Daniele Oliveira Justo dos Santos

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DESENVOLVIMENTO DE PAINÉIS SANDUÍCHE LEVES COM FACES EM COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS CURTAS DE SISAL

E NÚCLEO EM BIOCONCRETO DE CASCA DE ARROZ

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil.

Orientadores: Romildo Dias Toledo Filho Paulo Roberto Lopes Lima

Rio de Janeiro Fevereiro de 2020

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Daniele Oliveira Justo dos Santos

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS À OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por: Prof. Romildo Dias Toledo Filho Prof. Paulo Roberto Lopes Lima

Prof. Eduardo de Moraes Rego Fairbairn Prof^a. Camila Aparecida Abelha Rocha Prof^a. Margareth da Silva Magalhães

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL FEVEREIRO DE 2020

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iii Santos, Daniele Oliveira Justo dos

Desenvolvimento de painéis sanduíche leves com faces em compósitos cimentícios reforçados com fibras curtas de sisal e núcleo em bioconcreto de casca de arroz/ Daniele Oliveira Justo dos Santos. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2020.

XXIII, 144 p.: il.; 29,7 cm.

Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2020.

Referências Bibliográficas: p.133-144.

1. Painéis sanduíche. 2. Bioconcreto de casca de arroz.

3. Compósitos cimentícios. 4. Fibra curta de sisal. I. Toledo Filho, Romildo Dias et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.

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iv Aos meu pais Cristiane Justo e Edmilson Leite

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v AGRADECIMENTOS

À Deus, minha eterna Gratidão!

Quando eu ainda era uma adolescente entendi o quanto o conhecimento tem o poder de transformar, a vontade de alimentar meu Eu só aumentava a cada novo objetivo conquistado. Chegar até aqui não foi fácil, a trajetória do doutorado foi longa, árdua, na maioria das vezes solitária, e cheia de saudades da família. Resiliência é a palavra que define esse momento.

Sou imensamente grata aos meus orientadores, Professores Romildo Dias Toledo Filho e Paulo Roberto Lopes Lima. O primeiro tornou-se um espelho, sua simplicidade e generosidade, propiciou-me um enorme crescimento acadêmico, profissional e pessoal.

O segundo, e não menos importante, acreditou na minha capacidade e me conduziu nos meus primeiros passos como pesquisadora e isso foi de relevante importância nessa trajetória. Vocês são inspiração!

Minha família sempre teve o papel de encorajamento em cada novo desafio que eu decidia enfrentar, foi assim no ensino médio noturno, na graduação noturna, no mestrado e indispensavelmente quando decidi deixar a Bahia para fazer o doutorado no Rio de Janeiro. O amor incondicional da minha mãe Cristiane Justo, e do meu pai Edmilson Paulo Leite são os combustíveis que me impulsionam para a frente, sempre. Aproveito para lhes pedir desculpas, sendo a primogênita da família estive ausente em momentos importantes do nosso seio familiar. A vocês, todo o Meu Amor!

Minhas irmãs e meu irmão me ensinaram a ser um pouco mãe, conselheira, professora, irmã chata, e entre “tapas e beijos” a irmandade fala mais alto. Aprendi muito cedo o que é ter responsabilidade e foram vocês que me ensinaram. Obrigada Dayanne Justo, Dyanna Justo, Wilma Justo e Edmilson Paulo Filho.

A distância não me impediu de “conviver” com os presentes mais lindos que ganhei nessa vida, meus sobrinhos/afilhados, ah, existe internet, é através dela que eu acompanho o crescimento deles, Bianca Liz, Enzo Gabriel, Lunna Ayala, e José Neto. A explosão de alegria e demonstração de amor a cada encontro ficará para sempre registrado em minha memória. Vocês são minha fonte de alegria diária. Amo muito vocês!

Um agradecimento especial a minha vó Meire Maria Dias (in memoriam), sei que ela gostaria muito de presenciar esse momento em que me torno Doutora, e, de onde estiver

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vi estará sorrindo, comemorando mais essa nossa conquista, vou tomar aquela cerveja ouvindo Reginaldo Rossi e Zezo em sua homenagem. Te amo!

Os amigos que “deixei” na Bahia foram de uma importância ímpar, eles eram a certeza de que mesmo longe nada mudava quando nos reencontrávamos: Heni Mirna, Alex e Rafael, vocês vão ter que me aguentar Doutora, a patente subiu... (risos). E tem aquelas professoras que se tornaram amigas Dagmar e Socorro, como eu aprendo com a experiência de vocês, nossos encontros são sempre regados com muitas risadas.

Aos amigos que fiz aqui no Rio de Janeiro deixo meu agradecimento, vocês foram o estímulo diário para continuar quando a vontade era parar no meio do caminho. Tamara, Carol, Mayara, Iolanda, Vanessa e Yassin, com os dois últimos formei o “tripé do bioconcreto”, a “origem do mundo”. O que uma tese une fica referenciado para a vida.

No NUMATS tive o prazer de conhecer pessoas de diversas partes do Brasil e do Mundo:

Jéssica, Carol G., Karyne, Rafael, Natália’s, Gabriela’s, Amanda’s, Bruno, Giuseppe’s, Pedro, Carla, Mônica, Yasmim, Anne, Mostafa, Alfredo, Lucas, Fabrício, Samanta, Otávio, Saulo, Tina, Tiago, Vivian, Nina, Aline. Obrigada pelas conversas, cafezinhos e cervejas da vida/laboratório.

Aos funcionários do NUMATS, Luzidelle, Ioná, Carmen, Hugo, Jorge, Hidekel, Ítalo Antônio Carlos, Claudinha e Jô. Aos técnicos Marcelo, Mauro, Adailton, Márcio, Anderson, Flávio, Rosangela, Bruna, Alessandro, Helder, Alex e Carlos, agradeço pela participação muito especial e importante no desenvolvimento da minha pesquisa.

Agradeço aos professores Eduardo Fairbairn, Camila Abelha e Margareth Magalhães pelas relevantes colaborações no meu exame de qualificação que me ajudaram a aperfeiçoar esta pesquisa.

Aos anônimos, que influenciaram, participaram e/ou contribuíram de alguma forma ao longo desses 5 anos, tenham certeza que levo comigo uma parte de vocês na construção dessa tese. O anonimato é a certeza do lugar especial que vocês têm em meu coração.

A CAPES, através do PEC/COPPE/UFRJ pelo apoio financeiro.

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vii Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)

Daniele Oliveira Justo dos Santos Fevereiro/2020

Orientadores: Romildo dias Toledo Filho Paulo Roberto Lopes Lima Programa: Engenharia Civil

Para produção dos painéis sanduíches leves estudou-se incialmente a influência da adição de frações volumétricas de 2%, 3% e 4% de fibras de sisal (40 mm de comprimento), hornificadas ou tratadas em solução de hidróxido de cálcio, no comportamento carga-deflexão dos compósitos. Compósitos leves, com a incorporação de teores de espuma de 15%, 20% e 30%, em volume, foram também avaliados. Para produção de núcleos leves foram dosados bioconcretos contendo casca de arroz com teores, em volume, variando entre 45% e 70% e utilizando relação água/aglomerante entre 0,60 e 0,78. As propriedades avaliadas para produção do núcleo foram a trabalhabilidade, densidade e a resistência mecânica. Painéis leves, com densidade entre de 0,67 – 1,00 g/cm³, foram produzidos com o compósito contendo 20% de espuma e 4% de fibra de sisal tratada com hidróxido de cálcio e núcleos em bioconcreto contendo 50%, 60% e 70% de casca de arroz. A performance mecânica dos painéis sanduíche foi avaliada através de ensaios de flexão e cisalhamento em 4 pontos, sendo obtido resistências à flexão e ao cisalhamento de até 1,08 kN e 5,50 kN, respectivamente. Além da resistência mecânica adequada, não foi identificada perda de aderência entre a interface face-núcleo o que demonstra que o painel leve apresenta potencial para uso como elementos construtivo para alvenaria de vedação, fachadas e forros.

