caracterizaÇÃo mecÂnica de argamassas polimÉricas
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PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE
ARGAMASSAS POLIMÉRICAS DE ÓLEO
DE MAMONA REFORÇADAS COM FIBRA
NATURAL DE PIAÇAVA
EDUARDO PEREIRA MOTTA
MAIO DE 2014
EDUARDO PEREIRA MOTTA
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE ARGAMASSAS
POLIMÉRICAS DE ÓLEO DE MAMONA REFORÇADAS
COM FIBRA NATURAL DE PIAÇAVA
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
Orientador: JOÃO MARCIANO LAREDO DOS REIS, PhD.
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
NITERÓI, 20 DE MAIO DE 2014
Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF
M921 Motta, Eduardo Pereira
Caracterização mecânica de argamassas poliméricas de óleo de mamona reforçadas com fibra natural de piaçava / Eduardo Pereira Motta. – Niterói, RJ : [s.n.], 2014.
88 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal Fluminense, 2014.
Orientador: João Marciano Laredo dos Reis.
1. Argamassa. 2. Compósito polimérico. 3. Poliuretano. 4. Óleo de mamona. 5. Análise mecânica. I. Título.
CDD 691.5
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE ARGAMASSAS
POLIMÉRICAS DE ÓLEO DE MAMONA REFORÇADAS
COM FIBRA NATURAL DE PIAÇAVA
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 (PhD.)
Universidade Federal Fluminense
(Orientador)
Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (DSc.)
Universidade Federal Fluminense
Prof. Silvio Romero de Barros (DSc.)
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca CEFET/RJ
Aos meus pais, Ana Lúcia Pereira Motta e Luiz Henrique Ribas Motta, por todo carinho,
dedicação e apoio ao longo de minha vida.
Agradecimentos
Quero agradecer primeiramente aos meus pais, Ana Lúcia e Luiz Henrique, por
todo o apoio, dedicação e incentivo dado aos meus estudos. Agradeço também pela
paciência que sempre tiveram comigo e compreensão.
Ao meu irmão e amigo Henrique, por sempre me incentivar durante essa árdua
caminhada.
A UFRN, instituição que eu guardo com muito carinho pela excelente base
teórica que me proporcionou , me ajudando a crescer profissionalmente e,
principalmente, me ajudando a crescer como ser humano.
A todos os meus amigos que fiz durante a minha graduação da UFRN. Obrigado
por sempre acreditarem em mim.
Por fim, quero agradecer ao meu orientador, João Reis, por todo apoio e ajuda
durante a realização dessa pesquisa.
Resumo
Este trabalho tem como objetivo a investigação experimental do comportamento mecânico de
argamassas de matriz poliméricas de resina poliuretana provinda do óleo de mamona, com e sem
reforço de fibras de piaçava. Argamassa polimérica é um material compósito composto por uma
fase dispersa, poros e uma fase contínua, aglomerante. A fase dispersa é composta por agregados
finos de areia, ao passo que a fase contínua é composta por aglomerantes poliméricos, podendo
ser resinas termorrígidas epóxi, poliéster e poliuretano provindo de óleo de mamona. As resinas
comumente utilizadas, poliéster e epóxi, são obtidas por meios não renováveis através da
polimerização de hidrocarbonetos fósseis. Ao passo que a resina de óleo de mamona provém de
uma fonte renovável, pois é manufaturada através da semente da planta Ricinus Communis,
conhecida no Brasil como mamona. Para a realização dos experimentos, foram construídas
diversas amostras de argamassas de matriz poliméricas de poliuretano provinda do óleo de
mamona com 10 e 12% de resina em massa, e amostras de argamassas de matrizes poliméricas
com 12% de resina, porém com a adição de 1% e 2% em massa de um reforço fibroso de
piaçava. Todos os corpos de prova foram feitos utilizando uma proporção de 1:1 de base e
endurecedor. Em seguida, foram realizados ensaios de compressão, flexão em três pontos e
fratura, com a finalidade de comparar a resistência a compressão, resistência a flexão, o fator
intensidade de tensão crítico, módulo de elasticidade, e a energia de fratura de cada material
estudado. Tais propriedades foram calculadas através do estudo da mecânica da fratura utilizando
o modelo de dois parâmetros de fratura (TPFM). Em seguida, foi feita uma comparação dos
resultados obtidos com trabalhos anteriores que utilizaram resina epóxi e poliéster para a
construção da argamassa polimérica. Assim, comprovou-se que as argamassas de matriz
polimérica de poliuretano provindo de óleo de mamona possuem propriedades mecânicas
similares àquelas baseadas em epóxi e significativamente superiores as do polímero de poliéster.
Ademais, verificou-se que adição de reforço fibroso de piaçava em até 1% melhora
consideravalmente a tenacidade a fratura das argamassa poliméricas.
Palavras chaves: Argamassa polimérica, polímero, poliuretano, óleo de mamona, compósito
polimérico.
Abstract
This work aims to investigate experimentally the mechanical behavior of polymeric mortar made
from castor oil resin, with and without piassava fiber reinforcement. Polymer mortar is a
composite material composed of a disperse phase, pores and a continuous binder phase. The
disperse phase is composed of fine aggregate sand, while the continuous phase is composed of
polymeric binder, as thermoset epoxy resins, polyester or polyurethane stemmed from castor oil.
Resins commonly used, epoxy and polyester, are obtained by polymerizing nom-renewable
hydrocarbon fossil. Whereas castor oil resin comes from a renewable source, because it is
manufactured through the seed of the plant Ricinus communis, known in Brazil as mamona. For
the experiments, several samples of polymer mortars made from polyurethane resin stemmed
from castor oil were build using 10 and 12% in mass of resin, furthermore polyurethane polymer
mortars with 12% in mass of resin were built with 1 and 2% of piassava fibrous reinforcement.
All the samples were built using the 1:1 proportion of base and hardener. Then, compression
tests, three-point bend and fracture tests were made in order to compare the compressive
strength, bending resistant, the critical stress intensity factor, modulus of elasticity, and the
fracture energy of each material studied in this work. These mechanical properties were
calculated using the two parameters of fracture method (TPFM). Then, a comparison of the
obtained results was made with previous works and papers from different authors, who had used
epoxy resin and polyester resin to build polymer mortars. Thereby, this study has proved that
polymer mortars made from polyurethane castor oil resin have far superior mechanical properties
then the polyester mortar, and similar mechanical properties when comparing it with epoxy
mortars. Moreover, it was found that adding 1% fibrous reinforcement of piassava considerably
improves the fracture toughness of the polymer mortar studied in this work.
Keywords: Polymeric mortar, polymer, polyurethane, castor oil, polymeric composite.
SUMÁRIO
Lista de Figuras ......................................................................................................................i
Lista de Tabelas ....................................................................................................................ii
1 Introdução .............................................................................................................................. 1
2 Revisão Bibliográfica ............................................................................................................... 7
2.1 Conceitos básicos de polímeros e classificação .............................................................. 7
2.2 Resina epóxi .................................................................................................................. 10
2.3 Resina poliéster insaturada .......................................................................................... 12
2.4 Resina poliuretana ........................................................................................................ 15
2.4.1 Reação de polimerização dos poliuretanos .......................................................... 16
2.4.2 Poliol, pré-polímero e óleo de mamona ............................................................... 16
2.4.3 Processo de produção do poliuretano de óleo de mamona ................................ 18
2.5 Compósitos ................................................................................................................... 20
2.5.1 Vantagem dos materiais compósitos ................................................................... 20
2.5.2 Tipos de materiais compósitos ............................................................................. 21
2.6 Argamassas e concretos poliméricos............................................................................ 23
2.6.1 Constituintes das argamassas poliméricas ........................................................... 26
2.6.2 Tipos de concretos poliméricos ............................................................................ 29
2.7 Compostos poliméricos reforçados com fibras ............................................................ 33
2.7.1 Fibras vegetais ...................................................................................................... 34
2.8 Mecânica da fratura de compósitos poliméricos ......................................................... 38
2.8.1 Mecânica da fratura aplicada aos polímeros ........................................................ 39
2.8.2 Mecânica da fratura em compósitos poliméricos reforçados .............................. 40
3 Materiais e métodos ............................................................................................................. 42
3.1 Materiais ....................................................................................................................... 42
3.1.1 Resina poliuretana provinda do óleo de mamona ............................................... 42
3.1.2 Agregado ............................................................................................................... 42
3.1.3 Reforço de piaçava ............................................................................................... 43
3.1.4 Amostras ............................................................................................................... 44
3.2 Métodos ........................................................................................................................ 46
3.2.1 Modelo de dois parâmetros de fratura (MFLE) .................................................... 46
3.2.2 Energia de fratura ................................................................................................. 49
3.2.3 Ensaio de Compressão .......................................................................................... 52
3.2.4 Flexão em três pontos .......................................................................................... 53
4 Resultados e disscussões ...................................................................................................... 54
4.1 Compressão .................................................................................................................. 54
4.2 Resistência à flexão....................................................................................................... 57
4.3 Módulo de elasticidade, tenacidade à fratura e energia de fratura. ........................... 60
5 Conclusão .............................................................................................................................. 64
6 Referências ........................................................................................................................... 66
7 Anexo: Artigo Publicado ................................................................................................... 72
i
Lista de figuras
Figura 2.1 - Cadeia de polímeros isotáticos [36] ........................................................................ 7
Figura 2.2 - Cadeia de polímeros sindiotáticos [36] ................................................................... 8
Figura 2.3 - Cadeira de polímeros atáticos [36] ......................................................................... 8
Figura 2.4 - Tipos de encadeamento entre os monômeros [36] ................................................ 8
Figura 2.5 - Estrutura química do grupo epóxido [25] ........................................................... 10
Figura 2.6 - Esquema ilustrando da cura da resina poliéster insaturada [23] ...................... 13
Figura 2.7 - – Polimerização dos poliuretanos [40].................................................................. 16
Figura 2.8 – Desenho esquemático da injetora de poliuretano .............................................. 19
Figura 2.9 – Classificação de compostos de concreto polimérico [25] .................................. 24
Figura 2.10 – Efeito da deformação ao redor da fibra na matriz sob tensão: (a) fibra
contínua; (b) fibra descontínua [37] .......................................................................................... 33
Figura 2.11 – Componentes estruturais de uma fibra vegetal [61] ....................................... 36
Figura 2.12 – Mecanismos de falha em materiais compósitos [61]........................................ 40
Figura 3.1 – Borras de piaçava ................................................................................................. 43
Figura 3.2 – Corpo de prova para o ensaio de fratura para o compósito com 12% de resina
...................................................................................................................................................... 44
Figura 3.3 – Corpo de prova para o ensaio de compressão para o compósito com 12% de
resina ............................................................................................................................................ 45
Figura 3.4 – Corpo de prova para o ensaio de flexão em três pontos com 12% de resina .. 45
Figura 3.5 – Corpo de prova na máquina universal de ensaios. ............................................ 47
Figura 3.6 – Compliance inicial [5] .......................................................................................... 48
Figura 3.7 – Compliance inicial ................................................................................................ 49
Figura 3.8 – Curva típica de Carga-delocamento [46] ........................................................... 51
Figura 3.9 – Posicionamento do corpo de prova ..................................................................... 53
Figura 4.1 – Tensão de compressão x deformação das argamassas com 10 e 12% de
poliuretano em massa ................................................................................................................. 55
Figura 4.2 – Tensão de flexão x deformação ........................................................................... 57
Figura 4.3 – Relação da carga aplicada com o deslocamento da amostra ............................ 61
Figura 4.4 – Relação da carga aplicada com o deslocamento da abertura da fenda (CMOD)
...................................................................................................................................................... 61
Figura 4.5 – Carga x CMOD de argamassas de matriz poliméricas sintéticas[84] ............. 62
ii
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Propriedades gerais e aplicações de uma argamassa polimérica, produzida com
aglomerantes do tipo poliéster insaturado ou epóxi [18] ......................................................... 14
Tabela 2.2 - Composição média do óleo de mamona [41] ...................................................... 18
Tabela 2.3 - Propriedades mecânicas de diferentes argamassas e concretos Poliméricos [5]
...................................................................................................................................................... 23
Tabela 2.4 - Aplicações do concreto e argamassas poliméricas e suas vantagens [18] ........ 26
Tabela 2.5 – propriedades mecânicas de algumas fibras vegetais[66] .................................. 35
Tabela 2.6 - Composição química de algumas fibras vegetais (%)- [66] .............................. 36
Tabela 3.1 - Propriedades da resina poliuretana provinda do óleo de mamona .................. 42
Tabela 3.2 - Número exato de amostras utilizadas em cada ensaio para cada constituinte.44
Tabela 4.1 - Resistência à compressão das argamassas poliméricas estudadas ................... 54
Tabela 4.2 - Resistência à compressão (MPa) de argamassas com 12% de resina poliéster,
epóxi e com poliuretano natural ................................................................................................ 56
Tabela 4.3 - Resistência à compressão de argamassas de resina poliéster [89] .................... 56
Tabela 4.4 - Resistência à compressão das argamassas poliméricas estudadas ................... 57
Tabela 4.5 - Resistência à flexão de argamassas com 12% de resina poliéster, epóxi e com
poliuretano natural ..................................................................................................................... 58
Tabela 4.6 - Resistência à compressão de argamassas de resina poliéster [89] .................... 59
Tabela 4.7 - Propriedades de fratura das argamassas de poliuretano natural .................... 60
Tabela 4.8 - Propriedades de fratura de argamassas de matriz poliméricas sintéticas [84] 63
1
CAPÍTULO 1
1 Introdução
Ao longo dos anos os países emergentes, sobretudo o Brasil, deram um grande
salto econômico. Isso fez com que houvesse uma melhor distribuição de renda,
melhorando o poder de compra da população. Assim, aliado à facilidade do crédito e
financiamento, aumentou-se muito a procura de imóveis novos e antigos. Segundo
Czarnecki (2001) [1], para suprir a demanda da população mundial nos próximos 12
anos, é necessário que se construa tantos prédios novos, quanto os que existem
atualmente. Assim, há a necessidade de dobrar o número de construções na superfície
terrestre. Além disso, o investimento em infraestruturas como pontes, autoestradas e
portos foi alavancado devido ao fortalecimento da indústria nacional. Com isso, houve
um grande crescimento no mercado da construção civil, demandando muita mão de obra
qualificada e matéria prima, tanto para construções novas quanto para reformas e
manutenção de obras antigas.
O concreto e a argamassa são os principais materiais utilizados na construção
civil, e um dos materiais mais usados em obras de infraestrutura. De acordo com
Czarnecki (2001) [1], a produção anual de cimento é de aproximadamente 1 bilhão e
duzentos milhões de toneladas, produzindo um total de 4 milhões de m3 de concreto. O
concreto e a argamassa que utilizam o cimento Portland são materiais mais usados nas
principais aplicações da engenharia civil, e são produtos monolíticos compostos de
cascalho, areia e cimento. A diferença entre concreto e argamassa está no tipo da areia,
onde o tamanho dos grãos de areia utilizados na argamassa são muito menores do que o
tamanho dos grãos utilizados no concreto. 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. 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 [2] [3].
Conceitualmente, a argamassa contém cascalho ou rocha britada, com areia
preenchendo os interstícios, enquanto a pasta de cimento-água preenche os espaços entre
os grãos de areia. Na prática, algum excesso de areia é requerido para assegurar o
completo preenchimento dos espaços entre o cascalho; deste excede-se também em dez
por cento o valor teórico da pasta cimento-água, o que garante o preenchimento do
espaço entre os grãos de areia [3]. A resistência da pasta de cimento e água já endurecida
estabelece a resistência do concreto, visto que qualquer ruptura ocorrerá entre a areia
e/ou partículas de pedra. 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 pela reação química de hidratação, que libera uma pequena quantidade
de calor para a atmosfera.
2
Há vários tipos de cimento para a obtenção de características mecânicas distintas.
Para exemplificar, um cimento de grande fração de silicato tricálcico (Ca3SiO5) endurece
rapidamente e , consequentemente, ganha a resistência desejada muito cedo. Por outro
lado, em casos nos quais o calor da reação seja indesejado e precise de um tempo maior
de endurecimento, utiliza-se um cimento rico em Ca2SiO4 [3]. Baseado nessas premissas,
a American Society for Testing Materials (ASTM) relacionou os seguintes tipos de
cimentos: cimento tipo I usado em construções de concreto onde não for requerida
qualquer propriedade especial, cimento tipo III usado nos casos em que seja pretendido
um correto de resistência antecipada, tipo IV usado nos casos em que seja exigido um
baixo calor de hidratação, e os cimentos tipo II e V para aplicações especiais nas quais o
ataque por sulfato constitui uma consideração de projeto. Além disso, as unidades de
mistura do concreto se baseiam na quantidade de cimento usada, e a relação
água/cimento é fundamental para a resistência do concreto.
Entretanto, a crescente demanda por matéria prima , o surgimento de novas
tecnologias, e as normas ambientais cada vez mais rigorosas, fizeram com que
aumentasse a necessidade de novos materiais para serem utilizados na construção civil.
Assim, o desenvolvimento de novos materiais que possuam maior resistência, maior
durabilidade e principalmente um melhor ciclo de vida fez-se necessário. A avaliação do
ciclo de vida de um produto inclui o ciclo de vida completo do material, processo ou
atividade, ou seja, a extração e o processamento de matérias-primas, a fabricação, o
transporte e a distribuição; o uso, o reemprego, a manutenção; a reciclagem, a
reutilização e a disposição final [4].
Sendo assim, a argamassa polimérica, AP, é considerada um exemplo de
material por possuir alta durabilidade devido a apresentar bons resultados frente aos
esforços mecânicos, as intempéries e a meios agressivos , reduzindo a necessidade de
manutenção, frequentemente requerida pela argamassa convencional, sendo o principal
fator de importância na análise do ciclo de vida de um produto [5]. AP é um composto
de agregado com um ligante de polímero e que não contém em sua composição cimento
Portland e nem água. As resinas mais utilizadas em sua formação são epóxi, acrílico e
poliéster. Além da vantagem no ciclo de vida em relação ao Cimento Portland, os
compósitos poliméricos possuem propriedades de fratura muito superiores, com grande
tenacidade, e menor taxa de propagação de trincas evitando fratura frágil.
Argamassa polimérica é um compósito sem a presença de cimento, feito de
agregantes inorgânicos unido por uma resina aglomerante que tem a função de substituir
o cimento. A sua composição é determinada pela sua aplicação, e é fortemente
influenciada pela taxa de aglomerante por resina. A argamassa polimérica é usada de
forma muito eficiente em componentes pré-moldados. De fato, as argamassas
poliméricas foram usadas primeiramente para a construção de chão industrial, retoque de
estruturas de concreto danificadas e retoque de tubulações subterrâneas. Em comparação
com o cimento convencional Portland, as argamassas poliméricas oferecem várias
vantagens, como maior resistência mecânica, maior resistência química e melhor
tenacidade à fratura [6-8].
As primeiras argamassas poliméricas utilizavam polímeros de resina sintética
como epóxi, poliéster, acrílico e poliuretano [9]. Os materiais sintéticos podem ser
produzidos a baixos custos e suas propriedades podem ser alteradas até o ponto onde
3
muitas delas são superiores a alguns polímeros naturais, como borracha, algodão, couro,
seda e lã [10] . Dependendo da aplicação, peças de madeira e até metálicas podem ser
substituídas por polímeros sintéticos de maneira satisfatória, e com a vantagem de ter
maior durabilidade, menor necessidade de manutenção e por proporcionar menor peso na
estrutura devido a sua menor densidade. Sendo assim, diversas pesquisas ao redor do
Mundo foram feitas com as resinas sintéticas, tratando-se desde o desenvolvimento de
argamassas, compósitos naturais e compósitos naturais reforçados com fibras naturais,
como a piaçava, fio de coco, dentre outras. Contudo, as resinas de epóxi, poliéster e
acrílico possuem um elevado preço de fabricação podendo limitar as suas aplicações.
Além disso, são materiais orgânicos provindos de hidrocarbonetos fósseis, ou seja, a sua
fonte não é renovável, pois provém do petróleo.
As principais matrizes energéticas mundiais vêm de fontes de hidrocarbonetos
não renováveis como o petróleo, carvão mineral e gás natural, que juntas chegam a
representar mais de 80% da fonte energética global [11]. Além de ser utilizado como
matriz energética, o petróleo ainda é a base para diversos produtos da indústria química
como tintas, óleos lubrificantes, graxas, querosenes, solventes, produtos asfálticos,
parafina, dentre outros. Diversas pesquisas alertam para uma possível escassez do
petróleo devido ao crescente aumento do consumo mundial impulsionado pelos países
emergentes. Além disso, o seu preço tende a continuar a subir devido às dificuldades de
exploração das novas reservas mundiais que se encontram em locais remotos do globo,
como por exemplo, o fundo do oceano. Sendo assim, por não ser renovável e ser
utilizado para diversas outras aplicações, é essencial o desenvolvimento de substitutos,
no caso específico deste trabalho, o desenvolvimento de uma argamassa de matriz
polimérica feita com resina natural e de fonte renovável.
