Materiais compósitos

Materiais compósitos

Materiais formados de dois ou mais constituintes com distintas composições, estruturas

e propriedades. O objetivo principal de se produzir compósitos é o de combinar

diferentes materiais para produzir um único dispositivo com propriedades superiores às

dos componentes unitários.

O comportamento estrutural de um material compósito é governado:

- pela geometria,

- tipo de carregamento,

- propriedades dos materiais.

A combinação dos materiais é decidida de acordo com a necessidade da estrutura e a

relativa importância de várias propriedades tais como:

- força,

- resistência a corrosão,

- rigidez

- peso

- resistência a fadiga

- expansão térmica,

- propriedades eletromagnéticas

- condutividade térmica

- isolamento acústico

- e estética.

De acordo com Reddy (1997), os materiais compósitos são divididos em três grupos:

Compósitos fibrosos

– consistem de fibras de um material como reforço em uma matriz

constituída por outro material.

Compósitos particulados

– compostos de partículas macroscópicas de um material como

reforço em uma matriz formada por outro material.

Compósitos laminados

– são constituídos por camadas de diferentes materiais, incluindo

compósitos dos primeiros dois tipos, ou mesmo materiais isotrópicos tradicionais.

A maioria destes materiais é do tipo “compósitos fibrosos”, os quais são formados por

apenas duas fases, sendo que os materiais de reforço mais comuns são as fibras de vidro,

carbono e aramida e os materiais de matriz mais utilizados são as resinas, as quais são

exemplificadas pelos poliésteres, os vinis ésteres e o epóxi.

Durante os últimos anos, foi observado um substancial desenvolvimento destes

materiais para aplicações estruturais, sendo que a principal motivação foi a

possibilidade de se produzir compósitos com baixa massa específica aliada a alta

resistência mecânica que potencialmente poderiam substituir materiais usualmente

utilizados como o aço e a madeira.

As fibras

As fibras existentes atualmente são divididas em dois grandes grupos, sendo as fibras

naturais e as fibras sintéticas, e estes materiais são utilizados para as mais diversas

aplicações.

As fibras naturais são as fibras retiradas prontas da natureza, as mais comuns são as fibras

de algodão, lã, seda, linho, etc. Já as fibras sintéticas são aquelas produzidas pelo homem,

sejam elas de materiais naturais ou artificiais. São exemplos de fibras sintéticas o poliéster,

a poliamida, acrílico, etc.

Além disso, as fibras naturais e sintéticas ainda se dividem em outros subgrupos, sendo que

as naturais se dividem em fibras vegetais, animais e minerais, e as fibras sintéticas se

dividem em polímeros naturais e polímeros sintéticos. Esta distribuição pode ser melhor

compreendida através da Fig. 1.

Figura1: Classificação das fibras

Fibrocimento

O fibrocimento é um material à base de cimento, com adições minerais (pozolânicas e/ou

calcíticas) e com fibras de reforço distribuídas discretamente.

Normalmente, no mercado nacional, o fibrocimento envolve o uso de matriz de cimento e fibras

minerais de amianto ou fibras sintéticas como reforço, para produção de telhas cobertura, caixas

d’água, tubos e placas planas.

A função principal das fibras é a de exercer o reforço mecânico da região matriz.

Figura 2: Modelos de telhas de fibrocimento

Fonte: http://www.eternit.com.br/

Figura 3: Modelos de caixas d’água e placas planas de fibrocimento

Fonte: http://www.eternit.com.br/

O cimento amianto

Asbesto ou amianto é o nome geral que se dá a diversos tipos de silicatos minerais fibrosos

cristalinos os quais possuem propriedades físicas e químicas únicas (Hannant, 1978; Coutts,

1988). As fibras constituintes do mineral asbesto são muito finas e podem facilmente ficar em

suspensão no ar. Sob essas circunstâncias, a forma física e a inércia química destas fibras

combinam-se para criar um grande problema à saúde dos trabalhadores de indústrias que

manuseiam tal mineral ou outros expostos de forma similar.

O cimento amianto foi inventado por L. Hatschek, um austríaco que em 1900 patenteou o

processo de fabricação do cimento amianto sob o título de Processo de manufatura para folhas

de “pedras sintéticas” e agentes de ligação hidráulica. As técnicas de manufatura do processo

Hatschek permanecem basicamente as mesmas até hoje.

Fibrocimento sem amianto

Produtos de fibrocimento sem amianto, reforçados fibras sintéticas e polpa de celulose, curados

ao ar, podem ser encontrados no mercado brasileiro.