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viii Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

DEVELOPMENT OF LIGHTWEIGHT SANDWICH PANELS WITH FACES IN CEMENTITIOUS COMPOSITES REINFORCED WITH SHORT SISAL FIBERS

AND CORE IN RICE HUSK BIOCONCRETE

Daniele Oliveira Justo dos Santos February/2020

Advisors: Romildo Dias Toledo Filho Paulo Roberto Lopes Lima Department: Civil Engineering

For the production of light sandwich panels, it was initially studied the influence of the volumetric addition of fractions of 2%, 3% and 4% of sisal fibers (40 mm in length), hornified or treated in calcium hydroxide solution, in the loading-deflection behavior of composites. Light composites with the incorporation of foam contents of 15%, 20% and 30%, by volume, were also evaluated. For the production of light core, it were dosed bioconcretes containing rice husks with levels, in volume, varying between 45% and 70%

and using a water/binder ratio between 0.60 and 0.78. The properties evaluated for the core production were workability, density and mechanical strength. Lightweight panels, with a density between 0.67 - 1.00 g/cm³, were produced with the composite containing 20% foam and 4% sisal fiber that were treated with calcium hydroxide and bioconcrete cores containing 50%, 60% and 70% rice husk. The mechanical performance of the sandwich panels was evaluated through flexion and shear tests at 4 points, obtaining flexural and shear strengths of up to 1.08 kN and 5.50 kN, respectively. In addition to adequate mechanical strength, no loss of adhesion was identified between the face-core interface, which demonstrates that the lightweight panel has potential for use as a constructive element for sealing masonry, façades and ceilings.

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ix

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Contextualização e motivação ... 1

1.2 Objetivos ... 4

1.2.1 Geral ... 4

1.2.2 Específicos ... 4

1.3 Apresentação da tese ... 4

2 COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL ... 6

2.1 Introdução ... 6

2.1.1 Tratamentos para melhorar a interface fibra – matriz ... 8

2.1.2 Propriedades dos compósitos cimentícios reforçados com fibras de sisal 9 2.1.3 Durabilidade dos compósitos cimentícios reforçados com fibra de sisal 11 2.2 Desenvolvimento dos compósitos com fibra curta de sisal... 12

2.2.1 Materiais e Métodos ... 13

2.2.1.1 Caracterização dos materiais ... 13

2.2.1.1.1 Composição química ... 13

2.2.1.1.2 Granulometria ... 14

2.2.1.1.3 Massa específica... 15

2.2.1.2 Beneficiamento e tratamento das fibras ... 16

2.2.1.2.1 Tratamento térmico e químico das fibras de sisal ... 16

2.2.1.3 Caracterização das fibras ... 17

2.2.1.3.1 Análise termogravimétrica ... 17

2.2.1.3.2 Difração de raio X (DRX) ... 17

2.2.1.3.3 Microscopia eletrônica de varredura ... 18

(10)

x

2.2.1.3.4 Capacidade de absorção de água ... 18

2.2.1.3.5 Variação dimensional ... 19

2.2.1.3.6 Ensaio de tração direta ... 19

2.2.1.4 Dosagem e produção da matriz ... 20

2.2.1.5 Dosagem e produção dos compósitos ... 24

2.2.1.6 Caracterização da matriz e dos compósitos ... 25

2.2.1.6.1 Absorção de água por imersão e por capilaridade ... 26

2.2.1.6.2 Retração por secagem ... 27

2.2.1.6.3 Resistência à compressão axial ... 29

2.2.1.6.4 Resistência à tração direta ... 29

2.2.1.6.5 Resistência a flexão em 4 pontos ... 30

2.2.2 Resultados e discussões ... 31

2.2.2.1 Avaliação das fibras de sisal ... 31

2.2.2.1.2 Difração de raio X (DRX) ... 32

2.2.2.1.3 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ... 34

2.2.2.1.4 Capacidade de absorção de água ... 35

2.2.2.1.5 Variação dimensional ... 36

2.2.2.1.6 Ensaio de tração direta nas fibras de sisal ... 37

2.2.2.2 Propriedades físicas dos compósitos ... 39

2.2.2.2.1 Absorção de água por imersão ... 39

2.2.2.2.2 Absorção de água por capilaridade ... 41

2.2.2.2.3 Retração por secagem ... 43

2.2.2.3 Propriedades mecânicas dos compósitos ... 46

2.2.2.3.1 Resistência à compressão axial ... 46

2.2.2.3.2 Resistência a tração direta ... 50

2.2.2.3.3 Resistência à flexão em 4 pontos ... 53

(11)

xi

2.3 Desenvolvimento do compósito leve com fibra curta de sisal ... 57

2.3.1 Materiais e Métodos ... 57

2.3.1.1 Aditivo espumante ... 57

2.3.1.2 Ensaio de arrancamento ... 58

2.3.2.1 Ensaio de arrancamento ... 60

2.3.2.2 Massa específica ... 62

2.3.2.3 Resistência à compressão axial ... 63

2.3.2.4 Resistência à flexão em 4 pontos ... 64

2.3.3 Considerações finais ... 67

3 BIOCONCRETO DE CASCA DE ARROZ... 68

3.1 Introdução ... 68

3.1.1 Compósitos cimento – biomassa (Bioconcretos) ... 69

3.1.2 Métodos de produção de bioconcretos ... 70

3.2 Desenvolvimento do núcleo leve em bioconcreto com casca de arroz 71 3.2.1 Materiais e Métodos ... 71

3.2.1.1 Caracterização do bio agregado de casca de arroz... 72

3.2.1.1.1 Massa específica, absorção de água e teor de umidade ... 72

3.2.1.1.2 Determinação da absorção de água no tempo ... 73

3.2.1.1.3 Morfologia do bio agregado de casca de arroz por AIMS... 75

3.2.1.1.4 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ... 77

3.2.1.1.6 Avaliação da compatibilidade cimento x bio agregado ... 79

3.2.1.1.7 Calorimetria isotérmica ... 83

3.2.1.2 Dosagem e produção do bioconcreto de casca de arroz (BCC)... 85

3.2.1.3 Caracterização dos bioconcretos de casca de arroz ... 89

3.2.1.3.1 Elevação adiabática da temperatura ... 89

(12)

xii

3.2.1.3.2 Resistência à compressão uniaxial ... 90

3.2.2.1 Elevação adiabática da temperatura ... 91

3.2.2.2 Massa específica ... 92

3.2.2.3 Resistência à compressão uniaxial ... 93

3.2.3 Substituição parcial do cimento por materiais pozolânicos ... 100

3.2.4 Dosagem racional para bioconcretos de casca de arroz ... 102

3.3 Desenvolvimento do núcleo leve em bioconcreto de casca de arroz . 105 3.3.1 Considerações finais ... 107

4 PAINÉIS SANDUÍCHES PARA RETROFIT DE EDIFICAÇÕES ... 108

4.1 Introdução ... 108

4.1.1 Retrofit no contexto brasileiro ... 109

4.1.2 Soluções de retrofit de fachada... 110

4.1.3 Painéis sanduíches para retrofit ... 113

4.1.4 Métodos de produção de painéis sanduíches ... 114

4.2 Desenvolvimento dos painéis sanduíches ... 117

4.2.1 Produção dos painéis ... 117

4.2.2 Caracterização dos painéis ... 119

4.2.2.1 Aspecto estético e densidade dos painéis ... 119

4.2.2.2 Ensaio de arrancamento nos painéis sanduíches ... 119

4.2.2.3 Flexão em 4 pontos... 119

4.2.2.4 Resistência ao cisalhamento ... 121

4.3 Resultados e discussões ... 122

4.3.1 Aspecto estético e densidade dos painéis sanduíches ... 122

4.3.2 Ensaio de arrancamento nos painéis sanduíches ... 123

4.3.3 Flexão em 4 pontos ... 125

4.3.4 Resistência ao cisalhamento ... 129

(13)

xiii

4.4 Considerações finais ... 130

5 CONCLUSÕES ... 131

5.1 Sugestões para trabalhos futuros ... 131

REFERÊNCIAS ... 133

(14)

xiv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Comparativo dos princípios da economia linear e economia circular.

