Parente e Pinheiro

ISSN 1809-5860

Cadernos de Engenharia de Estruturas, So Carlos, v. 10, n. 47, p. 75-95, 2008

PLSTICOS RECICLADOS PARA ELEMENTOS ESTRUTURAIS

Ricardo Alves Parente1 & Libnio Miranda Pinheiro2

R e s u m o

Apresenta-se uma reunio da literatura existente, enfocando o estado da arte e os avanos obtidos no emprego do plstico, reciclado ou no, com funo estrutural, na construo civil. So discutidos alguns aspectos pertinentes a um projeto de Engenharia e, posteriormente, apresentados alguns conceitos e consideraes especficos a um projeto de estruturas de material plstico. Ao fim deste trabalho, pode-se concluir que o mercado dos elementos estruturais de plstico reciclado um nicho a ser explorado e, como a pesquisa sobre o tema ainda incipiente, h muito a ser estudado, pesquisado e, posteriormente, desenvolvido. Pode-se afirmar que a baixa rigidez do plstico reciclado frente aos materiais de construo tradicionais a sua maior deficincia. O seu comportamento viscoelstico, dependente do tempo, e a sua sensibilidade variao de temperatura tornam complexo o dimensionamento com esse material, desencorajando o seu emprego pelos projetistas de estruturas. Desde que sejam desenvolvidas formas de se contornar essas deficincias, como a adio de fibras, o emprego de armaduras de protenso nos elementos estruturais e a aplicao de aditivos, o plstico reciclado como elemento estrutural mostra-se no s tecnicamente vivel, tambm bastante promissor. Palavras-chave: plsticos reciclados; propriedades; elementos estruturais; projeto.

1 INTRODUO

difcil imaginar o mundo moderno sem o uso dos plsticos. Desde a

descoberta do primeiro plstico sinttico, no incio do sculo XX, eles vm sendo

aperfeioados e aplicados com sucesso, nas mais diversas atividades do ser humano.

Formados a partir de longas cadeias de macromolculas, ou polmeros, eles

possuem propriedades que os tornam atrativos em relao a outros materiais: so

leves, resilientes (resistem ao impacto sem se deformar definitivamente), indiferentes

deteriorao por decomposio e por ataque de microorganismos, resistentes

corroso, de fcil processamento e de reduzido custo de manuteno.

Segundo Nielsen e Landel (1994), a maioria dos plsticos aplicada em funo

das caractersticas mecnicas e do custo. Por essa razo, as propriedades mecnicas

Ricardo Alves Parente & Libnio Miranda Pinheiro


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so as mais importantes das propriedades fsicas e qumicas consideradas.

Projetar elementos de plstico exige, ao menos, um conhecimento elementar do

comportamento mecnico e de que forma esse comportamento pode variar em funo

de fatores estruturais que podem ser modificados nos polmeros.

No entanto, essa liberdade possibilitada pelos plsticos vista como uma

confusa complexidade (NIELSEN e LANDEL, 1994). necessria uma avaliao dos

diversos aspectos que afetam o comportamento estrutural, bem como a reunio e a

organizao do conhecimento existente e o estado da arte. Dessa maneira, algumas

contribuies deste trabalho so a desmistificao e a divulgao dos elementos

estruturais de termoplsticos reciclados, junto s comunidades tcnica e acadmica.

Nas propriedades mecnicas, a dependncia do tempo e da temperatura

bastante acentuada. Isto se deve natureza viscoelstica, que implica no

comportamento dual de um lquido viscoso e de um slido elstico. Nos sistemas

viscosos, o trabalho dissipado sob a forma de calor, enquanto que nos sistemas

elsticos, acumulado sob a forma de energia potencial (NIELSEN e LANDEL, 1994).

funo do engenheiro de estruturas o estudo dos materiais que constituem a

estrutura a ser projetada, para que haja uma concepo racional e uso otimizado dos

recursos disponveis. Em paralelo, com o avano da cincia dos materiais e com o

empenho do homem em buscar melhorias, novos materiais foram desenvolvidos. Com

essa diversidade, a escolha do material tem se tornado, no projeto, um aspecto crtico

na busca pela soluo estrutural mais adequada.

Este artigo baseado na dissertao de mestrado de Parente (2006), na qual

podem ser encontrados maiores detalhes sobre os assuntos aqui tratados.

2 FUNDAMENTOS TERICOS

Um projeto estrutural exige o conhecimento das propriedades mecnicas para

definir o comportamento e adequar, com mais preciso, tcnicas e mtodos de anlise

e de previso do desempenho do material, sob as aes de projeto.

Os plsticos se comportam de maneira diferente da madeira, do ao e do

concreto. Quando se objetiva viabilizar o plstico como material estrutural,

importante tratar minuciosa e claramente os fundamentos tericos que tratam das

suas propriedades mecnicas e dos seus modelos preditivos.