O surgimento de fibrocimento sem amianto tem-se consolidado pela implantação de normas

vigentes, para placas corrugadas de cobertura (NBR 15210, partes 1, 2 e 3), ou em fase de

elaboração, para placas planas (projeto 18:406.03), da Associação Brasileira de Normas

Técnicas (ABNT).

Fibrocimento com polpa celulósica

As fibras vegetais, como reforço de matrizes base de materiais cimentícios, despertam grande

interesse, por causa de seu baixo custo, disponibilidade, economia de energia e pela preservação

ambiental. As fibras sintéticas também são empregadas: polivinil-álcool (PVA), polipropileno

(PP) e poliacrilonitrila (PAN).

Matérias-primas

Aglomerantes e cargas minerais

O cimento Portland é a matéria-prima de maior proporção em massa do fibrocimento. Os

cimentos, no Brasil, diferenciam-se pela proporção de clínquer, sulfato de cálcio e adições, tais

como escórias, pozolanas e material carbonático, acrescentados no processo de moagem.

Pozolanas são utilizadas na forma finamente dividida e na presença de água, reagem com

hidróxido de cálcio (CH) para formar compostos com propriedades cimentícias. Elas incluem

produtos recicláveis, tais como cinza volante, cinza de casca de arroz, metacaulim e sílica ativa.

São desejáveis também do ponto de vista ambiental.

Fibras

As principais finalidades de se reforçar a matriz frágil com fibras são o aumento das resistências

à tração e ao impacto, a maior capacidade de absorção de energia e a possibilidade de uso no

estágio pós-fissurado.

O tipo, a distribuição, a relação comprimento-diâmetro e a durabilidade da fibra, assim como o

seu grau de aderência com a matriz, determinam o comportamento mecânico do compósito e o

desempenho do componente fabricado.

Fibras minerais

O amianto é uma fibra mineral natural sedosa, com propriedades diferenciadas:

- resistência mecânica elevada

- boa qualidade isolante

- durabilidade

- flexibilidade

- resistência ao ataque químico e biológico

- abundância na natureza

- baixo custo.

É extraído de rochas compostas de silicatos hidratados de magnésio, nas quais de 5% a 10% se

encontram em sua forma fibrosa de interesse comercial.

Existem dois tipos de amianto:

- As crisotilas, com alta concentração de magnésio e composição química 3MgO.SiO

.H

O;

- Os anfibólios, com alta concentração de ferro, cuja composição química é Na

O.Fe

O

.O.SiO

.

Figura 4 – Microscopia eletrônica de fibras minerais de amianto.

Fonte: IBRACON

Fibra

Densidade real

(kg/m

₎

Alongamento na

_{ruptura (%)}

Resistência à

_{tração (MPa)}

_elasticidade

Módulo de

(GPa)

Amianto

crisotila

2200 a 2600

2

560 a 750

164

Quadro 1 – Principais características físicas e mecânicas do amianto crisotila.

Wollastonita

Wollastonita é um metasilicato de cálcio (CaOSiO

). Este mineral possui uma composição de

48,3 % de óxido de cálcio (CaO) e 51,7% de dióxido de silício (SiO

), podendo apresentar

pequenas quantidades de alumínio, ferro, magnésio, potássio e sódio (Virta, 1997). A

wollastonita foi reconhecida em 1822 pelo químico inglês Sir Willian Wollaston. Esta resulta da

transformação metamórfica de rochas carbonáceas com o quartzo. A principal utilização da

wollastonita se dá como substituto para o amianto, na produção de cerâmica, tintas e plásticos.

Também é usado em adesivos, produtos sujeitos à fricção e refratários entre outros.

Fibras poliméricas

As fibras sintéticas mais usuais são as de polivinil-álcool (PVA) e polipropileno (PP), ilustradas

na Figura 5, e, em menor escala, as fibras de poliacrilonitrila (PAN).

As fibras sintéticas são cortadas com comprimento entre 6 e 12 mm, empregam-se em pequenas

frações em volume (± 6%) e se distribuem aleatoriamente ou com certo grau de orientação na

matriz, de acordo com o processo produtivo.fibras sintéticas são cortadas. São de 30 a 60% mais

caras que as fibras minerais.

Quadro 2 – Propriedades mecânicas de fibras de polivinil-álcool (PVA) e polipropileno (PP)

para fibrocimento (Motta, 2006).

Fibras

Módulo

de

elasticidade (GPa)

Tensão

máxima

(MPa)

Deformação máxima

(mm/mm)

PVA

5,0 a 15

1004

0,10

PP

4,7

727

0,24

Figura 5 – (a) Seção de fibras de polipropileno (b) seção transversal de de polivinil-(PVA).

