DURABILIDADE DE PERFIS PULTRUDIDOS DE
VINILÉSTER REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO
(GFRP)
João Pedro Girão Meireles de Sousa
Dissertação para obtenção de 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:
Doutora Maria Paula Marques da Costa Rodrigues
VINILÉSTER REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO
(GFRP)
João Pedro Girão Meireles de Sousa
Dissertação para obtenção de 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:
Doutora Maria Paula Marques da Costa Rodrigues
Resumo
Os perfis pultrudidos de plástico reforçado com fibra de vidro, ou perfis pultrudidos de GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) são compostos por materiais compósitos de matriz polimérica, em geral de poliéster ou viniléster, reforçados com fibras de vidro e integram-se no grupo dos materiais plásticos reforçados com fibras, ou materiais FRP (Fiber Reinforced Polymer).
Na presente dissertação, pretendeu-se estudar a durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP com matriz de viniléster, utilizados no campo da Engenharia Civil.
O estudo da durabilidade elaborado nesta dissertação consistiu mais especificamente em quantificar a degradação das propriedades mecânicas, físicas e também estéticas, através da análise de provetes obtidos directamente dos perfis pultrudidos, submetidos a vários agentes de degradação ambiental.
Consideraram-se alguns dos agentes de degradação ambiental mais frequentes em aplicações na Engenharia Civil, como sejam a temperatura, a humidade, o contacto por imersão com água e soluções salinas, entre outros.
A campanha experimental realizada monitorizou o desempenho mecânico e físico do material através de ensaios normalizados, considerados mais relevantes para o efeito. Foram verificadas alterações a nível estético do material após envelhecimento.
Os resultados indicaram ainda perdas significativas de propriedades mecânicas com uma relação fortemente relacionada com o aumento de temperatura e humidade. No entanto, a dada altura foi possível verificar em alguns casos uma atenuação da degradação sentida no material ou até alguma recuperação de propriedades mecânicas, o que poderá estar associado a efeitos de pós-cura.
Os resultados mostraram ainda uma influência importante do processo de reversibilidade de absorção de humidade e do revestimento de partes de material desprotegidas nos processos de degradação do material, contribuindo para o aumento da sua durabilidade.
Palavras-chave:
Materiais compósitos, Perfis pultrudidos de polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP), Plásticos reforçado com fibras (FRP), Durabilidade, Ambientes de envelhecimento.
Abstract
Glass Fiber Reinforced Pultruded Profiles (GFRP profiles) are made of composite materials consisting of glass fibers embedded in a polymeric matrix (usually polyester or vinylester) and are included in the group of fiber reinforced plastic materials, also known as FRP materials.
The main goal of the present dissertation was to study the durability of GFRP profiles used in civil engineering applications.
More specifically, this study aims to quantify the mechanical, physical and also aesthetical degradation, through the analysis of sample specimens taken from the profiles, which were exposed to several accelerated and natural ageing environments.
Some of the most frequent ageing environments (for civil engineering applications) were chosen to assess this study, such as temperature, moisture or immersion in water and salt solutions.
The experimental campaign aimed to quantify the material degradation phenomena, monitoring the variation of physical and mechanical properties of the GFRP material, by means of standard tests.
The results of this study have shown that significant degradation of mechanical properties occurs, caused by temperature and moisture. However, some of the mechanical degradation was slowed at some particular time period, even showing some signs of mechanical recovery, which may be caused by post-curing effects.
Other results point to the reversibility of moisture absorption effects and the effective coatings of unprotected material parts being significant and consequently contributing to increase the material durability.
Keywords:
Composite materials, Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), Fiber Reinforced Polymer (FRP), Durability, Ageing environments.
Agradecimentos
Todo o trabalho de investigação que culminou com a redacção desta dissertação foi desenvolvido durante mais de um ano. Os inúmeros obstáculos e dificuldades que surgiram foram ultrapassados com o apoio e o incentivo de algumas pessoas, às quais quero expressar o meu sincero agradecimento.
Ao Professor Doutor João Correia, orientador científico desta dissertação, expresso o meu profundo agradecimento, não apenas pela dedicação e exigência que prestou a este trabalho, mas também pela amizade, apoio e disponibilidade apresentados. Quero ainda agradecer o sentido crítico, ideias e o rigor que trouxe à dissertação, que em muito a enriqueceram.
À Doutora Susana Fonseca, co-orientadora deste trabalho, pela orientação e apoio prestados, pelas ideias e opiniões construtivas que prestou à dissertação. Quero agradecer pela ajuda na transmissão de conhecimentos e ideias, que muito enriqueceram o trabalho, e especialmente a sua total disponibilidade independente do dia ou hora. Quero ainda agradecer a amizade, sinceridade, rigor e incentivo que sempre ofereceu, mesmo nos períodos mais críticos.
Aos meus colegas Bruno Silva e Tiago Santos, que desenvolveram as suas teses paralelamente à minha, quero agradecer a companhia prestada na preparação do material e durante os ensaios realizados.
Ao Laboratório Nacional de Engenharia Civil, especialmente ao Núcleo de Materiais Orgânicos (LNEC/NMO), na pessoa da Engenheira Maria Paula Rodrigues, por me ter proporcionado uma experiência de aprendizagem única no desenrolar o meu trabalho.
A todo o pessoal técnico do LNEC/NMO, dos quais fiquei com as melhores opiniões, sendo que agradeço de um modo mais particular à senhora Filomena Nobre, ao Engenheiro Hugo Martins, ao técnico Nuno Silvestre e também aos senhores Miguel Fernandes e Rui Vensosa, o apoio e companheirismo prestados durante a preparação e ensaio do material.
A todo o pessoal técnico do Laboratório de Construção do Instituto Superior Técnico, em particular a Leonel Silva, agradeço a disponibilidade e ajuda na realização dos ensaios.
À empresa ALTO agradeço o fornecimento dos perfis pultrudidos de GFRP, sem os quais seria impossível a realização deste trabalho.
Aos meus amigos Mário Garrido e Pedro Pereira pela ajuda e companhia em alguns dos ensaios realizados.
A todos os meus amigos, família por mim escolhida, pela amizade e apoio, por acreditarem em mim, quando eu recusava fazê-lo.
À Joana, a minha namorada, agradeço o amor, apoio e compreensão nas alturas mais decisivas ao longo da minha vida pessoal e académica e também a sua ajuda constante em tudo o que necessitei para o trabalho.
Aos meus pais, agradeço do fundo do coração por me terem tornado na pessoa que sou hoje. Agradeço a confiança, força e amor incondicional ao longo de toda a minha vida.
Aos meus irmãos José e Inês e respectivas caras-metades agradeço todo o apoio, ajuda e carinho que sempre vão mostrando. Sem a sua ajuda, sem dúvida que este trabalho teria sido mais difícil.
À Virgínia pela enorme ajuda que facilitou o meu dia-a-dia.
À minha avó Madalena e à Céu por todo o amor e carinho que me demonstram, aos meus avôs que permanecem todos os dias no meu coração e memória por me terem ensinado a distinguir o certo do errado e em especial à minha avó Maria a quem eu dedico esta tese.