Fonte: traduzido de https://www.urbanmining.it/en/circular-economy. ... 1

Figura 2.1: Agave sisalana. Fonte: Santos 2013. ... 6

Figura 2.2: Estrutura da fibra de sisal. Fonte: Ferreira (2012). ... 8

Figura 2.3: Curva granulométrica dos aglomerantes. ...14

Figura 2.4: Curva granulométrica do agregado miúdo. ...15

Figura 2.5: Fluxograma dos tratamentos utilizados nas fibras de sisal. ...16

Figura 2.6: a) Amostras de fibras imersas em água; b) Pesagem das fibras. ...18

Figura 2.7: Configuração do ensaio de tração direta nas fibras; a) detalhe da fibra sendo submetida ao esforço; b) setup utilizado. ...19

Figura 2.8: a) molde de papel para fixação das fibras; (b) preparação do corpo de prova para o ensaio e (c) detalhe do corte do papel antes do ensaio. ...20

Figura 2.9: Curvas TG e DTG da referência e da matriz. ...21

Figura 2.10: a) Espalhamento obtido para a matriz; b) Medida do espalhamento. .24 Figura 2.11: Sequência das etapas do procedimento de mistura...25

Figura 2.12: a) Medida do espalhamento: Compósito com 2%, 3% e 4% de fibra, a), b) e c) respectivamente. ...25

Figura 2.13: Programa experimental realizado para a caracterização física e mecânica dos compósitos reforçados com fibras tratadas. ...26

Figura 2.14: Pesagem do corpo de prova na balança hidrostática. ...27

Figura 2.15: Ensaio de absorção por capilaridade. ...27

Figura 2.16: Colocação dos pinos e obtenção do “G”. ...28

Figura 2.17: a) Medição do corpo de prova; b) Pesagem do corpo de prova. ...28

Figura 2.18: Preenchimento dos moldes em camadas . ...29

Figura 2.19: a) Setup utilizado para o ensaio de tração direta.; b) Detalhe dos LVDT’s na região central do corpo de prova. ...30

Figura 2.20: a) Esquema dos pontos de aplicação de carga.; b) Aquisição da carga- flecha. ...30

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xv Figura 2.21: Análise termogravimétrica das fibras de sisal com e sem tratamentos.

...31 Figura 2.22: DRX das fibras com e sem tratamentos. ...33 Figura 2.23: Micrografias obtidas por MEV da superfície longitudinal das fibras de sisal; a) IN - in natura; b) FH – fibra hornificada; c) FCHSL – fibra alcalina sem lavagem; d) FCHL – fibra alcalina com lavagem. ...34 Figura 2.24: a) Absorção de água da fibra in natura e das fibras tratadas; b) Ampliação até 12 horas. ...35 Figura 2.25: Variação dimensional das fibras com e sem os tratamentos. ...36 Figura 2.26: Curvas do ensaio de tração direta nas fibras de sisal in natura e nas fibras de sisal tratadas. ...38 Figura 2.27: Relação entre a absorção de água e índice de vazios dos compósitos e a absorção de água e índice de vazios da matriz. ...39 Figura 2.28: Relação entre a massa específica dos compósitos e a massa específica da matriz. ...41 Figura 2.29: Curvas de absorção por capilaridade ao longo do tempo da matriz e dos compósitos com frações volumétricas distintas. ...42 Figura 2.30: Curvas de absorção por capilaridade ao longo do tempo da matriz e dos compósitos com as fibras tratadas. ...42 Figura 2.31:Influência das frações volumétricas na retração por secagem dos compósitos. ...44 Figura 2.32: Influência dos tratamentos na retração por secagem dos compósitos, vf

= 4%. ...44 Figura 2.33: Perda de massa da matriz e compósitos com frações volumétricas distintas. ...45 Figura 2.34: Perda de massa da matriz e dos compósitos com tratamento alcalino, vf

= 4%. ...45 Figura 2.35: Curvas típicas tensão x deformação dos compósitos com frações volumétricas distintas e das fibras com tratamento. ...47 Figura 2.36: Relação entre a resistência à compressão axial dos compósitos e resistência à compressão axial da matriz. ...48

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xvi Figura 2.37: Relação entre a resistência à compressão axial dos compósitos e resistência à compressão axial da matriz. ...49 Figura 2.38: Curvas típicas de tensão de tração para dos compósitos com frações volumétricas distintas e das fibras com tratamento. ...51 Figura 2.39: Fratura dos compósitos submetidos a esforços de tração direta. ...53 Figura 2.40: Curva tensão x deflexão para compósitos com 2% de fibras com tratamento. ...54 Figura 2.41: Curva tensão x deflexão para compósitos com 3% de fibras com tratamento. ...54 Figura 2.42: Curva tensão x deflexão para compósitos com 4% de fibras com tratamento. ...55 Figura 2.43: Relação entre a  pico dos compósitos e a  pico da matriz. ...56 Figura 2.44: a) Aditivo espumante; b) Diluição em água; c) Aspecto da espuma. ....58 Figura 2.45: Moldagem dos corpos-de-prova para o ensaio de arrancamento. ...59 Figura 2.46: Ensaio de arrancamento da fibra: a) corpo de prova preso no cilindro de ferro e garra posicionada; b) e c) detalhe e ampliação da fibra sendo arrancada do corpo de prova, respectivamente. ...59 Figura 2.47: Contorno ImageJ para determinação do perímetro da fibra. ...60 Figura 2.48: Curvas de arrancamento para a fibra de sisal in natura e matriz sem espuma. ...61 Figura 2.49: Curvas de arrancamento para a fibra de sisal tratada e matriz sem espuma. ...61 Figura 2.50: Curvas de arrancamento para a fibra de sisal in natura e matriz com 20% de espuma. ...61 Figura 2.51: Curvas de arrancamento para a fibra de sisal tratada e matriz com 20%

espuma. ...61 Figura 2.52: Curvas típicas tensão x deformação dos compósitos leve. ...63 Figura 2.53: a) Curva tensão x deflexão para os compósitos leves; b) Ampliação até deflexão de 12 mm. ...64 Figura 2.54: Abertura de fissuras dos compósitos leves: a) 15AR – FCHSL 4%; b) 20AR – FCHSL 4%; c) 30AR – FCHSL 4%. ...66

(17)

xvii

Figura 3.1: Casca de arroz in natura. ...72

Figura 3.2: a) Cone da casca de arroz úmida; b) Cone da casca de arroz seca. ...72

Figura 3.3: a) “Sachê”.; b) Material submerso.; c) Secadora manual. Sequência realizada no ensaio de absorção de água. ...73

Figura 3.4: a) Curva de absorção de água no tempo para o bio agregado de casca de arroz; b) Ampliação até 60 minutos de ensaio. ...74

Figura 3.5: a) Equipamento AIMS.; b) Bandeja com as amostras dispostas.; c) Software de análise das imagens. ...75

Figura 3.6: Índice de angularidade do bio agregado de casca de arroz. ...76

Figura 3.7: Índice de forma 2D do bio agregado de casca de arroz. ...77

Figura 3.8: Morfologia do bio agregado de casca de arroz. ...77

Figura 3.9: Microscopia da superfície da casca de arroz evidenciando os “espinhos”. ...78

Figura 3.10:Imagem da casca de arroz inteira. ...78

Figura 3.11: Curvas TG e DTG obtidas para a casca de arroz. ...79

Figura 3.12: Coloração da água após a repetição das lavagens. ...80

Figura 3.13: Concentração de extrativos x número de lavagens. ...81

Figura 3.14: Equipamento de extração do tipo Soxhlet. ...81

Figura 3.15: a) Extrativos em ciclohexano; b) Extrativos em acetato de etila; c) Extrativos em metanol. ...82

Figura 3.16: Evolução do calor de hidratação das pastas com a água de lavagem da casca de arroz. ...84

Figura 3.17: Etapas do processo de produção do bio compósito; a) Homogeneização dos materiais secos; b) Início da adição da água; c) Finalização da adição da água. ...87

Figura 3.18: Espalhamento obtido para o BCC 52%; a) a/c 0,40; b) a/c 0,45; c) a/c 0,50. ...88

Figura 3.19: Espalhamento obtido para o BCC 50%; a) a/c 0,40; b) a/c 0,45; c) a/c 0,50. ...88

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xviii Figura 3.20: Espalhamento obtido para o BCC 45%; a) a/c 0,40; b) a/c 0,45; c) a/c