Os óleos naturais como o óleo de soja, milho, tungue, linhaça e mamona, quando
sintetizados produzem polímeros naturais. Os óleos vegetais são predominantemente
produzidos de moléculas de triglicerídeos, e são os substitutos ideais dos óleos sintéticos,
pois como são produzidos de fontes biológicas, eles são renováveis, oferecem bom
desempenho e apresentam um custo menor quando comparado com os óleos produzidos
por petróleo. Além disso, esses materiais apresentam vantagens ambientais sobre os
óleos sintéticos não somente pelo fato de serem renováveis, mas também pela facilidade
do descarte e melhor ciclo de vida do produto [12] [13].
O óleo de mamona é uma das alternativas para a produção de compósitos de
matrizes poliméricas naturais por ser uma das poucas fontes naturais de produção de
resina que se assemelha a um composto puro. Ele é obtido da extração da semente da
mamona, cujo nome científico é Ricinus Communis. É um fluído viscoso, de cor amarelo
pálido, não volátil, com um sabor suave e que é utilizado algumas vezes como uma
substância laxante. Tem um leve odor característico, enquanto o petróleo bruto tem um
sabor ligeiramente amargo normalmente causando náuseas [14]. A Índia é o maior
produtor de óleo de mamona do mundo, seguido por China e Brasil. No Brasil, a planta
está sendo usada principalmente para a produção de biodiesel. O óleo de mamona é o
único que possui ambas as funções de insaturação e de hidroxila não conjugada. Além
disso, é sujeita a muitas reações orgânicas conhecidas para a formação de derivados
4
úteis, que podem sofrer reações de polimerização por radicais ou condensação [15]. Pode
ser sintetizada para a produção de resina de poliuretano, esta que possui grandes
atrativos devido a sua versatilidade estrutural podendo ser elastômero, termoplástico,
termofixo, espumas rígidas e flexíveis. Eles ainda apresentam a particularidade de serem
mais compatíveis com fibras vegetais do que outras resinas, em virtude da possibilidade
de reação dos grupos de hidroxilas das fibras e os grupos isoctanos do poliuretano [16]
[17].
Várias pesquisas vem sendo realizadas utilizando compósitos poliméricos com
reforço fibroso natural. Na tese de J. M. L. Reis [18] e na dissertação de M. A. G.
Jurumenha [5], argamassas poliméricas utilizando resinas sintéticas são reforçadas com
fibras sintéticas e naturais, melhorando as propriedades mecânicas dos compósitos.
Assim, na presente dissertação, argamassas poliméricas de resina poliuretana povinda de
óleo de mamona serão reforçadas com fibras de piaçava, para posterior análise de
resultados e comparação com demais argamassas poliméricas já estudadas .
Entretanto, deve-se ressaltar que o custo de argamassas e concretos poliméricos
pode atingir a faixa de 10 até 100 vezes o valor do cimento Portland, e mesmo
considerando que a massa específica 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 cimentado Portland comum. Assim, de
acordo com Fowler [9] [19], 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.
Portanto, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização mecânica de
argamassas de matriz poliméricas feitas a partir de resina de poliuretano natural
produzido a partir do óleo de mamona. Para isso, foram desenvolvidas diversas amostras
de argamassas de matriz poliméricas contendo 10 e 12% de poliuretano natural e
amostras de concretos de matriz poliméricas com 12% de poliuretano natural com a
adição de 1% e 2% em massa de um reforço fibroso de piaçava. Todos os corpos de
prova foram feitos utilizando uma proporção de 1:1 de base e enrijecedor.
Os valores de 12% de resina de poliuretano natural foram escolhidos afim de
comparar os resutados obtidos com pesquisas anteriores realizadas por J.M.L. Reis e E.P.
Carneiro [84], onde argamassas de 12% de epóxi e 12% poliéster com diversos teores de
reforço fibroso de piaçava foram manufaturadas e caracterizadas mecanicamente. O
valor de 10% de resina de poliuretano natural foi escolhido por ser o menor teor possível
de resina que possibilitava a fabricação do compósito. Os valores de 1 e 2% de reforço
de piaçava foram escolhidos pois no estudo realizado por J.M.L. Reis e E.P. Carneiro
[84], descobriu-se que esses eram os teores máximos em que se melhora o
comportamento mecânico do material, além disso a fibra de piaçava foi descrita por
alguns autores [13-16], como sendo a mais resistente dentre as fibras lignocelulósicas.
5
Experimentalmente esse trabalho de caracterização mecânica da argamassa
polimérica com materiais renováveis foi constituído por uma extensiva quantidade de
ensaios de compressão, flexão em três pontos e fratura no concreto polimérico em corpos
de prova prismáticos. 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 (LED). Para o teste de compressão foi seguida as recomendações dos
padrões ASTM C39-05 utilizando corpos de prova padronizados com a mistura do
concreto polimérico enquanto os ensaios de flexão foram de acordo às especificações e
recomendações da RILEM TC113/PCM-8. A geometria dos corpos de provas e o
espaçamento entre apoios da RILEM TC113/PCM-8 são similares aos padrões da
ASTM C348-02 [20-21].
Para melhor compreensão da caracterização do material foram explanadas nesta
dissertação breves explicações sobre mecânica da fratura como fenômeno de ruptura de
um material, formação e propagação de fissuras que provocam a ruptura de um material.
Resumidamente, a mecânica da fratura pode ser explicada pela Mecânica da Fratura
Linear elástica (MFLE) ou pela Mecânica da Fratura Não-Linear (MFNL). Parte do
comportamento dos concretos poliméricos pode ser estudado pela MFLE, quando
elástico, e outra parte pela MFNL, quando inelástico[5]. Porém, devido a lenta
propagação de trinca apresentada no comportamento não linear do material antes de
atingir a ruptura, esses modelos de mecânica da fratura possuem algumas limitações.
Dessa forma, pode-se utilizar o modelo de fissura fictícia (FCM) que descreve o
processo de fratura por dois parâmetros (energia de fratura e a resistência à tração). Além
disso, há a existência de outros modelos encontrados na literatura, estes que utilizam
múltiplos parâmetros de fratura.
Porém, devido a algumas dificuldades na implantação do FCM e preocupações
devido à singularidade da ponta da fissura, Y. S. Jenq e S. P. Shah [22] propuseram o
modelo de dois parâmetros de fratura (TPFM) que não necessita de uma relação
constitutiva de pós-pico. Assim, este foi o modelo utilizado neste estudo para a
determinação dos parâmetros da MFLE. Desta maneira, o fator de intensidade de tensão
crítica, KIc , é calculado na ponta de uma fissura de forma que a medição elástica do
deslocamento da abertura de fenda (CMOD) é igual ao calculado pela MFLE. Além
disso, a energia a fratura Gf é definada como a quantidade de energia necessária para
criar uma unidade de área de uma fenda, e é calculada através da área do gráfico que
relaciona a força aplicada durante o ensaio pelo deslocamento da garra da máquina.
Todos esses conceitos estão de acordo com as normas e recomendações utilizadas na
realização do experimento em questão.
O capítulo dois dessa dissertação será inteiramente dedicado às referências
bibliográficas, tratando dos conceitos básicos de polímeros, um breve histórico, os tipos
de concretos e argamassas de matriz polimérica, tipos de resina, reforços de fibra natural,
o processo de fabricação do óleo de mamona e conceitos elementares de mecânica da
fratura. O capítulo 3 tratará 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 mecânicos para caracterizar os materiais estudados. No
capítulo 4, serão abordados os resultados obtidos nesse experimento, bem como as
comparações dos dados obtidos de cada material nessa pesquisa com outros materiais
6
mais comumentes utilizados na engenharia. Por fim, no capítulo 5, será explanada a
conclusão dessa pesquisa.
7
CAPÍTULO 2
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Conceitos básicos de polímeros e classificação
Polímeros são materiais que apresentam estrutura molecular com unidades que se
repetem (meros ou unidades monoméricas) que são ligadas entre si por ligações
covalentes do tipo sp3, portanto fornando longas cadeias. Devido a essas cadeias longas,
polímeros são compostos de alta massa molecular. O número de meros na cadeia
polimérica é chamado grau de polimerização. Os Polímeros podem ser classificados
quanto à massa molecular. São chamados de oligômeros quando não possuem massa
molecular muito elevada. Porém, são chamados de alto polímero (high polymer) quando
possuem alta massa molecular. Por possuírem uma mistura de diferentes massas
moleculares (polimolecularidade), os polímeros são produtos heterogêneos [23].
Os polímeros ainda podem ser classificados quanto à quantidade de tipos de
meros na sua composição, sendo chamados de homopolímero quando a cadeia é
constituída por apenas um tipo de mero ou copolímeros quando formados por mais de
um tipo de mero [10]. Os copolímeros ainda podem ser classificados como copolímeros
estatísticos, quando não possuem qualquer ordenação, ou como polímero alternado,
quando existe uma repetição de meros de modo alternado. Além disso, os copolímeros
podem ser denominados copolímero em bloco quando se alterna sequências de unidades
químicas iguais. Quando estes blocos são ramificações ligadas à raiz da macromolécula,
este copolímero é chamado de copolímero grafitizado ou enxertado [23].
Segundo Vilar (1993) [36], quanto à taticidade ou seja, a orientação dos
substituintes em relação ao plano formado pela cadeia principal de um polímero
supostamente linear, os polímeros podem ser classificados da seguinte maneira:
- polímeros isotáticos, em que as ramificações estão todas voltadas para um
mesmo lado do plano.
Figura 2.1 - Cadeia de polímeros isotáticos [36]
- polímeros sindiotáticos, em que há alternância de orientação em relação ao
plano da cadeia.
8
Figura 2.2 - Cadeia de polímeros sindiotáticos [36]
- polímeros atáticos, quando não há qualquer regularidade de orientação.
Figura 2.3 - Cadeira de polímeros atáticos [36]
Quanto aos tipos de encadeamento entre os monômeros, tem-se o encadeamento
cabeça-cauda, cabeça-cabeça e cauda-cauda, predominando o primeiro, por razões
estéricas (Figura 2.4).
Figura 2.4 - Tipos de encadeamento entre os monômeros [36]
Os polímeros podem possuir cadeias com e sem ramificações. Os polímeros com
ramificações apresentam alto grau de complexidade e podem resultar no que se
denomina polímero reticulado (ligações cruzadas). Já os polímeros com cadeias sem
ramificações admitem conformação em zigue-zague (polímeros lineares) [23]. Como
consequencia, surgem diferentes propriedades polímero em relação à fusibilidade e
solubilidade.
9
Quanto ao processo de polimerização, as reações podem ser por adição, por
condensação ou policondensação. As polimerizações por adição são aquelas formadas
pelas reações sucessivas de monômeros contendo dupla ligação carbono-carbono,
chamados monômeros vinílicos. São exemplos deste tipo de reação, o PVC (policloreto
de vinila), o PP (polipropileno), PE (polietileno), entre outros [10]. Na policondesação,
por sua vez, as reações químicas acontecem por etapas, e, na maioria das vezes,
envolvem mais de um tipo de monômero. Além disso, este tipo de polimerização sempre
gera uma pequena molécula que é eliminada durante o processo, normalmente água,
álcool, entre outros. São exemplos deste tipo de reação o PET (Poli tereftalato de
etileno), RE (resina epóxi) e PU (poliuretano).
De acordo com as características referentes à fusibilidade, os polímeros podem
ainda ser divididos em dois grupos distintos. Termoplásticos, os quais possuem cadeias
lineares ou ramificadas e os termofixos, os quais apresentam uma estrutura
tridimensional. Tal classificação é explicada com mais detalhes abaixo:
a) Termoplástico: é um polímero artificial que, a uma dada temperatura,
apresenta alta viscosidade, podendo ser conformado e moldado.Em um
material termoplástico, uma longa cadeia molecular é interligada através
de uma fraca força de Van der Waals. Quando o material é aquecido, a
força da ligação intermolecular se enfraquece de forma a amolecer e
tornar o material mais flexível e, eventualmente, dependendo da
temperatura, até derreter o material. Contudo, quando o material é
resfriado, ele se solidifica novamente. Este ciclo de derretimento e
resfriamento do polímero pode ser feito várias vezes. Entretanto, as
propriedades do material variam muito com a temperatura. São exemplos
de termoplásticos: polietileno, policloreto de vinila, poliestireno, nylon e
celulose.
b) Termofixo: Material não fusível e insolúvel. Tal material é produzido
através de uma reação química de dois estágios: o primeiro estágio resulta
na formação de uma longa cadeia molecular similar a cadeia presente nos
termoplásticos, mas ainda capaz de uma reação posterior. O segundo
estágio da reação química (ligação cruzada de cadeias) acontece durante a
moldagem do material, quando se aplica calor e temperatura. Durante o
segundo estágio, as longas cadeias molecures ja foram interligadas com
ligações fortes, assim o material não é derretido com a presença de calor.
Contudo, se calor excessivo for aplicado nesses materiais, eles irão se
degradar . Ainda devido as fortes ligações químicas, materiais termofixos
são rígidos e suas propriedades mecânicas são sensíveis ao calor. São
considerados materiais termofixos: resina epóxi, poliéster, fenólicos,
melamina formaldeído, éster vinil, dentre outros.
No caso específico deste trabalho, será utilizada uma resina de poliuretano feita a
partir do óleo de mamona para a fabricação de argamassas poliméricas. Em seguida, esse
compósito será caracterizado mecanicamente através de diversos ensaios mecânicos,
com a finalidade de comparar os resultados obtidos com outras argamassas poliméricas
previamente estudadas, mais especificamente epóxi e poliéster. Desta forma, cada um
desses polímeros será estudado nos tópicos a seguir.
10
2.2 Resina epóxi
Resina epóxi é um polímero termofixo que pode ser polimerizado com uma
variedade de agentes de cura, sendo as poliaminas as mais utilizadas. O uso de
poliaminas como agentes de cura resulta em uma AP com uma grande resistência
química. Outros agentes de cura são as poliamidas e polímeros de polissulfeto. As AP
curadas com poliamidas tem uma melhor flexibilidade, melhor resistência ao calor, e
reduzida tendência para calcinação em exposição ao ar livre, mas a sua resistência a
solventes e produtos químicos é menor do que produtos similares curados com
poliaminas. A utilização de polímeros de polissulfeto produz concretos poliméricos de
base epóxi com uma flexibilidade ainda maior [18].
Segundo Morrison e Boyd (1990) [24], resinas epóxi são formadas tipicamente
pela reação do bisfenol e da epicloridrina. Todos os epóxidos têm a sua estrutura química
caracterizada pelo grupo epóxi onde um átomo de oxigênio é ligado lateralmente aos
carbonos dispostos na cadeia polimérica, conforme observado na figura 2.5:
Figura 2.5 - Estrutura química do grupo epóxido [25]
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 moléculas, as resinas epóxis podem ser desde um fluído viscoso até
um sólido com elevado ponto de fusão.
De acordo com Tezuka (1979) [26-28], 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 [29], 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.
Contudo, esta resina apresenta um custo elevado e uma susceptibilidade a altas
temperaturas.
A resina epóxi é classificada como um polímero termofixo e pode ser usado para
aplicação estrutural ou como adesivo. Dentre suas principais características, destacam-
11
se: alta força de tensão em módulo, boa resistência química, fácil processamento 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 termofixos
mais inertes e possui boa estabilidade dimensional em suas aplicações [30].
Resumindo, Tezuka (1979) [27] e Popovics (1992) [31] fizeram as seguintes
considerações em ralação à resina epóxi:
a) A resina epóxi possui alta resistência química e à corrosão, dureza e
flexibilidade, bom comportamento mecânico e elétrico, e notável adesão à
maioria dos substratos;
b) Na sua utilização, uma ampla variedade de produtos pode ser obtido
variando-se as propriedades na cura, seleção dos monômeros, aditivos e
agentes de cura. As principais aplicações dos epóxis na construção civil
situam-se em duas categorias: revestimentos e estruturais. Em outras
aplicações, apresentam-se incluídos os pisos, os reparos no concreto
deteriorado de autoestradas, os revestimentos para rodovias em geral,
especialmente nas pontes, e uma vasta demanda para aplicações adesivas;
c) Devido as suas excelentes características técnicas (elevadas resistências,
mecânica e química), o campo de aplicação da resina epóxi é muito grande,
sendo utilizado como aglomerante em argamassas e concretos, como cola de
peças pré-moldadas e como camada protetora de superfícies na forma de
tintas.
12
2.3 Resina poliéster insaturada
De acordo com Gorninski [25] [32-35], a resina poliéster é um dos polímeros
mais utilizados na produção de compostos poliméricos devido ao seu alto desempenho,
possuindo boa resistência mecânica, resistência a meios agressivos, baixa
permeabilidade e de custo inferior ao da resina epóxi, também comumente utilizada em
concretos poliméricos. Segundo MORRISON (1990) [24], várias combinações de
reagentes e processo estão potencialmente disponíveis para sintetizar poliéster.
Poliésteres podem ser produzidos por esterificação direta de um diácido com um diol ou
pela própria condensação de um ácido hidróxi-carboxílico.
Os ácidos carboxílicos reagem com os álcoois formando ésteres. Se o ácido
contiver mais de um grupo carboxílico (- COOH), e o álcool mais de um grupo –OH,
formam-se, como produtos de reação, os poliésteres [24].
Assim, ainda de acordo com MORRISON E BOYD [24], podem-se dividir os
poliésteres em quatro tipos:
a) Poliéster saturado termoplástico: obtido pela policondensação de ácidos
dibásicos saturados a 200°C como o ácido malônico, succínico, adípico, sebácico,
ftálico, com álcoois bivalentes também saturados como Etilenoglicol, Propilenoglicol,
glicol butilênico, entre outros. São polímeros que apresentam cadeias lineares e podem
apresentar-se no estado líquido ou sólido com baixo ponto de fusão, e geralmente são
solúveis em solventes orgânicos.
b) Poliéster saturado termoestável: processado através da condensação de um
diácido saturado, geralmente anidrido ftálico com glicerina, de onde vem o nome de
resina gliceroftálica. Estas resinas, pela sua fragilidade e pouca solubilidade em
solventes orgânicos, têm uma aplicação limitada;
c) Poliéster insaturado curado por condensação: obtido pela policondensação de
um glicol saturado com um diácido não saturado, dissolvido em um monômero do tipo
vinílico;
d) Poliéster insaturado curado por copolimerização: obtido por meio de
polimerização, formando uma estrutura molecular tridimensional;
Segundo Gorninski (2002) [25] , as matérias primas para a fabricação das resinas
poliésteres são:
a) Os ácidos orgânicos insaturados como o ácido maleico ou anidrido maleico
ou o isômero ácido fumárico.
b) Os ácidos orgânicos saturados como o ácido orto ftálico ou o anidrido ftálico,
ácido tereftálico.
c) Os glicóis como o etileno glicol, propileno ou neopentil glicol.
d) Os monômeros bifuncionais como o estireno ou vinil benzeno.
e) Inibidores como terc-butil catecol.
Os ácidos insaturados são utilizados para fornecer as insaturações aos polímeros,
sem as quais não há formação das ligações cruzadas ou formação do retículo
tridimensional, que é o que caracteriza uma resina poliéster insaturada. O ácido
insaturado fornece os pontos reativos para formação das ligações cruzadas. Já o ácido
13
saturado, além de determinar o grau de espaçamento ou contração das moléculas do
ácido insaturado ao longo da cadeia, determina também o tipo de resina.
Os glicóis apresentam grande importância nas características do produto final.
Dentre as propriedades afetadas pela escolha do glicol tem-se: flexibilidade,
cristalinidade, sensibilidade à água e ao calor, inércia química.
Os monômeros insaturados são utilizados para formar ligações cruzadas com os
pontos de instauração presentes na cadeia molecular do poliéster, formando uma “ponte”
entre os mesmos. Esta copolimerização transforma a massa do poliéster, do estado
líquido em estado sólido, liberando calor, formando um retículo tridimensional insolúvel
e infusível. Esta reação química é iniciada por radicais contidos no iniciador. Estes
iniciadores, porém, exigem uma ativação mediante aplicação de calor, ou por meio de
aceleradores.
Antes da cura, o monômero tem também a função de solvente e veículo para
baixar a viscosidade da resina. O estireno é o mais popular dos monômeros utilizados
por razões técnicas e econômicas. Através da ruptura da dupla ligação presente no grupo
vinílico é que o estireno forma ponte de interligação entre as moléculas adjacentes do
poliéster (Figura 2.6).
