao da matriz a presena das fibras proporciona em geral um aumento

da ductilidade e percebe-se em alguns casos, ganho de resistncia trao.

Entretanto, este aumento depender de uma srie de fatores, tais como: volume de

fibras, arranjo e mtodo de mistura nos demais componentes do concreto de

Cimento Portland (MOSCATELLI, 2011).

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Figura 1 Esquema de concentrao de tenses para um concreto sem (a) e com (b) reforo de fibras

Fonte: Figueiredo (2011)

4 FATORES QUE AFETAM O DESEMPENHO DO CONCRETO REFORADO COM FIBRAS DE AO

A geometria da fibra um dos principais aspectos que definem o desempenho do

compsito, outro fator relevante na definio deste desempenho a resistncia do

ao utilizado na sua produo. Existem ainda outros fatores que tem influncia direta

no comportamento do concreto reforado com fibras de ao, entre os principais

esto o teor de fibras e a resistncia do concreto.

4.1 GEOMETRIA

4.1.1 Comprimento

Quanto maior o comprimento da fibra, maior ser o seu embutimento e,

consequentemente, a resistncia ps-fissurao do concreto. Porm, existem alguns

inconvenientes, um deles a perda de mobilidade da mistura; o outro que se

ultrapassando o comprimento crtico, a fibra se romper no momento em que

surgirem as fissuras, diminuindo assim a resistncia ps-fissurao.

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O comprimento crtico (Lc) aquele que faz com que se atinja no centro da fibra sua

tenso de ruptura; isto ocorre pelo fato das tenses na fibra aumentarem

linearmente das extremidades ao centro, devido carga de arrancamento

proporcionada pelo comprimento embutido.

Figura 2 Distribuies possveis de tenso ao longo de uma fibra em funo do comprimento crtico

Fonte: Figueiredo (2011)

Devido a isto, as fibras disponibilizadas no mercado para reforo do concreto de

resistncia convencional possuem comprimentos menores que o crtico e o

mecanismo de reforo regido pelo processo de arrancamento da fibra garantindo

assim a tenacidade do compsito.

Segundo Figueiredo (2011), o recomendado a utilizao de fibras cujo

comprimento seja igual ou superior ao dobro da dimenso mxima caracterstica do

agregado utilizado no concreto, para que haja compatibilidade entre fibras e

agregados, de forma que estas interceptem as fissuras com mais frequncia. Ainda

segundo o autor, h duas alternativas para obter-se esta compatibilizao, reduzir a

dimenso mxima caracterstica do agregado ou aumentar o comprimento da fibra,

de modo a se maximizar a tenacidade.

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Figura 3 Concreto reforado com fibras de ao com compatibilidade dimensional (A), e sem compatibilidade (B)

Fonte: Figueiredo (2011)

4.1.2 Fator de forma

Quanto maior o fator de forma maior ser a capacidade resistente ps-fissurao do

concreto, contanto que no se ultrapasse o comprimento crtico da fibra

(FIGUEIREDO, 2011, p.44).

Quanto menor a seo transversal da fibra, menor ser a superfcie de contato com

a matriz, diminuindo a capacidade de carga ao arrancamento. Portanto as fibras de

maior seo transversal apresentam um melhor desempenho para um nmero fixo

de fibras na seo de ruptura. No entanto, para um mesmo teor de fibras, quanto

menor o dimetro equivalente da fibra, maior ser o fator de forma; e tambm maior

ser a quantidade de fibras distribudas no concreto, o que far com que aumente a

possibilidade destas interceptarem as fissuras, contribuindo assim para o melhor

desempenho do material para um determinado teor de fibras.

Pelo fato do comportamento do concreto reforado com fibras de ao ser

determinado simultaneamente pelo comprimento e dimetro das fibras, a norma

brasileira NBR 15530 (ABNT, 2007), estabeleceu parmetros mnimos para esta

relao (L/d), que o fator de forma, de modo a no se ultrapassar o comprimento

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crtico e a se manter um dimetro mnimo que garanta uma aderncia eficiente entre

a fibra e a matriz.

