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  • 4 Seminrio e Workshop em Engenharia Ocenica, FURG, Rio Grande/RS, novembro / 2010

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    Estudo da viabilidade de adio de fibras de ao no concreto exposto ao ambiente martimo: Anlise da

    melhoria das propriedades de resistncia

    Maisson Tasca ; Alessandra Migliorini ; Bianca P. M. Ozrio ; Andr T. C. Guimares .

    Engenheiro, Mestrando do Programa de Ps Graduao em Engenharia Civil, UFSM, Santa Maria, RS - maissontasca@yahoo.com.br

    Engenheira, Mestranda em Engenharia Ocenica, FURG, Rio Grande, RS alessandramigliorini@gmail.com

    Engenheira, Mestre em Engenharia Civil, professora da Escola de Engenharia; FURG, Rio Grande, RS - Bianca@net.crea-rs.org.br

    4 Engenheiro, Doutor em Engenharia Civil, professor da Escola de Engenharia, FURG, Rio Grande, RS - atcg@vetorial.net

    RESUMO O concreto apresenta algumas propriedades de materiais frgeis, como a baixa resistncia trao e deformaes. Como forma de suprir essa deficincia surge a possibilidade de adicionar fibras de ao no interior da matriz de concreto. Os teores de fibra estudados foram de 30, 60 e 90 quilogramas de fibras de ao por metro cbico de concreto. A partir da confeco desses concretos, foram moldados corpos de provas cilndricos e prismticos, que posteriormente foram submetidos aos ensaios normatizados de resistncia do concreto endurecido. Os ensaios destrutivos de concreto executados neste estudo foram: compresso axial, trao por compresso diametral e trao na flexo. Os corpos de prova foram ensaiados em duas idades distintas, sendo aos 28 e 120 dias. Enfim, a viabilidade da adio de fibras de ao comprovada pela melhoria das propriedades de resistncia.

    PALAVRA CHAVE: Concreto, fibras de ao, resistncia ABSTRACT The concrete presents some peculiar properties of fragile materials, as the low capacity and traction and deformation. As form of supplying that deficiency, the possibility of adding fibers of steel inside the concrete matrix appears. The fiber content studied were of 30, 60 and 90 kilograms of fibers of steel for cubic meter of concrete. From the making of those concretes, moulded bodies of proofs cylinders and prismatic were made, that later were submitted to the established rehearsals of resistance of the hardened concrete. The destructive rehearsals of concrete executed in this study were: axial compression, traction for diametrical compression and traction in the movement. The proof bodies were rehearsed in two different ages, at 28 and 120 days. Finally, the viability of the addition of fibers of steel was proven by the improvement of the resistance properties. KEY WORD: Concrete, fibers of steel, resistance.

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    1 - INTRODUO

    O concreto o material mais popularizado no setor da construo civil, por apresentar

    caractersticas benficas na execuo de inmeras obras no setor, como excelente resistncia gua, resistncia ao fogo e durabilidade, quando exposto a ambientes agressivos. No entanto, o concreto apresenta tambm algumas caractersticas de material frgil, suscetvel fissurao e ruptura. Sendo assim, apresenta-se a possibilidade de adicionar fibras de ao na matriz de concreto de modo a corrigir essa deficincia [8].

    Com o decorrer dos anos as estruturas de concreto expostas ao ambiente martimo sofrem com a agresso das intempries qumicas e fsicas geradas pelo oceano, ocasionando um desgaste no material e conseqentemente uma diminuio da sua vida til. Devido ao elevado custo no reparo das patologias e reposio das estruturas, se faz necessrio o desenvolvimento de novas tecnologias dos materiais de modo a aumentar sua durabilidade [12]. O estudo desenvolvido tem como referncia o melhoramento das propriedades do concreto utilizado na confeco do Tetrpode, ou seja, bloco de concreto pr-moldado utilizado no Molhe Leste da Barra de acesso ao canal do porto de Rio Grande, obra situada no municpio de So Jos do Norte RS.

    A fragilidade e baixa resistncia deformao uma caracterstica peculiar dos materiais compostos por matrizes cimentceas como o caso do concreto. Para solucionar essa limitao desenvolveu-se a possibilidade de adicionar fibras de ao como reforo, alterando as caractersticas iniciais das matrizes de concreto.

