Durabilidade de perfis pultrudidos de poliéster reforçado
com fibras de vidro (GFRP) utilizados em reabilitação
Bruno Miguel Abreu da Silva
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente:
Prof. Doutor Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito
Orientador:
Prof. Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia
Co-orientador:
Doutora Susana Bravo Cabral da Fonseca
Vogal:
Prof. Doutor Pedro Miguel Dias Vaz Paulo
Vogal:
Doutor João Eduardo Pereira Custódio
Durabilidade de perfis pultrudidos de poliéster reforçado
com fibras de vidro (GFRP) utilizados em reabilitação
Bruno Miguel Abreu da Silva
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Dissertação elaborada no âmbito do protocolo de cooperação
entre o IST e o LNEC
Júri
Presidente:
Prof. Doutor Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito
Orientador:
Prof. Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia
Co-orientador:
Doutora Susana Bravo Cabral da Fonseca
Vogal:
Prof. Doutor Pedro Miguel Dias Vaz Paulo
Vogal:
Doutor João Eduardo Pereira Custódio
Resumo
Os perfis pultrudidos reforçados com fibras de vidro, usualmente denominados de perfis de GFRP (do inglês, Glass Fibre Reinforced Polymer) são materiais compósitos constituídos por uma resina polimérica, reforçada com fibras de vidro e produzidos por um processo de pultrusão. Enquadram-se no grupo dos materiais plásticos reforçados com fibras, geralmente intitulados de FRP (do inglês,
Fibre Reinforced Polymer).
A presente dissertação teve como objectivo a análise da durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP com matriz de poliéster insaturado, utilizados na Engenharia Civil. A investigação realizada procurou caracterizar mecânica e fisicamente os efeitos resultantes da exposição a diversos ambientes de envelhecimento, ao longo do tempo.
Foram submetidos provetes obtidos dos perfis de GFRP aos agentes de degradação ambiental com maior incidência em infraestruturas de Engenharia Civil, tais como a temperatura elevada, a humidade, a água salgada, entre outros, através da exposição a ambientes de imersão em soluções aquosas, de condensação em contínuo ou de envelhecimento natural.
Ao longo de toda a campanha experimental, foi monitorizada a evolução do desempenho do material através de um conjunto de ensaios normalizados. Os resultados obtidos demonstraram uma redução significativa das propriedades mecânicas, amplamente relacionada com a humidade e com o aumento da temperatura.
Alguns dos efeitos de degradação apresentaram um carácter temporário, corroborados pelos resultados explícitos da análise de reversibilidade da exposição à humidade. Parte da redução do desempenho provocada pelos agentes de degradação demonstrou ser reversível, findo o período de exposição.
A exposição directa das faces cortadas dos provetes durante a fase de preparação, em comparação com provetes cujas faces foram protegidas, não permitiu concluir de forma clara que os resultados obtidos para os provetes sem as faces protegidas possam ser demasiado conservativos.
Palavras-chave
GFRP Materiais compósitos
Polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP) Polímeros reforçados com fibras (FRP)
Durabilidade
Abstract
Glass fibre reinforced polymer pultruded profiles, also known as GFRP, are composite materials constituted by a polymeric resin, reinforced with glass fibres and produced by a pultrusion process. These materials are included in the fibre reinforced polymer group, also designated FRP.
The main objective of this dissertacion was to study the durability of GFRP pultruded profiles with unsaturated polyester matrix used in civil engineering applications. The experimental research intended to characterize the mechanical and the physical effects on the GFRP material due to the exposure to a variety of ageing environments over time.
Samples of specimens taken from the GFRP profiles were submitted to some of the most relevant environmental agents to which civil engineering structures are subjected to such as, temperature, moisture, salt water, among others, by means of the exposure to aqueous immersion environments, continuous condensation and natural ageing.
During the experimental campaign, standard tests were made to monitor the GFRP behaviour variation. The results have shown that a significant reduction of the mechanical proprieties occurs, largely related to the moisture and temperature effects.
Some degradation effects have shown a temporary character, supported by results obtained from a reversible behaviour analysis, after a moisture exposure period. The analysis demonstrated the reversible part of the properties that were reduced during the ageing period.
The experimental study in which the unprotected cut parts of the specimens were coated did not provide clear data to substantially conclude that exposing specimens with some parts unprotected leads to too conservative results.
Keywords
GFRP Composite materials
Glass fibre reinforced polymer (GFRP) Fibre reinforced polymer (FRP) Durability
Agradecimentos
Todo o trabalho de investigação e pesquisa do qual resultou a presente dissertação foi possível devido ao incentivo e ao apoio de um conjunto de pessoas que não poderei deixar de mencionar e a quem desejo prestar o meu mais sincero agradecimento.
Agradeço profundamente ao Professor Doutor João Correia e à Engenheira Susana Cabral Fonseca por todo o apoio, incentivo, aconselhamento, espírito crítico e dedicação, realçando a perseverança e a disponibilidade, que foram essenciais para a conclusão deste trabalho. Quero ainda agradecer a sinceridade, o rigor e a transmissão de conhecimento, que em muito contribuiu para o enriquecimento da dissertação.
Ao meu colega João Sousa, que desenvolveu um tema de investigação paralelo, pelo seu apoio, disponibilidade e prontidão, companheiro durante toda a fase de preparação do material e durante o período de ensaios e de monitorização.
Ao pessoal do Núcleo de Materiais Orgânicos do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em especial, à Senhora Filomena Nobre, ao Engenheiro Hugo Martins, ao Técnico Nuno Silvestre e aos Senhores Miguel Fernandes e Rui Ventosa, pelo acompanhamento e amizade durante a preparação e ensaio do material.
Ao pessoal técnico do Laboratório de Construção do Instituto Superior Técnico, nomeadamente ao Senhor Leonel Silva pela disponibilidade e apoio durante os ensaios.
À empresa ALTO – Perfis Pultrudidos Lda pelo fornecimento dos perfis de GFRP com matriz de poliéster utilizados na investigação.
Aos meus amigos que me acompanharam e apoiaram durante esta jornada, pelo seu apoio e incentivo, principalmente nas alturas mais difíceis nas quais sempre me influíram a continuar. Um agradecimento especial ao meu amigo e camarada de longa data Nuno João, pelas suas sugestões e pelo auxílio durante a pesquisa bibliográfica.
À minha família, em especial aos meus pais João e Adélia, ao meu irmão João Carlos e aos meus avós Florinda, Maria e Joaquim, pelo incentivo, motivação e orientação não apenas durante o período de elaboração da dissertação, como também pela presença ao longo dos anos.
À minha prima Carla Abreu pelas suas sugestões construtivas.
Um agradecimento especial à minha amiga, companheira e cara-metade Tânia por todo o seu apoio, motivação, valor e carinho, levando-me sempre a acreditar que é possível.
Ao meu filhote Tomás, pela sua irreverência e personalidade. A minha fonte de motivação e inspiração, e a quem eu dedico este trabalho.
Por fim, ao meu amigo Daniel Simões, por todos os momentos que partilhámos e por todos os que gostaria que partilhássemos, ficando presente o seu sentido de dedicação e o seu patriotismo.