4.1.3 Ancoragem

As fibras com ancoragem nas extremidades apresentam maior resistncia ao

arrancamento do que as retas, para pequenas deflexes, devido sua geometria.

Para maiores deflexes e maiores aberturas de fissuras, as fibras retas se tornam

mais eficientes. Isto se d pelo fato das fibras com ancoragem, quando submetidas

a maiores esforos de trao, acabam degradando o concreto na interface com a

ancoragem, fazendo com que diminua sua resistncia ao arrancamento.

Figura 4 Variao da resistncia residual ps-fissurao com aumento de nvel de deslocamento

Fonte: Figueiredo (2011)

4.2 TEOR DE FIBRAS

Segundo Figueiredo (2011) o teor de fibras pode ser apontado como o principal

definidor do comportamento do concreto reforado com fibras de ao. A capacidade

de reforo proporcionado pelas fibras depende diretamente do teor de fibras

utilizado, pois quanto maior a quantidade de fibras atuantes como ponte de

transferncia de tenses ao longo da fissura, melhor ser o reforo ps-fissurao

proporcionado pelas mesmas.

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H ainda o conceito de volume crtico, que o teor de fibras adicionado ao concreto

que faz com que sua capacidade resistente se mantenha aps fissurao da matriz

de concreto. Teores de fibras acima do crtico fazem com que o material aceite, aps

a fissurao, valores de carregamento crescentes. Teores de fibras abaixo do crtico

fazem com que haja perda progressiva da capacidade resistente do material aps a

fissurao.

Figura 5 Compsitos reforados com volume de fibras (VF) abaixo (A), acima (B) e igual (C) ao volume crtico de fibras durante o ensaio de trao na flexo

Fonte: Figueiredo (2011)

4.3 RESISTNCIA DAS FIBRAS

Quanto maior a resistncia da fibra, maior ser a capacidade resistente do material

ps-fissurao. No entanto, para fibras curtas, abaixo do comprimento crtico, no

existe necessidade de se utilizar fibras de elevada resistncia, dado que o principal

mecanismo de arrancamento da fibra o escorregamento; e no ser atingida, no

centro da fibra, tenso suficiente para sua ruptura, devido ao pequeno comprimento

de ancoragem.

4.4 RESISTNCIA DO CONCRETO

O mdulo de elasticidade da matriz de concreto tem influncia direta no volume

crtico de fibras, matrizes cimentcias de maior mdulo iro demandar um maior teor

de fibras para atingir o volume crtico. Quando se tem um concreto com maior

resistncia mecnica melhora-se a condio de aderncia com as fibras, diminuindo

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o comprimento crtico que pode levar a fibra ao rompimento, o que far diminuir a

capacidade resistente ps-fissurao do material.

Figura 6 Curvas de dosagem segundo o critrio JSCE-SF4 para uma mesma fibra de ao em concretos projetados via seca com diferentes nveis de resistncia compresso da matriz

Fonte: Figueiredo (2011)

5 CONTROLE TECNOLGICO DO CONCRETO REFORADO COM FIBRAS DE AO

O controle tecnolgico do concreto reforado com fibras de ao deve ser realizado

em todas as etapas convencionais de produo do concreto, que so as seguintes:

Controle dos materiais constituintes e da produo; Controle do concreto fresco; Controle do concreto endurecido.

Devem ser realizados todos os ensaios necessrios a cada uma das etapas citadas,

de acordo com as normas vigentes.

Para o concreto reforado com fibras de ao devem ainda ser tomados cuidados na

hora da mistura das fibras. Para o concreto endurecido, realizado ensaio para

determinao de sua tenacidade; para o caso de pisos faz-se tambm o ensaio de

abraso.