Simbologia
γ
m coeficiente de segurança para perfis pultrudidos de GFRP segundo a norma europeia EN 13706taxa de transferência por unidade de área perpendicular à difusão
coeficiente de difusão de Fick
energia de activação
constante universal dos gases perfeitos
temperatura
temperatura de transição vítrea
massa de um provete no ar
massa de referência de um provete no seu estado seco (oven dry)
coordenadas do sistema espacial de cor CIE 1976
variação global de cor segundo o sistema espacial de cores , e variação das coordenadas segundo este sistema espacial de cores
módulo de armazenamento
módulo de perda
, tensão e deformação dinâmicas
, amplitudes iniciais do ciclo de tensão e deformação
frequência dinâmica
ângulo de fase
módulo de armazenamento em flexão
módulo de perda em flexão
carga aplicada em flexão
espaçamento entre apoios do ensaio de flexão
espessura do provete
, w largura do provete
deformação máxima em flexão
deslocamento a meio vão em flexão
tensão de rotura em flexão
deformação de rotura em flexão
deslocamento de rotura em flexão
tensão de tracção
força de tracção aplicada
área da secção transversal
deformação nominal de tracção
distância inicial entre grampos de tracção
módulo de elasticidade em tracção
tensões correspondentes às deformações de 0,0005 e 0,0025 em tracção
tensão de corte interlaminar
carga de corte aplicada
comprimento do provete
Índice geral
Resumo ... i
Palavras -ch ave: ... i
Abstract ... iii
Keywords: ... iii
Agradecimentos ... v
Simbologia ... vii
Índice geral ... ix
Índice de figuras ... xiii
Índice de quadros ... xix
1
Introdução ... 1
1.1 Enquadramento Geral ... 1 1.2 Objectivos da dissertação ... 2 1.3 Organização da dissertação ... 3 1.4 Referências bibliográficas ... 42
Estado da arte ... 5
2.1 Introdução ... 52.2 Materiais poliméricos reforçados com fibras ... 6
2.2.1 FRP na engenharia civil ... 9
2.2.2 O significado da durabilidade em engenharia civil ... 10
2.3 Características gerais de materiais poliméricos reforçados com fibras (FRP) .... 11
2.3.1 Constituição dos FRP ... 11
2.3.1.1 Matriz ... 11
2.3.1.2 Reforço sob a forma de fibras ... 14
2.3.1.3 Agentes de polimerização ... 18
2.3.1.4 Cargas (fillers) ... 18
2.3.1.6 Interface fibra-matriz ... 19
2.3.2 Processos de produção de materiais compósitos reforçados com fibras ... 20
2.3.3 A durabilidade e o controlo de qualidade na fase de produção ... 24
2.4 Caracterização geral de polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP) ... 25
2.4.1 Propriedades típicas dos perfis pultrudidos de GFRP ... 25
2.4.2 Características estruturais de perfis pultrudidos de GFRP ... 28
2.4.3 Aplicações de perfis de GFRP em engenharia civil ... 30
2.4.4 Vantagens e limitações ... 34
2.5 Durabilidade de polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP) ... 34
2.5.1 Soluções aquosas e humidade ... 36
2.5.1.1 Efeitos na matriz ... 37
2.5.1.2 Efeitos nas fibras ... 38
2.5.1.3 Efeitos nas interface fibra-matriz ... 39
2.5.1.4 Efeitos gerais em sistemas FRP... 40
2.5.1.5 Notas finais ... 42
2.5.2 Ambientes alcalinos ... 43
2.5.3 Efeitos térmicos ... 44
2.5.4 Radiação ultravioleta ... 46
2.5.4.1 Efeitos de radiação ultravioleta em polímeros ... 46
2.5.4.2 Efeitos de radiação ultravioleta em polímeros reforçados com fibras... 47
2.5.5 Fogo e temperaturas elevadas... 48
2.5.6 Fadiga ... 52
2.5.6.1 Efeitos nas fibras ... 52
2.5.6.2 Efeitos na resina ... 53
2.5.6.3 Efeitos na interface fibra-matriz ... 53
2.5.7 Fluência ... 54
2.6 Referências bibliográficas ... 56
3
Campanha experimental ...63
3.1 Introdução ... 63
3.2 Considerações iniciais sobre a campanha experimental ... 67
3.3 Programa experimental ... 69
3.3.2 Ambientes de exposição ... 71
3.3.2.1 Imersão em água desmineralizada ... 71
3.3.2.2 Imersão em água salgada ... 72
3.3.2.3 Condensação em contínuo ... 73
3.3.2.4 Envelhecimento natural ... 74
3.4 Preparação de provetes ... 75
3.4.1 Corte dos provetes ... 75
3.4.2 Sistema de identificação dos provetes ... 77
3.4.3 Isolamento lateral ... 78
3.4.4 Análise no estado seco ... 80
3.4.5 Colheitas dos provetes ... 81
3.5 Métodos de caracterização do material ... 83
3.5.1 Variação da massa ... 83
3.5.2 Ensaios de determinação da cor e do brilho ... 84
3.5.2.1 Ensaio de determinação da cor ... 84
3.5.2.2 Ensaio de determinação do brilho ... 87
3.5.3 Análise mecânico-dinâmica ... 88
3.5.4 Ensaio de flexão ... 91
3.5.5 Ensaio de tracção ... 94
3.5.6 Ensaio de corte interlaminar ... 96
3.6 Referências bibliográficas ... 99
4
Resultados e discussão ... 101
4.1 Introdução ... 101
4.2 Caracterização inicial dos perfis GFRP ... 102
4.3 Caracterização das propriedades físicas dos perfis GFRP ... 103
4.3.1 Absorção de água e variação da massa ... 103
4.3.2 Variação da cor ... 111
4.3.3 Variação do brilho ... 113
4.4 Caracterização das propriedades mecânicas dos perfis GFRP ... 116
4.4.1 Análise mecânico-dinâmica ... 116
4.4.2 Análise das propriedades em flexão ... 124
4.4.4 Análise das propriedades em corte interlaminar ... 142
4.5 Síntese dos resultados... 147
4.6 Referências bibliográficas ... 149
5
Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros ... 151
5.1 Conclusões ... 151
5.2 Perspectivas de desenvolvimentos futuros ... 155
Anexos
A
Resultados do ensaio de absorção de água, variação de massa e regularização
de massa no processo de secagem ... 159
B
Curvas experimentais da análise mecânico-dinâmica ... 181
C
Curvas experimentais da análise em flexão ... 197
D
Curvas experimentais da análise em tracção ... 217
E
Curvas experimentais da análise por corte interlaminar ... 235
Índice de figuras
2
Estado da arte ... 5
Figura 2.1- Ruínas localizadas na Mesopotâmia. ... 7
Figura 2.2 - Gráficos representativos do crescimento anual total, descrevendo a variação de consumo em cada ano (a) por sector de mercado (b) do consumo de materiais compósitos nos Estados Unidos. ... 8
Figura 2.3 - Representação do uso de materiais compósitos por diferentes segmentos de mercado nos Estados Unidos em 2008. ... 8
Figura 2.4 - Classificação de compósitos baseados na forma da fase de reforço. ... 14
Figura 2.5 - Reforços unidireccionais: mechas de fio contínuo e cordões entrelaçados. ... 15
Figura 2.6 - Diferentes tipos de mantas de reforço: reforço disposto aleatoriamente, com uma ou várias orientações, ou uma mistura dos dois estados ... 15
Figura 2.7 - Relação constitutiva de várias fibras de reforço, comparando com o aço ... 17
Figura 2.8 - Processo de transformação dos materiais ... 20
Figura 2.9 - Sistema de manuseamento de fibras da empresa Fiberlin. ... 23
Figura 2.10 - Princípio de funcionamento do processo de pultrusão ... 23
Figura 2.11 - Relação constitutiva de perfis pultrudidos GFRP de dois fabricantes e comparação com outros materiais ... 27
Figura 2.12 - Massa volúmica, coeficientes de dilatação e condutividade térmica de GFRP ... 28
Figura 2.13 - Perfis de primeira geração da empresa Strongwell ... 28
Figura 2.14 - Disposição normal de camadas num material pultrudido. ... 29
Figura 2.15 - Novos sistemas estruturais de perfis pultrudidos FRP, ... 29
Figura 2.16 - Corrimão de um sistema de defensas na Flórida e de uma plataforma flutuante no Canadá ... 30
Figura 2.17 - Escadas utilizadas numa plataforma offshore do estado México e de uma estação de processamento químico em Chicago ... 30
Figura 2.18 - Gradis de pavimentos da expansão ferroviária da Ponte 25 de Abril e de uma estação de processamento químico em Wisconsin ... 31
Figura 2.19 - Passadiço de 400 m localizado em Espanha a 500 m de profundidade, placas de cobertura de estações de tratamento de água... 31
