Atualmente, uma enorme variedade de materiais constituintes de matrizes é empregada nos sistemas de FRP. Dessa maneira, fica muito difícil elaborar uma teoria tão abrangente, que generalize seu comportamento em altas temperaturas. Todavia serão discutidas nessa seção algumas informações obtidas de trabalhos experimentais com esses materiais.
Segundo MOHAMED SAAFI (2002), o comportamento da matriz/resina pode variar em função da composição química e das propriedades químicas específicas dos componentes que a constitui, frente à temperatura. As propriedades térmicas e mecânicas da matriz são seriamente alteradas com a elevação de temperatura; temperatura que, em termos de incêndio – padrão, não são muito altas. Ou seja, o reforço de estruturas de concreto com FRP pode ser seriamente danificado já nos primeiros minutos de um incêndio.
KODUR et al. (2005) enfatizam que as principais perdas nas propriedades mecânicas de um elemento estrutural de concreto armado reforçado com FRP; como perda de rigidez e perda do efeito de confinamento do concreto em situação de incêndio, pode conduzir a deformações irreversíveis e levar o elemento ou até mesmo a estrutura ao colapso. A elevação da temperatura tem influência direta na matriz polimérica; alterando parâmetros como: resistência ao cisalhamento, resistência às tensões perpendiculares às fibras, à aderência entre fibra e concreto, dentre outros.
Segundo PAVLÍK et al. (2003) a preocupação com materiais compósitos frente ao fogo é justamente pelo fato de que eles foram desenvolvidos para melhorar as características mecânicas dos elementos a serem reforçados e, se os compósitos perdem essas características, eles se tornam
inúteis para cumprirem para com seu propósito e então o elemento reforçado está seriamente comprometido.
Durante a exposição ao fogo, a falta de oxigênio entre as superfícies aderidas do substrato/compósito fará, inicialmente, que as chamas sejam inibidas no FRP; entretanto, a resina iniciará um processo de “amolecimento”. O período crítico da exposição se dá quando, na superfície da armadura do FRP, ocorrer a temperatura de transição vítrea (Tg), ou seja, a temperatura correspondente à passagem da resina de um estado vítreo para um estado “maleável”, sem ocorrência de uma mudança estrutural.
MOHAMED SAAFI (2002) ressalta que a temperatura de transição vítrea é uma propriedade muito importante dos polímeros. É a temperatura em que as propriedades dos polímeros mostram uma mudança súbita. Materiais cristalinos mostram uma mudança descontínua ao derreter, enquanto os polímeros mudam suas propriedades gradualmente ao atingirem a Tg.
Em geral, a temperatura de transição vítrea é alcançada para temperaturas variando na faixa de 60 a 150 ºC. Nessas circunstâncias, a matriz tornar-se-á borrachosa e viscosa. A evaporação da matriz é de temperaturas na ordem de 350 a 400 ºC, onde se torna suscetível à combustão.
Nessa linha de raciocínio, MOHAMED SAAFI (2002) observa que valores típicos para a temperatura de transição vítrea de alguns termoplásticos são: 100, 105, 150 e 145 ºC para o poliestireno, o polymethylmethacrylate, o policarbonato e o polyetheretherketon, respectivamente. Em uma temperatura mais elevada (temperatura de fluxo, Tf), o polímero torna- se inteiramente líquido. A diminuição das propriedades mecânicas em torno da Tg para materiais termofixos, depende da cadeia polimérica. Estruturas de cadeia muito densa mostram pequenas alterações nas propriedades mecânicas.
temperatura do fluxo. A máxima temperatura admissível para um material termofixo é sua temperatura de decomposição Td na qual o material degrada.
Segundo YU e ZHOU (2009), as relações das propriedades mecânicas dos materiais compósitos frente à temperatura podem ser entendidas conforme esquema da Figura 6.3.
Figura 6.3 – Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas dos materiais compósitos [Adaptado de YU e ZHOU (2009)]
Na Figura 6.3 percebe-se que as propriedades mecânicas permanecem constantes, com os mesmos valores obtidos em temperatura ambiente (Pu), até que o compósito seja aquecido até
uma temperatura crítica (Tcr), acima da qual, as propriedades mecânicas reduzem com o aumento
da temperatura até um valor mínimo (PR). Essa redução é devido ao amolecimento da matriz
polimérica quando ela sofre transição vítrea (Tg). As propriedades mecânicas como módulo de elasticidade, resistências ao cisalhamento e compressão mostram dependências com a temperatura similares ao ilustrado nesta figura.
Ao alcançar a temperatura de transição vítrea, a resina deixa de transferir tensões entre as fibras, comprometendo a aderência com o substrato e, consequentemente o reforço. Os efeitos se
manifestam através de uma contínua fissuração e um aumento de deformações até a ruptura, com a provável degradação, também das fibras.
Ensaios de VAZ et al. (2005) em vigas de concreto armado de dimensões reduzidas e reforçadas com fibras de carbono em temperaturas variáveis, com uma resina constituída de adesivo Epóxi e Tg de aproximadamente 63 ºC mostraram que, quando se aproxima e ultrapassa a temperatura de transição vítrea da resina iniciam-se descolagens do reforço. Com aumento da temperatura, o comportamento das vigas reforçadas com fibras tende a aproximar-se das vigas de concreto armado sem inclusão de reforço.
GAMAGE et al. (2005), avaliando a aderência entre fibras de carbono e resinas epóxi com o substrato do concreto, mostraram que em temperaturas da ordem de 22 ºC a 36 ºC a aderência não é comprometida, já em temperaturas entre 60 ºC e 70 ºC a resistência da aderência é inversamente proporcional ao aumento da temperatura, chegando até mesmo ao desprendimento das fibras em temperaturas superiores a essas. Os resultados são esquematizados na Figura 6.4.
Figura 6.4 – Resistência da Aderência x Temperatura no epóxi [GAMAGE et al. (2005)] Temperatura no Adesivo Epóxi (ºC)
Dados experimentais Relações propostas
Resist
ênc
se T < 45 ºC ρ = 1 (6.1)
se 45 ºC < T < 75 ºC ρ = 2.0436 – 0.0236T (6.2)
se T > 75 ºC ρ = 0.18 (6.3)
onde:
ρ é a Resistência relativa da aderência compósito/epóxi; T é a Temperatura no adesivo epóxi em ºC
Devido as temperaturas de transição vítrea de um polímero à base de epóxi ser relavitamente baixas, FORTES e outros (2005) enfatizam a necessidade de avaliações da real possibilidade do emprego de materiais compósitos como forma de reforços estruturais em temperaturas de países tropicais, como é o caso do Brasil, em que facilmente encontram-se estruturas aparentes, com temperaturas próximas do limite dos materiais epoxídicos.
VAZ et al. (2005) observam que a Tg pode depender das condições de exposição ambiental, nomeadamente quando o polímero absorve umidade. Esta interação com a umidade envolvente pode resultar na diminuição da Tg. Dessa maneira, os autores salientam que é aconselhável que a matriz utilizada no reforço possua uma temperatura de transição vítrea 10 ºC a 20 ºC superior à temperatura máxima prevista no local.