AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE COMPÓSITOS CIMENTO-PARTÍCULAS DE PÓ DE COCO PRODUZIDOS POR DIFERENTES PROCESSAMENTOS

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AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE COMPÓSITOS CIMENTO-PARTÍCULAS DE PÓ DE COCO PRODUZIDOS POR DIFERENTES PROCESSAMENTOS

R. S. Santana1 , J. A. R. Vieira1, G. A. M. Brasileiro1,2 , L. S. Barreto1 Av. Marechal Rondon, S/N, CEP 49100-000, São Cristóvão, Sergipe, Brasil

e-mail: rodrigo_legosto@hotmail.com

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Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe - UFS

2_{Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe – IFS}

RESUMO

O trabalho tem como objetivo aprimorar os estudos sobre a utilização de compósitos cimentícios de fibras vegetais em matrizes a base de cimento Portland, através de alterações no processamento dos compósitos cimento-materiais lignocelulósicos para melhorar o desempenho e a durabilidade. O material vegetal foram as partículas de pó de coco e dois tipos de processamentos foram utilizados para a produção dos compósitos cimento-pó de coco: a) tratamento das partículas de pó de coco com soluções de hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] e carbonato de sódio (Na2CO3) sem

posterior lavagem e b) incorporação das duas soluções como aditivos aceleradores da pega. Foram produzidos corpos de prova de 40 x 40 x 40 mm para ensaio de resistência à compressão e de 20 x 20 x 80 mm para ensaio de flexão em três pontos e ensaios físicos (densidade e porosidade aparentes e absorção de água por imersão). Para avaliar a durabilidade, os corpos de prova para flexão foram submetidos ao envelhecimento natural ao ar livre e em laboratório. Os resultados mostram alterações no desempenho dos corpos-de-prova com o envelhecimento. Após um ano, os compósitos com os dois tipos de processamento tiveram valores de módulo de ruptura (MOR) superiores (4,36 ± 0,38 MPa) aos valores de 28 dias (1,68 ± 0,09 MPa), enquanto que os compósitos com pó de coco in natura apresentaram uma redução no MOR (3,02 ± 0,38 MPa e 4,23 ± 0,26 MPa, respectivamente).

Palavras-chaves: compósitos cimentícios com partículas de pó de coco, desempenho, durabilidade, envelhecimento, propriedades mecânicas e físicas.

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INTRODUÇÃO

Os materiais lignocelulósicos possuem substâncias inibidoras à reação de hidratação do cimento, como a hemicelulose, os carboidratos, os açúcares e os componentes fenólicos. O principal efeito inibitório sobre o cimento é o atraso no processo de cura(1).

A literatura apresenta diversas estratégias de processamentos dos compósitos cimentícios com resíduos lignocelulósicos(2). A melhoria da compatibilidade entre cimento e material lignocelulósico pode ser obtida por meio de tratamentos realizados nas partículas/fibras vegetais com a finalidade de reduzir a presença de substâncias inibidoras da reação de hidratação(3,4). Além disso, a eficiência dos compósitos cimentícios com material lignocelulósico depende principalmente da capacidade de transferência de tensão entre fibra/partícula e a matriz(5).

Para o desenvolvimento de novos materiais de construção, algumas condições básicas devem ser atendidas, como: economia, viabilidade, segurança, trabalhabilidade e principalmente durabilidade(6). Assim, estudos para estimativa da vida útil do material devem ser realizados antes da sua inserção no mercado.

Para a avaliação da durabilidade são empregados métodos que expõem o novo material a condições a que será submetido durante sua vida útil, a fim de avaliar a degradação. Os métodos podem ser ensaios de envelhecimento natural e envelhecimento acelerado para fornecer resultados em menor intervalo de tempo. As propriedades mecânicas e propriedades físicas, antes e após o envelhecimento, são utilizadas para mensurar o desempenho e avaliar a durabilidade. Melhorar a durabilidade dos compósitos cimentícios com materiais lignocelulósicos continua sendo um desafio. Há evidências de que os materiais vegetais sofrem alterações no seu desempenho mecânico, em conjunto com a matriz, dependendo da idade do compósito e das condições de exposição(7,8).

