Na construção civil, produtos de seção fina reforçados com fibras são conhecidos desde o século XVIII, quando Ludwing Hatschek1 desenvolveu o método para a produção de placas de cimento com fibras de amianto, que se tornou, com o aperfeiçoamento do processo, o principal produto utilizado na construção civil sob a forma de telhas, caixas d’água, painéis e divisórias (MELO FILHO, 2005).
Essa utilização ocorreu em função do material apresentar características importantes para o mercado produtivo, tais como (PYE, 1979):
Resistência a ação do calor e do fogo, chegando a suportar temperaturas em torno de 600ºC;
Resistência ao ataque químico e biológico;
Resistência ao ataque químico do cimento durante o seu período de hidratação; Baixo custo quando comparado a outros tipos de fibras.
Apesar de todas as características positivas apresentadas, o amianto passou a ser substituído por materiais alternativos a partir de 1980, devido a relatos de trabalhadores que em período longo de exposição às fibras amianto apresentaram casos de doenças no pulmão, conhecida como asbestose (STUDINKAT, 1989; IKAI et al. 2010).
Em 1989, Tezuka apresentou uma tabela com o diâmetro e a resistência a álcalis de algumas fibras quando incorporadas às matrizes cimentícias, conforme tabela 4.
Tabela 4 - Diâmetro e resistência aos álcalis das fibras
Tipo Diâmetro (µm) Resistência aos álcalis
Amianto 0,02 a 20 Boa
Aço 5 a 500 Boa
Vidro E* 9 a 15 Pobre
Vidro AR** 10 a 20 Razoável
Carbono 8 Boa
Polipropileno fibrilado 4 a 30 Boa
Coco 100 a 400 Pobre
Sisal 7 a 47 Pobre
Juta 20 a 100 Pobre
Fonte: adaptado Tezuka, 1989.
Vidro E*: Fibras de vidro compostas por vidros borossilicatos, ou seja, vidros com presença de trióxido de boro. São vidros comumente utilizados, porém menos resistentes aos álcalis do cimento (LARNER, et al., 1976).
Vidro AR**: Fibras de vidro com presença de dióxido de zircônia em sua composição, são chamadas de fibras de vidro álcali-resistentes, ou seja, resistentes aos álcalis do cimento (LARNER, et al., 1976).
Na tabela 4 apresentada, é possível verificar que poucas fibras são resistentes aos álcalis do cimento. Lima (2004) e Fontenelle (2012), afirmaram que a boa estabilidade química e a aderência fibra-matriz são os principais fatores que dificultam a substituição das fibras de amianto no mercado.
Com isso, muitos tipos de fibras foram estudadas, porém poucas conseguiram exibir performance satisfatória ao ser comparada com a atuação da fibra de amianto em matriz cimentícia (JAMSHIDI et al., 2011).
Influência das fibras em matriz cimentícia
O concreto e a argamassa convencionais são materiais considerados frágeis que se apresentam sempre susceptíveis às concentrações de tensões com o surgimento de fissuras e, quando a tensão aplicada supera a resistência da matriz, ocorre a ruptura (FIGUEIREDO, 2000).
Visando reduzir a fragilidade na ruptura, aumentar a durabilidade e conferir propriedades mecânicas relacionadas à capacidade de deformação e absorção de
energia, é realizado o reforço com fibras (FIGUEIREDO, 2000; PERUZZI, 2002; PERUZZI, 2007).
Bentur e Mindess (2007) afirmaram que o reforço com fibras controla a quebra da matriz, servindo como “ponte” entre as fissuras e redistribuindo os esforços. Os mesmos autores comentam que devido a esse mecanismo, a velocidade de propagação das fissuras é reduzida, conferindo certa ductilidade e resistência à matriz. Observa-se também a necessidade da aderência entre a fibra e a matriz para que o grampeamento ocorra efetivamente. Na figura 3 é apresentado o “grampeamento” realizado pelas fibras.
Fonte: PERUZZI, 2007.
Segundo Lima (2004) e Araújo (2005) a alta aderência entre a fibra e a matriz reduz o tamanho das fissuras, ou seja, ao invés de ocorrer a abertura de uma macrofissura, ocorrerá o aparecimento de microfissuras distribuídas pela matriz. Esse mecanismo é ilustrado na figura 4, em que a figura 4(a) apresenta um esquema de uma macrofissura em corpo sem fibras e a figura 4(b) apresenta um esquema de microfissuras em corpo com fibras.
Fonte: adaptado PERUZZI, 2007.