2.1 Tipos de comportamento

A figura 1 ilustra a diferena do diagrama da deformao ao longo do tempo para

materiais elstico, viscoso e viscoelstico, quando sujeitos a tenso constante. Essa

Plsticos reciclados para elementos estruturais


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tenso aplicada no tempo t 0= e mantida constante em um tempo 1t (figura 1a). Como mostrado na figura 1b, a resposta da deformao de um corpo-de-prova

elstico tem a mesma forma da tenso aplicada. Na aplicao da fora, a deformao

alcana, instantaneamente, certo valor 0 e permanece constante.

Figura 1 - Comparao da deformao para os materiais elstico, viscoso e viscoelstico submetidos a uma tenso constante durante o tempo t1. Fonte: HADDAD, 1995.

Para um fluido viscoso (figura 1c), o material flui a uma taxa constante e a

resposta da deformao proporcional ao tempo.

J para o corpo-de-prova viscoelstico (figura 1d), existe um aumento

relativamente rpido nas deformaes, para pequenos valores de t , imediatamente aps a aplicao da fora. Com o aumento de t , a inclinao da tangente curva diminui e aproxima-se de zero ou de um valor finito, mantida uma tenso constante.

Com a remoo da fora no tempo 1t , as deformaes recuperar-se-o das

maneiras mostradas na figura 1.

O slido perfeitamente elstico recuperar-se- instantaneamente (figura 1b).

Entretanto, com a remoo da fora, o corpo-de-prova viscoelstico recuperar

rapidamente a sua deformao elstica; no entanto, a parte retardada da resposta

necessitar de mais tempo para se recuperar (figura 1d).



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Num estado de tenso constante, a deformao de um material viscoelstico

por fluncia pode ser dividida, com referncia figura 2, em trs componentes

(LETHERSICH, 1950 apud HADDAD, 1995):

Figura 2 - Deformao de um material viscoelstico submetido a uma tenso constante durante

o tempo t1. Fonte: HADDAD, 1995.

(a) Deformao elstica instantnea ( )e 0+ . Essa parcela atribuda s deformaes das ligaes moleculares, incluindo a deformao das ligaes fracas de

Van de Waals entre as cadeias moleculares. Essa deformao reversvel.

(b) Deformao elstica retardada ( )d t . A taxa de crescimento dessa parcela da deformao diminui rapidamente com o tempo. Tambm elstica, mas, depois da

remoo da fora, requer um tempo para uma completa recuperao. , geralmente,

chamada de fluncia primria ou efeito elstico posterior.

(c) Fluidez viscosa ( )v t . Esse um componente irreversvel da deformao, que pode ou no aumentar linearmente com a aplicao das tenses. Num material

polimrico, caracterstico do escorregamento intermolecular. No descarregamento do

corpo-de-prova viscoelstico no tempo 1t , a resposta elstica instantnea ocorre

rapidamente e a resposta elstica retardada manifesta-se gradualmente, mas a fluidez

viscosa permanece (WARD, 1983 apud HADDAD, 1995).

2.2 Propriedades mecnicas Uma particularidade dos plsticos seu carter viscoelstico: suas propriedades

mecnicas agregam caractersticas dos lquidos viscosos e dos slidos elsticos.

Essa natureza explica o seu comportamento complexo dependente do tempo,

da temperatura e da taxa de deformao.

Os fenmenos da fluncia e da relaxao das tenses tambm so verificados



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nos plsticos, como conseqncia da sua natureza viscoelstica. A fluncia a

denominao dada ao aumento das deformaes para um nvel de tenses constante.

O comportamento restaurador dos plsticos, quando descarregado, tem sua

explicao a partir do mesmo princpio da fluncia. Na relaxao, ou seja, admitida

uma deformao constante ao longo do tempo, as tenses necessrias para mant-la

reduzem-se ao longo do tempo (CRAWFORD, 1987).

Conforme ilustra a figura 3, quando se aplica uma fora, ocorre uma primeira

deformao, instantnea, que representa a parcela elstica (intervalo OA). Com a

manuteno das tenses, ocorre o fenmeno da fluncia, que aumenta as

deformaes, representando a parcela viscoelstica (intervalo AB). A restaurao

das deformaes, quando se descarrega o material, ocorre de maneira similar. Tem-

se, inicialmente, uma parcela de restaurao elstica (intervalo BC) e, ao longo do

tempo, a restaurao viscoelstica (intervalo CD).

Figura 3 - Fluncia e recuperao de um material plstico. Fonte: CRAWFORD, 1987.

