Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia de Construção Civil

155N 0103-9830

BT/PCC/450

Caracterização de Fibras CurtasEmpregadas na Construção Civil

Leila Aparecida de Castro MottaVahan Agopyan

São Paulo - 2007

o presente trabalho é parte da tese de doutorado apresentada por Leila Aparecida de CastraMotta, sob orientação do Praf. Dr. Vahan Agopyan: "Melhoria do Desempenho de Fibras deCoco e Sisal para Reforço de Matrizes Cimentícias Através de Tratamento Termomecânico eImpregnação de Resinas", defendida em 11/01/2006.

A íntegra da tese encontra-se à disposição com o autor e na biblioteca de Engenharia Civilda Escola Politécnica/USP.

FICHA CATALOGRÁFICA

Motta, Leila Aparecida de CastraCaracterização de fibras curtas empregadas na construção Civil 1

Leila Aparecida de Castro Motta, Vahan Agopyan. -- São Paulo:EPUSP, 2007.

23 p. - (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Departa­mento de Engenharia de Construção Civil; BT/PCC/450)

1. Fibras vegetais 2. Coco 3. Sisal 4. Cimento 5. Desempenho demateriais de construção I. Agopyan, Vahan 11. Universidade de SãoPaulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Constru­ção Civil 111. Título IV. SérieISSN 0103-9830

Caracterização de fibrascurtas empregadas naconstru ão civil

Leila A. de Castro Motta (1); Vahan Agopyan (2); Vanderley M. John (3)

(1 )Professora Doutora. Faculdade de Engenharia CivilUniversidade Federal de Uberlândia

email: lacastro@ufu.br

(2)professor Titular, Departamento de Engenharia de Construção CivilEscola Politécnica, Universidade de São Paulo

email: vahan.agopyan@poli.usp.br

(3) Professor Associado, Departamento de Engenharia de Construção CivilEscola Politécnica, Universidade de São Paulo

email: vanderley.john@poli.usp.br

RESUMO

Este trabalho apresenta um método desenvolvido para a caracterização de fibrassintéticas e naturais, utilizadas como reforço em compósitos aplicados na construção civil.Tendo em vista a importância das propriedades mecânicas e geométricas das fibras para afunção de reforço nos compósitos, estas propriedades são determinadas através de ensaio detração direta e análise de imagem. O método proposto apresenta boa reprodutibilidade deresultados, permitindo sua aplicação em laboratórios de caracterização de materiais deconstrução.

Palavras-chave: fibras, ensaios dos materiais, resistência à tração, materiais compósitos.

ABSTRACT

This papel' proposes a characterization method for short fibres used as reinforcementof civil construction materiais. For reinforcement purposes, the mechanical and geometricalproperties of the fibres are very important and these properties have been determined bytensile tests and image analyses. The method has presented repeatability and can be used inthe characterization ofthe fibres.

Keywords: fibres, materiais characterization, tensile test, composites.

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1 Introdução

Tendo em vista a grande variedade de fibras naturais e sintéticas com potencial parareforço de compósitos usados na produção de componentes para construção civil, torna-seimprescindível a caracterização destes materiais para melhor aplicá-los. Os ensaios devem serprecisos, ter repetitividade de resultados e serem tanto simples e de fácil execução quantopossível. Existem métodos normalizados para caracterização geométrica e ensaios de traçãoem fibras, mas que utilizam equipamentos e unidades características da indústria têxtil(ASTM D 1577-96; ASTM D3822-96) sendo, portanto, pouco usuais em laboratórios demateriais de construção. Além disso, as fibras a serem ensaiadas segundo estes métodosdevem ser longas (comprimentos acima de 50 mm), o que nem sempre é possível para fibrasutilizadas como reforço dos compósitos estudados como materiais de construção. Comoexemplo pode-se citar o estudo de fibras residuais como a fibra do bagaço de cana-de-açúcar,que podem apresentar comprimentos abaixo de 10 mm'

Pelo fato de ser um material natural, as propriedades mecânicas das fibras vegetaisvariam consideravelmente com as características do solo e com as condições climáticas doambiente onde crescem as plantas. A idade da planta de onde as fibras são extraídas tambéminfluencia as propriedades mecânicas, onde fibras de madeira mais antiga tendem a apresentarresistência mais elevada do que aquelas extraídas de plantas mais jovens (COUTTS, 1988).Portanto, as propriedades das fibras devem ser determinadas sempre que possível, evitandoassim utilizar dados da literatura que podem não corresponder ao material efetivamenteaplicado.

