PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

Dissertação de Mestrado

EFEITO DA ADIÇÃO DE

AGREGADOS ALTERNATIVOS

NA FRATURA EM MODO-MISTO

DE ARGAMASSAS POLIMÉRICAS

GUSTAVO CARDOSO MOREIRA

FEVEREIRO DE 2017

GUSTAVO CARDOSO MOREIRA

EFEITO DA ADIÇÃO DE AGREGADOS ALTERNATIVOS

NA FRATURA EM MODO-MISTO DE ARGAMASSAS POLIMÉRICAS

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya

de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

da UFF como parte dos requisitos para a

obtenção do título de Mestre em Ciências em

Engenharia Mecânica

Orientadores: João Marciano Laredo dos Reis (PGMEC/UFF )

Heraldo Silva da Costa Mattos (PGMEC/UFF )

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 15 DE MARÇO DE 2017

EFEITO DA ADIÇÃO DE AGREGADOS ALTERNATIVOS

NA FRATURA EM MODO-MISTO DE ARGAMASSAS POLIMÉRICAS

Esta Dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

Área de concentração: Mecânica dos Sólidos

Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:

Prof. João Marciano Laredo dos Reis (Ph.D.)

Universidade Federal Fluminense

(Orientador)

Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (D.Sc.)

Universidade Federal Fluminense

(Orientador)

Prof. Luiz Carlos da Silva Nunes (D.Sc.)

Universidade Federal Fluminense

Prof. Khosrow Ghavami (Ph.D.)

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro

Dedico este trabalho a duas pessoas: minha mãe, Lúcia Cardoso Moreira, a quem amo

profundamente, e a meu avô, Nelson Moreira, que faleceu no dia 29/12/2016, o senhor

deixou uma marca em nossos corações.

Agradecimentos

Agradeço imensamente à minha mãe, Lúcia, que sempre me apoiou, e se manteve

ao meu lado nos momentos fáceis e difíceis.

Ao meu pai, Luiz, às minhas avós, Esther e Fausta, e à família, pelos conselhos e

incentivo.

Ao Dr. João Reis, que me apresentou ao ensaio do disco brasileiro, e sempre esteve

disposto a resolver dúvidas ou obstáculos, se não fosse por ele esse trabalho não se

realizaria.

Aos amigos que me apoiaram, dentro e fora do PGMEC/UFF.

Resumo

O presente trabalho dedica-se ao tema da fratura de argamassas poliméricas reforçadas. São

utilizados materiais não convencionais como embalagens cartonadas assépticas, borras de

piaçava e fibras de vidro como um segundo agregado em adição à areia nas argamassas

poliméricas. A fim de analisar o efeito da inclusão destes agregados alternativos nas

propriedades de fratura da argamassa foram produzidos corpos de prova de fratura para as

composições e alguns para o grupo controle. É utilizado um corpo de prova de fratura

clássico na literatura (mas ainda altamente pesquisado), chamado disco brasileiro, adequado

para utilização em materiais como o concreto, que possuem baixa resistência à tração e alta

resistência à compressão, além de ser fácil sua fabricação pelo processo de moldagem, que

é a forma como argamassas poliméricas são fabricadas. Este corpo de prova é adequado,

pois permite que qualquer combinação de carregamento de fratura em modo I, II ou modo

misto I+II seja aplicado variando apenas o ângulo de inclinação de trinca. Como resultado

foi observado que a adição de 1% em massa de fibras de vidro aumenta a tenacidade à

fratura de argamassas poliméricas baseadas em epóxi, na ordem de 20%; borras de piaçava

(1% em massa) aumenta a tenacidade à fratura na ordem de 10%; e a adição de embalagens

cartonadas assépticas (1% a 3% em massa) implica em diminuição na tenacidade à fratura

da argamassa polimérica.

Palavras chaves: Argamassa polimérica, embalagens cartonadas, piaçava, fratura em modo-

misto, compósito polimérico.

Abstract

The present work is dedicated to the study of the fracture of reinforced polymer mortars.

Non-conventional materials such as aseptic cartons, piassava lees and glass fibers are used

as a second aggregate in addition to sand in the polymer mortars. In order to analyze the

effect of inclusion of these alternate aggregates on the fracture properties of mortar, several

fracture test specimens are manufactured for these compositions and some for the control

group. The specimen used is a classic fracture test specimen (though still highly researched)

called Brazilian disc, it is well suited for use in rock-like materials, such as concrete, that

possess low tensile strength and high compressive strength, besides, their manufacturing is

easy when using a molding process, which is how polymer mortars are manufactured. This

specimen is adequate, because it allows for any combination of fracture loads of mode I and

II, or mixed mode I+II to be applied varying only the crack inclination angle. Results show

that the addition of 1% weight of glass fibers increases the fracture toughness of polymer

mortar based on epoxy, in the order of 20%; piassava lees (1% weight) increase the fracture

toughness in the order of 10%; and the addition of aseptic cartons (1% to 3% weight)

results in decrease of fracture toughness of polymer mortar.

Keywords: Polymer mortar, cartons, piassava, mixed-mode fracture, polymeric composite.

SUMÁRIO

Lista de Figuras ....................................................................................................................... i

Lista de Tabelas ..................................................................................................................... iii

Lista de Símbolos .................................................................................................................. iv

Capítulo 1. Introdução ........................................................................................................ 1

Capítulo 2. Revisão Bibliográfica ....................................................................................... 7

2.1. Conceitos básicos sobre polímeros e sua classificação: ............................................. 7

2.2. Resina Epóxi: ............................................................................................................ 12

2.3. Compósitos: .............................................................................................................. 19

2.3.1. Vantagens dos materiais compósitos: ............................................................... 20

2.3.2. Tipos e classificação de materiais compósitos: ................................................. 21

2.4. Argamassas e concretos contendo polímeros: .......................................................... 23

2.4.1 Constituintes das argamassas poliméricas ......................................................... 26

2.4.2. Tipos de argamassas e concretos contendo polímeros: ..................................... 29

2.5. Compósitos poliméricos reforçados por fibras: ........................................................ 36

2.6. Fibras de piaçava ...................................................................................................... 41

2.7. Embalagens cartonadas longa vida ou assépticas ..................................................... 45

2.8. Fibras de vidro .......................................................................................................... 52

2.9. Mecânica da fratura de compósitos poliméricos: ..................................................... 56

Capítulo 3. Materiais e Métodos ...................................................................................... 64

3.1. Materiais ................................................................................................................... 64

3.1.1. Resina Epóxi ..................................................................................................... 64

3.1.2. Agregado ........................................................................................................... 65

3.1.3. Borras de Piaçava .............................................................................................. 66

3.1.4. Fibras de Vidro .................................................................................................. 66

3.1.5. Embalagens cartonadas longa vida ................................................................... 67

3.1.6. Composições ..................................................................................................... 67

3.2. Métodos .................................................................................................................... 69

3.2.1- Corpo de prova de fratura disco brasileiro com trinca central passante ........... 69

3.2.2. Domínio de validade da solução de Dong et al [73] ......................................... 72

3.2.3. Amostras ........................................................................................................... 73

Capítulo 4. Resultados ....................................................................................................... 75

Capítulo 5. Conclusões ...................................................................................................... 83

Capítulo 6. Referências Bibliográficas............................................................................. 85

Apêndice 1. Trabalho publicado nos anais do COBEM 2015 ....................................... 95

Apêndice 2. Artigo publicado ......................................................................................... 104

i

Lista de Figuras

Figura 1 – Cadeias macromoleculares em homopolímeros e copolímeros. ........................... 9

Figura 2 – Formas isoméricas de encadeamento molecular. ................................................ 10

Figura 3 – Fórmula estrutural do grupo reativo epóxido. ..................................................... 12

Figura 4 – A cura de resinas epóxi. ...................................................................................... 14

Figura 5 – Diagrama transição-tempo-temperatura simplificado. ........................................ 15

Figura 6 – Reação química da formação da molécula de digicidil éter de bisfenol A, a partir

da epicloridrina e do bisfenol A. .......................................................................................... 16

Figura 7 – Fórmula geral das resinas formadas pela reação entre diglicidil éter de bisfenol

A e bisfenol A. ...................................................................................................................... 17

Figura 8 - Classificação dos tipos de concreto contendo polímeros. .................................... 25

Figura 9 – Padrão de deformação da matriz que está envolvendo a fibra quando o

compósito está sob aplicação de tensão. ............................................................................... 38

Figura 10 – Componentes estruturais de uma fibra vegetal. ................................................ 43

Figura 11 – Camadas da embalagem asséptica Tetra Brik fabricada pela Tetra Pak. .......... 47

Figura 12 - Esquemática de um típico processo roll-fed. ..................................................... 49

Figura 13 - Modos de propagação de trinca. ........................................................................ 56

Figura 14 – Mecanismos de falha em compósitos reforçados por fibras. ............................ 58

Figura 15 – Diagrama do carregamento em modo misto. .................................................... 62

Figura 16 – Espécimes de argamassa polimérica com adição de:

(a) 1% em massa de embalagens cartonadas longa vida. .....................................................68

(b) 2% em massa de embalagens cartonadas longa vida. .....................................................68

(c) 3% em massa de embalagens cartonadas longa vida. .....................................................68

(d) 1% em massa de borras de piaçava. ................................................................................ 68

ii

Figura 17 – Corpo de prova de fratura disco brasileiro com trinca central passante feito de

argamassa polimérica, ainda no molde. ................................................................................ 69

Figura 18 –

(a) Setup experimental do corpo de prova na máquina. .......................................................71

(b) Corpo de prova com marcação de ângulo de inclinação de trinca 20º. .......................... 71

Figura 19 – Curvas Carga versus Deslocamento típicas para argamassa polimérica

reforçada com:

(a) Borras de piaçava (1% em massa). .................................................................................76

(b) Fibra de vidro (1% em massa). .......................................................................................76

(c) Embalagens cartonadas longa vida (1% em massa). ......................................................76

(d) Embalagens cartonadas longa vida (2% em massa). ...................................................... 76

Figura 20 – Curvas Carga versus Deslocamento típicas para argamassa polimérica

reforçada com:

(e) Embalagens cartonadas longa vida (3% em massa). ....................................................... 77

Figura 21 – Carga de propagação versus Composição (indicada pelo agregado secundário)

para argamassa polimérica pura versus:

(a) Argamassa polimérica com adição de embalagens cartonadas longa vida de 1% a 3%

em massa. .............................................................................................................................78

(b) Argamassa polimérica com adição de três diferentes agregados secundários 1% em

massa. ................................................................................................................................... 78

Figura 22 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para composições com

embalagens cartonadas longa vida de 1% a 3% em massa................................................... 79

Figura 23 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para composições com

embalagens cartonadas longa vida, borras de piaçava e fibras de vidro. ............................. 80

iii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Estimativas da produção global de cimento. ........................................................ 1

Tabela 2 – Propriedades mecânicas de algumas fibras vegetais. ......................................... 42

Tabela 3 – Comparação de propriedades das fibras de vidro tipo E-Glass e S-Glass. ......... 52

Tabela 4 – Composição química das fibras de vidro E-Glass e S-Glass. ............................. 53

Tabela 5 – Propriedades da resina epóxi. ............................................................................. 65

Tabela 6 – Composições de argamassa polimérica fabricadas. ............................................ 67

Tabela 7 – Dimensões do corpo de prova............................................................................. 70

Tabela 8 – Número de amostras por argamassa polimérica e ângulo de inclinação de trinca

.............................................................................................................................................. 74

Tabela 9 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para todas as composições. .... 81

iv

Lista de Símbolos

a – Metade do comprimento de trinca do disco brasileiro

R – Raio do disco brasileiro

B – Espessura do disco brasileiro

θ – Ângulo de inclinação de trinca

P – Carga compressiva

KI – Fator de intensidade de tensão de modo I

KII - Fator de intensidade de tensão de modo II

PPROP – Carga de propagação

KIPROP - Fator de intensidade de tensão de propagação de modo I

KIIPROP - Fator de intensidade de tensão de propagação de modo II

KIC – Fator de intensidade de tensão crítico em modo I puro

α – Comprimento relativo de trinca

θc – Ângulo crítico de inclinação de trinca

Aji – Coeficientes da expansão em série de KI e KII. (j=1,2; i=1,2,...,n)

fji – Coeficientes da expansão em série de KI e KII. (j=1,2; i=1,2,...,n)

c11, c12, c21, c22 – Parâmetros da expressão de fji

!! – Operador matemático duplo fatorial

1

Capítulo 1.

Introdução

Os dois principais materiais estruturais utilizados na construção civil são: Cimento e

Aço; de acordo com Fischedick et al [1], nos últimos 40 anos, a produção destes dois

materiais tem aumentado continuamente.

A tabela 1 apresenta estimativas da produção global de cimento apresentadas por

várias fontes ao longo dos anos.

Tabela 1 – Estimativas da produção global de cimento.

Referência Ano Quantidade (Bt)

Chatuverdi (2001) [2] 2000 Mais de 1.6

WBCSD-IEA [3] 2006 2.55

Fischedick et al (2014) [1] 2005 2.31

Fischedick et al (2014) [1] 2012 3.4

CEMBUREAU [4] 2014 4.1

U.S. GEOLOGICAL SURVEY [5] 2015 4.3

2

As principais pesquisas realizadas sobre tendências de consumo [1-8] divergem

sobre valores exatos, mas todas preveem aumento na produção mundial de cimento, a

pesquisa mais recente [8] estima que a produção mundial de cimento em 2030 será de cinco

bilhões de toneladas métricas.

Quanto ao impacto ambiental desta produção de cimento, Imbabi, Carrigan e

McKenna [8] estimam que a indústria de cimento seja responsável por 6% de todas as

emissões de gás carbônico produzidas pelo homem. O relatório de Fischedick et al [1]

também demonstra como a indústria de cimento é responsável por uma parcela significativa

das emissões do setor industrial.

Em todo o mundo, busca-se ativamente o desenvolvimento de novos materiais, com

alto desempenho e multifuncionais, que possuam um impacto menor no meio ambiente.

Estudos vêm sendo realizados relativos à fabricação de materiais com propriedades

mecânicas, térmicas e elétricas superiores, a produção de materiais sintéticos utilizando

material reciclado, e a inclusão de descartes de outras indústrias na composição dos

materiais sintéticos, e na utilização de materiais provindos de fontes renováveis.

Os materiais sintéticos podem ser produzidos a baixos custos e suas propriedades

podem ser alteradas até o ponto onde muitas delas são superiores a alguns polímeros

naturais, como borracha, algodão e couro, seda e lã [9-10].