Figura 2.20 - Aqueduto de 36 m construído em perfis GFRP sobre um caminho ferroviário no Reino Unido, e pormenor da ligação com a estrutura em aço ... 31
Figura 2.22 - Ponte pedestre Pontresina ... 32
Figura 2.23 - Cobertura suspensa de Lindevang e estrutura utilizada. ... 33
Figura 2.24 - Estações de compatibilidade electromagnética. ... 33
Figura 2.25 – Edificio Eyecatcher ... 34
Figura 2.26 - Degradação de uma fibra de vidro aproximada 15 000x, visualizada com um microscópio electrónico ... 39
Figura 2.27 - Aspecto de compósitos GFRP de viniléster e poliéster (respectivamente) após 10 meses de exposição em solução salina com resolução x1000. ... 42
Figura 2.28 - Espectro Ultravioleta. ... 46
Figura 2.29 - Mecanismos envolvidos na decomposição térmica de compósitos poliméricos ... 49
Figura 2.30 - Variação típica de uma propriedade mecânica com a temperatura. ... 51
3
Campanha experimental ...63
Figura 3.1- Aspecto dos perfis de viniléster produzidos pela empresa ALTO. ... 63
Figura 3.2 - Guarda corpos tipo da empresa ALTO ... 64
Figura 3.3 - Campanha experimental. ... 66
Figura 3.4 - Dimensões de um provete. ... 67
Figura 3.5 - Posicionamento correcto dos provetes no recipiente. ... 72
Figura 3.6 - (a) Recipientes do condicionamento à temperatura de 20 ºC; (b) Aspecto de uma estufa usada no condicionamento às temperaturas de 40 ºC e de 60 ºC; (c) Interior da estufa, com provetes distribuídos no interior de caixas de plástico. ... 72
Figura 3.7 - Câmara de condensação em contínuo e respectivos provetes (como se encontra ilustrado na figura, existe humidade nas paredes). ... 74
Figura 3.8 - Instalação de envelhecimento natural dos provetes ... 75
Figura 3.9 - Serra com refrigeração a água do Laboratório de Construção do IST... 76
Figura 3.10 - Serra refrigerada a água pertencente ao LNEC/NMO. ... 76
Figura 3.11 - Esquema de corte dos diferentes tipo de provetes retirados do perfil RHS. (a) - Ensaios de flexão, corte interlaminar e DMA; (b) - Ensaio de tracção ... 77
Figura 3.12 - Identificação tipo de dois provetes. ... 77
Figura 3.13 - Resina Icosit K 101 N da Sika. ... 78
Figura 3.14 – Laboratório condicionado e material de protecção utilizado neste trabalho. ... 79
Figura 3.15 - Esquema do reforço lateral nas superfícies de corte dos provetes teste. ... 79
Figura 3.16 - Provetes teste após isolamento lateral. ... 80
Figura 3.17 - Estufa de secagem de provetes teste. ... 80
Figura 3.18 - Colheita experimental. ... 82
Figura 3.20 - Sistema CIELab ... 85
Figura 3.21 - Colorímetro... 86
Figura 3.22 - Ensaio de cor em execução. ... 86
Figura 3.23 – Brilhómetro “Novo-Gloss statistical glossimeter”. ... 87
Figura 3.24 - Brilhómetro e superfícies de calibração ... 88
Figura 3.25 - Ângulo de fase e módulo complexo ... 90
Figura 3.26 – Aparelho utilizado no ensaio de DMA ... 91
Figura 3.27 - Eixos principais de teste e sistema de flexão em três pontos ... 92
Figura 3.28 - Craveira digital. ... 93
Figura 3.29 - Equipamento utilizado para o ensaio de flexão. ... 94
Figura 3.30 - Aquisição automática de dados por sinal eléctrico (Spider 8). ... 94
Figura 3.31 - Digimatic Indicator da Mitutoyo ... 95
Figura 3.32 - Aspecto de um provete de tracção antes do ensaio... 96
Figura 3.33 - Máquina de ensaios mecânicos utilizado na determinação das propriedades em tracção. ... 96
Figura 3.34 – Equipamento usado no ensaio de corte interlaminar ... 97
4
Resultados e discussão ... 101
Figura 4.1 -Curvas experimentais da variação de massa dos provetes viajantes imersos em água desmineralizada do Grupo I ... 105
Figura 4.2 - Curvas experimentais da variação de massa dos provetes viajantes em imersões salinas do Grupo I ... 105
Figura 4.3 - Curvas experimentais da variação de massa dos provetes viajantes imersos em água desmineralizada a 20 ºC do Grupo II ... 106
Figura 4.4 - Curvas experimentais da variação de massa dos provetes viajantes imersos em água desmineralizada a 40 ºC do Grupo II ... 106
Figura 4.5 - Curvas experimentais da variação de massa dos provetes viajantes em condensação em contínuo a 40 ºC do Grupo II. ... 107
Figura 4.6 - Curvas experimentais da variação de massa obtidas em investigações semelhantes ... 107
Figura 4.7 - Variação de cor registada após dois anos de exposição nos provetes teste. ... 112
Figura 4.8 – Comparação da evolução do brilho do material... 115
Figura 4.9 - Comparação de um provete não envelhecido com três provetes após dois anos de envelhecimento natural. ... 115
Figura 4.10 – Evolução da temperatura de transição vítrea retirado da curva tan δ dos ambientes do Grupo I. ... 118
Figura 4.11 - Evolução da temperatura de transição vítrea retirado da curva E’ dos ambientes do Grupo I. ... 118 Figura 4.12 - Evolução da temperatura de transição vítrea retirado da curva tan δ dos ambientes do Grupo II. ... 121 Figura .4.13 - Evolução da temperatura de transição vítrea retirado da curva E’ dos ambientes do Grupo II. ... 122 Figura 4.14 - Curvas experimentais de tensão-deformação tipicamente observadas no ensaio de flexão ... 124 Figura 4.15 - Rotura típica de um provete do ensaio de flexão. ... 124 Figura 4.16 - Evolução da tensão de rotura à flexão ao longo do tempo para provetes de Grupo I. ... 126 Figura 4.17 - Evolução da deformação na rotura à flexão ao longo do tempo para provetes de Grupo I. ... 126 Figura 4.18 - Evolução do módulo de elasticidade em flexão ao longo do tempo para provetes do Grupo I. ... 127 Figura 4.19 - Evolução da tensão de rotura à flexão ao longo do tempo para provetes de Grupo II. ... 130 Figura 4.20 - Evolução da deformação na rotura à flexão ao longo do tempo para provetes de Grupo II. ... 130 Figura 4.21 - Evolução do módulo de elasticidade em flexão ao longo do tempo para provetes do Grupo II. ... 131 Figura 4.22 - Curvais experimentais de tensão-deformação tipicamente observadas no ensaio de tracção ... 134 Figura 4.23 - Rotura típica de um provete do ensaio de tracção. ... 134 Figura 4.24 - Evolução da tensão de rotura à tracção ao longo do tempo para provetes de Grupo I. ... 136 Figura 4.25 - Evolução da deformação na rotura à tracção ao longo do tempo para provetes de Grupo I. ... 136 Figura 4.26 - Evolução do módulo de elasticidade em tracção ao longo do tempo para provetes do Grupo I. ... 137 Figura 4.27 - Evolução da tensão de rotura à tracção ao longo do tempo para provetes de Grupo II. ... 139 Figura 4.28 - Evolução da deformação na rotura à tracção ao longo do tempo para provetes de Grupo II. ... 140 Figura 4.29 - Evolução do módulo de elasticidade em tracção ao longo do tempo para provetes do Grupo II. ... 140
Figura 4.30 - Curvais experimentais da força-deslocamento tipicamente observadas no ensaio de corte interlaminar. ... 142 Figura 4.31 - Rotura típica de um provete do ensaio de corte interlaminar. ... 142 Figura 4.32 - Evolução da tensão de rotura ao corte interlaminar ao longo do tempo para provetes de Grupo I. ... 144 Figura 4.33 - Evolução da tensão de rotura ao corte interlaminar ao longo do tempo para provetes de Grupo II. ... 146
Índice de quadros
2
Estado da arte ... 5
Quadro 2.1- Propriedades típicas dos polímeros termoendurecíveis usados como matriz FRP. 14 Quadro 2.2 – Propriedades típicas das fibras mais utilizadas. ... 16 Quadro 2.3 - Vantagens e limitações das fibras de carbono e aramida. ... 17 Quadro 2.4 - Classificação de processos. ... 22 Quadro 2.5 - Propriedades mecânicas na direcção axial de perfis pultrudidos GFRP disponíveis comercialmente. ... 26 Quadro 2.6 - Propriedades mecânicas na direcção normal de perfis pultrudidos GFRP disponíveis comercialmente. ... 26 Quadro 2.7 – Vantagens e limitações de perfis pultrudidos GFRP ... 34
