Em princípio, os compósitos podem ser construídos a partir da combinação de dois ou mais materiais, sejam eles metálicos, orgânicos ou inorgânicos. Embora as combinações possíveis sejam virtualmente ilimitadas, as formas dos componentes são mais restritas. As formas de componentes mais usadas são fibras, partículas, lâminas, flocos, fillers e matrizes. A matriz é o corpo do compósito; serve para unir os macro-componentes e dar forma ao compósito. As fibras, partículas, lâminas, flocos e fillers são os componentes estruturais e determinam a estrutura interna do compósito.
O comportamento e as propriedades dos materiais compósitos dependem da natureza, da forma, arranjo estrutural e da interação entre os componentes [ACI, 1996].
Naturalmente, as propriedades e características intrínsecas de cada componente determinam grandemente as propriedades gerais do compósito. Entretanto, a interação entre os componentes resultará em um novo grupo de propriedades, derivadas da combinação das propriedades individuais de cada componente. A distribuição e a quantidade relativa de cada componente são fatores importantes que contribuem para o desempenho do compósito.
Estas inúmeras variáveis é que dão aos materiais compósitos muito da sua versatilidade.
Dentre todos os tipos de compósitos, os polímeros reforçados com fibras ou fibre reinforced polymers FRP, têm atraído a atenção de muitos pesquisadores envolvidos com aplicações da engenharia estrutural. A resistência e a rigidez dos compósitos de FRP depende, basicamente, do tipo de fibra, da matriz polimérica e da interface entre estas duas.
Cada um destes componentes deve apresentar um conjunto de características que permita um desempenho satisfatório do compósito [Hollaway, 1993].
2.3.1 Matriz
A matriz dos compósitos reforçados com fibras apresenta variadas funções. Em princípio ela é responsável pela união das fibras que compõem o compósito, atuando como o meio através do qual as solicitações externas são transmitidas e distribuídas para as fibras [Hollaway, 1993; Callister Jr., 1997]. Apenas uma parcela muito pequena desta solicitação é absorvida pela matriz.
A matriz polimérica tem, também, como função, atuar na proteção das fibras, formando uma camada entre as fibras e o ambiente, protegendo-as contra a abrasão, umidade, oxidação e agentes agressivos, de natureza química e biológica. As propriedades químicas, térmicas e elétricas dos compósitos são afetadas pela escolha da resina que irá compor a matriz polimérica. Além disso, a matriz polimérica é responsável por manter as fibras posicionadas corretamente.
Quando uma carga é aplicada em um compósito, constituído por uma matriz de baixo módulo de elasticidade, reforçada com fibras de alta resistência e módulo, a matriz polimérica, sob tensão, transfere a carga para as fibras [Illston, 1994]. Isto resulta em um material de alta resistência e alto módulo, o que determina a rigidez e a resistência do compósito [ACI, 1996; Hollaway, 1993]. De acordo com Hollaway (1993), a matriz polimérica deve:
(i) Unir as fibras e proteger suas superfícies durante o manuseio, fabricação e ao longo de toda sua vida útil;
(ii) Dispersar e separar, ordenadamente, as fibras com o objetivo de evitar a propagação de fissuras e conseqüente ruptura do compósito;
(iii) Transferir integralmente as tensões para as fibras por atrito ou adesão;
(iv) Ser química e termicamente compatível com a fibra.
Atualmente, existe uma grande variedade de matrizes disponíveis para a fabricação de compósitos de FRP. As matrizes poliméricas podem ser originadas a partir de resinas termorrígidas e termoplásticas. No âmbito dos reforços estruturais, as resinas termorrígidas representam a matriz ideal para a confecção dos compósitos de FRP, porque proporcionam, dentre outras propriedades, boa estabilidade térmica, boa resistência química e baixa fluência [ACI, 1996].
Polímero termorrígido é aquele que, quando curado, pela ação do calor ou tratamento químico, transforma-se em um produto substancialmente infusível e insolúvel, com uma estrutura molecular tridimensional complexa. Por outro lado, polímero termoplástico é aquele que, em função da natureza de suas cadeias moleculares, pode ser fundido e reciclado.