    Por possuir um alto mdulo de elasticidade, elevada resistncia trao e ductilidade, as fibras de ao proporcionam um aumento na tenacidade nas estruturas de concreto, melhorando sua resistncia ao impacto e fadiga, contribuindo para o aumento da durabilidade dessas estruturas[10]. Por essas razes, o presente trabalho busca identificar melhorias nas caractersticas dos concretos atravs da adio das fibras, com intuito de avaliar o desempenho dessas estruturas. Deste modo, para identificar esses ganhos foram realizados experimentos normatizados a partir da moldagem de corpos de prova cilindros e prismticos, constitudos de concreto com adio de fibras de ao, que posteriormente foram submetidos aos ensaios de resistncia de compresso axial, compresso diametral e resistncia trao na flexo, com o intuito de avaliar a resistncia desse concreto reforado e comparar os resultados encontrados com um concreto de referencia, sem fibras de ao, submetido aos mesmos esforos.

    2 - METODOLOGIA

    Como forma de avaliar qualitativamente e quantitativamente o desempenho das propriedades de resistncia do concreto reforado com fibra foram produzidos quatro traos de concreto, sendo trs deles com adio de diferentes teores de fibra de ao e um concreto de referncia sem fibra de ao. A confeco do concreto foi realizada com o auxlio de uma betoneira de queda livre, sendo que as propriedades do concreto fresco foram obtidas atravs do ensaio de abatimento do tronco de cone [6], e pelo ensaio da densidade absoluta do concreto [5]. Posteriormente foram moldados os corpos de prova cilndricos e prismticos para a realizao dos ensaios destrutivos de concreto endurecido.

    A avaliao das propriedades de resistncia do concreto reforado com fibra de ao foi obtida atravs do ensaio de compresso axial, do ensaio de trao por compresso diametral e o ensaio de trao na flexo. Como forma de analisar o desempenho de resistncia optou-se pela execuo dos ensaios em idades diferentes do concreto, aos 28 dias e aos 120 dias. Dessa

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    forma, a partir dos resultados obtidos possvel avaliar o desempenho de resistncia do material em estudo e suas aplicaes. Salienta-se que o ensaio de trao na flexo foi executado apenas aos 120 dias de idade.

    2.1 Materiais 2.1.1 Concreto

    O concreto referido neste estudo o Concreto de Cimento Portland, definido como sendo o

    material resultante da mistura de determinadas propores de um aglomerante, o cimento Portland, com um agregado mido, a areia, um agregado grado, geralmente brita e gua. Pode-se ainda, se necessrio, a utilizar aditivos. A partir de uma mistura adequada dos agregados, do cimento e da gua se obtm um material heterogneo com propriedades uniformes [11].

    2.1.2 Fibra de Ao

    O tema desse estudo o concreto reforado com fibras de ao. Assim, de suma importncia o conhecimento das caractersticas geomtricas, do processo produtivo e das propriedades fsicas, qumicas e mecnicas das fibras de ao. Tais fibras de ao so elementos descontnuos produzidos com variaes de formatos, dimenses e tipos de ao.

    As fibras de ao utilizadas na matriz de concreto para o desenvolvimento deste trabalho, de acordo com o catlogo do fabricante possuem as seguintes caractersticas:

    Fibra utilizada nesta pesquisa: FF4 (cdigo comercial) Coeficiente de forma: L/D = 80 Comprimento L : 60 mm Dimetro: 0,75 mm Resistncia a trao : >1.100 MPa Deformao de ruptura: < 4% Mdulo elstico: 210.000 MPa.

    2.2 Confeco dos traos de concreto

    Como forma de analisar as propriedades mecnicas proporcionadas pela fibra de ao ao concreto foram aplicados trs teores diferentes de fibra de ao no concreto bsico, e tambm, confeccionou-se um concreto de referncia, sem a adio de fibra, para que as propriedades mecnicas pudessem ser comparadas e avaliadas.