3
Campanha experimental ...63
Quadro 3.1 - Ambientes de exposição propostos no trabalho realizado anteriormente ... 65 Quadro 3.2 - Norma de ensaio e dimensões dos provetes utilizados nos ensaios de caracterização do material envelhecido. ... 68 Quadro 3.3 - Quantidades de provetes por nova variante de investigação ... 68 Quadro 3.4 - Organização da campanha experimental. ... 70 Quadro 3.5 - Correspondência do sistema de identificação adoptado ... 78 Quadro 3.6 - Quantidade de provetes necessários em cada colheita. ... 82
4
Resultados e discussão ... 101
Quadro 4.1 - Propriedades físico-químicas iniciais do material em estudo. ... 102 Quadro 4.2 - Coeficiente de difusão aparente e percentagem de variação máxima de massa. . 108 Quadro 4.3 - Comparação dos resultados com outras investigações prévias. ... 108 Quadro 4.4 –Coordenadas cromáticas. ... 111 Quadro 4.5 - Resultados do ensaio da variação de brilho (reflectância). ... 113 Quadro 4.6 – Resumo dos resultados aos dois anos. ... 114 Quadro 4.7 - Resultados de DMA do Grupo I. ... 117 Quadro 4.8 - Resultados de DMA do Grupo II. ... 121 Quadro 4.9 - Resultados médios obtidos dos ensaios de flexão para o Grupo I. ... 125 Quadro 4.10 - Resultados médios obtidos dos ensaios de flexão para o Grupo II. ... 129
Quadro 4.11 - Resultados médios obtidos dos ensaios de tracção para o Grupo I. ... 135 Quadro 4.12 - Resultados médios obtidos dos ensaios de tracção para o Grupo II... 139 Quadro 4.13 - Resultados médios obtidos dos ensaios ao corte interlaminar para o Grupo I. .. 143 Quadro 4.14 - Resultados médios obtidos dos ensaios ao corte interlaminar para o Grupo II. . 145
1
Introdução
1.1 Enquadramento Geral
Os elevados custos de manutenção e reparação que hoje se fazem sentir em estruturas construídas com materiais tradicionais, devido aos problemas de durabilidade do aço e do betão armado, têm vindo a solicitar a procura de alternativas viáveis na indústria da construção. Assiste-se, assim, ao crescimento do interesse em novos materiais estruturais, mais resistentes à degradação ambiental, mais leves e que apresentem menores exigências de manutenção, mantendo as suas características resistentes [1.1].
O aumento dos custos de manutenção e reparação de estruturas, relacionadas com a durabilidade dos materiais tradicionais tem provocado alterações nas práticas de dimensionamento e na própria regulamentação. Este factor e também as maiores exigências de velocidade de construção têm contribuído para o desenvolvimento de novos materiais, que apresentem menos deterioração face aos agentes de degradação comuns em engenharia civil, sejam mais leves e apresentem menores exigências de reparação [1.2].
A procura de soluções alternativas aos materiais tradicionais tem também como efeito impulsionador o recente aumento da preocupação com a sustentabilidade na construção. A utilização extensa de recursos não renováveis no sector, bem como o tratamento dos resíduos resultantes, surge como um dos maiores problemas actuais com necessidade de resolução.
Os perfis pultrudidos de GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) são materiais compósitos constituídos por fibras de vidro dispostas essencialmente de modo unidireccional, embebidas numa matriz que geralmente é constituída por viniléster ou poliéster insaturado, e enquadram-se no grupo de materiais poliméricos reforçados com fibras (FRP).
Desde 1940 que os materiais compósitos, formados pela combinação de dois ou mais materiais distintos, têm vindo a ganhar relevo e popularidade em diferentes campos da engenharia embora apenas a partir da década de 1980, tenha surgido um aumento nas aplicações destes materiais na indústria da construção [1.2].
Este aumento deveu-se à existência de algumas vantagens no uso destes materiais dentro das quais se destaca o baixo peso específico, a elevada relação entre a resistência e o seu peso, a sua facilidade de montagem e transporte, os baixos custos de manutenção ou mesmo a transparência electromagnética. No entanto, o custo de produção é ainda pouco competitivo na maioria das situações [1.3].
O uso actual de perfis de GFRP requer ainda um estudo extensivo, focando entre outros aspectos a sua durabilidade, uma vez que a vida útil normal esperada para construções correntes, nos dias de hoje, é no mínimo 50 anos. A análise da durabilidade deste tipo de materiais tem sido considerada como um aspecto fulcral, relativamente à informação necessária para a sua aplicação e utilização [1.4].
Nos últimos anos, a temática da durabilidade e compreensão dos fenómenos de degradação destes materiais tem vindo a ganhar relevo, procurando-se a caracterização destes materiais sob condições adversas a curto e longo prazo.
1.2 Objectivos da dissertação
Esta dissertação tem por objectivo principal o estudo da durabilidade de perfis de GFRP com matriz de viniléster, de modo a avaliar as suas características para aplicações na indústria da construção. Deste modo, foram utilizados perfis pultrudidos comerciais, fornecidos pela produtora ALTO, Perfis Pultrudidos Lda, Portugal.
O estudo da durabilidade elaborado nesta dissertação consiste mais especificamente em quantificar a degradação das propriedades mecânicas, físicas e também estéticas, através da análise de provetes obtidos directamente dos perfis pultrudidos, submetidos a vários agentes de degradação ambiental.
Este estudo desenvolve-se no âmbito de um projecto de investigação cujos trabalhos foram iniciados em 2009, e dos quais resultaram as dissertações de Costa [1.5] e Carreiro [1.6], realizados no âmbito do protocolo de colaboração entre o Instituto Superior Técnico e o Laboratório Nacional de Engenharia Civil. Desta forma é dado seguimento ao estudo do envelhecimento acelerado do material sujeito a imersões em água desmineralizada, e numa solução salina a 20 ºC, 40 ºC e 60 ºC. Através da variação das propriedades físicas e químicas consideradas mais relevantes é efectuada uma análise do desempenho do material ao longo do tempo, de modo a quantificar a sua degradação. Para controlo dos resultados obtidos é também analisado o ambiente de envelhecimento natural.
Foram também utilizadas técnicas de identificação de parâmetros relacionados com a estética do material, nomeadamente da cor e do brilho, após o envelhecimento natural dos provetes expostos à luz solar natural, possibilitando deste modo a sua comparação com ensaios acelerados de exposição a raios ultravioleta.
Outro objectivo desta dissertação prende-se com o estudo da influência da protecção lateral aplicada nos provetes, de modo a isolar as partes desprotegidas resultantes do corte, submetendo o material protegido aos ambientes de envelhecimento acelerado, situação mais próxima das condições de serviço normalmente verificadas.
Finalmente, é também objecto de estudo desta dissertação a reversibilidade do processo de degradação. O estudo deste processo consiste na secagem do material, permitindo uma análise no estado seco, e a comparação com os resultados obtidos no estado húmido, onde decorre a maioria dos ambientes de envelhecimento.
1.3 Organização da dissertação
A presente dissertação encontra-se organizada em 5 capítulos.
No primeiro capítulo, é efectuado um enquadramento geral, procurando-se introduzir a temática da durabilidade dos perfis de GFRP no contexto da engenharia civil e o propósito desta dissertação, apresentando-se os objectivos a alcançar.
