Estudo do comportamento mecânico do concreto com agregado reciclado mediante modelagem multiescala pelo MEF Bauru

Abstract

Este trabalho apresenta uma proposta de análise numérica do concreto com agregados reciclados (CAR). A ferramenta desenvolvida facilita a avaliação do comportamento mecânico do material, verificando a viabilidade de sua utilização para fins estruturais. Considerando que no Brasil o emprego atual do material ainda é bastante limitado em comparação com outros países, o CAR pode vir a ser utilizado mais ampla e adequadamente, trazendo vantagens de caráter estrutural, econômico, e principalmente ambiental. Em termos de modelagem do CAR, a ocorrência de particularidades em nível mesoscópico exige um modelo em escala mais refinada para representar as propriedades alteradas do agregado reciclado (AR), de modo que foi desenvolvido um gerador de agregados reciclados para representar sua composição variada. Os mecanismos de falha que ocorrem nas interfaces características do agregado reciclado e da matriz de concreto introduzem não linearidade ao problema mecânico. Para que haja a representação dessa não linearidade, a estratégia de modelagem proposta recorre ao emprego da técnica de fragmentação de malha de elementos finitos juntamente com um modelo constitutivo de dano. Essa técnica de fragmentação baseia-se no emprego de elementos finitos com alta razão de aspecto, os quais poderão ser utilizados para representar as fases adicionais desse material compósito, correspondentes às diferentes zonas de transição interfaciais (ZTIs) intrínsecas do CAR em mesoescala, e consequentemente, caminhos potenciais para a propagação de fraturas. Um modelo constitutivo baseado na mecânica do dano contínuo é empregado para representar o comportamento não linear dessas diferentes fases do CAR, o qual, juntamente com a técnica de fragmentação citada, compõe ferramentas valiosas para o estudo da influência do AR no comportamento mecânico do CAR. A validação da metodologia se deu através de testes preliminares para calibração de parâmetros, e posteriormente por meio de simulações de casos mais avançados realizados em experimentos, nos quais os resultados numéricos qualitativos e quantitativos obtidos são comparados com os respectivos resultados experimentais colhidos da literatura. Na maioria dos casos simulados foi obtida grande correspondência entre os resultados, indicando que o modelo concebido é capaz de representar o CAR na distribuição 2D de agregados, na simulação de ZTIs e na propagação de fissuras devido ao dano por tração. A influência do AR foi maior em concretos com resistência mais elevada e além disso, uma substituição parcial de até 25% de agregado natural (AN) por AR não produziu grande perda na capacidade resistente.

This research presents a numerical analysis proposal for recycled aggregate concrete (RAC), whose recycled aggregates are obtained from the crushing of concrete waste. The developed tool facilitates the mechanical behavior evaluation of the RAC, verifying the feasibility of its use for structural purposes. Considering that in Brazil the current use of the material is still quite limited in comparison with other countries, the RAC could be used more widely and properly, bringing structural, economic and mainly environmental advantages. Due to the occurrence of mesoscopic specificities, the RAC modeling requires a more refined scale model to represent the altered properties of recycled aggregate, so that a recycled aggregate generator was developed to represent its variable composition. The failure mechanisms that occur at the several interfaces of the recycled aggregate (RA) and concrete matrix introduce nonlinearity to the mechanical problem. In order to represent this nonlinearity, the proposed modeling strategy uses the finite element mesh fragmentation technique together with robust and stable damage constitutive model. This fragmentation technique is based on the use of finite elements with high aspect ratio, which can be used to represent the additional phases of this composite material, corresponding to the different mesoscale RAC intrinsic interfacial transition zones (ITZs), as well as potential pathways for the propagation of fractures. A constitutive model based on the Continuum damage mechanics is used to represent the non-linear behavior of these different RAC phases, which together with the cited fragmentation technique are valuable tools for the study of the influence of recycled aggregate on the mechanical behavior of concrete. The validation of the methodology occurred through preliminary tests for calibration of parameters and later through simulations of more advanced cases carried out in experiments in which the qualitative and quantitative numerical results obtained are compared with the respective experimental results from the literature. A great correspondence between the results was obtained in most of the simulated cases, indicating that the model is capable of representing the RAC in the 2D distribution of aggregates, simulation of ITZs and in the propagation of cracks due to tension damage. The influence of RA was greater in concretes with higher matrix strength and, in addition, a partial substitution of up to 25% of natural aggregate (NA) by RA did not produce a great loss in resistant capacity.