Figura 2.6 - Esquema ilustrando da cura da resina poliéster insaturada [23]
Os inibidores são substâncias que reagem com os radicais livres, neutralizando-os
e impedindo a gelatinização prematura da resina. Em seguida, o inibidor é acrescentado
ao estireno.
A cura do poliéster se inicia com a presença de radicais livres. A absorção desses
radicais livres cosiste no mecanismo de proteção de inibidores. Assim, a propagação da
reação químia de cura é impedida devido a todo radical livre ser neutralizado pelo
inibidor. Ao adicionar iniciadores na resina, este irá consumir o inibidor, permitindo que
a reação de cura se processe normalmente.
Em concreto polimérico, normalmente, utiliza-se resina do tipo poliéster
insaturada dissolvida em estireno. Contudo, de acordo com REBEIZ e FOWLER [51], o
alto custo das resinas poliésteres insaturadas estão cada vez mais direcionando os
pesquisadores no sentido de buscar alternativas de produção de um aglomerante
polimérico com um custo mais baixo. Justificando, desta forma, essa dissertação que visa
o desenvolvimento de um concreto de matriz polimérica a base de resina poliuretana
provinda da semente da mamona.
Portanto, ambas as resinas poliéster e epóxi têm diferentes aplicações e
características (Tabela 2.1). Cabe ao engenheiro realizar a seleção correta dos materiais
variando de acordo com a necessidade do projeto, evitando assim falhas estruturais ou
14
simplesmente evitando possíveis superdimensionamentos com consequente desperdício
de recursos materiais e financeiros.
Tabela 2.1 - Propriedades gerais e aplicações de uma argamassa polimérica,
produzida com aglomerantes do tipo poliéster insaturado ou epóxi [18]
Aglomerante Características gerais Aplicações comuns
Epóxi
Alta resistência química, ótima
aderência a outros materiais, baixo
índice de retração, baixa absorção de
água e alta resistência mecânica.
Utilizado em situações
especiais, como pisos para
indústria e rodovias, para
restauração de estruturas
deterioradas e como
recobrimento para paredes.
Poliéster
Boa aderência a outros materiais, alta
resistência química, alto índice de
retração, baixo custo e elevada
resistência a meios agressivos.
Vastamente utilizado em
painéis, pisos e em pré-
moldados e moldados no
canteiro de obras para diversos
fins na construção civil. Além
disso, tem sido empregado em
cascos de barcos silos e
tubulações industriais.
15
2.4 Resina poliuretana
Desenvolvidos por Otto Bayer em 1937, os poliuretanos iniciaram a sua
comercialização ainda na década de 30, com a fabricação de espumas rígidas, adesivos e
tintas. Durante a década de 40, os elastômeros de poliuretano foram originados na
Alemanha e na Inglaterra . Contudo, foi apenas na década de 50 que o poliuretano
registrou um grande desenvolvimento industrial, devido ao seu uso na confecção de
espumas flexíveis. Atualmente, a sua maior aplicação é na moldagem por injeção e
reação, RIM, que deu ímpeto aos estudos relacionando estrutura molecular e
propriedades dos poliuretanos [36].
Poliuretano é uma classe de polímeros que contém ligação uretana, mesmo que
existam outras ligações presentes. Contudo, diferentemente de outros polímeros de
unidades monoméricas, os poliuretanos não contêm unidades uretanas repetidas de modo
regular e não possuem uma fórmula empírica que seja representativa de um todo. Um
típico poliuretano, além dos grupos de uretano, pode conter hidrocarbonetos alifáticos e
aromáticos, grupos éster, éter, ureia, amida, dentre outros. Além disso, duas estruturas
básicas podem ser diferenciadas no poliuretano: segmentos poliéster ou poliésteres
longos e moderadamente flexíveis e segmentos curtos e relativamente rígidos,
compreendendo assim os grupos uretanos e aromáticos. A razão entre estes dois
segmentos pode ser variada dentro de amplos limites, alterando significativamente as
propriedades dos poliuretanos obtidos [37].
As resinas de poliuretano têm grande versatilidade, podendo ser utilizadas em
diferentes seguimentos da indústria, se apresentando como um elastômero de alta
flexibilidade ou de maior dureza, ou como um plástico de engenharia [38].
Os poliuretanos são consumidos principalmente sob a forma de espumas flexíveis
ou rígidas e elastômeros. Suas aplicações são variadas e incluem volantes, painéis,
assentos e pára-choques na indústria automotiva, colchões e assentos na indústria de
móveis, sola de sapatos, esquis e pranchas de surf, na indústria de esporte e lazer,
adesivos, refrigeradores, aquecedores, dentre outros [39].
As resinas poliuretano podem ser derivadas tanto do petróleo como de fontes
naturais, neste caso tem-se os chamados “biomonômeros” que podem ser obtidos de
fontes renováveis, como os óleos vegetais. Tais óleos podem derivar de diversos tipos de
plantas e sementes, como soja, milho, girassol, canola, amendoim, oliva, e no caso
específico deste trabalho, a mamona. A tendência mundial pela procura de materiais
biodegradáveis, não poluentes e , principalmente, materiais renováveis, fez com que
pesquisas com poliuretanos derivados do óleo de mamona aumentassem
consideravelmente, abrindo novas perspectivas para o seu desenvolvimento. Além disso,
a versatilidade de se obter materiais com propriedades diferentes fez com que esses se
tornassem um dos principais polímeros deste século [37].
16
2.4.1 Reação de polimerização dos poliuretanos
O produto da reação química entre um grupo hidroxila e um grupo isocianato é
chamado de uretano. A polimerização dos poliuretanos ocorre a partir de um composto
com dois ou mais isocianatos em uma estrutura com poliol, isto é, um álcool
polifuncional (Figura 2.7) .
Figura 2.7 - – Polimerização dos poliuretanos [40]
Quando se usam reagentes difuncionais, são produzidos poliuretanos lineares. Se
a funcionalidade (número de hidroxilas por moléculas disponíveis para reagir com
grupos isoctanos) desse composto dihidroxilado ou isocianato for aumentada para três ou
mais, são formados polímeros ramificados ou entrecruzados. Essa reação é exotérmica e
sua velocidade depende tanto da estrutura do isocianato como do poliol. A reatividade do
isocianato é dependente da influência dos grupos vizinhos e da configuração da molécula
[37].
Devido à alta reatividade dos compostos contendo grupos isocianatos, geralmente
é feita uma pré-polimerização que consiste da reação de um di ou poliisocianato com um
poliol, nas proporções previamente determinadas para a obtenção do teor de isocianato
livre desejado. A reação de polimerização ocorre pela mistura de pré-polímero com o
poliol final, gerando um poliuretano de alta massa molecular [37].
2.4.2 Poliol, pré-polímero e óleo de mamona
a) Poliol
Os compostos hidroxilados (polióis) e os isocianatos são componentes
importantes na síntese dos poliuretanos. Podem ser utilizados uma grande variedade de
poliol para a sua fabricação, desde polióis sintéticos preparados especialmente para
produção de polímeros com características distintas, até compostos naturais,como o óleo
de mamona, contendo três grupos de hidroxilas que produzem polímeros entrecruzados.
17
A maioria dos polióis é encontrada na forma de poliéteres ou poliésteres. Os
principais fatores na determinação das propriedades dos polímeros são a massa
molecular , funcionalidade e a estrutura do poliol. Um poliéster produz poliuretanos com
resistência à corrosão e propriedades térmicas diferentes das produzidas com poliéter. Os
poliuretanos derivados de poliéster são mais estáveis e menos oxidáveis.
De acordo com Pleplis (1991) [41], os polióis são desenvolvidos com estrutura
molecular e funcionalidade necessária para reagir com um pré-polímero ou um di-
isocianato comercial podendo gerar poliuretanos com propriedades específicas. A
escolha do poliol, especialmente pelo tamanho e flexibilidade de sua estrutura molecular
e sua funcionalidade controla, em grande parte, o grau de entrecruzamento obtido no
polímero formado na reação do poliol com o isocianto.
b) Pré-polímero
Os compostos contendo grupos isocianatos possuem uma alta reatividade sendo
assim, normalmente é feita uma pré-polimerização com o poliol aumentando a sua massa
molecular e deixando uma porcentagem de isocianato livre para reagir com o poliol
final.Tais compostos são encontrados em duas classes distintas: aromáticos, onde os
mais utilizados são o difenilmetano di-isocianato (MDI), e o tolueno di-isocianato (TDI);
alifáticos, sendo mais utilizado o di-isocianato de hexametileno (HDI) e o isofurona di-
isocianato (IPDI) [37].
c) Óleo de mamona
O óleo de mamona é obtido da semente da planta Ricinus Communis, uma planta
encontrada tipicamente em regiões tropicais e subtropicais, sendo muito abundante no
Brasil. O teor de óleo das sementes de mamona pode variar de 35 a 55%, mas a maior
parte das plantas cultivadas comercialmente no Brasil possui teor de óleo variando entre
45% e 50%. O óleo de mamona é uma das poucas fontes naturais de produção de resina
que se assemelha a um composto puro. Aproximadamente 90% do ácido graxo presente
na composição dos triglicerídeos do óleo de mamona é o ácido ricinoleico (Tabela 2.2),
muito utilizado como princípio ativo do laxante, sendo os restantes 10% constituídos de
ácido graxos não hidroxilados como os ácidos oleicos e linoleicos. O ácido ricinoleico
tem ligação insaturada e pertence ao grupo dos hidroxiácidos e se caracteriza por sua alta
massa molecular (298) e baixo ponto de fusão (5º C). O que difere o ácido ricinoleico da
grande maioria dos ácidos graxos presentes na natureza é a presença em sua estrutura
molecular do grupo hidroxila no carbono 12. Esta particularidade é o que faz da
triglicéride do ácido ricionoleico um poliol natural trifuncional.O grupo hidroxila
presente na ricinoleína confere, ao óleo de mamona, a propriedade exclusiva de
solubilidade em álcool [42] [43].
18
Tabela 2.2 - Composição média do óleo de mamona [41]
Componente Percentagem
Ácido ricinoleico 89,5
Ácido palmítico 1,0
Ácido linoleico 4,2
Ácido linolênico 0,3
Ácido dehidroxiesteárico 0,7
Ácido estereático 1,0
Ácido oleico 3,0
Ácido eicosanóico 0,3
A presença do ácido ricinoleico confere ao óleo de mamona propriedades únicas
e uma versatilidade incomum, que surge graças aos grupos OH e à ligação dupla, que são
sítios distintos de reação para preparação de vários derivados industriais. As reações
podem ser efetuadas isoladamente ou em combinação, resultando em muitas
possibilidades de obtenção de derivados. Devido à presença de grupos hidroxila na
porção ricinoleica, o óleo exibe características de solubilidade diferentes de outros óleos
vegetais. Ele é solúvel apenas em quantidades limitadas de éter e outros solventes
similares, contudo forma sistemas de duas fases com grandes teores destes solventes. É
muito mais solúvel em álcool e tem maior viscosidade que outros óleos vegetais.
Segundo Vilar (1993) [36], a funcionalidade do óleo de mamona é cerca de 2,7 e
o seu valor de hidroxilas é de 163 mgKOH/g (miligramas de hidróxido de potássio por
grama). Portanto, Vilar (1993) [36] acrescenta que este produto tem grande pureza e é
indicado para a produção de poliuretanos naturais.
2.4.3 Processo de produção do poliuretano de óleo de mamona
De acordo com a Plural Química, indústria que manufaturou a resina de
poliuretano obtida através do óleo de mamona utilizado nesta pesquisa, o processo de
desenvolvimento dessa resina segue um padrão de preparação de polióis para
poliuretanas obtidas de fontes naturais e renováveis, principalmente óleos vegetais e seus
derivados como polissacarídeos e derivados de biomassa.
Tal processo de síntese, comporta aos seguintes óleos vegetais, que podem ser
utilizados em sua forma “in natura” ou na forma de derivados: óleo proveniente de soja,
milho, palma, coco, amendoim, mamona, linhaça, girassol, babaçu, palmiste, canola,
oliva, carnaúba, tungue, jojoba, semente de uva, andiroba, amêndoa, amêndoa doce,
algodão, nozes, gérmen de trigo, arroz, macadâmia, gergelim, avelã, cacau, castanha de
caju, cupuaçu, e óleo de mamona. Nesse procedimento, derivados de óleos vegetais,
principalmente os glicerídeos podem ser parcialmente polimerizados.
19
Após essa etapa, os produtos obtidos são utilizados na obtenção de poliuretanas,
fazendo-os reagir com poli-isocianatos, podendo ainda sofrer posterior polimerizações
parciais com anidridos maleico ou ftálico. O sistema de produção compreende a
utilização de outros componentes hidroxilados e suas misturas, tais como glicerol,
etileno glicol, 1,2 propanodiol, 1,3 propanodiol, 1,2 butanodiol, dentre outros.
O processo de obtenção de poliuretana obtida com os precursores e polióis
descritos, compreenden a reação destes com poli-isocianatos e suas misturas. Também
são adicionados e utilizados catalisadores, surfactantes, corantes, cargas, retardadores de
chama, antioxidantes, protetores de radiação. Podem ser utilizados pigmentos como
óxidos metálicos e fuligem, individualmente ou em misturas. Corantes também são
utilizados, tais como azo-compostos, ftalocianinas, dioxazinas, corantes pigmentos
naturais, tais como óxido de ferro. São utilizados, dependendo da aplicação, agentes
expansores, tais como difluorclorometano, difluoretano e tetrafluoretana.
O processo de produção da poliuretana necessita da reação do poliól, com poli-
isocianatos adequados. Para aplicações especiais, utilizam-se retardantes de chamas
como, notadamente, hidróxido de alumínio e compostos de halogênio e fósforo e
melanina. São exemplos cloro-alquil-fosfatos, fosfitos poliméricos, polifosfatos de
amônia, dietil-bis-hidroxietil-aminoetil-fosfato e dibromopropanol.
Por fim, para a obtenção da poliuretana, o poliól, o poli-isocianato e todos os
componentes e aditivos precisam ser dosados e misturados com eficiência. São utilizados
então equipamentos específicos para essa finalidade, denominados “injetores de
poliuretana”, com modalidades de injeção em alta ou baixa pressão, controles de pressão,
fluxo, tempo de mistura e injeção e controle de temperatura. Trata-se de um equipamento
composto basicamente com dois tanques com controle de temperatura e agitação. Tais
tanques possuem conexões através de bombas e mangueiras até um misturador, que pode
ser estático ou rotativo, no qual os precursores são dosados e misturados. Como
exemplo, um desenho esquemático de uma injetora de poliuretana foi fornecido pelo
fabricante, e é mostrada na figura 2.8 abaixo:
Figura 2.8 – Desenho esquemático da injetora de poliuretano
20
2.5 Compósitos
Materiais compósitos são definidos como materiais formados de dois ou mais
constituintes com distintas composições, propriedades e estruturas estando separados por
uma interface. Possui como principal vantagem em relação aos demais materiais a
possibilidade de poder combinar diferentes tipos de materiais para produzir um único
dispositivo com propriedades superiores às dos componentes unitários. Assim,
compósitos podem ter várias aplicabilidades, podendo ser utilizados em sistemas ópticos,
estruturais, eletrônicos e químicos. Por isso, tais materiais já estão presentes em muitos
setores industriais [44].
Materiais compósitos são utilizados pelo homem há muito tempo, além disso
diversos compósitos são achados na natureza. Como principal exemplo pode-se citar a
madeira, que é um material compósito que consiste de fibras de celulose com reforço de
lignina como matriz. As fibras de celulose possuem alta resistência à tração, porém são
flexíveis, ao passo que a matriz de lignina, mais rígida, tem a função de manter a união
das fibras de celulose, consequentemente fornecendo rigidez às mesmas.
É possível obter com os materiais compósitos produtos com diferentes
propriedades, dentre elas: ductilidade, leveza, resistência térmica, dureza e resistência ao
impacto. Desta forma, o emprego deste tipo de material é muito amplo. Pode-se destacar
o uso de compóstiso na indústria aeronáutica, aeroespacial, marítima, automotiva,
equipamentos esportivos, infraestrutura, construção civil, dentre outras.
2.5.1 Vantagem dos materiais compósitos
Materiais compósitos são normalmente projetados para possuírem alto desempenho
com um peso leve. Além disso, os compósitos possuem outras vantagens sobre os
demais materiais de engenharia, dentre os quais detacam-se [44]:
Materiais compósitos podem ser utilizados para reparos de várias estruturas
metálicas. Há vários componentes metálicos que podem ser repostos por um
único componente de material compósito. Esta característica é usada para
controlar o estado de fadiga em estruturas.
Materiais compósitos têm uma relação específica de rigidez/densidade alta.
Dependendo do compósito, ele pode oferecer a mesma rigidez do aço com
apenas um quinto do seu peso, e pode ter a mesma rigidez do alumínio com
metade de seu peso.
Em virtude dessa alta relação específica de rigidez/densidade, os compósitos são
muito aplicados em aviões e automóveis, fazendo-os se moverem mais
rapidamente e com melhor eficiência de combustível. A força específica é
tipicamente 3 a 5 vezes maiores que do aço e ligas de alumínio.
O limite de resistência à fadiga é muito mais alto para materiais compósitos.
21
Materiais compósitos oferecem alta resistência à corrosão, e normalmente alta
resistência química.
Materiais compóstios oferecem maior flexibilidade na elaboração de um projeto,
pela opção de poder escolher materiais com diferentes propriedades.
Partes complexas com contornos especiais podem ser fabricadas usando
materiais compostos sem a necessidade de soldar pedaços separados,
aumentando a segurança do projeto e reduzindo tempo e custo de produção.
2.5.2 Tipos de materiais compósitos
Há vários tipos de compósitos que são utilizados na engenharia. Dentre eles,
detacam-se [44] :
Compósitos polímeros-metais: São compósitos de polímero-ferrita com
resistividade elétrica controlada para utilização na indústria eletro-eletrônica.
Estes materiais apresentam grande aplicabilidade, dentre elas destacam-se
memórias de computadores e fluídos magnéticos.
Compósito de Matriz Polimérica: Tipo mais comum e com maior
aplicabilidade em sistemas onde a temperatura não exceda de 100ºC a 200ºC.
Como exemplo, podem-se citar fibras curtas de vidro enterradas numa matriz
poliéster plásticas que são usadas em eletrodomésticos, barcos e na estrutura de
alguns automóveis, devido a seu peso leve, fácil fabricação em formas
complexas, resistência à corrosão e custo moderado.
Compósitos cerâmicos: Vem sendo desenvolvidos ao longo dos anos visando à
obtenção de materiais refratários com características elétricas adequadas ao uso,
tais como cadinhos em fornos de indução eletromagnética. As matrizes
cerâmicas podem receber reforços fibrosos objetivando o aumento da
tenacidade. Inclusões metálicas também podem ser adicionadas as matrizes
cerâmicas com o objetivo de se obter um material refratário susceptível ao
campo eletromagnético gerado em um forno de indução, permitindo o
autoaquecimento deste material a partir da temperatura ambiente, elimando as
desvantagens do uso de cadinhos de grafite na fusão de ligas reativas
susceptíveis à dissolução de carbono.
Vidros fosfatados: vidros fosfatados com a adição de chumbo e ferro estão em
desenvolvimento a partir da elaboração de fitas, fundidos e sintetizados, visando
sua utilização na imobilização de rejeitos radioativos de alta atividade, proteção
de substratos metálicos, confecção de juntas cerâmica-metal em metais com
baixo ponto de fusão e altos coeficientes de expanção térmica. Variações destes
vidros apresentam também potencialidade em aplicações ópticas como matrizes
de lasers e fibras ópticas .
Compósitos fibrosos: As fibras situam-se em lâminas sobrepostas ou camadas
na direção da espessura que obtêm as estruturas laminadas. As lâminas nunca se
sobrepõem com a mesma orientação. A sequencia de aplicação e a orientação
das fibras tem mais importância nas propriedades finais dos compósitos do que
as próprias características físicas das fibras e da matriz, e são estes que darão as
22
propriedades finais ao laminete. Contudo, no caso específico desse trabalho,
utilizaram-se fibras dispersas na argamassa polimérica ou seja, as fibras ficaram
espalhadas de maneira aleatória na matriz não possuindo uma orientação
definida. Tais compósitos tem grande aplicação industrial, destacando-se o uso
de fibras de carbono, que são filamentos feitos de carbono elementar com
estruturas que variam do carbono amorfo e da grafita cristalina, e fibras de
poliéster que são sistemas com custo reduzido e que oferecem excelente
resistência à corrosão.