O concreto é um material compósito que consiste de um agregado de partículas que

estão ligadas umas as outras em um corpo sólido através de algum tipo de ligante. O

concreto contém brita, com areia preenchendo os interstícios, enquanto a fase ligante (nos

concretos cimentícios uma pasta de cimento-água) preenche os espaços entre os grãos de

areia. As partículas dos agregados atuam como uma carga para reduzir o custo global do

3

concreto produzido, uma vez que elas são baratas, enquanto o cimento é relativamente caro

[9].

O cimento Portland é uma mistura de silicato de cálcio e aluminato de cálcio que

hidrata na presença de água. O cimento não endurece por secagem, mas sim por uma reação

química de hidratação, que libera uma pequena quantidade de calor para a atmosfera [11].

Segundo Callister [9], a resistência da pasta de cimento e água (fase ligante) já endurecida

estabelece a resistência do concreto, visto que qualquer ruptura ocorrerá entre a areia e/ou

partículas de pedra.

As características do concreto e da argamassa dependem da natureza do agregado,

da natureza da pasta de cimento-água e das quantidades relativas dos dois, além disso, é

importante garantir uma mistura homogênea. Em outras palavras, as propriedades do

concreto e da argamassa são governadas por suas estruturas internas, a exemplo do que

ocorre com qualquer outro material [11-13].

Concreto polimérico é um material compósito onde agregado é unido através de

uma resina ligante polimérica que não contém em sua composição cimento ou água. As

resinas mais utilizadas na formação de concretos poliméricos são epóxi, poliéster e acrílico

[14]. Estas resinas provêm de polímeros orgânicos, e, portanto, em geral, provém do

petróleo e de fontes não renováveis.

Concreto polimérico é um material que possui cura rápida, resistência mecânica

(compressão, flexão e tração) alta, baixa permeabilidade à agua, excelente adesão a

substratos e alta durabilidade quando submetido a meios corrosivos e agressivos. Além de

possuir boa trabalhabilidade e desenvolver a resistência mecânica rapidamente quando

comparada a concretos de cimento Portland [15]. A composição do concreto polimérico é

4

determinada por suas aplicações, e é usado muito eficientemente em componentes pré-

moldados [16].

Deve-se ressaltar que o custo dos polímeros é de 10 até 100 vezes o custo do

cimento Portland, e mesmo considerando que a densidade do cimento é 2.5 vezes maior do

que o polímero, o custo por unidade de volume dos compósitos poliméricos é ainda assim

consideravelmente maior do que o concreto cimentício Portland comum. Assim, de acordo

com Tezuka [17] e Fowler [18], uma das mais fortes tendências das pesquisas em concreto

polimérico visa reduzir o teor de aglomerante, através do proporcionamento dos agregados

e, como consequência, a utilização de um teor de polímero mínimo necessário, deste modo,

reduzindo-se o custo desses materiais.

Várias pesquisas têm sido realizadas utilizando compósitos poliméricos com reforço

fibroso natural. Na tese de Reis [19] e na dissertação de Jurumenha [20], argamassas

poliméricas utilizando resinas sintéticas são reforçadas com fibras sintéticas e naturais,

melhorando as propriedades mecânicas dos compósitos.

O presente trabalho tem como objetivo investigar o efeito de adições de embalagens

cartonadas, borras de piaçava e fibras de vidro, em argamassas poliméricas feitas a partir de

resina epóxi vendidas comercialmente, na fratura em modo I puro e em modo misto I+II.

Foram produzidas amostras de argamassas de matriz polimérica contendo 12% de resina

epóxi, areia de fundição, e um dos componentes acima mencionados em porcentagens que

variaram de 1% a 3% em massa. O tamanho amostral mínimo é n=3.

Os valores de 12% de resina foram escolhidos, pois na etapa inicial da pesquisa se

desejava comparar os resultados obtidos com os fatores de intensidade de tensão calculados

por Nunes, Reis e Mattos [21], argamassas de 12% de epóxi com diversos teores e tipos de

reforço foram manufaturadas e submetidas a ensaio de fratura.

5

O valor de 1% em massa de adição de borras de piaçava foi escolhido, pois no

estudo realizado por Reis e Carneiro [22], descobriu-se que este valor implicava em

melhoria no comportamento à fratura da argamassa, desejava-se verificar como seria o

comportamento em condições de fratura em modo-misto I+II.

O valor de 1% em massa de embalagens cartonadas longa vida foi escolhido em

função de trabalho anterior por Martínez-López et al [23], neste trabalho, partículas de

embalagens cartonadas longa vida foram adicionadas às argamassas de resina poliéster,

concluiu-se que as embalagens cartonadas longa vida não melhoravam a resistência à

compressão ou flexão, porém, frações de 1% em massa também não implicavam em perda

significativa, e se o compósito fosse irradiado com radiação gama, a fratura apresentava um

comportamento mais dúctil do que a argamassa pura.

Todos os testes programados foram realizados numa máquina universal de ensaios

com controle de deslocamento da marca Shimadzu, instalada no campus da Escola de

Engenharia da Universidade Federal Fluminense no Laboratório de Ensaios em Dutos.

Para simular condições de fratura em modo misto I+II, a argamassa polimérica com

adição de aglomerados alternativos foi produzida em moldes no formato do disco brasileiro

com trinca central passante como proposto por Awaji e Sato [24]. Este é um corpo de prova

que originalmente foi desenvolvido para determinação de resistência à tração em materiais

onde o ensaio de tração uniaxial era inadequado, e com algumas modificações em sua

configuração, começou a ser utilizado para determinação dos fatores de intensidade de

tensão de qualquer combinação de fratura em modo misto I+II. Devido as suas origens, a

teoria do disco brasileiro é baseada na Mecânica da Fratura Linear Elástica.

O capítulo dois dessa dissertação é inteiramente dedicado às referências

bibliográficas, tratando dos conceitos básicos de polímeros, resinas epóxi, tipos e

6

classificação de compósitos, tipos de concretos e argamassas de matriz polimérica,

conceitos sobre compósitos reforçados por fibras, fibras de piaçava, embalagens cartonadas

longa vida, fibras de vidro e mecanismos de falha de compósitos fibrosos. O capítulo três

trata dos materiais e métodos utilizados para essa pesquisa, o desenvolvimento das

amostras, as composições exatas dos materiais e de cada corpo de prova e a realização dos

ensaios de fratura. No capítulo quatro, são abordados os resultados obtidos nesse

experimento. Por fim, no capítulo cinco, são apresentadas as conclusões.

7

Capítulo 2.

Revisão Bibliográfica

2.1. Conceitos básicos sobre polímeros e sua classificação:

Polímeros são macromoléculas caracterizadas por seu tamanho, estrutura química e

interações intra e intermoleculares. Possuem unidades químicas ligadas por ligações

covalentes, repetidas regularmente ao longo da cadeia, denominadas meros. Há muita

semelhança entre os conceitos de macromoléculas e o de polímeros, macromoléculas são

moléculas grandes, de elevada massa molecular, o qual decorre de sua complexidade

química, podendo ou não ter unidades químicas repetidas [25].

Todos os polímeros são macromoléculas, porém nem todas as macromoléculas são

polímeros. Na grande maioria dos polímeros industrializados, a massa molecular relativa (à

unidade de massa atômica) se encontra entre 104 u e 106 u; muitos deles são considerados

materiais de engenharia. Em alguns produtos de origem natural, a massa molecular pode

atingir valores muito altos, de 108 u ou mais. Todos os polímeros apresentam longos

segmentos moleculares, de dimensões entre 100 e 100x103 angstrom, os quais propiciam

8

enlaçamentos e emaranhamentos, alterando o espaço vazio entre as cadeias, denominado

volume livre. Com a elevação da temperatura, aumentam os movimentos desses segmentos,

tornando o material mais macio [25].

Monômeros são micromoléculas, que são compostos químicos suscetíveis de reagir

para formar polímeros. A composição centesimal do polímero pode ser quase a mesma dos

monômeros, ou um pouco diferente, dependendo do tipo de reação que promoveu a

interligação dos meros para formar a cadeia polimérica. A reação química que conduz à

formação de polímeros é denominada polimerização. O número de meros na cadeia

polimérica é denominado grau de polimerização. O produto do grau de polimerização e da

massa molecular da unidade monomérica é a massa molecular do polímero [12]. Os

polímeros de baixo peso molecular são denominados oligômeros ou por alguns autores,

telômeros [25].

Os polímeros podem ser classificados pela quantidade de tipos de meros presentes

em sua composição, sendo denominado homopolímero o polímero que possui apenas um

tipo de mero; e copolímero quando possui mais de um tipo de mero. Quando há três ou

mais monômeros na reação, pode-se particularizar este número, usando a expressão

terpolímero, tetrapolímero, etc.

Os copolímeros ainda podem ser classificados de acordo com a disposição das

unidades químicas, sendo copolímeros aleatórios aqueles que não apresentam qualquer

sequenciação, podendo ser ou não copolímeros estatísticos. Quando há perfeita

regularidade de sequenciação, com unidades químicas dispondo-se de forma alternada,

denomina-se copolímero alternado. Quando ao invés de unidades químicas individuais

alternadas, alternam-se sequências de unidades químicas iguais, denomina-se copolímero

em bloco. No caso particular destes blocos existirem como ramificações poliméricas,

9

partindo do esqueleto principal da macromolécula, o copolímero é dito grafitizado ou

enxertado [25]. Na figura 1 podem ser visualizados os tipos de cadeias moleculares em

homopolímeros e copolímeros.

Figura 1 – Cadeias macromoleculares em homopolímeros e copolímeros.

Fonte: Mano e Mendes, p. 5. [25]

O encadeamento da cadeia polimérica por unidades monométricas pode ser feito de

forma regular cabeça-cauda, ou na forma cabeça-cabeça, cauda-cauda, ou mista, ilustrado

na figura 2. Quanto à configuração dos átomos da cadeia, podem ser classificados em cis e

trans, formando polímeros isômeros cis ou trans [25].

10

Figura 2 – Formas isoméricas de encadeamento molecular.

Fonte: Mano e Mendes, p. 6. [25]

Polímeros também podem ser classificados de acordo com sua taticidade, que

representa o grau de ordem configuracional em uma cadeia polimérica com regularidade

constitucional. Podem surgir três casos: Polímeros isotáticos: todos os átomos de carbono

gerados têm a mesma configuração; Polímeros sindiotáticos: existe alternância de

configuração; Polímeros atáticos ou heterotáticos: não possuem qualquer ordem, dispondo-

se as configurações ao acaso. Os polímeros podem ter suas cadeias sem ramificações,

denominados polímeros lineares. Podem apresentar ramificações, denominados polímeros

ramificados. Podem exibir cadeias com ligações cruzadas, formando polímeros reticulados

[25].

Polímeros podem ser classificados de acordo com o método de preparação:

polímeros de adição e polímeros de condensação, no primeiro caso ocorrendo uma reação

de adição sem subprodutos, e no segundo gerando pequenas moléculas na reação, como

ácido clorídrico (HCl), água (H2O) e cloreto de potássio (KCl).

11

Através das características de fusibilidade e/ou solubilidade, os polímeros podem

ser classificados como termoplásticos ou termorrígidos. Polímeros termoplásticos fundem

por aquecimento e solidificam por resfriamento, em um processo reversível. Os polímeros

lineares e ramificados pertencem a esse grupo. Esses polímeros também podem ser

dissolvidos em solventes adequados. Polímeros termorrígidos, por aquecimento ou outra

forma de tratamento, assumem estrutura reticulada, com ligações cruzadas, tornando-se

infusíveis.

Quanto à sua resistência mecânica, polímeros podem ser agrupados em três classes:

borrachas ou elastômeros, plásticos e fibras. Quanto à escala de fabricação, é frequente

encontrar as expressões plásticos commodities, que representam a maior parte da produção

total de plásticos no mundo, compreendendo polietileno, polipropileno, poliestireno, etc., e

plásticos de especialidade, como por exemplo o poli(óxido de metileno), o poli(cloreto de

vinilideno), etc [13].

Do ponto de vista de aplicação, os plásticos podem ser divididos em dois grandes

grupos: plásticos de uso geral e plásticos de engenharia. Os plásticos de uso geral podem

ser divididos em termoplásticos e termorrígidos. Os plásticos de engenharia podem ser

divididos em plásticos de engenharia de uso geral e plásticos de engenharia de uso especial

[13].

12

2.2. Resina Epóxi:

Resinas epóxi são polímeros termorrígidos sintéticos formados por cadeias lineares

e estruturas oligoméricas reativas que posteriormente se polimerizam por uma reação

química irreversível e não podem ser reconstruídas por fusão ou reprocessamento.

As resinas epóxi formam um grupo de materiais que se tornou mais frequentemente

utilizado na engenharia civil e industrial. No começo ela era usada como adesivo, mas

graças a suas excelentes propriedades se tornou um verdadeiro material de construção,

incluindo uso em aplicações como revestimento de superfícies, reforços, reparos e

inumeráveis outras aplicações ainda em desenvolvimento, como resinas reativas para

concreto polimérico. Seu maior inconveniente é seu preço alto.

O termo resina epóxi é aplicado indistinguivelmente ao pré-polímero e a resina

curada; o primeiro contém grupos epóxido como centros de reatividade principais, e o

segundo se trata da resina curada e vitrificada propriamente dita. A figura 3 ilustra a

fórmula estrutural geral do grupo reativo epóxido.

Figura 3 – Fórmula estrutural do grupo reativo epóxido.

R representa um radical qualquer.

Existem trabalhos de sínteses de compostos que poderiam ser considerados epóxis

tão cedo como em 1891, as primeiras resinas epóxi comerciais surgiram na década de 40,

através dos trabalhos de Pierre Castan e Sylvan Greenlee. As primeiras resinas eram

13

produtos da reação de epicloridrina e bisfenol A, até hoje esta é a principal rota de síntese

de pré-polímeros epóxi [26].

A cura de sistemas epóxi envolve a formação de uma rede tridimensional rígida por

reação com endurecedores que têm mais do que dois grupos funcionais reativos, também

expressados pelo parâmetro funcionalidade, f>2. Normalmente f≥4 para endurecedores para

resinas de bisfenol A que normalmente têm uma funcionalidade efetiva de 2, mas pode

aumentar quando a temperatura de cura é suficientemente alta para que os grupos hidroxila

secundários reajam [26].