Dados encontrados na bibliografia e de fabricantes mostram expressivas variaçõesdas propriedades físicas e mecânicas das fibras sintéticas de mesmo material, polipropileno,por exemplo, mas de marcas (fabricantes) diferentes, o que reforça a importância dacaracterização. BENTUR e MINDESS (1990) destacam que, em função da necessidade demelhorar propriedades como módulo de elasticidade e aderência à matriz cimentícia, as fibrassintéticas, como as de PVA e de polipropileno, têm sofrido uma série de modificações etratamentos que resultam em grandes diferenças de comportamento e propriedades destasfibras. Características como módulo de elasticidade, dispersão e geometria podem não ser asmesmas para fibras classificadas sob um mesmo nome.

Desde 1970, diferentes fibras têm sido pesquisadas como possíveis substitutas dafibra de amianto para reforço de matrizes cimentícias. Embora, algumas fibras apresentemboas propriedades, nenhuma reúne todas as vantagens do amianto. Como grandes vantagensdas fibras de amianto podem-se citar a boa dispersão de grandes volumes de fibras (acima de10%) e a compatibilidade com a matriz de cimento Portland, alcançando excelente aderênciafibra-matriz no compósito endurecido (BENTUR; MINDESS, 1990). Ressaltam-se ainda asótimas propriedades mecânicas como elevado módulo de elasticidade e alta resistência. Masas fibras de amianto, quando inaladas, causam a asbestose, doença progressiva e fatal, levandoao mesotelioma, câncer que atinge as membranas do pulmão, coração e abdômen (BENTUR;MINDESS, 1990; NIKLINSKI et aI., 2004). O uso destas fibras já é proibido em mais de 40países. No Brasil, a previsão é de que o banimento do uso do amianto aconteça em breve(BRUM et aI., 2005).

Para aumentar a resistência e rigidez dos compósitos, as fibras de reforço deveriamter módulos de elasticidade maiores do que a matriz. Para matrizes a base de cimento, onde omódulo de elasticidade encontra-se entre 15 e 30 GPa, esta condição é difícil de ser atingidacom as fibras sintéticas (BENTUR; MINDESS, 1990) e vegetais. No entanto, podem-se citaroutras vantagens de se adicionar fibras à matriz de cimento como o aumento da capacidade de

.3

deformação, o aumento da resistência a impacto e controle de fissuras dos compósitos. Emmuitas aplicações, o aumento destas propriedades é mais interessante do que um aumento naresistência. É o caso, por exemplo, de componentes de coberturas (telhas) de fibrocimento,onde um compósito com maior resistência a impactos é mais seguro quanto à proteção contrachuvas de granizo do que um compósito altamente resistente, mas com baixa ductilidade (XUet al., 1998).

Para a substituição da fibra de amianto, as mais utilizadas até agora são as fibrassintéticas e, dentre elas, as fibras de PVA apresentam a melhor combinação de propriedades esão usadas hoje em vários países em combinação com fibras celulósicas para a produção decomponentes de fibrocimento (STUDINKA, 1989; AKERS et aI., 1989; RAEVE et al., 2001;BETTERMAN et al., 1995; KALBSKOPF et al., 2002). Fibras de polipropileno tambémapresentam bom desempenho e durabilidade na matriz à base de cimento (HANNANT, 1998;MAl et al., 1980). As fibras de vidro comuns são sensíveis à alcalinidade da matriz à base decimento, mas apresentam bons resultados quando submetidas a tratamentos superficiais(LlANG et al., 2002) ou usadas em matrizes com alcalinidade reduzida (MARIKUNTE et al.,1997).

As fibras naturais existem em abundância e têm seu uso motivado por seremrenováveis, biodegradáveis, pela sua disponibilidade a baixo custo, muitas vezes comoresíduos, possibilitando a produção de compósitos também viáveis economicamente. Outrasvantagens tais como ductilidade e baixo peso específico podem ser citadas para os compósitoscom fibras vegetais. No entanto, elas têm limitações inerentes, tais como baixo móduloelástico, alta absorção de água, susceptibilidade ao ataque de fungos e insetos, falta dedurabilidade em meio alcalino (GRAM, 1983), instabilidade dimensional com variação daumidade e variabilidade de propriedades entre fibras do mesmo tipo (SWAMY, 1990). Estassão as principais razões para as fibras vegetais serem pouco utilizadas comercialmente, comoreforço de matrizes frágeis de cimento, apesar de comum interesse do mercado epesquisadores, numerosos esforços de pesquisa (MOTTA, 2005) e muitos testes deaplicações. A opção de aproveitar fibras de resíduos agrícolas é atrativa não só do ponto devista econômico como também ambiental. Como exemplos de materiais residuais disponíveisno Brasil com potencial para produção de fibras podem ser citados o bagaço da cana, pseudo­caule de bananeira, coco, rejeito de polpa celulósica de eucalipto, sisal, dentre outros(AGOPYAN, 1991).