No segundo capítulo, são apresentadas as propriedades mais importantes dos materiais FRP, aprofundando o caso de estudo dos materiais compósitos de GFRP, incluindo a sua constituição, o seu processo de produção, as suas vantagens e limitações, as suas características mecânicas, as formas estruturais e o seu campo de aplicação em engenharia civil. Ainda neste capítulo, é analisada a problemática da durabilidade e a importância do seu estudo, apresentando-se os efeitos dos principais agentes de degradação nestes materiais.
No terceiro capítulo, é apresentada a campanha experimental realizada, identificando-se os agentes de degradação e os ensaios mecânicos e físicos a efectuar, bem como a quantidade necessária de material. Posteriormente, são descritos os ambientes de envelhecimento e também os procedimentos experimentais seguidos.
No quarto capítulo, descrevem-se os resultados experimentais obtidos na monitorização de algumas propriedades físicas, mecânicas e estéticas que quantificam a durabilidade do material, confrontando-os com resultados previamente obtidos no âmbito deste projecto e também com resultados de outras investigações.
No quinto capítulo, são apresentadas as conclusões gerais da dissertação e são também propostas matérias para investigações futuras de questões que sejam consideradas relevantes no âmbito desta dissertação.
1.4 Referências bibliográficas
[1.1] J.R. Correia, F.A. Branco, J.G. Ferreira, “Comportamento mecânico de perfis pultrudidos de fibra de vidro (GFRP) e das suas ligações”, Construção 2004, Congresso Nacional da Construção, FEUP, Porto, 2004.
[1.2] J.R. Correia, “Perfis pultrudidos de fibra de vidro (GFRP). Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na construção”, Dissertação para obtenção de grau de mestre em Construção, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Março 2004, 242p.
[1.3] J.R. Correia, “GFRP Pultruded Profiles in Civil Engineering: hybrid solutions, bonded connections and fire behaviour”, Dissertação para obtenção de grau de Doutor em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2008, 420p.
[1.4] V.M. Karbhari, J.W. Chin, D. Hunston, B. Benmokrane, T. Juska, R. Morgan, J.J. Lesko, U. Sorathia and Reynaud, “Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infraestructure”, ASCE Journal of Composites in Construction, 7, 2003, 238-247. [1.5] R. Costa, “Durabilidade de perfis pultrudidos de poliéster reforçado com fibras de vidro (GFRP)”, Dissertação para obtenção de grau de mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Novembro 2009, 108p.
[1.6] A. Carreiro, “Durabilidade de perfis pultrudidos de viniléster reforçado com fibras de vidro (GFRP)”, Dissertação para obtenção de grau de mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Maio 2010, 122p.
2
Estado da arte
2.1 Introdução
O presente capítulo pretende contextualizar o trabalho efectuado, indicando os resultados mais relevantes da pesquisa bibliográfica efectuada no âmbito do estudo da durabilidade de materiais compósitos, enfatizando o caso de estudo dos compósitos de polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP).
O capítulo é iniciado com uma pequena resenha histórica dos materiais compósitos em geral, aprofundando a crescente importância no uso de materiais poliméricos reforçados com fibras (FRP) ao longo do tempo, as suas aplicações e o seu significado no sector da engenharia civil.
De seguida, são abordadas, várias propriedades importantes dos materiais reforçados com fibras, incluindo a sua constituição, os processos de produção, sendo dado enfâse à pultrusão (processo de fabrico dos perfis utilizados no estudo experimental da dissertação), as suas vantagens e limitações e o efeito da fase de produção deste tipo de material em termos de durabilidade e controlo de qualidade.
Posteriormente, é aprofundado o caso de estudo dos materiais compósitos de GFRP, onde se enfatizam as suas propriedades típicas de produção e formas estruturais recorrendo a informação de vários fabricantes. Refere-se ainda o domínio das aplicações de GFRP em engenharia civil, apresentando-se vários exemplos, finalizando com um quadro resumo das vantagens e limitações destes materiais.
Por último, é analisada a problemática da durabilidade destes materiais e a importância do seu estudo, onde os efeitos de factores externos como a temperatura, a humidade e soluções aquosas, os carregamentos cíclicos, a exposição à radiação ultravioleta, o fogo, os efeitos térmicos e os fenómenos de fadiga. Estes factores introduzem várias alterações em muitas propriedades dos materiais, de natureza física, térmica, química ou mesmo estética.
2.2 Materiais poliméricos reforçados com fibras
Um material compósito resulta da combinação de dois ou mais materiais cuja utilização em separado poderá não apresentar propriedades adequadas ao seu uso como materiais de construção. No entanto, a sua combinação, mantendo-se de uma superfície de interface identificável, pode constituir um novo material que combina as melhores propriedades dos materiais que lhe deram origem.
Desde o início dos tempos que o Homem recorreu à combinação de materiais distintos de modo a corrigir certos defeitos e melhorar as propriedades dos materiais utilizados nas suas construções. Historicamente, por volta de 5000 a.C. é datado o primeiro uso de materiais compósitos na Mesopotâmia. Com efeito, adicionava-se à argila fragmentos de rocha e outros materiais de origem mineral, em formas e quantidades distintas, para minimizar a contracção dos produtos durante a secagem e melhorar a sua resistência ao choque. Existem registos entre 4000 e 2000 a.C., de que os tijolos utilizados nas edificações eram reforçados com palha de modo reduzir a fissuração durante o processo de secagem, como se ilustra na Figura 2.1 [2.1 ,2.2].
Existem registos à data de 3500 a.C. de uma colina de 57 m de altura constituída por tijolo de barro cozido ao sol a que se adicionou palha. Os romanos utilizavam crinas de cavalos nas suas argamassas. A construção em adobe consiste numa técnica que se propagou desde a Antiguidade, baseando-se nos mesmos princípios [2.3].
Embora a produção e utilização de materiais compósitos remonte à Antiguidade, o fabrico de polímeros reforçados com fibras (FRP) é bem mais recente. Por volta de 1940 foram utilizadas pela primeira vez fibras de vidro como reforço de materiais plásticos.
As suas propriedades de resistência e o seu reduzido peso próprio motivaram a escolha destes materiais na construção de radares.
Figura 2.1- Ruínas localizadas na Mesopotâmia [2.4].
Na década seguinte, iniciaram-se as aplicações na indústria aeronáutica e aeroespacial, onde os materiais compósitos reforçados com fibras de vidro foram substituindo lentamente alguns materiais metálicos. Estas indústrias foram a força impulsionadora do desenvolvimento dos materiais compósitos de elevado desempenho. Como resultado dos esforços iniciados na década de 1960, surgiram as fibras de boro e de carbono. Na década de 1970 surgem as fibras de aramida e, dez anos mais tarde, assistiu-se ao desenvolvimento de novos métodos de processamento de fibras de carbono com excelentes propriedades mecânicas, a preços inferiores [2.2].
Durante os últimos cinquenta anos, ocorreu um aumento do uso sustentável de materiais FRPs. O uso de compósitos poliméricos tem crescido a um ritmo elevado desde 1960 e, actualmente, estes materiais têm um leque muito variado e extenso de aplicações na indústria da aviação, aeroespacial, naval ou mesmo em barcos, automóveis, infra-estruturas civis, material desportivo e vários outros produtos.
A Figura 2.2 ilustra o crescimento do uso de materiais compósitos nos Estados Unidos da América (E.U.A) desde 1960 até 2000 ou seja há 10 anos atrás. Durante este período, o consumo cresceu cerca de trinta vezes e é expectável que a sua taxa de crescimento se mantenha elevada nos próximos anos [2.5].
De facto estas previsões confirmaram-se e os maiores incrementos ocorreram no sector da construção (destaca-se um grande aumento em dez anos neste sector, de cerca de 24%) e transporte, embora o uso de compósitos também se faça sentir de um modo substancial na protecção contra a corrosão, como por exemplo a sua aplicação em tubagens ou também na indústria marítima e electrónica
(a) (b)
Figura 2.2 - Gráficos representativos do crescimento anual total, descrevendo a variação de consumo em cada ano (a) por sector de mercado (b) do consumo de materiais compósitos nos Estados Unidos [2.5]. . A Figura 2.3 indica o uso de matériais compósitos pelos diferentes sectores de mercado nos Estados Unidos da América em 2008.