O objetivo geral do trabalho foi aprimorar os estudos de compósitos cimentícios com partículas de pó de coco, através da avaliação da durabilidade desses compósitos produzidos por diferentes processamentos, utilizando o processo de envelhecimento natural.

MATERIAIS E MÉTODOS

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na granulometria “como recebida”, obtida na empresa Indufibras Indústria de Fibras Ltda., que foi deixada secar ao ar por três semanas; depois, foi colocada na estufa a 65 ± 5ºC por 24 horas. O cimento utilizado foi o cimento Portland composto resistente a sulfatos, CP II–Z–32 RS, da Votorantim.

Os compósitos foram produzidos, constituídos de matriz cimentícia, pasta de cimento, e como material particulado, as partículas de pó de coco, com traço em massa 1:0,10 (cimento/pó de coco) e fator água cimento (a/c) igual a 0,75.

Dois tipos de processamentos foram adotados para a produção dos compósitos: a) adição de partículas de pó de coco in natura e tratadas e; b) adição de partículas de pó de coco in natura e como água de amassamento foram utilizadas soluções de Ca(OH)2 e de Na2CO3.

PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS

Em um tipo de processamento dos compósitos, as partículas de pó de coco foram previamente tratadas quimicamente – foram imersas nas soluções de tratamento por 48 horas: solução de carbonato de sódio, Na2CO3, concentração 0,1

mol/L, pH 11,4 e solução de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, concentração 2,5.10-2

mol/L, pH 13. Posteriormente foram secas em estufa a 65 ± 5ºC por 48 horas, sem posterior lavagem, diferentemente do realizado por Brasileiro(9), que utilizou a lavagem para remoção das substâncias liberadas pelos tratamentos químicos.

No outro tipo de processamento dos compósitos, as duas soluções foram utilizadas como aditivos aceleradores de pega nos compósitos com partículas de pó de coco in natura.

Assim, os compósitos produzidos foram: CCCN – compósito cimento-partículas de pó de coco in natura; CCCCH* – compósito cimento-partículas de pó de coco tratadas com Ca(OH)2, não lavadas; CCCNC* – compósito cimento-partículas de pó

de coco tratadas com Na2CO3, não lavadas; CCCN + CH – compósito

cimento-partículas de pó de coco + solução de Ca(OH)2, utilizada como água de

amassamento; CCCN + NC – compósito cimento-partículas de pó de coco + solução de Na2CO3, utilizada como agua de amassamento.

Os materiais foram misturados a seco, cimento e pó de coco, numa argamassadeira de laboratório. Foi adicionada água deionizada ou as soluções substitutas. Para a produção dos corpos de prova, foram utilizados moldes de inox de 40 x 40 x 40 mm³ e 20 x 20 x 80 mm³. Uma mesa vibratória foi utilizada para o

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adensamento dos moldes, que foram cobertos por uma placa de vidro. Os compósitos foram mantidos por 24 h no ambiente de laboratório a 23 ± 2 °C e depois após desmoldados e imersos na cura em água deionizada até 28 dias. Corpos de prova de pasta de cimento (CP), com a/c = 0,30, também foram produzidos.

ENVELHECIMENTO NATURAL

O envelhecimento natural foi realizado de duas formas: a) interno – mantendo-se os corpos-de-prova em ambiente interno ao laboratório com temperatura entre 23 ± 2ºC; b) externo – expondo-os à intempérie, ao ar livre, em bancada com inclinação de 30% com a horizontal, voltados para o norte magnético, de forma a maximizar a incidência de raios solares. Após a cura, os corpos foram expostos ao envelhecimento natural por 2, 6 e 12 meses.

CARACTERIZAÇÃO DOS COMPÓSITOS

Após completar cada idade, os compósitos foram submetidos a ensaios. Foram realizados os ensaios mecânicos utilizando a máquina universal de ensaios INSTRON, modelo 3367. O ensaio de resistência à compressão (RC) utilizou célula de carga de 30 kN com velocidade de 1,0 mm/min de aplicação da carga. O ensaio de resistência à tração na flexão em três pontos foi configurado usando uma célula de carga de 5 kN com velocidade de 0,5 mm/min de aplicação da carga. A tenacidade ou energia específica foi definida como sendo a energia absorvida durante o ensaio de flexão, dividida pela área da seção transversal do corpo-de-prova. Para avaliar os compósitos, quantos as propriedades físicas, densidade aparente (DA), absorção de água (AA) e porosidade aparente (PA) foram determinadas com base nos procedimentos da NBR 9778(10).

