22585.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

SUZANE MARIA DE MESQUITA BATISTA

ESTUDO DA DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS

COM FIBRAS VEGETAIS - REVISÃO LITERÁRIA.

MOSSORÓ – RN

2011


ESTUDO DA DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS COM

FIBRAS VEGETAIS - REVISÃO LITERÁRIA.

Trabalho de conclusão de curso apresentado à

Universidade Federal Rural do Semi-Árido –

UFERSA, Departamento de Ciências Ambientais

e Tecnológicas para a obtenção do título de

Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Orientador: Profª. Dra. Sc. Marilia Pereira de

Oliveira - UFERSA

MOSSORÓ – RN

2011


ESTUDO DA DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS COM

FIBRAS VEGETAIS-REVISÃO LITERÁRIA.

Data da defesa: _____ /_____/______.

BANCA EXAMINADORA

___________________________________________

Profª. Dra. Sc. Marilia Pereira de Oliveira – UFERSA

Orientador

___________________________________________

Profª. Dra. Sc. Marineide Jussara Diniz – UFERSA

Primeiro Membro

___________________________________________

Prof. Me. Sc Francisco Alves da Silva Junior – UFERSA

Segundo Membro

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus pelas bênçãos e oportunidade que me deste.

Aos meus pais, Joaquim Florêncio de Mesquita e Dalva Alves Paiva de Mesquita por

estarem sempre ao meu lado, confortando, apoiando e aconselhando para o melhor

caminho.

Ao meu esposo Francisco de Assis Batista, pelo apoio e compreensão pela minha

ausência.

As minhas irmãs, aos quais estiveram sempre presentes.

Aos amigos, em especial, Vanessa Jamille de Mesquita Xavier, pela ajuda e incentivo.

A minha orientadora, Marilia Pereira de Oliveira, pela paciência, dedicação,

compreensão, que foi muito importante para realização deste trabalho.

Agradeço a todos aqueles que de uma forma ou de outra contribuíram para a conclusão

deste trabalho, a todos a minha sincera gratidão.

DEDICATÓRIA

Ao meu filho, Samsom

Emanuel de Mesquita Batista,

em que muitas vezes teve que

suportar minha ausência, falta

de carinho e atenção que eu

gostaria de ter oferecido.

RESUMO

Em decorrência do aparecimento de fissuras devido aos esforços sofridos pela

matriz dos compósitos cimentícios, testaram o uso das fibras vegetais como

objetivo em aumentar a resistência à tração, flexão e impacto, além de retardar o

aparecimento de fissuras e aumentar a capacidade de absorção de energia antes da

ocorrência da fissura nesses compósitos. Neste trabalho, realizou-se o estudo

desde o que é a matriz cimentícia, sua constituição, o processo de hidratação a

partir do adicionamento de água e a temperatura necessária à composição dos

constituintes dessa matriz. Sobre as fibras, destaca-se sua divisão, constituição,

microestrutura que é de grande importância para compreender como ela pode

modificar as características dos compósitos, as características que favorecem a sua

utilização na matriz cimentícia, bem como do encontro matriz-fibra, ou seja, a

zona de transição que é o local onde ocorre a maior aderência, ou seja, maior

contado fibra-matriz e é também onde acontece uma serie de fatores que poderão

interferir de maneira positiva ou negativa para o compósito. A durabilidade do

compósito com fibras vegetais pode ser afeta caso haja a presença de fungos, o

meio esteja alcalino que contribuirá para degradação da fibra, tem ainda a

temperatura que provoca aceleração da velocidade de degradação. Pode ainda

haver a não compatibilidade da matriz-fibra. Há métodos que avaliam a

durabilidade de compósitos com fibras vegetais entre eles está o envelhecimento

natural que ocorre deixando o material exposto às condições em que eles seriam

usados, o ensaio de uso, que alem de expor o material as condições reais utiliza de

detalhes característicos do emprego, são tidos como os mais eficientes, por fim o

envelhecimento acelerado ocorre de forma rápida quando comparados aos

anteriores, e ocorre deixando o material exposto aos agentes degradantes reais.

Palavras-chaves: Durabilidade das fibras vegetais, Compósitos cimentícios, Fibras

vegetais.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Microestrutura da pasta de cimento Portland hidratada. A: representa a

agregação de partículas de C-S-H pouco cristalinas; H: são os produtos cristalinos que

apresentam pelo menos uma dimensão coloidal; C: representa cavidades capilares ou

vazios que existem quando os espaços não forem ocupados todos por água. ................ 20

Figura 2.Esquema da estrutura da fibra vegetal. .......................................................... 26

Figura 3. Imagem por elétrons retroespalhados. Compósito por fibra de malva. 1: fibra

deslocada da matriz; 2: macrocristal de hidróxido de cálcio; 3: microfissuras. ............. 29

Figura 4.Comparação entre ensaio acelerado (QCT) e envelhecimento natural (EEN). 34

Figura 5.Influencia da adição pozolânica e do envelhecimento sobre o módulo de

ruptura e tenacidade dos compósitos. .......................................................................... 46

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.Composição dos cimentos Portland (%). ....................................................... 17

Tabela 2.Calores de hidratação dos compostos do cimento Portland. ........................... 22

Tabela 3.Características físicas e mecânicas das fibras. ............................................... 24

Tabela 4.Propriedades da estrutura de fibras vegetais. ................................................. 28

Tabela 5.Absorção de água nas fibras de curauá não tratadas e acetiladas. ................... 39

Tabela 6.Propriedades mecânicas das fibras de curauá não tratadas e acetiladas. ......... 40

Tabela 7.Programa experimental usado no estudo da durabilidade dos compósitos. ..... 43

Tabela 8.Resultados do ensaio de flexão. .................................................................... 44

LISTA DE ABREVIATURA

ß S- Silicatos beta Dicálcico

CA - Aluminato de Cálcio

C4AF – Ferroaluminato tetracálcico

CaO- Oxido de Cálcio

cm – Centímetro

CS - Silicato de Cálcio

C2S – Silicatos Dicálcico

C3S – Silicatos Tricalcico

CV – Coeficiente de Variação

°C – Graus Celsius

CP II-F – Cimento Portland Composto

DTG – Derivadas das Termogravimétricas.

g – Grama

GP - Grau de Polimerização

GPa – Giga Pascal

h – Hora

Jr - Junior

KV – Quilo Volts

mm – Milímetros

mim – Minutos

MgO- Oxido de Magnésio

MC20 – Metacaulinita com 20%

MC40 - Metacaulinita com 40%

μ – Micro

NaOH – Hidróxido de sódio

QCT- Quinck Condensation Teste (Teste de Condensação Rápida)

Ph- Potencial hidrogeniônico

Po - Peso seco inicial

P1- Peso após imersão em água

MEV - Microscópio Eletrônico de Varredura

T - Tenacidade

TM40 - Tijolo Moído com 40%

TG – Termogravimétrica

TM20 – Tijolo Moído com 20%

UFCG - Universidade Federal de Campina Grande

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 12

2 OBJETIVOS ................................................................................................................... 14

2.1 Objetivo geral..............................................................................................................................14

2.2 Objetivos Específicos ...................................................................................................................14

3 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................... 15

4 REVISÃO LITERÁRIA ................................................................................................. 16

4.1 Conceitos ....................................................................................................................... 16

4.1.1 Matriz a base de cimento Portland. .......................................................................... 16

4.1.1.1 O processo de hidratação do cimento Portland .....................................................................19

4.1.1.2 Calor de hidratação ...............................................................................................................22

4.1.2 Compósitos cimentícios com fibras vegetais .............................................................. 23

4.1.2.1 Microestrutura das fibras vegetais.........................................................................................25

4.1.1.2 Zona de transição entre a fibra vegetal e a matriz cimentícia .........................................28

4.1.3 Durabilidade de compósitos com fibras vegetais ...................................................... 30

4.1.3.1 Ataque alcalino às fibras ........................................................................................................31

4.1.3.2 Incompatibilidade física .........................................................................................................32

4.1.4 Avaliação da durabilidade ........................................................................................ 32

5 ESTUDOS RELACIONADOS A DURABILIDADES DE FIBRAS VEGETAIS

EM COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS. .............................................................................. 36

5.1 Modificação das propriedades das fibras de curauá por acetilação produzido por Lopes et

al (2010). ..........................................................................................................................................36

5.1.1 Discussões .................................................................................................................. 38

5.2 Efeito da argila calcinada sobre a durabilidade de argamassa reforçadas com fibras curtas

de sisal produzido por Farias Filho et al (2010) ..................................................................................40

5.2.1 Discussões .................................................................................................................. 44

6 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 47

REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 48

12

1 INTRODUÇÃO

Atualmente o mercado da construção civil vem se modificando e

aumentando cada vez mais em virtude da grande procura por seus serviços e

produtos. Contudo, faz-se a necessidade de melhorias na qualidade e facilidade de

uso dos produtos. È o que vem ocorrendo com as matrizes à base de cimento,

onde estão realizando testes com o uso de fibras vegetais no lugar das fibras

sintéticas e minerais, tendo como propósito o reforçarem dos compostos

cimentícios. Vistos que esses compósitos são frágeis e quebradiças, quando

exercidos pequenos esforços sobre elas provocando dessa forma, o aparecimento

de fissuras (SARMIENTO & FREIRE, 1997; MELO FILHO, 2005; LIMA ET

AL. 2007).