23
2.6 Argamassas e concretos poliméricos
Concretos poliméricos (CP) são materiais compósitos produzidos por substituição
de parte ou todo aglomerante, que é normalmente o cimento Portland, do concreto
convencional, ou pela adição de um polímero à matriz hidratada do concreto. A
argamassa polimérica difere-se do CP pelo tipo da areia, onde o tamanho dos grãos de
areia utilizados na argamassa são muito menores do que o tamanho dos grãos utilizados
no concreto. Além disso, o concreto leva em sua composição brita, ao passo que a
argamassa não. Segundo PRUSINSKI (1978) [45], “ o verdadeiro concreto polimérico é
um produto híbrido, uma combinação sofisticada de uma tecnologia ancestral da
produção do concreto de cimento hidratado com a moderna química de polímeros. A
areia de sílica (SiO2), utilizada como agregado, é aglomerada com um monômero (resina
polimérica), que é polimerizada (endurecida), formando um material resistente.”
Em geral, conforme Ohama (1997) [46], 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), também conhecido como concreto de cimento e polímero (substituição de parte
do aglomerante cimento por polímeros);
- argamassa de polímero (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 2.9 apresenta a classificação de compostos de concreto polimérico, e a
tabela 2.3 apresenta as propriedades típicas do CIP, CMP e CP :
Tabela 2.3 - Propriedades mecânicas de diferentes argamassas e concretos
Poliméricos [5]
Compósito Absorção de
água (%)
Resistência à
compressão
(MPa)
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
Resistência à
Flexão (MPa)
CIP 0,60 140 42 10,5
CMP - 38 14 5,6
CP 0,4 120 12 22
24
Figura 2.9 – Classificação de compostos de concreto polimérico [25]
25
Segundo STEINBERG (1968) [47], as pesquisas relacionadas a estes materiais se
desenvolveram, inicialmente, nos Estados Unidos, mas especificamente, por
pesquisadores da NASA, seguidos pelos japoneses que , além de pesquisas, atribuíram
aplicações imediatas aos novos materiais. De acordo com Fowler [9], concretos
modificados por polímeros e concretos poliméricos começaram a ser pesquisados em
meados do século XX depois do ano de 1950 entretanto, seu uso era muito limitado.
Contudo foi apenas depois dos anos 70, quando o concreto impregnado por polímero foi
desenvolvido, que os estudos relativos a concretos poliméricos receberam uma grande
alavancada. Em 1975, criou-se no Instituto Americano de Concreto (Comitê 548) ,
chamado de Polímeros em Concreto. Além disso, o primeiro Congresso Internacional
sobre Polímeros em Concreto (ICPIC) foi realizado em Londres. Mais tarde, comitês no
RILEM (União internacional dos laboratórios e especialistas em materiais de construção,
sistemas e estruturas) foram formados especificamente para realizar estudos sobre
concretos de compósitos poliméricos. Ao longo dos anos, simpósios regulares do
Instituto Americano de Concreto (ACI) e conferências do ICPIC tem ajudado a aplicar e
expandir o mercado de concretos poliméricos ao redor do Globo.
As principais aplicações dos concretos poliméricos são na reparação e construção
de argamassas para rodovias, estruturas como pontes, encanamentos e similares, e como
elementos decorativos. Uma atenção especial é dada para suporte de máquinas em
sistemas de linha de produção. Algumas aplicações e vantagens dos concretos
poliméricos são mostradas na tabela 2.4 .
Existem muitas vantagens das quais concretos e argamassas poliméricas podem
oferecer para a qualidade final dos produtos, dentre elas destacan-se:
- grande estabilidade dimensional
- cura rápida
- alta resistência estática e dinâmica
- baixo coeficiente de expanção
- boas propriedades mecânicas
- excelente durabilidade
- resitência à corrosão
26
Tabela 2.4 - Aplicações do concreto e argamassas poliméricas e suas vantagens [18]
Aplicações Vantagens
Recobrimentos Cura rápida e fácil aplicação
Pontes, decks e pisos Resistência à corrosão
Reparos Cura rápida, boa aderência à maioria das
superfícies
Pisos de concreto e reparos estruturais Impermeável à água e sais de degelo
produtos pré-fabricados Curto tempo de cura, alta relação
resistência-massa
Aplicação em máquinas ferramentas Fundição no local, baixo custo,
estabilidade dinâmica e térmica
Aplicações especiais Alta resistência, baixa emissão de resina de
estireno
Rejuntamento, encapsulamento de resíduos Resinas de baixa contração
Concretos e argamassas poliméricas são formados essencialmente por uma
mistura de duas fases, uma contínua (resina) e outra dispersa (areia com diferentes
tamanhos de grão). A mudança da cementação para aglomerantes influencia diretamente
no comportamento mecânico do concreto quando comparado ao cimento comum [29].
Os aglomerantes poliméricos apropriados para uso em concretos e argamassas
poliméricas são escolhidos a partir do uso que será dado a estes materiais. Em geral, as
resinas utilizadas para compósitos poliméricos são: poliéster, epóxi, fenólica, polimetil-
metacrilato, resina de uréia-formaldeído, entre outras. Porém, por ter a possibilidade de
ser produzida através de meios renováveis, a resina estudada neste trabalho será a
poliuretana natural feita a partir do óleo de mamona, que terá suas propriedades
mecânicas comparadas com argamassas de epóxi e poliéster.
2.6.1 Constituintes das argamassas poliméricas
a) Agregados
Os agregados tem grande importância na manufatura das argamassas poliméricas.
Eles determinam a retração final do produto e as suas propriedades mecânicas. A
seleção adequada dos agregados irá influênciar na operacionalidade, resistência e
durabilidade do material. Uma pequena mudança no teor pode causar grandes mudanças
nas propriedades finais.
A princípio, qualquer tipo de agregado já utilizado para argamassas de concreto
pode também ser utilizado para a manufatura de argamasas poliméricas. A principal
diferença é a limpeza e secagem dos agregantes, como procedimento essencial na
fabricação de argamassas poliméricas.
27
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 [18]:
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
Desses processos, o agregado ainda pode ser classificado em mais três tipos
diferentes:
Brita ou agregado mineral manufaturado
Camadas de rochas extraídas através de trituração para reduzir até o
tamanho desejado e dividir-los em grupos de acordo com o tamanho.
Calcário e dolomita (-70%, duro para dúctil)
Granito (-15%, duro)
Arenito (-2%, dúctil)
Massa normal
Cascalho, areia, brita comum – Densidade variando de 1520 a 1680
Kg/m3, o mais comumente usado.
Massa leve
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:
Agregados naturais minerais – cascalho, areia e brita derivados de fontes
naturais.
Rocha ígnea – Formada no resfriamento do magma (rocha derretida);
granito, basalto – Possui elevada dureza e alta resistência, atuando
como um excelente agregado.
Rocha sedimentar - Rochas estratificadas. Ex: Calcário, arenito.
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
28
Materiais processados termicamente, como argilas e xistos
expandidos.
Agregados feitos de subprodutos industriais, ou seja, escória de alto-
forno e cinzas volantes.
Agregados reciclados
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.
Outra descrição de agregados é dada na norma ASTM C294 que os classificam
como se segue abaixo [18]:
Minerais de sílica: Quartzo, opala, calcedônia, tridimita e cristobalita.
Feldspatos
Minerais micáceos
Minerais de carbonite
Sulfuretos
Minerais ferromagnesianos
Zeólito
Óxidos de ferro
Minerais de argila
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 superfícial.
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,
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. Desde 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 humidade.
29
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 termofixa. Termoplásticos e termofixos são as principais classes
de plásticos, que podem ser encontradas facilmente no mercado com uma grande
variedade de propriedades variando conforme o uso.
2.6.2 Tipos de concretos poliméricos
No geral, conforme visto anteriormente, existem diversos tipos de concretos e
argamassas poliméricas. As definições para concretos poliméricos são mostradas nas
próximas seções. Considera-se nesta seção que argamassas e concretos poliméricos
podem ser subdivididos nos mesmos grupos, possuindo portanto a mesma definição.
Contudo, salienta-se novamente que se diferem pelo tamanho do grão do agregado, onde
a argamassa utiliza sempre agregado fino, ao passo que concreto utiliza agregados de
diversos tamanhos de grão. Além disso, o concreto leva em sua composição brita, ao
passo que a argamassa não.
a) Concreto modificado por polímero
Para STEINBERG (1973) [47] e TEZUKA (1988) [26], o concreto modificado
por polímero é uma pré-mistura da pasta de cimento e agregados na qual um monômero
é adicionado antes do assentamento e da cura. Em outras palavras, o concreto
modificado por polímero (CMP) 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.
De acordo com Fowler [9], concretos modificados por polímeros usando látex
tem sido usado desde os anos de 1950, contudo começaram a ser largamente aplicados
na insdústria da construção civil somente a partir de 1980. Atualmente, são utilizados em
países desenvolvidos como o Japão e os EUA como materiais de construção populares.
O processo de produção do CMP 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 [5].
Alguns trabalhos acadêmicos têm encontrado condições de aumento na
resistência à compressão em 50% sobre o concreto convencional com concentração de
polímeros relativamente alta, em torno de 30%. Sistemas poliéster-estireno, epóxi-
estireno, monômeros furânicos e o cloreto de vinilideno têm sido empregados em pisos
de pontes, contudo atingem um limitado sucesso. Isso ocorre devido aos materiais
orgânicos que são incompatíveis com sistemas aquosos e na maioria dos casos,
interagem com o processo de hidratação do cimento alcalino. O incentivo para a
produção desses materiais está vinculado ao fato de que estes podem ser moldados no
próprio local das aplicações em campo, ao passo que o concreto impregnado por
30
polímero requer uma estrutura pré-moldada. Portanto, do ponto de vista construtivo,
CMP tem a vantagem de ser muito similar à tecnologia do concreto Portland comum,
além disso utiliza menor teor de resina comparada ao concreto polimérico. Por isso, de
acordo com FOWER [9], a argamassa de cimento e polímero talvez venha a ser o
material mais promissor da área de concreto polimérico.
b) Concreto impregnado por polímero
De acordo com Tezuka (1988) [26], 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.
Segundo Fower, o CIP foi o primeiro concreto polimérico a ser amplamente conhecido
no mundo acadêmico, devido as pesquisas no Laboratório Nacional de Brookhaven e no
Bureau of Reclamation , ambas nos USA, realizadas nos anos de 1960, embora alguns
pesquisadores da antiga URSS afirmassem que o inventaram anteriormente.
O CIP pode apresentar resistência à compressão de 3 a 4 vezes maior do que o
concreto convencional, e possui uma excelente resistência à flexão, boa durabilidade e
resistência frente a meios ácidos em virtude da sua baixa permeabilidade [19] . Tesuka
(1988) [26] 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 CIP consiste basicamente na secagem e cura do
concreto de cimento Portland no seu método convencional, em seguida a remoção à
vácuo do ar nos poros da superfície do produto para posterior injeção de monômeros de
baixa viscosidade. Tais serão polimerizados por meio de radiação, calor ou iniciação
química, resultando na formação de uma segunda matriz, se os poros forem
interconectados através do material [35]. O processo de impregnação do concreto pode
ser completo ou parcial. Segundo Gorninski [25], 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 [49].
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
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.
31
Com esta técnica de impregnação, obtem-se um produto impermeável à água e muito
resistente a meios ácidos e à abrasão [35]. Neste caso, para garantir a proteção desejada
com menor quantidade de impregnação de monômeros, a sua 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 CIP 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 CIP 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 .
c) Concreto polimérico
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 filer como a cinza volante). Os agregados e filer 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 filer
e segue-se uma reação de polimerização. A cura é controlada pelo teor de aditivos
adicionados ao aglomerante (Tezuka, 1988) [9]. O CP difere-se dos outros tipos de
compósitos poliméricos pois, nesse material, ocorre a substituição total do aglomerante,
cimento Portland por uma resina polimérica. Esta resina aglomerante é um monômero
catalisado, podendo ser do tipo poliéster, epóxi, acrílico, poliuretano, dentre outros. [49].
Este material é chamado de concreto, segundo Vipolanandan e Dharmarajan
(1987) [50], devido à definição geral, onde concreto consiste de um agregado qualquer
ligado por um aglomerante. Os principais parâmetros de produção do CP visam
minimizar o volume de vazios na massa do agregado, como também reduzir a
quantidade de polímero necessário para ligação do agregado, reduzindo o custo do
concreto polimérico. Isso pode ser obtido por classificação e mistura de agregados, a fim
de minimizar o volume de vazios.
Em alguns casos, são utilizadas fibras para reforço, tais como as fibras de vidro,
piaçava, fibra de coco, dentre outras. Estas passam a fazer parte da composição do
concreto polimérico, especialmente em compostos pré-moldados para aplicações nas
estruturas hidráulicas, as quais vem sendo produzidos nos EUA desde meados da década
de 70 [19][9]. Vigas de concreto polimérico, de alta resistência, duráveis, impermeáveis
e de cura rápida, também estão sendo produzidas utilizando aço como reforço [51-55].
De acordo com Kukacka e Romano (1973) [56], existe um grande interesse no
desenvolvimento do CP devido há alguns incovenientes do concreto convencional. O
32
concreto de cimento Portland tem pH alcalino em virtude da formação de produtos de
hidratação, como os hidróxidos de metais alcalinos e alcalinos terrosos. Assim, o
concreto em contato com meios ácidos tende a reagir reduzindo o pH, consequentemente
depassivando a armadura, perdendo massa e resistência. O aglomerante polimérico é
praticamente isento desse problema pois o polímero pode ser compactado com um
mínimo de vazios, além disso a maioria dos polímeros são hidrófobos e resistentes ao
ataque químico.
K. G. Tonet (2009) [49] destaca que a principal utilização dos concretos
poliméricos é o uso para pisos de máquinas industriais, devido ao alto poder de
amortecimento da vibração do CP, tornando a estrutura mais durável e resistente. Tal
amortecimento de vibração deixa o ambiente de trabalho menos ruidoso. Ademais,
devido a sua alta resistência ao impacto, resistência química e grande resistência ao
tráfego pesado, os CP 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 poliméticas adquirem mais de
90% de sua resistência final, consistindo em uma vantagem desse material em relação as
argamassas convencionais [49].
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
[49] [9] [59].
33
2.7 Compostos poliméricos reforçados com fibras
De acordo com Matthews e Rawlings (1994) [60], as fibras podem ser divididas
em fibras contínuas ou fibras descontínuas, sendo que as duas têm a finalidade de resistir
aos esforços provenientes da matriz, porém com características distintas que influenciam
no desempenho mecânico dos compósitos. De acordo com R.V. da Silva, os compósitos
poliméricos reforçados por fibras contínuas são os de melhor desempenho mecânico,
pois apresentam propriedades mecânicas ortotrópicas que conduzem a mecanismos de
falhas específicas; ao passo que os compósitos reforçados por fibras descontínuas,
apresentam um comportamento isotrópico em sua escala macroscópica. Além disso, os
compósitos reforçados com fibras contínuas apresentam alta resistência e rigidez na
direção das fibras, porém, um baixo desempenho na direção transversal às mesmas, e
neste caso a resistência e a rigidez são controladas pelas propriedades da matriz. Caso
carregamentos biaxiais sejam requisitos de projeto, são utilizados compósitos laminados
formados pela união de várias lâminas com diferentes orientações.
Os compósitos com fibras descontínuas possuem propriedades inferiores quando
comparados aos compósitos com fibras contínuas. Além disso, nos compósitos com
fibras descontínuas os extremos das fibras podem atuar como pontos concentradores de
tensões, que induzem tensões cisalhantes na interface. Contudo, esses compósitos
oferecem maior facilidade de processamento a um menor custo.
Segundo G. D. Silvestre Filho [37], as características das matrizes de compósitos
dependem das propriedades das fibras e da magnitude que o carregamento é transmitido
para as fibras por intermédio da matriz. Sendo assim, a interface matriz/fibra é a
principal responsável pela transferência da solicitação mecânica da matriz para o reforço.
Essa transferência de carregamento varia de acordo com o comprimento da fibra e da
adesão interfacial entre fibra e matriz. A figura 2.10 abaixo mostra o efeito da
deformação ao redor da fibra sob tensão:
Figura 2.10 – Efeito da deformação ao redor da fibra na matriz sob tensão: (a)
fibra contínua; (b) fibra descontínua [37]
34
Assim, Matthews e Rawlings (1994) [60] definem o comprimento crítico da fibra
(lc) como sendo o comprimento mínimo da fibra, para um dado diâmetro, que admita a
tensão de ruptura à tração da fibra em lugar da tensão de ruptura ao cisalhamento da
interface, ou seja, é o comprimento mínimo necessário para a tensão transmitida alcançar
à tensão de ruptura a tração da fibra, e não e da matriz. Portanto, com o aumento do
comprimento da fibra, a eficiência do reforço aumenta, pois o máximo carregamento se
distribui ao longo de boa parte da fibra [37].
A orientação das fibras e fração volumérica também influenciam na resistência
mecânica do compósito reforçado com fibras. Isso porque compósitos com fibras
alinhadas são anisotrópicas portanto, na direção do alinhamento, a resistência mecânica é
máxima, ao passo que na direção perpendicular é mínima. Para compósitos reforçados
com fibras descontínuas, as fibras podem ser orientadas preferencialmente ou
aleatoriamente [37]. Os compósitos podem obter alta rigidez e resistência quando
reforçadas por fibras curtas alinhadas longitudinalmente.
Portanto, conforme visto anteriormente, há um grande interesse no entendimento
dos mecanismos físicos e químicos responsáveis pela adesão fibra-matriz, visto que a
interface fibra-matriz influencia diretamente no desempenho mecânico e estrutural dos
compósitos. Desta forma, vários pesquisadores vêm buscando métodos de avaliação de
interações mecânicas na interface fibra-matriz. Como exemplo citam-se Herrera Franco e
Drzal (1992) [63], que compararam em sua pesquisa os principais métodos de avaliação
das interações mecânicas entre a fibra e a matriz e discutiram a teoria dessas avaliações,
bem como os seus procedimentos experimentais.
2.7.1 Fibras vegetais
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 [64]. 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 R. V. da Silva [61], 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 2.5 abaixo apresenta dados comparativos de
propriedades mecânicas e características de algumas fibras vegetais e fibras de reforço
convencionais.
35
Tabela 2.5 – propriedades mecânicas de algumas fibras vegetais[66]
Propriedades
Massa
específica
real
(g/m3)
Absorção
máxima
(%)
Alongamento
na ruptura
(%)
Resistência
à tração
(MPa)
Módulo de
elasticidade
(GPa)
Coco (Cocos
Nucifere) 1177 93,8 23,9-51,4 95-118 2,8
Sisal (Agave
sisalana) 1370 110 4,9-5,4 347-378 15,2
Malva (Urena
lobata) 1409 182,2 5,2 160 17,4
Celulose para
papel
imprensa
(Pinusa elliotti
princ.)
1200-1500 400 nd 300-500 10-40
Bambu
(Bambusa
vulgaris)
1158 145 3,2 73-505 4,6-5,1
Piaçava
(Attalea
funifera)
1054 34,4 - 108 6 143 5,6
As substâncias polares constituem como 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 [67]. A tabela 2.6 abaixo apresenta a composição química de
algumas fibras vegetais.
36
Tabela 2.6 - Composição química de algumas fibras vegetais (%)- [66]
Fibra Celulose Hemicelulose Lignina
Piaçava 29 11 45
Bagaço 48 22 20
Bambu 35 15 27
Cana 45 20 23
Linho 60 16 4
Juta 60 15 16
Cânhamo 67 16 8
Rami 69 13 1
Cânhamo de manilha 63 20 6
Sisal 60 12 10
Madeira 45 22 25
De acordo com RV da Silva (2003) [61], 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 2.11 . Esta possui uma parede espessa
formada por várias microfibrilas que formam espirais ao longo do eixo da fibra, tendo
um lumen 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 [61].
Figura 2.11 – Componentes estruturais de uma fibra vegetal [61]
37
As fibras hemiceluloses são constituídas por diferentes unidades de açúcares
sendo solúveis em álcalis. Os principais açúcares são as pentoses, hexoses, 6-
desoxihexoses e os ácidos urônicos. O seu grau de polimerização é de 10 a 100 vezes
menor que o da celulose e as cadeias possuem um considerável grau de ramificação em
relação à celulose. [68] .
A lignina possui uma estrutura complexa com constituintes alifáticos e
aromáticos. É um material amorfo encontrado nas paredes celulares das plantas, cuja
função é conferir rigidez a parede celular.
De acordo com RV da Silva (2003) [61], 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 [68]. 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 [61].
Devido às essas ligações de hidrogênio, as fibras vegetais são de natureza
hidrófila. Tal natureza é de grande problema das 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 [69]. 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.
2.7.1.1 Fibra de piaçava
A piaçava é uma fibra natural extraída de palmeiras, conhecida cientificamente
como Attalea funifera Mart. No Brasil, a Bahia é responsável por 95% do total da
produção nacional, sendo a sua exploração uma atividade puramente extrativista [86].