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5.1 MISTURA

Um problema muito comum na produo do concreto reforado com fibras de ao

a formao de tufos de fibras aglomeradas denominados ourios. Sua causa est

associada ao processo de mistura inadequado. A formao de ourios faz reduzir o

teor de fibras homogeneizado na mistura e cria um ponto frgil no local onde se

aloja.

Para evitar a formao de ourios, as fibras devem ser adicionadas ao concreto,

assim como os demais componentes, em velocidade regular, recomenda-se

20kg/min, de modo a se garantir a homogeneidade da mistura. Podem ser

adicionadas em conjunto ou aps a adio dos demais componentes. Em obras com

demanda de grandes volumes de concreto recomenda-se a utilizao de dosadores

automticos.

5.2 TRABALHABILIDADE

A adio das fibras reduz a trabalhabilidade do concreto, altera suas condies de

consistncia e mobilidade, dificultando sua fluidez. Porm, a adio de baixos teores

de fibras no chega a afetar suas condies de lanamento e adensamento. As

dimenses das fibras e o seu grau de rigidez so os fatores que mais afetam a

trabalhabilidade do concreto reforado com fibras de ao.

Para a avaliao da trabalhabilidade do concreto reforado com fibras de ao so

recomendados os ensaios do cone invertido (ASTM, C995, 1994) e o VeBe. No

entanto, segundo estudos, o ensaio de cone invertido mostra-se inadequado. Outros

estudos demonstram que o ensaio do abatimento do tronco de cone mostra-se

adequado para concretos com teores de fibras at 100kg/m.

5.3 ENSAIO DE TENACIDADE

A definio mais aceita atualmente para a tenacidade a energia absorvida pelo

compsito quando carregado, abrangendo a energia absorvida antes e aps a

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fissurao da matriz, quando as fibras passam a atuar de maneira mais efetiva

(FIGUEIREDO, 2011, p.64).

A tenacidade um dos principais parmetros a serem observados na especificao

do concreto reforado com fibras de ao. O mtodo para sua determinao mais

adotado no Brasil o Japan Society of Civil Engineers (JSCE-SF4, 1984), no existe

norma brasileira para tal.

O JSCE-SF4 um ensaio de flexo com deformao controlada realizado em

corpos de prova prismticos com dimenses de 10x10x40cm ou 15x15x50cm, a

depender do tamanho da fibra que est se utilizando; a menor dimenso do corpo de

prova deve ter pelo menos trs vezes o comprimento da fibra.

Figura 7 Posicionamento de corpo-de-prova, LVDT e cutelos, no ensaio de trao na flexo com o sistema yoke

Fonte: Figueiredo (2011)

O corpo de prova colocado sobre dois apoios distantes 30cm ou 45cm, a depender

das dimenses do mesmo, sobre este aplicado carregamento h 1/3 e 2/3 do vo

atravs de prensa com controle de velocidade. O deslocamento aferido atravs de

medio eletrnica; um dos mtodos de maior confiabilidade. A tenacidade

calculada a partir da curva carga x deslocamento, obtida para o deslocamento L/150.

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6 CONCRETO COM FIBRAS DE AO APLICADO EM PAVIMENTOS

No Brasil, o principal campo de aplicao do concreto reforado com fibras de ao

o de pisos industriais. Para este tipo de estrutura as fibras podem substituir

totalmente as armaduras convencionais, isto possvel em estruturas que

apresentem a possibilidade de redistribuio de esforos, como o caso de pisos,

pavimentos e radiers apoiados sobre o solo.

Para a execuo de pisos somente com a utilizao do reforo de fibras de ao

podem ser consideradas algumas vantagens, quando comparado ao uso de telas de

ao soldadas, conforme aponta Figueiredo (2000).

Reduo do tempo total de execuo e nmero de operrios, pois no existe a etapa de colocao das telas.

Economia de espao na obra, necessrio estocagem de armaduras. No h necessidade do uso de espaadores como para as telas metlicas, e

o reforo se distribui de forma homognea por toda a estrutura, no havendo

o risco de deslocamento das armaduras como ocorre com a utilizao das

telas soldadas.