0,50. ...88

Figura 3.21: Correlação entre o espalhamento e a relação a/c. ...89

Figura 3.22: Calorímetros adiabáticos. ...90

Figura 3.23: Elevação adiabática de temperatura dos bioconcretos. ...91

Figura 3.24: Correlação entre a massa específica e a relação a/c dos bioconcretos estudados. ...92

Figura 3.25: Curvas típicas tensão x deformação axial para o BCC 45% aos 1dia, 7 dias e 28 dias. ...94

Figura 3.26: Curvas típicas tensão x deformação axial para o BCC 50% aos 1dia, 7 dias e 28 dias. ...95

Figura 3.27: Curvas típicas tensão x deformação axial para o BCC 52% ao 1dia, 7 dias e 28 dias. ...96

Figura 3.28: Valores médios da resistência à compressão dos bioconcretos...97

Figura 3.29: Valores médios do módulo de elasticidade dos bioconcretos. ...98

Figura 3.30: Gráfico de Pareto em função dos valores do teste t. Resistência à compressão. ...99

Figura 3.31: Gráfico de Pareto em função dos valores do teste t. Módulo de elasticidade...99

Figura 3.32: Espalhamento dos bioconcretos: a) P - BCC 45% -0,63; b) P - BCC 45% - 0,69 e P - BCC 45% - 0,76. ... 101

Figura 3.33: Curvas típicas tensão x deformação axial para 7 e 28 dias dos P – BCC 45%. ... 102

Figura 3.34: Diagrama de dosagem para os bioconcretos de casca de arroz. ... 104

Figura 3.35: Espalhamento dos bioconcretos leves: a) P - BCC 50%; b) P - BCC 60% e P - BCC 70%. ... 106

Figura 3.36: Curvas típicas tensão x deformação axial para os bioconcretos leves. ... 106

Figura 4.1: Principio de funcionamento de fachadas tradicionais e ventiladas. Fonte: ULMA. ... 111

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xix

Figura 4.2: Edifício da telefônica, São Paulo – Brasil. Fonte: Portal Metálica. ... 112

Figura 4.3: FONSANTA, Barcelona – Espanha. Fonte: ULMA. ... 112

Figura 4.4: a) Fachada inicial; b) Fachada após instalação dos painéis pré-fabricados. Fonte: Pittau et al 2017. ... 113

Figura 4.5: Estrutura geral de um painel sanduíche. ... 113

Figura 4.6: a) Núcleo e tecidos de vidro posicionados no molde; b) Preenchimento do tanque da injeção com argamassa; c) Fechamento do tanque; d) Injeção por pressão da argamassa no molde. Fonte: Colombo, 2015. ... 115

Figura 4.7: a) Delaminação observada durante o ensaio de flexão; b) Delaminação após o ensaio de flexão em 4 pontos. Fonte: Colombo, 2015. ... 115

Figura 4.8: a) Disposição do núcleo e dos reforços das faces; b) Aplicação do concreto. ... 116

Figura 4.9: a) Colocação da camada de fibras após a primeira camada de argamassa; b) Colocação da segunda camada de argamassa; c) Espalhamento da argamassa na superfície das fibras; d) Colocação da primeira camada de argamassa em cima do núcleo; e) Espalhamento da argamassa nas fibras; f) Painel após desmoldagem. Fonte: Da Gloria, 2015. ... 117

Figura 4.10: (a) colocação da face inferior; b) colocação do núcleo; c) detalhe da espessura ocupada pelo núcleo; d) colocação da face superior após 8h da moldagem no núcleo. ... 118

Figura 4.11: a) Desbaste feito em uma da faces do painel; b) Suporte metálico de base circular; c) Amostra colada no suporte. ... 119

Figura 4.12: Configuração do ensaio de flexão em 4 pontos para os painéis. ... 120

Figura 4.13: Cisalhamento por flexão em 4 pontos. ... 121

Figura 4.14: Aspecto estético dos painéis moldados. ... 122

Figura 4.15: Possíveis modos de ruptura para o ensaio de arrancamento; a) falha adesiva face-núcleo; b) ruptura por falha coesiva na face; c) ruptura por falha coesiva no núcleo. Frazão et al. (2018). ... 124

Figura 4.16: Modos de ruptura dos painéis sanduíches. PS50: a) Face inferior; b) Face superior; PS60: c) Face inferior; d) Face superior. ... 125

(20)

xx Figura 4.17: a) Curvas Força -Deflexão dos painéis sanduíches; b) Ampliação até 2,5 mm. ... 126 Figura 4.18: a) Ruptura por flexão do painel PS50; b) Fissura na face inferior do painel sanduíche PS50. ... 127 Figura 4.19: a) Ruptura por flexão do painel PS60; b) Fissuras na face inferior do painel sanduíche PS60. ... 128 Figura 4.20: a) Ruptura por cisalhamento do painel PS70 com detalhe para o aparecimento de fissuras na face inferior. ... 128 Figura 4.21: Curvas típicas força x deflexão central dos painéis sanduíches. ... 129 Figura 4.22: Modo de fissuração dos painéis sanduíche; a) PS50; b) PS60; c) PS70.

... 130

(21)

xxi

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Valores de resistência a tração e módulo de elasticidade da fibra de sisal encontrados por alguns autores. ... 7 Tabela 2.2: Composição química dos aglomerantes utilizados...14 Tabela 2.3: Massa específica dos materiais utilizados. ...16 Tabela 2.4: Percentuais de produtos hidratados da pasta de referência e da matriz calculados em base à massa calcinada do cimento. ...23 Tabela 2.5: Consumo das misturas para 1m³ de compósito. ...24 Tabela 2.6: Cristalinidade da fibra in natura e das fibras tratadas. ...33 Tabela 2.7: Valores médios da tração direta nas fibras com e sem tratamento, coeficiente de variação entre parênteses. ...37 Tabela 2.8: Valores médios da absorção de água por imersão, índice de vazios e massa específica da matriz e dos compósitos estudados, coeficiente de variação entre parênteses. ...39 Tabela 2.9: Resultados médios obtidos a partir do ensaio de absorção por capilaridade da matriz e dos compósitos, coeficiente de variação entre parênteses.

...43 Tabela 2.10: Resistência à compressão, módulo de elasticidade, deformação de pico e tenacidade dos compósitos, coeficiente de variação entre parênteses. ...47 Tabela 2.11: Resultados experimentais do ensaio de tração direta dos compósitos, coeficiente de variação entre parênteses. ...52 Tabela 2.12: Resultados experimentais do ensaio de flexão dos compósitos, coeficiente de variação entre parênteses. ...56 Tabela 2.13: Resultados médios para o ensaio de arrancamento realizados na fibra in natura e fibra tratada nas matrizes com e sem espuma. ...62 Tabela 2.14: Valores de massa específica dos compósitos leves. ...63 Tabela 2.15: Resistência à compressão axial dos compósitos leves, coeficiente de variação entre parênteses. ...64

(22)

xxii Tabela 2.16: Resultados experimentais do ensaio de flexão dos compósitos leves, coeficiente de variação entre parênteses. ...65 Tabela 3.1: Composição química da casca de arroz reportada na literatura. ...68 Tabela 3.2: Massa específica aparente e umidade da casca de arroz. ...73 Tabela 3.3: Classificação da angularidade proposto por Masad (2004)...76 Tabela 3.4: Classificação da forma 2D proposto por Masad (2004). ...76 Tabela 3.5: Extrativos da casca de arroz, solúveis em solventes inorgânicos. ...82 Tabela 3.6: Dados dos períodos de hidratação e calor acumulado das misturas ...84 Tabela 3.7: Consumo de materiais para a produção de 1 m³ de bioconcreto de casca de arroz. ...86 Tabela 3.8: Resultados do teste de elevação adiabática de temperatura...92 Tabela 3.9: Composição dos bioconcretos com substituição parcial do cimento (kg/m³). ... 100 Tabela 3.10: Valorem médios de espalhamento e massa específica dos bioconcretos com pozolanas. ... 101 Tabela 3.11: Comparativo entre a resistência a compressão dos BCC e dos P- BCC aos 28 dias, coeficiente de variação entre parênteses. ... 102 Tabela 3.12: Parâmetros fixados para cada mistura. ... 104 Tabela 3.13: Composição dos bioconcretos leves com substituição parcial do cimento (kg/m³). ... 105 Tabela 3.14: Valores de espalhamento e massa específica dos bioconcretos leves.