Lista de símbolos
Letras romanas
b largura do provete h espessura do provete s deslocamento em flexão f frequênciaA área da secção transversal do provete
E’ módulo de armazenamento em flexão
E’’ módulo de perda em flexão
Et módulo de elasticidade em tracção
F força aplicada em flexão
FSBS tensão de corte interlaminar
FT força aplicada em tracção
Fu força de rotura ao corte interlaminar
L comprimento do provete
Tg temperatura de transição vítrea
Wi valor da massa medida no dia i
Wi-1 valor da massa medida no dia anterior i-1
Letras gregas
δ ângulo de fase
1
deformação igual a 0,0005 em tracção2
deformação igual a 0,0025 em tracçãoεA amplitude inicial do ciclo de deformação
εf deformação em flexão
εt deformação em tracção
ε(t) deformação dinâmica
ζ2 tensão correspondente à extensão
2ζA amplitude inicial do ciclo de tensão
ζf tensão de rotura à flexão
ζt tensão à tracção
Índice geral
1. Introdução ... 1 1.1 Enquadramento geral ... 1 1.2 Objectivos da dissertação ... 3 1.3 Organização da dissertação ... 5 1.4 Bibliografia ... 62. Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP ... 9
2.1 Introdução ... 9
2.2 Principais materiais ... 10
2.2.1 Fibras de reforço ... 10
2.2.2 Matriz polimérica ... 13
2.2.3 Material de enchimento (“cargas”) ... 14
2.2.4 Aditivos ... 15
2.2.5 Adesão fibra-matriz ... 15
2.3 Processo de fabrico por pultrusão ... 16
2.4 Propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP ... 18
2.5 Vantagens e dificuldades na aplicação de perfis pultrudidos GFRP ... 20
2.6 Áreas de aplicação de materiais FRP na construção ... 21
2.7 Bibliografia ... 27
3. Durabilidade dos perfis pultrudidos de GFRP ... 31
3.1 Introdução ... 31
3.2 Definição de durabilidade ... 32
3.3 Principais agentes de degradação ... 33
3.3.1 Humidade e ambientes aquosos... 33
3.3.1.1 Efeitos na matriz polimérica ... 34
3.3.1.2 Efeitos nas fibras de vidro ... 35
3.3.1.3 Efeitos na interface matriz-fibras... 36
3.3.2 Ambientes alcalinos ... 37 3.3.3 Temperatura ... 39 3.3.4 Efeitos higrotérmicos ... 42 3.3.5 Fluência ... 43 3.3.6 Fadiga ... 45 3.3.7 Fogo ... 46
3.3.8 Exposição à radiação ultravioleta (UV) ... 48
4. Campanha experimental ... 55
4.1 Introdução ... 55
4.2 Programa experimental... 56
4.2.1 Estudo prévio da campanha experimental ... 57
4.2.2 Organização da campanha experimental ... 59
4.3. Material ... 60
4.3.1. Perfis pultrudidos de GFRP ... 60
4.3.2 Preparação dos provetes ... 61
4.3.2.1 Corte dos provetes ... 61
4.3.2.2 Identificação ... 63
4.3.2.3 Processo de aplicação do revestimento de protecção ... 64
4.3.2.4 Processo de secagem ... 65
4.4 Ambientes de exposição ... 67
4.4.1 Envelhecimento por imersão ... 68
4.4.2 Condensação em contínuo a 40 ºC ... 70
4.4.3 Envelhecimento natural ... 71
4.4.4 Monitorização e metodologia de controlo ... 72
4.4.5 Procedimento após o período de exposição dos provetes ... 72
4.5 Caracterização do material ... 73
4.5.1 Variação de massa ... 74
4.5.2 Análise mecânica dinâmica (DMA) ... 75
4.5.3 Ensaios mecânicos ... 78
4.5.3.1 Ensaio de corte interlaminar ... 78
4.5.3.2 Ensaio de flexão ... 81
4.5.3.3 Ensaio de tracção ... 82
4.6 Bibliografia ... 84
5. Resultados e discussão ... 87
5.1 Caracterização inicial do material GFRP ... 87
5.2 Absorção de água ... 87
5.3 Análise mecânica dinâmica (DMA) ... 92
5.4 Resultados dos ensaios mecânicos ... 97
5.4.1 Ensaio de corte interlaminar ... 97
5.4.2 Ensaio de flexão ... 98
5.4.3 Ensaio de tracção ... 101
5.5 Discussão dos resultados dos ensaios mecânicos ... 105
5.5.1 Envelhecimento dos provetes da fase 1 ... 105
5.5.3 Envelhecimento dos provetes de secagem ... 111
5.5.4 Envelhecimento natural ... 113
5.6 Conclusões ... 115
5.7 Bibliografia ... 118
6. Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros... 121
6.1 Conclusões ... 121
6.2 Perspectivas de desenvolvimentos futuros ... 126
Anexos ... A.1
Anexo 1 – Caracterização inicial do material GFRP ... A.2 Anexo 2 – Absorção de água ... A.3 Anexo 3 – Análise mecânica dinâmica (DMA)... A.8 Anexo 4 – Ensaio ao corte interlaminar ... A.16 Anexo 5 – Ensaio à flexão ... A.27 Anexo 6 – Ensaios à tracção ... A.48 Anexo 7 – Ficha técnica do ligante epóxido de protecção ... A.65
Índice de figuras
2. Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP
Figura 2.1 – Motivos que tem potenciado a aplicação de materiais compósito FRP ... 9
Figura 2.2 – Processo de fabrico por pultrusão ... 17
Figura 2.3 – Secções transversais de perfis de GFRP produzidos por pultrusão ... 17
Figura 2.4 – Relação tensão-deformação de materiais com funcionalidade estruturais... 19
Figura 2.5 – Tensão de rotura à tracção e módulo de elasticidade de materiais com funcionalidade estrutural ... 19
Figura 2.6 – Propriedades físicas de materiais com funcionalidade estrutural ... 20
Figura 2.7 – Escada sobre a cobertura da Estação do Rossio ... 22
Figura 2.8 – Passadiço e guarda-corpos sobre os tanques do Oceanário de Lisboa ... 22
Figura 2.9 – Passadiço na linha férrea da ponte 25 de Abril ... 22
Figura 2.10 – Cobertura no centro comercial Colombo ... 22
Figura 2.11 – Betonagem de um tabuleiro de uma ponte em Greene County, Missouri, nos Estados Unidos da América, reforçado com uma malha de perfis de GFRP... 23
Figura 2.12 – Ponte em Lérida ... 23
Figura 2.13 – Ponte em Kolding ... 23
Figura 2.14 – Edifício Eyecatcher ... 24
Figura 2.15 – Construção estrutura de uma torre de arrefecimento in situ em perfis GFRP ... 25
Figura 2.16 – Estrutura modular de uma torre de arrefecimento em GFRP ... 25
Figura 2.17 – Cobertura de um tanque da ETAR de Vilamoura... 25
Figura 2.18 – Estrutura de uma cobertura da fábrica da Portucel em Setúbal ... 25
Figura 2.19 – Reabilitação do tecto do castelo de Wörlitz ... 26
3. Durabilidade dos perfis pultrudidos de GFRP Figura 3.1 – Esquema da aplicação dos conceitos de durabilidade e tolerância à degradação ... 32
4. Campanha experimental Figura 4.1 – Nomenclatura relativa às dimensões dos provetes... 57
Figura 4.2 – Guarda-corpos em perfis pultrudidos de GFRP ... 61
Figura 4.3 – Tipos de provete cortados ... 62
Figura 4.4 – Região viável para obtenção de provetes numa secção do perfil tubular... 62
Figura 4.5 – Identificação tipo de um provete... 63
Figura 4.6 – Provete protegido e provete totalmente revestido ... 65
Figura 4.7 – Estufa de secagem dos provetes ... 66
Figura 4.8 – Provetes em imersão ... 70
Figura 4.9 – Provetes em condensação em contínuo ... 71
Figura 4.10 – Provetes em envelhecimento natural ... 71
Figura 4.12 – Provete viajante ... 75
Figura 4.13 – Balança Mettler AE240 ... 75
Figura 4.14 – Equipamento utilizado no ensaio de DMA ... 77
Figura 4.15 – Craveira digital Absolute Digimatic ... 79
Figura 4.16 – Prensa hidráulica Seidner Form Test ... 80
Figura 4.17 – Unidade de aquisição de dados Spider 8 ... 80
Figura 4.18 – Estado do provete após ensaio de corte interlaminar ... 80
Figura 4.19 – Estado do provete após o ensaio de flexão ... 82
Figura 4.20 – Equipamento Instron 4803 utilizado no ensaio à tracção e extensímetro acopolado . 84 5. Resultados e discussão Figura 5.1 – Curvas de absorção dos provetes viajantes ao longo do tempo de envelhecimento acelerado ... 88
Figura 5.2 – Curvas de absorção dos provetes viajantes da fase 2 ao longo do tempo de envelhecimento acelerado ... 88
Figura 5.3 – Evolução da Tg dos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 93
Figura 5.4 – Evolução da Tg dos provetes da fase 2 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em condensação em contínuo ... 94