Foram realizadas análises de difração de raios-X (DRX) utilizando um difratômetro SHIMADZU, operando em modo de varredura, com radiação de Cu-Kα (λ=1,5418 Ǻ). A velocidade de varredura foi 5º/min em 2Ө, entre 5º e 75º. A identificação das fases minerais foi realizada por comparação dos difratogramas de raios-X das amostras com as fichas-padrão do banco de dados do Joint Committee On Powder Diffraction Standards-International Center For Diffraction Data (JCPDS- ICDD).

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RESULTADOS E DISCUSSÃO

O desempenho dos compósitos aos 28 dias pode ser observado nos resultados para a resistência à compressão (RC), Fig.1. Não há como comparar os valores de RC da pasta de cimento, CP, com os valores para os compósitos cimento-pó de coco.

CP CCCN CCCCH* CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 R esi st ên ci a a co mp re ssa o (MPa )

Fig.1 – Resultados de resistência à compressão aos 28 dias para a pasta de cimento e

compósitos cimento-pó de coco.

A baixa densidade aparente das partículas de pó de coco (em torno de 0,10 g/cm3) é uma indicação da presença de um grande volume de vazios e de uma

elevada porosidade. Portanto, a adição das partículas vegetais reduz a densidade aparente (DA) e aumenta a porosidade aparente (PA) desses compósitos, conforme Fig.2, reduzindo assim suas propriedades mecânicas, uma vez que a resistência é inversamente proporcional à porosidade.

Os compósitos cimento-pó de coco processados com adição de partículas tratadas e não lavadas (CCCCH* e CCCNC*) ou com adição de partículas de pó de coco in natura com incorporação de solução de aditivo (CCCN+CH e CCCN+NC) apresentaram uma menor taxa de absorção de água (AA), quando comparados ao

compósito in natura aos 28 dias. Em geral, tal comportamento se manteve após 6 meses e 1 ano de exposição ao envelhecimento. Para os compósitos

envelhecidos no ambiente de laboratório (interno) não foram percebidas mudanças significativas nos valores de AA em todos os compósitos, quando comparados com as amostras de 28 dias. Entretanto, o envelhecimento ao ar livre (externo) mostrou redução nos valores de AA.

Aos 28 dias, quanto à densidade aparente (DA), os compósitos cimento-pó de coco processados foram mais densos que o compósito-cimento-pó de coco in natura (CCCN).

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CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 A b so rç a o d e Ag u a ( % ) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC*_{CCCN +}_{CCCN +} CH NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 D e n sid a d e Ap a re n te ( g /c m 3) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC*_{CCCN +}_{CCCN +} CH NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P o ro sid a d e Ap a re n te ( % ) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN CCCCH*CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno

Fig.2 – Propriedades físicas da pasta de cimento, a) DA, b) PA e c) AA aos 28 dias e efeito

das idades de envelhecimento natural externo e interno e efeito do tipo de processamento do compósito cimento-pó de coco aos 28 dias e das idades do envelhecimento natural externo e interno nas propriedades físicas, d) AA, e) DA e f) PA.

a) b) c)

d)

e)

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Após um ano de exposição ao envelhecimento ao ar livre, CCCNC* e CCCN+CH, apresentaram um maior acréscimo no valor de DA, comparado com CCCN na mesma idade. Entretanto, para o envelhecimento interno não houve alterações significativas com a evolução da exposição.

Aos 28 dias, todos os compósitos tiveram um comportamento semelhante quanto à porosidade aparente (PA). Com a evolução do envelhecimento interno, observou-se uma redução da PA nos compósitos com pó de coco tratado com

solução de Na2CO3 (CCCNC*). O envelhecimento externo, inicialmente aos

2 meses, mostrou uma redução da PA para todos os compósitos, principalmente para os compósitos cimento-pó de coco processados. Com a continuação do processo de envelhecimento ao ar livre, houve um aumento da porosidade, mas que continuou menor do que aos 28 dias para todos os compósitos.