... 105 Tabela 3.15: Resistência à compressão dos bioconcretos leves, coeficiente de variação entre parênteses. ... 106 Tabela 4.1: Características do sistema de fachada ventilada. ... 111 Tabela 4.2: Valores de massa específica dos componentes e dos painéis sanduíches.

... 123 Tabela 4.3: Resultados do ensaio de arrancamento nos painéis sanduíches, coeficiente de variação entre parênteses. ... 123

(23)

xxiii Tabela 4.4: Propriedades dos painéis após ensaio de flexão em 4 pontos, coeficiente de variação entre parênteses. ... 126 Tabela 4.5: Propriedades dos painéis sanduíche no ensaio de cisalhamento por flexão, coeficiente de variação entre parênteses. ... 129

(24)

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Contextualização e motivação

Os processos produtivos interagem diretamente com o meio ambiente principalmente nas entradas e saídas de matéria e energia. Os modelos de produção são constituídos majoritariamente por processos lineares onde a matéria prima é extraída, o bem é produzido, consumido e descartado.

Tais modelos fazem crescer a preocupação com o esgotamento dos recursos naturais e encontram na gestão dos resíduos um grande desafio para a sustentabilidade. Nesse contexto a Economia Circular surge com um novo conceito de produção ainda pouco difundido no Brasil que tem como principal objetivo manter a todo tempo os produtos no mais alto nível de valor e utilidade como pode ser visto na Figura 1.1.

Figura 1.1: Comparativo dos princípios da economia linear e economia circular. Fonte: traduzido de https://www.urbanmining.it/en/circular-economy.

A instituição da Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei 12.305, 2010) expandiu não só a responsabilidade na gestão dos resíduos como também aumentou a preocupação com a redução dos resíduos na geração, com o reaproveitamento e com a reciclagem, além de evidenciar uma preocupação com o design dos produtos. Outro ponto importante previsto nessa lei é a logística reversa com aplicação obrigatória em casos específicos.

Não é difícil inserir o setor da construção civil como agente direto na preservação dos recursos naturais, visto que, este setor pode ser considerado o maior consumidor dos recursos naturais, o que utiliza energia de forma intensiva, para produzir materiais e insumos e na vida útil das edificações, e consequentemente gera consideráveis impactos ambientais.

É no estudo criterioso dos projetos que podem-se criar soluções que priorizem, por exemplo, a iluminação, ventilação natural reduzindo o uso de aparelhos de ar

(25)

2 condicionado, uso de painéis de fachadas entre outros, permitindo também possíveis adaptações com a inserção de novas tecnologias.

As edificações brasileiras (residenciais, comerciais e públicas), segundo o Balanço Energético Nacional (EPE, 2017), são responsáveis por 51,04% do consumo de energia elétrica no país, onde os principais sistemas consumidores de energia elétrica são a climatização e a iluminação. De acordo com a Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia (ABESCO), o consumo de energia elétrica das edificações chega a um valor equivalente a R$ 117 bilhões. Conforme o BEN 2015 (Balanço Energético Nacional), as edificações industriais, comerciais, residenciais e públicas são identificadas como responsável pelo consumo de cerca de 50% do total de eletricidade no país.

Entre as maneiras de se reduzir o consumo de energia proveniente da necessidade de climatização, está a melhoria do desempenho térmico das edificações, especialmente dos fechamentos. As envoltórias de fechamento possuem papel fundamental, atuando como reguladora das condições internas e externas ao controlar a admissão de calor, trocas de ar, luz, ruídos, ventos e intempéries (MIZGIER e PENSO 2016). Modernizar as edificações existentes surgiu como uma alternativa para reverter não somente a obsolescência energética das edificações antigas, mas também para reverter suas limitações funcionais.

Os painéis para “retrofitting” são uma ferramenta para a Reabilitação e, Recuperação de edificações que incorporam conceitos de sustentabilidade nas construções. No entanto, as soluções comercialmente disponíveis utilizam materiais não renováveis a exemplo do poliestireno expandido - EPS, espumas de poliuretano, chapas metálicas entre outros. A busca pela sustentabilidade não somente na aplicação do conceito do “retrofitting”, mas também dos materiais e produtos utilizados impulsionam o desenvolvimento de soluções de baixo impacto ambiental que reduzam a degradação ambiental.

Nesse sentido, a substituição parcial do cimento por materiais cimentícios alternativos, o uso de agregados não convencionais tais como resíduos de construção e demolição e os resíduos agroindustriais surgem como soluções atrativas para a construção civil.

Devido ao elevado potencial agrícola do Brasil, a ocorrência de elevadas quantidades de resíduos agroindustriais é inerente ao processo produtivo. O acúmulo desses resíduos pode acarretar impactos ambientais decorrentes da disposição inadequada. A não concordância com as questões ambientais e a crescente escassez dos recursos naturais

(26)

3 impulsionam a busca por alternativas para o aproveitamento desses materiais principalmente pelo setor da construção civil.

As principais vantagens na utilização desses materiais é a minimização do impacto ambiental, baixo custo e facilidade de obtenção. Materiais de construção que incorporam fibras vegetais e resíduos agroindustriais são então de grande interesse visto serem materiais renováveis e de fácil reciclagem. Dentre os resíduos agroindustriais com potencial para a produção de materiais construtivos está a casca de arroz.

O uso desse tipo de resíduo pode resultar em materiais com boas propriedades térmicas (AKASAKI & SILVA, 2001; MILANI e FREIRE, 2006; FERREIRA et al., 2008, CHABANNES et al., 2014; CHABI et al., 2018) em produtos (painéis, brises, etc) que resultem na otimização energética das envoltórias das edificações.

A casca de arroz é um resíduo agroindustrial, subproduto do beneficiamento do cereal e de destaque no Brasil, atualmente, o Rio Grande do Sul é responsável pela maior parte de toda a produção do grão (CONAB, 2015). Cada tonelada de arroz gera 24% de casca durante seu processamento. Segundo dados do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA, 2018), a produção mundial de arroz base beneficiado foi de 487,8 milhões de toneladas na safra 2018/19, no Brasil a produção foi de 11,9 milhões de toneladas no mesmo período.

Além da casca de arroz, a região Nordeste do Brasil tem destaque na produção de fibra de sisal para a indústria sisaleira. Em 2015 a produção brasileira de sisal foi de 91,1 mil toneladas, sendo que a Bahia produziu 95,8% deste total com destaque para as regiões de Valente- Ba e Coité – Ba (CONAB, 2016).

O uso das fibras de sisal como reforço na produção de compósitos cimentícios de baixo impacto ambiental já mostraram resultados promissores como indicam os estudos realizados por TOLEDO FILHO (1997), LIMA (2004), SILVA (2009), MELO FILHO (2005 e 2012), SANTOS (2014), FERREIRA (2012 e 2016).

No contexto do desenvolvimento de materiais de baixo impacto, a presente pesquisa visa desenvolver painéis sanduíches para retrofit a partir dos materiais lignocelulósicos como a casca de arroz e a fibra de sisal.

(27)

4

1.2 Objetivos 1.2.1 Geral

A presente pesquisa visa a produção e caracterização de sistemas sanduíche leves composto por faces de argamassas reforçadas com fibra curta de sisal, e núcleo de bioconcreto de casca de arroz.

1.2.2 Específicos

 Avaliar a influência da hornificação e do tratamento alcalino nas propriedades físicas, mecânicas e microestruturais das fibras de sisal e na aderência com a matriz de cimento.

 Avaliar a influência da fração volumétrica de fibra de sisal (2%, 3% e 4%) tratada no comportamento físico e mecânico dos compósitos.

 Avaliar a influência da adição de agente incorporador de ar no comportamento físico e mecânico dos compósitos.

 Desenvolver bioconcretos leves (0,35 – 0,80 g/cm³) de elevada trabalhabilidade e moldabilidade.

 Avaliar a influência da fração volumétrica de casca de arroz e da relação água/cimento no comportamento físico e mecânico dos bioconcretos.

 Caracterizar mecanicamente os sistemas sanduíches leves através dos ensaios de flexão em 4 pontos, cisalhamento e aderência face-núcleo.

1.3 Apresentação da tese

Este trabalho é composto de 4 capítulos conforme descrito a seguir:

O Capítulo 1: Traz a introdução, contextualização, os objetivos e a organização do trabalho.