Figura 5.5 – Curvas relativas ao E’, ao E’’ e à tan δ de um provete protegido e de um provete da fase 1 imersos em água desmineralizada a 40 ºC durante 6 meses ... 95
Figura 5.6 – Evolução da Tg dos provetes em envelhecimento natural ... 96
Figura 5.7 – Evolução da tensão de rotura ao corte interlaminar nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 97
Figura 5.8 – Variações da tensão de rotura ao corte interlaminar nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 98
Figura 5.9 – Tensão de rotura ao corte interlaminar de provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 98
Figura 5.10 – Evolução da tensão de rotura em flexão nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 99
Figura 5.11 – Evolução da deformação de rotura em flexão nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 99
Figura 5.12 – Evolução do módulo de elasticidade em flexão nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 99
Figura 5.13 – Variações da tensão de rotura em flexão nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 100
Figura 5.14 – Variações da deformação na rotura em flexão nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 100
Figura 5.15 – Variações do módulo de elasticidade em flexão nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 100
Figura 5.16 – Variações da tensão de rotura em flexão nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 101 Figura 5.17 – Variações da deformação na rotura em flexão nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 101 Figura 5.18 – Variações do módulo de elasticidade em flexão nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 101 Figura 5.19 – Evolução da tensão de rotura em tracção nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 102 Figura 5.20 – Evolução da deformação de rotura em tracção nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 102 Figura 5.21 – Evolução do módulo de elasticidade em tracção nos provetes da fase 1 envelhecidos por imersão em água desmineralizada e em solução salina ... 102 Figura 5.22 – Variações da tensão de rotura em tracção nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 103 Figura 5.23 – Variações da deformação na rotura em tracção nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 103 Figura 5.24 – Variações do módulo de elasticidade em tracção nos provetes da fase 1 e fase 2 envelhecidos durante 6 meses ... 103 Figura 5.25 – Variações da tensão de rotura em tracção nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 104 Figura 5.26 – Variações da deformação na rotura em tracção nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 104 Figura 5.27 – Variações do módulo de elasticidade em tracção nos provetes em envelhecimento natural durante 12 meses ... 104
Índice de quadros
2. Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP
Quadro 2.1 – Propriedade das fibras comercializadas e utilizadas no fabrico de FRP ... 11
Quadro 2.2 – Características dos principais tipos de fibras de vidro comercializadas ... 12
Quadro 2.3 – Propriedades físicas e mecânicas de resinas termoendurecíveis ... 14
Quadro 2.4 – Propriedades mecânicas de perfis pultrudidos GFRP comercializados... 18
4. Campanha experimental Quadro 4.1 – Ensaios a realizar e respectivas normas e dimensões dos provetes ... 58
Quadro 4.2 – Quantidade de provetes para a fase 2 ... 58
Quadro 4.3 – Programa experimental ... 60
Quadro 4.4 – Método de identificação dos provetes por tipo de ensaio ... 63
Quadro 4.5 – Método de identificação dos provetes por ambiente de envelhecimento, temperatura e fase da investigação ... 64
Quadro 4.6 – Tipo de provete analisado para cada ambiente de exposição ... 68
Quadro 4.7 – Provetes viajantes ... 74
5. Resultados e discussão Quadro 5.1 – Valores das tensões de rotura ao corte interlaminar, à flexão e à tracção dos provetes da fase 1 ... 105
Quadro 5.2 – Valores da deformação e do módulo de elasticidade na rotura dos provetes da fase 1 ... 107
Quadro 5.3 – Valores das tensões de rotura ao corte interlaminar, à flexão e à tracção dos provetes protegidos ... 109
Quadro 5.4 – Valores da deformação e do módulo de elasticidade na rotura dos provetes protegidos ... 109
Quadro 5.5 – Valores da tensão de rotura ao corte interlaminar e à flexão dos provetes de secagem ... 111
Quadro 5.6 – Valores da deformação e do módulo de elasticidade na rotura dos provetes de secagem ... 112
Quadro 5.7 – Valores das tensões de rotura ao corte interlaminar, à flexão e à tracção dos provetes em envelhecimento natural ... 113
Quadro 5.8 – Valores da deformação e do módulo de elasticidade na rotura dos provetes em envelhecimento natural ... 114
1. Introdução
1.1 Enquadramento geral
A durabilidade dos materiais tradicionais aplicados na construção tem influenciado as práticas de dimensionamento e a própria regulamentação em vigor [1.1]. As limitações de durabilidade, particularmente do aço e do betão armado, aliadas aos exigentes e crescentes ritmos de construção têm tido um efeito impulsionador no desenvolvimento de novos materiais estruturais [1.2;1.3].
No caso dos E.U.A., verifica-se que actualmente uma grande variedade de infra-estruturas de apoio à rede de transportes e com finalidade habitacional, construídas durante um largo período de expansão entre 1950 e 1970, estão a atingir um período de vida crítico devido a sinais de deterioração e de funcionalidade reduzida. Este facto advém da agressão de agentes ambientais, do envelhecimento dos componentes estruturais, do aumento de tráfego no caso de infra-estruturas de apoio rodoviário, do conhecimento insuficiente do impacte da durabilidade dos materiais na fase de dimensionamento e da ausência de planos de manutenção ou do recurso a medidas de manutenção ou de reabilitação inadequadas, ao longo do período de vida da estrutura. A consequente diminuição da capacidade funcional das infra-estruturas devido à deterioração resulta em impactes sócio-económicos relevantes, que deverão ser minorados e o seu aparecimento retardado [1.4]. São aliás as reabilitações crescentes a nível estrutural de diversas infra-estruturas que impulsionaram a necessidade de elaborar planos de inspecção e manutenção para novas estruturas, de modo a prolongar a sua durabilidade [1.5].
É neste contexto que os materiais plásticos reforçados com fibras (FRP, do inglês, fibre reinforced
polymer) têm vindo a surgir como uma alternativa no sector da construção. No caso particular de
perfis pultrudidos de GFRP (do inglês, glass fibre reinforced polymer), têm sido diversas as áreas de aplicação. Numa fase primordial, os perfis foram aplicados quase exclusivamente em elementos não estruturais ou em estruturas secundárias, onde algumas das suas vantagens potenciais eram evidentes face aos materiais tradicionais. Contudo, nos últimos anos, o número de aplicações em estruturas primárias tem vindo aumentar, quer em novas obras de coberturas, edifícios, pontes pedonais e rodoviárias, quer em obras de reabilitação, sobretudo na substituição de elementos estruturais degradados, tanto em edifícios, como em pontes [1.1;1.3].
Os perfis de GFRP têm demonstrado um elevado potencial, apresentando como vantagens as elevadas relações rigidez/peso próprio, as elevadas relações resistência/peso próprio, o reduzido peso próprio, a durabilidade em ambientes agressivos e quimicamente adversos, a resistência à fadiga e à corrosão, a transparência electromagnética, o bom isolamento eléctrico e a possibilidade do processo de fabrico por pultrusão permitir a produção de diversas formas estruturais [1.1;1.6].