A cura de resinas epóxi é complicada e é útil visualizar o processo em várias fases,

ilustradas na figura 4, exceto a fase de gelificação, o processo é contínuo. Inicialmente há a

reação entre grupos reativos epóxi e do endurecedor formando moléculas mais largas. À

medida que a cura segue, moléculas mais largas vão se formando, mas o peso molecular

médio ainda é pequeno quando metade dos centros reacionais já reagiu. Quando o peso

molecular aumenta, estruturas altamente ramificadas são formadas e desenvolvem cada vez

mais ramificação. O ponto crítico é a gelificação, quando as estruturas ramificadas se

estendem por toda a amostra. Antes da gelificação a amostra é solúvel em solventes

adequados, mas após o ponto de gel a rede não vai se dissolver, mas incha à medida que

adquire solvente. No ponto de gel ainda existem moléculas ramificadas pequenas, então a

amostra contém soluto além de gel. O gel formado é fraco e pode facilmente ser rompido.

Para produzir um material estrutural, a cura tem que continuar até que a maior parte da

amostra esteja conectada em uma rede tridimensional de tal forma que a fração de soluto se

torna pequena e para vários produtos curados é essencialmente zero.

14

Onde a variável Xe representa a extensão da reação:

Xe =E0 − E(tc)

E0

E0 é a concentração inicial de grupos epóxi e E(tc) é a sua concentração no tempo de cura

tc. Tc é a temperatura de cura, 𝑤𝑠 é a fração de moléculas solúveis, 𝑤𝑔é a fração de gel (ou

da rede reticulada).

Figura 4 – A cura de resinas epóxi.

Fonte: Adaptada de Ellis, p. 5. [26]

À medida que a cura avança ocorrem grandes mudanças nas propriedades da resina

epóxi. Inicialmente a mistura resina-endurecedor é fluida e finalmente um sólido elástico é

produzido. A temperatura de transição vítrea (𝑇𝑔) da resina curando aumenta à medida que

15

a cura segue e estas mudanças podem ser representadas em um diagrama de transição

tempo-temperatura (TTT), introduzido por Gillham (1986). A figura 5 é uma versão

simplificada que ilustra o efeito dominante no momento da vitrificação à medida que 𝑇𝑔

aumenta até a temperatura de cura (𝑇𝑐).

Figura 5 – Diagrama transição-tempo-temperatura simplificado.

Fonte: Adaptada de Ellis, p. 6 [26].

Tgo é a temperatura de transição vítrea da mistura pré-polímero-endurecedor-

aditivo. Para Tc < Tgo a mistura é vidro 1 e não há reação dos grupos epóxi. Para vidro 2 a

16

resina vitrifica antes da gelificação. Para vidro 3 a Tg aumenta com o aumento da estrutura

reticulada da rede. Tg∞ é a temperatura de transição vítrea limite para o qual a concentração

de radicais epóxi é zero.

Para temperatura de cura Tc bem acima de Tg, a taxa de reação entre os grupos

reativos epóxi e do endurecedor é controlada cinético-quimicamente. Quando ∆T = Tc − Tg

se torna pequeno, as reações de cura são controladas por difusão, e eventualmente vão

desacelerar e finalmente parar. Para produtos em que é necessário garantir uma reação

completa de todos os grupos epóxi é prática comum pós-curar a resina em temperaturas

elevadas.

O pré-polímero utilizado neste trabalho é o diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA),

este pré-polímero é produzido através da reação do bisfenol A e da epicloridrina.

A reação pode ser representada formalmente pela figura 6.

Figura 6 – Reação química da formação da molécula de digicidil éter de bisfenol A, a partir

da epicloridrina e do bisfenol A.

Fonte: Adaptada de Ellis, p. 18 [26].

17

É óbvio que a molécula diglicidil éter de bisfenol A reagirá com bisfenol A e assim

por diante, formando resinas de peso molecular maior, e pode ser representada pela fórmula

geral da figura 7.

Figura 7 – Fórmula geral das resinas formadas pela reação entre diglicidil éter de bisfenol

A e bisfenol A.

Fonte: Ellis, p. 29 [26].

Para converter resinas epóxi em termorrígidos duros, infusíveis, é necessário usar

agentes de reticulação. Estes reticuladores, endurecedores ou agentes de cura são

amplamente conhecidos, promovem reticulação ou cura de resinas epóxi. A cura pode

ocorrer por homopolimerização iniciada por um agente catalisador de cura ou por uma

reação de poliadição/copolimerização com um agente de cura multifuncional.

Algumas das aminas alifáticas que podem ser usadas como agentes de cura são

etilenoaminas, poliamidas, poliamidoaminas, imidazolinas, adutos com materiais

funcionais epóxi, bases Mannich, sais de associação, ketiminas e adutos de acrilonitrilas,

propilenaminas, altas alquilenaminas, diaminas graxas, poliéteraminas, aminas aralifáticas,

aminas alicíclicas, aminas poliméricas, diciandiaminas e biguanidas [26].

A resina epóxi pode ser definida pela sua viscosidade e seu equivalente epóxi, que

indica o número de gramas de resina que contém o equivalente a um grama de grupos

epóxi. Assim, resinas com alta proporção de grupo epóxi são mais fluídas do que aquelas

que contêm grupos atômicos pesados. Ou seja, dependendo do tamanho e complexidade das

18

moléculas, as resinas epóxis podem ser desde um fluído viscoso até um sólido com elevado

ponto de fusão.

De acordo com Tezuka [10;17;27], as resinas epóxis fluídas e epóxis alifáticos são

comercialmente pouco utilizadas. Já as resinas epóxis aromáticas sólidas possuem baixo

custo e são amplamente usadas na forma de solução ou pó. Entre esses extremos há os

epóxis aromáticos líquidos que são os mais utilizados em trabalhos de engenharia. Os

epóxis aromáticos líquidos variam desde xaropes de cor clara que podem ser misturados ou

espalhados facilmente, até aos que apresentam grande viscosidade e que precisam ser

diluídos para serem aplicados satisfatoriamente.

De acordo com Silva Filho e Garcez [28], as resinas de base epóxi são muito

utilizadas na formação de compósitos da construção civil, pelas suas consideráveis

resistências mecânicas e elétricas, grande adesividade, elevada rigidez e resistência a

ambientes agressivos, bem como a possibilidade de cura em temperatura ambiente.

A resina epóxi é uma resina de custo elevado e é suscetível a altas temperaturas. É

classificada como um polímero termorrígido e pode ser usada para aplicação estrutural ou

como adesivo. Dentre suas principais características, destacam-se: alto módulo de

elasticidade, boa resistência química, processamento simples e resistência térmica.

Entretanto, para algumas aplicações, essa resina apresenta uma baixa resistência à fratura.

Após a cura, as resinas epóxis apresentam pequena contração, em média na ordem de 2%.

Tal comportamento indica que esse polímero cura com um baixo grau de rearranjo

molecular. Quanto à estabilidade química, o epóxi é um dos termorrígidos mais inertes e

possui boa estabilidade dimensional em suas aplicações. [29]

19

2.3. Compósitos:

Compósito é um material estrutural que consiste em dois ou mais constituintes

combinados em nível macroscópico e que não são solúveis entre si. A diferença para ligas

metálicas, por exemplo, é que no material compósito em geral os constituintes podem ser

identificados individualmente a olho nu (macroscopicamente). A principal vantagem dos

materiais compósitos é que, se bem projetados, eles fornecem as melhores qualidades de

seus constituintes, e muitas vezes qualidades que não estariam presentes no constituinte

individual [30-31].

Um constituinte é chamado de fase de reforço e o outro de matriz. A fase de reforço

pode ser em forma de fibras, partículas ou flakes. A matriz geralmente é contínua [30].

Compósitos tem uma longa história de uso. Seu inicio preciso é desconhecido, mas

toda a história gravada contém referências a alguma forma de material compósito. Por

exemplo, palha era usada pelos antigos Israelitas para fortalecer blocos de argila. Além

disso, diversos compósitos são produzidos pela natureza, o principal compósito natural que

temos contato é a madeira, que consiste em fibras de celulose com uma fase lignina

constituindo a matriz. Enquanto as fibras de celulose fornecem a resistência à tração, com a

desvantagem de ser flexível, a lignina protege as fibras e fornece rigidez ao material.

O emprego deste tipo de material é muito amplo. Pode-se destacar o uso de

compósito na indústria aeronáutica, aeroespacial, marítima, automotiva, equipamentos

esportivos, infraestrutura, construção civil, dentre outras.

20

2.3.1. Vantagens dos materiais compósitos:

Algumas das propriedades que podem ser melhoradas formando um material

compósito são:

“Resistência Mecânica

Rigidez

Resistência à Corrosão

Resistência à Abrasão

Atratividade

Peso

Vida em fadiga

Comportamento dependente da temperatura

Isolamento térmico

Condutividade térmica

Isolamento acústico” [30]

Naturalmente, nem todas estas propriedades são melhoradas ao mesmo tempo nem

existe nenhum requisito para que seja assim. Na verdade, algumas das propriedades entram

em conflito umas com as outras, ex. isolamento térmico versus condutividade térmica. O

objetivo é meramente criar um material que tem apenas as características necessárias para

realizar a sua função no projeto [30].

21

2.3.2. Tipos e classificação de materiais compósitos:

Na maioria dos compósitos uma fase (material) é contínua e é chamada de matriz, a

segunda fase, descontínua, é chamada de reforço, em alguns casos a fase reforço é

denominada enchimento (em inglês “filler”), em geral quando a utilidade principal é

redução do custo total do compósito.

Compósitos podem ser classificados baseados na geometria da fase reforço. Dessa

forma, surgem as seguintes classificações [31]:

Compósitos particulados: Consistem de partículas imersas em matrizes como ligas

ou cerâmicas. Estes compósitos são normalmente isotrópicos. Apresentam

vantagens como melhoria na resistência mecânica, temperatura de operação,

resistência à oxidação, etc. Exemplos incluem o uso de partículas de alumínio em

borrachas; partículas de carbeto de sílica em alumínio; e brita, areia e cimento para

produzir concreto.

Compósitos flakes: Consistem em reforços bidimensionais. Os materiais típicos

usados para produção de flakes são vidro, mica, alumínio e prata. Compósitos flakes

provém vantagens como alto módulo de resistência à flexão, resistência mecânica e

baixo custo. Mas orientar os flakes na direção desejada durante a fabricação é difícil

e o número de materiais disponíveis é limitado.

Compósitos fibrosos: Consistem de matrizes reforçadas por fibras longas ou curtas.

As fibras são anisotrópicas e incluem vidro, carbono e aramidas. Exemplos de

matrizes são: epóxi, metais como alumínio, etc.

22

Nanocompósitos: Consistem em materiais na escala nanométrica. Considera-se

como nanocompósito o material com constituintes menores do que 100 nm. As

propriedades dos materiais na escala nanométrica são geralmente melhores do que

as dos compósitos fibrosos.

Entre os compósitos fibrosos, existem subdivisões baseadas na geometria e

distribuição da fase reforço [9].

Se o reforço fibroso consistir de cristais únicos em formato de agulha, são chamados

compósitos reforçados com whiskers; se forem utilizados pedaços cortados de filamento

contínuo, é um compósito reforçado com fibras cortadas; e se a fibra for contínua,

denomina-se compósito reforçado com fibras contínuas.

Para o tipo de compósito reforçado com fibras contínuas, ou seja, compósito

fibroso, ainda há uma subdivisão desta categoria. Se as fibras estão alinhadas em uma

direção, é um compósito uniaxial; se estão empilhadas em camadas, é um compósito

laminar; se for um arranjo tridimensional, é um compósito 3D trançado. Compósitos

laminados e trançados ainda podem ser divididos pelo tipo de trança utilizada pela fibra

[9;32].

Outra forma de categorização é baseada no tipo de matriz. Isso traz as categorias

[9]:

Compósito com Matriz Metálica, em inglês “Metal Matrix Composite” (MMC): As

principais características destes compósitos são alta dureza, resistência a altas

temperaturas e tolerância dimensional precisa. A matriz metálica oferece

ductilidade evitando que ocorra falha catastrófica como ocorreria se o material

fosse puramente cerâmico.

23

Compósito com Matriz Polimérica, em inglês “Polymer Matrix Composite”

(PMC): estes são os mais comuns, podem ser reforçados com fibras de vidro, de

carbono e aramidas. Em geral as fibras são utilizadas para melhoria de

propriedades mecânicas.

Compósito com Matriz Cerâmica, em inglês “Ceramic Matrix Composite” (CMC):

Nestes compósitos, a principal utilização do reforço é para prevenir falha

catastrófica e tornar a fratura mais previsível, além de fornecer alguma resistência

mecânica [32].

Jones [30] nos fornece uma classificação mais generalista, em quatro tipos de

materiais compósitos:

Materiais compósitos fibrosos que consistem em fibras numa matriz

Materiais compósitos laminados que consistem em camadas de vários materiais

Materiais compósitos particulados compostos de partículas em uma matriz

Combinações de alguns ou de todos os três tipos

2.4. Argamassas e concretos contendo polímeros:

De acordo com Ohama [33], compósitos concreto-polímero são materiais

produzidos substituindo parte ou todo o aglomerante cimento Portland hidratado do

concreto ou argamassa convencional por polímeros, e fortalecendo o aglomerante

cimentício com polímeros. A argamassa polimérica difere-se do concreto polimérico pelo

tipo da areia, onde o tamanho dos grãos de areia utilizados na argamassa é muito menor do

24

que o tamanho dos grãos utilizados no concreto. Além disso, utiliza-se brita na composição

do concreto, ao passo que na argamassa não.

Em geral, os compostos de concreto polimérico estão classificados pelos princípios

de seus processos tecnológicos, em três categorias:

Argamassa modificada por polímero (AMP), e concreto modificado por polímero

(CMP), substitui-se parte do aglomerante cimentício por polímeros;

Argamassa polimérica (AP) e concreto polimérico (CP), nestes ocorre a substituição

de todo aglomerante de cimento por polímeros;

Argamassa impregnada por polímero (AIP) e concreto impregnado por polímero

(CIP), nesta categoria o concreto de cimento Portland hidratado recebe a difusão de

monômeros em seus poros.

A figura 8 apresenta a classificação dos tipos de concreto contendo polímeros.

25

Figura 8 - Classificação dos tipos de concreto contendo polímeros.