Segundo Guimarães (1987), no caso do Brasil, esses estudos vêm sendo

realizados desde a década de 80 pelo Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

(Ceped), Bahia. Embora haja uma grande diversidade de culturas de fibras no

país, as pesquisas destinaram principalmente nas fibras de coco e sisal em virtude

de sua disponibilidade e baixo custo (AGOPYAN, 1991a). Essas fibras

apresentam propriedades mecânicas (resistência à atração, modo de elasticidade e

alongamento na ruptura) e propriedades físicas (diâmetro e comprimento) que

propiciara o suporte aos compósitos cimentícios frente às fissuras pelos esforços

sofridos (AGOPYAN, 1991b).

Em contraponto, ao adicionar essas fibras vegetais nos matérias de

construção civil, num pequeno espaço de tempo os elementos construtivos

apresentavam fragilidade e perda de ductilidade. Como o principal agente

degradante das fibras é a alta alcalinidade da água e esta por sua vez se encontra

presente em grande quantidade nos poros da matriz cimentícia e sendo a região

em volta da fibra muito porosa, permite assim que haja um acumulo dessa água e

em virtude da presença do hidróxido de cálcio ocorre uma alta alcalinidade do

meio o que provocará a degradação dessas fibras (SAVASTANO ET AL., 1994a).

13

Segundo John e Agopyan (1993a), esse problema da degradação nas fibras

pode ser resolvido por diversas maneiras, entre elas: altera-se a matriz cimentícia

adicionando componentes que reduza a alcalinidade como a carbonatação

acelerada da matriz ou mesmo usando uma matriz que tenha baixo teor de

alcalinidade inferior ao pH do cimento Portland ou simplesmente modificar a

própria fibra, promovendo uma proteção nela com o uso de polímeros, hidro-

repelentes (resinas) ou mesmo agentes bloqueadores (silicatos). Esses

procedimentos vêm sendo testados e comparados ate que se tenha um melhor

custo benefício. Além disso, existem métodos de se avaliar a durabilidade, como o

envelhecimento natural, envelhecimento acelerado e o ensaio de uso, sendo este

último o mais eficiente.

14

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Analise da durabilidade de compostos cimentícios com fibras vegetais a

partir de estudos publicados.

2.2 Objetivo Específico

Realizar uma analise sobre a durabilidade dos compostos cimentícios a

partir do adicionamento de fibras vegetais verificando as possíveis maneiras de

combater a alcalinidade que vem degradando as fibras.

15

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Este trabalho será construído na coleta de informações retiradas de texto,

publicações de artigos, monografia, teses, dissertações, livros que tratarem de

estudos sobre a durabilidade de compostos cimentícios pelo adicionamento de

fibras vegetais os métodos utilizados para manter essa durabilidade, materiais

utilizados e forma como são feitos.

.

16

4 REVISÃO LITERÁRIA

4.1 Conceitos

4.1.1 Matriz a base de cimento Portland.

O cimento Portland é um aglomerante hidráulico (tanto endurecem com

reações com a água, como forma produtos resistente à água) produzido pela

moagem do clínquer com pequena quantidade de sulfato de cálcio, consistindo

basicamente de silicatos de cálcio. O clínquer é composto de óxido de cálcio e

sílica, alumina e óxido de ferro aquecido em altas temperaturas, cerca de 1400Cº.

A composição química dos principais minerais do clínquer corresponde

aproximadamente a C3S (Sulfato de tricálcico), C2S (sulfato dicálcico), C3A

(aluminato tricálcico) e C4AF (ferroaluminato tetracálcico) no cimento Portland

comum, as suas respectivas quantidades estão comumente entre 45 e 60%, 15 e

30%, 6 e 12% e 6 e 8%. Sendo os silicatos de cálcio os principais constituintes do

cimento Portland as matérias primas para a produção do cimento devem suprir

cálcio e sílica em formas e proporções adequadas (MEHTA E MONTEIRO,

1994a).

O cálcio pode ser encontrado nos carbonatos de cálcio tais como o

mármore, cal, giz, pedra calcaria, e a sílica nas argilas e xistos argilosos. São

nessas argilas que se encontram alumina, oxido de ferro e álcalis cujo efeito é

ajudar na formação de silicatos de cálcio e caso as quantidades sejam insuficientes

desses materiais faz-se necessário à adição através de materiais secundários como

é o caso da bauxita e do minério de ferro. Portanto resultará como produto final,

além do silicato de cálcio, aluminatos e ferroaluminato de cálcio.

Para que se tenham os produtos desejados no clínquer, é necessário que a

mistura de matéria-prima esteja bem homogeneizada antes do tratamento térmico,

17

Isso explica porque os materiais extraídos são submetidos a uma serie de

processos de britagem, moagem e mistura (MEHTA E MONTEIRO, 1994b).

Segundo Mehta e Monteiro (apud R.H.Bogue, 1955) as propriedades do

cimento Portland são relacionadas ao teor dos compostos e no caso da indústria de

cimento para se calcular esse teor utilizam uma serie de equações que foram

desenvolvidas por R. H. Bogue. Seguem a abaixo as equações:

%C2S= 4,071C-7, 600S-6,718ª-1,430F-2, 850S (equação1)

%C2S = 2,867S -0,7544CS (equação2)

%C3A= 2,650ª – 1,692F (equação3)

% C3AF= 3,043F (equação4)

As reações de Bogue admitem que tanto os compostos do clínquer estejam

completos quanto que, tenha presença de impurezas. Essa razão da composição

calculada é também chamada de Composição de potencial do cimento (tabela 1).

Tabela 1.Composição dos cimentos Portland (%).

Compostos Cimento n° 1 Cimento n°2 Cimento n° 3 Cimento n° 4 Cimento n° 5

C2S 53.7 50.0 62.3 53.6 42.0

C3S 19.9 16.2 12.5 17.2 28.8

C3A 11.4 7.1 2.8 14.0 14.0

C4AF 8.8 11.9 14.9 8.8 8.8

Fonte: Mehta e Monteiro (1994).

18

Segundo Mehta e Monteiro (1994c), a composição química dos compostos

presentes no cimento Portland não é exatamente a que expressam nas fórmulas

mencionadas anteriormente. Devido às altas temperaturas durante a formação do

clínquer onde os elementos utilizados podem entrar em soluções sólidas uns com

outros. Como entre esses elementos estão presentes também impurezas, se

encontrarem em grandes quantidades em soluções sólidas pode alterar

significativamente a natureza cristalográfica e a reatividade de um composto com

a água.

Além do tamanho das partículas a temperatura de hidratação altera a

reatividade dos compostos do cimento Portland com a água as estruturas

cristalinas. Em condições de altas temperaturas e não equilíbrio do forno de

cimento, além de uma variedade de íons metálicos presentes, as estruturas

cristalinas ficaram longe de uma perfeição. O que implica na instabilidade dos

compostos do cimento em meio aquoso (MEHTA E MONTEIRO, 1994d).