1. INTRODUÇÃO
No entanto, alguns obstáculos têm retardado a aceitação dos perfis de GFRP [1.1]. A utilização de FRP na construção de navios, gasodutos, tanques de armazenamento e em equipamento quimicamente resistente utilizado na indústria petrolífera comprova o desempenho do material em ambientes severos e corrosivos [1.3]. Contudo, no sector da construção, donos de obra e engenheiros civis exigem dados mais abrangentes e concretos sobre a durabilidade do material, visto que é expectável que o material garanta as suas características estruturais durante um período de vida superior a 50 anos, estando sujeito às condições de serviço previstas e aos diversos agentes de degradação e respectivos efeitos sinergéticos [1.1;1.2;1.4]. Questões técnicas como a deformabilidade, a susceptibilidade a fenómenos de instabilidade e as ligações entre perfis GFRP reforçam a necessidade de se aprofundar o conhecimento sobre as características dos compósitos de GFRP [1.1].
O custo inicial dos perfis de GFRP é outro factor que minora a competitividade em relação aos materiais tradicionais. Contudo, a durabilidade, aliada ao reduzido peso próprio do material, e à consequente facilidade de aplicação e redução do peso próprio das estruturas, pode contribuir para a competitividade do material GFRP tendo em conta o seu custo efectivo e beneficiando da redução dos custos de manutenção e do aumento do período de vida útil da estrutura [1.7].
A durabilidade é identificada por diversos autores como uma das lacunas mais críticas entre o conhecimento necessário e o conhecimento adquirido. Os estudos realizados sobre este tema são ainda reduzidos e os resultados apresentados por vezes divergentes. Em determinadas situações, as condições dos ambientes de envelhecimento acelerado têm sido demasiado exigentes, originando uma degradação excessiva e estimativas relativas à durabilidade do material GFRP demasiado conservativas [1.8]. Países como o Canadá e os EUA, cuja corrosão e degradação das infra-estruturas em aço e betão armado é actualmente um grave problema, já começaram a definir normas relativamente ao ensaio de compósitos de GFRP em ambientes acelerados, promovendo a pesquisa de soluções alternativas aos materiais tradicionais [1.4; 1.8].
O alargamento do conhecimento sobre a durabilidade dos compósitos de GFRP, e a consolidação da informação disponível sobre os fenómenos de deterioração provocados pelos diversos agentes de degradação, são factores primordiais para o aumento da credibilidade do material GFRP como material estrutural e para o desenvolvimento de regulamentação sustentada [1.9]. Não só é importante perceber os fenómenos de degradação, como é igualmente fundamental compreender a actuação de diferentes agentes de degradação, actuando em simultâneo, e quais os efeitos sinergéticos que daí advêm. Conhecer os efeitos é, no entanto, insuficiente, sendo igualmente importante perceber como surgem os fenómenos de degradação ao longo do tempo e como se reflectem na durabilidade dos perfis de GFRP, em condições de envelhecimento natural. É neste contexto que se enquadra o tema da presente dissertação.
1.2 Objectivos da dissertação
O objectivo principal da presente dissertação consiste na análise da durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP com matriz de poliéster insaturado, utilizados no sector na construção, sendo a área da reabilitação estrutural um dos exemplos de aplicação. O estudo incidiu essencialmente sobre a durabilidade do material, importando destacar que o conceito de durabilidade se refere à capacidade do material em conservar as suas características iniciais ao longo do tempo.
Existem alguns estudos relativos à durabilidade de perfis de GFRP, nomeadamente a nível internacional; contudo, abordam geralmente poucos agentes de degradação ou amostras reduzidas. Nesse sentido, foi desenvolvida uma investigação que englobasse diversos factores de degradação a actuar em simultâneo O projecto de investigação, no qual se integra a presente dissertação, foi iniciado em 2009, no âmbito da parceria entre o Instituto Superior Técnico e o Laboratório Nacional de Engenharia Civil. No seguimento de uma primeira campanha de ensaios, resultaram as dissertações de Costa [1.10] e Carreiro [1.11], que compilaram e analisaram o comportamento do material GFRP de poliéster insaturado e de viniléster, respectivamente, após a exposição a diversos ambientes de envelhecimento acelerado, ao longo de 9 meses. Foram avaliados os impactes da humidade, da água salgada, da temperatura, da radiação ultravioleta (UV) e dos efeitos sinergéticos entre os agentes de degradação. Continuando a análise iniciada por Costa [1.10], surgiu a necessidade de se aprofundar o conhecimento dos efeitos higrotérmicos nos provetes de GFRP de poliéster insaturado para um período de exposição mais alargado (superior a 9 meses).
Para além do referido, os fenómenos de degradação que ocorrem nos compósitos GFRP não são todos irreversíveis. A análise da reversibilidade da degradação após a exposição a efeitos higrotérmicos foi outra das questões que motivou o desenvolvimento da presente dissertação.
Algumas publicações recentes referem que as condições perante as quais os provetes estão expostos aos diversos ambientes de envelhecimento acelerado poderão originar resultados demasiado conservativos. No caso da investigação em curso, a preparação dos provetes incluiu o corte do material GFRP nas dimensões normalizadas, relativas aos ensaios mecânicos realizados, expondo as faces de corte durante o período de exposição. Em condições usuais, o material não se encontra nestas circunstâncias, podendo ter estado durante a campanha experimental mais susceptível à absorção de humidade e, consequentemente, ter conduzido a resultados mais conservativos. Considerou-se relevante compreender se, pelo facto das faces de corte não se encontrarem nas mesmas condições das restantes faces, isso poderia originar resultados demasiado conservativos.
Neste contexto, foram delineados os seguintes aspectos, com o intuito de validar os objectivos referidos:
garantir as mesmas características dos ambientes de envelhecimento acelerado definidas durante a primeira fase da investigação;
1. INTRODUÇÃO
caracterizar física e mecanicamente o material GFRP de poliéster insaturado em estudo; analisar as propriedades físicas e químicas do material ao longo dos diversos períodos de
envelhecimento e para os vários ambientes de exposição (envelhecimento acelerado e natural);
avaliar o efeito das condições ambientais na durabilidade do material, através do seu desempenho mecânico e físico;
averiguar a reversibilidade da variação das características constatada ao longo do tempo, perante os diversos ambientes de envelhecimento acelerado;
verificar se os resultados obtidos durante a primeira fase da investigação são passíveis de apresentar um carácter conservativo.
O material utilizado na campanha experimental que integrou o âmbito da presente dissertação foi fornecido pela empresa “ALTO – Perfis Pultrudidos, Lda.” e pertencem ao mesmo lote do material utilizado durante a primeira fase da investigação realizada por Costa [1.10]. Os perfis utilizados apresentavam uma secção quadrada oca.
O material GFRP com matriz de poliéster insaturado foi exposto a ambientes de envelhecimento acelerado e natural. No caso dos ambientes de envelhecimento acelerado, procurou-se replicar os efeitos higrotérmicos da temperatura e da humidade, agentes cujos efeitos demonstraram um maior impacte durante a primeira fase da investigação. No caso do envelhecimento natural, apenas foi possível averiguar os resultados após um ano de exposição às condições da região de Lisboa. A exposição em condições naturais manter-se-á durante 10 anos, com o objectivo de se obter dados que permitam sustentar a elaboração de um modelo de previsão da durabilidade do material GFRP de matriz de poliéster insaturado.