Fonte: Adaptado de Ohama, p. 32. [33]

Concretos contendo polímeros

Matriz

Aglomerante Inorgânico

Cimento hidratado

Cimento Inorgânico

Concreto de cimento

Aglomerante inorgânico e orgânico

Cimento hidratado e polímero

Cimento inorgânico

Mistura de Polímero

Concreto Modificado

por Polímero (CMP)

Argamassa Modificada

por Polímero (AMP)

Cimento inorgânico

Impregnante polimérico

Concreto Impregnado por Polímero

(CIP)

Argamassa Impregnada por Polímero

(AIP)

Aglomerante orgânico

Polímero

Resina líquida

Concreto Polimérico

(CP)

Argamassa Polimérica

(AP)

Agregado

Poros (ar) Agregado

Agregado graúdo

Cascalho

Pedra britada

Agregado miúdo

Areia

Enchimento

Cinza Volante

Cálcio

26

2.4.1 Constituintes das argamassas poliméricas

a) Agregados

De acordo com Reis [19], agregados são importantes na produção de concreto

polimérico. Determinam a retração do produto final e as propriedades mecânicas. Uma

seleção adequada do agregado vai influenciar a trabalhabilidade, resistência e durabilidade

do material. Uma pequena mudança no conteúdo de agregado pode mudar

significativamente as propriedades finais do compósito.

Em geral, podem ser utilizados os mesmos agregados no concreto Portland e

polimérico, a principal diferença é a limpeza e secagem dos agregantes, como

procedimento essencial na fabricação de argamassas poliméricas [19]. Além disso, deve-se

dar uma importância especial à gradação dos agregados de forma a minimizar os vazios, e

consequentemente a quantidade de resina necessária [34].

Agregados influenciam na estabilidade dimensional, módulo de elasticidade,

durabilidade, operacionalidade e no custo final das argamassas poliméricas. Quanto ao

tamanho dos grãos, os agregados podem ser classificados em dois grupos [19]:

Agregados finos (areia) – tamanho de grão de 75 μm até 4.5 mm.

Agregados grossos – tamanho de grão de 4.5 mm a 50 mm.

Agregados podem ser obtidos por meio de dois tipos de processos:

Processo natural – jateamento e abrasão.

Processo artificial – trituramento

27

Desses processos, o agregado ainda pode ser classificado em mais três tipos

diferentes [19]:

Brita ou agregado mineral manufaturado

o Camadas de rochas extraídas através de trituração para reduzir até o

tamanho desejado e dividi-los em grupos de acordo com o tamanho.

o Calcário e dolomita (duro para dúctil)

o Granito (duro)

o Arenito (dúctil)

Massa normal

o Cascalho, areia, brita comum – Densidade variando de 1520 a 1680 kg/m3, o

mais comumente usado.

Massa leve

o Manufaturado ou natural – Densidade menor do que 1120 kg/m3, muitos

devem ser rastreados para obter a distribuição de tamanho desejado e alguns

podem ser triturados.

As rochas ainda podem ser classificadas de acordo com a sua origem em três

grandes grupos: [19]

Agregados naturais minerais – cascalho, areia e brita derivados de fontes naturais.

o Rocha ígnea – Formada no resfriamento do magma (rocha derretida);

granito, basalto – Possui elevada dureza e alta resistência, atuando como um

excelente agregado.

o Rocha sedimentar - Rochas estratificadas. Ex: Calcário, arenito.

28

o Rochas metamórficas – Rochas ígneas ou sedimentares que foram alteradas

de sua textura original, estrutura cristalina, ou composição mineralógica

devido à condição física e química abaixo da superfície da terra. Ex:

Mármore, xisto, ardósia.

Agregados sintéticos

o Materiais processados termicamente, como argilas e xistos expandidos.

o Agregados feitos de subprodutos industriais, ou seja, escória de alto-forno e

cinzas volantes.

Agregados reciclados

o Feitos a partir de resíduos urbanos e de concreto reciclado de construções

demolidas e calçadas. Contudo apresentam alguns problemas, como o custo

de britagem, classificação, controle de poeira, e separação de componentes

indesejáveis.

Estas classificações mineralógicas ajudam no reconhecimento das propriedades dos

agregados. As propriedades dos agregados dependem das propriedades da rocha base, como

composições químicas e mineralógicas, características petrológicas, massa específica,

dentre outras. Porém há algumas propriedades da rocha mãe que não influenciam nas

propriedades dos agregados, como no caso do tamanho e forma das partículas, textura e

absorção superficial.

Os agregados também influenciam em todas as propriedades mecânicas do concreto

polimérico, particularmente na resistência através da composição granulométrica e a

resistência da ligação entre agregado e ligante.

A resistência da ligação entre agregado e ligante é um importante fator nas

argamassas poliméricas. Propriedades como resistência à flexão e compressão,

29

permeabilidade, resistência ao congelamento e descongelamento e fluência serão afetados

pela resistência da ligação entre o agregado e ligante.

Quanto menos rugoso a área do agregado, maior é a área em contato com o ligante,

assim mais resistente a argamassa polimérica será. Deste modo, a superfície do agregado

deve ser limpa e livre de partículas aderentes. Os agregados devem ser secos antes de serem

misturados na resina. Este é um aspecto muito importante de fabricação devido à inibição

do potencial da resina na presença de umidade.

b) Aglomerante

Argamassa polimérica é um compósito que possui um material de enchimento

mineral, como agregado de pedra, brita e cascalho descritos na seção anterior; juntamente

com um aglomerante polimérico que pode ser uma resina termoplástica, mas na maioria das

vezes é termorrígida. Termoplásticos e termorrígidos são as principais classes de plásticos,

que podem ser encontradas facilmente no mercado com uma grande variedade de

propriedades variando conforme o uso.

2.4.2. Tipos de argamassas e concretos contendo polímeros:

Para melhorar o desempenho das argamassas e concretos contendo cimento Portland

em diversas propriedades, como resistência mecânica, a abrasão, a retração e a capacidade

de absorção de energia, é comum a adição de polímeros.

30

Argamassas e concretos poliméricos estão disponíveis em vários formatos, a área de

concretos contendo polímeros está em franca expansão. Diferentes tipos de concretos estão

disponíveis:

a) Concreto impregnado por polímeros (CIP):

O concreto impregnado por polímeros ficou amplamente conhecido no mundo

acadêmico graças a pesquisas realizadas no laboratório nacional Brookhaven e no Bureau

of Reclamation nos Estados Unidos, na década de 1960, embora alguns pesquisadores da

antiga União Soviética afirmassem que os inventaram anteriormente [18].

De acordo com Tezuka [10], o concreto impregnado por polímero é um pré-

moldado de concreto de cimento hidratado e curado, o qual foi impregnado com um

monômero de baixa viscosidade que polimeriza por radiação ou catálise térmica.

Concreto impregnado por polímeros é produzido impregnando concreto (ou

argamassa) cimentício endurecido com um monômero de baixa viscosidade, usualmente

metil metacrilato, posteriormente polimerizado por radiação ou técnicas de catalisação

térmica.

Tipicamente desenvolve propriedades de resistência à compressão três a quatro

vezes maiores comparadas ao concreto convencional, isto é, sem impregnação de polímero,

possui aumentos correspondentes na resistência à tração e a flexão, abrasão, excelente

durabilidade, particularmente em relação a ciclos de gelo e degelo e resistência a meios

ácidos [35]. O módulo de elasticidade é de 1.5 a 2 vezes o módulo de elasticidade do

concreto normal, apesar do módulo de elasticidade do polímero não ser mais de 10% maior

do que o módulo do concreto normal.

31

Tezuka [10] afirma que a absorção da água é reduzida em até 99% em relação ao

concreto comum. Por se tratar de um compósito de alta resistência mecânica e com grande

resistência a meios agressivos e abrasivos, este material pode ser aplicado em dormentes

para estradas de ferro, tubulações de esgoto, pavimentação de pontes e fábricas,

flutuadores, piscinas, tanques de armazenagem para água do mar, dentre outros.

O processo produtivo do concreto impregnado por polímero consiste basicamente

na secagem e cura do concreto de cimento Portland no seu método convencional, em

seguida a remoção a vácuo do ar nos poros da superfície do produto para posterior injeção

de monômeros de baixa viscosidade. Tais são polimerizados por meio de radiação, calor ou

iniciação química, resultando na formação de uma segunda matriz, se os poros forem

interconectados através do material [36]. O processo de impregnação do concreto pode ser

completo ou parcial. Segundo Gorninski [37], a impregnação completa consiste em quatro

etapas: secagem, remoção de ar aprisionado no concreto, saturação com o monômero e

impermeabilização final do compósito.

A secagem do concreto, neste caso, determina a quantidade de água livre que ocupa

os vazios incorporados, os quais serão preenchidos pelos monômeros. Assim, a secagem

deve ser realizada através da indução com calor ou por vácuo afim de que a água seja

removida. Além disso, também é importante a remoção do ar incorporado, pois isso pode

ampliar a eficiência da penetração do monômero. Isso é explicado pelo o fato de que este ar

pode reduzir a sua velocidade de penetração, prejudicando a saturação de concreto

convencional, a qual consiste em envolver a peça totalmente pelo monômero utilizado [38].

Após o processo de impregnação do concreto, as peças são impermeabilizadas ao

serem envolvidas por folhas de alumínio ou ao receber um filme de polietileno. Isso é feito

com a finalidade de reduzir a evaporação do monômero durante o seu processo de

32

polimerização. Esta evaporação ocorre quando os monômeros utilizados na impregnação

possuem alta pressão de vapor.

O processo de impregnação parcial é normalmente utilizado em situações onde a

durabilidade do composto é prioritária para o produto final, e não a resistência mecânica.

Com esta técnica de impregnação, obtém-se um produto impermeável à água e muito

resistente a meios ácidos e à abrasão [36]. Neste caso, para garantir a proteção desejada

com menor quantidade de impregnação de monômeros, a viscosidade e pressão de vapor

são determinantes na escolha do monômero.

O poliéster e o epóxi apresentam baixa velocidade de difusão, tornando o processo

de penetração mais controlável. Isso porque a profundidade desta penetração é determinada

pela viscosidade deste monômero e da superfície da peça onde será aplicado.

Apesar do concreto impregnado por polímero ser de 60 a 80% mais caro do que o

concreto convencional, ele aumenta a qualidade do concreto, aumentando a resistência

mecânica e deixando as peças mais leves, devido a baixa densidade do material. Além

disso, há uma redução na manutenção, pois esse material possui alta durabilidade,

viabilizando o uso do concreto em ambientes deteriorantes. Contudo o concreto

impregnado por polímero apresenta algumas desvantagens, dentre elas pode-se destacar,

além do seu alto custo, a dificuldade do seu processo de fabricação, pois ele demanda um

longo tempo de cura e secagem a altas temperaturas, limitando as suas aplicações.

b) Concreto modificado por polímeros (CMP):

De acordo com Tezuka [10], o concreto modificado por polímero é uma pré-mistura

da pasta de cimento e agregados na qual um monômero é adicionado antes do assentamento

33

e da cura. Em outras palavras, o concreto modificado por polímero é um material onde o

aglomerante é formado por dois componentes ativos, sendo um o cimento Portland e o

outro uma dispersão polimérica em água. A quantidade de polímero usualmente utilizada é

de 10-20% do aglomerante de cimento Portland em massa. Ainda segundo os autores, as

propriedades dependem grandemente da compatibilidade entre estes dois componentes.

Os concretos modificados por polímeros usando látex têm sido usados desde a

década de 50, contudo, tornaram-se materiais dominantes na indústria da construção civil

na década de 1980. São utilizados em países desenvolvidos como Japão e EUA como

materiais de construção populares [18].

São poucos os polímeros adequados para adição ao concreto, a maioria dos

polímeros produziria concreto de baixa qualidade. Concretos modificados por polímeros

são utilizados para revestimentos em pisos e pontes, as vantagens são adesão excelente ao

concreto, maior resistência à flexão e menor permeabilidade. Geralmente é necessária cura

úmida por 24-48h para permitir que aumente a resistência do concreto antes de se permitir

que o filme polimérico se forme. Também é útil para aderir pisos cerâmicos ao chão [18].

O processo de produção do concreto modificado por polímero consiste na adição de

um polímero (dispersão polimérica em água) à mistura do concreto no seu estado fresco, o

qual fica formado por dois aglomerantes ativos. Desta forma, durante a hidratação e cura do

cimento, ocorre formação do filme polimérico. A utilização de monômeros como o

polimetilmetacrilato permite ainda que o compósito fique colorido, o que o torna atrativo

para acabamentos e composições arquitetônicas [20].

Concreto modificado por polímeros consiste em concreto Portland com um

modificador polimérico como látex acrílico ou estireno-butadieno (SBR), polivinil acetato.

Do ponto de vista de fabricação o concreto modificado por polímeros tem o atributo

34

desejável de ser bem similar à tecnologia convencional de cimento Portland. A quantidade

de polímero fica na faixa de 10% a 20% do aglutinante cimentício Portland [18]. Existem

poucos polímeros adequados para adicionar ao concreto; a maioria dos polímeros

produziria concreto modificado por polímeros de baixa qualidade.

O concreto modificado por polímeros pode ser melhorado pelo uso de fibras para

produzir resistência à tração melhorada e diminuição de rachaduras. O custo do concreto

modificado por polímero é menor do que o do concreto polimérico já que é necessário

menos polímero.

c) Concreto polimérico (CP):

O concreto polimérico começou a ser usado em 1958 nos EUA para reparos em

estruturas de concreto convencional. O concreto polimérico é um material composto

produzido com uma resina (monômero ou pré-polímero) e materiais inorgânicos (agregados

graúdos, areia e enchimento como a cinza volante). Os agregados e o enchimento devem

estar secos, a fim de garantir uma boa ligação entre a matriz polimérica e os agregados. A

resina líquida, previamente tratada com aditivos, é misturada com os agregados e o

enchimento e segue-se uma reação de polimerização. A cura é controlada pelo teor de

aditivos adicionados ao aglomerante [10;18]. O concreto polimérico difere dos outros tipos

de compósitos poliméricos, pois, nesse material, ocorre a substituição total do cimento

Portland (ou outro aglomerante que seja usado) por uma resina polimérica. O aglutinante

pode ser uma resina termoplástica ou termorrígida.

Em alguns casos, são utilizadas fibras para reforço, tais como fibras de vidro,

piaçava, fibra de coco, dentre outras. Estas passam a fazer parte da composição do concreto

35

polimérico, especialmente em compostos pré-moldados, que vem sendo produzidos nos

EUA desde meados da década de 70 [18]. Vigas de concreto polimérico, de alta resistência,

duráveis, impermeáveis e de cura rápida, também estão sendo produzidas utilizando aço

como reforço [39-43].