O Capítulo 2: É apresentada a revisão bibliográfica, o desenvolvimento das faces em materiais compósitos com fibra de sisal, apresenta a caracterização dos materiais cimentícios, dos aditivos, caracterização do reforço utilizado, bem como os procedimentos empregados na dosagem, produção e caracterização dos compósitos.

Apresenta os resultados das propriedades de durabilidade e mecânicas avaliadas nos compósitos reforçados com fibra de sisal.

O Capítulo 3: É apresentada a revisão bibliográfica, a caracterização da casca de arroz utilizada, a dosagem racional dos bioconcretos de casca de arroz, assim como a

(28)

5 caracterização físico e mecânica dos bioconcretos estudados. Apresenta os resultados das propriedades físico-mecânicas avaliadas nos bioconcretos.

O Capítulo 4: É apresentada a revisão bibliográfica referente aos painéis sanduíches para

“retrofitting” e suas aplicações, além do desenvolvimento e caracterização mecânica dos painéis estudados. Apresenta os resultados das propriedades mecânicas avaliadas nos painéis sanduíches.

Capítulo 5: É apresentada as conclusões do estudo e as sugestões para trabalhos futuros.

(29)

6

2 COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL

2.1 Introdução

Fibras são comumente usadas para reforçar matrizes de baixa resistência à tração e baixa capacidade de absorção de energia após a fratura. Fibras vegetais apresentam vantagem para tal uso devido à sua grande disponibilidade e o custo reduzido para a sua obtenção.

Dentre as mais utilizadas estão a fibra de coco (TOLEDO FILHO, 1997; SAVASTANO JR., 2000; PASSOS, 2005; CARNEIRO, 2010, SILVA et al., 2012), a fibra de curauá (SPINACÉ et al., 2009; LIMA et al., 2011), a fibra de sisal (TOLEDO FILHO, 1997;

SAVASTANO JR., 2000; LIMA, 2004; FERREIRA, 2012; MELO FILHO, 2012, SANTOS, 2014; da GLORIA, 2015), e a fibra de piaçava (SILVA et al., 2013; SOUZA, 2012; SANTOS et al., 2014).

A fibra de sisal é extraída a partir das folhas da planta de sisal (Agave sisalana) (ver Figura 2.1). Apesar de ser nativa do México, o sisal é amplamente cultivado em países tropicais, encontrando no Nordeste brasileiro, as condições adequadas para seu desenvolvimento.

Figura 2.1: Agave sisalana. Fonte: Santos 2013.

O sisal é uma cadeia produtiva importante, principalmente, na região Nordeste do Brasil, onde é o principal produto agroindustrial do semiárido brasileiro. Apesar da elevada capacidade de produção de sisal no Nordeste brasileiro, de acordo com (SILVA et al.,

(30)

7 2008) das folhas do sisal são aproveitados de 3 a 5% do seu peso em fibras e quanto ao restante (resíduos do processo de desfibramento), constitui em média 15% de mucilagem ou polpa (constituído pela cutícula e por tecido paliçádico e parenquimatoso), 1% de bucha (fibras curtas) e 81% de suco (seiva clorofilada).

Quanto a sua morfologia, o comprimento da fibra de sisal é variável entre 100 e 150 cm.

Quanto a sua constituição, as fibras de sisal são formadas basicamente de hemicelulose, lignina e celulose. A hemicelulose e a lignina são compostos amorfos enquanto a celulose apresenta uma estrutura cristalina.

Segundo a literatura a variação da resistência à tração e o módulo de elasticidade estão relacionados diretamente com a quantidade de celulose presente nas fibras uma vez que a celulose é o único componente presente na fibra que se cristaliza (MARTIN et al., 2009).

Na Tabela 2.1 são apresentados os valores de resistência a tração direta e módulo de elasticidade das fibras de sisal utilizadas em algumas pesquisas.

Tabela 2.1: Valores de resistência a tração e módulo de elasticidade da fibra de sisal encontrados por alguns autores.

Autor Tensão (MPa) Módulo de elasticidade (GPa)

Ferreira (2012) 447 19

Santos (2013) 363 20

Silva (2009) 320 18

Savastano Jr. (2000) 378 15

Toledo Filho (1997) 577 19

A variabilidade dos resultados apresentados pode estar associada a constituição de cada fibra, pois os componentes (hemicelulose, lignina e celulose) variam de acordo com a idade da planta e parte da folha onde é retida a fibra.

ROWELL et al. (2000) demonstraram que a composição química de fibras lignocelulósicos influencia as suas propriedades mecânicas e a sua estrutura física, já que o conteúdo de lignina e hemicelulose presente em fibras como a de sisal, tem efeito sobre a resistência à tração destas fibras. Tais efeitos ainda podem estar ligados com a organização das microfibrilas e da parede celular. Na Figura 2.2, é mostrada a estrutura da fibra de sisal.

(31)

8 Figura 2.2: Estrutura da fibra de sisal. Fonte: Ferreira (2012).

2.1.1 Tratamentos para melhorar a interface fibra – matriz

A região interfacial é importante nas propriedades dos compósitos, é através da interface que os esforços atuantes são transmitidos entre a matriz e o reforço.

A baixa adesão e a alta capacidade de absorção de água das fibras de sisal apontam para uma desvantagem no uso da fibra de sisal em compósitos cimentícios. Modificações nas matrizes cimentícias, como o uso de pozolanas, e tratamentos físicos e/ou químicos nas fibras podem ser uma estratégia para reduzir o impacto da baixa adesão fibra – matriz e da instabilidade volumétrica, na zona de transição.

É possível observar na literatura que vários tratamentos nas fibras podem ser usados para corrigir a baixa adesão fibra – matriz e a instabilidade volumétrica. Os tratamentos podem modificar quimicamente a superfície da fibra, aumentar a rugosidade superficial, diminuir a absorção de água, promover modificações morfológicas.

Dentre os tratamentos podemos citar os ciclos de molhagem e secagem, também chamados de hornificação (FERREIRA, 2012, SANTOS, 2013), lavagem alcalina (AGRIZANI et al., 2006; FERRAZ et al., 2011), revestimento com polímeros (KUNDU et al., 2012), acetilação (LOPES et al., 2010), mercerização, aquecimento a 100°C, tratamento com permanganato, benzoilação e silanização (SREEKUMAR et al., 2009).

Uma modificação morfológica importante é a que ocorre no tratamento de hornificação.

SALMÈN et al. (2012), evidenciou que este processo promove uma reorganização na estrutura da fibra e a hemicelulose passa a estar fortemente ligada a celulose. Ou seja, os ciclos de molhagem e secagem provocam um colapso na fibra reduzindo seu diâmetro, e

(32)

9 consequentemente, sua capacidade de absorção de água. Essa característica adquirida pela fibra após a hornificação melhora a adesão fibra-matriz permitindo a produção de compósitos com melhor comportamento mecânico quando comparados aos compósitos produzidos com fibras não hornificadas.

Outro tratamento comumente utilizado é o tratamento alcalino que visa principalmente limpar a superfície das fibras removendo os resíduos provenientes do processo de manufatura das fibras, além de remover parcialmente a hemicelulose e a lignina. A remoção desses componentes promove um melhor empacotamento das cadeias de celulose, responsáveis pela cristalinidade da fibra. Desta forma, o tratamento aumenta a cristalinidade e reduz o diâmetro das fibras (BLEDZKI E GASSAN, 1999).

Os tratamentos térmicos como a molhagem e secagem, ocasionam um enrijecimento da estrutura polimérica presente nos materiais lignocelulósicos e consequentemente uma perda permanente da capacidade de absorção de água da fibra de sisal pela diminuição da variação da seção transversal da fibra, resultando em uma melhor estabilidade dimensional. Os tratamentos químicos visam remover ceras, extrativos, e substâncias não celulósicas modificando da superfície da fibra, aumentando a área de contato e melhorando a adesão entre a fibra e a matriz.

2.1.2 Propriedades dos compósitos cimentícios reforçados com fibras de sisal

A adição de fibras vegetais em matrizes cimentícias tem o objetivo de melhorar seu comportamento mecânico, o qual é frágil sob esforços de tração, e contribuir para prolongar a sua vida útil. O uso de fibras aumenta a capacidade de absorção de energia da matriz (LIMA et al., 2013) e pode incrementar a resistência mecânica do compósito à flexão (BENTUR; MINDESS 1990).