Lima (2004) e Bentur e Mindess (2007) afirmaram que para haver eficiência da aderência fibra–matriz, é necessário que sejam analisadas as características da matriz cimentícia (composição, propriedades físicas e mecânicas) e das fibras. Quanto às características das fibras, é importante analisar (FIGUEIREDO,2000; ARAÚJO, 2005; GARCEZ, 2005; BENTUR e MINDESS, 2007; e LAMEIRAS,2007):
Tipo de fibra: muitas fibras vegetais tem a capacidade de reter água podendo comprometer a trabalhabilidade e a aderência fibra-matriz, devido a variação de volume;
Volume: um elevado teor de fibras irá conferir maior resistência pós-fissuração e menor dimensão das fissuras, desde que a fibra possua capacidade para absorver as cargas exercidas na matriz;
Estabilidade química: a fibra, quando não compatível quimicamente com a matriz à base de cimento Portland, sofre degradação durante a etapa de hidratação do cimento;
Orientação e tamanho das fibras: os reforços são usualmente realizados com fibras curtas e dispersas na matriz (orientação aleatória). As fibras curtas agem diretamente nas microfissuras dificultando o aparecimento de fissuras com grandes dimensões e devem ser distribuídas aleatoriamente, pois, se a tensão for aplicada de forma multidirecional existirá fibra distribuída na matriz para realizar o reforço.
Figura 4 - Representação esquemática do comportamento do concreto/argamassa com adição de fibras
a) Corpo sem fibras.
Devido a necessidade de atender a todas essas características para realização do reforço em matriz cimentícia, Borges (2007) e Evangelista (2011) mencionaram que uma variedade de fibras é estudada para este fim, tais como: fibras de metal (de aço carbono e aço inox), fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de polímero (como o polipropileno) e fibras vegetais (sisal, juta, coco, bambu, banana e madeira, dentre outras).
Estudos realizados com fibras
Na pesquisa realizada constatou-se que um dos principais problemas relatados pelos autores para a incorporação de fibras em matriz cimentícia é a questão da estabilidade química (durabilidade da fibra), devido a reação do meio alcalino do cimento com as fibras. A seguir, serão apresentados estudos que avaliaram a incorporação de diversas fibras e que destacaram características relevantes à produção de materiais cimentícios com fibras.
Estabilidade química
Ramakrishna e Sundararajan (2005) analisaram o comportamento de matrizes reforçadas com fibras naturais de coco, sisal, juta e Hibiscus cannabinus. Para isso, as fibras passaram por um processo de envelhecimento acelerado por ensaio de imersão e por ensaio de imersão e secagem, durante um período de 60 dias, em três ambientes diferentes, sendo estes: água limpa e fresca (pH 7), solução de cal saturada (pH 14) e solução de hidróxido de sódio (pH 13). No ensaio de envelhecimento por imersão, as fibras foram mantidas imersas nas soluções citadas por 60 dias contínuos. Já no ensaio de imersão e secagem, as fibras foram mantidas nas soluções citadas por 24 horas, após esse período, eram retiradas das soluções, lavadas em água e secas à temperatura de (28 ± 3)ºC, após secagem repetia-se o ciclo de imersão e secagem, sendo realizados um total de 30 ciclos. Após passarem pelo ensaio de envelhecimento, as fibras foram incorporadas à matriz cimentícia e os resultados dos ensaios de resistência à flexão e compressão foram comparados às matrizes cimentícias sem fibras (de referência) e com as fibras secas (que não passaram pelo ensaio de envelhecimento). As matrizes de referência (sem fibra) obtiveram 27 N/mm²
e 6,9 N/mm² como resultado dos ensaios de resistência à compressão e de resistência à flexão, respectivamente. Nas figuras 5 e 6 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de resistência à compressão e resistência à flexão.
Fonte: adaptado Ramakrishna e Sundararajan, 2005.
Fonte: adaptado Ramakrishna e Sundararajan, 2005.
Com base nos gráficos, pode-se concluir que tanto a adição de fibras secas quanto de fibras envelhecidas, não melhoraram a resistência da matriz cimentícia, uma vez que, para ambos os ensaios a matriz de referência obteve melhores resultados.
Figura 5 - Resistência à compressão
Envelhecimento por imersão e secagem Envelhecimento por imersão Sem envelhecimento Envelhecimento por imersão e secagem Envelhecimento por imersão Sem envelhecimento
Os autores, também verificaram que as matrizes compostas pelas fibras que passaram pelo ensaio de envelhecimento apresentaram resistência à compressão e flexão inferiores à matriz com presença de fibras secas (sem envelhecimento), sendo inferior em torno de 30-60%. Com base nesses resultados, os autores concluíram que a redução da resistência nas matrizes indica o efeito da degradação de fibras naturais quando expostas a meios alcalinos, logo, são fibras que seriam degradadas ao serem incorporadas em matrizes cimentícias, reduzindo assim suas propriedades de reforço na matriz.