Tonet [38] destaca que a principal utilização dos concretos poliméricos é o uso para

pisos de máquinas industriais, devido ao alto poder de amortecimento à vibração do CP,

tornando a estrutura mais durável e resistente. Tal amortecimento de vibração deixa o

ambiente de trabalho menos ruidoso. Além disso, devido a sua alta resistência ao impacto,

resistência química e grande resistência ao tráfego pesado, os concretos poliméricos ainda

podem ser utilizados como blocos resistentes para pisos.

O concreto polimérico apresenta, ainda, boa resistência à oxidação e, ao contrário

do concreto convencional, uma melhor durabilidade para estruturas que sofrem processo de

congelamento. Tais características fazem reduzir a necessidade de manutenção dessas

estruturas, além disso, o seu rápido tempo de cura facilita a produção de pré-moldados,

visto que as peças podem ser retiradas da forma em poucas horas. Estudos ainda

comprovam que com apenas um dia de cura, argamassas poliméricas adquirem mais de

90% de sua resistência final, consistindo em uma vantagem desse material em relação às

argamassas convencionais [38].

Ao longo dos anos, diversos países vêm utilizando argamassas poliméricas. Nos

EUA, concretos poliméricos vêm sendo utilizados em pontes, indústrias petroquímicas e

pavimentações. Na Europa, destina-se para a produção de estruturas pré-moldadas,

reservatórios, revestimentos para indústrias químicas e de alimentos e tubulações. Além

disso, devido à qualidade de acabamento, as argamassas poliméricas vêm sendo utilizadas

em lajes, painéis para fachadas e balcões para estabelecimentos comerciais [18;38;44].

36

Em adição a seu uso para acabamentos pré-fabricados, é usado atualmente em

produtos sanitários, em substituição a mármores, etc. O concreto polimérico também pode

ser utilizado como material para reparo em concretos. Sua cura rápida, excelente adesão ao

concreto e reforço em aço, e excelente resistência e durabilidade o fazem um material de

reparo muito atraente. Como argamassa pode ser aplicado em espessuras menores do que

10 mm. No entanto seu uso não se espalhou em reparos nos EUA como era originalmente

previsto devido ao custo, falta de familiaridade por empreiteiros, e competição com outros

materiais para reparo como formulações de cimento Portland de cura-rápida.

Algumas falhas já ocorreram por causa da incompatibilidade entre o concreto

polimérico e o substrato de concreto como resultado de diferentes coeficientes de expansão

térmica acoplado ao alto módulo do concreto polimérico. Variações térmicas podem

produzir altas tensões cisalhantes e trativas na interface próxima dos contornos que pode

causar delaminação no reparo [18;33].

2.5. Compósitos poliméricos reforçados por fibras:

Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles onde a fase dispersa

está na forma de uma fibra. Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibras

incluem, com frequência, alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso [9].

Fibras longas em várias formas são inerentemente mais rígidas e resistentes do que

o mesmo material em forma bruta. Um exemplo é o vidro, que fratura sob tensão de

20MPa, e fibras de vidro têm resistências de 2800 a 4800MPa em formas disponíveis

comercialmente e 7000MPa em formas preparadas em laboratório. Obviamente, a

37

geometria e a composição física da fibra são cruciais para a avaliação da sua resistência e

devem ser consideradas em aplicações estruturais. O paradoxo de uma fibra ter diferentes

propriedades da forma bruta é devido à estrutura mais perfeita da fibra. Em fibras, os

cristais são alinhados ao longo do eixo da fibra. Além do mais, existem menos defeitos

internos em fibras do que no material bruto. Por exemplo, em materiais que possuem

discordâncias, a forma fibrosa tem menos discordâncias do que a forma bruta [9].

Os compósitos reforçados com fibras podem ser classificados de acordo com o

comprimento das fibras: em compósitos com fibras curtas e fibras contínuas. Para os

compósitos com fibras curtas, as fibras são demasiadamente curtas para produzir uma

melhoria significativa na resistência.

De acordo com Callister [9], as características mecânicas de um compósito

reforçado com fibras dependem das propriedades da fibra e do grau pelo qual uma carga

aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial

entre as fases fibra e matriz é importante para a extensão dessa transmissão de carga. Sob a

aplicação de tensão, essa ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo

um padrão de acordo com a figura 9; em outras palavras, não existe qualquer transmissão

de carga a partir das extremidades da fibra.

38

Figura 9 – Padrão de deformação da matriz que está envolvendo a fibra quando o

compósito está sob aplicação de tensão.

Fonte: Adaptado de Callister, p. 428 [9].

Certo comprimento crítico de fibra é necessário para um aumento efetivo na

resistência e na rigidez de um material compósito. Esse comprimento crítico 𝑙𝑐 depende do

diâmetro da fibra, e de sua resistência máxima (ou limite de resistência à tração), assim

como da resistência da ligação fibra-matriz (ou da tensão de escoamento ou cisalhamento

da matriz, o que for menor). Quando uma tensão igual ao limite de resistência à tração é

aplicada a um compósito com fibras que possui exatamente esse comprimento crítico, a

carga máxima na fibra é atingida somente no centro da fibra. Conforme o comprimento da

fibra 𝑙 aumenta, o reforço proporcionado se torna mais efetivo.

As fibras para os quais 𝑙 ≫ 𝑙𝑐 (normalmente l> 15𝑙𝑐) são denominadas fibras

contínuas; as fibras descontínuas ou curtas possuem comprimentos menores do que este.

O arranjo ou a orientação das fibras umas em relação às outras, a concentração ou

fração volumétrica das fibras e sua distribuição possuem um influência significativa sobre a

resistência e outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à

orientação, são possíveis duas situações extremas: (1) um alinhamento paralelo do eixo

longitudinal das fibras em uma única direção e (2) um alinhamento totalmente aleatório.

39

Melhores propriedades gerais dos compósitos são obtidas quando a distribuição das fibras é

uniforme.

Os compósitos com fibras alinhadas são inerentemente anisotrópicos, tal que a

resistência e o reforço máximos são obtidos na direção de alinhamento (longitudinal). Na

direção transversal, o reforço devido às fibras é virtualmente inexistente: a fratura ocorre

geralmente sob níveis de tensões de tração relativamente baixos. Para outras orientações da

tensão, a resistência do compósito fica entre esses dois extremos.

De acordo com Callister [9] os compósitos com fibras descontínuas e alinhadas

estão se tornando cada vez mais importantes no mercado comercial. Esses compósitos com

fibras curtas podem ser produzidos tendo módulos de elasticidade e limites de resistência à

tração que se aproximam, respectivamente, a 90% e 50% dos seus análogos com fibras

contínuas.

Normalmente, quando a orientação da fibra é aleatória, se utilizam fibras curtas e

descontínuas. As aplicações que envolvem tensões aplicadas totalmente multidirecionais

utilizam normalmente fibras descontínuas

A consideração em relação à orientação e ao comprimento da fibra para um

compósito específico irá depender do nível e da natureza da tensão aplicada, assim como

dos custos de fabricação. As taxas de produção para os compósitos com fibras curtas (tanto

com fibras alinhadas quanto com orientação aleatória) são menores, e formas complexas

podem ser conformadas, as quais não são possíveis com o reforço com fibras contínuas.

Além disso, os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para as fibras

contínuas e alinhadas.

Uma fibra é caracterizada geometricamente não apenas por sua razão comprimento-

diâmetro altíssima, mas também por seu diâmetro com tamanho próximo ao de um cristal.

40

A razão resistência-densidade e rigidez-densidade são comumente utilizadas como

indicadores da efetividade de uma fibra, especialmente em aplicações onde o peso é um

fator importante como aviação e veículos espaciais [30].

Fibras de grafita e carbono são de alto interesse nas estruturas compósitas de hoje.

Os dois são feitos de raiom, piche ou PAN (poliacrilonitrila), fibras precursoras que são

aquecidas em uma atmosfera inerte até aproximadamente 1700ºC para parcialmente

grafitizar as fibras de carbono. As fibras são tipicamente muito mais finas do que um cabelo

humano, então podem ser dobradas com facilidade. Assim, fibras de carbono ou grafite

podem ser tecidas. Em contraste, fibras de boro são produzidas através de depósito de vapor

de boro num fio de tungstênio e revestindo o boro com uma camada fina de carbeto de

boro. As fibras são aproximadamente do diâmetro de uma ponta de lápis mecânico, então

não podem ser dobradas ou tecidas.

Um whisker tem essencialmente o mesmo diâmetro com tamanho-próximo-de-

cristal que uma fibra, mas é bem curto, apesar da razão comprimento-diâmetro poder ser na

ordem de centenas. Então, um whisker é um exemplo ainda mais óbvio do paradoxo da

diferença de propriedades do cristal para material bruto. Quer dizer, um whisker é ainda

mais perfeito do que uma fibra e, portanto exibe propriedades ainda maiores. Whiskers são

obtidos pela cristalização em escala muito pequena resultando em um alinhamento quase

perfeito dos cristais.

41

2.6. Fibras de piaçava

As fibras vegetais são classificadas de acordo com a sua origem podendo ser fibras

de semente (algodão), fibras de caule (linho, cânhamo), fibras de folhas (bananeira, sisal,

piaçava, curauá), fibras de fruto (coco) e fibras de raiz [45]. As fibras oriundas do caule ou

das folhas são as chamadas fibras duras e são as mais utilizadas como reforço em

compósitos poliméricos. De acordo com Silva [46], as fibras vegetais oferecem as seguintes

vantagens em relação às fibras sintéticas: fonte abundante e renovável, baixo custo, baixa

densidade, altas propriedades específicas, não são tóxicas e são biodegradáveis.

Como desvantagens podem-se citar a baixa temperatura de processamento e a falta

de uniformidade de propriedades, pois dependem de diversas variáveis como a região do

plantio, origem das fibras, alta absorção de umidade que pode causar o inchaço das fibras e

a dependência da habilidade manual durante a colheita. Contudo, a absorção de umidade

pode ser reduzida através da modificação química das fibras e pela boa adesão na interface

fibra/matriz. A tabela 2 apresenta dados comparativos de propriedades mecânicas de

algumas fibras vegetais.

42

Tabela 2 – Propriedades mecânicas de algumas fibras vegetais.

Fonte: Aquino [47]

As substâncias polares constituem os principais componentes químicos das fibras

vegetais, dentre elas destacam-se a celulose, a hemicelulose (ou polioses) e a lignina. A

composição química varia de acordo com a região de cultivo, tipo de solo e condições

climáticas [11].

De acordo com Silva [46], cada fibra vegetal é denominada de fibra técnica e é

constituída de várias fibras elementares fortemente ligadas entre si por um material de

cementação, constituído principalmente de lignina. A constituição estrutural de uma fibra

elementar é mostrada na figura 10. Esta possui uma parede espessa formada por várias

43

microfibrilas que formam espirais ao longo do eixo da fibra, tendo um lúmen no centro.

Cada fibra elementar é, em essência, um compósito no qual as rígidas microfibrilas de

celulose estão envolvidas por uma matriz de lignina e hemicelulose. A lignina atua como o

material de cementação, unindo as microfibrilas e a hemicelulose como interface entre a

microfibrila de celulose e a lignina [46].

Figura 10 – Componentes estruturais de uma fibra vegetal.

Fonte: Silva [46]

De acordo com Silva [46], o principal componente e a principal responsável pela

resistência mecânica das fibras vegetais é a celulose. A celulose pode ser descrita como um

polímero linear com uma estrutura de cadeia uniforme e constituída de unidades de anidro-

D-glicose (𝐶6𝐻10𝑂5), que unidas formam uma cadeia molecular [48]. Cada unidade de

anidro-D-glicose contém três grupos hidroxila (-OH) que formam ligações de hidrogênio

dentro da molécula (intramolecular) e entre moléculas de celulose (intermolecular). A

cristalinidade da celulose deve-se principalmente às ligações de hidrogênio

intermoleculares [46].

44

Devido às essas ligações de hidrogênio, as fibras vegetais são de natureza hidrófila.

Tal natureza é de grande problema para as fibras vegetais ao serem usadas como reforço em

compósitos poliméricos, pois são incompatíveis com a maioria dos polímeros, que são

hidrofóbicos. Sua natureza hidrófila influencia em todas as propriedades mecânicas e

físicas, tanto das fibras como dos compósitos. Contudo, sua natureza rica em hidroxilas

sugere que elas são particularmente úteis em polímeros termorrígidos, tal como o

poliuretano.

Fibras vegetais são tradicionalmente utilizadas para a produção de fios, cordas,

sacarinas, mantas, tapetes, artefatos de decoração, dentre outros [49]. Existe um crescente

interesse em encontrar novas aplicações para este abundante e renovável recurso natural.

As argamassas poliméricas são um importante campo para a utilização destas fibras, sendo

utilizadas em matrizes poliméricas termorrígidas ou termoplásticas, em substituição às

fibras sintéticas.

A piaçava é uma fibra natural extraída de palmeiras, conhecida cientificamente

como Attalea funifera. Desenvolve-se bem em climas quentes e úmidos, pertencendo à

espécie das almáceas e tem a vantagem de formar fibras longas, conservar sua elasticidade

quando umedecida e ser impermeável [50].

A piaçava se adapta a solos de baixa fertilidade. A coleta da fibra é feita uma única

vez e em qualquer época do ano. Cada pé rende até 8 a 10 quilos de fibra por ano e o seu

tempo de vida é de aproximadamente 20 anos. Depois de colhidas, as fibras são estendidas

e postas para secarem em terreiros, sendo reviradas com frequência para obter uma

secagem uniforme. Quando secas, elas são limpas e batidas para que resíduos sejam

retirados. O produto é amarrado em molhos, podendo depois ser cortado quando destinado

45

à indústria específica. As fibras alcançam até 4 metros de comprimento e têm cerca de 1.1

milímetro de espessura [47].

Atualmente, a piaçava é utilizada na fabricação de vassouras, escovas, cordas para

navios, cestos, capachos e coberturas. Diversas pesquisas vêm sendo elaboradas a respeito

da utilização de resíduos de piaçava, borras, e novas aplicações dessas fibras vegetais vêm

sendo implementadas, provando que a piaçava pode melhorar a mecânica da fratura de

diversos materiais compósitos [51].

2.7. Embalagens cartonadas longa vida ou assépticas

Processamento asséptico de comida consiste em preencher embalagens pré-

esterilizadas com alimentos resfriados e esterilizados, selando-os com um selo hermético e

um mecanismo de abertura também pré-esterilizado, tudo realizado em um ambiente livre

de contaminação.

Considera-se o processamento asséptico como o benchmark ótimo para a

manufatura de alimentos estéreis e shelf-stable, o processo é mais eficiente, pois são

reduzidas limitações de processo comparado aos sistemas de esterilização com o produto já

preenchido, além disso, a qualidade e o valor nutricional do alimento são relativamente

preservados [52].