Alguns aspectos que diferenciam a reatividade de determinados compostos

serão descritos a seguir:

Silicatos de Cálcio: o silicato tricálcico (C3S) e o beta-silicato dicálcico

(ß CS), ambos são silicatos hidráulicos com pequenas quantidades de íons

magnésio, alumínio, ferro, potássio, sódio e enxofre o que diferencia um do outro

é quanto à organização estrutural. Enquanto que o silicato tricálcico apresenta um

empacotamento iônico, ou seja, os íons de oxigênio estão dispostos em torno do

cálcio de maneira irregular, ao lado de cada íon cálcio, deixando dessa forma um

grande vazio causando alta energia e reatividade da estrutura, o silicato dicálcico

(ß CS) tem a estrutura regular o que torna o composto não reativo.

Aluminato Tricálcico (C3A) e Ferroaluminato de tetracálcico (C4AF):

ambos em clínqueres industriais possuem impurezas, como o magnésio, potássio,

e sílica. Já a estrutura cristalina do aluminato puro é cúbica e os de aluminato e

ferroaluminato de cálcio apresentam grandes quantidades de álcalis e são

ortorrômbicos, não apresentam grandes vazios e a estrutura tem uma elevada

reatividade.

19

Óxido de Magnésio (MgO) e Óxido de Cálcio (CaO): ambos têm

estrutura cúbica onde cada íon de magnésio ou cálcio, que esta circundada por seis

átomos de oxigênio formando dessa forma um octaedro regular. O oxido de

magnésio cristalino quando em altas temperaturas é muito menos reativo que o

oxido de cálcio.

Compostos Alcalinos e Sulfatos: quando não se tem uma quantidade

suficiente de sulfato no sistema, os álcalis são consumidos preferencialmente por

aluminato tricálcico e silicato dicálcico.

A finura do cimento influencia em sua reação com a água. Quanto mais

fino for o cimento, mais rápido ele reagirá. Numa dada composição, a taxa de

reatividade, portanto, do desenvolvimento da resistência, pode ser aumentada

conforme se tenha uma moagem mais fina de cimento, porém, o custo da moagem

e o calor liberado na hidratação estabelecem limites de finura (MEHTA E

MONTEIRO, 1994e).

4.1.1.1 O processo de hidratação do cimento Portland

A hidratação do cimento ocorre da mistura com a água. Quando ocorre a

dispersão do cimento na água, o sulfato de cálcio e os componentes de cálcio

formados em altas temperaturas entram na solução, neste momento ocorre à

saturação da fase líquida em várias espécies iônicas. Com a combinação do cálcio,

sulfato, aluminato e íons hidroxila, têm a formação dos primeiros cristais

aciculares de sulfoaluminatos de cálcio hidratados denominados de etringita,

algum tempo depois aparecem os cristais prismáticos grandes de hidróxido de

cálcio e pequenos cristais fibrilares de silicatos de cálcio hidratado que iram

preencher os vazios antes ocupados pela água e partículas em dissolução do

cimento. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato do cimento

Portland, a etringita pode tornar-se instável e decompor-se em monossulfato

hidratado que possui formato de placa hexagonal.

20

A figura 1 apresenta a microestrutura da pasta de cimento, pode-se notar

que as várias fases não estão uniformemente distribuídas nem uniformes em

tamanho e morfologia.

Figura 1. Microestrutura da pasta de cimento Portland hidratada. A: representa a

agregação de partículas de C-S-H pouco cristalinas; H: são os produtos cristalinos

que apresentam pelo menos uma dimensão coloidal; C: representa cavidades

capilares ou vazios que existem quando os espaços não forem ocupados todos por

água.


Como o cimento Portland é composto de uma mistura heterogênea de

vários compostos, o processo de hidratação consiste na ocorrência de reações

simultâneas dos compostos anidro com água. Contudo, nem todos os compostos

hidratam numa mesma velocidade, no caso dos aluminatos sua hidratação ocorre

de maneira muito mais rápida que os silicatos. O enrijecimento, seja a perda de

consistência e a pega, é característico da pasta do cimento Portland, é determinado

pelas reações de hidratação envolvendo aluminatos. Já os silicatos que dispõe de

70% da constituição do cimento Portland comum, tem papel importante no

processo de endurecimento.

21

Na hidratação dos aluminatos a reação é imediata com a água.

Rapidamente se forma aluminatos cristalinos com liberação de calor de

hidratação, como a reação é muito rápida não terá utilidade na construção. A

menos que ocorra uma desaceleração pela adição de gipsita. A quantidade de

gipsita é determinada segundo ensaios normalizados que mostram a resistência

máxima do cimento e a retração mínima para dadas idades de hidratação.

Ao se adicionar à gipsita, vem juntamente com ela o íon sulfato que

provoca um efeito retardador nos aluminatos ao entrar em contato com ele e um

efeito acelerador na hidratação dos silicatos. Logo, dependendo da composição de

um cimento, é indicado um teor de gipsita para o desempenho ótimo do cimento.

(MEHTA E MONTEIRO, 1994f).

No caso do ferroaluminato, os produtos resultantes da hidratação são

semelhantes aos dos aluminatos. O papel dos ferroaluminato no cimento Portland

é desempenhado nas fases iniciais do processo de pega e endurecimento da pasta,

onde depende da sua composição química e temperatura de formação. A

reatividade da ferrita é mais lenta do que os aluminatos, mas que cresce em

virtude do teor de alumina e diminuição de temperatura de formação durante o

processo de produção do cimento.

No entanto, o processo de hidratação dos silicatos no cimento Portland

produz uma família de silicatos de cálcio hidratados que variam conforme a

relação cálcio/sílica e ao teor de água quimicamente combinados. As diferenças

de composição entre os silicatos de cálcio hidratados pouco interfere nas suas

características físicas. Considera ainda que a composição química dos silicatos de

cálcio hidratados em pastas de cimento em hidratação varia conforme a relação

água/cimento, temperatura e idade de hidratação. Espera-se que a resistência final

do cimento Portland de alto teor de silicato tricálcico seja menor que a de cimento

de alto teor de silicato dicálcico. A durabilidade de uma pasta endurecida de

cimento a águas ácidas e sulfáticas é reduzida pela presença de hidróxido de

cálcio.

22

4.1.1.2 Calor de hidratação

Os compostos do cimento Portland são produtos de reações a altas

temperaturas que não se encontram em equilíbrio e por isso estão em um estado

de energia ativa (MEHTA E MONTEIRO, 1994g). Quanto ocorre a hidratação de

um cimento, os compostos entram em contato com água para que se possa atingir

estados de baixa energia, acompanhado da liberação de energia na forma de calor.

Ou seja, trata-se de processos exotérmicos.

A quantidade de calor liberado e as taxas de liberação de calor pela

hidratação dos compostos individuais podem ser usadas como índices de

reatividade. Os dados de estudos de calor de hidratação podem ser usados para

determinar o comportamento do tempo de pega, bem como o de endurecimento do

cimento e da determinação da elevação da temperatura.

Metha e Monteiro (1994h) explicam que os pesquisadores Verbeck e

Foster a partir da análise de dados de calores de hidratação de um grande número

de cimentos, calcularam as taxas individuais de evolução de calor devido às

quatro componentes principais do cimento Portland apresentados na tabela 2.

Onde uma vez que o calor de hidratação do cimento é uma propriedade aditiva,

pode-se determiná-la através da expressão:

H= aA+bB+cC+dD ( equação 5)

.

Tabela 2.Calores de hidratação dos compostos do cimento Portland.

Compostos 3 dias 90 dias 13 anos

C3S 58 104 122

C2S 12 42 59

C3A 212 311 324

C4AF 69 98 124


23

Onde que H é o calor de hidratação de uma dada idade e sob dadas

condições: A, B, C e D são as porcentagens de C3S, C2S, C3A e C4AF presentes

no cimento; e a, b, c e d os coeficientes que representam à contribuição de 1% dos

respectivos compostos ao calor de hidratação. Os valores para esses componentes

serão diferentes para as várias idades de hidratação.

4.1.2 Compósitos cimentícios com fibras vegetais.

Segundo Savatano Jr. (2000a), a utilização das fibras vegetais na

construção já ocorre há milênios. Em virtude do alto custo que são os materiais

tradicionais apresentam, tem se realizado trabalhos de pesquisa com uso de fibras

vegetais como reforço de matrizes frágeis à base de materiais cimentícios, o que

comprovaram o seu menor custo, alem de grande disponibilidade.