Assim como para os metais, a fadiga dos plsticos tambm deve ser

considerada. O carregamento cclico pode provocar a degradao do material,

fazendo-o chegar ruptura com foras inferiores de um carregamento esttico. A

fluncia pode tambm levar o material ruptura, como conseqncia das deformaes

excessivas. Esse fenmeno conhecido como fadiga esttica (CRAWFORD, 1987).

As propriedades mecnicas supracitadas, no entanto, podem variar em funo

de vrios fatores, tanto externos como intrnsecos ao material. A tabela 1 sumariza

algumas causas e os efeitos no mdulo de elasticidade e na dutilidade.



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Tabela 1 - Relaes entre a rigidez e a dutilidade. Fonte: CRAWFORD, 1987.

Efeito Causa

Mdulo de Elasticidade Dutilidade

Reduo da temperatura aumenta diminui Aumento da taxa de deformao aumenta diminui Campo multiaxial de tenses aumenta diminui Incorporao de plastificante1 diminui aumenta Incorporao de material emborrachado diminui aumenta Incorporao de fibras de vidro aumenta diminui Incorporao de material particulado aumenta diminui

1- Substncia adicionada ao plstico com a funo de torn-lo mais flexvel.

3 ESTADO DA ARTE

O uso dos materiais polimricos tem se intensificado nas ltimas dcadas,

principalmente devido ao avano da cincia dos materiais, s melhorias agregadas ao

processamento dos plsticos e ao desenvolvimento dos materiais compsitos.

Desde 1988, nos Estados Unidos, pesquisas tm sido desenvolvidas com o

intuito de entender o comportamento do plstico reciclado, para a substituio em

diversas aplicaes na construo civil que, anteriormente, eram exclusivas da

madeira.

O progresso obtido reflete-se nas normas da ASTM, nos mtodos de ensaios

desenvolvidos e nos diversos produtos que surgiram: moures, postes, dormentes de

ferrovias e estruturas de portos, marinas e pontes (LAMPO e NOSKER, 2001).

Krishnaswamy et al. (1997), a pedido do Departamento de Recursos Naturais de

Ohio, nos Estados Unidos, realizaram ensaios em paletes de plstico reciclado (PPR).

No relatrio que descreve desde a concepo da forma do palete, a sua comparao

com outros materiais, a anlise do comportamento mecnico e o estudo de viabilidade

econmica, Krishnaswamy et al. obtm as seguintes concluses:

Os PPRs so uma opo vivel e, dependendo da capacidade de carga requerida no projeto, podem ser dimensionados para casos particulares;

O desempenho dos PPRs em laboratrio e em campo alcana e at excede o de paletes de madeira e de ao galvanizado. A integridade estrutural e as

caractersticas de durabilidade so excelentes;

Apesar de o custo inicial ser maior que o dos outros materiais, o desempenho e a vida til viabilizam os PPRs, tornando-os comercialmente aceitveis.



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Sullivan e Wolfgang (1999) desenvolveram um compsito polimrico a partir de

plstico reciclado, um componente polimrico emborrachado e um de preenchimento

contendo mica.

O material resultante sugerido para diversos usos na construo: dormentes

de ferrovias, meio-fios de estacionamentos e estacas em marinas. Ainda, segundo os

autores, um dos benefcios do uso do plstico a combinao de baixo peso e

adequada resistncia. As propriedades qumicas, eltricas e fsicas podem ser

modificadas de acordo com o critrio de utilizao dos materiais componentes.

Pesquisadores da AMIPP, Centro de Materiais Avanados via Processamento de

Polmeros Imiscveis, da Universidade Rutgers em New Jersey/EUA, tm conseguido

sucesso no desenvolvimento e na aplicao de materiais plsticos em estruturas.

Nosker e Renfree so exemplos da inovao na AMIPP.

Eles desenvolveram uma blenda, composta por 35% de poliestireno, PS, e 65%

de polietileno de alta densidade, PEAD, obtendo um material mais resistente que o

PEAD e mais rgido que o PS. A grande rigidez deve-se densa estrutura molecular,

resultado da interconexo do PS com o PEAD (GUTERMAN, 2003).

A descoberta da blenda, a partir de dois polmeros imiscveis, ocorreu em 1988,

havendo pouco reconhecimento da comunidade cientfica por, aproximadamente, uma

dcada. Em 1996, Nosker e Renfree iniciaram a construo de pequenas pontes, com

o material desenvolvido. Em 1999, construiu-se uma ponte mista, de plstico e ao, no

Missouri (EUA) e, dois anos depois, uma em New York, de plstico e fibra de vidro.