Finalmente, diante da variedade de fibras com possibilidade de uso como reforço, daimportância das propriedades dos materiais constituintes para as características do compósitofinal (BENTUR; MINDES, 1990; KATZ, 1996; FU et aI., 1999) e da inexistência de métodonormalizado para os ensaios aqui descritos, este trabalho apresenta uma metodologiadesenvolvida para determinação de propriedades mecânicas e geométricas (seção transversal)de fibras sintéticas e vegetais, com comprimento entre 6 e 30 mm, utilizadas como reforço emcompósitos.

2 Materiais e metodologia de ensaios

2.1 Materiais

As fibras sintéticas ensaiadas neste trabalho são de origens diversas. São fibrasdisponíveis no mercado, com comprimentos de aproximadamente 6 mm, para reforço dematrizes de pasta de cimento. Algumas são de origem estrangeira, onde pequenas amostrasforam trazidas por técnicos do meio que buscam informações e contatos internacionais, e que,

...... 4

sabendo da pesquisa em andamento, gentilmente forneceram amostras para enriquecer osestudos. Portanto, não se dispõe de dados como peso molecular, grau de polimerização oucristalinidade das fibras testadas, fornecidos pelo fabricante. Ensaios de cristalinidade tambémnão foram realizados, considerando que este não era o foco principal da pesquisa. O intuito decaracterizar diferentes fibras, especialmente as de polipropileno, foi enfatizar as mudanças daspropriedades mais influentes no comportamento final do compósito, quando de origens(fabricantes) diversas.

A Figura 1 mostra as estruturas das moléculas dos polímeros polipropileno e polivinil álcool na forma simplificada, usando o modelo da cadeia linear plana. São destacados osmonômeros, unidades que se repetem ao longo da cadeia.

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Figura I - Estrutura da cadeia molecular dos polimeros: a) polipropileno e b) poli vinil álcool

As fibras vegetais ensaiadas têm suas composições químicas (principaisconstituintes) dadas na Tabela 1, sendo que as demais características são objetos deinvestigação neste trabalho. As fibras de coco e sisal foram compradas no mercado de SãoPaulo, e as fibras de bagaço de cana-de-açúcar foram fornecidas pela Usina de Açúcar eÁlcool Alvorada, da região de Araporã em Minas Gerais.

Tabela I - Composição química (principais constituintes) das fibras vegetais ensaiadas

Fibras Teor de Iigllina Teor de celulose Teor de hemicelulose Teor de cinzas

estudadas (%) (%) (%) (%)

Coco 33,8 49,9 11,7 1.5

Sisal 5,0 67,2 24,7 1,3

Bagaço de cana-23,8 44,9 31,0 Não determinado

de-açúcar

2.2 Métodos de ensaios

2.2.1 Tração direta

2.2.1.1 Características dos corpos-de-prova e condições de ensaio

Para a determinação da resistência à tração, deformação na ruptura e módulo deelasticidade, as fibras foram coladas numa base de papel conforme esquema da Figura 2a. Afita de papel, previamente cortada, tem dimensões conforme a Tabela 2, sendo que, parafibras de comprimento aproximadamente igual a 30 mm (coco e sisal) o papel é mais rígido(gramatura 180 g/m2

) e para as fibras com comprimento de aproximadamente 6 mm(sintéticas) o papel é mais flexível para evitar solicitação prévia da fibra. É recortada umajanela no centro da base de papel com dimensões conforme a Tabela 2, onde é colada a fibra.A dimensão de 15 mm da janela foi definida em função do comprimento de fibras longascomo as de coco e sisal de aproximadamente 30 mm. Enquanto que a dimensão de 3 mm

5

(largura da janela) foi fixada em função do comprimento mais comum das fibras sintéticasdisponíveis no mercado, que é de 6 mm. Fibras vegetais curtas como as de bagaço de cana,que têm comprimento próximo das fibras sintéticas, podem ser ensaiadas na base de papelcom janela menor.

Fibra

J . Base depapel

Janela

a)

bFigura 2 - a) Corpo-de-p,oova usado para o ensaio de tração direta das fibras; b) Ensaio de tração em

andamento (fibra de coco)

Uma vez posicionada a base de papel nas garras da máquina de ensaio, cortam-se aslaterais, ensaiando-se somente a fibra à tração conforme pode ser visto na Figura 2b. Adistância entre as garras da máquina coincide com o comprimento útil do corpo-de-prova(fibra). A máquina de ensaio usada é da marca Instron, modelo 5569, e células de cargaconforme Tabela 2. As velocidades adotadas nos ensaios variaram com o comprimento doscorpos-de-prova e ductilidade do material. Os valores aplicados foram determinados com basenas recomendações da ASTM D3822-96 (Tabela 3), sendo adotados os quatro valores maisconvenientes a serem utilizados em todas as fibras estudadas.