Agopyan (1991c), em seu trabalho sobre fibras vegetais como reforço de

matrizes frágeis, relacionou tipos de 19 fibras que apresentaram potenciais úteis

na construção civil. A partir de propriedades mecânicas como, resistência à tração,

módulo de elasticidade, e alongamento na ruptura; características físicas, relação

entre diâmetro e comprimento, possibilidade de cultivo no Brasil, custo e

durabilidade no ambiente natural selecionou as mais adequadas, apresentadas na

quadro 1.

24

Tabela 3.Características físicas e mecânicas das fibras.

Propriedades Massa especifica Absorção Alongamento Resistência a Módulo de

real (Kg/m³) Máxima (%) na ruptura

(%) Tração (Mpa) elastic. Gpa)

Coco (Nucifera) 1177 93,8 23,9 a 51,4 95 a 118 2,8

Sisal (Agave 1370 110 4,9 a 5,4 347 a 378 15,2

sisalana)

Malva (Urena 1409 182,2 5,2 160 17,4

lobata)

Celulose para papel

Imprensa (Pinus 1200 a 1500 400 nd 300 a 500 10 a 40

elliottii - princ.)

Bambu (Bambusa 1158 145 3,2 73 a 505 5,1 a 24,6

vulgaris)

Juta (Corchorus nd 214 3,7 a 6,5 230 nd

capsulanis)

Piaçava (Attalea 1054 34,4 a 108 6 143 5,6

funifera)

Banana (Musa 1031 407 2,7 384 20 a 51

cavendishii)

Amianto crisotila 2200 a 2600 2 560 a 750 164

Polipropileno

913 22,3 a 26,0 250 2 Comum (filam.)

Fonte: Savastano Jr. (2000).

As pesquisas no Brasil e exterior concentraram-se nas fibras de sisal e

coco, em virtude do custo e de sua disponibilidade (AGOPYAN, 1991d).

Segundo Agopyan e Savastano Jr. (1997a), as fibras de baixo módulo de

elasticidade e elevada resistência à tração, propiciam a matriz cimentícia maior

resistência ao impacto, maior absorção de energia, possibilitam trabalhar após o

estado de fissura, alem de aumentar a capacidade de isolamento termo-acústico.

A utilização de fibras vegetais em compósitos reforçados para a construção

civil pode ser de grande interesse para os países em desenvolvimento e seria capaz

de contribuir para o crescimento de suas infra-estruturas (SWAMY, 1990 e

25

SAVASTANO Jr., 2000). A combinação de cimento e fibras para a produção de

compósitos duráveis é um grande desafio, mas que se concretizado pode criar um

material de construção ecológico, resistente e durável com grande capacidade de

renovação, embasada em recursos naturais renováveis (SWAMY, 2000).

Para que tenha um uso ordenado das fibras naturais é necessário que se

faça um estudo de sua durabilidade, pois com o passar to tempo, a agregação de

matrizes cimentícias, poderá vira a apresentar redução de resistência e ductilidade

devido ao ataque doa álcalis do cimento na lignina e hemicelulose, bem como a

petrificação das fibras pela migração do hidróxido de cálcio da matriz para dentro

da mesma (SOROUSHIAN E MARIKUTE, 1994).

4.1.2.1 Microestrutura das fibras vegetais

O estudo da estrutura interna das fibras é de fundamental importância para

que se compreenda como ela poderá implicar nas características dos compósitos

onde elas serão empregadas.

Segundo Savastano Jr. (2000b), as fibras vegetais constituem-se de células

individuas, e estas são compostas por microfibrilas que por sua vez estão

dispostas em camadas de diferentes espessuras e ângulos de orientação. Essas

microfibrilas são ricas de celulose que é um polímero vegetal de cadeias grandes

(grau de polimerização em torno de 25.000), e se encontra acumuladas por

hemicelulose amorfa (possui grau de polimerização em torno de 50 á 200).

Segundo Islton (1994) as fibras são compostas principalmente de celulose,

hemicelulose e lignina, que são cadeias de poliméricas que podem ser grandes,

como é o caso da celulose, ou menores, no caso da lignina.

As cadeias possuem grau de polimerização (GP) variando conforme a

maior ou menor taxa de solubilidade em meio aquoso e alcalino. As substâncias

com menor (GP) tendem a serem mais solúveis, o que resulta numa menor perda

26

de resistência mecânica por decomposição quando empregadas em reforço, como

é o caso da lignina.

As células das fibras têm de 10μm a 25 μm diâmetro e são compostas por

quatro camadas de microfibrilas (figura 2a): a camada primaria é a mais externa e

de estrutura reticulada; a camada secundária (S1) de estrutura também reticulada;

camada secundária S2, em que as microfibrilas estão orientadas segundo o ângulo

θ com relação ao eixo longitudinal da célula em espiral, e a camada secundária S3

a mais interna, também com microfibrilas em espiral (COUTTS, 1992).

Figura 2.Esquema da estrutura da fibra vegetal.

a) Célula Individual

.

b) Microfibra: aglomerado de células


27

As dimensões das células podem interferir nas características. Fibras que

venham a apresentar a relação (comprimento/espessura) alta tendem a possuir

resistência a trações mais elevadas, dessa forma contribuem positivamente para a

resistência a flexão do compósito pelo efeito de melhor fixação da matriz

(MCKENZIE, 1994). Essa relação (comprimento/espessura), quando sendo de

aspecto alto também podem contribui para a redução dos valores de absorção de

energia do compósito, pela ruptura da fibra devido ao arrancamento da matriz. As

fibras longas ainda podem causar dificuldades nos processos de produção de

compósitos por meio de dispersão em solução aquosa (SAVASTANO Jr., 2000c).

Tem-se que as diversas células que compõe as fibras ou microfibras estão

aglomeradas pela lamela intercelular que é composta de hemicelulose, pectina e

lignina (essa em torno de 70%). Já a região central poderá apresentar uma camada

denominada de lacuna (figura 2b).

Essas lacunas são responsáveis pela grande quantidade de poros

permeáveis presentes nas fibras, possibilitando uma grande entrada de água e

massa específica inferior a real. A alta absorção favorece o apodrecimento da

fibra, além de facilitar o ataque alcalino da matriz, considerado prejudicial

(SAVASTANO Jr., 1987).

Segundo Shimizu e Jorrilo Jr. (1992), ao estudarem a estrutura das fibras

de coco, perceberam que cada uma delas poderia apresentar entre 30 a 200 células

individuais. Ainda neste estudo os pesquisadores registraram a presença de

protuberância na superfície lateral das fibras com diâmetro de 8 μm a 15 μm o que

poderia aumentar a aderência com matrizes frágeis.

A quadro 2 apresenta teores de lignina e celulose, de algumas fibras, bem

como o ângulo médio θ, que é formado pelas microfibrilas com o eixo

longitudinal da célula. Comparando as informações contidas na quadro 2 com as

que estão apresentadas na quadro 1, mostra que a resistência à tração e o módulo

de elasticidade das fibras variam diretamente com o teor de celulose e

inversamente com o ângulo médio θ das microfibrilas. Já o alongamento máximo

28

de ruptura aumenta com o ângulo médio θ, visto que o trabalho de fratura é maior

para o alongamento das fibras (SAVATANO Jr., 2000d).

Tabela 4.Propriedades da estrutura de fibras vegetais.

Fibra Celulose Lignina Ângulo das microfibrilas

(%

massa) (%

massa) θ( graus)

Malva 76 10 8

Sisal 78,6 9,9 10 a 22

Coco 53 40,8 30 a 49


Um aspecto importante que se deve lembrar é que com a adição das fibras

no cimento provoca um retardamento no tempo de pega devido à liberação de

substancias de caráter ácido em solução aquosa (AGGARWAL E SINGH, 1990).

Essas substâncias não fazem parte da estrutura das fibras e são chamadas de

extrativos, incluem as resinas, óleos, graxas e polifenóis. Esse retardamento

poderá ser causado também pela presença de açucares na estrutura vegetal,

liberados em solução aquosa.

4.1.1.2 Zona de transição entre a fibra vegetal e a matriz cimentícia.

Nos compósitos a base de cimento, a maior aderência entre fibra-matriz

ocorre quando há um melhor desempenho na zona de transição, fazendo com que

as duas faces trabalhem em conjunto de forma efetiva. A zona ou aureola de

transição é a região de pasta de aglomerante próximo à fibra, com espessura

29

variando entre 10μm e 100μm e que apresente características diferentes do

restante da matriz (SAVASTANO Jr. et al, 1994b).

