Pesquisadores da Pennsylvania State University (Penn State), uma das maiores e mais renomadas universidades públicas de pesquisa dos Estados Unidos, estão conduzindo estudos para otimizar o uso do concreto de ultra-alto desempenho (UHPC, na sigla em inglês). Reconhecido por sua estrutura densa e alta durabilidade, esse tipo de concreto incorpora fibras metálicas internas que garantem maior flexibilidade e resistência a rachaduras, ideal para aplicações em construções de alta performance.

O concreto, apesar de ser o material de construção mais utilizado no mundo, apresenta fragilidade e pode rachar facilmente quando submetido à tensão. O UHPC utiliza fibras metálicas internas que proporcionam flexibilidade e resistência superior a rachaduras. No entanto, essas fibras possuem um custo elevado, o que pode tornar esse tipo de concreto especial até 30 vezes mais caro que o concreto convencional.

 Os pesquisadores realizaram uma série de testes para medir a resistência física e também estratégias para reduzir o custo do material —em até 75%, sem suas características essenciais. Apesar de representarem apenas cerca de 2% do volume total do material, elas são responsáveis por cerca de 70% do custo. O objetivo é disseminar  o uso deste material em todo o mundo.

O desafio do uso do UHPC para obras de grande porte

O UHPC tornou-se essencial para a construção pontes, edifícios altos ou infraestruturas costeiras, como comportas, devido à sua alta resistência e ductilidade. Segundo o coautor do estudo, Farshad Rajabipour, professor John e Harriette Shaw de Engenharia Civil e Ambiental e chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Penn State, este tipo de concreto é fundamental para a construção acelerada de pontes, permitindo que projetos que antes levavam meses sejam concluídos em apenas dias ou semanas.

“Os elementos da ponte são pré-fabricados em uma fábrica, levados para o local e depois montados quase como peças de Lego”, explicou Rajabipour. “As principais partes da ponte são feitas de concreto tradicional, mas o rejunte que une cada peça e as mantém no lugar é feito de UHPC. Ele não é destinado a substituir o concreto tradicional, mas sim a suportar aplicações de alta resistência.”

O especialista destaca ainda que milhares de pequenas fibras de aço são encapsuladas dentro de uma matriz maior de cimento, água, agregados e aditivos, com cada fibra medindo apenas 13 milímetros de comprimento, cerca de meio centímetro, e 0,2 milímetros de espessura, ou menos de oito milésimos de polegada. Ao se fixarem mecanicamente na matriz de cimento em que estão encapsuladas, elas formam um material que é flexível diante de tensões extremas.

Segundo Rajabipour, a chave para tornar o material mais acessível e econômico é otimizar as fibras, sem comprometer a eficiência.

Iniciativas para tornar o material mais acessível e sustentável

A equipe produziu 15 misturas diferentes de UHPC, sendo nove com fibras metálicas em diferentes concentrações e designs, como fibras entalhadas, torcidas e com ganchos, para melhorar a fixação na matriz de cimento. O objetivo é alcançar o mesmo desempenho utilizando menos material, reduzindo significativamente os custos.

Além disso, foram testadas seis misturas com fibras não metálicas, como filamentos de vidro fibrilados, basalto e polímeros reforçados com vidro ou carbono. Embora essas fibras ainda não alcancem a resistência das metálicas, elas apresentam potencial para oferecer desempenho semelhante a um custo muito menor.

As misturas foram submetidas a testes rigorosos para avaliar características como fluidez, resistência à compressão e tração, ductilidade e força de ligação das fibras. Os resultados mostraram que fibras metálicas, como microaço e aço estriado, mantiveram o desempenho mesmo com redução de 50% no volume. Fibras com maior proporção de comprimento para diâmetro também demonstraram melhor desempenho em tração.

A pesquisa revelou que otimizar o design das fibras, especialmente para que elas se soltem do concreto antes de se romperem sob estresse, é essencial para manter a eficiência do material. Além disso, foi possível observar que melhorias no design de fibras não metálicas podem oferecer alternativas mais acessíveis e sustentáveis.

O estudo manifestou também a preocupação na redução de emissão de dióxido de carbono na produção do material, promovendo maior sustentabilidade. Segundo o professor Farshad Rajabipour, líder do estudo, as fibras não são apenas o maior custo do UHPC, mas também a principal fonte de emissões. A pesquisa busca, portanto, tornar o material mais acessível e ambientalmente responsável.