UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
DURABILIDADE DE ARGAMASSAS MODIFICADAS POR
POLÍMEROS E REFORÇADAS COM FIBRAS VEGETAIS
LIA LORENA PIMENTEL
CAMPINAS
DEZEMBRO-2004
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
DURABILIDADE DE ARGAMASSAS MODIFICADAS POR
POLÍMEROS E REFORÇADAS COM FIBRAS VEGETAIS
T e s e d e D o u t o r a d o s u b m e t i d a à b a n c a
e x a m i n a d o r a p a r a a o b t e n ç ã o d o t í t u l o d e
D o u t o r e m E n g e n h a r i a A g r í c o l a , n a á r e a d e
c o n c e n t r a ç ã o e m C o n s t r u ç õ e s R u r a i s .
LIA LORENA PIMENTEL
Orientador: Prof. Dr. Antonio Ludovico Beraldo
Co-orientador: Prof. Dr. Holmer Savastano Jr.
CAMPINAS
DEZEMBRO - 2004
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
P649d
Pimentel, Lia Lorena
Durabilidade de argamassas modificadas por polímeros e
reforçadas com fibras vegetais / Lia Lorena Pimentel
.--Campinas, SP: [s.n.], 2004.
Orientadores: Antonio Ludovico Beraldo e Holmer
Savastano Jr.
Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Campinas,
Faculdade de Engenharia Agrícola.
1. Durabilidade (Engenharia). 2. Polímeros. 3.
Compostos fibrosos. 4. Resíduos vegetais. 5. Microscopia
eletrônica de varredura. 6. Concreto - Mistura. I. Beraldo,
Antonio Ludovico. II. Savastano Jr., Holmer. II. Universidade
Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agrícola.
IV. Título.
Titulo em Inglês: Durability of fiber – cement polímer modify
Palavras-chave em Inglês: Durability, Polimers, Fiber composite, Vegetal residue,
Scanning eletron microscope, Concrete - Moisture
Área de concentração: Construções Rurais
Titulação: Doutorado
Banca examinadora: Gladis Camarini, Osny Pelegrino Ferreira, Romildo Dias de
Toledo Filho e Raquel Gonçalves
AGRADECIMENTOS
Aos professores Antonio Ludovico Beraldo e Holmer Savastano Jr, pela orientação,
atenção, paciência, amizade e, sobretudo, pela confiança e credibilidade em mim depositadas,
além dos conhecimentos transmitidos, sem os quais não seria possível a realização deste
trabalho.
À CAPES e ao CNPq, pelo apoio financeiro concedido.
Às empresas Ciminas, MTB e Equipav pela doação dos materiais solicitados.
À Professora Gladis Camarini pela colaboração e orientação prestados desde a
qualificação deste projeto.
Às técnicas Gisleiva e Flávia do Laboratório de Materiais e Estruturas (FEAGRI), e
aos técnicos Zaqueu e Leandro do Laboratório de Construções Rurais da FZEA – USP em
Pirassununga, pelo inestimável auxílio na condução e na execução dos ensaios realizados.
Meus agradecimentos também aos funcionários do Campo Experimental e aos técnicos do
Laboratório de Protótipos pelo auxílio prestado.
Ao Professor Felipe Silva do Departamento de Materiais e Engenharia do Instituto
Militar de Engenharia pela realização de ensaios de microscopia eletrônica.
Ao Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, na pessoa dos técnicos Sidnei, Paulo e
Jefferson, que me orientaram na execução dos ensaios sempre com muito profissionalismo,
respeito e educação.
Aos meus colegas do curso de pós-graduação, pelo companheirismo e, sobretudo,
pelo carinho diário demonstrado.
Ao Rubens e à Juliana, presentes sempre, com apoio moral, apoio braçal, além de
muito amor carinho e compreensão.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...
viii
LISTA DE TABELAS...
xiii
RESUMO... x iv
ABSTRACT... x v
1. INTRODUÇÃO...
1
1.1. JUSTIFICATIVA...
1
1.2. OBJETIVOS...
2
2. REVISÃO DE LITERATURA...
4
2.1 FIBRAS VEGETAIS...
4
2.1.1 Geração de resíduos agro-industriais no Brasil...
4
2.1.2 Características das Fibras Vegetais...
4
2.1.3 Compatibilidade Fibra Vegetal-Cimento...
7
2.2 ARGAMASSA REFORÇADA COM FIBRAS...
8
2.3 ARGAMASSA MODIFICADA POR POLÍMEROS...
9
2.4 DURABILIDADE...
1 3
2.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)...
1 6
2.6 ENSAIO NÃO DESTRUTIVO...
2 0
3. MATERIAIS E MÉTODOS...
2 3
3.1 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL...
2 3
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS...
2 4
3.2.1 Polpas Celulósicas...
2 4
3.2.2 Resíduo de Pinus caribaea... 2 6
3.2.3 Agregados Minerais...
2 8
3.2.4 Cimento...
2 9
3.2.5 Polímero...
2 9
3.3 PREPARAÇÃO DAS POLPAS...
3 3
3.4 PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS...
3 4
3.4.1 Compósitos utilizando Polpa celulósica...
3 4
3.4.2 Compósitos utilizando resíduo de Pinus caribaea... 3 6
3.5 ENSAIOS DE ENVELHECIMENTO...
3 6
3.5.1 Envelhecimento Acelerado...
3 7
3.5.2 Envelhecimento Natural...
3 7
3.6 MÉTODO DE ENSAIO...
3 8
3.6.1 Caracterização Mecânica...
3 8
3.6.2 Caracterização Física...
3 9
3.6.3 Ensaio não Destrutivo...
4 0
3.6.4 Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura...
4 2
3.6.5 Análise Estatística...
4 3
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO...
4 4
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS...
4 4
4.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS...
4 6
4.3 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS...
5 8
4.3.1 Análise Estatística Geral...
5 8
4.3.2 Avaliação de influência da adição de polímero na resistência à
tração na flexão...
5 9
4.3.3 Influência dos processos de envelhecimento na resistência à tração
na flexão...
6 3
4.3.3.1 Compósitos elaborados com resíduo de pinus...
6 3
4.3.3.2 Compósitos elaborados com polpa de eucalipto...
7 1
4.3.3.3 Compósitos elaborados com polpa de jornal...
7 7
5. CONCLUSÕES...
8 5
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...
8 7
7. ANEXO 1...
9 4
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Esquema da estrutura da fibra vegetal...
5
Figura 2.2. Processo de hidratação de concreto modificado com látex...
12
Figura 2.3. Componentes básicos de um microscópio eletrônico de varredura...
17
Figura 2.4. Abies sp... 18
Figura 2.5. Compósito Abies sp, areia, cimento e betume...
18
Figura 2.6. Argamassa modificada pela adição de 10% de polímero EVA – filme
de estrutura densa...
19
Figura 2.7. Argamassa modificada pela adição de 20% de polímero SBR – filme
de estrutura densa, porém com característica fibrosa...
19
Figura 3.1. Fluxograma do delineamento experimental...
24
Figura 3.2. Polpa de eucalipto...
25
Figura 3.3. Polpa de Jornal...