Desenvolve-se bem em climas quentes e úmidos, pertencendo à espécie das palmáceas e
tem a vantagem de formar fibras longas, conservar sua elasticidade quando umedecida e
ser impermeável [70].
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
38
retirados. O produto é amarrado em molhos, podendo depois ser cortado quando
destinado à indústria específica. As fibras alcançam até 4 metros de comprimento e têm
cerca de 1,1 milímetro de espessura [66].
Atualmente, a piaçava é utilizada na fabricação de vassouras, escovas, cordas
para navios, cestos, capachos e coberturas. Contudo, estima-se que o percentual de
desperdício nas indústrias que trabalham com esta fibra é da ordem de 20% [71]. Assim,
em virtude da conscientização ambiental e reaproveitamento de resíduos, a presente
dissertação visa a utilização de fibras de piaçavas como reforço para seus compósitos de
matriz poliméricas. Diversas pesquisas vêm sendo elaboradas a esse respeito, e novas
aplicações dessas fibras vegetais vêm sendo implementadas, provando que a piaçava
pode melhorar a mecânica da fratura de diversos materiais compósitos [72].
2.8 Mecânica da fratura de compósitos poliméricos
Os polímeros e os compósitos poliméricos possuem diversas aplicações, sendo
amplamente utilizados na engenharia. Contudo, em todas as aplicações desses materiais
a maior preocupação é como ocorrerá a fratura. Por esse motivo, foi desenvolvido um
campo de pesquisas denominado de mecânica da fratura, onde o principal objetivo é
simplificar e racionalizar os estudos relativos à fratura dos materiais. Os primeiros
estudos de mecânica da fratura foram feitos por Griffith em 1920. No final da década de
1940, o estudo da mecânica da fratura se desenvolveu ainda mais graças a pesquisas
realizadas por Irwin, e por Orowan em 1950. A partir dessa época, até os dias de hoje,
diversos trabalhos de mecânica da fratura vêm sendo desenvolvidos tanto para materiais
cerâmicos quanto para materiais metálicos e poliméricos [61].
Segundo R. V. da Silva [61], a mecânica da fratura é dividida em duas grandes
áreas:
Mecânica da fratura elástica linear (MFEL): A tenacidade à fratura é
dada pelo fator de intensidade de tensão KIc, que é expresso como função
da geometria do corpo de prova e do carregamento aplicado, ou também
pela taxa de liberação de energia antes de ruptura, Gf.
Mecânica da fratura elasto plástica (MFEP): A tenacidade à fratura é
medida através do parâmetro de Integral-J.
A mecânica da fratura elástica linear (MFEL) é válida somente para alguns tipos
de materiais, onde os corpos de prova apresentam deformação plástica reduzida na ponta
de trinca, 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 da trinca inviabilizando o uso da análise elástica
[61].
Assim, para materiais com alta ductilidade, a análise de mecânica da fratura é
feita por meio da mecânica de fratura elasto plástica (MFEP) . O principal parâmetro de
tenacidade à fratura para esse modelo é a integral-J. Esse parâmetro foi inicialmente
proposto por Rice em 1968, que definiu a integral-J como uma integral de contorno
39
utilizada para caracterizar campos de tensão e deformação na ponta de uma trinca sob
condições elasto-plásticas.
Ao longo dos anos, outros modelos de parâmetros de medida de tenacidade à
fratura foram desenvolvidos, dentre eles detacam-se o deslocamento crítico da abertura
de fissura (CTOD), curva R e o modelo de fissura fictícia (FCM). O modelo de fissura
fictícia descreve o processo de fratura por dois parâmetros: energia de fratura e
resistência à tração. Na literatura, há vários outros modelos que utilizam múltiplos
parâmetros de fratura, dentre eles destacam-se o modelo Blunt-Crack Band (BCB),
modelo da densidade da energia de deformação (SED), modelo de fratura não linear
assumindo uma propagação de fissura discreta e modelo de dois parâmetros de fratura
[5].
Vários trabalhos são encontrados na literatura sobre o uso desses modelos. Os
dados experimentais apresentados por essas técnicas mostram algumas contradições e
incertezas na aplicação dessas técnicas. Entretanto, na presente dissertação, será utilizada
para caracterizar mecanicamente o material o Modelo de dois Parâmetros de Fratura
(TPFM), onde o fator de intensidade de tensão crítico KIc é calculado na ponta de uma
fissura de forma que a medição elástica do descolamento da abertura da fenda (CMOD)
é igual à calculada pela mecânica da fratura linear elástica (MFLE).
2.8.1 Mecânica da fratura aplicada aos polímeros
O desenvolvimento da mecânica da fratura em materiais poliméricos ainda está
no princípio quando comparada aos materiais metálicos pois, devido ao comportamento
viscoelástico dos metais, a metodologia desenvolvida para esses materiais não pode ser
aplicada aos polímetos. Assim, raras são as análises teóricas que incorporam o
comportamento viscoelástico dos polímeros. Contudo, apesar de haver algumas
controvérsias, a determinação da tenacidade à fratura através do parâmetro Kic e da
Integral-J tem sido aplicada nos materiais poliméricos com sucesso utilizando
procedimentos de ensaios similares aos aplicados nos metais [61][73-75].
Isso é explicado pelo fato de que quando um material polimérico contendo
alguma trinca é submetido a um carregamento, uma zona plástica se forma na ponta da
trinca.Essa zona é muito semelhante à zona plástica formada nos metais (principalmente
quando comparada a polímeros termorrígidos), sendo assim o mecanismo de escoamento
dominante é a deformação por cisalhamento. Além disso, embora as resinas temorrígidas
sejam consideradas frágeis, foi constatado que esses materiais possuem considerável
deformação plástica na ponta da trinca. Em alguns ensaios de tenacidade à fratura,
ocorrem mecanismos de embotamento da ponta da trinca ou até mesmo parada de
propagação devido à alta plasticidade. De acordo com R. V. da Silva [61], os polímeros
termorrígidos mais estudados com relação à tenacidade à fratura são as resinas epóxi e
poliésteres insaturados.
40
2.8.2 Mecânica da fratura em compósitos poliméricos reforçados
Compósitos poliméricos reforçados possuem excelente eficiência estrutural,
contudo o fato de eles serem materiais anisotrópicos, ou seja suas propriedades
mecânicas variam conforme a direção, dificulta a previsão do modo de falha da estrutura.
O grau de anisotropia está relacionado a vários parâmetros, dentre eles destacam-se:
módudo de elasticidade da fibra, orientação e/ou entrelaçamento das fibras, fração
volumétrica de fibras e o grau de interação entre as fibras e a matriz polimérica. Tais
parâmetros influenciam o comportamento mecânico da estrutura pois alteram
significativamente o modo de falha do laminado, dificultando ainda mais uma previsão
de falha. Todas as variáveis acima citadas mostram que a caracterização mecânica desses
materiais não é feita de maneira simples, e que a grande questão de materiais compósitos
é como aplicar os métodos de mecânica da fratura padrão desenvolvidos para materiais
homogêneos aos materiais compósitos.
Segundo R. V. da Silva [61], a fratura de materiais compósitos reforçados com
fibras raramente ocorrem de modo catastrófico, tendendo a ser progressiva e com falhas
subcríticas dispersas através do material. Ainda segundo a autora, os mecanismos de
falhas locais que podem ocorrer em um compósito reforçado com fibras são:
deslocamento das fibras, ruptura das fibras, deformação e formação de trincas na matriz,
deslizamento interfacial seguido da ruptura das fibras (pull out) e ainda o efeito de ponte
de fibras (fiber bridging), onde as superfícies de uma trinca são interligadas por
fibras.Tais modos de falha são mostrados na figura 2.12 abaxo:
Figura 2.12 – Mecanismos de falha em materiais compósitos [61]
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 Segundo R. V. da Silva [61], 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 intralaminares (propagando entre as fibras). As tensões que produzem a
41
delaminação nesses materiais podem surgir de tensões externas aplicadas, da estrutura
geométrica do compósito e pela diferença do módulo de elasticidade da matriz e das
fibras.
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 [81]. 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.
42
CAPÍTULO 3
3 Materiais e métodos
3.1 Materiais
3.1.1 Resina poliuretana provinda do óleo de mamona
A resina poliuretana utilizada nesta pesquisa foi desenvolvida pelo Grupo de
análise química e tecnológica de polímeros, USP, São Carlos, Brasil, e foi manufaturada
e fornecida pela Plural Química. A Tabela 3.1 abaixo apresenta as características da
resina poliuretana utilizada nesta pesquisa:
Tabela 3.1 - Propriedades da resina poliuretana provinda do óleo de
mamona
Propriedades
Cor Amarelo escuro
Densidade (g/cm3) 1,1
Dureza shore D 70
Módulo de elasticidade (GPa) 2,0
Temperatura de transição vítrea – Tg (ºC) 60
A resina de poliuretano provinda do óleo de mamona se consiste em dois
componentes, poliol e pré-polímero. O poliol foi sintetizado do óleo de mamona,
obtendo assim o poliéster tri-funcional com índice de hidroxila de 330mg KOH/g. O pré-
polímero foi sintetizado do di-isocianato de difenilmetano e pré-polimerizado com um
poliol também derivado de óleo de mamona, mantendo a porcentagem de isoctano livre
para uma reação posterior. As densidades aproximadas do pré-polímero e do poliol
medidas foram de 1,17 e 0.98 g/cm3, respectivamente. A resina foi processada
misturando a base e o enrijecedor em uma relação de massa de 1:1.
3.1.2 Agregado
O agregado utilizado foi areia com tamanho de grão homogêneo, com grãos
uniformes com diâmetro médio de 300 μm, com módulo de finura entre 3 e 5. A
gravidade específica encontrada foi de 2,63 g/cm3 . A areia foi previamente seca em um
forno para reduzir o teor de umidade, e então adicionada na resina de óleo de mamona,
garantindo assim uma boa liga entre o polímero natural e o agregado inorgânico.
43
3.1.3 Reforço de piaçava
A piaçava utilizada nesta pesquisa foi obtida de uma fábrica de vassouras do
nordeste brasileiro, mais precisamente no estado da Bahia. Tal reforço foi descrito por
alguns autores [13-16] [61] [82-83], como sendo o mais resistente dentre as fibras
lignocelulósicas, sendo essa a principal justificativa para a utilização desse material
nessa pesquisa. A resistência mecânica provém das células esclerenquimáticas, que está
presente em cada fibra individual. As propriedades mecânicas de cada fibra individual
dependem da origem da planta, da natureza de extração, processo de refino, idade e
constituintes químicos [25]. O principal uso da piaçava é na manufatura de vassouras,
dos quais são feitas utilizando fibras finas e duras de piaçava, mas existem grandes
quantidades de resíduos de piaçava que não são utilizados e são depositados em aterros,
esses resíduos são chamados de borras . Borras de piaçava são mostradas na figura 3.1
abaixo:
Figura 3.1 – Borras de piaçava
As borras de piaçava foram então trituradas e usadas como substituto parcial do
agregado natural com tamanho médico das fibras de aproximadamente 6 mm. A taxa
utilizada nas misturas foram de 1 e 2% em massa, substituindo os agregados na mistura.
Tais percentagens não foram maiores, pois em artigos anteriores publicados por J.M.L.
Reis e E.P. Carneiro (2012) [84], descobriu-se que ao passar de 2% em porcentagem em
massa de piaçava, a resistência mecânica do compósito diminui, tornando esta prática
inviável.
44
3.1.4 Amostras
A tabela 3.2 mostra a quantidade de amostras utilizadas para cada ensaio bem
como os seus constituintes.
Tabela 3.2 - Número exato de amostras utilizadas em cada ensaio para cada
constituinte.
Ensaios
Constituintes Compressão Flexão Impacto
10% de resina 3 3 3
12% de resina 3 3 3
12% de resina mais 1% de fibra 3 3 3
12% de resina mais 2% de fibra 3 3 3
Seguem abaixo os corpos de prova para o ensaio de fratura, compressão e flexão
em três pontos respectivamente, da argamassa polimérica à base de poliuretano provinda
do óleo de mamona com 12% de resina em massa, sem reforço fibroso. Vale ressaltar
que o corpo de prova para o ensaio de compressão foi manufaturado através do corpo de
prova do ensaio de flexão após a sua fratura.
Figura 3.2 – Corpo de prova para o ensaio de fratura para o compósito com 12%
de resina
45
Figura 3.3 – Corpo de prova para o ensaio de compressão para o compósito
com 12% de resina
Figura 3.4 – Corpo de prova para o ensaio de flexão em três pontos com
12% de resina
46
3.2 Métodos
3.2.1 Modelo de dois parâmetros de fratura (MFLE)
Conforme visto anteriormente, será utilizado o modelo de dois parâmetros de
fratura (TPFM) para avaliar a ruptura das amostras. Tal modelo necessita da realização
de um ensaio de flexão em três pontos em amostras com uma pequena fenda na parte
inferior do centro do copo de prova, de modo a atuar como um concentrador de tensões
durante o experimento. Como se trata de um teste quase estático, a taxa de deslocamento
do teste deve ser controlada de modo que o pico de carga seja alcançado no tempo de
aproximadamente 5 minutos. Sendo assim, este experimento foi realizado em uma
máquina universal de ensaios (SHIMADZU) a uma velocidade de 0.5 mm/min. A
abertura da fenda foi medida através de um clip-gauge posicionado na parte de baixo do
corpo de prova e fixo na posição por placas com 3mm de espessura, como mostrado nas
figuras 3.5 e 3.6. Antes de iniciar o teste, o corpo de prova foi cuidadosamente alinhado
de acordo com linhas guia presentes no equipamento.
Figura 3.5 – Corpo de prova na máquina universal de ensaios.
47
A partir dos valores de carga, deslocamento vertical e abertura da fenda obtidos
do ensaio realizado, a energia de fratura (Gf), o fator de intensidade de tensão
(tenacidade a fratura KIc), o módulo de elasticidade (E) e a abertura do topo da trinca
(CTODc) foram calculados, com base no que foi estabelecido pelo comitê técnico
RILEM [20]. Tal comitê estabeleceu que o fator intensidade de tensão crítico, ou
tenacidade à fratura KIc , é calculado na ponta de uma fissura de modo que a medição
elástica do deslocamento da abertura de fenda (CMOD) é igual ao calculado pela MFLE.
Assumindo o perfil da fissura ou diretamente usando a formulação da MFLE, o
deslocamento da abertura da fissura no pico da fenda (CTODc) pode ser obtido.
Utilizando somente ensaios de flexão em três pontos, diferentes dimensões de corpos de
prova de diferentes proporções de mistura, foi concluído que ambos KIc e CTODc são
independentes da dimensão do corpo de prova. Como ambos os fatores são determinados
diretamente pela formulação da MFLE, a singularidade da ponta da fissura é
automaticamente incorporada no modelo [5].
A figura 3.6 abaixo mostra a geometria do corpo de prova utilizado no ensaio de
fratura bem como as suas nomenclaturas:
Figura 3.6 – Compliance inicial [5]
48
Assim, de acordo com o comitê técnico RILEM [20] , o módulo de elasticidade
(E) é calculado pela medição do compliance inicial (Ci) usando a equação (3.1) abaixo:
(Eq. 3.1)
onde S, a0, H0,W e B são definidos na figura 3.6, e Ci é igual ao compliance inicial
retirado da figura 3.7.
Baseado em uma análise de elementos finitos [18], a contribuição da espessura do
suporte para o clip gauge (H0) está incluso na função V1 (α) abaixo:
(Eq. 3.2)
Onde:
(Eq. 3.3)
Antes de calcular o fator intensidade de tensão crítico, KIc, o comprimento da
fissura efetivo, ( = a0 + comprimento da fissura na carga máxima) é calculado ao
solucionar a seguinte quação:
(Eq. 3.4)
Onde = a0 + comprimento da fissura na carga máxima, α = /W e Cu é o
compliance na descarga, assumindo ser igual a um compliance na descarga para uma
carga no valor de 95% da carga máxima no estágio pós-pico (ver figura 3.7) .
Porém, conforme citado anteriormente, este ensaio foi realizado com velocidade
constante e não em ciclos de carregamento. Dessa forma, o valor de Cu foi calculado a
partir da reta que une a origem ao ponto de carga máxima ou seja, assume-se
aproximadamente que CMOD = 0. Tal suposição é recomendada pelo comitê técnico
RILEM para casos em que os ensaios não são realizados com carregamentos cíclicos. Os
valores de KIc e CTODc determinados com base nessas suposições são
aproximadamente de 10% a 25% maiores que os valores calculados usando o valor da
compliance na descarga.
Assim, o fator intensidade de tensão crítico pode ser calculado através da
seguinte equação:
√ (Eq. 3.5)
onde = + crescimento estável da trinca em carga máxima
49
Figura 3.7 – Compliance inicial
Além disso, calcula-se F (α) utilizando a seguinte equação:
√
(Eq. 3.6)
O valor de , por sua vez, é calculado da seguinte maneira:
(Eq. 3.7)
E finalmente, o CTODc pode ser determinado por:
..... ....(Eq. 3.8)
Onde é dado por:
(Eq. 3.9)
É importante notar que as funções polinomiais para determinar Kic e CTODc são
válidas somente para uma geometria de corpo de prova específico. Se diferentes
geometrias e carregamentos forem utilizados, as funções das equações acima irão variar.
Exalta-se também que existem outros métodos, além de elementos finitos, para definir o
cálculo KIc e CTODc propostos por Srawley e Gross [85][86], que utilizam métodos de
implementação de fronteira para chegar na atual norma ASTM E399.
3.2.2 Energia de fratura
De acordo com a teoria de Griffith, a resistência à tração depende da energia da
superfície, γ, que aglomera o material. Em experimentos anteriores, medições foram
realizadas diretamente para determinar a energia superficial de fratura, γ. Entretanto, foi
50
descoberto por Hillerborg e seus colaboradores que para materiais cimentados a energia
superficial de fratura é melhor expressa pela energia de fratura Gf [5].
A energia na superfície de fratura, γ, de um material linear elástico pode ser
medida através de um ensaio de flexão de três pontos. Neste ensaio, uma amostra com
uma fissura é carregada lentamente à flexão em uma máquina de ensaios universal que
mede e armazena os dados de carga, deslocamento e CMOD até a ruptura do corpo de
prova. Deste modo, assumindo que a energia nesse processo é transformada em energia
de superfície, a energia da fratura pode ser calculada ao dividir o trabalho total para
realizar a fratura W0 (área abaixo da curva do ensaio carga-deslocamento, ver figura 3.8),
pela área da nova superfície criada pela fratura (2A):
(Eq. 3.10)
A energia da superfície γ está diretamente relacionada com a taxa de liberação de
energia ,GIc, para um material linear elástico. Logo:
(Eq. 3.11)
A obtenção do Gf é realizada através do método da energia de fratura, onde a área
abaixo da curva de carga e deslocamento pode ser medida pela integral da área e o
deslocamento máximo pode ser obtido calculando a quantidade de energia do próprio
peso do corpo de prova. Assim o valor de Gf é calculado através da seguinte equação:
(Eq. 3.12)
Onde:
W = W1 + W2 (Eq. 3.13)
W1- trabalho realizado pela carga aplicada para o incremento do comprimento da
fissura por ∆a;
W2- trabalho realizado pelo próprio peso para o incremento do comprimento da
fissura por ∆a;
A energia fornecida pelo peso do corpo de prova no trabalho realizado para o
incremento do comprimento da fissura por ∆a é aproximadamente:
(Eq. 3.14)
Onde m1 é a massa da própria amostra e δ é o deslocamento do centro do corpo
de prova correspondente a um comprimento de fissura (a+∆a).
Assim, Petersson propôs um método que quantifica a energia de fratura baseado
num ensaio de flexão em três pontos de uma amostra com uma fissura pré-existente que
51
atua como concentrador de tensões. Deste modo, quantifica-se Gf como propriedade do
material ao satisfazer as três condições abaixo [5]:
1. A energia consumida na zona de fratura tem que ser suficientemente pequena
de modo a não ser desprezada a energia dissipada na zona de fratura. Ou seja, a
relação de espessura/comprimento da fissura não pode ser pequena;
2. A energia de fratura tem que ser independente da geometria e do comprimento
da fissura;
3. O mecanismo de fratura tem que ser estável logo, o equipamento tem que ter
elevada rigidez.
Além disso, a dimensão da zona de fratura não pode ser pequena devido à
dimensão do agregado. Elevadas variações nos resultados de Gf são observadas se estas
condições não forem satisfeitas. Dessa forma, o comitê técnico RILEM [20] sugeriu uma
relação de espessura/comprimento de fissura de 0,5.