Tabela 2 - Condições específicas do ensaio de tração das diferentes fibras

DescriçãO' Fibras de coco Fibras de canae sisal

Fibrassintéticas

Dimensões da base de papel (mm) .... 65 x 25 50 x 20 50 x 20

pÍme[lsõés dajanela recortaqano centro dabé).Se de papel(mm) 15 x 15 3x6 3x6

Distância entre garras da máquinádeensaio (mm) 15 3 3

Velocidade deensaio (mm/min)Coco- 2,0Sisal- 0,4 0,4

pp- 1,5PVA-0,15

Capacidade da célula de carga (N) 1000 1000 10

Número de corpos-de-prova 20 40 40

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Deformação estimada na ruptura da fibra Taxa de deformação(%) (% do comprimento inicial do corpo-de-prova/min)

Abaixo de 8 108 a 100,inclusive ... 60

... Âicima d~ •• loO .. 240

Tab I 3 R

As fibras vegetais foram coladas na base de papel com cola de madeira (composição:polímero vinílico, tensoativos e plastificante), as fibras de PVA com cola do tipo instantâneo(composição: éster de cianoacri lato) e para a colagem das fibras de PP usou-se adesivo do tipo

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''jet melt" (composição: copolímero de etileno-acetato de vinila, polietileno e antioxidante),pois a cola instantânea não garante boa aderência das fibras de PP à base de papel.

2.2.1.2 Determinação da deformação das fibras no ensaio de tração

A deformação das fibras foi determinada pela relação entre o alongamento medido eo comprimento livre inicial da fibra. O alongamento da fibra foi medido pelo afastamento dasgarras. Devido às reduzidas dimensões dos corpos-de-prova não foi possível a utilização deinstrumentos de medida de deformação ou deslocamento como extensâmetros elétricos ouLVDT. Utilizando um LVDT Solatron verificou-se inicialmente que o afastamento da garra eo real deslocamento não apresentavam diferença significativa. Os resultados obtidosapresentaram boa correlação com erro desprezível. Todas as medidas para evitar eventuaisescorregamentos e acomodações durante o ensaio foram sempre tomadas.

Segundo a norma ASTM D3822-96, quando o comprimento do corpo-de-provadiminui, a resistência à tração pode aumentar, pois tem probabilidade menor de ocorrência dedefeitos da estrutura para a propagação das fissuras. Mas a precisão das propriedadesdeterminadas pode diminuir, o que pode requerer um número maior de corpos-de-provaensaiados. Isto é particularmente verdade para aquelas propriedades dependentes de medidasde alongamento, já que em comprimentos menores o efeito relativo de possíveisescorregamentos e acomodações nas garras é maior. Por esta razão foram ensaiados 40(quarenta) corpos-de-prova (fibras) para cada tipo de fibra sintética e fibra de cana (fibrascurtas).

O comprimento inicial das fibras de coco e sisal para efeito de cálculo da deformaçãoé igual a 15 mm (dimensão da janela da base de papel). Se a fibra apresenta alguma ondulação(comprimento ;:j::. 15mm), após o posicionamento da base de papel na máquina de ensaios ecorte das laterais da base de papel, ajustou-se a fibra deixando-a devidamente alinhada e reta,sendo que o afastamento entre as garras controlado pela máquina de ensaio foi adicionado aocomprimento inicial. No caso das fibras de cana e sintéticas, o comprimento livre da fibraapós a colagem na base de papel foi determinado por medição através de análise de imagemem micrografias como a da Figura 3. Cada corpo-de-prova a ser ensaiado foi fotografado paraa determinação do comprimento antes do ensaio.

Figura 3 - Micrografia para determinação do comprimento do corpo-de-prova (fibra) antes do ensaio detração direta

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2.2.1.3 Determinação da área da seção transversal das fibras para cálculo da tensão

A tensão imposta na fibra pela tração foi calculada pela expressão (5 =F/A, onde F éa força aplicada e A é a área da seção transversal inicial da fibra. Optou-se por determinar aárea transversal de cada corpo-de-prova (fibra) a ser ensaiado, pois a utilização da área médiaaumentaria a variabilidade dos resultados, especialmente para as fibras naturais, queapresentam considerável variação de dimensões. O módulo de elasticidade da fibra foideterminado pela relação entre tensão e deformação no trecho elástico inicial da curva tensãox deformação obtida no ensaio de tração.