    Foram adicionadas as quantidades de 30, 60, 90 quilogramas de fibra de ao para 1m de concreto, assim foi adotada as respectivas legendas, de F30, F60 e F90 para diferenciao dos traos de com fibra para o concreto de referencia denominado de REF.

    A partir do momento que foi definida a dosagem do trao e os teores de fibra a serem empregados, partiu-se para o processo de execuo. Essa mistura foi realizada mecanicamente com o auxlio de uma betoneira de queda livre que produz um movimento onde as ps internas da cuba levam o material at a parte superior e de l estes caem por gravidade ou queda livre, os materiais so misturados aos poucos, garantindo uma homogeneidade.

    A quantificao dos materiais utilizados para confeccionar os traos de concretos encontra-se explicitadas em quilogramas na Tabela 1 que segue.

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    Tabela 1 - Quantidade de materiais utilizados nas concretagens Materiais Utilizados (kg)

    Trao Cimento Areia Brita gua Aditivo Fibra F30 52,00 109,72 149,70 28,08 0,26 12,74 F60 50,00 105,5 144,00 27,00 0,26 8,17 F90 52,00 109,72 149,70 28,08 0,26 12,72 REF 55,00 106,05 158,4 29,00 0,00 0,00

    2.3 Moldagem dos Corpos de Prova Cilndricos e Prismticos de Concreto [1].

    A partir das concretagens foram confeccionados os corpos de prova cilndricos e prismticos de cada trao de concreto com seu respectivo teor de fibra e o trao de concreto de referncia, para posterior rompimento nos ensaios de resistncia. As frmas utilizadas para os corpos de prova cilndricos so constitudas de material metlico nas dimenses de 15 cm de dimetro por 30 cm de altura. Na preparao dos moldes prismticos foram utilizados frmas prismticas de madeira, formando vigotas com seo de 15 x 15 cm e comprimento de 50 cm. A Tabela 2 apresenta o nmero de corpos de prova confeccionados para cada concreto em estudo.

    Tabela 2: Quantidade corpos de prova confeccionados

    MOLDAGEM DOS CORPOS DE PROVA

    Concreto Corpos de

    prova cilindricos

    Corpos de prova

    Prismticos REF 12 4 F30 12 4 F60 12 4 F90 12 4

    Total 48 16

    Aps a desmoldagem dos corpos de prova, pode-se observar que eles apresentavam uma boa aparncia, ou seja, sem imperfeies apresentando tambm um bom cobrimento de concreto escondendo as fibras. A Figura 1 apresenta os corpos de prova aps desmoldagem.

    Figura 1 - Aparncia dos corpos de prova

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    2.4 Ensaios de Resistncia do Concreto Endurecido 2.4.1 Ensaios de compresso axial [2].

    O ensaio de compresso axial considerado o principal ensaio de caracterizao dos concretos, amplamente difundido no setor da construo civil, pois a partir deste se obtm a resistncia caracterstica dos concretos (fck), sendo esse parmetro utilizado como referncia para os clculos e dimensionamentos dos elementos construtivos. Desta forma, no total foram utilizados 24 corpos de prova para determinao desse ensaio sendo a idade de cura de 28 e 120 dias. A figura 2 demonstra a execuo do ensaio.

    Figura 2 - Execuo do ensaio de compresso axial

    2.4.2 Ensaios de trao por compresso diametral [3].

    O ensaio de trao por compresso diametral determina outro importante parmetro na caracterizao dos concretos, tratando em especial do concreto reforado com fibra. Acredita-se que as fibras podem contribuir significativamente na resistncia trao dos elementos cimentcios. Para avaliao da resistncia trao do concreto reforado com fibra foram submetidos ao ensaio 24 corpos de prova cilndricos, confeccionados com os concretos mencionados anteriormente, possuindo diferentes teores de fibra e sendo um de referncia. Da mesma forma que ensaio anterior, os corpos de prova foram ensaiados aos 28 e 120 dias. A figura 3 demonstra a execuo do ensaio de trao por compresso diametral.

    Figura 3 Execuo do ensaio de trao por compresso diametral

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    2.4.3 Ensaios de resistncia trao na flexo em corpos de provas prismticos [4].