Dentre as resinas termorrígidas mais utilizadas em compósitos para o reforço estrutural, estão o poliéster, éster-vinílico, uretano metacrilato, fenol e epóxi [Hollaway & Leeming, 1999].
Algumas propriedades mecânicas importantes na caracterização de matrizes poliméricas dos compósitos são apresentadas na tabela 2-1.
TABELA 2-1 Propriedades mecânicas de algumas resinas [Nanni et al, 1993]
Resinas Propriedade
Poliéster Éster-vinílico Epóxi
Resistência à tração [MPa] 20 – 100 79 – 90 55 – 130
Módulo de elasticidade [GPa] 2,1 – 4,1 3,0 – 3,3 2,5 – 4,1
Deformação na ruptura [%] 1 – 6 3,9 – 5,2 1 – 9
Resistência à flexão [MPa] 125 110 – 149 131
Peso específico [kN/m3] 9,8 – 14,2 10,9 – 12,9 10,8 – 12,7
As resinas epóxi representam uma importante classe dos polímeros termorrígidos e têm sido comercializadas desde a década de 40. Podem ser formuladas em uma grande variedade de formas com o intuito de fornecer um amplo espectro de características e propriedades mecânicas [Hollaway, 1999]. Além disso, apresentam excelente aderência a diversos tipos de fibra e substratos; são resistentes a ações químicas e apresentam baixa retração durante o processo de cura [ACI, 1996; Juvandes et al, 1996].
As resinas epóxi empregadas em aplicações da engenharia estrutural geralmente são formulações do tipo bi-componente, ou seja, compostas por um agente principal (a própria resina) e um catalisador (endurecedor) [fib, 2000].
2.3.2 Fibras
As fibras podem ser definidas como um material filamentar, cuja razão entre comprimento e diâmetro seja no mínimo igual a 100. Embora não haja restrições quanto a um diâmetro mínimo, o máximo diâmetro não deve ser superior a 0,25 mm [Jones, 1975;
ASTM, 1996].
Diversas fibras podem ser utilizadas, incluindo-se as de vidro, carbono e boro, além das fibras produzidas a partir de polímeros sintéticos. Construir fibras envolve alinhar as
moléculas do material. A alta resistência à tração está associada à melhoria da atração intermolecular resultante deste alinhamento [Schwartz, 1984]. Fibras poliméricas são fabricadas a partir de polímeros cuja geometria e composição química são basicamente cristalinas e cujas forças intermoleculares são fortes. A mais importante propriedade das fibras é seu módulo de elasticidade. Hollaway (1993) aponta as principais características das fibras utilizadas na fabricação de compósitos:
(i) Apresentar elevada resistência e módulo de elasticidade para seu melhor aproveitamento;
(ii) Reduzida variação de resistência entre fibras individuais;
(iii) Estabilidade e capacidade de manter suas propriedades ao longo do processo de fabricação e manuseio;
(iv) Uniformidade de seus diâmetros e superfícies.
As principais fibras, utilizadas comercialmente em aplicações da engenharia civil, incluindo-se também os concretos reforçados com fibras, são as de vidro (Glass), carbono (Carbon) e aramida (ARomatic polyAMID).
2.3.2.1 Fibras de vidro
As fibras de vidro são largamente utilizadas para aplicações em engenharia civil, principalmente pela excelente relação custo de produção/propriedades mecânicas [ACI, 1996]. De um modo geral, as fibras de vidro podem ser divididas em dois grupos. O primeiro com módulo de elasticidade de cerca de 70 GPa e resistência variando entre 1000 e 2000 MPa, como por exemplo as fibras do tipo E, A, C e E-CR. O segundo grupo apresenta módulo de elasticidade de cerca de 85 GPa, com resistência à tração variando entre 2000 e 3000 MPa, como por exemplo as fibras do tipo R, S e AR [Hollaway & Leeming, 1999]. As fibras de vidro do tipo R e S, caracterizam-se pela alta resistência e são largamente empregadas na indústria aeroespacial, porém, devido ao elevado custo de produção não são atraentes em aplicações na engenharia civil [Kendall, 1997]. Estas fibras e suas principais aplicações são apresentadas no quadro 2-1.