Um estudo da seção transversal das fibras foi feito previamente. As fibras foramalinhadas, impregnadas a vácuo com resina epóxi e polidas com pasta de diamante, para aobtenção de micrografias como as da Figura 4, em microscópio óptico. A área e dimensõesprincipais (mínima e máxima) da seção transversal das fibras foram determinadas por análisede imagem. Com os dados obtidos, gráficos como os da Figura 5 foram elaborados, obtendo­se uma correlação entre a área real das fibras e a área determinada com a(s) dimensão(s) daseção transversal. Esta correlação foi usada para corrigir a área da seção determinada noscorpos-de-prova preparados para a tração. Esta correção foi aplicada porque a área da seçãotransversal da fibra a ser ensaiada é determinada através das dimensões transversais obtidasem micrografias como as da Figura 6, de cada corpo-de-prova (fibra), antes do ensaio.

Para fibras com seção transversal circular (PP e algumas de PVA) a dimensãotransversal medida coincide com o diâmetro da fibra com o qual se determina a área da seção.Porém, as seções transversais das fibras vegetais e algumas fibras de PVA (MOTTA et ar,2003) não são perfeitamente circulares. Para estas fibras com formas particulares da seçãotransversal, a área é determinada através da correlação entre a área calculada (através dadimensão transversal do corpo-de-prova) e a área real da seção (ver Figura 5). Para asmedidas das dimensões transversais dos corpos-de-prova das fibras vegetais utilizou-semicrômetro para direção normal ao plano da base de papel e micrografias como a da Figura6b para a outra direção. O micrômetro utilizado é da marca Mitutoyo, resolução de leitura de0,001 mm e faixa de medida de Oa 25 mm.

b)10Figura 4 - a) Seção transversal da fibra de coco; b) Seção transversal da fibra de sisal

O gráfico da Figura 5a ilustra a correlação entre a área real da seção transversal dafibra de coco e a área elíptica calculada através da maior e menor dimensão da seçãotransversal da fibra. A seção transversal da fibra de coco é aproximadamente elíptica (Figura4a) e, como pode ser observado, os valores das áreas praticamente coincidem (Figura 5a ­fator de correção aproximadamente igual a 1,00). No entanto, as fibras de sisal, cana, ealgumas de PVA, apresentam formas variadas e análises como a apresentada na Figura 5

8

foram usadas para se cornglr a área da seção transversal calculada pela(s) dimensão(s)transversal(s). Para as fibras de sisal o fator de correção da seção elíptica determinada pelasdimensões transversais é de 1,1709 (Figura 5b).

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a) Área elíptica (mm2

) b) Área elíptica (mm2)

Figura 5 - Correlação entre área real e área elíptica da seção transversal das fibras - a) fibra de coco; b)fibra de sisal

a ~Figura 6 - Micrografias para determinação da dimensão transversal do corpo-de-prova (fibra) - a) fibra

de polipropilenoj b) fibra de coco

2.2.2 Obtenção de micrografias e análise de imagem

As micrografias das seções transversais das fibras e aquelas usadas paradeterminação das dimensões transversais dos corpos-de-prova (Figura 6) foram obtidas emmicroscópio óptico, marca Zeiss, modelo Axioplan 2 imaging. As micrografias usadas para adeterminação dos comprimentos dos corpos-de-prova dos ensaios de tração (Figura 3) foramobtidas em estereoscópio, marca Zeiss, modelo Stemi 2000-C Uma câmara de alta resoluçãofoi acoplada a ambos, microscópio e estereoscópio, para a aquisição das imagens. As análisesde imagem foram feitas utilizando o aplicativo 1mage-pro Plus versão 4.0.

2.2.3 Massa específica por picnometria

A massa específica das fibras foi determinada por picnometria. O equipamentoutilizado foi um multipicnômetro da marca Quantachrome Instruments com gás Hélio. Asamostras foram previamente secas em estufa a 70±5 °e até constância de massa, em seguidaforam resfriadas à temperatura ambiente em dessecador com sílica gel. Foram feitas pelomenos três determinações em cada amostra.

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3 Resultados obtidos

Apresentam-se a seguir exemplos de resultados obtidos. A Figura 7 apresentagráficos com as curvas Tensão x Deformação típicas obtidas dos ensaios de tração direta dealgumas das fibras estudadas. Podem ser observadas fibras com comportamentocompletamente elástico linear, seguido de ruptura frágil (Figura 7b) e outras com expressivadeformação plástica (Figura 7a e Figura 7e), caracterizando ruptura dúctil.

Pode-se perceber pelas curvas Tensão x Deformação apresentadas que se tem umagrande variedade nas propriedades mecânicas das diferentes fibras estudadas. Dentre as fibrasvegetais, observa-se que a fibra de coco é a que apresenta menor resistência à tração assimcomo menor módulo de elasticidade. Pode-se notar uma grande deformação antes da rupturacom elevação da resistência em todo o trecho final (ver Figura 7a). Possivelmente estáacontecendo o estiramento da fibra, com tendência de alinhamento das microfibrilas comgrande ângulo de inclinação na parede secundária, maior responsável pela resistênciamecânica, como visto no capítulo 2.