    O ensaio de resistncia trao na flexo considerado um ensaio mais complexo que os citados anteriormente, devido ao seu processo de execuo e pela aparelhagem necessria. No entanto, a partir dos resultados obtidos, alm da resistncia a trao na flexo, possvel obter parmetros importantes relacionados com as propriedades do concreto endurecido, como, por exemplo, possvel determinar a curva de tenso aplicada e relacion-la com a deformao do corpo de prova submetido s tenses em questo. Atravs desses dados mensurvel o clculo da elasticidade e principalmente da tenacidade dos concretos, haja vista, que essa propriedade bastante significativa quando se avalia o desempenho de resistncia dos concretos reforados com fibras de ao.

    Para a realizao do ensaio necessrio posicionar o corpo de prova de seo prismtica com dimenses de 15x15 m por 50 cm de comprimento sobre um suporte metlico de ao onde o concreto apoiado na base inferior atravs de dois cutelos e na parte superior aplicada a carga na regio central do prisma, precisamente em cada tero da sua dimenso. O carregamento simtrico e aplicado de forma constante at a ruptura do corpo de prova. Esse ensaio conhecido por carregamento nos teros, pelo fato das sees carregadas se encontrarem nos teros do vo. tambm conhecido como ensaio dos quatros cutelos. A figura 4 apresenta a execuo do ensaio de trao na flexo.

    Figura 4: Execuo do ensaio de trao na flexo

    3 - APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS

    Como forma de analisar o desempenho de resistncia do concreto com fibras de ao verificou-se, primeiramente, os acrscimos de resistncia proporcionados ao concreto devido adio das fibras no interior da matriz cimentcea, comparando os diferentes traos de concreto com seus distintos teores de fibras de ao com o concreto de referncia, ou seja, sem fibra. Essa anlise foi feita para os trs ensaios de resistncia executados, nas suas respectivas idades.

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    3.1 Resistncia compresso 3.1.1 Ensaios de compresso axial [2].

    A Figura 5 apresenta o grfico dos resultados mdios de resistncia compresso axial aos 28 e 120 dias.

    Figura 5: Grfico dos resultados do ensaio de compresso axial

    3.1.2 Acrscimo de resistncia na compresso axial.

    A partir dos resultados obtidos no ensaio realizado aos 28 dias de idade, pode-se observar que ocorreu um ganho mdio de resistncia de 19,6% dos concretos com fibra de ao em relao ao concreto de referncia, sendo que o menor ganho foi de 14,3% correspondente ao trao F30, trao de menor proporo de fibra de ao por metro cbico (30Kg/m). Aos 120 dias o acrscimo mdio de resistncia compresso axial dos traos com fibras de ao foi de 8,1% quando comparado com o concreto de referncia.

    3.2 Resistncia trao por compresso diametral 3.2.1 Ensaios de trao por compresso diametral [3].

    A Figura 6 apresenta o grfico dos resultados mdios de resistncia trao por compresso diametral aos 28 e 120 dias.

    Figura 6: Resultados do ensaio de trao por compresso diametral aos 120 dias

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    3.2.2 Acrscimo de resistncia trao por compresso diametral.

    Na verificao do acrscimo de resistncia no ensaio de trao por compresso diametral, pode-se verificar que, aos 28 dias o ganho mdio de resistncia dos traos com adio de fibra de ao foi de 53,5% em relao ao concreto sem fibra, sendo que, o menor acrscimo foi de 22,8% e correspondeu ao ganho de resistncia do trao F30. Entretanto, aos 120 dias o acrscimo mdio de resistncia dos traos com fibras de ao atingiu 59,6% em relao ao trao de referncia, o trao F30 apresentou, novamente, o menor de ganho de resistncia, obtendo 43,3% a mais que o trao sem fibra de ao. 3.3 Resistncia Trao na Flexo 3.3.1 Ensaios de resistncia trao na flexo

    A Figura 7 apresenta o grfico dos resultados mdios de resistncia trao na flexo, esse ensaio foi realizado somente na idade de 120 dias.