Fibras vegetais

O estudo sistemático de fibras vegetais com finalidade de reforço de matrizes começou na

Inglaterra em 1970. No Brasil, uma das pesquisas pioneiras coube ao Centro de Pesquisa e

Desenvolvimento (Ceped), em Camaçari, Bahia, com início em 1980.

Usualmente, no processo Hatschek, as fibras vegetais comerciais são empregadas na forma de

polpas celulósicas, produzidas conforme processos dominados pela indústria de celulose e

papel, e passam pelo processo de refinamento.

O refino da polpa de celulose é um tratamento mecânico das fibras.

Quadro 3 – Fibras vegetais comerciais utilizadas na indústria de fibrocimento. BK = fibras

obtidas pelo processo Kraft e branqueadas. NBK = fibras produzidas pelo processo Kraft e

não-branqueadas.

Nome comercial Produtor

País de origem

Tipo de fibra

Tipo

de

tratamento

CF-16

Buckeye

Technologies

EUA

Pinus

(P.

elliottii)

BK

CF-12

Buckeye

Technologies

EUA

Pinus

(P.

elliottii)

NBK

Canfor

Canfor

Pulp

Limited

Patnerniship

Canadá

Pinus (P. glauca

e P. contorta)

NBK

Celco

Arauco

Chile

Pinus

(P.

radiata)

NBK

Sappi

Sappi

África do Sul

Pinus (Pinus sp.) NBK

Solombala

Solombala Pulp

Paper Mill

Rússia

Pinus

(P.

Elliottii, taeda e

patula)

NBK

Tasman

Carter

Holt

Harvey

Nova Zelândia

Pinus

(P.

radiata)

NBK

Lwarcel

Lwarcel

Celulose e Papel

Brasil

Sisal

(Agave

sisalana)

NBK

VCP

Votorantim

Celulose e Papel

Brasil

Eucalipto

(Eucalyptus sp.)

BK e NBK

Processos de fabricação

Processo Hatschek

O processo Hatschek é o mais empregado na produção de placas planas e onduladas de

fibrocimento. Uma suspensão bem diluída de fibras, cimento e aditivos é misturada em um

grande tanque onde cilindros rotatórios captam essa pasta por meio de sucção, removendo a

água da mistura até a obtenção de mantas com a espessura desejada (formadas por lâminas de

aproximadamente 1 mm cada uma). A massa utilizada no processo Hatschek contém somente

20% de sólidos. As matérias-primas comumente utilizadas são: cimento Portland, sílica ativa,

material carbonático, polpa de celulose, fibras poliméricas ou de amianto.

Figura 7 – Esquema do processo Hatschek para produção de placas planas e onduladas de

fibrocimento (adaptado de Dias et al., 2007).

Figura 8: Método Hatschek para produção de placas planas e telhas onduladas. Máquina

formadora e desenforme.

Fonte: Savastano Jr & Santos (2007)

Processo Mazza

Este processo é utilizado para a fabricação de tubos de pressão feitos de cimento amianto sendo

uma modificação do processo Hatschek.

Processo Magnani

Neste processo a taxa sólidos/água está próxima a 0,5 e a mistura é aquecida e bombeada em um

cinto onde a mesma é prensada e nivelada por rolamentos. Tanto os cintos quanto os rolamentos

podem ser feitos de forma a se poder fabricar tanto folhas corrugadas quanto lisas.

O processo de fabricação industrial de caixas d´água com formato similar ao cilíndrico baseia-se

no método conhecido como Magnani modificado. Essas caixas, no mercado nacional, têm altura

na faixa de 595 mm a 797 mm e diâmetro máximo entre 733 mm e 1234 mm.

A massa utilizada nesse processo de fabricação é consistente, pois a concentração de sólidos é

de aproximadamente 1:1 em relação à água, e ela é aplicada em uma única camada sobre o

molde.

Figura 9 – (a) Método Magnani para produção industrial de (b) Acabamento da superfície

externa da caixa d’água por meio de roletes (cortesia do Prof. Moacyr John, Escola

Politécnica da USP).

Processo de extrusão de Manville

As fibras de asbesto, o cimento, a sílica fina e plastificantes como o óxido de polietileno são

inseridas em um misturador com água suficiente apenas para produzir uma mistura rígida. A

mistura é então forçada através de uma prensa de aço com aquecimento, para produzir seções

extrudadas de perfil desejado.

Características gerais do fibrocimento

Microestrutura

A interface (região de contato entre a fibra e a matriz) desenvolve é importante na transmissão

da tensão entre as duas fases, no aumento da energia de fratura do compósito e no deslocamento

das fissuras. A ligação interfacial pode ser química, física ou a combinação entre elas. O

desempenho mecânico do compósito está diretamente relacionado com as propriedades da

interface fibra-matriz.