Testes de resistência ao impacto em argamassa reforçada com fibra de sisal, coco e juta relatados por RAMAKRISHNA e SUNDARARAJAN (2005), mostraram que a resistência ao impacto da argamassa reforçada com fibras vegetais foi 3-18 vezes maior do que as argamassas não reforçadas. A resistência ao impacto aumentou à medida que a fração volumétrica (0,5% - 2,0%) e o comprimento das fibras (20 – 40 mm) aumentaram.

A produção de compósitos reforçados com fibras vegetais em escala industrial é restrita devido a necessidade de adaptação dos processos produtivos. Isso porque, a introdução

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10 de fibras vegetais, que são hidrofílicas, causa uma redução da água da mistura, prejudicando a trabalhabilidade e consequentemente a moldagem.

Além de serem hidrofílicas, outro fator que influencia na propriedade dos compósitos é a incorporação de ar durante o processo de mistura que restringe o uso de elevados teores de fibra. O uso de uma matriz com elevada fluidez na produção de compósitos com elevado teor de fibra, melhora o desempenho no estado fresco, pois permite uma dispersão uniforme das fibras, o que é fundamental para uma utilização estrutural ou semiestrutural mais ampla das argamassas reforçadas com fibras. A melhor dispersão das fibras reflete em melhorias nas propriedades mecânicas dos compósitos.

Outros fatores como a utilização de adições minerais, uso de agregado com diâmetro reduzido, superplastificante (SP), agente modificador de viscosidade (VMA) são necessários para produzir compósitos trabalháveis sem exsudação e sem segregação.

SANTOS (2014), em matrizes cimentícias autoadensáveis utilizando agregado reciclado de concreto incorporou 4% e 6% de fibras curtas de sisal com 40 mm, tratadas com 10 ciclos de hornificação. Os compósitos produzidos apresentaram valores de resistência mecânica compatíveis com aqueles relatados na literatura, mas com maior índice de reforço.

FERREIRA (2012) avaliou a consistência de compósitos produzidos com fibras de sisal hornificadas de comprimento 25 mm, e incorporação de 2%, 4% e 6%. Em sua matriz autoadensável o diâmetro máximo do agregado foi de 0,84 mm em uma matriz composta por 33% de cimento, 27% de metacaulinita e 40% de cinza volante. Os compósitos estudados apresentaram índice de consistência (espalhamento) de 312,0 mm, 290,1 mm e 228,2 mm, respectivamente, para os teores citados. Como resultado, a resistência à compressão diminuiu com o aumento do teor de fibra de sisal, mas com intensidade menor do que a observada por LIMA (2004), o que indicou uma melhor homogeneidade das misturas quando uma matriz autoadensável foi utilizada.

FERRARA et al. (2007), enfatizou em seu estudo, que a adição de fibras em concreto autoadensável apresenta vantagem no estado fresco, pois consegue uma dispersão mais uniforme das fibras, o que é fundamental para uma utilização estrutural desse tipo de compósito. A compacidade da matriz autoadensável, devido à maior quantidade de partículas finas e extrafinas, pode melhorar as propriedades da zona de interface e, consequentemente, também a aderência fibra-matriz, levando a um aumento da resistência pós-pico e a capacidade de absorção de energia.

(34)

11 Os avanços encontrados no desenvolvimento desse tipo de compósito, com o uso de fibras curtas representa mais um avanço para a comunidade científica, no entanto, a ampliação dos estudos sempre é necessária para evidenciar e demonstrar ainda mais a viabilidade e as vantagens deste tipo de material.

2.1.3 Durabilidade dos compósitos cimentícios reforçados com fibra de sisal

A eficiência das fibras de sisal nos compósitos cimentícios a longo prazo está diretamente ligada a migração de produtos de hidratação, principalmente o hidróxido de cálcio, que é facilmente lixiviado e precipitado para os lúmens da fibra. O ambiente alcalino da matriz cimentícia propicia a deterioração das ligações entre as células fibrosas destruindo o arranjo estrutural, decompondo a fibra em partes menores, consequentemente perdendo a sua capacidade de reforço.

O desenvolvimento de uma matriz livre de hidróxido de cálcio mostra-se eficiente para resolver o problema da mineralização da fibra, isto é possível porque com o uso de materiais pozolânicos (em substituição parcial do cimento) consomem o hidróxido de cálcio presente na matriz de cimento (TOLEDO FILHO et al., 2003; LIMA 2004; SILVA et al., 2010; FIDELIS, 2014).

A durabilidade dos compósitos cimentícios com fibras curtas de sisal foi estudada por MELO FILHO (2012) em matrizes livre de hidróxido de cálcio. O autor submeteu amostras dos compósitos a ciclos de molhagem e secagem (5, 10, 15, 20 e 25) como também submeteu amostras ao envelhecimento em salas climatizadas por um período de cinco anos. Foi possível observar que, mesmo após 25 ciclo de molhagem e secagem os compósitos apresentaram resistência mecânica de 21 MPa (tensão última) com formação de múltiplas fissuras e grande capacidade de absorção de energia. Quanto aos compósitos envelhecidos em sala climatizada o comportamento mecânico foi de 34 MPa na tensão última e tenacidade de 18 kJ/m².

A durabilidade de compósitos reforçados com fibras longas de sisal foi estudada por SILVA et al., (2010), a condição de envelhecimento acelerado deu-se através da imersão dos compósitos em água quente (60°C). O autor identificou que após seis meses na condição de envelhecimento, os compósitos apresentaram comportamento de múltipla fissuração na flexão além de apresentar os mesmos valores de tensão de ruptura e

(35)

12 tenacidade dos compósitos que não foram submetidos ao envelhecimento. A matriz utilizada pelo referido era de baixo teor de hidróxido de cálcio.

Outra forma de avaliar a durabilidade dos compósitos é através do envelhecimento natural. TONOLI et al., (2011), avaliou as mudanças que ocorrem na microestrutura e na composição química de telhas reforçadas com fibras lignocelulósicas, quando estas foram expostas a quatorze anos de envelhecimento natural. Os resultados mostraram que as telhas submetidas ao envelhecimento natural apresentaram maior absorção de água e volume de vazios quando comparadas com as telhas que ficaram acondicionadas em laboratório, tal fato foi atribuído a lixiviação dos produtos hidratados menos estáveis. Os autores observaram que a interface fibra matriz foi danificada pelas tensões causadas pela variação dimensional da fibra.

Pode-se afirmar então, que a durabilidade dos compósitos cimentícios reforçados com fibras vegetais está associada a modificações na matriz cimentícia, que melhoram a compatibilidade entre a fibra e a matriz, e aos métodos de envelhecimento utilizados.

2.2 Desenvolvimento dos compósitos com fibra curta de sisal

O uso do “tradicional” concreto armado como faces de painéis sanduíches induz fabricação de painéis espessos e pesados devido à necessidade de cobrir as armaduras. A substituição das barras de aço por fibras de alta rigidez (carbono, vidro...) não sujeitas à corrosão, e usando concreto com diâmetro máximo de agregados entre 1 e 2 mm, facilitam a produção de concreto com espessura inferior a 1 cm (FINZEL E HÄUSSLER-COMBE 2010).

O uso de reforço vegetal nas faces de painéis sanduíches possibilita a fabricação de materiais de baixo peso e dependendo da constituição e do tipo de núcleo utilizado os painéis produzidos a partir dessa configuração poderiam ser utilizados como painel estrutural, para vedação, isolamento termo acústico e também retrofit.

Argamassas cimentícias reforçadas com fibras vegetais resultam em um material adequado para uso em painéis sanduíche, no entanto, devido a elevada absorção de água das fibras, a exposição do painel às variações de umidade ao longo do tempo pode resultar em perda de aderência fibra-matriz e consequentemente prejudicar o desempenho mecânico e a durabilidade destas argamassas. Devido a isso, tratamentos como molhagem e secagem e tratamentos químicos têm sido aplicados em fibras vegetais para reduzir sua absorção de água e variação dimensional.