26
Figura 3.4. Polpa de Eucalyptus grandis... 26
Figura 3.5. Distribuição em tamanho – Resíduo de Pinus caribaea... 27
Figura 3.6. Micrografia de partícula de Pinus caribaea... 27
Figura 3.7. Curva granulométrica da areia...
28
Figura 3.8. Difração de Raios-X – cimento anidro...
29
Figura 3.9. Curvas de hidratação da pasta pura e com adição de 10% de
polímero...
30
Figura 3.10. Curvas de hidratação para pasta de cimento com adição de resíduo de
pinus e adições de 0, 1, 5 e 10% de polímero...
30
Figura 3.11 Equipamento de aquisição de dados para execução das curvas de
hidratação...
31
Figura 3.12. Pasta de cimento sem polímero – 28 dias...
32
Figura 3.14. Pasta de cimento com 1% de polímero – 28 dias...
33
Figura 3.15. Dispersão da polpa de eucalipto...
34
Figura 3.16. Equipamento para dispersão...
34
Figura 3.17. Argamassadeira – Processo de particulação da polpa...
34
Figura 3.18. Seqüência de produção dos corpos-de-prova...
35
Figura 3.19. Seqüência de produção das placas com compósito à base de pinus...
36
Figura 3.20. Imersão em Água Quente...
37
Figuras 3.21. Corpos-de-prova durante ciclos de imersão e secagem...
37
Figuras 3.22. Bancadas para envelhecimento Natural Externo...
38
Figura 3.23. Ensaio de Tração na Flexão...
39
Figura 3.24. Determinação da massa imersa...
40
Figura 3.25. Equipamento Ultrasonic Tester BP-7...
41
Figura 3.26a. Determinação do comprimento do corpo-de-prova...
42
Figura 3.26b. Determinação do tempo de propagação da onda ultra-sônica...
42
Figura 4.1. Resíduo X Absorção predita para compósito à base de polpa de
eucalipto...
44
Figura 4.2. Resíduo X Energia Específica predita para compósito à base de
pinus...
45
Figura 4.3. Média da variável Absorção para compósito à base de Pinus
caribaea...
46
Figura 4.4. Ensaio com fenolftaleína para determinação da profundidade de
carbonatação...
48
Figura 4.5. Compósito com polpa de Jornal após 6 meses de envelhecimento
natural INT e adição de 5% de polímero...
49
Figura 4.6. Compósito com polpa de Jornal sem adição de polímero após
envelhecimento acelerado por imersão em água quente...
50
Figura 4.7. Compósito com polpa de Jornal após envelhecimento acelerado por
imersão em água quente e adição de 5% de polímero...
50
Figuras 4.8. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
acelerado...
51
Figuras 4.9. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
natural...
52
Figuras 4.10. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
acelerado...
53
Figuras 4.11. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
natural...
53
Figuras 4.12. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
acelerado...
54
Figuras 4.13. Valores médios de absorção em função do envelhecimento
natural...
54
Figura 4.14. Efeito da adição do polímero ao compósito com resíduo de pinus...
60
Figura 4.15. Efeito da adição do polímero ao compósito com polpa de
eucalipto...
61
Figura 4.16. Micrografia do compósito com polpa de eucalipto e 5% de
polímero...
61
Figura 4.17. Efeito da adição do polímero ao compósito com polpa de
jornal...
62
Figura 4.18. Compósito com polpa de jornal sem adição de polímero (J0 28
dias)...
63
Figura 4.19. Evolução da resistência do compósito S0 após ensaios de
envelhecimento...
64
Figura 4.20. Evolução da resistência do compósito S1 após ensaios de
envelhecimento...
64
Figura 4.21. Evolução da resistência do compósito S5 após ensaios de
envelhecimento...
65
Figura 4.22. Evolução da resistência do compósito S10 após ensaios de
envelhecimento...
65
Figura 4.23. Micrografia do compósito S10 – 28 dias. IME...
66
Figura 4.25. Micrografia do compósito S0 – 28 dias. (IME)...
67
Figura 4.26. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento acelerado...
68
Figura 4.27. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento natural...
68
Figura 4.28. Evolução da resistência do compósito E0 após ensaios de
envelhecimento...
71
Figura 4.29. Evolução da resistência do compósito E1 após ensaios de
envelhecimento...
72
Figura 4.30. Evolução da resistência do compósito E5 após ensaios de
envelhecimento...
72
Figura 4.31. Compósito com polpa de eucalipto e 5% de adição de polímero após
30 ciclos...
73
Figura 4.32. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento acelerado...
74
Figura 4.33. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento natural...
74
Figura 4.34. Compósito E0 - 30 ciclos...
75
Figura 4.35. Compósito E1 - 28 dias...
75
Figura 4.36. Compósito E1 - 30 ciclos...
76
Figura 4.37. Evolução da resistência do compósito J0 após ensaios de
envelhecimento...
78
Figura 4.38. Evolução da resistência do compósito J1 após ensaios de
envelhecimento...
78
Figura 4.39. Evolução da resistência do compósito J5 após ensaios de
envelhecimento...
79
Figura 4.40. Compósito com polpa de jornal sem adição de polímero (J0 50
ciclos)...
80
Figura 4.41. Compósito com polpa de jornal sem adição de polímero (J0 50
ciclos)...
80
ciclos)... 81
Figura 4.43. Compósito com polpa de jornal e 5% de adição de polímero (J5 50
ciclos)...
81
Figura 4.44. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento acelerado...
82
Figura 4.45. Média de resistência em função da adição de polímero e do processo
de envelhecimento natural...
83
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1. Propriedades físicas das polpas celulósicas... 2 4
Tabela 3.2. Distribuição Granulométrica do Pó de pedra...
2 8
Tabela 4.1. Resultados de comparação múltipla das características físicas em
função do traço...
4 7
Tabela 4.2. Resultados da análise de comparação múltipla para variável
absorção...
4 7
Tabela 4.3. Resultados da análise de comparação múltipla para variável massa
específica...
4 7
Tabela 4.4. Resultados da análise de comparação múltipla para variável índice
de vazios...
4 7
Tabela 4.5. Valores médios dos índices físicos – compósito com resíduo de
pinus...
5 5
Tabela 4.6 – Valores médios dos índices físicos para compósito com polpa de
eucalipto...
5 6
Tabela 4.7. Valores médios das características físicas para compósito com
polpa de papel jornal...
5 7
Tabela 4.8. Resultados de comparação múltipla das características mecânicas
em função do traço...
5 8
Tabela 4.9. Resultados da análise de comparação múltipla para variável
tensão...
5 9
Tabela 4.10. Resultados da análise de comparação múltipla para variável
energia específica...
5 9
Tabela 4.11. Resultados da análise de comparação múltipla para variável
módulo de deformação dinâmica...
5 9
Tabela 4.12 – Valores médios das características mecânicas...
7 0
Tabela 4.13 – Valores médios das características mecânicas...