Figura 2.3 - Representação do uso de materiais compósitos por diferentes segmentos de mercado nos Estados Unidos em 2008, adaptado de [2.6].
O crescimento da utilização de compósitos chegou a um nível onde o seu uso começa a rivalizar com o dos materiais tradicionais, como por exemplo as vigas de aço e alumínio em vários mercados, particularmente na indústria aeronáutica, naval, e processamento químico. Embora a substituição do aço por estes compósitos como o material mais utilizado em engenharia seja de certo modo irrealista, é expectável que o mercado de compósitos se mantenha forte. As vendas
de materiais compósitos nos Estados Unidos aumentaram fortemente em 2008. Este aumento deriva da inserção destes materiais de um modo mais aprofundado em mercados estabelecidos como na construção e indústria aeroespacial, e a sua participação em mercados emergentes. O objectivo de redução de custos e o aumento de qualidade e desempenho estrutural destes compósitos, aliado aos desenvolvimentos em nano-compósitos poliméricos são factores essenciais ao aumento do uso de FRPs.
O uso de compósitos numa grande variedade de aplicações deve-se ao seu bom desempenho físico, térmico, químico e mecânico. As principais vantagens destes materiais na aplicação em engenharia civil incluem a baixa densidade, elevada resistência e rigidez específica, boa resistência a fenómenos de fadiga, resistência a corrosão e baixa expansão térmica. Salienta-se também a sua versatilidade de propriedades, multiplicidade de técnicas de fabrico, custos de manutenção reduzidos e facilidade de aplicação. No entanto, nenhum material é perfeito e, como tal, estes materiais possuem também desvantagens que certamente causaram impacto no seu crescimento em alguns mercados, como por exemplo a susceptibilidade dos compósitos ao fogo, que tem sido um factor chave nas limitações do seu uso em muitas infra-estruturas e aplicações em engenharia [2.5].
2.2.1 FRP na engenharia civil
Entre o período de 1950 até ao início dos anos 70, assistiu-se a uma forte expansão de infra-estruturas na indústria da construção para o transporte e alojamento de pessoas, serviços e mercadorias, que está agora a chegar a um ponto crítico com o aumento de registos de deteriorações e perda de funcionalidade das estruturas. As deficiências notadas no ambiente de construção em geral, variam desde aquelas que são relacionadas com o uso, degradação ambiental, envelhecimento dos componentes estruturais. O detalhe e conhecimento insuficiente na altura de construção, erros de projecto e de construção, uso de materiais com qualidade insuficiente nas fases iniciais de construção e a inexistência ou existência inadequada de medidas de manutenção e reabilitação tomadas ao longo da vida útil da estrutura. Os impactes na sociedade derivados da deterioração são grandes a nível socioeconómico, resultando muitas vezes na incapacidade de fornecer os serviços a que as estruturas são propostas, resultando por exemplo em atrasos, acidentes e irregularidades em abastecimentos [2.7].
Materiais convencionais como o aço, o betão e a madeira têm um número de vantagens, incluindo o custo relativamente baixo de materiais e construção. No entanto, é de notar que embora adequados e com um historial de boa aplicabilidade, os materiais convencionais carecem de longevidade em certos casos e são susceptíveis à rápida deterioração noutros, enfatizando a necessidade de melhorar os padrões de qualidade dos mesmos ou de novas tecnologias que possam complementar os materiais utilizados tradicionalmente. É também de
notar que, várias vezes, existem alternativas de projecto de algum modo constrangidas, derivadas de limitações actuais dos materiais utilizados, como por exemplo no comprimento duma ponte de vão livre por constrangimentos de peso. De um modo semelhante, a utilização de materiais convencionais é normalmente ineficaz em termos de funcionalidade ou mesmo impossível em casos de melhoramento de estruturas. Em muitos casos, existe uma necessidade crítica para o uso de novos materiais e novas tecnologias emergentes, com a finalidade de facilitar a funcionalidade e eficiência estrutural [2.7].
2.2.2 O significado da durabilidade em engenharia civil
Os FRP estão cada vez mais a ser utilizados em infra-estruturas de engenharia civil numa grande variedade de aplicações como varões de reforço, encamisamento para melhoramento sísmico de colunas, reforço externo para aumento de resistência de paredes, vigas e lajes, tabuleiros de pontes (composite bridge decks) e até combinações híbridas de FRP com materiais convencionais ou mesmo os sistemas estruturais inteiramente compósitos (all-composite). Uma das problemáticas levantadas nestes materiais, muito derivada do seu desconhecimento relativo ao engenheiro civil no exercício das suas funções, está relacionada com a durabilidade destes materiais, especialmente nos casos de capacidade resistente e desempenho sob condições ambientais adversas e em contínua mudança.
Embora os FRP tenham sido utilizados inúmeras vezes com sucesso em vários sectores industriais, como na indústria automóvel, marinha e aeroespacial, existem diferenças críticas entre a natureza e intensidade das cargas aplicadas, ambientes de exposição e mesmo nos tipos de materiais e processos utilizados nestas aplicações quando comparados com os provavelmente utilizados para aplicações de engenharia civil. No entanto, a informação actual e os respectivos dados sobre a durabilidade é de certo modo escassa e encontra-se dispersa, pouco documentada e com dificuldade de acesso ao engenheiro civil. Esta ausência de informação juntamente com o nível elevado de padrões de segurança levou ao uso em certos casos de elevados factores de segurança na área dos reservatórios e tubagens [2.8].
A determinação da durabilidade a longo prazo de materiais FRP com aplicação em engenharia civil e o desenvolvimento de uma metodologia capaz de lidar com as particularidades destes materiais quando expostos a ambientes nem sempre bem definidos são críticos para a generalização do uso e aceitação geral dos FRP na engenharia civil. Existe também uma imaturidade relativa nas metodologias utilizadas para reabilitação, escolha e forma dos materiais a utilizar, o que leva à necessidade de desenvolvimento e implementação de um sistema não destrutivo de avaliação de patologias, eficiente e relativamente simples, que possa ajudar à identificação de sistemas e monitorização de estruturas durante largos períodos de tempo. [2.7].
O termo durabilidade é amplamente utilizado, sendo o seu significado e implicações por vezes ambíguas. Muitas vezes o termo é utilizado erradamente como a degradação do compósito face às condições ambientais mas, no entanto, acarreta uma definição mais abrangente. Interessa notar que neste sentido, a durabilidade de um material ou estrutura é definida como „a capacidade para resistir à fendilhação, oxidação, degradação química, delaminação, uso e/ou efeitos danificadores de objectos externos durante um período de tempo e condições ambientais específicos, sob as condições de carregamento apropriadas‟. A utilização eficiente de dados de durabilidade em projecto pode ser efectuada não apenas pelo uso de coeficientes de segurança, mas também pelo uso de princípios básicos actuais e pela implementação de tolerância ao dano onde os níveis de desempenho possam ser garantidos. Neste sentido, a tolerância ao dano é definida como „a capacidade de um material ou estrutura resistir à rotura e continuar com condições de serviço, prescritos em níveis de desempenho na presença de falhas, fendilhações ou outras formas de dano e degradação durante um determinado período de tempo sob certas condições ambientais‟ [2.7].
2.3 Características gerais de materiais poliméricos reforçados
com fibras (FRP)
O conhecimento da constituição e processos de fabrico é fundamental no reconhecimento da importância dos FRP como materiais de construção, pois ambos os factores revelam-se determinantes nas propriedades apresentadas pelo produto final bem como do tipo de aplicações em que podem ser utilizados.
2.3.1 Constituição dos FRP
Nos FRP, as propriedades físico-químicas dos polímeros (que são utilizadas como matriz), são conjugados com as elevadas propriedades mecânicas das fibras de reforço. Na sua constituição, além destes dois elementos, são ainda incorporados aditivos com o objectivo de melhorar e optimizar as suas propriedades ou características, como por exemplo aceleradores, fillers ou agentes desmoldantes [2.2].