A figura 3 ilustra a imagem de compósitos a base de cimento Portland

comum com relação água/cimento igual a 0,38 a 7 dias de idade. A fibra de malva

de baixa densidade aparece na micrografia como uma região mais escura. Há

nítido aumento de porosidade nas extremidades da fibra, e as fissuras tende a

atravessar a zona de transição (indicação 3 na figura). A indicação 2 da mesma

figura refere-se a um macrocristal de portlandita, com espessura aproximada de 40

μm atravessado por fissura o que evidencia sua baixa resistência.

Figura 3. Imagem por elétrons retroespalhados. Compósito por fibra de malva. 1: fibra

deslocada da matriz; 2: macrocristal de hidróxido de cálcio; 3: microfissuras.

Fonte: Savastano Jr. (2000)

A melhor adesão é conseguida quando ocorre uma redução da porosidade

e menor concentração de Portlandita (cristais de hidróxido de cálcio) nas

proximidades da matriz. Contudo, é verificado que nas fibras vegetais que a

elevada porosidade favorece o aparecimento de cristais de portlandita, que se

forma na zona de transição e não na superfície da fibra o que produzira uma

menor aderência em virtude do aumento da porosidade do sistema. Essa

30

concentração dos cristais também causa uma diminuição da durabilidade da fibra,

visto que ela fica em contato direto com o material alcalino (SILVA, 2002).

Os deslocamentos da interface fibra-matriz em decorrência da sua variação

dimensional devido à perda de água ganham durante a mistura é visível. Isto

favorece a concentração de portlandita na zona de transição Esses deslocamentos

ocorrem em grande freqüência nas fibras vegetais e contribuem de forma

prejudicial à aderência entre as faces (SAVASTANO Jr., 2000e).

Como uma maior aderência poderá ser conseguida em virtude do melhor

desempenho da zona de transição fibra-matriz alguns fatores poderão contribuir

entre eles a morfologia e rugosidade das fibras, sua absorção e porosidade. Já no

caso da matriz, a presença em grande quantidade de portlandita nos produtos

hidratados, influi de maneira negativa.

O arrancamento das fibras é um fator principal na ruptura do compósito, o

comprimento de ancoragem da fibra na matriz também é um fator relevante. Essa

ancoragem pode ser empregada nas fibras rugosas com uma maior relação de

aspecto e isentas de impurezas na superfície. Já a presença de fibras lisa poderá

ocasionar uma redução na aderência.

4.1.3 Durabilidade de compósitos com fibras vegetais

O estudo da durabilidade é de suma importância quando se fala a respeito

de materiais de construção civil. Segundo Savastano Jr. (2000f), quando se fala

sobre durabilidade de compósitos cimentícios com adição de fibras vegetais, de

imediato se pensa em dois fatores um deles é o ataque alcalino nas fibras e o outro

é a incompatibilidade física entre fibra e matriz que poderá acontecer.

31

4.1.3.1 Ataque alcalino às fibras

A principal fonte de degradação em fibras vegetais no ambiente natural

são os ataques biológicos provocados pela presença de fungos, mas que esses não

apresentam maiores preocupações, pois as matrizes empregadas apresentam pH

alcalino capaz de inibir a ação desses microorganismos (SAVASTANO Jr.,

2000g).

Um dos motivos que leva essa rápida degradação é devido à presença de

alta alcalinidade da água presente nos poros da matriz de cimento Portland, cujo

pH é superior 13 (SAVASTANO Jr., 2000h). A região em torno da fibra, a zona

de transição, caracteriza-se por apresentar alta porosidade o que permite um

acúmulo de água, e a presença de grandes quantidades de hidróxido de cálcio,

propicia alta alcalinidade (SAVATANO, et al., 1994c). Tem-se ainda a influencia

da temperatura ambiental, pois quando a mesma está elevada provoca uma

sensível aceleração da velocidade de degradação.

Segundo John e Agopyan (1993b), para controle desse fator de degradação

têm diversas soluções possíveis, entre elas:

Emprego de matriz de baixa qualidade, que é a matriz que possui água no poro

com pH inferior ao do cimento Portland comum (em torno de 13), como o

gesso e o cimento de escória de alto-forno;

Redução da alcalinidade por carbonatação acelerada da matriz;

Proteção das fibras por polímeros, hidro-repelentes (resinas, óleos e asfalto),

ou ainda por agentes bloqueadores da reação de decomposição das fibras,

como silicatos e sulfato de sódio e magnésio;

Impermeabilização da matriz;

Emprego dos compósitos em locais permanentemente secos.

Muitas dessas soluções acima citadas têm um alto custo, reduzindo dessa

forma, uma das vantagens de uso da fibra vegetal.

32

A velocidade de degradação da fibra é relativamente baixa, neste caso, o

compósito de fibras vegetais e cimento convencional podem ser empregados em

peças onde a resistência a impactos e a ductilidade seja necessária por curto

período de tempo, como é o caso da concretagem ou peças que necessitam de

reforços apenas durante a fase de transporte e montagem.

4.1.3.2 Incompatibilidade física

As fibras vegetais apresentam variações dimensionais, em virtude de

mudanças ocorridas no teor de umidade, sendo estas maiores que as das matrizes

de cimento. Logo os repetitivos ciclos de molhagem e secagem introduzem

tensões que progressivamente vão destruindo a ligação fibra-matriz e reduzindo a

ductilidade do material.

4.1.4 Avaliação da durabilidade

Segundo Savastano Jr. (2000i), durante o envelhecimento de um

compósito ocorrem simultaneamente os fenômenos de degradação da fibra e/ou

degradação da ligação fibra-matriz, juntamente aos fenômenos de hidratação da

matriz.

A resistência à tração do compósito não é necessariamente a melhor

indicadora de degradação, principalmente nas primeiras etapas, onde a hidratação

da matriz tende a aumentar, mas também porque as fibras nem sempre consegue

melhorar a resistência à tração do compósito. É sempre bom lembrar que fibras

com baixo módulo de elasticidade tem como objetivo melhorar o desempenho do

33

compósito no estado pós-fissurado, que é quando ocorrem esforços mecânicos.

Embora mais difícil de realizar, a medida da energia dissipada durante o ensaio de

flexão, é um indicador mais preciso porque é menos afetada pelo crescimento da

resistência mecânica da matriz e mais sensível, tanto a ligação fibra-matriz,

quanto à resistência mecânica das fibras. A resistência a impactos é um ensaio de

grande variabilidade e, portanto, de difícil aplicação (AGOPYAN, 1991e).

Por outro lado, a visualização direta da degradação das fibras e da

interface fibra-matriz é difícil. As fibras retiradas da matriz sofrem degradação

mecânica durante o processo de extração dificultando assim a avaliação de sua

resistência e tração. Tem ainda o fato de a matriz apresentar sua superfície coberta

de produtos da hidratação do cimento dificultando dessa forma sua observação no

microscópio, necessitando assim do desenvolvimento de técnicas para a

dissolução dos compostos hidratados sem afetar a fibra.

Uma maneira eficaz de observação da degradação da ligação fibra-matriz é

a análise em microscópico eletrônico de varredura das seções transversais de fibra

embutidas na matriz, embora seja pouco eficiente para observar o ataque à fibra

(SAVASTANO Jr. 2000j).

No caso dos ensaios de envelhecimento acelerado os resultados são

normalmente apenas comparativos e as conclusões a partir deles são limitadas. Já

os ensaios de molhagem-secagem, como o QCT (quick condensation test - teste

de condensação rápida) em compósitos, aceleram a hidratação e modificam a

forma e a quantidade dos produtos hidratados da matriz (SAVASTANO Jr.

2000l).

Segundo Savastano Jr. et al. (1994d), o aumento da hidratação provoca

redução na porosidade da zona de transição fibra-matriz, o que permite uma

minimização do efeito da degradação da aderência fibra-matriz. Contudo, mesmo

que realizassem ciclos bastante agressivos com etapas de 8h de molhagem e 6h de

secagem, ou seja, ciclos que no fim equivalesse a 680h consecutivas, não

conseguiria simular o envelhecimento natural de 6 meses como mostra a quadro 3.