Figura 3.8 – Curva típica de Carga-delocamento [46]
Portanto, a recomendação da RILEM [20] para determinação da energia de
fratura , Gf, em amostras com fissuras pré-existentes em ensaios de flexão em três
pontos é apresentada como:
(Eq. 3.15)
Onde:
W0- Área abaixo da curva carga-deslocamento ilustrada na figura 3.8 (N/m)
m = m1+2m2 (kg)
m1- Massa da amostra entre os suportes (kg)
m2- Massa do equipamento de auxílio a carga que não se encontra preso à
máquina (kg)
δ0- Deslocamento do cabeçote da máquina no final do ensaio (m)
52
A - Área da amostra não fissurada (m2)
g - Aceleração da gravidade (m/s2)
3.2.3 Ensaio de Compressão
Para avaliar a resistência à compressão da argamassa de matriz polimérica
provinda do óleo de mamona e poder comparar os resultados com os demais materiais
comumente utilizados na engenharia, realizou-se um ensaio de compressão utilizando a
máquina de ensaios universal [SHIMADZU] do laboratório Laboratório de Ensaios de
Dutos da UFF, a uma velocidade de ensaio 1,25 mm/mim, seguindo a norma UNE-EN
1015-11:2000. Um ensaio de compressão é um ensaio destrutivo, e pode ser definido
como a aplicão de um esforço axial compressivo em uma amostra, que tende a provocar
um encurtamento ou ruptura do corpo submetido a este esforço. Assim, ocorre um
aumento da seção transversal do corpo de prova a este mesmo eixo quando o material
ensaiado é dúctil e a deformação da peça nesta direção é permitida, considerando que seu
volume permaneça constante. Um exemplo típico de objetos submetidos a esforços de
compressão são as colunas dos prédios, que recebem na mesma direção de seu eixo,
cargas compressivas.
Um problema que pode ocorrer em um ensaio de compressão é o atrito entre o
corpo de prova e as placas da máquina de ensaio. Pois assim a deformação lateral do
corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e a máquina.
Outra dificuldade normalmente encontrada é a flambagem, isto é, o encurvamento da
amostra. Isso ocorre devido à instabilidade na compressão de materiais dúcteis. Tal
efeito varia de acordo com as formas de fixação do corpo de prova, além disso estão
mais presentes em corpos de prova com grande comprimento em relação ao seu
diâmetro.
A fim de evitar tais problemas, foram manufaturadas amostras com baixa
espessura e de formato retangular , além disso as mesmas foram centradas no
equipamento de teste, garantindo que o esforço de compressão seja distribuido
uniformemente. Outra providência tomada foi a de garantir o perfeito paralelismo entre
as placas da máquina de ensaios universal.
O ensaio de compressão é usualmente utilizado em materiais frágeis, um
comportamento mecânico típico de argamassas, concretos, cerâmicas, dentre outros
materiais. Tais materiais não têm deformação lateral apreciável e a ruptura ocorre por
cisalhamento e escorregamento ao longo de um plano inclinado de 45º. Uma vez que a
fase elástica nesses materiais é muito pequena, não é possível determinar com precisão
as propriedades relativas a esta fase. De fato, a única propriedade mecânica avaliada
neste ensaio é a resistência do material à compressão, além disso, um gráfico de
tensão/deformação é elaborado para cada amostra ensaiada.
Deste modo, o limite de resistência à compressão é calculado pela relação entre a
carga máxima no teste e a área da seção transversal original do corpo, como na equação
abaixo:
(Eq. 3.16)
53
3.2.4 Flexão em três pontos
Dentro do propósito desta dissertação, a caracterização mecânica de argamassas
de matriz polimérica de poliuretano provindo do óleo de mamona com e sem reforço de
piaçava, é necessário a determinação da resistência à flexão do material. O ensaio de
flexão é comumente adotado para determinar a tensão de ruptura em materiais frágeis,
além de permitir obter outras propriedades mecânicas, como o módulo de elasticidade à
flexão. A sua grande vantagem é que permite utilizar corpos de prova de fácil manuseio.
Sendo assim, realizou-se nesta pesquisa um ensaio de flexão em três pontos
utilizando a máquina de ensaios universal [SHIMADZU] do Laboratório de Ensaios de
Dutos da UFF. O ensaio consiste em apoiar um corpo de prova em dois pontos distantes
entre si de um comprimento L (figura 3.9) e aplicar lentamente uma força de flexão no
centro deste, até atingir a ruptura do material. Esta ruptura se dá por tração e tem seu
início nas fibras inferiores. O corpo de prova pode ter uma seção qualquer, contudo as
circulares ou retangulares são as mais utilizadas por facilitarem os cálculos.
Figura 3.9 – Posicionamento do corpo de prova
Com as amostras devidamente posicionadas na máquina de ensaio, inicia-se o
experimento. A força é aplicada no corpo de prova que está em contato com o sensor
responsável por medir a deflexão. Este sensor é extremamente sensível, portanto é
essencial que o ensaio não seja feito a uma velocidade muito alta para não comprometer
os resultados. A norma ASTM C348 recomenda uma velocidade de ensaio de 1
mm/mim.
Ainda de acordo com a norma, o efeito do esforço cortante não é levado em
consideração, pois embora a distância entre os apoios de flexão seja relativamente
grande (100 mm), ela ainda é pequena se comparada com a espessura da amostra.
Portanto, o cálculo da tensão de flexão é realizado através da seguinte equação:
(Eq. 3.17)
54
CAPÍTULO 4
4 Resultados e disscussões
Após a realização dos ensaios, os dados foram armazenados em uma planilha
eletrônica e foram posteriormente tratados de acordo com os métodos mencionados
anteriormente nesta dissertação. Além disso, diversos gráficos foram plotados para
melhor visualização dos resultados. Assim, a caracterização mecânica das amostras
contendo diferentes porcentagens de materiais foi feita. Este capítulo se dividirá em três
sessões, cada uma contendo os resultados e discussões de cada teste realizado:
compressão, flexão em três pontos e fratura.
4.1 Compressão
Através do ensaio de compressão, foi possível a obtenção da resistência máxima
à compressão das argamassas aqui estudadas. A tabela 4.1 apresenta as resistências à
compressão obtidas nesta pesquisa de cada compósito, e a figura 4.1 exibe o gráfico que
relaciona a tensão de compressão e a deformação das amostras de poliuretano de
mamona e as compara com amostras de 12% de epóxi e 12% de poliéster estudadas em
pesquisas anteriores [84].
Tabela 4.1 - Resistência à compressão das argamassas poliméricas
estudadas
Argamassas de
poliuretano natural
Resistência à
compressão (MPa)
10% de resina 32,46 ± 0,81
12% de resina 37,86 ± 0,75
12% de resina com 1% de piaçava 37,06 ± 0,10
12% de resina com 2% de piaçava 39,51 ± 0,89
55
Figura 4.1 – Tensão de compressão x deformação das argamassas com 10 e
12% de poliuretano em massa
A resistência à compressão da argamassa poliuretana sem reforço com 12% de
resina em massa foi aproximadamente 16% maior do que a argamassa com 10% de
resina. Tal resultado demonstra que a adição de 2% no teor de resina a mais no
compósito é vantajosa, visto que o pequeno gasto a mais com a resina aumenta
consideravelmente a resistência do compósito. Contudo, o mesmo não se pode dizer a
respeito do reforço de 1% de piaçava no compósito com 12% de resina em massa, visto
que houve uma tendência de diminuição da resistência à compressão em
aproximadamente 2%. Todavia, adicionando-se 2% de piaçava houve uma tendência de
aumento de 4% na resistência à compressão.
Porém, é importante salientar que ,na prática, os valores de resistência à
compressão das argamassas de poliuretano natural com 12% de resina com e sem reforço
de piaçava são semelhantes. Isso pode ser notado através dos valores de desvio padrão
apresentados na tabela 4.1 acima, pois o valor de resistência à flexão da argamassa com
12% de resina acrescida de 2% de reforço subtraído do seu desvio padrão, é menor do
que a argamassa de 12% de resina sem reforço acrescida do seu desvio padrão.
56
A tabela abaixo mostra os resultados de resistência à compressão de argamassas
poliméricas de 12% de poliéster e 12% de epóxi obtidos em trabalhos anteriores por
J.M.L. Reis e E.P. Carneiro em 2012 [84], comparando-as com argamassa de 12% de
poliuretano natural:
Tabela 4.2 - Resistência à compressão (MPa) de argamassas com 12% de
resina poliéster, epóxi e com poliuretano natural
Resistência à Compressão (MPa)
Porcentagem de Resina Epóxi Poliéster Poliuretano Natural
12% 38,73 ± 1,82 24,39 ± 3,25 37,86 ± 0,75
Através da Figura 4.2 e da Tabela 4.2 acima nota-se que a argamassa com
poliuretano natural possui uma resistência à compressão 55% maior do que a argamassa
de poliéster. Além disso, a resistência à compressão da argamassa de poliuretano natural
possui valores equivalentes à resistência à compressão da resina epóxi em virtude dos
seus desvios padrões.
Em 2010, M.C.S Ribeiro, J.C Vogt, A.T. Marques e A.J.M Ferreira [89]
caracterizaram mecanicamente argamassas com 25% em massa de poliéster com e sem
reforço de piaçava a 1 e 2%. A resistência à compressão de cada argamassa obtida é
mostrada na tabela 4.3 abaixo.
Tabela 4.3 - Resistência à compressão de argamassas de resina poliéster [89]
Argamassas de poliéster Resistência à compressão (MPa)
25% de resina 103,70 ± 3,26
25% de resina com 1% de piaçava 118,50 ± 1,61
25% de resina com 2% de piaçava 114,63 ± 3,31
Nota-se que a adição de piaçava também aumentou a resistência à compressão da
argamassa de matriz de poliéster. Com 1% de piaçava em massa, a resistência à
compressão aumentou em 14,3%, ao passo que com a adição de 2% de piaçava esse
valor diminuiu para 10,5% . Dessa forma, fica evidente que a piaçava é eficaz em
aumentar a resistência mecânica de argamassas poliméricas de poliéster, porém acima de
2% de piaçava a resistência à flexão começa a decair. Tal comportamento é inverso ao
das argamassas de poliuretano natural, visto que com 1% de piaçava a resistência à
compressão tende a diminuir, e com 2% a resistência à compressão tende a aumentar.
57
4.2 Resistência à flexão
Após o ensaio de flexão em três pontos, foi possível a obtenção da resistência
máxima à flexão das argamassas de poliuretano natural. A tabela 4.4 apresenta a
resistência à flexão obtida nesta pesquisa de cada compósito, e a figura 4.2 exibe o
gráfico que relaciona a tensão de flexão e a deformação das amostras de poliuretano de
mamona e as compara com amostras de 12% de epóxi e 12% de poliéster estudadas em
pesquisas anteriores [84].
Tabela 4.4 - Resistência à compressão das argamassas poliméricas
estudadas
Argamassas de
poliuretano natural
Resistência à
flexão (MPa)
10% de resina 19,08 ± 0,64
12% de resina 22,11 ± 2,26
12% de resina com 1% de piaçava 19,29 ± 0,37
12% de resina com 2% de piaçava 19,98 ± 1,65
Figura 4.2 – Tensão de flexão x deformação
O gráfico acima evidencia o comportamento frágil deste material,
independentemente de sua composição. Os dados da tabela 4.5 mostram que a adição de
piaçava faz com que a resistência à flexão da argamassa poliuretana sofra uma redução.
58
A argamassa com 12% de resina poliuretana tende a perder aproximadamente 14% de
sua resistência à flexão quando é acrescentado em sua composição 1% de reforço de
piaçava em massa, ao passo que a mesma argamassa com reforço de 2% tende a perder
aproximadamente 10% de sua resistência à flexão.
Porém, semelhante ao que aconteceu com a resistência à compressão das
argamassas de poliuretano, é importante salientar que, na prática, os valores de
resistência à flexão das argamassas de poliuretano natural com 12% de resina com e sem
reforço de piaçava são semelhantes. Isso pode ser notado através dos valores de desvio
padrão apresentados na tabela 4.5 acima, onde o valor de resistência à flexão da
argamassa com 12% de resina acrescida de 2% de reforço somado com seu desvio
padrão, é maior do que a argamassa de 12% de resina sem reforço subtraído do seu
desvio padrão.
A tabela abaixo mostra os resultados de resistência à flexão de argamassas
poliméricas de 12% de poliéster e 12% de epóxi obtidas em trabalhos anteriores por
J.M.L. Reis e E.P. Carneiro em 2012 [84], comparando-as com argamassa de 12% de
poliuretano natural:
Tabela 4.5 - Resistência à flexão de argamassas com 12% de resina
poliéster, epóxi e com poliuretano natural
Resistência à Flexão (MPa)
Porcentagem de
Resina
Epóxi Poliéster Poliuretano
Natural
12% 15,87 ± 0,57 7,82 ± 0,96 22,11 ± 2,26
Através da Tabela 4.5 e da Figura 4.2 acima nota-se que a argamassa com
poliuretano natural possui uma resistência à flexão 282 % maior do que a argamassa de
poliéster. Além disso, a resistência à compressão da argamassa de poliuretano natural é
quase 40% maior que a resistência à compressão da resina epóxi.
O efeito da piaçava na resistência à flexão de argamassas de poliéster foi
estudada em 2010, por M.C.S Ribeiro, J.C Vogt, A.T. Marques e A.J.M Ferreira [89].
Esses autores caracterizaram mecanicamente argamassas com 25% em massa de
poliéster com e sem reforço de piaçava a 1 e 2%. A resistência à flexão de cada
argamassa obtida é mostrada na tabela 4.6 abaixo.
59
Tabela 4.6 - Resistência à compressão de argamassas de resina poliéster [89]
Argamassas de poliéster Resistência à compressão (MPa)
25% de resina 39,69 ± 2,19
25% de resina com 1% de piaçava 40,00 ± 2,96
25% de resina com 2% de piaçava 38,28 ± 1,19
Embora a adição de 1% de piaçava em massa tenda a aumentar cerca de 0,8% de
resistência à compressão, a adição de 2% de piaçava na mesma argamassa tende a
diminuir a resistência à compressão em cerca de 3%. Portanto, ao se comparar os valores
da tabela 4.6 acima com os valores obtidos nessa dissertação, comprova-se que ambos
tiveram o mesmo comportamento ou seja, a resistência à compressão diminuiu com a
adição de reforço de piaçava.
60
4.3 Módulo de elasticidade, tenacidade à fratura e energia de
fratura.
Através do ensaio de fratura obtiveram-se os valores de carga, deslocamento
vertical e abertura da fenda (CMOD). Assim, utilizando-se o método de dois parâmetros
de fratura (TPFM), a energia de fratura (Gf ), a tenacidade à fratura (KIc ), e o módulo
de elasticidade (E) foram calculados com base no que foi estabelecido pelo comitê
técnico RILEM [20-21].
A tabela 4.7 abaixo apresenta os valores de energia de fratura (Gf ), a tenacidade
à fratura (KIc ) e o módulo de elasticidade (E) das amostras estudadas de argamassas de
matriz polimérica de poliuretano provindo do óleo de mamona com e sem reforço de
piaçava.
Tabela 4.7 - Propriedades de fratura das argamassas de poliuretano natural
Argamassas
Energia de fratura
– Gf (N/m)
Tenacidade à
fratura – KIc
(MPa)
Módulo de
elasticidade – E
(MPa)
10% de resina 635,97± 89.02 1,84± 0.16 7,15± 0.06
12% de resina 1262,61± 89.02 1,95± 0.20 4,12± 0.16
12% de resina com
1% de piaçava
891,97±25,12 2,33 ± 0,04 7,60 ± 0,21
12% de resina com
2% de piaçava
780,60±3.41 2,09 ±0,02 7,14±0,05
Por intermédio dos resultados apresentados na tabela 4.7 acima, nota-se que com
a adição de mais resina em massa, passando de 10% para 12% de resina, a energia de
fratura aumenta consideravelmente (aproximadamente 98%). Tal efeito pode ser
observado na figura 4.3 abaixo, onde o gráfico que relaciona carga pelo deslocamento
das amostras é mostrado. Além disso, também há uma tendência de aumento na
tenacidade à fratura (aproximadamente 6%). Isso mostra que o aumento da porcentagem
de resina poliuretana na argamassa em massa, aumenta a tenacidade possibilitando a sua
aplicação em estruturas que necessitem absorção de energia mecânica como, por
exemplo, o piso de maquinários que sofram grandes vibrações, assim como tornos
mecânicos, fresas, retíficas, dentre outros. Contudo, a aplicação do reforço de piaçava
diminui a energia de fratura. A figura 4.3 abaixo compara a relação da carga aplicada
com o deslocamento da amostra para argamassas de poliuretano natural com 10 e 12%
de resina e as compara com argamassas de 12% de resina epóxi e poliéster.
61
Figura 4.3 – Relação da carga aplicada com o deslocamento da amostra
O módulo de elasticidade da argamassa sem reforço com 10% de resina é
aproximadamente 72% maior do que o da argamassa de 12% de resina em massa. Esse
comportamento é evidenciado também na figura 4.4, onde a relação de tensão aplicada
pelo deslocamento da fenda de cada amostra é feita através da plotagem de um gráfico,
comparando os resultados obtidos nessa pesquisa com argamassas de 12% de epóxi e
12% de poliéster.
Figura 4.4 – Relação da carga aplicada com o deslocamento da abertura da
fenda (CMOD)
A adição de reforço de piaçava aumentou consideravelmente o valor do módulo
de elasticidade dos compósitos de poliuretano. A tabela 4.7 mostra que a adição de 1%
de reforço de piaçava na argamassa com 12% de resina em massa aumentou cerca de
62
84% no valor do módulo de elasticidade, ao passo que com a adição de 2% esse aumento
se reduz para cerca de 73%. Ademais, há uma tendência no aumento no valor da
tenacidade à fratura de 15% com 1% de reforço e 4% com 2% de reforço fibroso,
provando que a adição de fibras de piaçava também pode melhorar a tenacidade à fratura
da argamassa.
É importante ressaltar que a adição de reforço de piaçava nas argamassas de
poliuretano natural tende a melhorar algumas propriedades de fratura do material.
Contudo, há uma clara diminuição dessas propriedades quando se aumenta de 1% para
2% de reforço de piaçava em massa. Isso mostra que o ideal é a adição de no máximo
1% de reforço fibroso de piaçava. Além disso, para a argamassa de poliuretano natural, a
adição de piaçava diminui a energia absorvida do CP antes da fratura.
Os efeitos do reforço de piaçava nas argamassas poliméricas, bem como os
efeitos do tipo de resina empregado na elaboração dos compósitos foram estudados por
J.M.L. Reis e E.P. Carneiro em 2012 [84]. Nesta pesquisa, os autores manufaturaram
argamassas de matriz polimérica de epóxi e poliéster com 12% de resina em massa, e as
reforçaram com várias porcentagens de fibra de piaçava. Assim como a presente
dissertação, na tabela 4.9 abaixo nota-se que para ambas as resinas o reforço de piaçava
melhora os parâmetros de fratura das argamassas contudo, acima de 1% de reforço de
piaçava começa a piorar esses parâmetros. Além disso, a figura 4.5 abaixo mostra o
gráfico de Tensão versus abertura da fenda (CMOD) das amostras com 12% de epóxi
reforçadas com piaçava estudadas pelos autores. A partir deste gráfico constata-se que
acima de 1% de reforço de piaçava para essa argamassa há uma diminuição das
propriedades de fratura do material.
Figura 4.5 – Carga x CMOD de argamassas de matriz poliméricas
sintéticas[84]
63
Tabela 4.8 - Propriedades de fratura de argamassas de matriz poliméricas
sintéticas [84]
Através da comparação dos dados de fratura das argamassas naturais vistos da
tabela 4.6 com os dados da tabela 4.8 acima, nota-se que as argamassas de matriz
polimérica de poliuretano natural absorvem mais energia na fratura do que as argamassas
poliéster e epóxi. Ao se comparar a argamassa poliuretana com 10% de resina e sem
reforço de piaçava, esta ainda chega a ter uma energia de fratura aproximadamente 18%
maior do que a argamassa epóxi com 2% de reforço. Isso fica ainda mais evidente
quando se compara a energia de fratura da armassa com 12% poliéster com 2% de
reforço de piaçava com a argamassa de poliuretano natural com 2% de reforço, pois a
energia de fratura do compósito natural é aproximadamente 360% maior do que o
compósito com poliéster.
Além disso, a tenacidade à fratura da argamassa poliuretana com 10% de resina
em massa sem reforço é cerca de 28% maior do que a resina poliéster com 12% de resina
e com reforço de 1% de piaçava em massa. Contudo, a argamassa natural possui valores
equivalentes de tenacidade à fratura quando comparada com as argamassas de epóxi
devido às grandes variações de seus desvios padrões. Por fim, ressalta-se que as
argamassas de resina poliéster e epóxi possuem módulos de elasticidade maiores do que
as argamassas de poliuretano natural.