As fibras de sisal apresentam diagramas tensão-deformação típicos de polímerossemicristalinos frágeis, rompendo-se enquanto se deformam elasticamente (CALLISTER,1999). Apresentam também maior módulo de elasticidade e maior resistência à tração dentreas fibras vegetais. Vale observar ainda a pequena deformação na ruptura das fibras de sisal(4% em média), como pode ser visto na Figura 7b e Tabela 4. As fibras de cana têmdesempenho mecânico intermediário dentre as fibras vegetais ensaiadas e também apresentampequena deformação na ruptura (9% em média).

Comparando as fibras vegetais e as de polipropileno, observa-se que as fibras de sisalapresentam o maior módulo de elasticidade. As fibras de cana também apresentampropriedades mecânicas próximas das melhores fibras de polipropileno. Até mesmo as fibrasde coco apresentam módulo de elasticidade maior do que a fibra PP 02.

As diferentes fibras de polipropileno apresentam variabilidade nas propriedades.Como pode ser observado na Figura 7d, Figura 7e, Figura 8 e ainda na Tabela 4, existemfibras de polipropileno que apresentam deformação na ruptura variando de 24% (PP 03) aaproximadamente 200% (PP 02). A fibra PP 02 também apresenta o menor valor para omódulo de elasticidade dentre todas as fibras ensaiadas, vegetais e sintéticas, com valor médioigual a 1,3 GPa. Mas nota-se também fibras com resistência mecânica alta, como a PP 05 quese aproxima da resistência à tração da fibra de PVA.

Pode ser observado ainda que, a exemplo da variação nas propriedades mecânicasdas diferentes fibras de polipropileno e vegetais, os valores das massas específicas tambémsão variáveis. As fibras vegetais apresentam resistência crescente com a massa específica.Algumas fibras de polipropileno que apresentam menor deformação na ruptura, tambémapresentam maior massa específica. Uma possibilidade é introdução de cargas que elevam asua massa específica.

Para as fibras de polipropileno com massas específicas muito próximas, maspropriedades mecânicas muito diferentes uma explicação plausível para esta diferença é ograu de estiramento da fibra na indústria. A fibra PP 02, por exemplo, sofreu menorestiramento (pré-tração), por isso apresentou deformação final tão elevada. Considerando ovolume constante na região de comportamento plástico apresentado pela fibra, pode-sedeterminar o diâmetro da fibra após a deformação plástica. Com este diâmetro (~ 0,60 vezes odiâmetro inicial) chega-se a uma resistência à tração de 926 MPa, ou seja, 2,78 vezes maiordo que a determinada com o diâmetro inicial (ver Tabela 4). O estiramento provoca a redução

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do diâmetro inicial, pois a fibra sofre deformação plástica, resultando em aumento daresistência e módulo de elasticidade (BENTUR e MINDESS, 1990). A capacidade dedeformação na ruptura é reduzida considerando que a fibra já sofreu parte da deformaçãoplástica no processo. Na Tabela 4 pode-se observar que a fibra que apresentou menordeformação final, apresenta também o maior módulo de elasticidade (PP 05).

0,04

0,080,06

0,03

0,04

0,02

Deformação (mm/mm)

Deformação (mmlmm)

0,02

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Deformação (mm/mm)

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20

0,1 0,2 0,3

a) Deformação (mmlmm)

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c)

Deformação (mmlmm) Deformação (mm/mm)~ D

Figura 7 - Diagramas tensão x deformação típicos obtidos para as fibras - a) coco; b) sisal; c) bagaço decana; d) polipropileno tipo OI (PP OI); e) polipropileno tipo 02 (PP 02) e; f) PVA OI

As fibras de PVA apresentam um pequeno trecho inicial com comportamentoelástico linear, onde é determinado o alto módulo de elasticidade desta fibra. Em seguida,pode-se observar um trecho intermediário e, após este, aparece novamente um comportamentoelástico linear com ruptura frágil, como mostrado no diagrama tensão x deformação da Figura

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11

7f (trecho final). O módulo de elasticidade inicial da fibra de PVA e sua resistência à traçãosão os mais altos valores obtidos para tais propriedades dentre as fibras estudadas .