Nosker e Renfree (1999a) desenvolveram um dormente para ferrovias a partir de

um compsito de plstico reciclado. De acordo com esses autores, vrios fatores

limitam o uso dos dormentes tradicionais de madeira: a reduzida vida til, devido

ao de microorganismos e da umidade; a maior rigidez das normas de controle e

preservao, pois grandes reas de florestas so necessrias para suprir o mercado

de dormentes, alm do uso de preservativos qumicos na madeira.

O dimensionamento do dormente com plstico reciclado (DCPR) baseou-se nas

propriedades do tradicional dormente de madeira. Apesar do desempenho

comprovado empiricamente atravs dos tempos, foi considerada a possibilidade de

que as propriedades mecnicas da madeira no fossem otimizadas. Ensaios de flexo

foram realizados com o DCPR e a resistncia ltima e o mdulo de elasticidade foram

28MPa e 2069MPa, respectivamente.

Os DCPRs foram instalados em vrias ferrovias, com resultados satisfatrios,

sem evidncias de fraturas, laminao ou quaisquer outros sinais de degradao.

A empresa Polywood Plastic Lumber, de New Jersey/EUA, est utilizando a



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tecnologia desenvolvida pela AMIPP, na fabricao de dormentes e de outros

elementos estruturais. A figura 5 mostra os dormentes produzidos.

Figura 5 - Dormentes de plstico reciclado produzidos pela Polywood Plastic Lumber.

Alm da Polywood, mais duas empresas esto investindo na fabricao de

dormentes de plstico reciclado: TieTek e U.S. Plastic Lumber, ambas nos EUA.

A produo das trs empresas difere, mas todas partem do polietileno de alta

densidade reciclado, misturado e no lavado, utilizam um sistema de extruso e

realizam uma moldagem sob presso em moldes fechados, com a finalidade de evitar

vazios no interior dos dormentes.

A maioria dos processos utiliza maquinrio pesado e so bastante lentos. Aps o

preenchimento dos moldes, eles so levados para uma banheira de resfriamento e,

posteriormente, so desmoldados hidraulicamente e deixados ao ar livre para o

resfriamento total.

A partir do projeto e da fabricao de dormentes de compsito de plstico

reciclado, Nosker e Renfree (1999b) continuaram a estudar as diversas aplicaes

desse material como substituto da madeira. Compararam-se as propriedades

mecnicas dos elementos estruturais de plstico com as relativas aos de madeira, e

observou-se que o mdulo de elasticidade do plstico ainda bastante deficiente. Isso

evidenciado quando se comparam os mdulos de elasticidade do pinho, cerca de

8.300MPa a 11.000MPa, com o mais alto valor obtido com o plstico, de 2.000MPa.

A soluo encontrada foi a adio de fibras de vidro dispostas de forma

aproximadamente orientada, obtendo melhores resultados: aumento mximo de 68%

na resistncia e de at 176% no mdulo de elasticidade.

Albano e Sanchez (1999) estudaram as propriedades mecnicas e trmicas da

blenda composta por polipropileno (PP) virgem e polietileno de alta densidade (PEAD),



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sendo este ltimo reciclado ou no.

Verificou-se que, para o mdulo de elasticidade, h um pequeno sinergismo

entre os materiais constituintes. Observou-se, com microscpio eletrnico, que a

grande quantidade de molculas interligadas na interface, resultado da adio do

PEAD, somado ao processo de decomposio do PEAD (ruptura e conseqentes

reaes de intertravamento), tornam a blenda mais rgida. Os autores mostraram a

possibilidade do aproveitamento do resduo plstico, desde que fosse verificada a

influncia da proporo dos plsticos constituintes, nas propriedades trmicas e

mecnicas.

Produtos poliolefnicos reciclados com desempenho superior ao dos materiais

virgens correspondentes foram obtidos por Martins et al. (1999). Utilizando as palavras

dos autores: O balano das reaes de reticulao e ciso em cadeias poliolefnicas,

quando expostas a condies ambientais de radicais livres, pode resultar em boas

propriedades e novas aplicaes.

O comportamento mecnico da madeira plstica por eles desenvolvida,

denominada IMAWOOD (constituda basicamente por polietileno), foi melhorado por

efeito da radiao gama. Outro produto desenvolvido, o IMACAR (constitudo de pra-

choques descartados de carros), revelou alta resistncia ao impacto, muito superior

do material virgem de composio correspondente.

Uma explicao para esse comportamento que a exposio de polmeros s

radiaes ionizantes altera a sua estrutura molecular e as suas propriedades. Ocorre a

formao de ligaes cruzadas entre as cadeias, paralelamente ciso entre tomos.

A reticulao provoca um aumento do peso molecular, que geralmente ocasiona

melhoria das propriedades, enquanto que a ciso de cadeias reduz o seu peso, tendo

como resultado a deteriorao das propriedades. Como o polietileno apresenta

reticulao aps a irradiao, pode-se esperar uma melhoria nas suas propriedades

mecnicas (MARTINS et al., 1999).