Silva et al. (2009) e Filho et al. (2009) realizaram uma série de estudos com placas produzidas com fibra de sisal, em que analisaram a influência deste tipo de fibra na matriz e o comportamento da matriz com adição de materiais pozolânicos em relação a ação do tempo, realizando o envelhecimento acelerado. O cimento utilizado foi o Cimento Portland (CP) II F- 32 e as adições pozolânicas foram de 30% de metacaulim e 20 % de resíduo de tijolo moído, em substituição a uma parcela do cimento. O reforço foi realizado com dois tipos de fibras: as fibras longas de sisal com 400 mm de comprimento e a fibra de volastonita, utilizada para o controle das microfissuras da matriz. Silva et al. (2009) verificaram que as fibras auxiliaram a matriz a resistir aos esforços exercidos durante os ensaios de tração e flexão, uma vez que, diversas fissuras apareciam na matriz antes de seu rompimento total. Já Filho et al. (2009), complementaram o estudo analisando a durabilidade das fibras de sisal incorporadas à matriz.
Na figura 7, são apresentadas as curvas força-deslocamento obtidas no ensaio de flexão das placas produzidas no trabalho de Filho et al. (2009), sendo chamadas de placas M0 (produzidas apenas com fibras) e placas M1 (produzidas com as fibras e adições).
*Obs.: os números após o hífen indicam os ciclos de imersão e secagem que as placas passaram. Por exemplo, M0-25 (corpo de provas com fibras, sem materiais pozolânicos e que passou por 25 ciclos de imersão e secagem).
Fonte: adaptado FILHO et al., 2009
Na figura 7 (a), as placas com fibra após o envelhecimento apresentaram um comportamento dúctil que foi drasticamente reduzido com o processo de envelhecimento, corroborando com os estudos de Ramakrishna e Sundararajan (2005). No gráfico da figura 7 (b), é possível verificar um comportamento dúctil tanto nas placas que não sofreram envelhecimento como nas placas envelhecidas, fato que
é explicado pela adição das pozolanas à matriz, gerando neste caso, uma eliminação total do hidróxido de cálcio e mantendo as propriedades de reforço das fibras por um período de tempo maior.
Absorção de água
Silva et. al. (2010) complementaram os estudos realizados em 2009, citados no item anterior, avaliando a retração e a estanqueidade das placas produzidas com fibra de sisal. Para a realização das análises utilizaram placas planas e corrugadas, as quais passaram por processo de envelhecimento acelerado durante seis meses, a uma temperatura de 60ºC. Foi constatado que as fibras de sisal são fibras porosas, favorecendo o surgimento de caminhos de umidade na matriz, fato que contribuiu para a maior retração da matriz após a secagem. Quanto à estanqueidade foi verificado que as placas se apresentaram estanques, durante os sete dias de realização dos ensaios. Os autores atribuíram esses resultados ao fato das fibras naturais possuírem grande capacidade de absorção de água e à diminuição dos poros da matriz com o envelhecimento.
Islam (2011) realizou o estudo das matrizes reforçadas com fibras de aço e fibras de coco, com 30 mm de comprimento e adicionadas nas proporções de 0,5% e 1% do peso do cimento. O autor verificou, que os compósitos reforçados com fibra de coco apresentaram resistência à compressão e à flexão inferiores à fibra de aço e concluiu, que a consistência e resistência da matriz são comprometidas devido a absorção de água pelas fibras vegetais, corroborando com Silva et. al. (2010).
Chakraborty et al. (2013), também analisaram a influência da absorção de água em compósitos reforçados com fibra natural, neste caso a fibra de juta. Para realização do estudo foi utilizado o cimento comercial com adição de pozolana e adição de fibra de juta em relação ao peso de cimento (foram adicionados 1%, 2%, 3% e 4%), sendo as fibras cortadas com comprimento de 5 a 20 mm. As fibras de juta foram adicionadas de três formas: secas misturadas ao cimento (PS1), junto com a água (PS2) e após saturação das fibras (PS3). A tabela 5 mostra os resultados obtidos nos ensaios de consistência, com adição de 1% de fibra de juta, para os três casos.
Tabela 5. Ensaio de consistência
Matriz Consistência (mm) Sem adição de fibras 154±9
1% fibra PS1-5* 135±8
1% fibra PS2-5 127±9
1% fibra PS3-5 156±6
Obs.: *o número 5 após refere-se ao tamanho (mm) da fibra utilizada Fonte: adaptado Chakraborty et al., 2013.