O desenvolvimento da tecnologia de processamento asséptico surgiu do desejo de

preservar a qualidade do leite como bebida. Previamente, a habilidade de preservar o leite

necessitava de uma alteração completa do produto produzido que vinha das fazendas, era

46

necessário secar, condensar ou coagular o leite. Essas alterações mantinham as qualidades

nutricionais do leite, mas não seu gosto [52].

No início dos anos 60, a companhia sueca Tetra Pak começou a comercializar nos

Estados Unidos uma solução capaz de manter leite protegido em seu interior. Consistia em

um sistema form-fill-seal, que era alimentado por rolos contínuos contendo o material da

embalagem, onde eram envasados leites pasteurizados e bebidas. A embalagem possuía

formato tetraédrico e era altamente eficiente no uso de materiais, mas a abertura do pacote

era difícil e o formato tetraédrico dificultava o empilhamento das embalagens. A

embalagem se tornou muito popular entre os militares na marinha dos EUA, onde havia

requisitos de peso e estabilidade para que fosse usada em submarinos e navios, mas não

obteve o gosto popular [52].

Em 1981 a Tetra Pak retornou aos Estados Unidos com um sistema de embalagem

novo e melhorado que utilizava peróxido de hidrogênio como esterilizante. O princípio

básico do sistema continuava o mesmo, com a diferença de que a embalagem era formada e

selada em formato retangular. Esse era um formato bem mais familiar e podia ser colocado

à mostra em prateleiras nas lojas. Além disso, os pacotes menores contavam com um

canudo que era projetado para perfurar uma abertura em uma área especialmente preparada

da embalagem. Isso tornou o pacote popular entre os consumidores americanos que

gostaram da portabilidade e facilidade de consumo do produto [52].

Este container, que por muito tempo permaneceu sem nome, foi o real introdutor de

leites assépticos ao mercado em massa, e posteriormente viria a ser nomeado Tetra Brik.

Hoje em dia existem no mercado vários tipos de embalagens cartonadas assépticas,

a maior fabricante de embalagens, Tetra Pak, possui em seu portfolio embalagens

47

cartonadas assépticas para o armazenamento de produtos lácteos, vinhos, sucos e néctares,

produtos alimentícios, óleo de soja, entre outros.

Nos mais variados formatos, com nomes comerciais como Tetra Brik Aseptic, Tetra

Classic Aseptic, Tetra Evero Aseptic, Tetra Fino Aseptic, Tetra Gemina Aseptic, Tetra

Prisma Aseptic e Tetra Wedge Aseptic. A empresa alemã SIG Combibloc, a segunda maior

fabricante, também possui um sistema de envase asséptico ligeiramente diferente.

As embalagens cartonadas assépticas são mais conhecidas no Brasil como longa

vida, e são compostas de várias camadas de papel, polietileno de baixa densidade e

alumínio. A figura 11 indica as camadas do processo da embalagem cartonada do tipo Tetra

Brik Aseptic, ou longa vida:

Figura 11 – Camadas da embalagem asséptica Tetra Brik fabricada pela Tetra Pak.

Fonte: Adaptado de David, Graves e Szemplenski, p. 87 [52].

48

A composição típica de embalagens cartonadas assépticas produzidas pela Tetra

Pak, em massa, é: 75% de papel, 21% de polietileno de baixa densidade e 4% de alumínio

[53].

O papel dá suporte mecânico à embalagem e recebe a impressão; o polietileno

protege a embalagem da umidade e impede o contato do alumínio com os alimentos, além

de servir como elemento de adesão para todos os materiais componentes da embalagem; e o

alumínio cria uma barreira contra a luz e o oxigênio [54].

Esses materiais em camadas criam uma barreira que impede a entrada de luz, ar,

água, micro-organismos e bactérias, preservando os alimentos dentro da embalagem por

meses sem a necessidade de refrigeração. Por não necessitar de refrigeração, ocorre

diminuição da utilização de energia necessária. O peso da embalagem é outro fator

importante, pois, para embalar um litro de alimento, são necessários somente 28 gramas de

material, economizando recursos naturais e combustíveis durante o transporte [55].

As embalagens assépticas cartonadas produzidas pela Tetra Pak utilizam um sistema

baseado em rolos contínuos de papel, nestes sistemas um rolo contínuo de papel é

alimentado a máquina de preenchimento, que é cortado, formado, esterilizado, preenchido

com o produto a ser comercializado e selado. Antes de ser preenchido e formado, o material

passa por um banho de 35% de peróxido de hidrogênio a aproximadamente 65ºC, seguido

de secagem em ar quente na zona estéril da máquina de preenchimento, garantindo que o

pacote esteja esterilizado [52]. Conforme ilustra a figura 12.

49

Figura 12 - Esquemática de um típico processo roll-fed.

Fonte: David, Graves e Szemplenski, p. 112 [52].

Apesar de todos os benefícios ambientais da embalagem cartonada, ela representa

um produto de alto potencial para geração de resíduos, devido a ser de natureza descartável

e de complexa composição, com camadas plásticas que se degradam lentamente no meio

50

ambiente. Estudos da Universidade de São Paulo atestam que após seis meses, 49% da

embalagem se decompõe totalmente quando depositada em aterros sanitários adequados

[55].

De acordo com Hoornweg e Bhada-Tata [56], as taxas de geração de resíduos irão

mais que dobrar nos próximos 20 anos, em países em desenvolvimento. Globalmente, os

custos com gerenciamentos de resíduos sólidos vão aumentar dos $ 205.4 bilhões em 2012

para aproximadamente $ 375.5 em 2025.

A responsabilidade sobre a destinação final de um produto após seu consumo foi

implantada na União Europeia através da “Packaging and Packaging Waste Directive”, e no

Brasil esta responsabilidade foi definida no Pacto Nacional de Resíduos Sólidos.

De acordo com dados publicados pela ACE [57], 400 mil toneladas foram recicladas

nos países-membro, 44%. A taxa total de reciclagem mais recuperação de energia atingiu

74%.

Por ser uma embalagem extremamente leve o seu peso não é expressivo no lixo

urbano. Segundo o CICLOSOFT 2016, pesquisa realizada em 1055 municípios brasileiros,

2% do resíduo sólido gerado nas cidades brasileiras são embalagens longa vida [58].

De acordo com dados do CEMPRE, em 2015 no Brasil foram recicladas mais de 59

mil toneladas de embalagens longa vida, uma taxa de reciclagem de 21%. Cada tonelada de

embalagem cartonada reciclada gera, aproximadamente, 680 quilos de papel kraft [55].

As embalagens longa vida combinam três métodos de tratamento pós-consumo:

reciclagem, incineração com recuperação de energia, e disposição final (preferencialmente

em aterros sanitários). Dentre estes métodos, destaca-se a reciclagem, por ter maior

praticidade e mercado para os produtos gerados, e por consequência, maior utilização.

51

No caso da reciclagem, a embalagem pode ser utilizada integralmente, geralmente

através de prensagem, para fabricação de placas e telhas [59-61] ou os componentes da

embalagem podem ser separados.

As fibras da embalagem longa vida são resistentes e de alta qualidade, e podem ser

reutilizadas em uma ampla gama de produtos pela indústria de papel, o processo de

separação das fibras das outras camadas é realizado em hidrapulper de alta, média ou baixa

consistência.

O processo de separação das fibras da embalagem longa vida é realizado em

equipamento chamado hidrapulper, as fibras são separadas do polietileno e alumínio ainda

aderidos e as mesmas são captadas por bombeamento, a desagregação não requer qualquer

aditivo químico ou calor, a indústria de papel utiliza estas fibras em diversos produtos

como papelão ondulado, papel cartão, embalagem para ovos, palmilhas para sapatos, papel

tissue, entre outros.

O alumínio e polietileno são prensados e secados ao ar, os mesmos podem ser

utilizados de duas formas: pode ser convertido em pellets para fabricação de peças

plásticas, neste caso o alumínio fará parte do produto final; o alumínio pode ser separado do

polietileno e recuperado em fornos de pirólise para produção de novas peças metálicas, o

polietileno será convertido em parafina.

A embalagem também pode ser queimada em caldeiras para recuperação de energia,

nesse processo, a emissão de carbono total diminui comparada a queima de combustível

normal.

52

2.8. Fibras de vidro

Fibras de vidro consistem em uma das fibras mais usadas para reforço em

compósitos de matriz polimérica. Essas fibras são caracterizadas por seu custo baixo, cor

clara à branca, boas propriedades mecânicas e elétricas, alta resistência química e à

umidade, e boas propriedades isolantes [32]. As desvantagens incluem baixo modo de

elasticidade, baixa adesão à polímeros, alta densidade, sensibilidade a abrasão (reduz a

resistência mecânica), e baixa resistência à fadiga.

Os principais tipos de fibra de vidro são a fibra E-glass e S-glass. O “E” no E-glass

significa elétrica, porque ela originalmente foi projetada para aplicações que envolviam

eletricidade. No entanto hoje é usada para vários outros propósitos, como decorações e

aplicações estruturais. O “S” no S-glass significa maior proporção de sílica, essa fibra é

capaz de manter sua resistência mecânica mesmo trabalhando em altas temperaturas,

comparado ao E-glass, tem maior resistência à fadiga. É usado para aplicações na indústria

aeroespacial e aviação. A tabela 3 apresenta algumas das propriedades desses dois tipos de

vidros [31].

Tabela 3 – Comparação de propriedades das fibras de vidro tipo E-Glass e S-Glass.

Propriedade Unidade Tipo

E-Glass S-Glass

Densidade relativa - 2,54 2,49

Módulo de Elasticidade GPa 72,40 85,50

Resistência à Tração MPa 3447 4585

Coeficiente de dilatação linear μm/m/°C 5,04 5,58

Fonte: Adaptado de Kaw, p. 21 [31].

53

Outros tipos comercialmente disponíveis são C-glass (onde C significa corrosão)

que é usada em meios químicos como tanques de armazenamento; R-glass, que é usada em

aplicações estruturais como construção civil; D-glass (dielétrico) usado para aplicações que

requerem baixas constantes de elétricas; e A-glass (A significa aparência) usado para

melhorar a aparência da superfície. Existem outros tipos como E-CR glass e AR glass [31].

O vidro consiste em óxidos solúveis entre si e que podem ser resfriados sem que

ocorra cristalização. O principal óxido é a sílica (óxido de silício) na forma de areia de

sílica, outros óxidos como cálcio, sódio e alumínio são incorporados para reduzir a

temperatura de fusão e evitar a cristalização [19]. A tabela 4 apresenta a composição

química das fibras de vidro tipo E-glass e S-glass.

Tabela 4 – Composição química das fibras de vidro E-Glass e S-Glass.

Material % em massa

E-Glass S-Glass

Óxido de silício 54 64

Óxido de alumínio 15 25

Óxido de cálcio 17 0,01

Óxido de magnésio 4,5 10

Óxido de boro 8 0,01

Outros 1,5 0,8

Fonte: Adaptado de Kaw, p. 21 [31].

Fibras de vidro são geralmente produzidas por um contínuo processo de estiramento

de vidro fundido em filamentos muito finos e contínuos. A massa de vidro fundido é

formada num forno refratário à aproximadamente 1400 ºC, de uma mistura que inclui areia,

54

calcário e alumina (óxido de alumínio). A massa é agitada e mantida em temperatura

constante. Na base do forno o vidro fundido passa através de fieiras, que em número podem

ser até 250, de liga de platina, essas fieiras são mantidas aquecidas e possuem dimensões

muito precisas (em geral na ordem de 10 μm).

Ao emergir das fieiras os filamentos contínuos de cada fieira são unidos em um fio,

que é enrolado em um mandril à alta velocidade. Todos os filamentos levam um

acabamento superficial a saída da fieira, que consiste na pulverização de uma solução

formada por ligantes, lubrificantes, e agentes anti-estáticos e de adesão; os ligantes servem

para manter os filamentos juntos, os lubrificantes reduzem o efeito abrasivo dos filamentos

uns sobre os outros, e os agentes de adesão servem para fornecer uma maior adesão entre a

fibra de vidro e a matriz orgânica. O conjunto de filamentos enrolados no mandril

posteriormente é seco em forno para remover água e excesso da solução aplicada [19;31].

Existem várias formas de fibra de vidro que podem ser encontradas comercialmente

[19;31].

Fibras cortadas: Podem ser divididas em três grupos: fibras moídas, fibras curtas e

fibras longas. O primeiro grupo consiste em fibras com comprimento variando de

30 a 3000 μm em razões de aspectos aproximadamente 30, são usadas no processo

de moldagem por injeção. As fibras curtas tem comprimento de aproximadamente 6

mm e razão de aspecto 800; as fibras longas tem comprimentos de até 50 mm.

Manta de fibras cortadas: É um produto laminar e plano, feito a partir de filamentos

cortados, distribuídos horizontalmente e de forma dispersa, aglutinados entre si

através de um ligante polimérico que deve ser compatível com a resina que será

usada nos compósitos. As fibras usadas em manta tem em geral 5 cm.

55

Roving: É um feixe de fibras de vidro, contínuas e paralelas enroladas em cilindros

na forma helicoidal, esse enrolamento é feito sem torção.

Tecidos de rovings: Usados em laminados para produzir características mecânicas

altamente direcionais. O tecido de rovings pode ser unidirecional e bidirecional e o

compósito terá resistência mecânica e rigidez na direção das fibras. O acabamento

superficial é ruim e a adesão entre camadas também é ruim.

Mantas de filamentos contínuos tecidos: O processo é parecido com o processo de

tecelagem. As mantas são finas e produzem laminados de alta resistência mecânica,

mas são mais caras e a aderência entre as lâminas é menor.

Manta de superfície: É uma manta leve que é utilizada para produzir superfície com

bom acabamento.

Além disso, é possível encontrar fibras de vidro em produtos compostos:

Pré-misturas: Consistem no sistema de resina já contendo as fibras cortadas e

picadas.

Compostos de moldação em placa: Baseados em resinas poliéster são formados por

rovings cortados e impregnados com resina com carga. Esses compostos são

fornecidos em forma de chapa maleável.

Pré-impregnados ou prepreg: Consistem num reforço que é pré-impregnado com

resina, geralmente epóxi, antes de se usar. A diferença para o composto de

moldação em placa é que raramente possuem aditivos, cargas ou pigmentos.

