LEVANTAMENTO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS: COMPÓSITO DE CIMENTO PORTLAND E RESINA EPÓXI Guilherme de Assis Faria (1) (guilherme.assis@ymail.com),
Geovane de Assis Faria (2) (geovaneassis23@hotmail.com)
(1) Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica (2) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP); Departamento de Engenharia Metalúrgica
RESUMO: O trabalho objetivou levantar as propriedades mecânicas da mistura polimérica entre cimento
Portland enrijecido com resina Epóxi. Foram adotadas proporções de mistura com tempo de cura de sete dias e posteriormente realizado ensaios mecânicos para levantamento dos respectivos módulos de elasticidade e força de ruptura além de ensaios físicos de densidade volumétrica e absorção de água. Constatou se que as propriedades mecânicas do compósito são superiores quando comparados ao cimento convencional referenciado pela norma NBR 12989, confeccionado somente com água.
PALAVRAS-CHAVE: Cimento Portland, Resina Epóxi, Compósito.
LIFTING MECHANICAL PROPERTIES OF PORTLAND CEMENT COMPOSITE AND RESIN EPOXY ABSTRACT: The study aimed to raise the mechanical properties of the polymer mixture of Portland cement
hardened with epoxy resin. The mixing ratios were taken with a cure time of seven days and subsequently performed tests for mechanical properties of the respective modulus of elasticity and tensile strength as well as physical tests of bulk density and water absorption. It found that the mechanical properties of the composite are superior when compared to conventional cement referenced by NBR 12989, manufactured only with water.
1. INTRODUÇÃO
A ideia de aplicar polímeros advém da natureza porosa do concreto comum. Estes poros diminuem a durabilidade do mesmo, além de proporcionar concentração de tensões localizadas, reduzindo sua resistência à compressão (KORNANN, 2002).
O composto polimérico é de grande viabilidade comparada com os demais materiais de construção por apresentar bons módulos de elasticidade e resistência mecânica, endurecimento acelerado e boa adesão a superfícies secas principalmente ao aço e concreto. São assim recomendados para aplicações em reforço estruturais, recuperação de superfícies e elementos expostos a agentes agressivos, pois possuem excelente resistência a ácidos não oxidantes, álcalis e a alguns solventes orgânicos.
Jukoski (2003) verificou que a utilização da resina epóxi como argamassa reparadora, promoveu uma drástica redução do índice de vazios.
(EL-HAWARY, M.M. et al., 2005) observaram que a substituição do cimento pela resina epóxi em diferentes proporções, aumentaria significativamente o comportamento mecânico no concreto. Eles estudaram cinco composições diferentes (0, 20, 40, 60 e 100%), e verificaram que a substituição total do cimento aumentou cerca de 75% e 98% a resistência à compressão e o comportamento elástico, respectivamente.
O presente trabalho buscou levantar as propriedades mecânicas da adição de um polímero termorrígido à fase cimentícia sem adição de água. Foi investigada a resistência à compressão e o módulo de elasticidade, além das características físicas, densidade volumétrica e absorção de água.
Para efeito comparativo das propriedades do material estudado, foi utilizado os resultados de resistência do cimento Portland branco estrutural mediante a norma ABNT NBR 12989/93. Após avaliação do comportamento mecânico das condições estudadas, constatou se que a adição de polímero conferiu perda de resistência a mistura.
2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Fase cimentícia
O cimento Portland utilizado foi o CPB-40 (NBR 12989/93) fabricado pela Cimentos Cauê
TABELA 1. Análise Química do Cimento CBP-40. Cimento Portland Branco - Cauê
𝐒𝐢𝐎𝟐 23,59 𝐀𝐥𝟐𝐎𝟑 7,52 𝐅𝐞𝟐𝐎𝟑 2,48 CaO 55,85 MgO 2,96 S𝐎𝟑 1,47 𝐍𝐚𝟐𝐎 0,37 𝐊𝟐𝐎 0,89 C𝐎𝟐 4,87 Perda ao Fogo (%) 5,08 Blaine (cm²/g) 5004 Fonte: Cimentos Cauê
2.2. Fase Polimérica
Para o presente trabalho, foi utilizada uma resina epóxi de alto desempenho, fabricada pela Indústria HUNTSMAN, esta constituinte de duas partes, sendo uma denominada araldite e a outra endurecedor. O araldite usado foi o RenLam M e o endurecedor o Arandur HY 951. A proporção da mistura em massa, viscosidade, massa específica e o tempo de cura total foram fornecidos pelo fabricante, Tabela 2.
TABELA 2. Características da Resina Epóxi.