7 7
RESUMO
A grande quantidade de resíduos agro-industriais, aliada à proibição do uso do
amianto e à necessidade de solucionar problemas ambientais decorrentes do depósito e/ou
queima destes resíduos, impulsionam a pesquisa para o desenvolvimento de compósitos
fibro-vegetais-cimento. A durabilidade desses compósitos é um dos fatores mais importantes para a
colocação deste material no mercado consumidor. Existem várias pesquisas desenvolvidas ou
em andamento, algumas propondo o tratamento químico das fibras vegetais, outras fazendo
uso de produtos que alterem a composição da matriz cimentícia. A utilização de polímeros em
concreto e argamassa, com o objetivo de melhorar sua durabilidade é cada vez mais freqüente
e a característica de certos polímeros de melhorar a aderência entre fibra e matriz, além de
reduzir a capacidade de absorção de água, pode vir a melhorar a durabilidade desses
compósitos. Este estudo visou a caracterização de propriedades físicas e mecânicas de
compósito biomassa vegetal-cimento modificado com polímeros e a análise da durabilidade
desse compósito. Foi testado um polímero de base acrílica em dois tipos de compósitos: um
executado com polpas celulósicas (de Eucalipto e da reciclagem de papel jornal) e outro
executado com resíduo de Pinus caribaea. Foram realizados ensaios de envelhecimento
acelerado por meio de ciclos de imersão em água e secagem, e por imersão em água quente,
além do processo de envelhecimento natural, por exposição dos corpos-de-prova às
intempéries. As propriedades físicas do compósito avaliadas foram: a massa específica, a
absorção total de água por imersão e o índice de vazios. As propriedades mecânicas avaliadas
foram determinadas por meio de ensaios de resistência à tração na flexão analisando-se a
tensão e a energia de ruptura; também foi determinado o módulo de deformação dinâmico,
com auxílio de ultra-som. O microscópio eletrônico de varredura permitiu constatar a
modificação da característica morfológica do compósito com a adição do polímero e o estado
das fibras dentro do compósito ao longo do tempo. O uso do polímero melhorou o
desempenho mecânico do compósito nas primeiras idades, além de promover uma
significativa redução da capacidade de absorção de água, denotando sua adequação para
aumentar a durabilidade do compósito.
ABSTRACT
Several researches on vegetal-fiber-cement composites have been developed aiming
to solve problems related to the banishment of asbestos and environmental damages due to
deposition or burnirng of agro-industry residues. The durability of the cellulose-cement
composites is a key factor to introduce such material in the market. Several researches have
been developed aiming to avoid the degradation of vegetable fiber-cement, some of them
using chemically treated fibers and others modifying the matrix. Polymers have been used in
concrete and mortar production to increase the durability. Composite degradation can be
controled by polymers that modify the fiber-matrix bond and the amount of water absorption.
The goal of this work was to characterize the physical and the mechanical properties of
cellulose-cement composites modified by a polymer and to evaluate the subsequent durability
of these materials. The dispersion of an acrylic based polymer was evaluated with two types of
composites: one with cellulose pulps (Eucalyptus and wastepaper) and another with Pinus
caribaea particles. The physical properties under observation were water absorption by
immersion, apparent void volume and bulk density. The mechanical properties of toughness
and modulus of rupture were determined by flexural test. The dynamic elasticity modulus was
obtained by ultrasonic method. Samples were subjected to natural aging tests and to
accelerated-aging tests by repeated soak and dry cycles and warm-water immersion. By the
range of composites analyzed, the use of the polymer improves the initial mechanical
properties of composites and promotes a significant decrease of the water absorption. The
scanning electron microscopy (SEM) allowed to verify the modification of the morphologic
characteristic of the composite with the polymeric addition and the preservation of the fibers
along the time. The use of the polymer improved the mechanical performance of the
composite in the first ages, besides promoting a significant reduction of the capacity of
absorption of water, denoting its adaptation to increase the durability of the composite.
1. INTRODUÇÃO
A baixa durabilidade de fibras vegetais em matrizes cimentícias levou ao
desenvolvimento deste trabalho, no qual, através da adição de um polímero para modificação
da matriz, pretendeu-se minimizar as tensões na interface fibra-matriz e reduzir a
permeabilidade do compósito. Neste primeiro capítulo são apresentados os objetivos e a
justificativa para o desenvolvimento do trabalho. No capítulo 2 são apresentadas as revisões de
literatura sobre os diversos assuntos abordados, as fibras vegetais sua utilização como reforço
de matriz cimentícia e a baixa durabilidade dessa fibra na matriz; o processo de modificação
de argamassas por polímero e objetivos deste procedimento; a forma de avaliação da
durabilidade de concreto e argamassa modificado por polímero; a utilização de microscopia
eletrônica de varredura para avaliação do efeito do envelhecimento na fibra, na matriz e na
interface fibra-matriz e a utilização de ensaio não destrutivo por meio de medida da velocidade
de percolação da onda ultra-sônica para determinação do módulo de elasticidade dinâmica.
O capítulo 3 apresenta a metodologia de ensaio desde a preparação das polpas
celulósicas, a obtenção de suas características físicas, a caracterização dos demais materiais
utilizados; detalha também a preparação dos compósitos, os processos de envelhecimento aos
quais foram submetidos, os métodos de ensaio utilizados e a metodologia para a análise
estatística.
O capítulo 4 apresenta os resultados. Após algumas considerações iniciais sobre a
análise estatística, os resultados de características físicas e mecânicas são apresentados
separadamente, de forma a permitir a comparação entre os três compósitos avaliados. As
conclusões são apresentadas no capítulo 5. No capítulo 6 as referências bibliográficas estão
colocadas em ordem alfabética e no Anexo 1 estão os gráficos e tabelas resultantes da análise
estatística.
1.1 JUSTIFICATIVA
Pesquisas realizadas recentemente constataram que a aspiração de fibras de amianto
pode levar à formação de câncer de pulmão, principalmente nas pessoas que manipulam o
material durante sua fabricação. A proibição do uso do cimento amianto em países como
França, Canadá e, mais recentemente, inclusive em alguns estados do Brasil, está
desencadeando um crescente número de pesquisas que visam a substituição desse polêmico
material, impulsionando, por exemplo, o aproveitamento de fibras vegetais em compósitos
cimentícios. Outro aspecto que amplia esta linha de pesquisa é a preocupação com o meio
ambiente buscando-se, através da utilização de resíduos provenientes da agroindústria,
minimizar o gasto de energia para a produção de elementos construtivos e evitar danos ao
meio ambiente que são causados pela queima desses resíduos. Este processo caracteriza a
busca por tecnologia apropriada e economia sustentável, pois se reúne em um único objetivo
as esferas técnica, social, política, econômica, ética e ambiental.
As fibras obtidas do tronco de árvores, por processo químico, apresentam
comportamento mais homogêneo e estável; por isso foram tais fibras inicialmente escolhidas
para substituir o amianto nos produtos à base de cimento.
As características do concreto reforçado com fibras dependem muito da resistência da
matriz, do seu módulo de deformação e da sua adesão com as fibras. Modificações nessas
características podem vir a otimizar a eficiência das fibras e aumentar sua durabilidade na
matriz cimentícia.
A durabilidade de compósitos biomassa vegetal-cimento é um dos fatores mais
importantes para a colocação deste material no mercado consumidor. Existem várias pesquisas
desenvolvidas, ou em andamento, algumas propondo o tratamento químico das fibras vegetais,
outras fazendo uso de produtos que alterem a composição da matriz cimentícia; nesse trabalho
buscou-se melhorar a durabilidade do compósito modificando a matriz com adição de
polímero.