Foram definidos três tipos de provetes com o intuito de se analisar os objectivos propostos, através dos ambientes de envelhecimento acelerado. O primeiro grupo contemplou a caracterização mecânica imediatamente após a exposição aos agentes de degradação, com o objectivo de se avaliar os efeitos provocados por estes no desempenho do material. Este conjunto de provetes esteve alinhado com a metodologia adoptada durante a primeira fase da investigação. O segundo grupo caracterizou-se pela exposição dos provetes a um período de secagem, após a permanência durante um determinado tempo aos diversos ambientes de envelhecimento acelerado, com o intuito de se analisar a reversibilidade dos fenómenos de degradação. O terceiro conjunto foi constituído por provetes cujas faces de corte foram revestidas com uma camada de protecção, com a finalidade de se compreender qual o impacte que a exposição directa das faces de corte aos agentes de degradação tem nos resultados obtidos e, consequentemente, se os dados obtidos para os provetes nestas condições são efectivamente conservativos.
1.3 Organização da dissertação
A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos.
Este primeiro capítulo visa introduzir o tema desenvolvido e contextualizar a sua importância na área da engenharia civil. Engloba ainda a descrição dos objectivos propostos a alcançar.
O segundo capítulo refere-se às características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP. São definidos os principais materiais constituintes e é descrito o processo de fabrico. O capítulo apresenta também as propriedades físicas e mecânicas de perfis pultrudidos de GFRP comercializados pelo fabricante do material utilizado na investigação, por uma empresa de referência europeia e por outra empresa de referência americana. São ainda abordadas as vantagens e dificuldades da aplicação dos perfis na Engenharia Civil e exemplificadas algumas áreas onde já foram utilizados.
O terceiro capítulo é dedicado ao estudo bibliográfico relativo à durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP. Descreve-se o conceito de durabilidade de forma mais pormenorizada e são abordados os principais agentes de degradação, baseando a fundamentação numa vasta pesquisa bibliográfica e nos resultados e conclusões obtidos por diversos autores. No caso da humidade e da exposição a ambientes aquosos, os fenómenos de degradação que ocorrem no material são detalhados com base nos impactes que ocorrem na matriz, nas fibras e na interface matriz-fibras. A pesquisa bibliográfica sobre este agente de degradação é mais minuciosa, pelo facto de diversos autores se referirem a ele como um dos principais impulsionadores da degradação do material GFRP e pela maioria dos ambientes de envelhecimento da campanha experimental terem como objectivo a análise da influência da humidade e da exposição a ambientes aquosos a diversas temperaturas.
O quarto capítulo aborda os procedimentos experimentais adoptados ao longo da campanha experimental. Refere o programa experimental adoptado, com base no estudo prévio realizado e apresenta a sua organização. Neste capítulo é mencionada a origem dos perfis pultrudidos GFRP de matriz de poliéster insaturado e descrita a preparação dos provetes, a metodologia de identificação, as características dos ambientes de exposição e os respectivos métodos de monitorização. O capítulo engloba ainda os procedimentos dos ensaios de caracterização física e mecânica do material estudado.
No quinto capítulo, são apresentados os resultados experimentais obtidos e é realizada a respectiva discussão. Procurou-se ainda correlacionar os valores obtidos e a evolução do comportamento do material GFRP analisado com dados e conclusões publicadas por outros autores.
O sexto capítulo refere-se às conclusões e aborda as perspectivas de desenvolvimentos futuros, propostas com base no estudo realizado.
1. INTRODUÇÃO
Em anexo, são apresentados de forma mais detalhada os resultados obtidos durante a campanha experimental que integrou a presente dissertação.
1.4 Bibliografia
[1.1] Correia, J. R., “Perfis pultrudidos de fibra de vidro (GFRP). Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na construção”, Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Construção, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Março, 2004.
[1.2] Cabral-Fonseca, S., Correia, J. R., Costa, R., Carreiro, A., Rodrigues, M. P., Eusébio, M. I., Branco, F. A., “Environmental degradation of GFRP pultruded profiles made of polyester and vinylester resins”, 15th
International Conference on Composite Structures, Porto, 2009.
[1.3] Correia, J. R., Branco, F. A., Ferreira, J. G., “Perfis pultrudidos de fibra de vidro: um material para a reabilitação estrutural”, Construção Magazine, No. 28, 21-26, 2008.
[1.4] Karbhari, V. W., “Durability of composites for civil structural applications”, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, England, 2007.
[1.5] Appleton, J., “Inspecção e reabilitação de pontes”, Palestra realizada no Instituto Superior Técnico, 15 de Setembro de 2005.
[1.6] Kim, H., Park, Y., You, Y., Moon, C., “Short term durability test for GFRP rods under various environmental conditions”, Composite Structures, Vol. 83, No. 1, 37-47, 2008.
[1.7] Pritchard, G., “Reinforced plastics durability”, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, England, November, 1998.
[1.8] Robert, M., Wang, P., Cousin, P., Benmokrane, B., “Temperature as an accelerating factor for long-term durability testing FRPs: should there be any limitations?” Journal of Composites for Construction, Vol. 14, No. 4, 361-366, 2010.
[1.9] Karbhari, V. M., “Gap analysis for durability of fiber reinforced polymer composites in civil infrastructures – Chapter 1: Introduction”, CERF, 2001.
[1.10] Costa, R. L., “Durabilidade de perfis pultrudidos de poliéster reforçado com fibras de vidro (GFRP)”, Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Novembro, 2009.
[1.11] Carreiro, A., “Durabilidade de perfis pultrudidos de viniléster reforçado com fibras de vidro (GFRP)”, Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Maio, 2010.
2. Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP
2.1 Introdução
Os materiais compósitos FRP têm vindo a alargar o seu campo de aplicação nos últimos anos. No caso particular da construção, é crescente o número de estudos que se têm vindo a efectuar, com o intuito de comprovar a viabilidade da aplicação de compósitos FRP em detrimento dos materiais tradicionais. Vantagens como a maior durabilidade, a elevada resistência em ambientes agressivos, a maior leveza e a inexistência de interferência electromagnética são factores que têm potenciado a aplicabilidade dos materiais compósitos FRP na construção [2.1]. A figura 2.1 exemplifica os motivos mais relevantes, segundo os quais se têm vindo a basear diversos estudos.
Figura 2.1 – Motivos que tem potenciado a aplicação de materiais compósito FRP (adaptado de [2.1])
Os materiais convencionais como o aço, a madeira e o betão, vastamente aplicados na construção, têm vindo a revelar um acréscimo dos custos de manutenção e reparação, nomeadamente em infra-estruturas com períodos de vida a ultrapassar 40 anos. Factores como o envelhecimento dos materiais, os efeitos ambientais, a utilização das infra-estruturas ou a sua sobreutilização, e manutenções ou medidas de reabilitação inadequadas têm influenciado a celeridade da deterioração e a redução da funcionalidade de diversas infra-estruturas, com impactos sócio-económicos relevantes em determinados casos [2.2]. São exemplo desse facto o número de pontes que necessitam de reparação só nos Estados Unidos da América. Estima-se que, neste país, das aproximadamente 575.000 pontes, 42% necessitem de reabilitação, nomeadamente devido a problemas de corrosão nos tabuleiros [2.3].
O recurso aos materiais convencionais na reabilitação de infra-estruturas é, em diversos casos, bastante limitativo. A rápida degradação em ambientes agressivos e a limitação da adaptação dos materiais às estruturas existentes são factores condicionantes. Outro aspecto é o aumento
- Problemas de durabilidade devido à corrosão.
- Reabilitação e reforço estrutural.
- Eficiência dos processos construtivos; - Reabilitação e reforço estrutural; - Aplicações electromagnéticas.