Ligações muito fortes entre fibra e matriz resultam material frágil com resistência elevada, ao

passo que ligações fracas resultam em menor resistência e alta energia específica.

A idade do fibrocimento influencia a porosidade e os produtos de hidratação, que se formam na

interface. A degradação das fibras celulósicas e sua relação com a presença de portlandita é

importante nas idades mais avançadas.

Fibras de perfil irregular conferem acréscimos de até 10% na resistência à tração do compósito,

em comparação à resistência obtida com fibras retas e lisas.

Efeitos semelhantes foram obtidos, quer pela fibrilação, no caso das fibras de amianto, quer pela

variação do diâmetro ao longo do comprimento, para as fibras vegetais.

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas dos fibrocimentos são o resultado da combinação das características

da matriz, das fibras e da interface entre fibras e matriz. Na avaliação do desempenho mecânico

dos compósitos fibrosos, observam-se os seguintes parâmetros:

• características físicas, químicas e mecânicas dos materiais componentes, ou seja, fibra e

matriz;

• geometria das fibras, seção transversal e comprimento;

• arranjo, orientação e dispersão das fibras;

• proporção entre os materiais componentes;

• características da interface dos materiais;

• quantidade e distribuição de tamanho de poros.

Durabilidade

Telhas de fibrocimento estão sujeitas à degradação causada pelas intempéries, durante os ciclos

de calor e chuva por exemplo, no caso de climas tropicais. Por serem porosas, elas absorvem

água durante a chuva e secam ao serem expostas à radiação solar, sob determinadas condições

de temperatura e umidade. O cimento-amianto é altamente resistente à degradação sob

intempéries.

Na introdução de um novo material e/ou elemento construtivo, como no caso do fibrocimento

sem amianto recentemente lançado no mercado nacional, a demonstração da durabilidade é

fundamental.

Diversos fatores promovem alterações no material das telhas de fibrocimento, a saber:

atmosféricos, biológicos, de carga, de uso e de incompatibilidade entre fases constitutivas. Essas

alterações podem afetar o desempenho das telhas. As transformações desfavoráveis ocasionam a

degradação das telhas.

Os efeitos da degradação no desempenho dos componentes construtivos resultam da soma dos

efeitos da degradação das fases: matriz, fibra e zona de transição fibra/matriz.

Em fibrocimentos com matriz de cimento Portland, a resistência ao meio alcalino é uma

propriedade fundamental para os materiais utilizados como reforço. As fibras sintéticas

resistentes a álcalis, como as de polipropileno, PP, e polivinil-álcool, PVA, por sua vez, são

consideradas duráveis em matrizes de cimento Portland.

A degradação das fibras de celulose, na matriz alcalina de cimento Portland, tem sido

considerada o principal problema de durabilidade dos fibrocimentos sem amianto, e são objeto

de vários estudos.

Os ensaios de envelhecimento acelerado dão resposta em curto prazo. Um dos ensaios mais

utilizados para avaliar a durabilidade de fibrocimentos destinados a componentes de cobertura é

o de ciclos de calor e chuva, com intuito de reproduzir os principais mecanismos de degradação

em situações normais de uso. Um ciclo é composto de 2 h e 50 min de emissão de calor (em

infravermelho) a 70ºC, e aspersão de água em temperatura ambiente por igual período. A

metodologia para esse ensaio está padronizada na norma brasileira para telhas onduladas de

fibrocimento sem amianto (NBR 15210 parte 2, ABNT, 2005).

Considerações adicionais

A ciência dos materiais colabora para a incorporação eficiente de adições minerais e fibras

vegetais e sintéticas, com intuito de incrementar o desempenho e a vida útil, a partir da

modificação da microestrutura do fibrocimento.

O domínio de tal conhecimento tem ajudado a fornecer subsídios aos projetos dos elementos

construtivos, para que atinjam o melhor comportamento possível em suas diferentes aplicações.

A partir de modelos teóricos e experimentais, têm sido criados novos fibrocimentos e superadas

as deficiências daqueles existentes, em resposta às grandes pressões sociais e econômicas do

setor habitacional brasileiro.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15210: Telha ondulada de

fibrocimento sem amianto e seus acessórios - Parte 2: Ensaios, 2005).

ISAIA, G. C. Materiais de construção civil e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais.

São Paulo: IBRACON, 2007. Volume 2, páginas 983 à 1006.

REDDY, J.N. (1997), Mechanics of Laminated Composite Plates: theory and analysis, CRC

Press, Inc., ISBN 0-8493-3101-3