34

Figura 4.Comparação entre ensaio acelerado (QCT) e envelhecimento natural (EEN).


Segundo Silva (2002), para se fazer a avaliação da durabilidade de

compósitos reforçados com fibras de celulose é necessário empregar métodos que

façam com que o material fique submetido a condições que passaria por toda a

vida útil do mesmo, dessa forma podendo-se avaliar a sua durabilidade. Dentre os

métodos conhecidos estão:

O ensaio de envelhecimento natural: ocorrem de maneira a deixar o material

exposto as condições em que eles serão utilizados. Para isso colocam-se os

corpos de prova em bancadas com inclinação de 30º para o norte magnético, o

que isso remete as condições próximas do que ocorre na prática. Esse ensaio é

considera lento, o que necessitara de um longo tempo para que os fatores da

degradação possam agir sobre ele.

Os ensaios em uso: são os que melhor avaliam as condições de durabilidade,

portanto, são tidos como os mais eficientes. Pois além de os materiais serem

submetidos às condições de uso real, ele utiliza do componente com a

conformação e os detalhes característicos do seu emprego, como a ligação de

fixação e a ligação com outros subsistemas. Tem a vantagem de utilizar-se do

componente interativo com os outros sistemas construtivos que permitiram

uma avaliação sistêmica do material no desempenho de sua função. Assim

como os ensaios naturais ele também requer um tempo para ter os resultados

35

de sua exposição e com isso poder avaliar sua durabilidade. Um ponto que

também ter que levar-se em consideração é o seu custo.

Os ensaios acelerados, como o próprio nome sugere, são os que ocorrem em

menor tempo, ou seja, com rapidez quando comparados aos naturais e de uso.

Dessa forma permite uma resposta rápida sobre a avaliação do desempenho do

material ao longo do tempo de vida útil. Ele ocorre fazendo com que o

material fique exposto a elevadas presenças dos principais agentes de

degradação. Uma desvantagem do ensaio é que, devido à rapidez da resposta

ela poderá trazer resultados imprecisos já que outros mecanismos estão

ocorrendo paralelamente como é o caso da aceleração da hidratação.

Contudo percebe-se que ao saber os principais agentes e mecanismos da

degradação podem-se determinar os ensaios de envelhecimento aos qual o

compósito será submetido. Os ensaios naturais e acelerados servem para simular

as condições de uso do material, sob os aspectos das propriedades dos compósitos.

Portanto, a avaliação será feita através das propriedades físicas, mecânicas e

microestruturais que o compósito devera apresentar em uso.

36

5 ESTUDOS RELACIONADOS A DURABILIDADES DE FIBRAS VEGETAIS

EM COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS.

5.1 Modificação das propriedades das fibras de curauá por acetilação produzido por

Lopes et al (2011).

Lopes et al (2011) realizou um trabalho no qual objetivou determinar a

influência do tratamento químico de acetilação na modificação das propriedades

físicas e mecânicas das fibras de curauá (figura 5). Segundo Lopes et al (2011)

para que os compósitos venham a apresentar boas propriedades físico-mecânicas é

necessário melhorar a interface entre a matriz e o material lignocelulósico.

Aperfeiçoando a interface matriz/fibra dos compósitos, as propriedades das fibras

podem ser melhoradas pela modificação de sues componentes constituintes

através do uso de tratamentos químicos superficiais.

De acordo com Motta (2005), as modificações na superfície das fibras

alteram propriedades como aderência e absorção de umidade, bem como

modificações dos constituintes estruturais, que alteram as propriedades de

equilíbrio, tais como a instabilidade dimensional com a variação de umidade.

No processo de acetilação poderá produzir natureza higroscópica das

fibras lignocelulósicas e aumentar a estabilidade dimensional de compósitos pela

introdução de grupos funcionais hidrofóbicos. No caso da reação fibra e o

anidrido acético, os polímeros do grupo hidroxila das paredes celulares são

substituídas pelo grupo acetila, o que causara a plasticidade da celulose das fibras.

Antes de realizar o procedimento de tratamento de acetilação, as fibras

foram embebidas em uma solução aquosa de NaOH (soda caústica) a 1% por 1 h.

O processo de lavagem foi repetido até que apresentasse pH neutro na solução de

lavagem final, depois, as fibras foram secas em estufa a 60 ± 2 °C, durante 24 h.

O procedimento para a realização dos tratamentos de acetilação seguiu a

metodologia adaptada de D’Almeida et al. (2005). Esse processo consiste em

lavagem em água a 50 ± 2 °C e posteriormente em água destilada à temperatura

37

ambiente serve também para retirar do material os resíduos do beneficiamento,

como a mucilagem e as ceras presentes em sua superfície. Ao final elas são

armazenadas em dessecador.

O procedimento de acetilação ocorreu da seguinte forma: as amostras de

fibras foram acondicionadas em um reator de condensação, sob agitação e em

banho termostático com solução de anidrido acético e ácido acético, na proporção

de 1, 5:1, 0 em massa. Os tempos reacionais do contato entre fibras e solução,

ocorrem em torno de 1 a 3 h, e a temperaturas entre 100 e 120 °C. Depois de

ocorrido o tempo de reação às amostras, foram lavadas com água corrente e,

posteriormente, com água destilada, onde permaneceram durante 1h, apresentando

pH entre 5-6 na solução de lavagem final. Foram secas em estufa a 60 ± 2°C,

durante 24 h, e armazenadas em dessecador.

Para caracterizar as fibras, elas passaram pelo processo de absorção

d’água, onde as fibras não tratadas e acetiladas previamente secadas foram

pesadas e imersas em recipientes com água destilada. Depois foram retiradas da

água, secas superficialmente com papel absorvente e pesadas em balança semi-

analítica após 0,5, 2 e 24 h do início do teste. Os resultados são determinados

segundo a equação abaixo:

100 (equação 6)

Onde:

Po - peso seco inicial, g

P1 - peso após imersão em água, g

Para se avaliar o comportamento mecânico das fibras pela resistência à

tração, utilizou-se uma máquina de ensaios universal. Para que as garras da

máquina pudessem segurar as fibras, corpos de prova foram montados com o

auxílio de papel do tipo cartolina de dimensões entre 15 x 2,0 cm. O comprimento

das fibras coladas nos corpos de prova para o ensaio foi em torno de 10 cm, e a

quantidade de corpos de prova por tratamento foi de 12. Do ensaio promovido

foram considerados os oito melhores ensaios baseando-se no ajuste dos dados

experimentais aos calculados. O diâmetro médio das fibras utilizados nos ensaios

38

baseou-se na leitura do diâmetro de 30 fibras obtidos por projeção ampliada e

também com a leitura direta por um projetor de perfil vertical.

Nas imagens adquiridas em microscópio eletrônico de varredura (MEV)

com a utilização de elétrons secundários e voltagem por aceleração de feixes de

elétrons em torno de 15 a 20 KV, poderão realizar mudanças morfológicas na

superfície das fibras.

5.1.1 Conclusões do trabalho realizado por Lopes et al (2011).

A comparação dos resultados obtidos das fibras por acetilação e das fibras

não tratadas estão apresentados na tabela 3. Nela observa-se que o tratamento de

acetilação em todos os níveis estudados, teve efeito inibidor na hidrofilicidade das

fibras. As acetilações em fibras de curauá apresentaram tendências diferenciadas

com absorção máxima de 44% a 100 °C e mínima de 37% a 120 °C, em 24 h de

imersão, ou seja, absorção 7% menor nas fibras acetiladas a120 °C. Porém no

tempo de 1 h (A3) estatisticamente, as fibras de curauá acetiladas se comportaram

da mesma forma quanto à absorção de água, em todos os níveis estudados. Neste

caso, conclui-se que a eficiência da acetilação não foi condicionada a pontos

extremos do tratamento e o efeito da temperatura, segundo a análise de variância,

não apresentou influência significativa na eficiência. A comparação do menor

valor de absorção observado no tratamento de acetilação com aquele obtido nas

fibras não tratadas mostrou que a hidrofilicidade das fibras foi reduzida em até

55%, após 24 h de imersão.

39

Tabela 5.Absorção de água nas fibras de curauá não tratadas e acetiladas.