Aps a irradiao ao ar em intensidade crescente de exposio, o IMAWOOD

apresentou um aumento em torno de 15% na resistncia trao e uma diminuio da

ordem de 80% no alongamento de ruptura.

Houve tambm um aumento crescente no mdulo de elasticidade no ensaio de

compresso, o que indica maior rigidez do plstico reciclado, com o aumento do tempo

de exposio (MARTINS et al., 1999).

Carroll et al. (2001) estudaram as propriedades estruturais dos elementos de

plstico reciclado, com adio de farinha de madeira. Os autores concluram que o

material estruturalmente satisfatrio, mas no se deve simplesmente substituir o

elemento de madeira pelo de plstico, com as mesmas dimenses.



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Eles enfatizam que as estruturas de compsitos plsticos devem ser

projetadas como tal, e no utilizando parmetros e conhecimentos tericos e

empricos, vlidos para outros materiais.

Krishnaswamy et al. (2001a) desenvolveram um compsito polimrico e

projetaram e construram uma ponte sobre o rio Hudson, em New York/EUA. O

comprimento total e a largura da ponte so, respectivamente, 9m e 3,35m.

O projeto consumiu um total de 5.000kg de plstico (polietileno de alta

densidade) reforado com fibra de vidro e 2.500kg de ao para as conexes e os

tirantes utilizados (KRISHNASWAMY, 2001b). A figura 6 mostra a ponte j construda.

O monitoramento da ponte sob a ao das cargas de projeto feito

continuamente, por meio de dez pontos de observao. Utilizando uma referncia fixa,

so medidos os deslocamentos, por meio de uma estao total, com GPS (Sistema de

Posicionamento Global) (KRISHNASWAMY, 2001b).

Figura 6 - Ponte sobre o rio Hudson construda com plstico reforado com fibra de vidro.

Por meio de teste de carga padronizado pela AASHTO (American Association of

State Highway and Transportation Officials), em abril de 2001, a uma temperatura de

13C, o maior deslocamento, medido na parte inferior da ponte, foi de 32,5mm,

denunciando a baixa rigidez do material utilizado, cerca de 20% a 30% da rigidez da

madeira (KRISHNASWAMY, 2001b).

De acordo com Krishnaswamy (2001b), os elementos estruturais de plstico

reciclado reforado com fibras, como os utilizados na ponte, oferecem uma alternativa

economicamente vivel para pequenos vos.

As vantagens so: no um material biodegradvel e no sofre corroso de



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qualquer espcie. Materiais ensaiados aps dez anos de utilizao mostraram um

aumento na rigidez e na resistncia.

Alm de ser um material ambientalmente responsvel, quando se considera o

custo em funo da sua vida til, o sistema construtivo torna-se competitivo.

Em 2002, os pesquisadores da AMIPP, Nosker et al., construram uma ponte

inteiramente de plstico guarda-corpos, vigas e plataforma , com exceo dos

pilares, aproveitados da estrutura de madeira anterior. Com 14m de comprimento e

peso em torno de 14t, estima-se que essa ponte sobre o rio Mullica, em New Jersey,

construda de material reciclado, tenha consumido 250.000 garrafas plsticas e

750.000 copos de caf (DOWNS, 2002; JACOBSON, 2003; SAWYER, 2003;

GUTERMAN, 2003; GALIOTO, 2004). As figuras 7 e 8 ilustram a ponte e sua

construo.

Figura 7 - Detalhes das vigas I utilizadas na construo da ponte sobre o rio Mullica.

Figura 8 - Ponte sobre o rio Mullica construda inteiramente de plstico.



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As vigas I utilizadas possuem uma seo de 41cm x 43cm (16 x 17). A

ponte foi projetada para suportar o peso de caminho de at 18t. Alm do apelo

ecolgico, com a reciclagem dos resduos plsticos, o material constituinte da ponte

resistente ao da gua, corroso e ao ataque por microorganismos.

A pesquisa aplicada ao desenvolvimento de novos materiais pelo grupo de

pesquisadores da AMIPP e o sucesso por eles alcanado retratado pelas patentes

registradas de novos materiais e de novas metodologias de reciclagem de plsticos.

A primeira delas, n 5.298.214 de 29/03/1994 (United States Patent), trata do

processamento de plsticos. Ela discorre sobre o mtodo de obteno de compsitos

de poliestireno (PS) e de outras poliolefinas, a partir de plsticos reciclados.

Em seguida, as patentes n 5.789.477 de 04/08/1998 e n 5.916.932 de

29/06/1999 (United States Patent) registram um material compsito destinado

construo civil, obtido a partir de materiais reciclados. O compsito obtido do

polietileno de alta densidade reciclado e fibras, como, por exemplo, a fibra de vidro.