1.2 OBJETIVOS
Este estudo buscou a caracterização de propriedades físicas e mecânicas de
compósitos biomassa vegetal-cimento modificados com polímeros e a análise da sua
durabilidade. Foi testado um polímero de base acrílica em compósitos executados com polpas
celulósicas obtidas a partir de Eucalipto e da reciclagem de papel jornal, e com resíduo de
processamento de Pinus caribaea. A durabilidade do compósito foi avaliada segundo o
comportamento das características físicas e mecânicas antes e após os processos de
envelhecimento.
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 FIBRAS VEGETAIS
2.1.1 Geração de resíduos agro-industriais no Brasil
O Brasil é um país de dimensões continentais e um grande produtor agrícola;
conseqüentemente a geração de resíduos agro-industriais é muito grande e, normalmente,
esses resíduos não têm um aproveitamento adequado, gerando graves problemas ambientais.
Pode-se citar a produção de arroz que gera cerca de 2,2 milhões de toneladas/ano de casca de
arroz; além de 95 mil toneladas/ano no Vale do Ribeira de pseudocaule da bananeira. Do
processo de fabricação de lápis pela empresa Faber Castell resultam duas formas de resíduo de
Pinus caribaea var. hondurensis: cerca de 2 mil t/mês de serragem sem tratamento químico
em Prata-MG, e cerca de 160 t/mês de resíduo tratado com impregnação de parafina e corante,
em São Carlos-SP. Este último processo garante melhor apontabilidade ao lápis e melhor
aspecto de cor. Atualmente esses dois tipos de resíduo estão sendo utilizados, parcialmente,
como cama de frango (em Prata-MG), e na fabricação de briquetes para geração de energia,
em São Carlos-SP.
2.1.2 Características das Fibras Vegetais
As fibras vegetais são constituídas por um aglomerado de células individuais as
quais, por sua vez, compõem-se de microfibrilas. As microfibrilas são ricas em celulose,
polímero vegetal de cadeias longas (grau de polimerização da ordem de 25000), e estão
aglomeradas por hemicelulose amorfa (grau de polimerização entre 50 e 200).
As células da fibra são compostas por quatro camadas de microfibrilas (Figura 2.1.a):
(i) camada primária, mais externa, de estrutura reticulada; (ii) camada secundária S1, de
estrutura também reticulada; (iii) camada secundária S2, onde as microfibrilas estão orientadas
segundo um ângulo com relação ao eixo longitudinal da célula, em espiral, e (iv) camada
secundária S3, mais interna, também com as microfibrilas em forma de espiral. A camada S2
apresenta maior espessura e, também, é aquela que apresenta maior teor de celulose. No
interior da célula, há uma cavidade central de secção elíptica denominada lúmen. As diversas
células que compõem a fibra encontram-se aglomeradas pela lamela intercelular, composta de
hemicelulose, pectina e, principalmente, lignina (70%, em média). A região central da fibra
também pode apresentar uma cavidade que se chama lacuna. A Figura 2.1.b ilustra
esquematicamente a secção transversal do aglomerado de células da fibra vegetal (GRAM,
1988, citado por SAVASTANO JR, 1992).
Figura 2.1 a e b. Esquema da estrutura da fibra vegetal (s/ escala).Fonte: Gram, 1988, citado
por Savastano Jr (1992).
(a)
Cook, (1980), citado por Bentur (1990), classificou as fibras vegetais conforme a
parte da planta da qual elas provem: folha, talo, lenho ou de superfície (de frutos e sementes).
Essa classificação serve como indicação das propriedades básicas das fibras.
No Brasil a fibra oriunda de folha mais comumente utilizada é o sisal. Dentre aquelas
provenientes do talo pode-se citar a juta, a malva e a piaçava. As fibras provenientes do lenho
podem ser usadas de duas formas: como partículas, na execução de painéis prensados tanto
com aglomerante orgânico como com os inorgânicos, ou como polpa, preparada para produção
de papel e atualmente utilizada como substituta parcial do amianto em diversos países. Neste
caso utiliza-se tradicionalmente a madeira de reflorestamento (eucalipto ou pinus). A fibra de
superfície é exemplificada pela fibra de algodão.
As fibras obtidas do tronco de árvores, por processos químicos, têm comportamento
mais homogêneo e estável do que as fibras provenientes da folha, talo ou superfície. As fibras
de madeira retêm sua morfologia no compósito e têm boa aderência com a matriz cimentícia
(DAVIES, 1981 apud AGOPYAN, 1991). Por esta razão, estas foram as fibras inicialmente
escolhidas para substituir o amianto nos produtos à base de cimento, destacando-se os estudos
da indústria James Hardie Coy Pty Ltd da Austrália, cujos primeiros resultados satisfatórios
surgiram em 1947 (COUTTS, 1988 apud AGOPYAN, 1991).
Toledo Filho (1997) apresentou tabelas de propriedades físicas e mecânicas de
diversas fibras brasileiras (sisal, coco, juta, bambu e bagaço de cana), podendo-se observar
uma larga faixa de valores, uma vez que tais propriedades dependem da idade da planta, do
local de cultivo, das condições climáticas e da microestrutura da fibra.
Savastano Jr e Pimentel (2000) apresentaram o resultado de um levantamento feito
junto aos principais centros brasileiros produtores e/ou processadores de fibra. A classificação
dos resíduos e subprodutos foi feita com base nos seguintes critérios: identificação da cadeia
agro-industrial geradora de resíduos, identificação dos resíduos e da quantidade disponível, e
do valor de mercado do mesmo. As oito fibras com maior potencialidade de aproveitamento
são indicadas a seguir, entre parênteses está indicada a região produtora: Sisal (semi-árido
Bahia e Paraíba), Piaçava (Valença–Bahia), Coco (Pernambuco e Sergipe), Algodão (Paraíba),
Celulose de eucalipto (Aracruz-ES), Rami (Paraná), Banana Pseudocaule (Vale do Ribeira-SP)
e Malva (Amazônia). Alguns destes resíduos, com maior potencial de aproveitamento e com
preços competitivos podem fazer frente às fibras artificiais, tais como, por exemplo, a de
polipropileno.
2.1.3 Compatibilidade Fibra Vegetal-Cimento
Os principais constituintes da madeira são a celulose, a hemicelulose e a lignina.
Além destes, a madeira contém numerosas substâncias naturais tais como, taninos, extrativos e
resinas. A composição química da madeira pode ser influenciada pela sua origem, sua idade e
a espécie (PIMIENTA et al., 1994). Essas substâncias podem interferir negativamente no
processo de hidratação do cimento. Os ensaios de resistência à compressão e a determinação
da curva de hidratação foram amplamente utilizados por diversos pesquisadores para essa
avaliação (WEATHERWAX et al., 1964; BIBLIS et al., 1968; LEE et al., 1986; MOSLEMI et
al., 1987; JAIN et al., 1989; MANZANARES et al., 1991; IRLE et al., 1992; BERALDO &
ROLIM, 1996 e ZUCCO, 1999).