(36)

13 O objetivo desta seção é a avaliar o efeito do tratamento térmico (hornificação) e químico em fibras curtas de sisal nas propriedades físicas e mecânicas de compósitos. Foram avaliados compósitos reforçados com 2%, 3% e 4% de fibras de sisal, submetidas a 5 ciclos de molhagem e secagem e ao tratamento com hidróxido de cálcio.

2.2.1 Materiais e Métodos

2.2.1.1 Caracterização dos materiais

Para a produção da matriz de argamassa e dos compósitos foram utilizados os seguintes materiais: (i) Cimento Portland CPV ARI Fácil fabricado pela Holcim; (ii) Cinza volante comercializada pela Pozo Fly – Comércio de Cinzas Lima Ltda; (iii) Metacaulinita comercialmente vendida pela Metacaulim do Brasil Indústria e Comércio Ltda; (iv) Sílica ativa produzida por Dow Corning Metais do Pará Indústria e Comércio Ltda; (v) Areia de rio passante pela peneira 600μm; (vi) Fibra de sisal; (vii) Superplastificante; (viii) Agente modificador de viscosidade; (ix) Água.

O superplastificante utilizado foi o Master Glenium 51 da BASF com formulação a base de éter policarboxilato e teor de sólidos de 31%. A massa especifica é de 1,055 – 1,085 g/cm³ e pH entre 6 – 8, informações fornecidas pelo fabricante.

O agente modificador de viscosidade foi o Rheomac UW 410 (VMA), um produto com base química de polímeros de celulose de alto peso molecular em forma de pó branco. A água foi proveniente da rede de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro.

2.2.1.1.1 Composição química

Para a determinação da composição química foi utilizado um espectrômetro de energia dispersiva de raios X (EDS), modelo EDX-720 da Shimadzu, com tubo de ródio e detector de silício-lítio (SiLi) resfriado por nitrogênio líquido do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ. Os resultados são dados em percentuais dos óxidos, apresentados na Tabela 2.2.

(37)

14 Tabela 2.2: Composição química dos aglomerantes utilizados.

Cimento (%)

Cinza volante (%)

Metacaulinita (%)

Sílica ativa (%)

CaO 68,970 1,940 - 0,520

SiO2 14,950 52,240 51,850 94,910

Al2O3 4,700 33,800 41,690 1,910

SO3 4,290 1,790 1,090 1,590

Fe2O3 3,500 4,910 1,910 0,100

K2O 0,980 3,440 1,890 0,860

Outros

componentes 0,574 0,103 0,015 0,053

2.2.1.1.2 Granulometria

A distribuição granulométrica dos aglomerantes foi obtida por meio do ensaio de granulometria a laser realizado no equipamento Malvern Mastersizer® 2000. Para realização do ensaio a amostra do cimento foi dispersa em álcool etílico por não reagir quimicamente com o cimento. As amostras de cinza, metacaulinita e sílica foram dispersas em água deionizada. A quantidade de material utilizado foi a necessária para atingir uma taxa de obscuração entre 10 e 20%, a velocidade de agitação foi de 1500 rpm e o tempo de dispersão de 5 min. A Figura 2.3, apresenta as curvas granulométricas desses materiais.

Figura 2.3: Curva granulométrica dos aglomerantes.

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15 É possível observar que a sílica ativa apresentou um D50 maior que as partículas de cimento indicando a possibilidade de aglomeração e, que, a velocidade de agitação utilizada não foi suficiente para dispersar de forma eficiente as partículas de sílica ativa.

O agregado miúdo natural utilizado foi uma areia de rio. A granulometria foi realizada em agitador mecânico de marca Mesh, em peneiras de abertura de (em mm): 0,600; 0,425;

0,300; 0,212; 0,150; 0,106; 0,075; 0,053. A curva da distribuição granulométrica do agregado miúdo é mostrada na Figura 2.4. Com diâmetro Dmáx = 0,6 mm e módulo de finura MF = 1, o agregado miúdo foi classificado como fino.

Figura 2.4: Curva granulométrica do agregado miúdo.

2.2.1.1.3 Massa específica

A massa específica dos aglomerantes e do agregado miúdo foi determinada no picnômetro de gás hélio AccuPyc1340 marca Micromeritics® do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ. Os valores das massas específicas dos materiais constam na Tabela 2.3.

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16 Tabela 2.3: Massa específica dos materiais utilizados.

Materiais Massa específica (g/cm³)

Cimento 3,18

Cinza Volante 2,16 Metacaulinita 2,81 Sílica ativa 2,39

Areia 2,67

2.2.1.2 Beneficiamento e tratamento das fibras

2.2.1.2.1 Tratamento térmico e químico das fibras de sisal

A fibra de sisal utilizada nesta pesquisa foi fornecida pela Associação de Desenvolvimento Sustentável e Solidário da Região Sisaleira (APAEB), do município de Valente, Bahia. Antes de serem tratadas e utilizadas no processo de moldagem dos compósitos, as fibras de sisal foram lavadas em água quente (T~50°C), por 1 hora, e posteriormente, lavadas em água corrente. Essa etapa de pré-tratamento visa remover resíduos de mucilagem proveniente do desfibramento da folha de sisal. É importante salientar que, para evitar um choque térmico nas fibras, foi necessário deixar que esfriassem até atingirem a temperatura ambiente antes de serem lavadas em água corrente.

Os tratamentos empregados nesta pesquisa foram molhagem e secagem, também conhecido como hornificação e o tratamento alcalino (a base de hidróxido de cálcio) como mostra a Figura 2.5.

Figura 2.5: Fluxograma dos tratamentos utilizados nas fibras de sisal.

O processo de tratamento por hornificação consiste em submeter as fibras a ciclos de molhagem e secagem. Cada ciclo é composto pela imersão das fibras em água (T~23°C) por três horas, tempo necessário para atingirem 100% de saturação, seguido pela secagem em estufa com rampa de aquecimento de 1°C/mim e permanência de 16 horas a 80°C.

Foram realizados 5 ciclos de molhagem e secagem, conforme dados de FERREIRA

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17 (2016). Após esta etapa as fibras foram novamente saturadas e secas na temperatura ambiente (T = 23 ± 2°C) e umidade entre 85 – 95%.

O tratamento alcalino baseou-se no estudo de FERREIRA (2016), que, consistiu em imergir as fibras de sisal em uma solução de Hidróxido de Cálcio - Ca(OH)2,a 0,73%, produzida em laboratório com água deionizada, o tempo de imersão foi de 50 min. Após o tratamento as fibras foram separadas: uma parte foi lavada em água corrente para a retirada do excesso de hidróxido de cálcio da superfície da fibra, e a outra parte não foi lavada para manter a superfície da fibra saturada com hidróxido de cálcio. Após o tratamento e lavagem (quando aplicada), as fibras foram então secas sob as mesmas condições do tratamento de hornificação.

2.2.1.3 Caracterização das fibras

2.2.1.3.1 Análise termogravimétrica

A análise termogravimétrica foi realizada na fibra in natura e nas fibras tratadas. As análises foram realizadas no equipamento modelo SDT Q600 TGA/DTA/DSC simultâneo da TA Instruments do Laboratório de Estruturas e Materiais da COPPE/UFRJ.

As amostras foram submetidas a uma taxa de aquecimento de 10°C/min até 1000°C em atmosfera de nitrogênio e vazão do gás de arraste de 100 mL/min.

2.2.1.3.2 Difração de raio X (DRX)

As medidas de DRX foram realizadas em difratômetro Bruker D8 Focus. A intensidade difratada da radiação foi medida em uma faixa de 2θ entre 10° e 40° com um tamanho de passo de 0,05° a 3°/min. Para a preparação da amostra, as fibras foram cortadas com tesoura em comprimentos inferiores a 1 mm.

O índice de cristalinidade (Crl) foi calculado utilizando os valores de intensidade correspondentes à difração da estrutura cristalina e à fração amorfa, de acordo com a Equação 2.1:

Crl (%) =^{𝐼𝑐𝑟−𝐼𝑎𝑚}

𝐼𝑐𝑟

𝑥 100

Equação 2.1

Onde:

Icr: é a intensidade do pico cristalino no valor máximo (2θ entre 22° e 23°);

Iam: é a intensidade no valor mínimo (2θ entre 18° e 19°).