Absorção de água (%)

Tratamento Tempo de imersão (h)

1/2 2 24

N?T 82 aB 82 aB 92 aA

A1 34 bB 40 bB 44 bA

A2 34 bB 40 bB 44 bA

A3 32 bB 37 bB 37 bA

A4 33 bB 39 bB 42 bA

Fonte: Lopes et al (2010).

As polioses presentes nas fibras são as principais responsáveis pela

absorção de água, mas outros fatores também propiciam este processo, como é o

caso da acessibilidade da celulose amorfa e lignina. Já a umidade provoca nas

paredes das fibras inchamento e no caso da de curauá, o inchamento ocorre até

que a parede celular esteja saturada com água. Outro ponto em que a umidade se

apresenta é como água livre nos espaços vazios das fibras, mas neste caso não

provoca inchamento (SPINACÉ ET AL., 2009).

Lopes et al (2010), com relação aos ensaios mecânicos, as fibras de curauá

tiveram resistência mecânica afetada em todos os níveis de acetilação aplicados,

decrescendo seus valores conforme o incremento de tempo e temperatura no

processo de acetilação conforme resultados apresentados na tabela 4. Verifica-se

que as fibras acetiladas apresentaram reduções nos valores máximos suportados

até a ruptura de 35 a 76% na força de 15 a 38% no alongamento e de 6 a 65% na

tensão. De acordo com Spinacé et al. (2009), os valores de tensão de ruptura para

as fibras de curauá, 900 ± 200MPa, e módulo de Young, 36 ± 10GPa, são mais

elevados do que para outras fibras vegetais, como bambu, palma, coco e sisal.

Esses valores também foram bastante superiores àqueles encontrados neste estudo

para fibras de curauá obtidas na mesma região. As discrepâncias podem estar

relacionadas às condições de ensaios adotadas, com velocidade de 2,0 mm

e ao diâmetro médio das fibras utilizado nos ensaios (60 μm).

40

Tabela 6.Propriedades mecânicas das fibras de curauá não tratadas e acetiladas.

Fonte: Lopes et al (2010).

5.2 Efeito da argila calcinada sobre a durabilidade de argamassas reforçadas com fibras

curtas de sisal produzido por Farias Filho et al (2010)

A fibra de sisal é considerada de excelente resistência à tração, embora

apresente baixa aderência fibra-matriz. Em virtude disso, há a necessidade de

utilizar um grande comprimento para que a fibra pudesse atingir a máxima tensão

de tração antes de ser arrancada da matriz, dessa forma contribuiria para a

transferência total de tensões na matriz fissurada. Segundo Guimarães (1987) e

Swift & Smith (1979) para que se garanta uma boa dispersão do material, a fibras

de sisal não poderá apresentar comprimento acima de 50 mm para ser usada em

reforço de argamassas e concreto, já que nesses compósitos a ruptura é

caracterizada pela propagação instável da fissura com arrancamento gradual das

fibras de dentro da matriz, o que acarreta um ganho na capacidade de absorver

energia do material. Por isso, a inclusão de fibras curtas de sisal em argamassas de

cimento não tem influência benéfica sobre o aumento da resistência a tração ou à

compressão, porém proporciona melhoria nas propriedades, entre elas: a

tenacidade na compressão (TOLEDO FILHO ET AL., 1999; LIMA, 2004),

Tratamento Força (N) Alongamento (mm) Tensão (Mpa) Módulo de elasticidade

(Gpa)

mim-máx média-s mim-máx média-s mim-máx média-s mim-máx média-s

N/T 3,0-6,2 5,1-1,1 1,6-2,9 2,1-0,40 160,7-328,7 268,3-58,2 9,4-12,9 11,4-1,6

A1 2,2-4,6 3,3-0,9 1,2-2,2 1,85-0,32 170,2-361,2 254,9-70,6 7,8-18,3 12,8-3,7

A2 0,9-1,6 1,2-0,3 1,0-1,5 1,3-0,15 70,9-123,7 93,1-20,9 2,9-8,4 6,1-1,7

A3 1,7-3,2 2,4-0,8 1,2-2,7 1,9-0,43 131,7-309,7 85,8-66,1 5,5-9,3 7,4-2,0

A4 1,3-3,8 2,5-1,0 1,1-1,6 1,4-0,24 102,4-295,2 192,183,0 7,8-18,2 12,3-4,8

41

resistência e tenacidade à flexão (TOLEDO FILHO ET AL., 2003) e controle da

fissuração por retração por secagem (TOLEDO FILHO ET AL., 2005).

Durante o processo de extração e beneficiamento do sisal no campo, parte

do material é de fibra curta que, atualmente, tem baixo valor comercial, mas

apresenta um grande potencial como reforço em produtos de fibrocimento, tendo

com um material ecologicamente mais eficiente que os tradicionais. Os estudos

sobre durabilidade dos compósitos com fibras de sisal têm sido voltados à

avaliação de materiais reforçados com fibras longas (RAMAKRISHNA &

SUNDARARAJAN, 2005; LIMA & TOLEDO FILHO, 2008; TOLEDO FILHO

et al., 2009).

Farias Filho et al (2010), realizou um trabalho com o objetivo de verificar

o comportamento à flexão de um compósito com fibra curta de sisal em uma

matriz de argamassa com substituição de parte do cimento por resíduo de tijolo

moído e também por metacaulinita. Para isso, realizou-se o monitoramento do

teor de hidróxido de cálcio na matriz através de análise termogravimétrica (TG e

DTG). A avaliação do desempenho dos compósitos foi feita a partir da produção

de placas de argamassa reforçadas com fibras curtas de sisal em seguidas

submetidas a ensaios de envelhecimento natural e ensaios de molhagem e

secagem, simulando o envelhecimento acelerado.

Para que o procedimento de ensaio fosse realizado, Farias Filho et al

(2010) utilizou os seguintes materiais: o uso de cimento Portland do tipo CP II-F

32, a metacaulinita foi doada por uma indústria de cimento, na forma de grão com

diâmetro médio de 0,25 mm e calcinada a uma temperatura de cerca de 750 ºC, o

resíduo de tijolo cerâmico em pedaços de dimensão média de 7,5 mm, foi

triturado em um britador de mandíbula, até apresentar diâmetro variando entre 0,2

e 0,5 mm.

No caso dos tijolos ele passa pelo processo de queima numa temperatura

em torno de 900 ºC. Em seguida é moído juntamente com a metacaulinita em

moinhos de disco e de barra, até que todos os grãos passassem através da peneira

nº200 que é a de malha 74 mm. A areia utilizada foi proveniente do Rio Paraíba e

apresenta módulo de finura de 2,81 Já às argilas sua finura foi determinada pelo

processo de peneiramento e que passasse na peneira nº325 segundo a ABNT não

ultrapassando os 34%, atendendo às prescrições da norma americana ASTM C

42

618 (ASTM, 1992) quanto ao uso como material pozolânico (Farias Filho, et al

2010).

No experimento realizado por Farias Filho et al (2010), as fibras de sisal

utilizadas foram produzidas na Paraíba, cortadas com 25 mm de comprimento e

adicionadas randomicamente à matriz, em uma fração volumétrica de 0,6 % de

massa. As argamassas foram produzidas no traço, em massa, de 1:1, 5:0, 45

(material cimentante: areia, relação água/material cimentante). O material

cimentante usado foi o cimento com substituição de 20 e 40%, em peso, de

cimento por argila calcinada.

Confeccionaram-se os corpos-de-prova para ensaio cuja dimensão era de

300 x 60 x 12,7 mm. Após passar-se 24 h, foram imersos em água até a idade de

28 dias.

O ensaio realizado por Farias filho et al (2010), teve como objetivo avaliar

a durabilidade dos compósitos a partir da resistência à flexão em quatro pontos,

com um vão entre apoios de 275 mm. Os ensaios foram executados em prensa

MTS de capacidade 10 tf a com uma velocidade de deslocamento do travessão de

0,16 mm min -1

, até uma deflexão no meio do vão de aproximadamente 4 mm.

São três os ensaios e estes foram realizados para cada mistura. A partir das curvas

das cargas versus deflexão, dois parâmetros foram calculados para a avaliação da

eficiência do reforço e, conseqüentemente, da sua durabilidade com o tempo: o

primeiro que foi realizado através do módulo de ruptura na flexão do material (σ)

sendo determinado traves da equação abaixo:

(equação 7)

onde:

M é o momento fletor máximo e b e d são a largura e espessura do corpo-

de-prova, respectivamente.