As fibras naturais podem sofrer degradação quando expostas ao ambiente alcalino. A
decomposição da celulose se dá segundo mecanismos de descascamento e de hidrólise
alcalina. O mecanismo de descascamento é razoavelmente inofensivo, graças ao alto grau de
polimerização da celulose, só se intensificando a temperaturas superiores a 75 ºC (CEPED,
1992). Este mecanismo de degradação também foi reportado por Toledo Filho (1997).
A incompatibilidade física é resultado das diferenças significativas na movimentação
higroscópica das fibras e da argamassa. As fibras tendem a se movimentar mais e tal fato gera
esforços mecânicos cíclicos na matriz, os quais podem levar à microfissuração generalizada. A
utilização de polímero para aumentar a aderência entre a fibra e a matriz, além de reduzir a
absorção de água pela fibra, pode vir a reduzir tais esforços mecânicos.
As linhas de pesquisa que buscam encontrar uma solução para a baixa durabilidade
das fibras vegetais em matriz cimentícia baseiam-se em quatro procedimentos diferentes:
•
Modificação na matriz de modo a reduzir a alcalinidade (a redução da
alcalinidade vem sendo obtida com cimentos alternativos à base de escória de alto
forno);
•
Vedação dos poros da matriz (a ser obtida com adição de polímeros
modificando a matriz);
•
Impermeabilização da superfície do componente final;
•
Proteção das fibras por impregnação de produto impermeabilizante ou
pela ação de tratamento químico.
2.2 ARGAMASSA REFORÇADA COM FIBRAS
A utilização de fibras, para reforçar argamassas cimentícias e concretos, vem de
longa data e foi considerada um dos maiores avanços no sentido de melhorar a qualidade do
concreto e argamassas, devido ao incremento na resistência à tração do compósito,
modificando-o de um material de ruptura frágil para dúctil, minimizando a fissuração e
aumentando a capacidade de absorção de energia e a resistência ao impacto.
Na utilização de fibras como reforço de matrizes frágeis (tais como, pasta de cimento,
argamassa ou concreto), os resultados apontam para uma considerável modificação no
comportamento do material, após o surgimento da primeira fissura. As fibras interligam as
fissuras resultando em um aumento da tenacidade e da resistência ao impacto. Desse modo,
uma grande variedade de fibras tem sido utilizada como reforço de matrizes à base de cimento,
incluindo-se as fibras metálicas, poliméricas, minerais e vegetais.
Como a utilização de fibras naturais como reforço de matriz cimentícia não é de uso
corrente, não existem normas para sua caracterização. Por isso, para avaliação da capacidade
de absorção de energia, os pesquisadores utilizam metodologias baseadas nas normas
existentes para avaliação de concreto com fibras de aço, como a ASTM C 1018 do American
Society for Testing and Materials, JCI SF4 do Japan Concrete Institute ou RILEM TC 162 –
TDF.
Toledo Filho (2003) utilizou o procedimento da JCI SF4 para avaliação da tenacidade
de corpos-de-prova elaborados com fibras de sisal e de coco.
Existem duas formas de utilização das fibras naturais em compósitos cimentícios: a
primeira através da incorporação de fibras curtas, como um agregado extra misturando-o de
forma aleatória como se as fibras fosse um componente extra do concreto, sendo este
procedimento mais difundido em vários países com a utilização deste processo para produção
de elementos de cobertura. Uma descrição do processo é fornecida por Stulz e Mukerji,
(1993). No segundo processo, fibras longas são alternadas manualmente nos moldes com
camadas de argamassa.
O primeiro material de construção utilizando fibras naturais em compósito com
matriz cimentícia foi o cimento amianto, patenteado em 1900 por Ludwig Hatsheck
(AGOPYAN,1993). Esse material, devido ao seu excelente desempenho mecânico, e baixo
custo, foi amplamente utilizado durante décadas. Nos últimos anos a utilização do amianto
vem sendo proibida em vários países por provocar fibrose pulmonar. Aliado a este fato, a
preocupação com o meio ambiente devido à queima ou ao depósito de grandes quantidades de
resíduos vegetais, levou ao desenvolvimento de inúmeras pesquisas para viabilizar o uso de
outras fibras naturais.
No Brasil, o CEPED – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento na Bahia, foi pioneiro
no desenvolvimento de elementos feitos com argamassa reforçada com fibras vegetais. O
trabalho desse grupo de pesquisa (CEPED, 1992) apresentou a análise da estrutura e a
composição das fibras vegetais (piaçava, coco e sisal), detalhando o processo de degradação
das fibras em meio alcalino e propôs a impregnação das fibras com resina à base de PVA para
protegê-las do ataque alcalino. Esse procedimento não se mostrou satisfatório para a fibra de
sisal impregnada com a resina de PVA. O CEPED também propôs a utilização de adições
minerais como escória, cinzas de casca de arroz e bagaço de cana-de-açúcar, que reduziriam o
pH da matriz.
2.3 ARGAMASSA MODIFICADA POR POLÍMEROS
Polímeros são substâncias químicas de alto peso molecular, obtidos pela reação
denominada polimerização, através da qual compostos químicos de baixo peso molecular
(monômeros) reagem entre si para formar as macromoléculas. Como conseqüência desse tipo
de reação, a estrutura da macromolécula é constituída pela repetição de unidades estruturais
ligadas entre si por ligações covalentes (MANO & MENDES, 1999).
A adição de látex para melhorar as propriedades mecânicas dos compósitos
cimentícios com fibra tem sido estudada por muitos pesquisadores. Segundo Bentur (1990), a
resistência e a tenacidade dependem linearmente das quantidades de fibra e do teor de
polímero. O autor observou que, para uma faixa de 0 a 20% de adição de polímero em relação
à massa de cimento, estas propriedades melhoraram.
De acordo com CESTARI (2001), os polímeros mais utilizados na modificação dos
compósitos à base de cimento Portland são:
•
Acetato de Polivinila (PVA);
•
Copolímeros Acrílicos;
•
Copolímeros Estireno-acrílico (SA);
•
Copolímeros Vinil maleato (AM);
•
Copolímeros Etileno vinil acetato (EVA);
•
Copolímeros Estireno-butadieno (SBR);
•
Hidroxietil celulose (HEC).
Existem três classes principais de concretos e argamassas utilizando polímeros:
Impregnado por polímero: após o endurecimento, o concreto de cimento Portland
recebe impregnação de resina polimérica;
Modificado por polímero: o polímero é empregado na forma de uma dispersão em
água (látex), juntamente com a água de amassamento no processo de mistura do concreto;
Polímero: o aglomerante é uma resina polimérica, podendo o cimento Portland ser
empregado como filler ou não.
Segundo o ACI (1997), látex são dispersões de polímeros em água. A utilização desta
metodologia visa melhorar propriedades, tais como, ligação entre a matriz e a fibra e a
permeabilidade à água e aos gases.
A modificação que o látex propicia ao concreto e à argamassa de cimento Portland é
governada por dois processos:
•
Hidratação do cimento;
•
Coalescência do látex.
Inicialmente ocorre a hidratação do cimento e, em seguida, as partículas de látex
concentram-se nos espaços vazios. A Figura 2.2 mostra o tipo de mudança que ocorre durante
esse processo.