56

2.9. Mecânica da fratura de compósitos poliméricos:

A mecânica da fratura como um campo de pesquisa foi desenvolvida no período da

1ª Guerra Mundial, por Griffith, para explicar o mecanismo de fratura de materiais frágeis.

Sua principal contribuição foi a análise da estabilidade da trinca baseada em uma análise

energética. Posteriormente Irwin desenvolveu ainda mais a mecânica da fratura expandindo

a teoria de Griffith para materiais elasto-plásticos e delimitou os três modos de propagação

de trinca admissíveis. Abertura, cisalhamento-planar e cisalhamento-paralelo. Combinados,

esses modos de propagação de trinca podiam representar qualquer propagação de trinca. A

figura 13 ilustra esses modos de propagação de trinca.

Figura 13 - Modos de propagação de trinca.

Fonte: Jones, p. 340 [30].

Segundo Silva [46], a mecânica da fratura é dividida em duas grandes áreas:

Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFEL): A tenacidade à fratura é dada pelo

fator de intensidade de tensão 𝐾𝐼𝐶, que é expresso como função da geometria do

57

corpo de prova e do carregamento aplicado, ou também pela taxa de liberação de

energia de ruptura, 𝐺𝑓.

Mecânica da Fratura Elasto Plástica (MFEP): A tenacidade à fratura é medida

através do parâmetro Integral-J.

Os pressupostos da mecânica da fratura linear elástica a tornam válida somente para

alguns tipos de materiais, onde a deformação plástica na ponta da trinca é reduzida,

podendo ser utilizado para caracterizar fratura frágil nos materiais. Caso o material possua

alta ductilidade, assim como alguns polímeros, ocorre deformação plástica nas regiões ao

redor da ponta de trinca inviabilizando o uso da análise elástica [46].

2.9.1. Mecânica da fratura aplicada á materiais reforçados:

Segundo Silva [46], a fratura de materiais compósitos reforçados com fibras

raramente ocorre de modo catastrófico, tendendo a ser progressiva e com falhas subcríticas

dispersas através do material.

A figura 14 mostra os vários mecanismos de falha que podem ocorrer em

compósitos reforçados com fibras. A fratura raramente ocorre de modo catastrófico, mas

tende a ser progressiva, com falhas subcríticas dispersas através do material, o que constitui

uma vantagem [46].

58

Figura 14 – Mecanismos de falha em compósitos reforçados por fibras.

Fonte: Motta, p. 40 [11].

Os mecanismos de falha local que podem ocorrer durante a fratura de um compósito

fibroso são: o arrancamento de fibras, isto é, deslizamento interfacial seguido de ruptura

das fibras (em inglês “pull out”); o efeito denominado ponte de fibras (em inglês “fiber

bridging”), onde as superfícies de uma trinca são interligadas por fibras; o descolamento

das fibras da matriz; a ruptura das fibras; a deformação e o trincamento da matriz, e ainda

pode ocorrer a delaminação, o descolamento entre laminas.

Esses mecanismos podem atuar simultaneamente durante o processo de fratura do

compósito, e a importância de cada um deles no processo depende do tipo de carregamento

aplicado, do tipo de compósito em estudo e da orientação das fibras.

De acordo com Silva [46], o mecanismo de fratura mais comum nos compósitos

reforçados por fibras contínuas é a fratura por delaminação. Esse tipo de fratura ocorre

devido às propriedades mecânicas ortotrópicas destes compósitos. Neste tipo de fratura, a

propagação da trinca pode ser interlaminar (entre as camadas do laminado) ou intralaminar

59

(propagando entre as fibras). As tensões que produzem a delaminação nesses materiais

podem surgir de tensões externas aplicadas, da estrutura geométrica do compósito e/ou pela

diferença do módulo de elasticidade da matriz e das fibras [11].

Os compósitos de fibras curtas (descontínuas) distribuídas de forma aleatória podem

ser considerados materiais isotrópicos. Nesses tipos de compósitos, as extremidades das

fibras atuam como pontos de concentração de tensão, podendo ser potenciais iniciadores de

trincas. Além disso, há uma grande influência da razão entre o comprimento e o diâmetro

da fibra (denominado de aspecto das fibras) nas propriedades de fratura do compósito.

Porém, os mecanismos de falha destes compósitos são semelhantes aos dos compósitos

com fibras contínuas. Portanto, a condição interfacial fibra/matriz ainda é o fator mais

importante na influência no comportamento de tensão-deformação dos compósitos fibrosos.

2.10. Corpo de prova disco brasileiro com trinca central passante

O ensaio do disco brasileiro consiste na compressão diametral de um cilindro, foi

introduzido por Carneiro e Barcellos [62-64] e Akazawa [64] como um substituto para o

corpo de prova do ensaio de tração, devido à dificuldade que os pesquisadores encontravam

em realizar o ensaio de tração uniaxial em geomateriais, era usado para calcular a

resistência mecânica de forma indireta.

Desde que foi proposto, o disco Brasileiro têm atraído a atenção dos pesquisadores

em todo o mundo. Li e Wong [65] citam que ao longo dos anos algumas percepções se

desenvolveram sobre o disco brasileiro; uma destas é que o disco deveria fraturar ao longo

da linha de compressão, ou então se considera que ocorreu um modo de fratura inválido.

60

Uma análise das pesquisas realizadas até o momento sobre o disco brasileiro para uso em

rochas e materiais frágeis pode ser encontrada em Li e Wong [65].

Ao longo dos anos, buscou-se utilizar o disco brasileiro para determinação de outras

propriedades materiais, como módulos de elasticidade e tenacidade á fratura [66-68].

Várias modificações à configuração original do disco brasileiro foram propostas e estão

ativamente em desenvolvimento [44;69-70].

Hoje em dia o ensaio do disco brasileiro é uma ferramenta única para determinação

fácil do fator de intensidade de tensão crítico, especialmente para geomateriais frágeis. Isso

é obtido utilizando a configuração de trinca central passante proposta por Awaji e Sato

[24], que consiste na formação de uma pré-trinca passante, alinhada com a direção radial,

no centro do disco.

A principal vantagem desta configuração, além do procedimento experimental

relativamente simples, é que qualquer combinação de carregamento de fratura de modo-I e

modo-II pode ser induzida através de uma seleção criteriosa do ângulo de inclinação de

trinca θ (em relação à direção da linha de carregamento) e do comprimento relativo de

trinca α (em relação ao raio do disco, R) [71]

Uma solução largamente utilizada para os fatores de intensidade de tensão em um

disco brasileiro com trinca central passante comprimido por forças concentradas foi

apresentada por Atkinson, Smelser e Sanchez [72] na forma de séries infinitas, o problema

é que as constantes para apenas certos comprimentos relativos de trinca α foram

apresentados, em ensaios reais pode não ser prático produzir corpos de prova com

dimensões que forneçam exatamente estes valores.

Dong, Wang e Xia [73] propuseram uma solução para o disco brasileiro sob pressão

radial na superfície circular do disco, em um ângulo, que nomearam de ângulo de

61

carregamento, esta solução fornece fatores de intensidade de tensão para qualquer

comprimento relativo de trinca, ângulo de carregamento e ângulo de inclinação de trinca.

No mesmo artigo também propuseram uma solução para o problema de cargas

concentradas atuando no disco, que permitia a escolha de um comprimento relativo de

trinca e ângulo de inclinação de trinca arbitrário. Esta é a solução que será utilizada neste

trabalho.

A limitação destas duas soluções é que a partir de certo ponto, previam valores para

o fator de intensidade de tensão de modo-I negativo, que implicaria em interseção das

superfícies da trinca central, o que é fisicamente inaceitável. Markides, Pazis e Kourkoulis

[74] propuseram uma solução que corrige esse problema e leva a uma solução fisicamente

aceitável, porém, ela só apresenta resultados confiáveis para comprimentos relativos de

trinca pequenos, e considera que uma pressão radial atua no disco. Ela não será usada neste

trabalho.

Todas as soluções são baseadas na Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE),

argamassas poliméricas, com frações razoáveis de agregado, apresentam comportamento

quasi-frágil [21]. Para taxas de carregamento baixas e comportamento quasi-frágil, alguns

conceitos da mecânica da fratura linear elástica podem ser utilizados.

Denominando “a” como a metade do comprimento da trinca, R o raio do disco e θ o

ângulo de inclinação da trinca relativo à linha de carga, P a carga de compressão e B a

espessura do disco, ver figura 15.

62

Figura 15 – Diagrama do carregamento em modo misto.

Fonte: Ayatollahi e Sistaninia, p. 3 [75].

Os fatores de intensidade de tensão para este corpo de prova seguem as expressões

abaixo [73]:

𝐾𝐼 =𝑃

𝜋𝐵𝑅√𝜋𝑎 [ 𝑓11 + 2 ∑ 𝐴1𝑖𝑓1𝑖𝛼

2(𝑖−1)

𝑛

𝑖=1

] (1.1)

𝐾𝐼𝐼 = 2𝑃

𝜋𝐵𝑅√𝜋𝑎 ∑ 𝐴2𝑖𝑓2𝑖𝛼

2(𝑖−1)

𝑛

𝑖=1

(1.2)

63

Onde os coeficientes 𝐴𝑗𝑖 são dados por:

𝐴1𝑖(𝜃) = 𝑖𝑐𝑜𝑠(2𝑖𝜃) − 𝑖𝑐𝑜𝑠(2(𝑖 − 1)𝜃) (2.1)

𝐴2𝑖(𝜃) = 𝑖𝑠𝑖𝑛(2𝑖𝜃) − (𝑖 − 1)𝑠𝑖𝑛(2(𝑖 − 1)𝜃) (2.2)

A expressão geral dos coeficientes 𝑓𝑗𝑖 é dada por:

𝑓𝑗𝑖 =(2𝑖 − 3)‼

(2𝑖 − 2)‼[1 +

𝑐𝑗1

2𝑖+

3𝑐𝑗2

4𝑖(𝑖 + 1)] (3)

E os coeficientes 𝑐𝑖𝑗 são dados pelas expressões abaixo:

𝑐11 =8 − 4𝛼 + 3.8612𝛼2 − 15.9344𝛼3 + 24.6076𝛼4 − 13.234𝛼5

√1 − 𝛼− 8 (4.1)

𝑐12 =−8 + 4𝛼 − 0.6488𝛼2 + 14.1232𝛼3 − 24.2696𝛼4 − 12.5496

√1 − 𝛼+ 8

(4.2)

𝑐21 =5 − 2.5𝛼 + 1.4882𝛼2 − 2.376𝛼3 + 1.1028𝛼4

√1 − 𝛼− 5

(4.3)

𝑐22 =−4 + 2𝛼 + 0.4888𝛼2 + 0.81112𝛼3 − 0.7177𝛼4

√1 − 𝛼+ 4

(4.4)

Com 𝛼 o comprimento relativo de trinca.

𝛼 = 𝑎/𝑅. (5)

64

Capítulo 3.

Materiais e Métodos

3.1. Materiais

3.1.1. Resina Epóxi

Foi utilizada nessa pesquisa uma resina epóxi comercial. O sistema de resina epóxi

é baseado em dois componentes, diglicidil éter de bisfenol A e um endurecedor de amina

alifática, esse sistema apresenta baixa viscosidade, e foi processado com uma razão máxima

de mistura para o endurecedor (em massa) de quatro partes de resina para uma parte de

endurecedor, a razão de mistura foi baseada em recomendação do fabricante. As

propriedades mecânicas e térmicas do sistema epóxi são apresentadas na tabela 5. O

conteúdo de resina utilizado foi de 12% em massa.

65

Tabela 5 – Propriedades da resina epóxi.

Propriedade Valor

Viscosidade a 250°C μ (cP) 12000-13000

Densidade ρ (g/cm³) 1,16

Temperatura de distorção ao calor HDT (°C) 100

Módulo de elasticidade E (GPa) 5,0

Resistência à flexão (MPa) 60

Resistência à tração (MPa) 73

Elongação máxima (%) 4

3.1.2. Agregado

Foi utilizada uma areia de fundição feita de quartzo com tamanho da partícula

aproximadamente uniforme; as partículas possuíam um diâmetro médio de 245 µm, com

módulo de finura de 2.5 [76]. A densidade era de 2.65 g/cm³ [77].

A areia foi previamente seca em um forno para reduzir o teor de umidade, para

garantir boa adesão entre o polímero e o agregado inorgânico.

O conteúdo de agregado foi de 85% a 87% em massa, exceto nos corpos de prova

de argamassa polimérica pura usada para controle, nestes a proporção foi de 88% em

massa.

66

3.1.3. Borras de Piaçava

As borras de piaçava utilizadas nessa pesquisa foram obtidas da indústria de

vassouras do estado da Bahia. A densidade das borras foi determinada utilizando um

picnômetro, e era de 1.10 g/ml. Para eliminar impurezas e umidade as borras foram lavadas

e secadas à vácuo por 24 horas.

As borras de piaçava foram trituradas e usadas como substituto parcial do agregado

natural, assumiu-se que o tamanho médio das fibras era de 6 mm. O conteúdo utilizado nas

misturas foi 1% em massa, substituindo a areia de fundição na mistura.

Tais porcentagens foram baseadas em artigos anteriores publicados por Reis e

Carneiro [22], ocorre que o ganho em propriedades mecânicas do concreto polimérico com

borra de piaçava só se mantém até aproximadamente 2% em massa, quantidades maiores

geram aumento de porosidade e perda na resistência mecânica.

3.1.4. Fibras de Vidro

Fibras de vidro picadas providas pela empresa PPG Fiberglass sem medição

também foram usadas como reforço. Considerou-se que os comprimentos das fibras foi de

6 mm.

Foram produzidas amostras substituindo a areia de fundição por 1% em massa de

fibra de vidro picada.

67

3.1.5. Embalagens cartonadas longa vida

As embalagens cartonadas foram obtidas como resíduo pós-consumo de uma

cooperativa de catadores de lixo, as embalagens foram lavadas para remover impurezas,

secas para remover a umidade, e submetidas a um processo de moagem que é baseado num

processo de corte, com tal processo as embalagens tinham tamanho médio de 0.85 mm (25

mesh size)

Foram produzidas amostras substituindo a areia de fundição por 1% a 3% em massa

de embalagens cartonadas picadas.

3.1.6. Composições

A tabela 6 indica as composições dos diferentes tipos de argamassas poliméricas

fabricadas variando a proporção de constituintes.

Tabela 6 – Composições de argamassa polimérica fabricadas.

Resina (% em massa) Agregado (% em massa)

Agregado Secundário

Tipo % em

massa

12 88 Nenhum (controle) 0

12 87 Embalagens cartonadas 1

12 86 Embalagens cartonadas 2

12 85 Embalagens cartonadas 3

12 87 Fibras de vidro 1

12 87 Borras de piaçava 1

68

A figura 16 apresenta a aparência de alguns dos espécimes modificados.