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS PULTRUDIDOSDE GFRP
substancial do peso próprio que a utilização de materiais convencionais, nomeadamente o aço, confere quando aplicados em reabilitação, o que restringe a eficiência da estrutura em termos de funcionalidade. É com base nestes condicionalismos que surge a necessidade de se desenvolverem novos materiais e tecnologias, que permitam melhorar o desempenho das estruturas, de forma funcional, eficiente e duradoura [2.2].
Os perfis de GFRP surgem na reabilitação de infra-estruturas como um material de grande potencial. Apresentam como vantagens as elevadas relações rigidez/peso próprio e resistência/peso próprio, o reduzido peso próprio, a durabilidade em ambientes agressivos, a resistência à fadiga e à corrosão, a transparência electromagnética, o isolamento eléctrico e a possibilidade de produzir qualquer forma [2.2;2.4]. Pritchard [2.5] complementa que o recurso a perfis compósitos de GFRP pode ser igualmente bastante competitivo ao se analisar comparativamente o custo efectivo em relação aos materiais convencionais. Por outras palavras, tendo em conta as vantagens associadas à sua durabilidade e a consequente redução de custos de manutenção e aumento do período de vida da estrutura, bem como o reduzido peso próprio dos perfis de GFRP que facilitam a sua aplicação.
Neste capítulo, são descritas as características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP e referenciados alguns casos de aplicação.
2.2 Principais materiais
Um material compósito resulta da combinação macroscópica de pelo menos dois materiais distintos, interligados através de uma interface finita [2.6]. Um dos constituintes são as fibras de reforço, cujo papel é proporcionar grande parte da rigidez e resistência mecânica. O outro constituinte base é a matriz, cuja função é unificar os diversos componentes, proporcionando a transferência das cargas aplicadas no perfil compósito, entre as diversas fibras constituintes. É precisamente a existência de um material de reforço (fibras) que distingue um material compósito de um material plástico [2.3; 2.6].
Ao material compósito são adicionadas em diversas ocasiões materiais de enchimento, denominados de fillers, e aditivos, com intuito de melhorar determinadas características, como por exemplo a protecção electromagnética, a condutividade eléctrica e a redução da inflamabilidade, ou apenas com o objectivo de reduzir o custo [2.6].
Neste subcapítulo 2.2, são descritas as características dos referidos constituintes.
2.2.1 Fibras de reforço
As fibras passíveis de serem utilizadas como constituinte conferidor da resistência mecânica e rigidez do material compósito podem advir de diversos materiais, com origem natural ou sintética. Na
engenharia civil, as fibras frequentemente utilizadas são as de vidro (G1), de aramida (A2) (ou Kevlar (K3)) e as de carbono (C4) [2.4; 2.8; 2.9]. O recurso aos diferentes tipos de fibras dependerá da avaliação das condições de utilização, da resistência, da rigidez, da durabilidade e do custo exigido [2.7; 2.9].
Na aplicação de perfis compósitos em FRP como material estrutural, as fibras são o constituinte responsável pela resistência mecânica. Quando o material é solicitado por uma carga exterior, a força aplicada é transferida para as fibras por intermédio da interface fibra-matriz. Contudo, as fibras são um constituinte que, isoladamente, apresenta fragilidade, ocorrendo nomeadamente roturas em zonas localizadas. Este facto não implica a incapacidade de uma estrutura resistir ao colapso mas reforça a importância da interacção dos diversos constituintes que originam o material compósito. A matriz desempenha o papel sinergético de conter a propagação de roturas nas fibras e transferir uma carga exterior às diversas fibras do material FRP, potenciando a sua capacidade resistente [2.10]. É portanto importante definir a quantidade de fibras e a respectiva orientação, de acordo com o tipo e com os esforços a que a estrutura estará sujeita [2.9].
No quadro 2.1, são apresentadas as características mecânicas e físicas de fibras usualmente comercializadas.
Quadro 2.1 – Propriedade das fibras comercializadas e utilizadas no fabrico de FRP (adaptado de [2.11])
Propriedades
Carbono Aramida Vidro
Fibra poliacrilonitrila Origem betuminosa
Kevlar 49 Twaron Technora Tipo E Alcalina resistente Elevada resistência Elevado módulo de elasticidade Comum Elevado módulo de elasticidade Resistência à tracção (MPa) 3430 2450-3920 764-980 2940-3430 2744 3430 3430-3528 1764-3430 Módulo de elasticidade (GPa) 196- 235 343-637 37-39 392-784 127 72,5 72,5-73,5 68,6-70 Extensão na rotura (%) 1,3-1,8 0,4-0,8 2,1-2,5 0,4-1,5 2,3 4,6 4,8 4-5 Massa volúmica (g/cm3) 1,7-1,8 1,8-2,0 1,6-1,7 1,9-2,1 1,45 1,39 2,6 2,27 Diâmetro (μm) 5-8 9-18 12 8-12
Das fibras referidas, as de vidro são as mais utilizadas na construção, nomeadamente devido à elevada resistência e ao preço mais atractivo. São ainda vantagens a assinalar a resistência à temperatura, a isotropia de expansão térmica, a boa aderência às matrizes poliméricas e a boa
1
Sigla do inglês Glass
2
Sigla do inglês Aramid
3
Sigla do inglês Kevlar
4
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS PULTRUDIDOSDE GFRP
resistência química. Apresentam, no entanto, um módulo de elasticidade inferior ao das restantes fibras e reduzida resistência à humidade, à rotura por fadiga e a ambientes alcalinos [2.9].
São comercializados diversos tipos de fibras de vidro, sendo exemplo as fibras designadas de E, S, AR e C. As fibras C definem-se por uma resistência à corrosão melhorada, enquanto as fibras AR se caracterizam por uma resistência melhorada aos álcalis. As fibras E e S são as mais comercializadas, sendo o primeiro tipo utilizado em muito maior percentagem. As fibras E apresentam uma elevada resistência mecânica, química e bom isolamento eléctrico. As fibras S apresentam uma resistência mecânica superior às fibras E mas, em contrapartida, um preço mais elevado [2.4; 2.8].
No quadro 2.2, encontram-se discriminadas as propriedades físicas e mecânicas de três tipos das principais fibras de vidro comercializadas.
Quadro 2.2 – Características dos principais tipos de fibras de vidro comercializadas (adaptado de [2.1])
Tipo de fibra Massa volúmica Resistência à tracção Módulo de elasticidade Extensão na rotura Coeficiente de
dilatação térmica Coeficiente de Poisson
Kg/m3 MPa GPa % 10-6/ºC
Vidro – E 2500 3450 72,4 2,4 5 0,22
Vidro – S 2500 4580 85,5 3,3 2,9 0,22
Vidro – AR 2270 1800-3500 70-76 2,0-3,0 - -
O rácio entre o comprimento e o diâmetro das fibras influencia as características mecânicas dos materiais compósitos. Na produção de um perfil de GFRP, as fibras de reforço podem ser aplicadas de forma descontínua ou contínua. As fibras descontínuas apresentam um rácio comprimento/diâmetro reduzido e, quando aplicadas aleatoriamente, proporcionam ao material compósito um comportamento isotrópico. Influenciam ainda a rigidez, promovendo o comportamento visco-elástico do perfil de GFRP. Em contrapartida, as fibras contínuas aumentam a rigidez e a resistência mecânica do material compósito. A optimização da resistência mecânica e rigidez de um perfil de GFRP não equivale a que o comprimento das fibras seja equivalente ao comprimento do perfil; contudo deverá ser tal que, para acréscimos de comprimento, a resistência mecânica e o módulo de elasticidade se mantenham constantes [2.6].