O fenômeno de carbonatação é potencializado devido à alta porosidade desses compósitos, nos quais o CO2 penetra na matriz e forma o carbonato de cálcio, CaCO3,

que preenche os poros no interior do material. Esse efeito foi observado por Silva(11) em que, aos 3 meses de envelhecimento natural, os compósitos já estavam totalmente carbonatados. Brasileiro(9) também mostrou que, aos 4 meses de envelhecimento ao ar livre e no ambiente de laboratório, os compósitos já estavam totalmente carbonatados.

Os estudos de Macvicar e colaboradores(12) mostraram que os produtos da carbonatação preencheram a estrutura da matriz, aumentando a densidade da matriz de cimento, e reduzindo a porosidade. Esta porosidade reduzida dos compósitos cimentícios reforçados com fibras de celulose foi atribuída tanto à densificação da matriz de cimento resultante da retração provocada por carbonatação e/ou à densificação devido à continuação do processo de hidratação dentro da matriz. Como resultado, associada com as mudanças na porosidade, houve redução no teor de água absorvida pelos compósitos. Conforme também evidenciado por Brasileiro(9), o efeito do envelhecimento natural nas propriedades físicas foi mais efetivo na exposição externa do que na interna.

As propriedades mecânicas, módulo de ruptura (MOR), módulo de elasticidade (MOE) e tenacidade (TE), de cada etapa do envelhecimento natural externo e interno estão apresentadas na Fig.3. Os resultados para MOR, MOE e TE da pasta de cimento não são comparáveis com os dos compósitos cimento-pó de coco, conforme explicado anteriormente.

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CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 1 2 3 4 5 6 M o d u lo d e R u p tu ra ( M P a ) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NCCCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC

1 ano externo 6 meses interno

CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 100 200 300 400 500 600 700 800 M o d u lo d e e la stic id a d e ( M P a ) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC*_{CCCN +}_{CCCN +} CH NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 T e n a cid a d e ( J/m 2) 28 dias CCCNCCCCH*CCCNC*_{CCCN +}_{CCCN +} CH NC 2 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 2 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 6 meses interno CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano externo CCCN_CCCCH*_CCCNC* CCCN + CH CCCN + NC 1 ano interno

Fig.3 – Propriedades mecânicas da pasta de cimento, a) MOR, b) MOE e c) TE aos 28 dias e efeito das idades de envelhecimento natural externo e interno e efeito do tipo de processamento do compósito cimento-pó de coco aos 28 dias e das idades do envelhecimento natural externo e interno nas propriedades mecânicas, d) MOR, e) MOE e f) TE.

a) b) c)

d)

e)

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Aos 28 dias, observou-se que, para o MOR, o compósito com partículas in natura (CCCN) obteve os melhores resultados. Entretanto, com a evolução dos

envelhecimentos natural externo e interno, verificou-se uma redução em CCCN e um ganho significativo do MOR para os compósitos com os diferentes tipos de processamento, principalmente após 6 meses de envelhecimento natural interno e externo, destacando-se o compósito CCCNC*, onde o diferente tipo de ambiente não influenciou em mudanças significativas nos resultados.

Quanto ao MOE, efeito semelhante foi observado, ou seja, aos 28 dias, o MOE de CCCN foi maior, mas com evolução dos envelhecimentos natural externo e interno, verificou-se uma redução do MOE para CCCN e um aumento do MOE para os compósitos com os diferentes tipos de processamento.

Para a TE, após 12 meses de exposição ao envelhecimento externo, os compósitos processados apresentaram valores inferiores ao compósito in natura. Diferentemente do envelhecimento interno em que houve um aumento da TE.