QUADRO 2-1 Tipos de fibra de vidro e suas principais aplicações Tipo de fibra Principal aplicação
E aplicações usuais, baixo conteúdo de álcalis(< 1%) A elevado conteúdo de álcalis (10-15%)
C excelente resistência à corrosão, utilizado para acabamento de superfícies
E-CR livre de boro, boa resistência à corrosão por ácidos R, S excelentes propriedades mecânicas, utilizados para
aplicações de alto desempenho
AR resistente à ação de álcalis, empregado em concretos reforçados com fibras
2.3.2.2 Fibras de aramida
A mais popular das fibras orgânicas, a aramida, foi comercialmente introduzida pela DuPont no ano de 1965, sendo, no início da década de 70, aplicada na fabricação do Kevlar™, compósito utilizado na confecção, entre outros, de coletes à prova de balas [Juvandes et al, 1996].
As fibras de aramida apresentam resistências da ordem de 3000 MPa e módulo de elasticidade variando entre 60 GPa e 120 GPa. As fibras de aramida são resistentes ao fogo e apresentam excelente desempenho sob elevadas temperaturas [Hollaway & Leeming, 1999].
A maior virtude das fibras de aramida é sua tenacidade, o que contribui para o seu excelente desempenho em situações de impacto de veículos e cargas.
2.3.2.3 Fibras de carbono
A fibra de carbono é um material altamente promissor, baseado na força das ligações carbono-carbono e na leveza do átomo de carbono [Taylor, 1994]. Conforme Schwartz (1984), as fibras de carbono são caracterizadas por uma combinação de baixo peso, alta resistência e grande rigidez. O seu alto módulo de elasticidade e, de certo modo, alta resistência, dependem do grau de orientação das fibras, ou seja, do paralelismo entre os eixos das fibras.
Ainda segundo Schwartz, todas as fibras de carbono são fabricadas através da pirólise de fibras orgânicas em uma atmosfera inerte. A temperatura de pirólise pode variar entre 1000o e 3000o C. Temperaturas de processo mais altas geralmente conduzem a fibras com maior módulo de elasticidade. Apenas três matérias-primas alcançaram importância na produção comercial de fibras de carbono. São elas: rayon, poliacrilonitrila (PAN) e piche.
A primeira geração de fibras de carbono, com alta resistência e alto módulo, foram fabricadas a partir do rayon. Sua fabricação consiste em esticar as fibras em várias vezes o seu comprimento original sob temperaturas acima de 2800o C. O alto custo deste processo e a incerteza quanto à fácil obtenção de matéria-prima, o rayon, tornou este tipo de fibra inviável.
A segunda geração de fibras de carbono é fabricada a partir de fibras sintéticas de poliacrilonitrila e alcançou o domínio do mercado através da combinação de baixo custo de produção e boas propriedades físicas. Ao mesmo tempo em que são transformadas em fios, as fibras são esticadas para que as cadeias moleculares se alinhem paralelamente ao eixo das fibras. A PAN é então aquecida até 250o C em um ambiente de oxigênio onde absorve energia e ganha em resistência. A carbonização da fibra começa quando o polímero, sem tensão, é aquecido em uma atmosfera inerte. Quanto maior a energia de aquecimento fornecida ao filamento de carbono, mais alta será a sua rigidez.
A terceira geração de fibras de carbono é baseada no piche como matéria-prima. O piche é uma mistura isotrópica de grandes compostos aromáticos. As fibras de piche têm pouca ou nenhuma orientação preferencial e, portanto, baixa resistência e módulo. O piche é uma matéria-prima muito barata quando comparada com o rayon e a PAN. Fibras de carbono com alta resistência e módulo são obtidas a partir de piche que tenha sido primeiramente convertido em cristal líquido. Detalhes das propriedades mecânicas de uma variedade de fibras são apresentadas na tabela 2-2 e ilustradas graficamente na figura 2-1.