Argamassas
Energia de
fratura – Gf
(N/m)
Tenacidade à
fratura – Kic
(MPa)
Módulo de
elasticidade - E
(MPa)
Poliéster 12% 153.37 ± 11.94 1.17 ± 0.22 8.81 ± 0.23
Poliéster 12% mais
reforço de 1% de
piaçava
254.66 ± 10.03 1.43 ± 0.14 9.27 ± 0.11
Poliéster 12% mais
reforço de 2% de
piaçava
212.26 ± 13.33 1.24 ± 0.12 8.94 ± 0.15
Epóxi 12% 367.91 ± 30.23 1.98 ± 0.04 9.81 ± 0.59
Epóxi 12% mais
reforço de 1% de
piaçava
492.81 ± 27.73
2.33 ± 0.18 11.41 ± 0.37
Epóxi 12% mais
reforço de 2% de
piaçava
538.91 ± 15.43 2,08 ± 0.11 10.24 ± 0.66
64
CAPÍTULO 5
5 Conclusão
As argamassas de poliuretano provinda do óleo de mamona mostraram-se
eficazes dependendo de sua aplicação. Ao comparar a mecânica da fratura da argamassa
de poliuretano com a argamassa de poliéster, a primeira mostrou-se mais tenaz, com
maior capacidade de absorção de energia antes da fratura, porém com um módulo de
elasticidade menor. Ao comparar os resultados obtidos da argamassa poliuretana com a
argamassa de resina epóxi, a primeira apresentou uma maior capacidade de absorção de
energia antes da fratura, contudo a tenacidade à fratura da resina epóxi tende a ser
levemente superior. Além disso, o módulo de elasticidade da argamassa poliuretana é
menor do que o da argamassa epóxi e poliéster.
Tais resultados mostraram que a argamassa de poliuretano natural pode ser
competitiva no mercado, visto que são compatíveis com outras resinas sintéticas já
utilizadas na indústria. Cabe ao engenheiro determinar o tipo de resina a se utilizar bem
como a porcentagem de seus constituintes, visto que tais variáveis influenciam muito nas
propriedades mecânicas do compósito. Baseado na comparação dos resultados obtidos
nesta pesquisa com os resultados de pesquisas anteriores refentes às argamassas de
resinas sintéticas, nota-se que a argamassa de poliuretano pode ser utilizada nas mesmas
aplicações das argamassas de resinas sintéticas. Tais aplicações incluem o uso para pisos
de maquinários pesados, revestimentos de estruturas de concreto danificados e retoques
de tubulações subterrâneas. Contudo, o grande tempo de cura da resina poliuretana bem
como a alta temperatura em que o processo é realizado pode restringir o uso da
argamassa poliuretana em aplicações em que se é exigido um grande volume de material,
como por exemplo aplicações estruturais.
A adição de 1% de reforço de piaçava mostrou-se eficaz no aumento das
propriedades de fratura dos compósitos naturais. Os resultados obtidos mostram que a
adição de 1% de piaçava aumenta a tenacidade à fratura e o módulo de elasticidade do
material. Contudo, a energia de fratura, a resistência à compressão e a resistência à
flexão tiveram, no geral, uma ligeira queda em seus valores. É importante ressaltar que
tal comportamento já era esperado, visto que nos estudos realizados por outros autores, a
resistência à compressão e a resistência à flexão dos compósitos reforçados com piaçava
permaneceram praticamente os mesmos, ao passo que a mecânica da fratura melhorou.
Contudo, com a adição de 2% de reforço de piaçava, todas as propriedades mecânicas
começam a decair em comparação com os compósitos com apenas 1% de reforço.
Portanto, essa pesquisa apresentou uma boa alternativa para argamassas
poliméricas, visto que as argamassas poliuretanas provindas do óleo de mamona têm
praticamente o mesmo comportamento mecânico das argamassas de resina sintética.
Além disso, as argamassas de resinas naturais possuem a vantagem de serem
desenvolvidas a partir de fontes renováveis.
65
Para trabalhos futuros sugere-se o estudo mais aprofundado das argamassas
poliméricas naturais, comparando não somente as propriedades mecânicas com as
argamassas poliméricas sintéticas, mas também propriedades térmicas, taxa de
degradação, o custo envolvido na fabricação e análise de ciclo de vida para posterior
reciclagem do material. Além disso, um estudo abrangente sobre a viabilidade
econômica dessas argamassas faz-se necessário. Recomenda-se também analisar mais
reforços de fibras vegetais, visto que nessa pesquisa utilizou-se somente a piaçava. Além
disso, recomenda-se analisar também a degradação das fibras de piaçava dentro do
compósito e os efeitos que isso pode causar nas propriedades mecânicas do material.
66
6 Referências 1. CZARNECKI L. Polymers in concrete on the edge of millennium. In: TENTH
INTERNATIONAL CONGRESS ON POLYMERS IN CONCRETE AND ICPIC/ICRI
INTERNATIONAL CONCRETE RAPAIR WORKSHOP, Honolulu, Hawaii, 2001.
Proceedings… Austin: International Center Aggregate Research (ICAR), University of
Texas at Austin, 2001.
2. A. Saccani M. C. Bignozzi & F. Sandrolini. New polymers mortars containing
polymeric wastes. Part 1. Microestrure and mechanical properties. Composites: Part A,
(31):97-106, 2000.
3. Lawrence H. Van Vlack. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Editora
Campus, 200X.
4. SETAC - Society of Environmental Toxicology and Chemistry, Guidelines for Life-
Cycle Assessment: A 'Code of Practice', SETAC, Brussels, 1993.
5. M. A. G. Jurumenha. Caracterização Mecânica do Concreto Polimérico Produzido
com Materiais Reciclados. Dissertação de mestrado. UFF, 2010.
6. J. P. Gorninski, D. C. Dal Molin, and C. S. Kazmierczak. Comparative assessment
of isophtalic and orthophtalic polyester polymer concrete: Different costs, similar
mechanical properties and durability. Construction and Building Materials, 21(3): 546-
555, 2007.
7. J. P. Gorninski, D. C. Dal Molin, and C. S. Kazmierczak. Strength degradation of
polymer concrete in acidic enviroments. Cement and Concrete Composites, 29(8):637-
645, 2007.
8. Agavriloaie L, Oprea S, Barbuta M, Luca F. Characterization of polymer
concrete with epoxy polyurethane acryl matrix. Construction and Building Materials,
2012; 37:190-96.
9. FOWLER, D. W. Polymers in concrete: a vision for the 21st century. Cement &
Concrete Composites. V.21, p.449-452,1999.
10. W. D. Callister Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. LTC,
2002.
11. Key World Energy Statistics. International Energy Agency. 2012.
12. Malmstein M, Chambers AR, Blake JIR. Hygrothermal ageing of plant oil based
marine composites. Composite Structures , 2013; 101:138-43.
13. Jacob M, Thomas S, Varughese KT. Mechanical properties of sisal/oil palm hybrid
fiber reinforced natural rubber composites. Composites Science and Technology, 2004;
64:955-65.
14. Ogunniyi DS, Castor oil: A vital industrial raw material. Bioresour Technol ,
2006;97:1086–91.
15. Mistria E, Routhb S, Rayb D, Sahooc S, Misra M. Green composites from maleated
castor oil and jute fibres. Industrial Crops and Products , 2011; 34:900–6.
16. Claro Neto S. Physical chemistry characterization of a polyurethane derived from
castor oil used for bone implants. Phd Thesis, The University of São Paulo, Chemistry
Institute of São Carlos, 1997.
67
17. Dias F.M., Lahr F.A.R. Alternative castor oilbased polyurethane adhesive used in
the production of plywood. Mat. Res., 2004; 7:421-5.
18. J. M. L. Reis. Fracture Mechanics of Polymer Concrete. Tese de doutorado.
Universidade do Porto, 2003.
19. FOWLER, D. W. Current Status of Polymer Concrete in the United States. In:
INTERNATIONAL CONGRESS ON POLYMER IN CONCRETE, 9.,1998, Italy.
Proceedings… Bologna: Università degle Studi di Bologna, 1998. P37-44.
20. RILEM 50-FMC. Recommendation. Determination of fracture energy of mortar and
concrete by means of three-point bend test on notched beams. Materials and Structures,
18(106):285-290, 1985.
21. RILEM PC-2. Method of making polymer concrete and mortar specimens.
Technical Committee TC-113 Test Methods for Concrete-Polymer Composites (CPT),
International Union of Testing and research Laboratories for Materials and Structures,
1995.
22. Y. S. Jenq and S. P. Shah. Two parameter fracture model for concrete. Journal of
Engineering Mechanics, 111:1227-41, 1985.
23. J. S. Nogueira, A. L. B. Bathista e Silva, E. O da Silva. Introdução a Polímeros.
Grupo de pesquisa em novos materiais da UFMT, 2000.
24. MORRISON, R. T.; BOYD, R. N. Química Orgânica. Lisboa: Fundação Calouste
Gulbenkian, 1990, 4ª ed. 1639p.
25. J. P. Gorninski. Estudo da influência das resinas poliéster isoftálica e ortoftálica e
do teor de cinza volante nas propriedades mecânicas e durabilidade do concreto
polímero. Tese de doutorado. UFRGS, 2002.
26. TEZUKA, Y. Concreto de cimento e polímero. São Paulo:ABCP, 1988.26p.
27. TEZUKA, Y. Concretos polímeros. São Paulo: IPT, 1979. 29p.
28. TEZUKA, Y. Trabalhabilidade de concreto de resina poliéster. São Paulo, 1977.
235p. Tese de doutorado. USP.
29. L. C. P. Silva Filho e M. R. Garcez. Compósitos de engenharia de matriz
polimérica. Materiais de Construção Civil, 2:1423-1467, 2007.
30. N. L. Dias Filho G. Pires, D. S. Pereira e G. D. Vecchia. Caracterização físico
química e mecânica do sistema éster de silsexquioxano/ resina epóxi
dgeba/dietilenotriamina. Revista Matéria, 10(2):317-330, 2008.
31. POPOVICS, S. Polymer for modification of P.C. concrete in USA. In:
INTERNATIONAL CONGRESS ON POLYMER IN CONCRETE, 7.,1992, Moscow.
Proceedings… Moscow: V. V. Paturoev e R. L. Serykh, 1992. 769p. p.100-108.
32. J. P. Gorninski, D. C. Dal Molin, and C. S. Kazmierczak. Comparative assessment
of isophtalic and orthophtalic polyester polymer concrete: Different costs, similar
mechanical properties and durability. Construction and Building Materials, 21(3): 546-
555, 2007.
33. J. P. Gorninski, D. C. Dal Molin, and C. S. Kazmierczak. Strength degradation of
polymer concrete in acidic enviroments. Cement and Concrete Composites, 29(8):637-
645, 2007.
34. J. P. Gorninski, D. C. Dal Molin, and C. S. Kazmierczak. Study of the modulus of
elasticity of polymer concrete compounds and comparative assessment of polymer
68
concrete and Portland cement concrete. Construction and Building Materials,
34(11):2091-2095, 2004.
35. J. P. Gorninski. Investigação do comportamento mecânico do concreto polimérico
de resina poliéster. Dissertação de mestrado, UFRGS, 1996.
36. VILAR, W. D. (1993). Química e tecnologia dos poliuretanos. [S. I.]: Grupo
Pronor.
37. G. D. Silvestre Filho. Comportamento Mecânico do poliuretano derivado de óleo de
mamona reforçado por fibra de carbono: contribuição para o projeto de hastes de
implante de quadril. Tese de doutorado. USP, 2001.
38. WOODS, G. (1990). The ICI Polyurethanes book. New York: John Willey.
39. BOUVIER, D. (1997). Une Nouvelle génération de polyurethanes Baytec RT et
Baydur 110. Composites, Oxford, n.20, p. 66-70, Mars-Avril.
40. CLARO NETO, S. C. Caracterização físico-química de um poliuretano derivado do
óleo de mamona utilizado para implantes ósseos. São Carlos, 1997. 127p. Tese de
doutorado. UFSCAR.
41. PLEPLIS, A.M.G. (1991). Caracterização térmica e viscoelástica de resinas
poliuretanas derivadas do óleo de mamona. São Carlos. 155p. Tese de Doutorado,
UFSCAR.
42. WEISS. E. A. Oilseed crops. London: Longman, 1983. 660p.
43. MOSHKIN, V.A. ; CASTOR. New Delhi: Amerind, 1986.
44. Machado e Moura; J. M. Clemente Sousa. Materiais Compósitos. Apostila utilizada
na disciplina de Materiais Compóstios. FEUP – Faculdade de Engenharia do Porto,
2002/2003.
45. PRUSINSK, R. C. Study of Commercial Development in Precast Polymer Concrete.
In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON POLYMERS IN CONCRETE, 2.,1976,
México. Proceedings… Detroit: American Concrete Institute, 1978. P.76-101 (SP, 58).
46. OHAMA, Y. Recent Progress in Concrete-Polymer Composites. Advn Cen Bas
Mat, New York, V.5,p.31-40, 1997.
47. STEINBERG, M. et al. Concrete polymer materials: first topical repot. Upton:
Brookhaven National Laboratory, 1968. (BNL,50234).
48. M. Maultzsch H. Schorn A. Beelldens P. Lukowski D. V. Gemert; L. Czarnecki &
E. Knapen. Cement concrete and concrete-polymer composites: Two merging worlds.
Cement and Concrete composites, 27: 926-933, 2005.
49. K. G. Tonet. Concreto polímero com resina reciclada de PET: Influência na
combustibilidade frente à adição de resíduos industriais. Dissertação de mestrado.
UNISINOS, 2009.
50. VIPOLANANDAN, N. C.; DHARMARAJAN, N. Flexural behavior of polyester
concrete. Cement and concrete Research, Houston, v.17, n.2, p.219-230, Mar. 1987.
51. REBEIZ K. S.; FOWLER, D. W. Strength Properties of Polymer Concrete Made
with Resins Based on Recycled Plastic Wastes. FONTANA JACK J., KAEDING, Al O.,
KRAUSS, Paul D. (Ed.) Properties and uses of polymers in Concrete. Farmington Hills,
American Concrete Institute, 1996. P90-91.
52. REBEIZ, K. S.; FOWLER, D. W.; PAUL, D. R. Flexure for reinforced polymer
concrete using recycled PET. In: TENTH INTERNATIONAL CONGRESS ON
69
POLYMERS IN CONCRETE AND ICPIC/ICRI INTERNATIONAL CONCRETE
REPAIR WORKSHOP, Honolulu, Hawaii, 2001. Proceedings… Austin: International
Center Aggregate Research (ICAR), University of Texas at Austin, 2001.
53. REBEIZ, K. S.; FOWLER, D. W.; PAUL, D. R. Polymer concrete and polymer
mortar using resins based on recycled poly(ethylene terephthalate). Journal of Applied
Polymer Science, New York, v.44,p.1649-1655,1992.
54. REBEIZ, K. S.; FOWLER, D. W.; PAUL, D. R. Shear and Flexure Behavior of
Reinforced Polymer Concrete Made with recycled plastic wastes. FONTANA JACK J.,
KAEDING, Al O., KRAUSS, Paul D. (Ed). Properties and uses of polymers in concrete.
Farmington Hills, American Concrete Institute, 1996. P.80-91.
55. REBEIZ, K. S.; FOWLER, D. W.; PAUL, D. R. Recycling Plastics in Polymer
Concrete Systems for Engeneering Applications. Polymer-Plastic Technology
Engeneering, v.8, n.30, p.809-825,1991.
56. KUKACKA, L. E.; ROMANO, A. J. Process techniques for producing polymer
impregnated concrete. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUN ON POLYMERS IN
CONCRETE, 1.,1973. Atlantic City. Proceedings… Detroit: American Concrete
Institute, 1973. P.15-31 (ACI.SP,40).
57. S. Orak. Investigation of vibration damping on polymer concrete with polyester
resin. Cement and Concrete Research, (30): 171-174, 2000.
58. C. Kaymierczak J. Gorninski, D. Dal Molin. Study of the modulus of elasticity of
polymer concrete compounds and comparative assessment of polymer concrete and
Portland cement concrete. Cement and Concrete Research, (34):2091-2095, 2004.
59. Y. C. Wang; J. M. Davies and P. M. H. Wong. Polymer composites in fire.
Composites: Part A, (37): 1131-1141, 2006.
60. MATTHEWS, F. L.; RAWLINGS, R.D. (1994). Composites materials: engineering
and science. London, Chapman & Hall.
61. R. V. da Silva. Compósito de resina poliuretano derivada do óleo de mamona e
fibras vegetais. Tese de doutorado. USP, 2003.
62. HULL, D. (1981). An introduction to composite material. London, Cambridge
University Press.
63. HERRERA-FRANCO, P.J.; DRZAL, L.T (1992). Comparison of methods for the
measurement of fiber/matrix adhesion in composites. Composites. V.23, n.1, p.23, n.1,
p.2-27.
64. MORASSI, O. J. (1994). Fibras naturais – aspectos gerais e aplicação na indústria
automobilística. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA
DOS MATERIAIS, 11., 1994, Águas de São Pedro. Anais... [S.I.: s.n.].
65. BLEDZKI, A.K.; GASSAN, J. (1999). Composites reinforced with cellulose based
fibers. Progress in Polymer center, Oxford, v.24, n.2, p.221-274.
66. Aquino, Regina Coeli Paes. Desenvolvimento de compósitos de fibras de piaçava da
espécie Attalea funifera Mart e matriz de resina poliéster. Tese de doutorado. UENF,
2003.
67. M.A. Leão. Fibras de Licuri: um reforço alternativo de compósitos poliméricos.
Dissertação de mestrado. UFRN, 2008.
70
68. FENGEL, D.; WEGENER, G. (1989). Wood: chemistry ultrastructure reactions.
Berlin: Walter de Gruyter.
69. CRUZ-RAMOS, C. A. (1986). Natural fiber reinforced thermoplastics. Mechanical
properties of reinforced thermoplastics. New York: Elsevier.
70. Vinha, S. G. A piaçaveira e a vegetação associada no sul da Bahia, 1997.
71. Moreau, M. S. Ocorrência, manejo, produtividade e canais de comercialização da
piaçaveira na Bahia. Tese de doutorado. UESC, 1997.
72. J. M. L. Reis. Effect of textile waste on the mechanical properties of polymer
concrete. Materials Research, 12(1):63-67, 2009.
73. ANDERSON, T.L. (1995). Fracture mechanics: fundamentals and applications.
2.ed. Boca Raton: CRC Press.
74. WILLIAMS, J.G. (1984). Fracture mechanics of polymers. Chichester: Ellis
Horwwod.
75. HAN, L.H.; DENG, Y.C.; LIU, C.D. (1999). The determination of Jic for
polyethylene pipe using non-standard arc-shaped specimen. International Journal of
Pressure Vessel and Piping, Barking Essex, v.76, n.9, p.647-651, Aug.
76. KAUSCH, H.H. (1987). Polymer fracture. 2nd. Ed. Berlin: Springer-Verlag.
77. HARMIA, T. (1996). Fatigue behavior of neat and long glass fiber (LGF) reinforced
blends of nylon 66 and isotactic PP. Polymer composites, Brookfield, v.17, n.6, p. 926-
935.
78. SCHÖN, J. et al. (2000). A numerical and experimental investigation of
delamination behavior in the DCB specimen. Composites Science and Technology,
Oxford, v.60, n.2, p. 173-184, Feb.
79. DVORAK, G. J. (2000). Composite materials: Inelastic behavior, damage, fatigue
and fracture. International Journal of Solids and Structures, New York, v. 37, n.1/22,
p.155-170, Jan.
80. TRUSS, R.W.; HINE, P.J.; DUCKETT, R.A. (1997). Interlaminar and intralaminar
fracture toughness of uniaxial continuous and discontinuous carbon fiber/epoxy
composites. Composites, Oxford, pt.A, v.28, n.7, p.627-636.
81. NIELSEN, L.E.; LANDEL, R.F. (1994). Mechanical properties of polymers and
composites. 2ed. Ed. New York: M. Dekker.
82. PFISTER D.P. and LAROCK R.C. Green composites from a conjugated linseed oil-
based resin and wheat straw. Compos. Part A. 2010;41:1279-88.
83. Food and agricultural organization of United Nations. Economic and Social
Department. The Statistical Division, 2008.
84. J.M.L. Reis, E.P. Carneiro. Effect of piaçava lees in the fracture behavior of
polymer mortars. Composite Structures, 2012.
85. B. Gross and J. E. Srawley. Stress intensity factors for three-point bend specimens
by boundary collocation. NASA TN D-3092, 1965.
86. J.E. Srawley and B. Gross. Stress intensity factors for crackline-loaded edge-crack
specimens. Materials Research and Standards, 7(4):155-162,1967.
87. J. Planas and M. Elices. Towards a Measure of Gf Analysis of Experimental Results,
Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete. F.H. Wittmann, 1986.