A patente n 5.951.940 de 14/09/1999 (United States Patent) fornece subsdios

para o processamento adequado dos plsticos reciclados. De acordo com os

inventores, todo o esforo tem sido direcionado no sentido de tornar economicamente

vivel o processo de reciclagem do plstico ps-consumo, sem que haja a

necessidade de uma triagem, ou seja, tornar exeqvel a reciclagem de plsticos

misturados, poliolefinas ou no, juntamente com as impurezas.

A construo com elementos de plstico reciclado uma realidade,

principalmente nos Estados Unidos e, em menor escala, no Canad e na Inglaterra. A

tecnologia desenvolvida nas universidades j ultrapassou a escala experimental de

laboratrio e chegou aos ptios das fbricas, com a produo em grande escala.

Figura 9 - Marina construda com pilares de plstico reciclado desenvolvido na AMIPP.



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Figura 10 - Deque e per com elementos de plstico reciclado (Plastic Lumber Yard/EUA).

As figuras 9 e 10 indicam amostras do que est sendo feito no mundo,

comercialmente, e indicam um cenrio que no deve ser ignorado, a dos elementos

estruturais de material plstico reciclado.

Dentre os tipos de processamento, o mais adequado produo de perfis com

fins estruturais a pultruso. Correia et al. (2005) ensaiaram perfis pultrusados e

verificaram as mudanas ocorridas nas propriedades fsicas, qumicas, mecnicas e

estticas, quando submetidos exposio acelerada de umidade, temperatura e

radiao ultravioleta. O material estudado que compunha os perfis era o polister

reforado com fibra de vidro (GFRP). A partir dos resultados dos ensaios, concluiu-se

que a resistncia e a deformao na ruptura diminuram com a umidade, e este efeito

foi acelerado pelo aumento da temperatura.

Correia et al. (2005) salientaram que a degradao ocorreu devido a um

fenmeno fsico, como a plastificao da matriz polimrica, no havendo uma

degradao qumica passvel de ser considerada. Apesar da reduo dos valores das

propriedades mecnicas, observados nos ensaios de durabilidade, a pesquisa

confirmou que os perfis pultrusados de GFRP apresentaram excelente desempenho

estrutural, indicando durabilidade maior, em comparao com materiais tradicionais.

4 O PROJETO DE ESTRUTURAS DE MATERIAL PLSTICO

A proposio de um novo sistema estrutural ou a substituio parcial de

elementos tradicionais por outros de plstico deve vir seguida do estudo da alterao

que ser necessria na arquitetura, at para definir em quais solues o plstico pode

ser aplicado. Talvez um dos fatores mais importantes a se considerar seja o vo que

pode ser alcanado com essa estrutura. De certa forma, um problema de natureza



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arquitetnica, e que evidencia a dependncia bvia entre estrutura e arquitetura.

Alm de manter a estabilidade da obra, o novo material deve tambm atender s

condies de servio. No caso dos plsticos, talvez o fator mais limitante seja a

temperatura. Nos materiais viscoelsticos, medida que se aumenta a temperatura,

diminui-se o mdulo de elasticidade. Em se tratando de materiais estruturais, a perda

de rigidez torna-se crtica, pois indesejvel que surjam deformaes excessivas,

causa de desconforto aos usurios e at do colapso da estrutura.

O uso de materiais combinados ou compsitos polimricos contorna algumas

deficincias dos plsticos, como a baixa rigidez e a suscetibilidade variao de

temperatura. Esses compsitos, antes aplicados exclusivamente na indstria

aeronutica e aeroespacial, passam a ser cada vez mais utilizados na construo civil,

atendendo aos desafios impostos pela arquitetura cada vez mais arrojada e aos

requisitos de durabilidade e de alto desempenho.

O emprego de reforos um conceito que tem sido extensivamente aplicado

pelos projetistas, e com os materiais plsticos no diferente. Desde o uso pelos

egpcios de fibras naturais como reforo em estruturas de argila, os materiais

compsitos atendem s demandas por solues na rea da construo.

Por exemplo, a combinao de ao e concreto, formando concreto armado, tem

sido a base para inmeros sistemas estruturais adotados desde o incio do sculo XX.

Os projetistas, contudo, continuam a utilizar novos materiais, com o intuito de tornar as

estruturas mais resistentes, maiores, mais durveis, energeticamente eficientes e

esteticamente agradveis (LOPEZ-ANIDO e NAIK, 2000).

4.1 Propriedades do plstico

Para uma correta concepo da estrutura, visando o aproveitamento das

vantagens do material plstico, certas propriedades devem ser observadas, a

depender do fim a que se destina a estrutura, pois devem ser levadas em

considerao as peculiaridades desse material, cujo comportamento bastante

diferente dos relativos aos metais, madeira e ao concreto.