Corte das juntas de dilatao sem a necessidade de barras de transferncia pr-instaladas. As fibras tambm ajudam no reforo das bordas minimizando

o efeito de lascamento.

Maior facilidade de acesso ao local da concretagem, j que no h armaduras instaladas que impeam o trnsito de pessoas e equipamentos.

No representam restrio quanto mecanizao da execuo do pavimento.

Outra vantagem a se considerar a possibilidade de se trabalhar com paginaes

de pisos maiores. Segundo Rodrigues (2010, p.76), tm-se adotado para pisos com

fibras de ao placas com comprimentos de at 12m, para teores de fibras entre

20kg/m a 25kg/m. Para placas acima de 16cm de espessura arbitrado um

consumo mnimo de 30kg/m, permitindo a execuo de placas de 30m a 40m de

comprimento. Mundialmente h exemplos pontuais de placas maiores de 50m de

comprimento, com consumos de fibra da ordem de 35kg/m.

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Quanto durabilidade dos pavimentos de concreto reforado com fibras de ao em

relao aos com armaduras de telas de ao soldadas, alguns autores defendem que

o fato das fibras diminurem a abertura das fissuras e consequentemente a entrada

de agentes agressivos ao concreto faz com que aumente sua durabilidade. E

tambm a maior tenacidade dos pavimentos de concreto reforado com fibras de

ao faz com que estes sejam mais durveis quando submetidos esforos cclicos e

tenham melhor comportamento em relao fadiga.

Um inconveniente em relao aos pavimentos de concreto reforados com fibras de

ao o fato de algumas fibras aparecerem na superfcie produzindo pequenos

pontos de ferrugem. Este problema no influncia na capacidade de reforo do

pavimento, sendo apenas esttico. Uma soluo a adoo de teores de

argamassa superiores a 50% e abatimentos de tronco de cone na faixa de 100mm,

para possibilitar o envolvimento total das fibras e agregados, porm, isto pode levar

segregao da fibra e reduzir o reforo na superfcie do pavimento, o que facilita o

aparecimento de fissuras, indo de encontro ao que se prope ao adotar a soluo

com fibras de ao.

Outra questo importante o fato de no haver uma definio clara quanto

dosagem das fibras. Os limites mnimos e mximos sugeridos por fabricantes e

pesquisadores, para aplicao em pisos e pavimentos, esto entre 0,25% e 1% em

volume. No entanto, como j abordado, a mera definio o teor de fibras no

suficiente para determinar as caractersticas esperadas de desempenho do concreto

reforado com fibras de ao.

7 CONSIDERAES FINAIS

Para a especificao do concreto reforado com fibras de ao deve se levar em

conta os diversos fatores que influenciam no seu desempenho, como: o teor de

fibras, as caractersticas geomtricas e mecnicas das fibras e a resistncia do

concreto; assim como deve se atentar para a correta especificao dos materiais

que compe a base cimentcia, principalmente o dimetro mximo dos agregados,

de modo que sejam compatveis com as fibras de ao utilizadas, para que se

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consiga a resistncia desejada do material, no que diz respeito resistncia trao

na flexo e tenacidade.

Alm disto, de extrema importncia que exista um controle tecnolgico na

produo do concreto com fibras de ao, com a adequada mistura dos materiais e

ensaios que afiram sua trabalhabilidade, em conformidade com as condies de

lanamento e adensamento existentes, e tenacidade de acordo com as

especificaes de projeto, garantindo assim o comportamento esperado do material.

Uma questo de relevncia na escolha da soluo em concreto reforado com fibras

de ao na sua utilizao em pavimentos so suas vantagens executivas, quando

comparado utilizao de armaduras convencionais em telas soldadas,

principalmente no que diz respeito reduo de tempo e de nmero de operrios

necessrios, o que pode vir a gerar um grande impacto nos custos totais do

empreendimento.

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