O segundo processo é o índice a tenacidade (T) – que nada mais é que a

definição de como a energia é necessária para fletir uma viga de concreto

reforçada com fibras uma deflexão no meio de vão de L por 150 do seu vão, isto

43

é, 1,83 mm no presente estudo. As condições de envelhecimento foram avaliadas

através de:

a) Envelhecimento natural - realizado na cidade de Campina Grande, PB,

se pega às amostras foram colocadas em estantes de exposição. A temperatura e a

umidade relativa variaram, no período em estudo, de 19,9 a 27,5 Cº e 57,0 a

92,0%, respectivamente;

b) Envelhecimento acelerado - as amostras foram submetidas a ciclos de

molhagem e secagem. Cada ciclo teve duração total de 24 h e consistiu em 15 h

de secagem em estufa a 65°C ± 5°C, 30 min de secagem ao ar, 8 h de imersão em

água e 30 min de secagem ao ar.

No caso, dos compósitos com matrizes pozolânicas foram ensaiados após

28 dias de cura em água e após envelhecimento natural e acelerado. O

envelhecimento de todas as amostras foi iniciado após 28 dias de cura em água.

Na tabela 5 abaixo, mostra o programa experimental.

Tabela 7.Programa experimental usado no estudo da durabilidade dos compósitos.

Mistura Teor de adição (%) Envelhecimento

Metacaulinita Tijolo moído Natural (dias) Acelerado (ciclos)

TM20 - 20 135 94

TM40 - 40 180 94

MC20 20 - 135 94

MC40 40 - 180 94

Fonte: Farias Filho et al (2010)

44

5.2.1 Conclusões do trabalho realizado por Farias Filho et al (2010).

Para se avaliar o compósito utilizado necessário determinar os valores

médios do módulo de ruptura (σ) e do índice de tenacidade (T) através dos

respectivos coeficientes de variação (CV), que segue apresentados na tabela 6.

Tabela 8.Resultados do ensaio de flexão.

Mistura Condições de exposição Período σ (MPa) T(KN mm) CV(%)

M Imersão em água 28 dias 4,14 - 3,99 0,09 - 6,00

Imersão em água 28 dias 5,32 - 5,99 0,15 - 7,00

MC20 Env. Natural 135 dias 5,70 - 5,13 0,11 - 17,6

Env. Acelerado 94 dias 5,39 - 1,40 0,07 - 6,94


MC40 Env. Natural 180 dias 5,82 - 4,48 0,15 - 5,43



TM20 Env. Natural 135 dias 5,33 - 0,33 0,12 - 11,0



TM40 Env. Natural 135 dias 5,95 - 5,47 0,11 - 10,1


Fonte: Farias Filho et al (2010)

Segundo Farias Filho et al (2010), os resultados obtidos a partir dos

ensaios de resistência a flexão aos 28 dias de idade indicam que houve aumento

do módulo de ruptura, com relação à matriz M, sem adição, para todas as

misturas, com incrementos máximos de 33%, como pode ser visto na figura 4A.

Segundo Farias filho et al (apud WILD ET AL., 1996; GUTIERREZ ET AL.,

2005), ocorrendo aumento do módulo de ruptura da mistura pelas adições de

pozolânicas, é em virtude de ocorrer formação de novos compostos hidratados

resultantes da substituição do hidróxido de cálcio livre por compostos mais

45

resistentes e à formação de uma estrutura mais densa, que aumenta a resistência

mecânica do material.

Após o experimento, Farias Filho et al (2010) observou que a presença das

fibras curtas de sisal, provocou um aumento na tenacidade do material em

comparação com a matriz, como mostra a Figura 4B. Já nas matrizes à base de

cimento o comportamento apresentado foi de fragilidade sob tração e flexão, o

que propiciou uma queda brusca de resistência após o surgimento da primeira

fissura. Para os compósitos, ocorre que, após a fissuração da matriz, a presença

das fibras “costurando” esta primeira fissura permite uma redistribuição de

tensões ao longo do material, que permitem uma redução gradual de resistência,

um aumento da deformação de ruptura e, conseqüentemente, da tenacidade. O

aumento da abertura desta fissura inicial para o caso de fibras curtas resulta em

um processo de arrancamento das fibras, o que acarreta em ganho de energia

(LIMA, 2004; CHATVEERA & NIMITYONGSKUL, 2002). Verifica-se um

importante aumento de tenacidade de até 67%, com relação à matriz de cimento

portland, principalmente em se considerando a adição de apenas 0,6% de massa

de fibras curtas de sisal.

A influência do envelhecimento sobre a tenacidade dos compósitos, que

está diretamente associada à ação da fibra, está apresentada na figura 4C. A linha

horizontal representa a tenacidade relativa após 28 dias de imersão em água. Para

os compósitos com menores volumes de adição, misturas MC20 e TM20 deram-se

redução da tenacidade de até 53% após envelhecimento, demonstrando que essas

pozolanas não possuem a reatividade necessária para impedir a deterioração da

fibra vegetal em ambiente alcalino, sendo necessário aumentar o teor de adição. A

mistura MC40, isenta de hidróxido de cálcio, apresentou ganho de tenacidade

após envelhecimento natural de 25% e redução de apenas 8% após

envelhecimento acelerado. A mistura TM40 mostrou comportamento similar,

porém com menor eficiência, com aumento de 10% e redução de 20%,

respectivamente. Este ganho de tenacidade está associado principalmente à

melhoria nas propriedades da matriz com o tempo que favorece, por exemplo, a

aderência fibra-matriz dos compósitos.

46

Figura 5.Influencia da adição pozolânica e do envelhecimento sobre o módulo de

ruptura e tenacidade dos compósitos.

Fonte: Farias Filho et al (2010).

A perda de resistência das fibras vegetais e conseqüente redução da

tenacidade dos compósitos, em meio alcalino, têm sido comprovadas por vários

autores (TOLEDO FILHO ET AL., 2000; KRIKER ET AL, 2008). A relação

entre a redução do teor de CH e a melhoria do comportamento dos compósitos

encontrada neste trabalho comprova resultados recentes (MOHR ET AL., 2007;

LIMA & TOLEDO FILHO, 2008; TOLEDO FILHO ET AL., 2009) que

demonstram que o teor de CH é uma variável importante na minimização da

degradação durante ciclos molhagem-secagem. De acordo com Mohr et al. (2006)

a reprecipitaçao de CH é um fator dominante na degradação de compósitos

reforçados com polpa vegetal submetidos a ciclos molhagem e secagem. Esses

autores propõem que, pela minimização da quantidade de CH inicialmente

presente, é possível reduzir ou evitar a fragilizarão dos compósitos.

47

6 CONCLUSÃO

Neste trabalho podem-se constatar o quanto às fibras vegetais é importante

no setor da construção civil, promovendo o melhoramento da matriz

cimentícia, ou seja, o tempo de vida maior além do que, promove a

redução dos custos, já que os materiais convencionais são bem mais caros

que as fibras.

Nos estudos realizados por Lopes et al (2010), verificou-se que o

tratamento das fibras a base de acetilação apresentou em todos os níveis

estudados efeito inibidor na hidrofilicidade das fibras. As acetilações em

fibras de curauá apresentaram tendências diferenciadas de acordo com a

temperatura, onde quanto maior a temperatura menor seria a absorção da

acetilação. Embora quando se compara num tempo de uma hora,

praticamente a absorção era constante. No caso dos ensaios mecânicos, as

fibras de curauá tiveram resistência mecânica afetada em todos os níveis

de acetilação aplicados, decrescendo os valores de acordo com o

incremento de tempo e temperatura no processo de acetilação.

Nos estudos feitos por Farias Filho et al (2010) os compósitos produzidos

com a substituição de cimento por adição pozolânica apresentaram, aos 28

dias de idade, módulo de ruptura e tenacidade maiores que a matriz. E

após a realização do ensaio de envelhecimento natural verifica-se que os

compósitos de argamassa com 40% de adição pozolânica apresentaram

tenacidade maior que os compósitos sem envelhecimento, demonstrando

que não houve deterioração da fibra.

48

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