RenLam® M Arandur® HY 951 Viscosidade a 25°C (mPas) 1000 - 2000 10 - 20 Massa específica a 20°C (g/cm³) 1,10 - 1,15 0,98
Proporção em massa (%) 100 10
2.3. Preparação dos Corpos de Prova
Quatro tipos de compósitos foram preparados, representando as variações de fração das fases polimérica/cimentícia adotadas neste estudo. Sendo assim, utilizou se a relação de Partes de Fase Polimérica por Partes de Fase Cimentícia, resultando em frações mássicas de 28,5%, 33%, 37,5% e 41,1% respectivamente para cada condição. As condições experimentais analisadas nesta investigação podem ser observadas na Tabela 3.
TABELA 3. Condições Experimentais. Condição Mistura C1 40/100 C2 50/100 C3 60/100 C4 70/100 Fonte: Autores
Os corpos de prova foram fabricados utilizando moldes cilíndricos, mantendo-se a relação estabelecida pela norma americana ASTM D-695-10:2010 e compactados com auxilio de uma mesa vibratória. Após o período de cura de sete dias, foram desmoldados e faceados, de forma a garantir o paralelismo para execução do ensaio de resistência à compressão, e para ensaios físicos dos mesmos.
Para investigar a influência dos fatores individuais e das interações nas propriedades físicas e mecânicas dos compósitos, foi-se utilizada à análise de variância (ANOVA), com o auxílio do software Minitab® versão 16, considerada ao nível de significância de 5%.
2.4. Propriedades Mecânicas
O ensaio de resistência mecânica à compressão foi baseado nas recomendações da norma ASTM D695-02a. Cujo consistiram na obtenção do módulo de elasticidade (E) e no módulo de resistência à compressão (𝑅𝑐) dos compósitos rompidos após sete dias de cura.
2.5 Propriedades Físicas.
Os ensaios físicos consistiram na obtenção da Densidade Volumétrica (𝜌𝑣𝑜𝑙), cujo é definida
pela razão entre a massa e o volume da amostra para o teor de umidade de 12%; e a Absorção de Água após 24 horas (𝐴𝐴) de acordo com a norma ASTM D792:2008.
3. RESULTADOS E CONCLUSÕES
Na Tabela 4 tem-se os resultados das propriedades físicas e mecânicas dos compósitos estudados, sendo 𝑋𝑚 a média amostral, DP o desvio padrão, e CV o coeficiente de variação das
amostras e réplicas.
TABELA 4. Propriedades Físicas e Mecânicas do Compósito.
CE Estatísticas E (Mpa) Rc (Mpa) 𝛒𝐯𝐨𝐥 (g/cm³) 𝐀𝐀 (%) C1 𝐗𝐦 DP CV(%) 5365,7 151,49 2,82 76,97 2,05 2,66 1,977 0,012 0,624 1,012 0,019 1,892 C2 𝐗𝐦 DP CV(%) 4159,5 76,22 1,83 69,80 1,89 2,71 1,830 0,015 0,828 1,074 0,010 0,989 C3 𝐗𝐦 DP CV(%) 3798,4 170,95 4,50 63,97 3,26 5,10 1,792 0,015 0,869 1,097 0,011 1,045 C4 𝐗𝐦 DP CV(%) 3435,1 153,47 4,46 61,43 2,09 3,41 1,766 0,010 0,596 1,158 0,016 1,382 Fonte: Autores
Os valores de referência foram obtidos segundo a norma ABNT NBR 12989/93 para o cimento Portland branco estrutural (Tabela 5).
TABELA 5. Classes de Resistência do cimento Portland branco estrutural com 28 dias de idade. Classes de Resistência Limite Inferior (Mpa) Limite Superior (Mpa)
25 32 40 25,0 32,0 40,0 42,0 49,0 - Fonte: Autores.
Na Figura 1 tem-se a correlação entre a Densidade Volumétrica e a Resistência a Compressão.
FIGURA 1. Resistência a Compressão e Densidade Volumétrica. Fonte: Autores.
(KORNANN, 2002) em seu trabalho avaliou o desempenho de quatro materiais de reparo, argamassa com sílica ativa, argamassa epoxídica, com adição de areia de quartzo, argamassa polimérico e concreto com fibras de aço, para aplicação no vertedor da Usina Hidrelétrica de Capivara, e constatou que a argamassa epoxídica obteve melhor desempenho na compressão axial simples em relação aos outros materiais.