Com a remoção da água pelo processo de hidratação ou devido à evaporação, ou a
ambos, as partículas de látex coalescem formando um filme polimérico, o qual se entrelaça
com os produtos de hidratação do cimento, resultando em uma "comatriz", que cobre as
partículas do agregado e reveste os vazios intersticiais (ACI, 1997).
Figura 2.2. Processo de hidratação de concreto modificado com látex. Fonte: ACI (1997).
O tipo de interação que se desenvolve entre as fases cimentícia e polimérica na
mesma solução aquosa não foi totalmente esclarecido. Segundo Silva, Roman e Gleize (2002),
existem duas teorias: uma delas defende a ocorrência apenas de interações físicas no sistema
(um filme polimérico é formado no interior do compósito e é responsável pela modificação
das propriedades das argamassas e concretos no estado endurecido), conforme processo
descrito pelo ACI (1997). Outra teoria prega a existência de interações químicas entre o
polímero e o cimento Portland além das interações físicas.
Silva Roman e Gleize (2002) concluíram, a partir de ensaios de caracterização
microestrutural realizados em pasta de cimento pura e modificada com copolímero EVA, que
existem evidências de interação química de grupos ácidos liberados na hidrólise alcalina do
EVA com íons Ca
2+
presentes na água de poro das pastas de cimento. Os produtos dessa
interação são o acetato de cálcio e o álcool polivinílico.
Afridi et al. (2003) estudaram a formação de filmes poliméricos em argamassas,
utilizando polímero seco redispersível e polímero em emulsão aquosa. Constataram que a
qualidade dos filmes poliméricos formados por polímero em solução aquosa foi superior aos
filmes formados por polímero seco, para os diversos polímeros testados, SBR, EVA e
VA/VeoVa.
2.4 DURABILIDADE
Desde a reunião de cúpula no Rio em 1992, quando a Agenda 21 foi formulada, os
conceitos de Sustentabilidade e de Desenvolvimento Sustentável vêm lentamente, mas
constantemente, penetrando nas discussões sobre a direção do progresso em todos os setores
da sociedade.
A busca por um Desenvolvimento Sustentável colocou em evidência questões como
Avaliação do Ciclo de Vida de materiais e produtos de construção, reciclagem de materiais,
substituição de matéria-prima e aumentou a demanda por conhecimento em fatores e
processos de degradação, custo do ciclo de vida e dados sobre vida útil dos materiais
(SJÖSTRÖM, 2000).
A adição de fibras vegetais em matriz cimentícia resulta um material novo, ainda não
totalmente estudado e conseqüentemente não existem normas especificas para avaliação da
durabilidade desses materiais, por isso buscou-se metodologias de ensaio aplicados ao
concreto e às argamassas.
De acordo com o Comitê do ACI-201.2R (1994), a durabilidade do concreto de
cimento Portland é definida como a sua capacidade em resistir à ação das intempéries, ataques
químicos, abrasão ou qualquer outro processo de deterioração; isto é, o concreto durável
conservará a sua forma original, qualidade e capacidade de utilização quando exposto ao meio
ambiente. Portanto, durabilidade do concreto não significa vida indefinida, nem significa
suportar qualquer tipo de ação.
Até recentemente, a durabilidade do concreto e de materiais cimentícios, em geral,
era relacionada apenas à sua resistência mecânica. Hoje se sabe que a durabilidade desse
material está diretamente relacionada à sua permeabilidade, isto é, à maior ou menor
facilidade da água ou dos gases percorrerem sua estrutura.
A permeabilidade do concreto é função da sua estrutura de poros e, em particular, da
porosidade permeável (poros interligados por capilares). Sendo assim, a permeabilidade do
concreto é afetada por todos os fatores que influenciam a estrutura de seus poros, tais como a
relação água/cimento, as condições de cura e o tipo de cimento utilizado (FRANCINETE &
CASCUDO, 2000).
A adição de polímeros em argamassas e concretos visava inicialmente melhorar a
aderência com o substrato. Contudo, os polímeros trazem também a redução da
permeabilidade e aumentam a aderência entre a fibra e a matriz, fator muito importante
principalmente quando se utilizam fibras naturais, cuja variação dimensional em função da
absorção de água é muito diferente daquela observada para a matriz cimentícia, gerando
tensões na interface matriz-fibra.
Canovas, Selva e Kawiche (1992) buscaram, através da adição de compostos
orgânicos, vedar os poros da pasta de cimento. Também foram utilizados esses compostos
dissolvidos em solventes para impregnar a fibra de sisal antes da preparação do compósito. A
durabilidade do compósito foi avaliada observando-se características físicas e mecânicas antes
e após envelhecimento acelerado, por ciclos de imersão e secagem. Os autores concluíram que
a adição dos compostos foi eficaz na redução da capacidade de absorção de água tanto da
argamassa quanto das fibras.
Segundo as recomendações do RILEM (1996), os ensaios de durabilidade devem
incluir a exposição dos corpos-de-prova às condições de laboratório ou de campo, para
acompanhamento das mudanças que possam ocorrer durante sua vida útil.
Existem ensaios de durabilidade que analisam o comportamento de algumas
propriedades do material ao longo do tempo, sob a ação das condições climáticas de um
determinado local. Normalmente tais ensaios exigem a produção de muitos corpos-de-prova,
os quais são colocados em dispositivos que lhes proporcionam a mesma orientação e
inclinação, de forma que todos tenham a mesma incidência de luz solar, chuvas e ventos.
Lotes de corpos-de-prova são ensaiados nas idades determinadas, sendo verificadas as
características de resistência mecânica, absorção d’água e permeabilidade. Esses resultados
são comparados a testemunhos que não foram expostos às intempéries.
Nesse tipo de ensaio é fundamental o registro da sua localização, devendo-se
caracterizar o clima da região com índices pluviométricos, temperaturas máxima e mínima e
umidade relativa do ar. Exemplo desse tipo de ensaio pode ser visto no trabalho de Agopyan,
Savastano Jr e John (2000).
Existem também ensaios de envelhecimento acelerado, em que os corpos-de-prova
são submetidos a ciclos de imersão e secagem, podendo sofrer ou não a ação de agentes
químicos agressivos e da temperatura. Neste caso, os corpos-de-prova, após uma série de
ciclos, têm suas características físicas e mecânicas determinadas e comparadas àquelas do
material que não sofreu envelhecimento acelerado ou àquelas do material que sofreu
envelhecimento natural (por exposição às intempéries).
Shaker, El-Dieb e Reda (1997) concluíram que o uso de concreto modificado com
polímero à base de estireno butadieno pode trazer muitas vantagens, principalmente quanto à
durabilidade pois propicia uma microestrutura mais densa que a observada para o concreto
convencional com poros de menor dimensão e preenchidos com filme polimérico.
Zahrani et al. (2003) estudaram o comportamento mecânico e a durabilidade de nove
argamassas de reparo à base de cimento e com adições de sílica, polímeros e fibras. A
durabilidade foi avaliada por meio de ensaios de determinação da permeabilidade ao cloro, da
profundidade de carbonatação e da resistividade elétrica. Os autores observaram que as
argamassas modificadas por polímero apresentaram menores valores de módulo de
deformação do que as argamassas padrão, e que as argamassas à base de polímero
apresentaram maior resistividade elétrica. A resistência à carbonatação dependeu do tipo de
polímero utilizado, porém o polímero de base acrílica forneceu boa resistência à argamassa.
