Durabilidade dos compósitos com fibras vegetais

Apesar de possuir um grande potencial, a utilização de fibras vegetais como reforço de matrizes frágeis de cimento Portland apresenta uma limitação no que diz respeito à reduzida vida útil desses compósitos. A durabilidade de um material pode ser definida como a capacidade de preservar as suas principais características, sob determinadas condições de exposição e a longo prazo (CORRADINI, 2014; QUININO, 2015).

Compósitos cimentícios reforçados com fibras vegetais apresentam baixa durabilidade devido à diversos mecanismos de degradação que ocorrem nas fibras inseridas nas matrizes de cimento, devido a sua alcalinidade e composição rica em minerais. Dentre estes mecanismos os de maior impacto são o ataque alcalino da matriz e a mineralização das fibras (WEI, MEYER, 2015).

No ataque alcalino, como apontado por Silva et al. (2015), os produtos gerados na fase de hidratação do cimento, como o hidróxido de cálcio e silicatos/aluminatos de cálcio hidratados, formam um ambiente alcalino na matriz (pH em torno de 12) que pode afetar os constituintes das fibras vegetais resultando na sua degradação.

Essa degradação ocorre pela destruição das cadeias de macromoléculas durante a hidrólise alcalina da celulose e a dissolução da lignina e da hemicelulose, que acarreta na

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diminuição do grau de polimerização e consequentemente na redução da sua resistência. Esse mecanismo de degradação ocorre pela movimentação fácil da água dos poros pela superfície das fibras (WEI, 2014; SANTOS et al. 2015).

No processo de mineralização ocorre a migração dos produtos da hidratação do cimento, como o hidróxido de cálcio, também chamado de Portlandita, para a cavidade central, parede e vazios das fibras, que cristalizam. Este processo leva a uma ruptura da fibra sem alongamento reduzindo as propriedades mecânicas dos compósitos cimentícios, além de afetar a interação entre a fibra e a matriz (MELO FILHO, SILVA, TOLEDO FILHO, 2013; SILVA et al., 2015).

A exposição ao clima também provoca severa degradação nos compósitos devido aos danos interfaciais provocados pelas contínuas mudanças de volume das fibras que são porosas e hidrofílicas. Este processo causa a redução da interface fibra-matriz fazendo com que sua aderência seja reduzida perdendo assim a capacidade de transferir tensões (FIDELIS, 2014; SANTOS, 2015).

Melo Filho, Silva e Toledo Filho (2013), afirmam que os compósitos sofrem o processo de envelhecimento quando submetidos a ambientes úmidos, acarretando na redução da sua resistência e tenacidade. A produção de compósitos cimentícios de baixo custo utilizando fibras vegetais é possível, mas para isso, é preciso solucionar os problemas relacionados com a compatibilidade do cimento Portland e a baixa durabilidade da fibra incorporada na matriz cimentícia (MARQUES et al., 2016).

A durabilidade de argamassas reforçadas com fibras vegetais pode ser determinada principalmente pelas propriedades mecânicas do material. Isso pode ser justificado uma vez que a resistência dos compósitos é influenciada por diversos fatores, dentre eles a resistência da matriz, a resistência da fibra isoladamente e a ligação interfacial da fibra com a matriz (WEI, 2014).

Wei, Ma e Thomas (2016), verificaram mecanismos para identificar a degradação dos compósitos reforçados com fibras naturais. A durabilidade pode ser avaliada por meio das propriedades de flexão em vigas após o envelhecimento do compósito, onde-se é possível obter a resistência e a tenacidade do material pós fissuração. A tenacidade consiste na quantidade de energia absorvida após a fissura inicial, que é calculada como a área sob a curva carga-deslocamento. Está diretamente relacionada a eficiência da fibra na matriz, uma vez que as fibras são responsáveis por evitar uma fissura em grande escala no material substituindo-a por múltiplas fissuras menores que consequentemente consomem mais energia.

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Ainda segundo os autores, pode-se verificar a durabilidade dos compósitos por meio das propriedades das fibras. A resistência à tração uniaxial das fibras incorporadas medida no ensaio de pull-out é sensível ao processo de envelhecimento do material. As variações nestas propriedades interferem na ligação fibra-matriz reduzindo a eficiência da fibra inserida no compósito e são um indicativo de degradação deste material.

Análises térmicas nas fibras podem revelar outro indicativo da sua degradação, a redução de resistência das fibras após o envelhecimento do compósito pode ser justificada pela degradação da celulose e hemicelulose que podem ser quantificadas por meio das análises termogravimétricas e termogravimétricas derivadas (TGA e DTG, respectivamente). A quantidade de celulose presente na fibra é diretamente proporcional à resistência à tração da mesma.

Outra forma de se analisar o grau de degradação das fibras presentes nos compósitos cimentícios é por meio de análises de difratometria de raios-x (DRX), esta é utilizada para estudar os materiais a nível atômico, identificando sua estrutura cristalina. Um feixe de raios-x é incidido sobre a amostra e interagem com os átomos dos cristais que compõem o material, ocorrendo o fenômeno da difração (SANTOS, 2016b). Com o DRX é possível identificar o índice de cristalinidade da fibra, e a sua variação após o envelhecimento do compósito, que esta diretamente relacionado com sua resistência mecânica.

Entretanto, Savastano Júnior (2000), descreve a dificuldade de se avaliar a degradação diretamente por meio da fibra, uma vez que o processo de extração da fibra do compósito pode comprometer suas propriedades mecânicas, além de que, a fibra extraída apresenta sua superfície coberta por produtos da hidratação do cimento, sendo necessária uma técnica para a dissolução destes produtos que não altere a composição química do material. Ele afirma que um meio viável para avaliar esta degradação é por meio da análise em microscópio eletrônico de varredura.

A utilização da técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) nos permite realizar uma análise visual dos indicativos de degradação das fibras. O microscópio funciona por meio da incidência de feixes de elétrons que varrem a superfície da amostra estudada, os feixes de elétrons refletivos, são captados por um detector e exibidos, na mesma taxa de varredura, sobre um tubo de raios catódicos que os traduz na forma de imagem ampliada, tridimensional e de alta resolução (CALLISTER, RETHWISCH, 2016). A análise da microestrutura das fibras permite identificar a morfologia das fibras in natura, avaliar a interação física da fibra e da matriz e visualizar modificações morfológicas nas fibras após sua inserção em matrizes cimentícias que indiquem sua degradação.

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