As propriedades mais relevantes em um projeto estrutural so:

Resistncia trao, compresso e flexo; Mdulo de Elasticidade (para diversas temperaturas); Coeficiente de Poisson; Resistncia ao impacto e fadiga; Fluncia; Relaxao;



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Absoro de gua; Temperatura de transio vtrea - gT ; Coeficiente de expanso trmica.

O projetista que deseja dimensionar elementos estruturais deve fazer, durante o

desenvolvimento do projeto estrutural, as seguintes perguntas:

Qual o nvel de tenses a que o material ser submetido? Qual a solicitao predominante (trao, compresso, flexo, toro)? Qual a vida til esperada para a estrutura? Ser a estrutura submetida ao impacto? Ser a estrutura submetida a um carregamento cclico (fadiga)? Qual a deformao admissvel para a estrutura em questo? Qual a mxima temperatura a que o plstico ser submetido? Ser o plstico exposto umidade e a substncias qumicas?

4.2 Limitaes de uma estrutura de material plstico

A seguir so mostradas algumas das principais limitaes do uso do material

plstico em elementos estruturais.

a) Inflamabilidade e influncia da temperatura Para que o material plstico possa ser utilizado com segurana em edificaes,

podem-se utilizar normas especficas que prevejam o cuidado com a inflamabilidade

das estruturas.

A adio de produtos qumicos retardantes de chama, durante a manufatura dos

plsticos, uma forma de se evitar o perigo de incndio em estruturas com elementos

de material plstico.

O dimensionamento de uma estrutura de plstico, em funo de sua baixa

rigidez, dever ser regido pelo estado limite de servio, sendo a deformao o fator

limitante de projeto.

A perda da rigidez dos plsticos com a diminuio de seu mdulo de

elasticidade, medida que se aumenta a temperatura, deve ser considerada em

projeto.

Por exemplo, um plstico como o poliestireno possui quatro estgios de

deformao com o aumento da temperatura, como mostra a figura 11. O impacto da

variao de temperatura sobre os plsticos , talvez, o maior entrave sua aplicao

em estruturas, apesar de fibras reduzirem bastante essa influncia.



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Figura 11 - Mdulo de elasticidade E versus temperatura. Fonte: PRINGLE e BAKER, 2000.

b) Estabilidade aos raios ultravioletas (UV) Ao ser aplicado em elementos estruturais que, porventura, estaro expostos ao

sol, deve-se observar a resistncia dos plsticos aos efeitos dessa exposio. Isso

porque a radiao ultravioleta pode tornar o plstico, antes durvel e resistente, num

material que se quebra ou se rompe sob uma fora aplicada, e este um processo

irreversvel (PRINGLE e BAKER, 2000).

Como a deteriorao em funo dos raios UV bastante lenta, so realizados

ensaios utilizando luz artificial para acelerar o processo, para se medir essa

estabilidade. Existem, no entanto, produtos qumicos chamados de estabilizantes que

retardam o efeito da radiao, minimizando bastante os efeitos malficos que podem

vir a surgir.

Os plsticos reciclados podem conter estabilizantes UV, mas no possvel ter

essa certeza, a no ser que sejam realizados ensaios que possam detectar essas

substncias, o que no prtico. De qualquer forma, raramente possvel determinar

a quantidade de estabilizante utilizado e a degradao que o plstico j sofreu. Por

isso, em algumas aplicaes, para se garantir maior vida til, utiliza-se uma proporo

de material virgem com o material reciclado (PRINGLE e BAKER, 2000).

Lynch et al. (2001) verificaram quais foram as mudanas nas propriedades

mecnicas de elementos estruturais de material plstico reciclado, mais precisamente

polietileno de alta densidade (PEAD), expostos ao sol e s intempries por 11 anos.

Os resultados, contudo, mostram um prognstico positivo para a utilizao de plstico

reciclado, ao menos para o tipo de plstico estudado, o PEAD.

Houve um clareamento superficial em funo da radiao UV no lado que estava



91

exposto ao sol. A radiao ainda provocou uma minscula degradao da superfcie

do PEAD, da ordem de 0,075mm/ano. No entanto, o clareamento e a minscula

degradao superficial no afetaram as propriedades mecnicas do material.

A figura 12 permite comparar os lados do elemento estrutural, sendo o de cima o

exposto ao sol, e o de baixo o que no foi submetido a essa exposio. A figura 13

mostra a estrutura da passarela, da qual foi retirado o material para os ensaios.

Figura 12 - Clareamento do PEAD como resultado da radiao UV. Fonte: LYNCH et al., 2001.