    Figura 7: Resultados do ensaio de trao na flexo

    3.3.2 Acrscimo de resistncia trao na flexo

    A partir dos resultados obtidos no ensaio de resistncia trao na flexo, realizado aos 120 dias de idade, pode-se verificar que, o ganho de resistncia mdio, dos concretos com fibras de ao, foi 33,95% em relao ao concreto sem fibra de ao. O menor acrscimo de resistncia foi obtido pelo trao F30 que atingiu 7,14% em relao ao trao de referncia. 3.4 Ganhos percentuais de resistncias

    A Figura 8 apresenta os grficos comparativos dos ganhos de resistncia dos concretos com fibra em relao ao concreto de referncia. Esses ganhos foram levantados nos ensaios de compresso axial, compresso por trao na diametral e trao na flexo, em suas respectivas idades, conforme segue.

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    Figura 8: Ganhos de resistncia nos ensaios aos 28 e 120 dias

    A partir dos grficos, acima, pode-se analisar que os maiores ganhos de resistncia ocorerram no ensaio de trao por compresso diametral, seguidos pelo ensaio de trao na flexo. Esses ganhos ocorerram devido a boa resistncia mecnica trao que a fibra de ao possui, contribuindo, assim, para o aumento da resistncia trao do concreto. 3.5 Anlise dos acrscimos de resistncia com o teor de fibra de ao

    A anlise do acrscimo de resistncia com o teor de fibra adicionado nos traos de concreto vem a identificar o trao que apresenta o melhor desempenho das propriedades mecnicas, levando em considerao o volume de fibra de adicionado na matriz de concreto. 3.5.1 Anlise do acrscimo de resistncia com o teor de fibra de ao aos 28 dias.

    Nos ensaios de compresso axial e trao por compresso diametral verificou-se que o maior ganho de resistncia, em relao ao teor de fibra adicionado, ocorreu no trao F60, ou seja, trao de concreto que possui adio de 60 kg de fibra de ao por metro cbico de concreto. O ganho atingiu patamares de 46% no ensaio de compresso axial em relao ao trao F30. Entretanto, o desempenho foi melhor no ensaio de trao por compresso diametral atingindo 185% de ganho em relao ao trao F30. Os resultados dessa anlise esto explicitados pelas Figuras 9 e 10 e pela Tabela 3.

    Figura 9: Ganho de resistncia na compresso axial com o teor de fibra aos 28 dias

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    Figura 10: Ganho de resistncia na trao por compresso diametral com o teor de fibra aos

    28 dias.

    Tabela 3: Ganhos de resistncia x Teor de fibra de ao aos 28 dias

    Ganhos de Resistncia x Teor de Fibras aos 28 Dias

    Teores de Fibra (Kg/m)

    Compresso Diametral

    60 30 46% 185% 90 60 13% 10%

    3.5.2 Anlise do acrscimo de resistncia com o teor de fibra de ao aos 120 dias.

    Nos ensaios realizados aos 120 dias de idade, pode-se observar que os maiores ganhos de resistncia tambm ocorreram no trao com adio de 60 kg de fibra de ao por metro cbico de concreto. No ensaio compresso axial esse ganho foi de 8,0%, no ensaio de trao por compresso diametral o ganho foi de 36%, e no ensaio de trao na flexo esse desempenho atingiu 514%. Os resultados dessa anlise esto explicitados pelas Figuras 11, 12, 13 e pela Tabela 4.

    Figura 11: Ganho de resistncia na compresso axial com o teor de fibra aos 120 dias.

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    Figura 12: Ganho de resistncia na trao por compresso diametral com o teor de fibra aos

    120 dias.

    Figura 13: Ganho de resistncia na trao na flexo com o teor de fibra aos 120 dias

    Tabela 4: Ganhos de resistncia X Teor de fibra de ao aos 120 dias Ganhos de Resistncia x Teor de Fibras aos 28 Dias

    Teores de Fibra (Kg/m)

    Compresso Diametral Trao na flexo

    60 30 8,00% 36% 514% 90 -60 -40% 29% 15%

    A partir da anlise realizada verificou-se que o trao com adio de 60kg de fibras de ao

    por metro cbico de concreto apresentou os melhores acrscimos de resistncia em todos os ensaios executados, uma vez que, os ganhos de resistncia no foram proporcionais ao teor de fibra de ao adicionado no concreto.