2.3.1.1 Matriz
Estritamente, a palavra matriz refere-se à fase contínua num material compósito que contenha uma outra fase dispersa, descontínua como as fibras ou partículas de filler e a matriz poderia ser em princípio uma resina, cimento, vidro, carbono, metal ou cerâmico. Nesta dissertação a matriz
será sempre uma resina polimérica. Salienta-se que a matriz desempenha várias funções e não serve apenas para servir de ligação da fase de reforço. Aspectos como protecção ambiental e ao dano à fase de reforço. Confere rigidez, propriedades mecânicas e permite o material ser moldado [2.9].
Segundo Cabral-Fonseca [2.2], as funções gerais da matriz são:
Assegurar a posição e orientação das fibras, através de uma impregnação eficaz durante o processo de fabrico.
Distribuir pelas fibras as tensões resultantes das cargas externas aplicadas.
Absorver a energia e reduzir a concentração de tensões, contribuindo para a detenção da propagação de fissuras.
Proteger as fibras da abrasão e das agressões do meio ambiente.
Os materiais poliméricos dividem-se em dois grupos principais: os polímeros termoplásticos e os polímeros termoendurecíveis. Os polímeros podem distinguir-se uns dos outros pela forma como as cadeias de ligação dos polímeros se encontram ligadas quando estes se encontram na sua forma sólida [2.9].
Polímeros termoplásticos: Quando aquecidos, são materiais que fundem, podendo ser enformados nesse estado pois assumem essa forma após o arrefecimento. Uma propriedade destes polímeros consiste na reversibilidade do processo, pois é possível efectuar o seu reprocessamento sem perda significativa das suas propriedades, o que se torna vantajoso no âmbito da reciclagem e reprocessabilidade. Estes polímeros não sofrem qualquer transformação química durante o processamento, e são fáceis de armazenar pois não requerem refrigeração. No entanto, além de serem mais difíceis de processar que os polímeros termoendurecíveis, devido à sua elevada viscosidade e aumentando consequentemente os custos de produção, os polímeros termoplásticos apresentam piores propriedades de impregnação e adesão às fibras. As ligações macromoleculares são efectuadas através de ligações secundárias (forças de Van der Waals ou pontes de hidrogénio), mais fracas que as covalentes. Dentro destes polímeros destacam-se o polipropileno, a poliamida, o polietileno e o polibutileno [2.2, 2.9].
Polímeros termoendurecíveis: São formados através de uma reacção química de polimerização na presença de calor, onde uma estrutura amorfa com formato em rede tridimensional é sintetizada. Estas reacções são de cariz irreversível, o que significa que após a cura, os polímeros termoendurecíveis deixam de poder ser reprocessadas. Os polímeros termoendurecíveis apresentam baixa viscosidade, o que permite velocidades de processamento elevadas. Salienta-se também que estes polímeros apresentam boas capacidades de impregnação
das fibras e excelentes propriedades adesivas. Caracterizam-se ainda por serem materiais mais rígidos e menos sensíveis à temperatura que os polímeros termoplásticos. [2.2, 2.9].
Segundo Correia [2.9], as propriedades de ambos os tipos de polímeros tornam as resinas termoendurecíveis mais adequadas para a aplicações estruturais e inclusive, são utilizadas em quase todos os produtos FRP disponíveis no mercado.
No entanto, regista-se um despontar de novas técnicas de fabrico e campos de aplicação inovadores para os FRP de matriz termoplástica. Os polímeros termoendurecíveis, com aplicações mais comuns são o poliéster insaturado, o viniléster, as resinas epoxídicas e as fenólicas, que podem ser consideradas como materiais isotrópicos e viscoelásticos [2.2].
O poliéster insaturado é o tipo de polímero termoendurecível mais utilizado como matriz em FRP, quer no âmbito das aplicações em geral, quer na indústria da construção, onde ainda tem maior importância relativa [2.2]. É um material que apresenta baixa viscosidade, susceptível de ser misturados com grandes quantidades de fillers e apresenta um equilíbrio entre as suas propriedades mecânicas, químicas e eléctricas, boa estabilidade dimensional e facilidade de processamento, a um preço relativamente baixo [2.10].
O viniléster foi desenvolvido de modo a combinar as propriedades melhoradas dos polímeros epoxídicos, com a facilidade de processamento do poliéster [2.10]. Estes polímeros apresentam boa resistência ao impacto e à fadiga, têm baixa permeabilidade à água e também as boas propriedades de isolamento térmico e eléctrico. São compatíveis e apresentam boas propriedades adesivas em relação às fibras de carbono, de vidro e aramídicas. Como consequência, o custo de produção destas resina-se encontra-se a um nível intermédio, maior que o poliéster. No entanto, se for pretendida maior durabilidade para os materiais FRP, estes polímeros assumem maior relevância [2.2, 2.9].
O Quadro 2.1 apresenta propriedades típicas de quatro polímeros utilizados como matriz de FRP.
Quadro 2.1- Propriedades típicas dos polímeros termoendurecíveis usados como matriz FRP, adaptado de [2.11, 2.12].
Propriedade Poliéster
insaturado Viniléster Epoxídicas Fenólicas
Resistência à tracção [MPa] 20-70 68-82 60-80 30-50
Módulo de elasticidade [GPa] 2,0-3,0 3,5 2,0-4,0 3,6
Extensão na rotura [%] 1,0-5,0 3,0-4,0 1,0-8,0 1,8-2,5
Massa volúmica [g/cm3] 1,20-1,30 1,12-1,16 1,20-1,30 1,00-1,25 Temperatura de transição vítrea [ºC] 70-120 102-150 100-270 260
2.3.1.2 Reforço sob a forma de fibras
A principal função das fibras é suportar as solicitações mecânicas dos elementos estruturais, fornecendo resistência e rigidez ao longo da direcção em que se desenvolvem. Quando é aplicada uma carga exterior, esta é transferida, através da interface fibra-matriz, para as fibras que embora mais frágeis, a sua rotura em zonas localizadas não se repercute na rotura global da estrutura.
A fase de reforço revela-se de extrema importância nos materiais compósitos e é possível efectuar a sua classificação baseada na forma de reforço utilizada, visível na Figura 2.4.
Figura 2.4 - Classificação de compósitos baseados na forma da fase de reforço, adaptado de [2.2]. Estes reforços são geralmente utilizados na forma de feixes, de onde se destacam várias configurações destes como as mechas de fio contínuo, ou cordões. Em alguns casos o reforço é especialmente formado utilizando processos têxteis num molde tridimensional. Este caso específico permite o „esqueleto‟ inteiro de reforço ser produzido antes da introdução da resina, funcionando de um modo análogo às armaduras no betão armado.
Segundo Cabral-Fonseca [2.2], destacam-se as seguintes configurações possíveis das fibras de reforço, ilustradas nas Figuras 2.5 e 2.6.
Mechas de fio contínuo, resultantes de uma fiação preliminar, obtidas pela ligação de feixes paralelos sem torção intencional.
Cordão, ou fio entrelaçado, resultante da união dos feixes com torção.
Tecido, construído pelo cruzamento de fios ou cordões segundo duas direcções, em geral, perpendiculares.
Manta, formada por troços de fios ou feixes, dispostos sobre um plano segundo direcções aleatórias e mantidos em conjunto por um aglutinante fraco.
Fibras cortadas, que podem ser consideradas em função do seu comprimento, como moídas, curtas ou compridas.
Figura 2.5 - Reforços unidireccionais: mechas de fio contínuo e cordões entrelaçados, adaptado de [2.8].
Figura 2.6 - Diferentes tipos de mantas de reforço: reforço disposto aleatoriamente, com uma ou várias orientações, ou uma mistura dos dois estados, adaptado de [2.2].
A maior parte dos reforços sob a forma de fibras recebem tratamentos superficiais com uma substância, normalmente feita de óleo, amido ou cera, que actua como lubrificante e protege as fibras de danos durante o processamento. Salienta-se também que este tratamento incorpora também um agente aglutinador que promove a ligação com a matriz e para as fibras de vidro, desempenha funções de protecção contra a degradação [2.9].