As fibras são produzidas em filamentos contínuos e geralmente aplicadas sob a forma de mechas ou de mantas. No caso das mechas, os filamentos podem ser torcidos (yarn) ou não (rovings), ou disponibilizados em fibras curtas (chopped). As mantas adequam-se à execução de formas planas e são produzidas através da tecelagem dos filamentos em padrões pré-definidos. As mantas de reforço podem ser concebidas mediante uma diversidade de padrões, recorrendo a fibras contínuas ou curtas, dispostas aleatoriamente ou direccionadas e entrelaçadas ou aglutinadas entre elas. Em determinados casos, as fibras de reforço podem ser combinadas, com base em processos têxteis,
numa cofragem tridimensional. Isto permite a execução de toda a estrutura de reforço antes do envolvimento da matriz, em analogia ao realizado no betão armado [2.4; 2.6].
Às fibras são genericamente aplicados lubrificantes anti-estáticos, que as protegem de danos infligidos durante o fabrico, e aglutinadores resinosos que contribuem para a aglomeração dos filamentos em mechas. Estes produtos favorecem ainda a adesão entre as fibras e a matriz do material compósito e protegem as fibras da degradação dos agentes ambientais [2.4].
Em suma, as fibras de reforço são a primeira de diversas opções, mediantes as quais os materiais compósitos apresentam a capacidade única de se adaptarem ao desempenho pretendido, agregando ainda a optimização económica ao design mais eficiente [2.7].
2.2.2 Matriz polimérica
A matriz, em concordância com as fibras de reforço, é um componente base na produção de um material compósito. Desempenha um papel fundamental na resistência do material e na sua durabilidade [2.6].
A primeira função da matriz é aglutinar as fibras de reforço e aglomerar os diversos constituintes, dando origem a um material compósito. Aliada a esta funcionalidade, a matriz permite que as tensões exteriores aplicadas no material sejam distribuídas pelas diversas fibras, aumentando a capacidade resistente do material e garantindo que as fibras se mantenham na posição pretendida. O envolvimento das fibras garante ainda a sua protecção a agentes de degradação ambientais, a resistência à abrasão e evita a encurvadura das fibras devido a tensões internas de compressão. Durante a selecção da matriz para um determinado material compósito, é muito importante avaliar se a matriz é química, térmica e mecanicamente compatível com as fibras de reforço [2.6; 2.8; 2.9].
Os polímeros sintéticos utilizados como matriz de um material compósito podem ser de dois tipos: do tipo termoendurecível ou do tipo termoplástico. Os polímeros termoendurecíveis são materiais de estrutura tridimensional que são endurecidos através de um processo de cura, geralmente pela acção do calor, o qual provoca reacções químicas de polimerização. Após o processo de cura, o material apresenta-se no seu estado final como um produto insolúvel e infusível, ou seja, devido à reticulação sofrida durante o processo de cura, o estado do material não é reversível. No caso dos polímeros termoplásticos, o material pode alternar entre um estado plástico e um estado rígido quando aquecido e arrefecido respectivamente [2.12]. Os polímeros termoplásticos apresentam a vantagem de poderem ser reprocessados, contudo devido à viscosidade que apresentam, não permitem a facilidade de impregnação das fibras nem a capacidade de adesão que caracterizam as resinas termoendurecíveis [2.8]. Estes são materiais com maior resistência a impactos e micro-fissurações, nomeadamente por apresentarem maior ductilidade e tenacidade [2.12].
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS PULTRUDIDOSDE GFRP
Os polímeros termoendurecíveis são os mais utilizados no fabrico de FRP, nomeadamente devido à capacidade de adesão e de impregnação das fibras, o que permite uma melhor transmissão de esforços e um suporte físico contra a instabilidade das fibras sob acções de compressão [2.12]. Esta capacidade é conseguida a um nível intermédio de polimerização, ao qual corresponde um estado líquido de reduzida viscosidade [2.8]. Proporcionam ainda uma melhor estabilidade térmica e química, e menor retracção e relaxação. No caso das resinas termoplásticas, o elevado grau de viscosidade dificulta o fabrico de compósitos de FRP, através de um sistema de produção viável, particularmente na combinação com fibras contínuas [2.12]. No quadro 2.3, apresentam-se algumas propriedades das resinas termoendurecíveis mais utilizadas.
Quadro 2.3 – Propriedades físicas e mecânicas de resinas termoendurecíveis [2.13] Propriedades Unidades Poliéster Viniléster Epóxi Fenólicas
Resistência à tracção MPa 65 82 90 40
Módulo de elasticidade GPa 4,0 3,5 3,0 2,5
Extensão na rotura % 2,5 6,0 8,0 1,8
Massa volúmica g/cm3 1,2 1,12 1,2 1,24
Entre os polímeros termoendurecíveis, a resina de poliéster insaturado é a mais utilizada. Apresenta como principais vantagens a reduzida viscosidade, o reduzido tempo de cura, a estabilidade dimensional e o baixo custo. Caracteriza-se ainda por uma elevada resistência química e eléctrica e pelo seu desempenho mecânico. A retracção volumétrica durante o processamento surge como uma desvantagem, uma vez que pode originar tensões internas [2.3; 2.12].
2.2.3 Material de enchimento (“cargas”)
Os materiais de enchimento (ou “cargas”) são constituintes inorgânicos, utilizados sem funcionalidade estrutural e com o intuito de melhorar determinadas características, como é o caso da resistência ao fogo (devido à origem inorgânica), da tenacidade do material, da fluência, da condutividade térmica e do isolamento electromagnético [2.6].
A utilização de materiais de enchimento aumenta a viscosidade da resina e diminui a retracção durante o processo de cura. Como consequência, reduz o aparecimento de fissuras em zonas de descontinuidade e em zonas com elevado teor de resina. As “cargas” melhoram ainda a resistência química e a resistência aos agentes ambientais de degradação. Em contrapartida, afectam negativamente a resistência mecânica do material compósito, apesar de favorecerem o aumento da rigidez [2.8]. A sua aplicação tem ainda a vantagem de reduzir os custos do produto final, podendo representar cerca de 50 % do peso total dos constituintes de um perfil de GFRP destinado a fins não estruturais [2.4].
As substâncias mais utilizadas são o carbonato de cálcio, a alumina, o caulino e o sulfato de cálcio. A alumina e o sulfato de cálcio são geralmente utilizados com o propósito de minorar a inflamabilidade e a produção de fumo durante uma situação de incêndio [2.4].
2.2.4 Aditivos
Entre os constituintes de um material compósito FRP, encontram-se frequentemente aditivos que visam melhorar as suas propriedades e facilitar o processamento. Utilizados em quantidades reduzidas, são integrados no produto final, tendo por base as propriedades específicas exigidas à matriz, os agentes de degradação a que o material estará sujeito e a coloração pretendida [2.12].
Os objectivos mais comuns com o recurso a aditivos são a diminuição da retracção, a diminuição do teor de vazios e a diminuição da inflamabilidade e da produção de fumos tóxicos em caso de incêndio. Através da adição de partículas metálicas, é possível melhorar a condutividade eléctrica e aumentar a interferência electromagnética através da utilização de materiais condutores. Na situação inversa, quando se pretende reduzir a atracção de cargas eléctricas que podem provocar incêndios, choques eléctricos ou atrair poeiras, recorre-se a agentes anti-estáticos. Os efeitos da radiação ultra-violeta, nomeadamente a perda de brilho, a descoloração, a fendilhação e a desintegração podem ser reduzidos através da adição de estabilizadores ultra-violeta. No caso da oxidação dos polímeros, esta pode ser retardada ou inibida com recurso a antioxidantes. A utilização de precursores de espuma promove o aumento da capacidade de isolamento térmico e a redução da retracção. Numa vertente estética, é ainda possível atribuir uma coloração pretendida através da aplicação de corantes [2.4].