Comparando os resultados obtidos neste trabalho com os estudos de Brasileiro et al.(3) e Brasileiro(9), os compósitos com partículas de pó de coco tratadas não-lavadas (CCCCH* e CCCNC*) e os compósitos com incorporação de soluções como aditivo (CCCN+CH e CCCN+NC), mostraram ganho nas suas propriedades mecânicas com o envelhecimento, apesar dos valores mais baixos aos 28 dias, se comparados com o compósito com partículas de pó de coco in natura.

Os difratogramas de raios-X estão apresentados na Fig.4. Aos 28 dias, observam-se os picos característicos dos produtos de hidratação dos materiais cimentícios, como a etringita (ET), hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 (CH), silicato de

cálcio hidratado (CSH), além do carbonato de cálcio – CaCO3 (CC), presente

originalmente no cimento anidro e formado com a hidratação. Isso evidencia a compatibilidade das partículas de pó de coco com a pasta de cimento.

Conforme descrito por Brasileiro(9), no envelhecimento natural externo e interno foi possível observar a redução de intensidade ou desaparecimento de picos de Ca(OH)2 e o consequente aumento e surgimento de picos de CaCO3,

comprovando o efeito da carbonatação nas amostras, conforme já evidenciado pelas propriedades físicas.

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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 CH CC CH CC CC ET CC CH CC CSH CC ET CH CSH CCCN + NC 28 dias CCCN + CH 28 dias CCCNC 28 dias CCCCH 28 dias CCCN 28 dias In te nsi da de (u .a ) 2 / 28 DIAS ET 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 CC CC CC CH CC CC CC CC CC CSH In te nsi da de (u .a ) 2 / ENVELHECIMENTO EXTERNO CC CCCN + NC 12 meses CCCN + CH 12 meses CCCNC12 meses CCCCH 12 meses CCCN 12 meses 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 CH CH CC CC CC CC CC CSH CSH CC ET In te nsi da de (u .a ) 2 / ENVELHECIMENTO INTERNO CCCN + NC 12 meses CCCN + CH 12 meses CCCNC 12 meses CCCCH 12 meses CCCN 12 meses CC CC CC

Fig.4 – Difratogramas de raios-X dos compósitos com partículas de pó de coco com

diferentes processamentos (a) aos 28 dias e após envelhecimento (b) externo e (c) interno

de 12 meses, onde: ET = etringita; CH = Ca(OH)2; CC = CaCO3, CSH = silicato de cálcio

hidratado.

CONCLUSÕES

Os resultados desse trabalho mostram que os compósitos com partículas de pó de coco tratadas não-lavadas e os compósitos com incorporação de soluções como aditivo apresentam melhor desempenho mecânico após a exposição ao envelhecimento natural.

Os resultados do envelhecimento interno após 1 ano sugerem a indicação de uso dos compósitos cimento pó de coco para aplicações internas.

REFERÊNCIAS

a)

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DURABILITY EVALUATION OF CEMENT-BONDED COIR PITH PARTICLES PRODUCED BY DIFFERENT PROCESSING

ABSTRACT

This paper aims to improve the studies of the use of Portland cement-bonded natural fibers composites, through changes in the processing of cement-bonded

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lignocellulosic materials composites to improve performance and durability. The vegetal material was coir pith particles and two types of processing were used for the production of cement-bonded coir pith particles composites: a) treatment of coir pith particles with calcium hydroxide [Ca(OH)2] and sodium carbonate (Na2CO3) solutions

without further washing and b) incorporation of those two solutions as additives, accelerators of the cement setting time. 40 x 40 x 40 mm3 specimens were produced for testing the compressive strength and 20 x 20 x 80 mm3 specimens were produced for three point flexural tests and for physical tests (bulk density, apparent porosity and water absorption by immersion). The flexural specimens were subjected to natural aging, outdoors and into the laboratory, to evaluate the durability. The results show changes on the specimens performance after the aging. After one year, the composites produced with the two types of processing had higher values of the modulus of rupture (MOR) (4.36 ± 0.38 MPa) compared with the composites at 28 days (1.68 ± 0.09 MPa), while composites with non-treated coir pith particles showed a reduction in MOR (3.02 ± 0.38 MPa and 4.23 ± 0.26 MPa, respectively).

Keywords: cement-bonded composites, coir pith particles, performance, durability, aging, mechanical and physical properties.