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Módulo deResistência à tração Deformação máxima Massa específica Diâmetro

Fibras elasticidade(GPa) (MPa) (%) (g/cm3

) (Ilm )

Coco. 1,9 (0,5) 105,97 (33,53) 32 (11) 1,289 (0,024) *333,2 (72,6)

Sisâl 13,4 (2,3) 467,04 (125,99) 04 (01) J ,511 (0,097) * 174,2 (3 I, 1)

Cana 3,6 (1,3) 212,27 (86,23) 09 (03) 1,375 (0,029) *235,2 (56,7)

PVÁOl 34,8 (6,2) 1421,11 (275,38) 08 (O I) 1,249 (0,03 I) 15,3 (1,36)

PVA02 20,06 (7,21) 1450,09 (396,58) 10(02) J ,302 (O, I03) 14,38 (2,09)

PPOI 3,4 (0,9) 589,39 (102,72) 37 (10) 0,932 (0,024) 13,2 (0,95)

PP02 1,3 (0,2) 333, I (93,43) 197 (32) 0,9 I6 (0,022) 19,4 (1,86)

PP03 4,7 (0,9) 726,8 (198,80) 24 (08) 0,916 (0,012) 15,1 (1,52)

PP04 2,4 (0,7) 477,0 (100,51) 42 (16) 0,953 (0,009) 22,0 (2,55)

PP05 4,0 (1,1) 809,5l (175,51) 43 (16) 0,912 (0,047) 14,5 (3,20)

Os valores entre parênteses são os deSVIOS padrão*diâmetro equivalente (as seções destas fibras não são circulares - diâmetro equivalente é o diâmetro da áreacircular numericamente igual à área real)

PVA02

PVAOI

1600

1400

1200

~ 1000i=-c

E-o 800 .-

.0:

'"C.,f-<

400

200

_~..<III_"" PPOI

0,5 1,5

PP02

2

Deformação (mm/mm)

Figura 8 - Diagrama Tensão x Deformação resumo das fibras

Observando as curvas tensão x deformação de todas as fibras em um mesmo gráfico,ficam evidentes as diferenças nas propriedades mecânicas das diferentes fibras estudadas.Pode-se observar ainda que as fibras de cana, coco e polipropileno apresentam rigidezesmuito próximas, enquanto as fibras de sisal e PVA se sobressaem com maiores módulos deelasticidade.

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4 Conclusões

12

A caracterização física, mecal11ca e geométrica das diferentes fibras, unida aoconhecimento de outras variáveis pertinentes como custo, sustentabilidade, compatibilidade edurabilidade na matriz, embasam tomadas de decisões e comparações de desempenho dasdiferentes fibras. Por exemplo, quando se comparam as propriedades mecânicas das fibrasvegetais e as das fibras de polipropileno, não se percebe vantagens em utilizar um produtoindustrializado e com custo 3 a 7 vezes maior comparado às fibras de sisal e coco,respectivamente. A utilização das fibras vegetais oferece ainda a possibilidade de crescimentoda economia agrícola. No entanto, é importante lembrar que as fibras de polipropileno tem agrande vantagem de serem estáveis e duráveis em matrizes cimentícias, ao passo que as fibrasvegetais sofrem degradação neste meio.

As fibras de PVA, sem dúvida, apresentam as melhores propriedades mecânicas.Porém, seu custo é 5 a 13 vezes maior do que o da fibra de sisal e coco, respectivamente, e 2 a3 vezes mais alto do que as fibras de polipropileno. Hoje as fibras de PVA necessariamentetêm que ser importadas, enquanto que as fibras de polipropileno são produzidas no Brasil. Autilização de fibras de alto custo compromete a produção de componentes de fibrocimentoque possam substituir aqueles com fibras de amianto. Esta elevação do custo das fibras dereforço prejudica não somente o consumidor final, mas também a indústria.

Os resultados apresentados neste trabalho reforçam a importância da caracterizaçãodas fibras, possibilitando análises mais precisas dos compósitos, pois utilizando fibras demesmo material, polipropileno por exemplo, mas de origens (fabricantes) distintas, podem serobtidos compósitos com características totalmente diferentes, em função das propriedades dasfibras de reforço. A metodologia aplicada para a caracterização é precisa, mostroureprodutibilidade e pode ser aplicada em laboratórios de caracterização de materiais deconstrução. Com isso caracteriza-se a fibra individualmente determinando as propriedadesreais do material utilizado.

5 Referências bibliográficas

AGOPYAN, V. Materiais reforçados com fibras para a construção civil nos países emdesenvolvimento: o uso das fibras vegetais. 204 p. Tese (Livre-Docência) - EscolaPolitécnica, Universidade de São Paulo. São Paulo, 1991.

AKERS, S.A.S; STUDINKA, 1.B.; MEIER, P.; DOBB, M.G.; JOHNSON, 0.1.; HIKASA, 1.Long term durability of PVA reinforcing fibres in a cement matrix. The InternationalJournal of Cement Composites and Lightweight Concrete, v.11, n.2, p.79-91, 1989.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING ANO MATERIALS. Standard test method fortensile properties of single textile fibers - ASTM O 3822. Philadelphia, 1996.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING ANO MATERIALS. Standard test methods forlinear density oftextile fibers - ASTM O 1577. Philadelphia, 1996.