Figura 13 - Passarela de onde foi retirado o material para ensaio. Fonte: LYNCH et al., 2001.

Lynch et al. (2001) concluram, aps verificar um aumento de 3% no mdulo de

elasticidade e na resistncia flexo, que as mudanas climticas ao longo dos 11

anos aumentaram o grau de cristalizao do plstico, e que essa reduo das regies

amorfas contriburam para o aumento da rigidez e da resistncia do PEAD reciclado.

c) Resistncia aos solventes Em algumas aplicaes, deve-se verificar se o plstico ser exposto a solventes,

como, por exemplo, o contato com combustveis ou outros derivados do petrleo, haja

vista que isso pode comprometer a sua integridade.



92

O mesmo cuidado deve ser dedicado aos plsticos reciclados e, caso

necessrio, o material deve ser processado de forma a melhorar sua resistncia frente

aos solventes (PRINGLE e BAKER, 2000).

5 CONCLUSES

Ao se introduzir um material estrutural alternativo como o plstico reciclado,

desmistifica-se para a comunidade cientfica e para a sociedade o seu potencial e as

suas vantagens que, dentre as vrias, podem-se citar: o forte apelo ecolgico, o baixo

peso especfico, a indiferena deteriorao por decomposio e por ataque de

microorganismos, a alta resistncia corroso, o fcil processamento e o reduzido

custo de manuteno.

A abundncia de material plstico reciclado a baixo custo uma alternativa a ser

explorada em estruturas, e no deve mais ser desconsiderada.

A pesquisa sobre o tema no Brasil incipiente e a escassez de uma bibliografia

nacional evidencia esse atraso. No entanto, em pases como Estados Unidos, Japo e

Canad, os avanos na rea so notveis, tornando possvel a construo de pontes,

passarelas, deques, ferrovias e marinas com elementos estruturais de plstico,

reciclado ou no.

Com base no que foi abordado neste artigo, pode-se fazer observaes

indicadas nos pargrafos seguintes.

Os materiais plsticos possuem uma baixa rigidez quando comparados com os

materiais de construo tradicionais, como a madeira, o ao e o concreto.

A adio de fibras aumenta substancialmente o mdulo de elasticidade. Alm

disso, a adio de fibras pode ser empregada tambm para atenuar os fenmenos

dependentes do tempo, como a fluncia e a relaxao.

A baixa rigidez tambm pode ser compensada com o emprego de armaduras

protendidas ou com o desenvolvimento de geometrias timas, aproveitando a alta

relao resistncia/densidade desses materiais.

Uma das principais vantagens dos plsticos, quando comparados aos materiais

tradicionais, a sua possibilidade de ser moldado nas mais diversas formas, no

exigindo soldas ou outros processos de conformao, para a obteno do produto

final. Enquanto um perfil metlico possui diversas etapas para a sua manufatura, um

perfil de material plstico pode ser confeccionado numa nica etapa.

A relao resistncia/densidade para os materiais plsticos, principalmente os

compsitos polimricos, superior dos materiais tradicionais. Esse peso reduzido



93

permite um melhor aproveitamento da capacidade estrutural do elemento e a

adoo de um sistema estrutural mais eficiente.

As caractersticas de um plstico podem ser desenvolvidas a partir das

necessidades de projeto, sendo esta possibilidade uma diferena bsica perante os

materiais tradicionais, que normalmente requerem que os projetos sejam adequados

s propriedades mecnicas disponveis comercialmente.

Os termoplsticos possuem o comportamento dependente da temperatura e da

taxa de deformao. A temperatura pode ser considerada um fator limitante.

Nos materiais viscoelsticos, medida que se aumenta a temperatura, diminui o

seu mdulo de elasticidade. Em se tratando de materiais estruturais, a perda de

rigidez torna-se crtica, pois indesejvel o surgimento de deformaes excessivas,

causando desconforto aos usurios e at mesmo o colapso da estrutura.

Antes de se projetar uma estrutura de plstico, deve-se observar com que

intensidade os elementos estruturais estaro expostos ao calor, fazendo-se o

dimensionamento para a pior condio possvel, ou seja, a maior temperatura.

A inflamabilidade dos plsticos deve ser considerada. Para que o material

plstico possa ser utilizado com segurana em edificaes, devem ser utilizadas

normas que prevejam o cuidado com a inflamabilidade dessas estruturas e, at

mesmo, o emprego de instalaes especiais de combate ao incndio.

A adio de produtos qumicos retardantes de chama uma forma de se atenuar

o perigo de incndio em estruturas com elementos de material plstico.

Outra soluo a utilizao de uma camada protetora, de material isolante.

6 AGRADECIMENTOS

CAPES, pela bolsa de mestrado.

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