Soroushian et al. (1994) avaliaram a durabilidade do compósito cimento - polpa
virgem e cimento - papel reciclado. Eles utilizaram ensaios de envelhecimento acelerado por
imersão e secagem e avaliaram resistência à tração na flexão, a tenacidade e a permeabilidade
do compósito antes e após os processos de envelhecimento. Observaram que após o processo
de imersão e secagem a resistência do compósito aumenta, porém a tenacidade é reduzida
tornando o material mais frágil.
2.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
É de conhecimento geral que as propriedades dos materiais dependem de sua
morfologia e da microestrutura, as quais, por sua vez, dependem do processo de fabricação.
Por isso a análise por meio de imagens de microscopia desempenha um importante papel no
desenvolvimento de materiais (CHERMANT, 2001).
A análise microestrutural é usada para explicar as principais propriedades dos
materiais polifásicos, a partir de sua estrutura. Possíveis descontinuidades, dentro de uma fase
ou entre fases, tais como poros ou fissuras, interferem no comportamento mecânico e na
durabilidade do material. É o caso dos compósitos fibrosos, por exemplo, em que o aumento
da aderência interfacial pode reverter-se em ganho para a resistência mecânica, para a
durabilidade e, dentro de certos limites, para a ductilidade. Entretanto, quantificar a
participação da zona de transição nas propriedades dos compósitos torna-se difícil, pois
depende de características dos materiais envolvidos como, por exemplo, o tipo de fibra. Além
disso, muitas técnicas empregadas para tornar ótima a interface acabam por melhorar o
desempenho da matriz como um todo, como ocorre com a moldagem sob pressão em
compósitos fibrosos (SAVASTANO JR, 1992).
O microscópio eletrônico de varredura é um aparelho que permite a observação e a
análise da superfície de amostras espessas através de imagens tridimensionais. A resolução
atingida é atualmente da ordem de 30 Å e a profundidade de foco é da ordem de 300 vezes
superior àquela do microscópio óptico.
A Figura 2.3 mostra esquematicamente um microscópio eletrônico de varredura, que
é composto por uma coluna óptica-eletrônica onde estão as lentes e o canhão de elétrons, a
câmara para a amostra, o sistema de vácuo, o controle eletrônico e o sistema de imagens.
Figura 2.3. Componentes básicos de um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Fonte:
Thomas (1979).
No MEV o feixe de elétrons é defletido de modo a varrer a superfície segundo linhas.
Ao atingir a extremidade oposta da superfície, uma segunda lente defletora faz com que o
feixe de elétrons efetue nova varredura. A vista humana é incapaz de resolver distâncias
inferiores a 0,01 µm.
Li et al. (2001) estudaram a zona de transição entre concretos novos e envelhecidos,
com diferentes tipos de adesivos, utilizando-se de MEV e espectroscopia de dispersão de
energia (EDS). Os testes mostraram que o adesivo é um fator vital que afeta a morfologia, a
mineralogia e a microestrutura da zona de transição.
Compósitos biomassa vegetal - cimento foram estudados por Beraldo (1994). As
micrografias apresentadas nas Figuras 2.4 e 2.5 são referentes à madeira Abies sp e ao
compósito (Abies sp + Betume + Cimento + Areia), respectivamente.
Figura 2.4. Abies sp. Fonte: Beraldo (1994).
Figura 2.5. Compósito Abies sp, areia, cimento e betume. Fonte: Beraldo (1994).
A hidratação do cimento foi estudada por Famy et al. (2002); a microestrutura da
pasta de cimento foi analisada após vários períodos e processos de cura diferentes,
utilizando-se análiutilizando-se de imagens de elétron retroespelhado (BSE) e análiutilizando-se química por meio de EDS.
Esta metodologia também foi utilizada por Yang (2001), para análise do concreto.
No estudo realizado por Afridi et al. (2003), sobre a formação de filmes poliméricos
em compósitos, a caracterização desses filmes foi feita pela observação de imagens obtidas
com utilização de MEV. As Figuras 2.6 e 2.7 apresentam aspectos morfológicos de filme
polimérico formado referente aos polímeros EVA e SBR, respectivamente.
Figura 2.6. Argamassa modificada pela adição de 10% de polímero EVA – filme de estrutura
densa. Fonte: Afridi et al. (2003).
Figura 2.7. Argamassa modificada pela adição de 20% de polímero SBR – filme de estrutura
densa, porém com característica fibrosa. Fonte: Afridi et al. (2003).
Shaker et al. (1997) avaliaram os principais aspectos de durabilidade de concretos
modificados por polímeros, comparando-os ao concreto convencional. As principais
características microestruturais foram estudadas com auxílio de microscopia eletrônica de
varredura (MEV).
2.6 ENSAIO NÃO DESTRUTIVO
A utilização de técnicas de ultra-som em engenharia civil remonta à década de 1950.
Esta técnica não destrutiva foi utilizada inicialmente para a classificação e estudo de diversos
materiais isótropos, tais como o aço, plásticos e materiais cerâmicos. Em materiais não
homogêneos, como a madeira e os compósitos cimentícios, este ensaio inicialmente foi
utilizado para detectar a presença de descontinuidades, vazios ou impurezas. Posteriormente,
aplicou-se a correlação entre a velocidade da onda ultra-sônica e os resultados de ensaios
mecânicos obtendo-se uma forma de avaliação correta da qualidade do material. Outras
vantagens apontadas pelo método são: a rapidez do ensaio, simplicidade de execução e
possibilidade de utilização do material posteriormente ao ensaio.
Segundo Ross et al. (1998), a avaliação não destrutiva é definida como sendo a
ciência de identificação das propriedades físicas e mecânicas de uma peça de determinado
material, sem alterar suas capacidades de uso.
A técnica utilizando o ultra-som trata de um fenômeno físico que auxilia na
determinação da resistência das peças por meio da correlação entre a velocidade obtida e a
resistência obtida por ensaio mecânico, bem como possibilita a detecção de aspectos de
qualidade. O ensaio também possibilita a determinação do Módulo de Deformação Dinâmico.
Segundo Beraldo (1997), a vantagem no uso dos métodos não destrutivos, como é o
caso do ultra-som, reside no fato de que eles oferecem uma avaliação correta da qualidade do
material. O autor citou que o equipamento de ultra-som emite um pulso de vibração
longitudinal, produzido por um transdutor eletroacústico que deve ser mantido em contato
íntimo com o material. O impulso é, então, captado por outro transdutor, sendo convertido em
sinal elétrico e em unidades de tempo. Esse tempo de propagação do som no material (e a
conseqüente velocidade) pode caracterizá-lo servindo de parâmetro para a avaliação das suas
propriedades mecânicas. Segundo o autor, o ensaio revela grandes potencialidades sempre que
venha acompanhado com correlações com outros ensaios.
Bodig & Jayne (1993) indicaram que as técnicas mais comuns, utilizadas para
correlacionar ensaios não destrutivos com ensaios destrutivos, consistem de uma análise de
regressão (normalmente linear) dos resultados de ambos ensaios. Como aspecto significativo,
destacaram que os ensaios de ultra-som apresentam confiabilidade, recomendando-se sua
utilização no estabelecimento de correlações.