A tabela 5 permitiu verificar que o modo como a fibra foi incorporada influenciou no ensaio de consistência, sendo que a matriz PS3 foi a que obteve melhor resultado. Devido a porosidade da fibra de juta, a água utilizada nas matrizes PS1 e PS2 foi absorvida pela fibra, reduzindo a consistência e afetando a trabalhabilidade. O mesmo foi observado para maiores teores de incorporação de fibras citados.
Dispersão e diâmetro
Wang et al. (2008) analisaram a influência da dispersão de fibras de carbono na matriz. Para o estudo foram utilizadas fibras curtas, com 5 mm de comprimento, 12% de sílica ativa e 0,03% de superplastificante, ambos em relação à massa de cimento. Na figura 8 é possível verificar a influência da dispersão das fibras no ensaio de compressão.
Fonte: adaptado WANG et al., 2008.
Na figura 8 (a) é apresentada uma matriz com boa dispersão das fibras e na figura 9 (b) é apresenta uma matriz com concentrações pontuais de fibras. Ao analisar o gráfico da figura 8 (a) pode–se verificar que a boa dispersão das fibras aumentou a resistência a compressão da matriz, sendo o ponto ótimo de adição deste tipo de fibra foi de 0,6%. Já no gráfico 8 (b), devido à baixa dispersão das fibras na matriz quanto maior o número de fibras adicionadas menor a resistência obtida devido à aglomeração das fibras, oferecendo reforço pontual à matriz.
Em 2012, Pereira-de-Oliveira et al. realizaram estudos com a incorporação de fibras de acrílico, verificando a influência do aumento do diâmetro da fibra e do modo de mistura da fibra, em busca de uma melhor distribuição na matriz. Com relação ao aumento do diâmetro da fibra foi verificado que influenciava na melhoria da resistência da matriz, devido ao aumento da área de contato entre a fibra e a matriz. Quanto à realização da mistura a seco da fibra com os outros constituintes da argamassa foi verificado uma melhor homogeneidade da matriz, ou seja, uma melhor dispersão das fibras e, consequentemente, melhor resposta aos esforços exercidos na matriz, corroborando com o estudo de Wang et al. (2008).
Aderência fibra-matriz e estabilidade química
Em 2010, Ikai et al. apresentaram um estudo realizado pela empresa Brasilit com as fibras de polipropileno (PP) e de álcool polivinílico (PVA) visando substituir a fibra de amianto em sua linha de produção. As fibras de PVA são bastante utilizadas em substituição ao amianto, porém, devido ao seu custo elevado, optou-se por produzir uma fibra de polipropileno com um menor caráter hidrofílico e mais resistente, sendo que para isso, as fibras de (PP) receberam tratamento superficial com resinas, que melhoraram a aderência da fibra com a matriz.
Foram produzidas placas onduladas e após a etapa de produção, as placas foram submetidas a um ensaio de impacto, sendo que as placas com polipropileno foram as únicas que resistiram. Também foram produzidos painéis, classificados conforme a ISO 8336:1933 Fiber cement flat sheet na categoria A3/B3 (uso interno e externo), com resistência à flexão de 12 MPa e 8 MPa, para as placas no estado em equilíbrio e saturado, respectivamente. Segundo os mesmos autores a linha de produção já
adota a fibra de polipropileno em substituição ao amianto, por se tratar de um material barato quando comparado ao custo das fibras de PVA e por apresentar, além da boa aderência fibra-matriz atingida, boa estabilidade química.
Estudos realizados com a fibra de vidro
Na bibliografia pesquisada observou-se que as fibras de vidro foram utilizadas picadas, moídas ou na forma contínua e, normalmente, como substituto parcial do cimento ou adicionados a matriz.
Majundar (1974) realizou a análise da interação entre a fibra de vidro e a matriz cimentícia por um período de dois anos. Foram analisados o comportamento da fibra de vidro convencional (E-glass) e da fibra de vidro álcali–resistente (AR), sendo que ambas possuíam comprimento de 34 mm. A matriz analisada era composta por 60% de cimento, 40% de cinza volante e 4% de fibra, em relação ao volume da mistura. O referido autor concluiu que apesar da adição da pozolana, a fibra de vidro E-glass é atacada quimicamente pelo meio alcalino gerado na hidratação do cimento e o material produzido com esse tipo de fibra apresentou menor resistência à absorção de impactos e ruptura, quando comparado à fibra AR.