Os factos considerados acima permitem a verdadeira criação de materiais feitos „à medida‟ uma vez que as propriedades e o desempenho podem ser projectados através da escolha dos materiais constituintes, orientação da fase de reforço e uma composição em diferentes camadas (layer design) numa estrutura laminada. É possível deste modo a produção de um leque abrangente de
materiais, desde isotrópicos e homogéneos até aos anisotrópicos e heterogéneos, como também todas as combinações intermédias [2.7].
Os principais tipos de reforços utilizados em aplicações comerciais são as fibras de vidro, carbono e aramida. De um modo análogo às matrizes polímericas analisadas, o Quadro 2.2 apresenta as propriedades típicas destes tipos de fibras.
Quadro 2.2 – Propriedades típicas das fibras mais utilizadas, adaptado [2.12].
Propriedade Vidro Tipo E Carbono Aramida
Resistência à tracção [MPa] 3500 2600-3600 2800-3600
Módulo de elasticidade [GPa] 73 200-400 80-190
Extensão na rotura [%] 4,5 0,6-1,5 2,0-4,0
Massa volúmica [g/cm3] 2,6 1,7-1,9 1,4
Coeficiente de expansão térmica [10-6/K] 5,0-6,0 axial : -1,3 a -0,1
radial: 18 -3,5
Diâmetro das fibras [µm] 3-13 6-7 12
As fibras de vidro, utilizadas nos perfis pultrudidos GFRP (caso de estudo) são produzidas a partir de vidro fundido que é feito passar a velocidades elevadas por fieiras com orifícios que determinam os seus diâmetros. Posteriormente, as fibras são arrefecidas e impregnadas com um acabamento superficial. Este tipo de fibras é o mais utilizado no reforço de materiais compósitos de matriz polimérica, pois combinam elevadas resistências com um custo moderadamente baixo. As suas principais desvantagens estão relacionadas com o seu baixo módulo de elasticidade, perda de resistência por fadiga e resistência reduzida em ambientes ácidos e alcalinos. Existem vários tipos de fibras de vidro: A, C, D, R, ECR e R/S, onde todas apresentam o mesmo módulo de elasticidade, apenas variando nos valores de resistência e na durabilidade. As fibras do tipo E (electrical), possuem boas propriedades isoladoras e são as mais utilizadas, apresentando uma composição com baixo teor alcalino [2.2, 2.9]. A Figura 2.7 representa as relações constitutivas de várias fibras largamente utilizadas, incluindo três tipos de fibras de vidro.
Figura 2.7 - Relação constitutiva de várias fibras de reforço, comparando com o aço, adaptado de [2.13] Uma vez que os restantes tipos de fibras apresentados não correspondem ao caso de estudo, apresenta-se de uma forma menos exaustiva a sua caracterização no Quadro 2.3.
Quadro 2.3 - Vantagens e limitações das fibras de carbono e aramida, adaptado de [2.2].
Tipo de
Fibra Vantagens Desvantagens
Carbono
Excelentes características mecânicas em tracção e compressão
Boa resistência a temperaturas elevadas
(excepto em atmosferas oxidantes)
Coeficiente de expansão térmica baixo e negativo: boa estabilidade dimensional
Boa condutividade térmica
Sensibilidade ao choque
Fraca resistência à abrasão
Corrosão do tipo galvânico quando em contacto com metais
São atacados pelo oxigénio do ar a temperaturas superiores a 400ºC
Cor negra
Aramídicas
Baixa densidade
Resistência específica em tracção muito elevada
Excelente resistência ao choque, a vibrações e ao desgaste.
Conservação das propriedades mecânicas na gama de -70ºC a +180ºC
Bom comportamento ao fogo
Boa resistência química
Fraco comportamento à compressão
Aderência medíocre à maioria das matrizes poliméricas
Absorção de humidade relativamente elevada
Sensibilidade aos UV
Má resistência química aos ácidos fortes concentrados
2.3.1.3 Agentes de polimerização
Adicionados à resina base, os agentes de polimerização induzem o início da reacção de polimerização da resina. Numa resina de poliéster ou viniléster, são tipicamente utilizados peróxidos orgânicos para iniciar a cura da resina, em quantidades na ordem dos 0,25% até 1,50% do peso da resina. As resinas epoxídicas são muitas vezes polimerizadas pela adição de aminas endurecedoras, que são adicionadas numa razão mássica de 25-50% [2.9].
2.3.1.4 Cargas (fillers)
As cargas, mais conhecidas na indústria da construção como fillers, são o conjunto de produtos quimicamente inertes, cujo principal objectivo é a redução dos custos de produção de um dado produto. Por outro lado, os fillers permitem melhorar certas propriedades, que não seriam atingidas utilizando apenas resina e fibras.
Em geral, salienta-se o aumento da viscosidade da resina, a redução dos efeitos exotérmicos e a redução da contracção durante a cura, o que contribui para a prevenção do desenvolvimento de fissuração em zonas de descontinuidades ou com excesso de teor em resina. A adição de fillers à matriz pode melhorar outras propriedades que incluem a resistência à fadiga, o comportamento em fluência ou a resistência química. Por outro lado, salienta-se que a incorporação de fillers diminui geralmente as propriedades mecânicas e a resistência a corrosão dos FRP. Dentro dos fillers mais utilizados destacam-se o carbonato de cálcio, o caulino e o sulfato de cálcio. O uso de fillers em componentes não estruturais pode representar até 65% do peso da peça, embora nas aplicações estruturais, nomeadamente em perfis pultrudidos e varões de FRP, contém apenas entre 10-30% do seu peso [2.2, 2.9].
2.3.1.5 Aditivos
Existe uma grande variedade de aditivos que podem ser incorporados na matriz de modo a facilitar o processamento do material, melhorar o desempenho do produto final ou apenas modificar algumas propriedades. Estas substâncias são adicionadas geralmente em pequenas quantidades. De acordo com Busel e Lockwood [2.10], os aditivos têm normalmente as seguintes funções:
Redução de produção de fumo e melhoramento da resistência ao fogo (aditivos retardadores de chama).
Inibição da oxidação de polímeros (antioxidantes).
Redução da retracção.
Redução do teor de vazios.
Aumento da condutividade eléctrica (partículas de carbono ou de metal) e interferência electromagnética (materiais condutores).
Aumento da dureza (borracha ou outros materiais elastoméricos).
Redução da tendência à atracção de cargas eléctricas (agentes anti-estáticos).
Redução da massa volúmica e retracção (aditivos precursores de espumas), que também aumentam o isolamento térmico e eléctrico.
Prevenção de perda de cor e brilho devido a radiação UV (estabilizadores UV).
Obtenção de cor (pigmentos).
Facilitar a desmoldagem (agentes descofrantes).
Salienta-se que, além de aditivos serem incorporados em quantidades muito reduzidas em relação aos restantes componentes, tipicamente menores do que 1% do peso da resina, podem introduzir alterações significantes nas propriedades físicas e mecânicas do produto final.
2.3.1.6 Interface fibra-matriz
Os materiais reforçados constituídos por combinações de fibras e matrizes criam entre si uma importante área de contacto. Embora ambos retenham a sua identidade físico-química, o conjunto destes constituintes confere uma combinação de propriedades difíceis de alcançar separadamente [2.2].
Para este efeito, é necessário assegurar uma boa interacção entre ambos, cuja importância no desempenho dos FRP é crucial. As propriedades mecânicas da interface fibra-matriz dependem essencialmente da adesão e compatibilidade mecânica entre as fibras e a matriz e também do ângulo entre as fibras e a direcção de aplicação do carregamento [2.8].
De acordo com Keller [2.12], de modo a garantir uma boa interacção mecânica entre as fibras e a matriz, as suas propriedades mecânicas devem ser adaptadas entre si. Por exemplo, de modo a reduzir a microfissuração da matriz antes de se atingir a capacidade de deformação última das fibras, a extensão de rotura na matriz deve ser superior à das fibras. Em simultâneo, a matriz necessita de garantir rigidez suficiente para impedir a encurvadura local das fibras.