O módulo de deformação pode ser definido como a relação entre a tensão existente
em um corpo-de-prova e a deformação produzida por esta tensão, dentro de uma determinada
região. O módulo de Deformação Dinâmico, medido por meio de onda ultra-sônica,
corresponde a uma deformação instantânea muito pequena e é considerado igual ao módulo
tangente inicial, determinado no ensaio estático (BASTOS, 2003).
Segundo Beraldo (1994), o concreto não é um material inerte se considerados os seus
constituintes fundamentais. Reações químicas permitem seu endurecimento por longo tempo e
tais mudanças podem influenciar a velocidade da onda ultra-sônica. O autor correlacionou os
seguintes itens que influenciam a velocidade de propagação da onda ultra-sônica em materiais
cimentícios: (a) Efeito de envelhecimento – a velocidade de propagação da onda ultra-sônica e
a resistência mecânica aumentam muito rapidamente durante as primeiras horas. Tais
mudanças são devidas às reações químicas da hidratação dos constituintes do cimento. O
aumento da velocidade ultra-sônica relaciona-se positivamente com o aumento da resistência.
(b) Influência da relação a/c: quanto maior for a quantidade de água maior será a quantidade
de poros e, conseqüentemente, menores serão a resistência mecânica e a velocidade de
propagação da onda ultra-sônica. (c) Influência do tipo de cura: o concreto submetido à cura
úmida terá maior grau de hidratação do cimento resultando em maior resistência mecânica e
maior velocidade de propagação da onda ultra-sônica do que concreto curado ao ar. (d)
Influência dos agregados: a mudança da relação agregado/cimento ou do tipo de agregado
pode provocar variação da velocidade de propagação da onda ultra-sônica devido a
modificação na porosidade global propiciada por essas mudanças. (e) Influência do tipo de
cimento: as diferentes proporções entre os constituintes do cimento (C3S, C2S, C3A e C4AF)
influenciam suas características intrínsecas, tais como a velocidade de endurecimento e a
resistência final. (f) Influência da dosagem em cimento: concretos com maior consumo de
cimento apresentam maior resistência (para uma mesma proporção de agregados). Essa
diferença pode ser observada principalmente nas primeiras idades.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A pesquisa foi desenvolvida baseando-se em dois tipos de compósitos, o primeiro
elaborado com partículas vegetais (resíduo de Pinus caribaea), areia e cimento de alta
resistência inicial. O segundo utilizando fibras vegetais provenientes de processo de polpação
(eucalipto e jornal reciclado), pó de pedra e o mesmo tipo de cimento.
O polímero utilizado foi o Rheomix 125 fornecido pela Master Builders do Brasil.
3.1 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL
A nomenclatura utilizada foi: para as polpas - Jornal (J), Eucalipto (E), para o resíduo
de Pinus caribaea (S); para os tratamentos - Testemunho (0), 1% de polímero (1), 5% de
polímero (5) e 10% de polímero (10).
Foi montado um Delineamento Inteiramente Casualisado. De cada tratamento foram
separados aleatoriamente 10 corpos-de-prova para serem submetidos a cada um dos processos
de envelhecimento. Aos 28 dias de idade, para as referências e após a realização dos processos
de envelhecimento, os corpos-de-prova foram ensaiados à tração na flexão e tiveram seus
índices físicos determinados.O fluxograma apresentado na Figura 3.1 indica o delineamento
experimental.
Figura 3.1. Fluxograma do delineamento experimental.
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS
3.2.1 Polpas Celulósicas
As propriedades físicas das polpas celulósicas são apresentadas na Tabela 3.1. As
fibras provenientes da polpa de jornal têm comprimento inferior àquelas provenientes da polpa
de eucalipto, além de apresentarem elevado teor de finos (fibra < 0,07 mm). Este teor de finos
elevado se deve à fragmentação das fibras no processo de produção do papel e posterior
preparação da polpa de papel jornal e às cargas utilizadas (produtos químicos e tinta para
impressão).
Tabela 3.1. Propriedades físicas das polpas celulósicas.
Fibra Comp/to
médio
(mm)
Espessura média
(µm)
Teor de Finos
(%)**
Polpa branqueada Eucalyptus grandis
0,66*
10,9 11
Jornal
0,5 52
Fontes: * Savastano Jr & Pimentel (2000).
As Figuras 3.2 e 3.3 apresentam micrografias das fibras das polpas de eucalipto e de
jornal. Após o processo químico de produção da polpa, a fibra produzida apresenta formato de
tubo com vazio central. Na micrografia, devido ao alto vácuo do MEV, as fibras
apresentam-se na forma de fitas retorcidas, morfologia similar àquela obapresentam-servada por Savastano Jr (2000),
apresentada na Figura 3.4. Observa-se que as fibras de polpa de jornal se encontram mais
danificadas e aglutinadas do que as de polpa de eucalipto devido ao processo mecânico de
preparação desta polpa.
Figura 3.3. Polpa de Jornal.
Figura 3.4. Polpa de Eucalyptus grandis Fonte: Savastano Jr. (2000).
3.2.2 Resíduo de Pinus caribaea
O resíduo de Pinus caribaea, fornecido pela indústria Faber Castell, foi proveniente
da unidade de Prata-MG; a distribuição em tamanho das partículas é apresentada na Figura
3.5.
Distribuição em tamanho - Resíduo de Pinus caribaea
2,38 4,76 1,19 0,00 0,074 0,149 0,297 0,59 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Abertura da Peneira (mm) % R e ti da e A c u m ul ad aFigura 3.5. Distribuição em tamanho – Resíduo de Pinus caribaea.
A Figura 3.6 apresenta a micrografia de partículas de Pinus caribaea, podendo-se
observar a estrutura anatômica da madeira, traqueídes (X1), lúmen (X2) e pontuações (X3).
Figura 3.6. Micrografia de partícula de Pinus caribaea.
X1
X2
X3
3.2.3 Agregados Minerais
A utilização de pó de pedra ou de areia visou proporcionar redução de custo e
melhorar a estabilidade dimensional da matriz. Foi usado o pó de pedra de origem basáltica
quando da utilização da polpa celulósica. Para o resíduo de Pinus caribaea usou-se areia
lavada. Esta alteração na matriz se justificou pela diferença de tamanho dos resíduos vegetais,
muito menor para a polpa do que para o Pinus caribaea. A Tabela 3.2 apresenta a distribuição
granulométrica do pó de pedra.
Tabela 3.2. Distribuição Granulométrica do Pó de pedra.
Peneiras (mm)
% Retida
% Retida Acum.
0,149 46,35 46,35
0,125 14,33 60,68
0,074 14,13 74,81
0,062 3,10 77,91
0,053 1,32 79,23
0,037 6,09 85,32
MF 5,2
DM
0,15
mm
A Figura 3.7 apresenta a curva granulométrica da areia utilizada para a qual obteve-se
MF 2,72 e Diâmetro máximo igual a 4,8 mm.
Curva Granulométrica - Areia Lavada
Fundo 0,074 0,1490,297 0,59 1,19 2,38 4,76 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Abertura da Peneira (mm) % R e ti da e A c um ul ad a