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    4 CONCLUSES

    A intensa busca por melhorias e desenvolvimento de novas tecnologias dos materiais de construo civil so necessrias para o crescimento do setor da Engenharia Civil atravs do aprimorando de procedimentos e criao de novos mtodos com o objetivo de otimizar os processos e diminuir os custos envolvidos, levando em considerao as questes scio-ambientais, visando uma maior durabilidade das construes.

    No desenvolvimento deste estudo pde-se observar que as fibras de ao, quando adicionadas ao concreto, constituem um novo material, com propriedades distintas dos concretos convencionais. Isso ocorre devido boa resistncia mecnica trao e ao elevado mdulo de elasticidade que a fibra possui. Atravs dos experimentos executados, pode-se observar que o concreto com fibra de ao apresentou uma melhoria nas propriedades da resistncia compresso axial. No entanto, os benefcios foram superiores quando foram analisadas as propriedades de resistncia trao dos concretos em comparao a um concreto sem fibras. Isso foi comprovado, atravs dos acrscimos de resistncia obtidos pelos traos com fibra de ao e pelos percentuais equivalentes da resistncia trao em relao resistncia compresso axial.

    O trao que apresentou melhor desempenho das propriedades mecnicas foi o trao que possua 60 kg de fibra de ao por metro cbico de concreto (F60), pois com esse teor, os ganhos de resistncias so significativos quando comparados com traos com teores menores e maiores.

    Em suma, a viabilidade da adio de fibras de ao comprovada, parcialmente, pela melhoria das propriedades de resistncia oferecida pelas fibras no interior da matriz de concreto. Entretanto, outras pesquisas relacionados durabilidade do material e a resistncia ao impacto ainda devem ser desenvolvidas com o intuito de comprovar integralmente esse estudo.

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    REFERNCIAS 1. ABNT NBR 5738: Moldagem e cura de corpos-de-prova cilndricos ou prismticos de concreto. (Procedimento). Rio de Janeiro, Abr. 1994/9 pg.

    2. ABNT NBR 5739: Concreto Ensaios de compresso de corpos-de-prova cilndricos. (Procedimento). Rio de Janeiro, Jul. 1994/4 pg.

    3. ABNT NBR 7222: Argamassa e concreto Determinao da resistncia trao por compresso diametral de corpos-de-prova cilndricos. (Procedimento). Rio de Janeiro, Janeiro, Mar. 1994/3 pg.

    4. ABNT NBR 12142/MB 3483: Concreto Determinao da resistncia trao na flexo em corpos-de-prova prismticos. (Procedimento). Rio de Janeiro, Dez. 1991/3 pg.

    5. ABNT NBR NM 52: Agregado mido Determinao da massa especfica e massa especfica aparente. (Procedimento). Rio de Janeiro, Jul. 2003/6 pg.

    6. ABNT NBR NM 67: Concreto Determinao da consistncia pelo abatimento do tronco de cone. (Procedimento). Rio de Janeiro, Fev. 1998/8 pg.

    7. ABNT NBR 15530: Fibras de ao para Concreto Especificaes. 2007/7 pg.

    8. BASTOS, Paulo S.S . Concreto com Fibras de Ao, Tese (doutorado), Captulo 4, So Paulo, 2000.

    9. CALDAS, A.; FIGUEIREDO, A. D.; BITTENCOURT, T. N. Propriedades de Concreto Reforado com Fibras de Ao (CRFA): comparao entre mtodos de medida, anais do 5 simpsio EPUSP sobre estruturas de concreto.

    10. FIGUEIREDO, A. D. Concreto com Fibras, CONCRETO, Ensino, Pesquisas e Realizaes, Captulo 39, IBRACON, 2005.

    11. METHA, P. K. Concreto: estrutura, propriedades de materiais / P. Kumar Metha, Paulo J. M. Monteiro, So Paulo, Pini,1994. 12. MIGLIORINI, A.; Estudo para Fibras em Blocos de Concreto Utilizados em Carapaa de Molhes da Barra. Projeto de graduao em Engenharia Civil. Escola de engenharia, Fundao Universidade Federal do Rio grande, FURG 2007.

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