BENTUR, A.; MINDESS, S. Fibre Reinforced Cementitious Composites. Barking,EIsevier, 1990.

BETTERMAN, L.R.; OUYANG, c.; SHAH, S.P. Fiber-matrix interaction in microfiber­reinforced mortar. Advanced Cement Based Materiais, v.2, p.53-61, 1995.

J.ei/u A. ('as/ro Afnlta: f"áhun ,{í~(!;':I'{/Il; Vl,lIu'/cr!e.l' tI!. .1{)!m

cmp,·egm.;laslhl cunSrrllfIJ()çi"i1l"li!l' . 13

BRUM, E.; CANÇADO, P.; BARROCAL, A. Vida e morte pelo amianto. Época, São Paulo,n.360, p.l0-13, abr., 2005.

CALLISTER JúNIOR, W.D. Materiais Science and Engineering-An Introduction. JohnWiley & Sons, Inc., 5th ed. USA, 1999.

COUTTS, R.S.P. Wood fibre reinforced cement composites. In: Swamy, R.N., ed. Naturalfibre reinforced cement and concrete. Concrete and Technology and Design, 5. p.I-62,Glasgow, Blackie, 1988.

FU, SY.; HU, X.; YUE, CY. The flexural modulus of misaligned short-fiber-reinforcedpolymers. Composites Science and technology, v.59, p. 1533-1542, 1999.

GRAM, H.E. Durability ofnatural fibres in concrete. Stockholm, 255p. 1983.

HANNANT, DJ. Durability of polypropylene fibers in portland cement-based composites:eighteen years of data. Cement and Concrete Research, v.28, n.12, p.1809-1817, 1998.

KALBSKOPF, R.; LHONEUX, B.; VAN DER HEYDEN, L.; ALDERWElRELDT, L.Durability of fiber-cement roofing products. In: Inorganic-bonded wood and fibercomposites material, Sun Valley, USA. Proceedings v.8, 2002.

KATZ, A. Effect of fiber modulus of elasticity on the long term properties of micro-fiberreinforced cementitious composites. Cement and Concrete Composites, v. 18, p. 389­399, 1996.

LIANG, W.; CHENG, 1.; HU, Y.; LUO, H. Improved properties of GRC composites usingcommercial E-glass fibers with new coatings. Materiais Research Bulletin, v.37, p.641­646,2002.

MAl, Y.W.; ANDONIAN, R.; COTTERELL, B. Thermal degradation of polypropylenefibres in cement composites. The International Journal of Cement Composites andLightweight Concrete, v.2, n.3, p.149-155, 1980.

MARIKUNTE, S.; ALDEA, c.; SHAH, S.P. Durability of glass fiber reinforced cementcomposites: effect of silica fume and metakaolin. Advanced Cement Based Materiais,v.5, p.l00-l08, 1997.

MOTTA, L.A.C.; JOHN, V.M.; AGOPYAN, V. Caracterização de fibras sintéticas para usocomo reforço de matrizes cimentíceas. In. V Simpósio EPUSP Sobre Estruturas DeConcreto, 2003, CD-ROM, São Paulo - EPUSP, 2003

MOTTA, L.A.C. Melhoria do desempenho de fibras de coco e sisal para reforço dematrizes cimentícias através de tratamento termomecânico e impregnação deresinas. 2005. 133f. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo,São Paulo, 2005.

NIKLINSKI, 1.; NIKLINSKA, W.; CHYCZEWSKA, E.; LAUDANSKI, 1.; NAUMNIK, W.;CHYCZEWSKI, L.; PLUYGERS, E. The epidemiology of asbestos-related diseases.Lung Cancer, v.45S, p.S7-S15, 2004.

l.cita A. ("astro Afofla: [/"ohan Agon\'{lJ/; Vundcrley ,\1. .101m

14

SAVASTANO JúNIOR, H. Zona de transição entre fibras e pasta de cimento Portland:caracterização e inter-relação com as propriedades mecânicas do compósito. SãoPaulo. 209p. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, 1992.

STUDINKA, lB. Asbestos substitution in the cement industry. The International Journalof Cement Composites and Lightweight Concrete, v.11, n.2, p.73-78, 1989.

SWAMY, R.N. Vegetable fibre reinforced cement composites - a false dream or a potentialreality? In: International Symposium on Vegetable Plants and their Fibres as BuildingsMateriaIs, 2, Salvador. Proceedings. London, Chapman and Hall, p.3-8. (RilemProceedings, 7), 1990.

XU, G.; MAGNANI, S.; HANNANT, D.J. Durability of hybrid polypropylene-glass fibrecement corrugated sheets. Cement & Concrete Composites, v.20, p.79-84, 1998.