Litherland et al. (1984) estudaram a fibra de vidro AR, analisando o seu comportamento em meio alcalino por um período estimado de 20 a 30 anos, realizando o ensaio de envelhecimento acelerado. Como resultado final foi confirmado que apesar da fibra ser considerada álcali-resistente, ocorre perda da resistência da fibra devido a ação do tempo e do meio alcalino.
Devido às constatações de degradação das fibras de vidro, estudos focando a modificação da matriz através de adições, como as pozolanas, tem sido realizados visando reduzir a alcalinidade.
Marikunte et al. (1997) observaram a influência de adições, como o metaculim e a sílica ativa, em uma matriz cimentícia reforçada com 5% de fibra de vidro (em relação ao peso total do composto). Os corpos de prova foram analisados nas idades de 28 dias em cura padrão (ambiente com temperatura de 20ºC e umidade relativa de 100%)
e, nas idades de 28 e 84 dias, em condição de umidade (imersos em água à temperatura de 50ºC). As figuras 9 e 10 mostram os resultados obtidos nos ensaios.
Figura 9 - Resistência à flexão (MPa)
Fonte: adaptado MARIKUNTE et al., 1997.
* CRFV: Concreto Reforçado com Fibra de Vidro ou GRFC (Glass Fiber Reinforced Concrete).
Figura 10 - Resistência à tração (MPa)
Fonte: adaptado MARIKUNTE et al., 1997.
A análise das figuras 9 e 10 permite verificar que apenas a incorporação das fibras sem a presença de adições pozolânicas melhora significativamente o comportamento à flexão e à tração da matriz cimentícia, quando comparada a matriz referência, porém, não garante a durabilidade das fibras e com isso as resistências tendem a diminuir com o envelhecimento.
Quanto às adições, pode-se concluir que o metacaulim, conferiu um melhor comportamento à matriz para resistir aos esforços após o envelhecimento. Já a adição da sílica ativa não melhorou o comportamento do composto com o envelhecimento e tal fato pode ter ocorrido devido ao tamanho das partículas (<1,0 µm), que pode ter ocupado os espaços intersticiais das fibras gerando a fragilização das fibras e, consequentemente, da matriz.
Peruzzi (2002) realizou estudo da incorporação de fibra de vidro convencional em matriz cimentícia modificada com látex estireno-butadieno e sílica ativa (10% de substituição, em massa, de cimento). Foi analisado o comportamento das matrizes produzidas com os cimentos CP II E 32, CP III e CP V ARI e incorporação de 2% de fibra de vidro contínua (em relação ao volume de argamassa). Nas matrizes sem modificação foi verificado que após ensaio de envelhecimento acelerado as matrizes com cimento CP II E 32 e o CP III apresentaram melhor desempenho no ensaio de resistência à compressão axial, quando comparado ao CP V ARI. Foi verificado uma elevação na resistência à compressão de 9,3%, 5,4% e 0,6% para os cimentos CP II E 32, CP III e CP V ARI, respectivamente. Para o ensaio de compressão diametral todas as matrizes sem modificação apresentaram redução na resistência. O autor também verificou aumento no módulo de ruptura à flexão da matriz com CPIII e fibras. Com relação às modificações das matrizes foi verificado que a matriz CPIII com adição de sílica apresentou melhor comportamento nos dois ensaios de compressão (axial e diametral) e de resistência à flexão. Com estes resultados, Peruzzi (2002) concluiu que o cimento CP III é o mais indicado para produzir a matriz a ser reforçada com fibra de vidro e afirmou que este comportamento ocorre pelo fato do CP III conter uma grande quantidade de escória granulada de alto forno em sua composição, cerca de 35% a 70%, em substituição ao clínquer, ocasionando uma redução na produção de Portlandita durante a hidratação do cimento. Já o cimento CP II E é um cimento que pode ser considerado intermediário, também por conter escória granulada em
substituição ao clínquer, na faixa de 6 a 54% e o CP V foi considerado o mais desfavorável pois é composto quase que totalmente por clínquer moído, produzindo uma maior quantidade de hidróxido de cálcio [Ca(OH)2].
Em 2007, o mesmo autor, realizou estudos com a fibra de vidro convencional encontrada no mercado e com a fibra de vidro AR (álcali-resistente) e constatou que ambos os dois tipos de fibra sofrem degradação de suas propriedades mecânicas, sendo o ataque à fibra AR mais lento, confirmando Litherland et al. (1984).
Payá et al. (2007), Enfedaque et al. (2010) e Sujivorakul et al. (2011) também realizaram estudos com adições pozolânicas como a sílica ativa, o metacaulim, a cinza volante e a cinza de casca de arroz, visando conferir melhor durabilidade e resistência mecânica. Os autores concluíram que as adições pozolânicas melhoraram a