(BERTOLINI et al., 2014) investigou a influência do uso de resina epóxi como agente reparador em vigas danificadas de madeira de Pinus Elliotti no cálculo do produto de rigidez à flexão. Os resultados revelaram que o uso da resina epóxi nas regiões danificadas das vigas apresentaram valores do produto de rigidez na flexão significativamente superiores quando comparados com as vigas da condição com defeito e sem a resina epóxi.
Analisando a Figura 2 nota-se que a adição de resina na mistura promoveu uma redução do módulo de elasticidade em função da redução de densidade volumétrica.
Constatou-se que a densidade volumétrica apresenta uma correlação direta com o módulo de elasticidade, juntamente com a resistência mecânica do material. Com relação à absorção de água, a inclusão de resina na mistura foi responsável pelo aumento sucessivo dessa variável tornando o material com característica mais frágil. Porém, isso não dificultou a homogeneidade de distribuição da resina na matriz.
FIGURA 2. Módulo de Elasticidade e Densidade Volumétrica. Fonte: Autores.
Na Tabela 6 tem-se os resultados da ANOVA para as propriedades físicas e mecânicas investigadas, encontrando-se sublinhados os P-valores menores que 0,05, considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95% (WERKEMA; AGUIAR, 1996).
TABELA 6. P-Valores extraídos através do teste de ANOVA no software Minitab®.
Tratamento E (Mpa) Rc (Mpa) 𝛒𝐯𝐨𝐥 (g/cm³) 𝐀𝐀 (%) Adição de Resina em partes 0,000 0,000 0,000 0,000
𝐑² (Adj.) 96,35% 86,39% 97,45% 92,05%
Fonte: Autores.
O valor de R² ajustado apresentado na Análise de Variância mede a variabilidade presente nas observações da variável. Quanto mais próximo de 1 (100%) for o valor de R² , melhor é a qualidade da equação ajustada aos dados (MONTGOMERY, 2001).
Na Figura 3 tem-se os gráficos de resíduos da ANOVA em relação às propriedades físicas e mecânicas dos compósitos estudados, comprovando normalidade nas distribuições dos resíduos pelo fato de os P-valores encontrados serem ambos superiores a 0,05, auxiliando por validar o modelo da ANOVA. O gráfico de probabilidade normal mostrado tem o objetivo de examinar a suposição de normalidade, onde os pontos devem estar localizados, aproximadamente, ao longo de
FIGURA 3. Gráfico de resíduos versus probabilidade normal das propriedades físicas e mecânicas dos compósitos estudados. Fonte: Autores.
4. CONCLUSÃO
O estudo mostrou que a inclusão de um polímero termorrígido (Resina) promoveu ganho significativo de resistência à compressão comparada ao cimento convencional referenciado na norma NBR 12989.
5. REFERÊNCIAS
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics. ASTM D695-02, West Conshohocken, Philadelphia,1998.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement . ASTM D792, 2008, West Conshohocken, Philadelphia,1998, DOI: 10.1520/ D792-08, 2008.
ASSOSSIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - NRB 12989: Cimento Portland branco (1993). BERTOLINI, M. DA S.; ALMEIDA, D. H. DE; MACEDO, L. B. DE; ICIMOTO, F. H.; FERRO, F. S.;
CHRISTOFORO, A. L.; LAHR, F. A. R. Emprego de resina epóxi em vigas danificadas de madeira de Pinus elliottii. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 14, n. 3, p. 121-129, jul./set. 2014.
EL-HAWARY, M.M.; ALKHALEEFI, A.M.; ABDEL-FATTAH, H.I. On the mechanical properties of polymer portland cement concrete. Journal of the Chiness Institute of Engineers, v.28, p. 155-159, 2005.
JUKOSHI, A. Estudo do desempenho de concretos para artefatos de redes de distribuição de energia elétrica destinados a ambientes litorâneos. Curitiba. Dissertação de Mestrado - UFPR. 2003. KORMANN, A. C. M. Estudo do desempenho de quatro tipos de materiais para reparo a serem
utilizados em superfícies erodidas de concreto de barragens. Curitiba. Dissertação de Mestrado - UFPR. 2002.
MONTGOMERY, D. C. Introduction to statistical quality control. USA: John Wiley & Sons, 1997. PANZERA, T. H. Desenvolvimento de um material compósito cerâmico para aplicação em mancais
porosos. 2007, 193 p. Tese (Doutorado). Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte - MG.
WERKEMA, M. C. C. e AGUIAR, S. Planejamento e análise de experimentos: como identificar e avaliar as principais variáveis influentes em um processo. Belo Horizonte: Fundação Christiano Ottoni, Escola de Engenharia da UFMG, 1996.