Figura 16 – Espécimes de argamassa polimérica com adição de: (a) 1% em massa de

embalagens cartonadas longa vida; (b) 2% em massa de embalagens cartonadas longa vida;

(c) 3% em massa de embalagens cartonadas longa vida; (d) 1% em massa de borras de

piaçava.

69

3.2. Métodos

3.2.1- Corpo de prova de fratura disco brasileiro com trinca central passante

O material foi produzido através de misturador planetário próprio disponível no

Laboratório de Ensaio de Dutos da Universidade Federal Fluminense, a resina e o

catalizador foram adicionados seguidos da areia e do agregado secundário e mantidos no

misturador até a obtenção de uma mistura homogênea, em seguida foi vertido num molde

para cura.

As trincas foram produzidas artificialmente através da inserção de uma placa

metálica de 1 mm de espessura e 25 mm de largura no molde durante a cura. A figura 17

apresenta o corpo de prova, ainda no molde.

Figura 17 – Corpo de prova de fratura disco brasileiro com trinca central passante feito de

argamassa polimérica, ainda no molde.

70

A tabela 7 ilustra as dimensões do corpo de prova.

Tabela 7 – Dimensões do corpo de prova

Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Espessura B 38 Mm

Raio R 40 Mm

Meio comprimento de trinca

A 12.5 Mm

Espessura da placa metálica 1 Mm

Todos os espécimes foram curados a temperatura ambiente. E foram ensaiados

numa máquina universal de tração Shimadzu AG-X 100. A figura 18(a) apresenta o setup

experimental do corpo de prova na máquina. O corpo de prova é comprimido com o auxílio

de duas placas metálicas como mostra a figura 18(a).

Uma linha ao longo da trinca é marcada no corpo de prova e uma linha rotacionada

no ângulo de inclinação de trinca desejado também é marcada. A figura 18(b) ilustra esse

método de posicionamento. O número 2 é um indicador da composição da argamassa

polimérica e nada tem haver com o ângulo de trinca.

71

Figura 18 – (a) Setup experimental do corpo de prova na máquina; (b) Corpo de prova com

marcação de ângulo de inclinação de trinca 20º.

Os corpos de prova foram ensaiados numa máquina universal de ensaios com

circuito fechado, em condições de taxa de deformação constante, sendo esta de 0.5

mm/min.

Os fatores de intensidade de tensão de propagação 𝐾𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 e 𝐾𝐼𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 foram obtidos

medindo experimentalmente a carga de propagação 𝑃𝑃𝑅𝑂𝑃 em uma curva carga

deslocamento para cada ensaio e substituindo este valor e os parâmetros do corpo de prova

nas expressões (1) a (5) anteriores. Assim, os fatores de intensidade de tensão de

propagação são dados por:

72

𝐾𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 =𝑃𝑃𝑅𝑂𝑃

𝜋𝐵𝑅√𝜋𝑎 [ 𝑓11 + 2 ∑ 𝐴1𝑖𝑓1𝑖𝛼

2(𝑖−1)

𝑛

𝑖=1

] (6.1)

𝐾𝐼𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 = 2𝑃𝑃𝑅𝑂𝑃

𝜋𝐵𝑅√𝜋𝑎 ∑ 𝐴2𝑖𝑓2𝑖𝛼

2(𝑖−1)

𝑛

𝑖=1

(6.2)

3.2.2. Domínio de validade da solução de Dong et al [73]

Em seu trabalho Dong, Wang e Xia [73] propuseram um método para calcular os

fatores de intensidade de tensão equivalentes à fratura de modo-I e à fratura de modo-II

puras, descobriram que a fratura de modo-I puro sempre acontece para um ângulo de

inclinação de trinca θ = 0°, independente do comprimento relativo de trinca. Para θ = 0º:

𝐾𝐼𝐶 = 𝐾𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 (7)

A solução de Dong, Wang e Xia [73] não leva em conta contato das superfícies da

trinca nem o atrito, fixados os parâmetros geométricos B, R e a e variando-se apenas o

ângulo θ há um ponto onde o fator de intensidade de tensão KI passa a apresentar valores

negativos, isto é fisicamente inaceitável, pois implica em sobreposição das faces da trinca.

O ângulo para o qual o fator de intensidade de tensão KI muda de sinal é chamado de

ângulo crítico de inclinação de trinca, θc, este ângulo corresponde a fratura de modo-II

pura, KI=0, e a equação (1.1) torna-se:

73

𝑓11 + 2 ∑ 𝐴1𝑖𝑓1𝑖𝛼2(𝑖−1)

𝑛

𝑖=1

= 0 (8)

O ângulo crítico de inclinação de trinca é uma função do comprimento de trinca

relativo 𝜃𝑐 = 𝜃(𝛼).

Como propuseram Dong et al., a equação (8) pode ser usada para obter o ângulo

limítrofe para o qual a solução não é mais válida. Este ângulo foi calculado para nosso

corpo de prova e é 𝜃𝑐 = 27°. Em função disto não podemos calcular os fatores de

intensidade de tensão para 𝜃 = 30°.

3.2.3. Amostras

A tabela 8 indica o número de amostras para cada composição de argamassa

fabricada, subdivindo-as de acordo com o ângulo de inclinação de trinca 𝜃 selecionado.

74

Tabela 8 – Número de amostras por argamassa polimérica e ângulo de inclinação de trinca

Número de amostras ensaiadas

Composição da argamassa (por agregado secundário)

Ângulo de inclinação de trinca (θ)

0 10 20 30

Nenhum (Controle) 3 4 3 3

Embalagens cartonadas 1% em massa 3 3 3 2

Embalagens cartonadas 2% em massa 3 3 3 2

Embalagens cartonadas 3% em massa 4 3 3 1

Fibras de vidro 1% em massa 3 3 3 2

Borras de piaçava 1% em massa 3 3 3 2

75

Capítulo 4.

Resultados

Após a realização de cada ensaio, foi gerada uma planilha eletrônica contendo os

pontos da curva carga versus deslocamento, estes dados foram posteriormente tratados de

acordo com os métodos explicitados nesta dissertação. Além disso, diversos gráficos foram

gerados para facilitar a compreensão dos resultados. Assim, em conjunto com cada gráfico,

considerações sobre este são feitas.

As curvas típicas carga versus deslocamento para as formulações de argamassas

poliméricas reforçadas estudadas podem ser vistas na figura 19.

76

Figura 19 – Curvas Carga versus Deslocamento típicas para argamassa polimérica

reforçada com: (a) Borras de piaçava (1% em massa); (b) Fibra de vidro (1% em massa);

(c) Embalagens cartonadas longa vida (1% em massa); (d) Embalagens cartonadas longa

vida (2% em massa).

77

Figura 20 – Curvas Carga versus Deslocamento típicas para argamassa polimérica

reforçada com: (e) Embalagens cartonadas longa vida (3% em massa).

Para cada curva carga versus deslocamento, o ponto onde ocorre a propagação

instável de trinca é claramente perceptível, pois no ensaio com taxa de deformação

prescrita, após iniciada a propagação a carga aplicada cai bruscamente.

Analisando a figura 19, a carga na iminência da propagação de trinca coincide com

a carga máxima na curva carga versus deslocamento. Todas as curvas possuem formato

similar, após atingir a carga de propagação, a carga cai bruscamente, observe que alguns

dos espécimes reforçados com fibras de vidro apresentam uma resistência à propagação

instável de trinca após a ocorrência da propagação, isto é provavelmente devido a modos de

falhas de compósitos ainda em progresso.

A figura 20 apresenta gráficos da carga de propagação versus formulações para os

quatro ângulos de inclinação de trinca ensaiados.

78

Figura 21 – Carga de propagação versus Composição (indicada pelo agregado secundário)

para argamassa polimérica pura versus: (a) Argamassa polimérica com adição de

embalagens cartonadas longa vida de 1% a 3% em massa; (b) Argamassa polimérica com

adição de três diferentes agregados secundários 1% em massa.

Analisando as cargas de propagação na figura 20(a), que compara as cargas de

propagação entre as composições com embalagens cartonadas longa vida e a composição

de controle, pode-se perceber claramente uma tendência de queda na carga de fratura à

medida que se aumenta a proporção de embalagem longa vida de 1% para 3% em massa.

Para a figura 20(b), que compara as cargas de propagação entre as composições com

diferentes materiais, verifica-se que 1% em massa de fibras de vidro atua como reforço no

79

comportamento à fratura da argamassa polimérica, para qualquer ângulo de inclinação de

trinca testado. Espécimes reforçados com 1% em massa de borra de piaçava apresentam em

média, cargas de fratura um pouco maiores do que para a argamassa polimérica pura, no

entanto, os incrementos são ínfimos.

As figuras 21 e 22 e a tabela 9 mostram os fatores de intensidade de tensão de

propagação 𝐾𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 e 𝐾𝐼𝐼𝑃𝑅𝑂𝑃 para diferentes composições de argamassas poliméricas. Note

que não constam valores para ângulos de inclinação de trinca 𝜃 = 30°, já foi deduzido que

a partir de 27° a trinca fechará, e, portanto as soluções forneceriam fatores de intensidade

de tensão de modo I negativos, o que não é fisicamente aceitável.

Figura 22 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para composições com

embalagens cartonadas longa vida de 1% a 3% em massa.

80

Figura 23 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para composições com

embalagens cartonadas longa vida, borras de piaçava e fibras de vidro.

81

Tabela 9 – Fatores de intensidade de tensão de propagação para todas as composições.

A medida de incerteza é o desvio padrão amostral.

Ângulo de inclinação de trinca (θ)

0° 10° 20°

Agr

egad

o S

ecu

nd

ário

Nenhum (Controle) KIPROP 0,91 ± 0,035 0,75 ± 0,034 0,36 ± 0,007

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,67 ± 0,030 1,20 ± 0,022

Embalagens longa vida 1% em massa

KIPROP 0,92 ± 0,067 0,71 ± 0,017 0,35 ± 0,024

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,63 ± 0,015 1,17 ± 0,077

Embalagens longa vida 2% em massa

KIPROP 0,89 ± 0,056 0,68± 0,034 0,34 ± 0,007

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,60 ± 0,030 1,12 ± 0,022

Embalagens longa vida 3% em massa

KIPROP 0,82 ± 0,098 0,68 ± 0,059 0,31 ± 0,021

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,60 ± 0,052 1,03 ± 0,070

Borras de piaçava 1% em massa

KIPROP 0,96 ± 0,121 0,80 ± 0,033 0,37 ± 0,033

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,71 ± 0,029 1,21 ± 0,110

Fibra de vidro 1% em massa

KIPROP 1,05 ± 0,048 0,92 ± 0,063 0,39 ± 0,002

KIIPROP 0,00 ± 0,000 0,82 ± 0,056 1,27 ± 0,007

Analisando as figuras 21 e 22 e a tabela 9, aumentos significativos nos fatores de

intensidade de tensão de propagação em relação à composição de controle são observados,

o aumento médio do fator de intensidade de tensão de propagação em modo I com a adição

de fibra de vidro é de 16%. Considerando a fratura em modo misto, essa tendência de

aumento é confirmada, com médias de 22% e 6% observadas para ângulos de inclinação de

trinca de 10 e 20 graus.

Para borra de piaçava na mesma ordem expressada previamente, aumentos médios

de 6%, 7% e 1% são observados, note que os desvios padrões são suficientes para que

ocorra interseção significativa com a formulação de controle entre os intervalos. Como já

82

afirmado anteriormente, para partículas de embalagens longa vida em 1% em massa as

mudanças médias são variações ínfimas de 1%, 6% (queda) e 3% (queda).

Para partículas de embalagens longa vida em 1% e 2% em massa ocorre quedas nos

fatores de intensidade de tensão na ordem de 10% a 20%.

Não tentamos determinar o valor do fator de intensidade de tensão para fratura em

modo-II pura devido à inerente baixa precisão no método de medição do ângulo de

inclinação de trinca.

83

Capítulo 5.

Conclusões

A adição de 1% em massa de fibras de vidro à argamassas poliméricas feitas de

resina epóxi e areia de fundição significativamente aumenta a tenacidade à fratura da

argamassa polimérica, isso está claro, aumentos de até 22% foram medidos, este é um

reforço válido para argamassas poliméricas do ponto de vista de mecânica da fratura,

obviamente outras propriedades mecânicas do material devem ser estudados para validar a

utilidade do material.

Embalagens cartonadas longa vida e borras de fibra de piaçava em proporção de 1%

em massa não são consideradas adições beneficiais a este tipo de argamassa polimérica, ao

menos não do ponto de vista da mecânica da fratura, pois apesar de implicarem em

aumentos na tenacidade à fratura, os fatores de intensidade de tensão aumentam apenas na

ordem de 10% com a adição de um segundo material à fase agregado.

Esperava-se encontrar um aumento no fator de intensidade de tensão dos espécimes

como encontrado por Motta [11] e Reis e Carneiro [22], que utilizaram o corpo de prova de

flexão de 3 pontos e o modelo de dois parâmetros de fratura para obter o fator de

intensidade de tensão em modo I crítico. Considerando o grau de dispersão obtido e o fato

84

do método ser um método de teste indireto, os valores obtidos devem ser tomados com

cautela.

Tratando ainda de embalagens longa vida, sua adição à argamassa em quantidades

maiores (2% e 3% em massa) sem um tratamento de radiação para melhorar a interface de

adesão, como feito por Martínez-López et al [23], trará perdas no fator de intensidade de

tensão crítico.

Em suma, dos três tipos de material testados, apenas podemos afirmar que fibras de

vidro são uma adição beneficial a argamassas poliméricas com composição parecida com a

utilizada neste trabalho.

Para trabalhos futuros, proporções diferentes de agregado devem ser testadas para

verificar os limites até onde a adição de fibras de vidro ainda é benéfica. Sugere-se realizar

tratamento estatístico dos dados obtidos.

Também é sugerido investigar a influência de parâmetros geométricos dos corpos

de prova, como a espessura e o comprimento de trinca, em materiais compósitos como o

concreto polimérico modificado com agregados não-convencionais, nos parâmetros de

fratura obtidos com este ensaio. O efeito de escala também deve ser investigado.

85

Capítulo 6.

Referências Bibliográficas

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Apêndice 1.

Trabalho publicado nos anais do COBEM 2015

96

97

98

99

100

101

102

103

104

Apêndice 2.

Artigo publicado

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