2.2.5 Adesão fibra-matriz
Um material compósito FRP consiste na combinação de uma resina polimérica com fibras de reforço, com propriedades físicas, químicas e mecânicas próprias de cada material. A interface fibra-matriz desempenha o papel relevante de conjugar e estabelecer sinergias entre as propriedades que caracterizam os constituintes. A optimização das ligações na interface fibra-matriz melhora o desempenho do material compósito, nomeadamente as suas características mecânicas, propriedades cujos constituintes (fibras de reforço e matriz) não conseguiriam alcançar de forma isolada. A adesão entre a matriz e as fibras é, no entanto, bastante influenciada pelos efeitos higrotérmicos e pela difusão da humidade, que podem originar reacções químicas e fenómenos de plasticização que se repercutem na durabilidade do material compósito FRP [2.14].
A área de contacto entre os principais constituintes é outro factor com um impacto relevante na resistência mecânica do material compósito FRP. Uma área de interface maior permite uma melhor transferência de cargas entre a matriz e as fibras de reforço e, consequentemente, melhora a resistência mecânica do material FRP [2.14]. Contudo, a resistência e rigidez da interface fibra-matriz é também influenciada pelo ângulo entre as cargas aplicadas e as fibras. Os valores mais favoráveis de rigidez e resistência na interface são obtidos quando as direcções das solicitações e das fibras
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS PULTRUDIDOSDE GFRP
coincidem, sendo mais elevados consoante a área de adesão e as ligações estabelecidas entre os constituintes do material compósito FRP [2.8, 2.13].
A interface fibra-matriz, apesar de não ser um material constituinte de um compósito FRP, perante determinada complexidade e através das ligações que se estabelecem entre as fibras de reforço e a matriz, também se pode diferenciar fisicamente dos restantes materiais constituintes. No caso em que se estabelecem ligações fortes, gera-se uma zona finita que estabelece uma continuidade entre as fibras e a matriz e que apresenta características mecânicas e físicas, intermédias aos dois constituintes [2.8]. Por este motivo e pelo facto de a interface ser uma região de adesão entre a matriz e as fibras, ocorrem determinados impactos característicos nesta zona devido aos principais agentes de degradação, a cargas aplicadas no material compósito FRP e a tensões internas que poderão surgir como consequência dos dois motivos referidos, e que afectam a durabilidade do compósito [2.14]. Contudo, nem sempre é possível identificar fisicamente a interface, nomeadamente nos casos em que as ligações entre os constituintes são fracas [2.8].
No caso dos estudos efectuados a materiais compósitos FRP, são diversos os autores que destacam o papel da interface fibra-matriz que, apesar de não ser um constituinte distinto, se revela como um componente cada vez mais relevante, devido às suas particularidades físicas, mecânicas e químicas, e à influência que possui na durabilidade no material compósito FRP [2.14].
2.3 Processo de fabrico por pultrusão
A qualidade da coesão e integração das fibras de reforço com a matriz depende consideravelmente do processo de fabrico, existindo diversos métodos de produção com atributos específicos e adequados à funcionalidade do material compósito a produzir [2.6]. No caso da produção de perfis com aplicação estrutural, o fabrico por pultrusão é o processo mais utilizado, nomeadamente pelas vantagens que apresenta e pela sua competitividade económica [2.1].
O fabrico por pultrusão permite a produção de perfis com secção constante, oca ou maciça, com reforço essencialmente unidireccional. O processo ocorre de forma contínua, no qual as fibras de reforço vão sendo introduzidas num molde e embebidas na resina polimérica. As fibras impregnadas na resina vão sendo traccionadas por um molde aquecido, que confere a forma ao perfil e que permite que o compósito atinja o nível de cura desejado, através da polimerização da resina. Finalmente, o perfil passa por uma zona de arrefecimento e termina numa secção de corte, na qual o perfil é seccionado de acordo com o comprimento pretendido ou segundo outros critérios, como por exemplo o comprimento máximo estipulado para o transporte [2.6; 2.8]. A figura 2.2 representa esquematicamente o processo de fabrico por pultrusão de perfis de GFRP.
Figura 2.2 – Processo de fabrico por pultrusão (adaptado de [2.15])
O reforço é concebido com base em filamentos contínuos e paralelos, sendo passível a conciliação com mantas que permitam o reforço transversal e ao corte e a utilização de véus de superfície (mantas de reforço com uma quantidade de resina mais elevada), incrementando a resistência química do compósito polimérico [2.6; 2.8].
De acordo com Bakis et al. [2.16], a velocidade de produção através do processo de pultrusão pode atingir 3 m/min, dependendo do tipo de perfil que se pretende executar.
As principais vantagens deste método são a celeridade do fabrico de perfis, aliado à competitividade económica dos reduzidos custos de produção e de equipamento, em comparação com outros processos de fabrico. Permite ainda o controlo da quantidade de fibras e da respectiva direcção, garantindo uma qualidade elevada [2.1; 2.8]. O automatismo do processo e a produção a velocidade constante favorece a uniformidade do perfil, não só a nível da forma como também das características ao longo do perfil, permitindo a optimização da eficiência dos constituintes do material compósito FRP e o fabrico de diversos tipos de secção. [2.6]. Na figura 2.3 apresentam-se algumas secções correntes de perfis de GFRP.
Figura 2.3 – Secções transversais de perfis de GFRP produzidos por pultrusão (adaptado de [2.15]) Filamentos contínuos Sistema de corte Sistema de tracção Reforços impregnados e enformados Mantas de reforço
Posicionamento das fibras Impregnação da resina
Véu de superfície
2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS PULTRUDIDOSDE GFRP
A desvantagem do processo de pultrusão é a restrição da produção a perfis de secção constante. Foram desenvolvidos alguns moldes inovadores que permitem ligeiras alterações da secção do perfil, contudo são variações de secção limitadas e de transição suave [2.6].
2.4 Propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP
As propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP são influenciadas por diversas variáveis, desde o tipo de constituintes, a percentagem de cada um, a disposição das fibras de reforço até ao processo de fabrico. A utilização estrutural de material compósito GFRP está intimamente relacionada com as suas propriedades mecânicas, físicas e com a durabilidade e o consequente nível de manutenção ao longo do período de vida da estrutura [2.1].
Por outro lado, a estrutura interna dos laminados que constituem os perfis apresenta um comportamento anisotrópico, sendo as propriedades mecânicas mais elevadas na direcção dos filamentos longitudinais contínuos (rovings). A conjugação de todos estes factores influencia as propriedades dos perfis, pelo que para um tipo de perfil pultrudido de GFRP poderão ocorrer flutuações de fabricante para fabricante [2.4]. No quadro 2.4, apresentam-se as propriedades mecânicas típicas de perfis pultrudidos de GFRP, produzidos por uma empresa de renome americana, a Strongwell, por uma influente empresa europeia, a Fiberline e pela empresa portuguesa Alto.
Quadro 2.4 – Propriedades mecânicas de perfis pultrudidos GFRP comercializados (adaptado de [2.17; 2.18; 2.19])
Propriedades Unidades Direcção longitudinal da fibras
Strongwell Fiberline Alto
Resistência à tracção MPa 207 296 450
Resistência à flexão MPa 207 308 450
Resistência ao corte MPa 31 31 -
Módulo de elasticidade
em tracção GPa 17,9 29,7 23
Módulo de distorção GPa 2,93 - -
Os ensaios dos três fabricantes foram realizados de acordo com normas em vigor. As variações de valores prendem-se, por exemplo, com a percentagem dos diversos constituintes do compósito. Comparando a percentagem de fibras de reforço, os perfis da Strongwell apresentam uma percentagem de cerca de 50%, enquanto os perfis da Alto podem incorporar até 80%. Outro factor que influi na variação de valores da resistência mecânica é a utilização de mantas para aumentar a resistência mecânica transversal [2.17; 2.18; 2.19].