71
88. J. Planas and M. Elices. Conceptual and experimental problems in the
determination of the fracture energy of concrete, Fracture Toughness and Fracture
Energy. Mihashi, 1989.
89. M.C.S. Ribeiro, J.C. Vogt, A.T. Marques, A.J.M. Ferreira. Mechanical Behavior
analysis of polymer mortars reinforced with jute and piaçava natural fibers under
alkaline environments. Materials Science Forum. Vols. 636-637, 2010.
90. F. Sajedi and H. A. Razak. Effects of curing regimes and cement fineness on the
compressive strength of ordinary Portland cement mortars. Construction and Building
Materials, 2011.
72
7 Anexo:
Artigo Publicado
Mechanical behavior of piassava fiber reinforced castor oil polymermortars
J.M.L. Reis ⇑, E.P. MottaTheoretical and Applied Mechanics Laboratory – LMTA, Mechanical Engineering Post Graduate Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF, Rua Passo da Pátria,156 Bl. E sala 216, Niterói, RJ, Brazil
a r t i c l e i n f o
Article history:Available online 31 January 2014
Keywords:Natural fiberNatural polymerPolymer mortarsMechanical properties
a b s t r a c t
From the past decades, growing global awareness concerning natural resources and recycling hasresulted in the interest on biocomposites. Natural fibers embedding on natural polymers constitute anexcellent alternative for the development of biocomposites. The aim of this work is to evaluate the useof natural fibers, piassava (Attalea Funifera Mart) scraps from broom industry, as reinforcement of naturalpolymer based mortars. The biopolymer matrix is manufactured from castor oil obtained by expressingthe seed of the plant Ricinus Communis. Mechanical properties of castor oil polymer mortars reinforcedwith 1 and 2 wt%. of piassava fibers lees are analyzed with particular regards to compressive, flexuraland fracture properties. The results showed that castor oil polymer mortars reinforced with piassava fiberlees produces similar properties to epoxy based polymers mortars therefore, proving that it is an excel-lent biocomposite alternative.
� 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Sustainable material is a concept connected to the growing glo-bal awareness raised from the scarcity of natural resources and en-ergy, solid waste generation and greenhouse gas emission. Thediscussion about the preservation of natural resources andrecycling has increase the interest concerning biomaterials withthe focus on renewable raw materials. Biocomposites consist ofbiodegradable polymer as matrix material and usually biofiber asreinforcing element [1]. Since both components are biodegradable,the composite as the integral part is also expected to be biodegrad-able. By embedding natural reinforcing fibers, e.g. flax, hemp,ramie, etc. into biopolymeric matrix made of derivatives fromcellulose, starch, lactic acid, etc.; new fiber reinforced materialscalled biocomposites were created and are still being developed[2].
Natural fibers have the advantages of locally available renew-able resources, low cost, lightweight, possibility of environmentalprotection and good mechanical properties compared with tradi-tional reinforcement material such as glass fiber [3–8]. Natural fi-bers offer reduced dependence on non-renewable energy/materialsources, induce lower pollutant and lower greenhouse gasemissions, enhance energy recovery and produces biodegradable
components after use [9–14]. Piassava is a lignocellulosic fiber ex-tracted from the leaves of palm tree native from the south of thestate of Bahia, Brazil [15]. The main use of the piassava fibers isin the production of industrial and domestic brooms, brushesand kiosk coverings. However, it is estimated that 20% of thosefibers are eliminated during the industrial process, being burnt inmost of the time [16,17].
The fiber content (around 48%) is the highest among the ligno-cellulosic fibers [18,19] compared to other lignocellulosic materi-als, and the ash level (0.8%) is low [20]. Studies with piassava(Attalea Funifera Mart) fiber showed that it can be used to reinforcepolymer matrix composites [16–19,21,22]. It was reported thatcomposites of epoxy and unsaturated polyester polymer mortarsreinforced with piassava fiber showed an improvement of mechan-ical performance due to the increase of fiber polymer matrixinterface adhesion [21,22]. Polymer mortar (PM) is a cementlesscomposite, made of inorganic aggregates bonded together by a bin-der resin, in this case castor oil polyurethane resin, which substi-tutes the cement. The composition of PM is determined by itsapplications, and its strength is influenced by the ratio of aggregateto resin content [23–25]. In this work, to characterize the biocom-posite, a natural resin, manufactured from a plant oil, is used aspolymer mortar matrix. Castor oil is obtained from extracting orexpressing the seed of a plant, which has the botanical nameRicinus communis [26]. Chemistries can synthesize polyols andprepolymers having different characteristics originating from the
http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.01.0230263-8223/� 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.
⇑ Corresponding author. Tel.: +55 2126295588; fax: +55 2126295585.E-mail address: [email protected] (J.M.L. Reis).
Composite Structures 111 (2014) 468–472
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Composite Structures
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castor-oil plant which, when mixed, produces a polyurethane [27].Castor-oil-based polyurethane is competitive in comparison toother polymers because, in addition to its main mechanical proper-ties, it derives from a low-cost natural and renewable raw material.Furthermore, it is flexible, rigid, and possesses molecular inter-chains and intercross strength conferred by the balancing of thechemical characteristics of the polyol in combination with the pre-polymer [28].
The proposal of this work is to study the mechanical properties,compressive, flexural and fracture, of piassava fiber reinforcedpolymer mortars manufactured with a polyurethane resin derivedfrom castor oil and compare to synthetic polymer mortars. The fab-rication process development and the mechanical characterizationof this new biocomposite are essential for its structural or func-tional application, presenting a great potential in the constructionindustry.
2. Materials and methods
2.1. Materials
To manufacture piassava fiber castor oil polymer mortars spec-imens, piassava fiber lees, foundry sand and castor oil polymer re-sin were mixed. Piassava fibers were obtained from the broomindustry of northeast state of Bahia and have been described asharder than others lignocellulosic fibers. The main application ofpiassava fibers is to produce brooms but a significant amount ofresidue is produced and cannot be used. Normally it is disposedin landfills and is called lees [17].
The piassava lees were shredded and used as partial replace-ment of natural aggregate. The ratio used in these mixtures was1% and 2% in weight, substituting aggregates in the mixture. Thisamount of piassava fibers was chosen according to previous study[21]. Large amount of natural replacing fibers, more than 2%, do notreinforce polymer mortars. It only contributes to increase porosityand decrease the mechanical properties.
Lees were washed and vacuum dried for 24 h in order to elim-inate the impurities and humidity. The density of piassava lees wasdetermined using a pycnometer, and it was found 1.10 g/ml.
The aggregate was foundry sand with a homogeneous grainsize, with uniform grains and a mean diameter of 300 lm, with fi-nesses modulus between 3 and 5. The aggregate content was 88%in weight. The specific gravity of the foundry sand was 2.63 g/cm3. Before being added to the polymeric resins to reduce moisturecontent, the foundry sand was dried, insuring a good bond betweenpolymer and inorganic aggregate.
The employed thermosetting castor oil polyurethane resin wasdeveloped by the Group of Analytic Chemistry and Technology ofPolymers, USP, São Carlos, Brazil and was manufactured and pro-vided by Plural Brazil. Resin content was 12% in weight and no fil-ler was added. Table 1 presents the castor oil polyurethane resinproperties [29,30].
The castor oil polyurethane resin consists of two components,polyol and pre-polymer. The polyol was synthesized from the
castor oil and a tri-functional polyester with hydroxyl index of330 mg KOH/g was obtained. The pre-polymer was synthesizedfrom diphenylmethane diisocyanate (MDI) and pre-polymerizedwith a polyol also derived from castor oil, keeping a percentageof isocyanate free for posterior reaction. The approximate densitiesof the pre-polymer and polyol were 1.17 and 0.98 g/cm3, respec-tively. The castor oil resin was processed mixing the procepolyoland pre-polymer in a weight ratio of 1:1.
Piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars compres-sion, flexural ad fracture specimens were compacted in a steelmold. The specimens were cured at 110 �C during 3 h.
2.2. Methods
Prismatic polymer mortar beams 40 mm � 40 mm � 160 mmwere tested by three-point bending up to failure at a loading rateof 1 mm min�1, with a span length of 100 mm, according to the RI-LEM specification TC113/PCM-8 [31]. Despite the very short spancompared to the thickness, shear effect was disregarded. Polymermortar is considered an isotropic material and the plane cross-section theory was assumed. To determine the compressive prop-erties, the two leftover parts of each broken specimen in bendingwere tested at the loading rate of 1.25 mm min�1, following theprocedure described in UNE 83821:1992 standard [32]. Appliedtest operating methods in flexure and compression were similarto those specified in EN 196-1:2005 [33].
To determine the fracture properties, the Two ParameterMethod (TPM) [34] was used. This method is a direct method to cal-culate critical stress intensity factor, KIc, which is a measurement ofa material’s resistance to crack extension when the stress state nearthe crack tip is predominantly plane strain, limiting the plasticdeformation, and the opening mode monotonic load is applied. Alsothe fracture energy was calculated according to RILEM [35]. Frac-ture tests specimens had 30 mm � 60 mm � 240 mm and wereconducted using a universal testing machine with a cross-headspeed of 0.5 mm min�1. The crack mouth opening displacement(CMOD) was measured using a COD gauge clipped at the bottomof the beam and held in position by two 1.5 mm steel knife edgesglued at the specimen.
3. Results and discussion
Piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars test resultsare presented in Table 2.
According to Table 2 it can be seen that, piassava fibers act asreinforcement to castor oil polymer mortars. In compression asmall decrease in strength, 2.1%, is calculated for 1% of piassava fi-ber content and an increase of 4.4% is reported for 2% of piassavafiber content. According to Ribeiro et al. [22] when piassava fiberswere used as reinforcement in polyester polymer mortars andtested in compression an increase in strength was observed,14.3% for 1% piassava fiber content and 10.5% when 2% of piassavafibers were used as aggregate replacement. Comparing to plaincastor oil polymer mortar to epoxy ones from previous work [29]a slight decrease, 2.2%, is observed and an increase of 55.2% whencompared to unsaturated polyester PM.
When piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars aretested in flexion it is observed that the flexural strength decreasefor both piassava fiber content. For 1% of piassava fiber content adecrease of 12.7% in the flexural strength is reported and when2% of piassava fiber is analyzed, a diminish of 9.6% is observed.Again, similar behavior to synthetic polymer mortars is reported.An insignificant improve, 0.8%, in the flexural strength was calcu-lated by Ribeiro et al. [22] when 1% of piassava fibers were usedin polyester polymer mortars, and a decrease of 3.5% in the flexural
Table 1Castor oil polyurethane resin properties.
Property Castor oil polyurethane
Color Dark yellowDensity (g/cm3) 1.1Hardness shore D 70Modulus of elasticity (GPa) 2.0Glass transition temperature – Tg (�C) 60
J.M.L. Reis, E.P. Motta / Composite Structures 111 (2014) 468–472 469
strength was also reported for 2% of piassava fiber content. As ob-served in synthetic polymer mortars, piassava fibers do not rein-force castor oil polymer mortars in flexion. Comparing plaincastor oil polymer mortars to plain epoxy and unsaturated polyes-ter PM [36] higher flexural strength is calculated. Relating to epoxyPM, castor oil PM has 39.1% higher flexural strength, while forunsaturated polyester polymer mortars, castor oil PM has182.7%higher flexural strength.
Analyzing the fracture parameters in Table 2, it can be seen thatpiassava fibers increase fracture toughness but do not improve theability to retain energy as crack propagates.
Calculating the stress intensity factor, KIc, 1% of piassava fiberimproves 19.5% and 2% of piassava fiber produces 7.2% higher frac-ture toughness when compared to plain castor oil polymer mor-tars. From previous research work [21,37,38] it was concludedthat small quantities, 1% and 2%, of natural and recycled polymerfibers improve fracture toughness of epoxy and unsaturated poly-ester polymer mortars and higher amounts of fiber, 5 up to 20%, donot reinforce the matrix making it less tough, justifying piassava fi-ber quantities as castor oil polymer mortars reinforcement used inthis paper. Comparing plain castor oil polymer mortars with epoxyones [37] a slight decrease in the fracture toughness is calculated,
Table 2Piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars test results.
Specimens Compressive strength (MPa) Flexural strength (MPa) KIc (MPa) Gf (N m)
Plain castor oil PM 37.86 ± 0.75 22.11 ± 2.26 1.95 ± 0.20 1262.61 ± 89.021% Piassava reinforcement 37.06 ± 0.10 19.30 ± 0.39 2.33 ± 0.04 891.97 ± 25.122% Piassava reinforcement 39.52 ± 0.89 19.98 ± 1.66 2.09 ± 0.02 780.60 ± 3.41
Fig. 1. Typical compressive stress vs. strain of piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars.
Fig. 2. Typical flexural stress vs. strain of piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars.
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although 1.5% and 66.7% improvement is reported when it is com-pared to unsaturated polyester polymer mortars. The improvementobserved in the fracture toughness is not reflected in the fractureenergy. As piassava fiber content increase in the castor oil polymermortars, the fracture energy decreases. For 1% of piassava fiber adiminish of 29.7% is reported and 38.2% decrease is calculated forfracture energy when compared to unreinforced castor oil polymermortars.
Fig. 1 presents the typical compressive stress vs. strain of pias-sava fiber reinforced castor oil polymer mortars.
According to Fig. 1 it can be seen a slight increase in the maxi-mum compressive strength, also piassava fiber contributes to a lessbrittle post peak stress behavior compared to epoxy and polyesterpolymer mortars [36]. Also, compressive stiffness of piassava fiberreinforced polymer mortars are similar to unreinforced ones.
Fig. 2 displays the typical flexural stress vs. strain of piassava fi-ber reinforced castor oil polymer mortars.
Analyzing Fig. 2 it can be seen that piassava fiber reinforced cas-tor oil polymer mortars have lower flexural stiffness when com-pared to plain castor oil polymer mortars. Also, plain castor oilpolymer mortars have higher flexural stress then the piassava fiberreinforced ones. A typical load vs. CMOD curves of castor oil andsynthetic polymer mortars are presented in Fig. 3.
From Fig. 3, when fracture mechanics parameters are analyzed,it can be seen that 1% piassava fiber reinforced castor oil polymermortars display similar stiffness compared to 2% piassava fiberreinforced castor oil polymer mortars, and higher than plain castoroil polymer mortars. Despite higher peak load and therefore higherfracture toughness, it was expected a less brittle behavior whenpiassava fibers were introduced in the castor oil matrix due to fiberbridging, but this was not observed. Unreinforced castor oil poly-mer mortars displayed a softer failure. This also can be explaineddue to the castor oil polymer structure similar to synthetic poly-urethane. Plain polyurethane has high elongation at break, and
Fig. 3. Typical load vs. CMOD of piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars.
Fig. 4. Typical load vs. mid-span displacement curves of piassava fiber reinforced castor oil polymer mortars.
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when fibers are added to the matrix it produces brittleness [30].The typical load vs. mid-span displacement curves of piassava fiberreinforced castor oil polymer mortars are presented in Fig. 4.
Analyzing Fig. 4, unreinforced castor oil polymer mortars dis-played higher absorbed energy, since the work of fracture andthe area under the load vs. mid-span displacement is higher thanpiassava fiber reinforced castor oil polymer mortars. Thus, theresistance was elevated to create a fracture surface area. Also, lessbrittle behavior can be reported for plain castor oil polymer mor-tars. This can be explained by the higher elongation at break [30]from castor oil polyurethane resins compared to synthetic ones.
4. Conclusions
In this research work, the effect of using piassava fiber as rein-forcement in natural polymer resin produced from castor oil seedsas substitute of synthetic polymer resins, epoxy and polyester inpolymer mortars matrix was analyzed. The compressive, flexuraland fracture behavior were calculated and quantified.
Small quantities of piassava fibers, 2%, reinforce castor oil poly-mer mortars in compression. No reinforcement was observed aspiassava fibers were used in castor oil polymer mortars and thentested in flexion. In fact, a decrease in the flexural strength wasobserved. Analyzing the resistance to crack propagation, piassavafibers display an important role, significantly improving fracturetoughness and stiffness, especially 1% of piassava fiber content.However, piassava fiber contributes to a brittle failure. When therupture occurs, the crack of the piassava fiber reinforced PM prop-agates faster than the unreinforced castor oil polymer mortars.Comparing to synthetic polymer matrix mortars, castor oil polymermortars produces similar behavior compared to epoxy polymermortars, furthermore castor oil polymer mortars has propertiessignificant higher when compared to unsaturated polyester PM.Using natural fiber from renewable resources and substituting syn-thetic polymer resins by natural resin produces a composite mate-rial that brings economical and energy saving benefits from anecological point of view.
Acknowledgements
The authors thank the Research Foundation of the State of Riode Janeiro (FAPERJ), the Brazilian National Council for Scientificand Technological Development (CNPq) and the Coordination forthe Improvement of Higher Education Personnel (CAPES) for sup-porting part of the work presented here. Also, authors would liketo thank Plural Indústria e Comércio de Produtos Químicos Ltdafor providing the castor oil polyurethane resin.
References
[1] Soroudi A, Jakubowic I. Recycling of bioplastics, their blends andbiocomposites: a review. Eur Polym J 2013;49:2839–58.
[2] Faruk O, Bledzki AK, Fink HP, Sain M. Biocomposites reinforced with naturalfibers: 2000–2010. Prog Polym Sci 2012;37:1552–96.
[3] Choi HY, Han SO, Lee JS. Surface morphological, mechanical and thermalcharacterization of electron beam irradiated fibers. Appl Surf Sci2008;255:2466–73.
[4] Joshi SV, Drzal LT, Mohanty AK, Arora S. Are natural fiber compositesenvironmentally superior to glass fiber reinforced composites? Composites:Part A 2004;35:371–6.
[5] Zenkiewicz M, Kurcok M. Effects of compatibilizers and electron radiation onthermomechanical properties of composites consisting of five recycledpolymers. Polym Test 2008;27:420–7.
[6] Dintcheva NT, Jilov N, Mantia FP. Recycling of plastics from packaging. PolymDegrad Stab 1997;57:191–203.
[7] Alves C, Ferrão PMC, Silva AJ, Reis LG, Freitas M, Rodrigues LB. Ecodesign ofautomotive components making use of natural jute fiber composites. J CleanerProd 2010;18:313–27.
[8] Peijs T. Composites turn green. e-Polymer 2002;1:1–12.[9] Swamy RN. Natural fibre reinforced cement and concrete. Glasgow: Blackie;
1988. p. 288.[10] Holbery J, Houston D. Natural-fiber-reinforced polymer composites in
automotive applications. J Miner Met Mater Soc 2006;58(11):80–6.[11] Hernández-Olivares F, Oteiza I, de Villanueva L. Experimental analysis of
toughness and modulus of rupture increase of sisal short fiber reinforcedhemihydrated gypsum. Compos Struct 1992;22:123–37.
[12] Al-Oraimi SK, Seibi AC. Mechanical characterisation and impact behaviour ofconcrete reinforced with natural fibres. Compos Struct 1995;32:165–71.
[13] Murali Mohan Rao K, Mohana Rao K. Extraction and tensile properties ofnatural fibers: Vakka, date and bamboo. Compos Struct 2007;77:288–95.
[14] Lebrun G, Couture A, Laperrière L. Tensile and impregnation behavior ofunidirectional hemp/paper/epoxy and flax/paper/epoxy composites. ComposStruct 2013;103:151–60.
[15] Satyanarayana KG, Guimarães JL, Wypych F. Studies on lignocellulosic fibers ofBrazil. Part I: Source, production, morphology, properties and applications.Composites: Part A 2007;38:1694–709.
[16] de Deus JF, Monteiro SN, d’Almeida JRM. Effect of drying, molding pressure,and strain rate on the flexural mechanical behavior of piassava (Attalea funiferaMart) fiber–polyester composites. Polym Test 2005;24:750–5.
[17] Nascimento DCO, Ferreira AS, Monteiro SN, Aquino RCMP, Kestur SG. Studieson the characterization of piassava fibers and their epoxy composites.Composites: Part A 2012;43:353–62.
[18] D’Almeida JRM, Aquino RCMP, Monteiro SN. Tensile mechanical properties,morphological aspects and chemical characterization of piassava (Attaleafunifera) fibers. Composites: Part A 2006;37(9):1473–9.
[19] Aquino RCMP, d’Almeida JRM, Monteiro SN. Flexural mechanical properties ofpiassava fibers (Attalea funifera) – resin matrix composites. J Mater Sci Lett2001;20:1017–29.
[20] Schuchardt U, Bianchi ML, Gonçalves AR, Curvelo AAS, Biscolla FC, Peres LO.Piassava fibers (Attalea Funifera): I. Chemical analysis, extraction and reactivityof its lignin. Cellul Chem Technol 1995;29:705–12.
[21] Reis JML, Carneiro EP. Effect of piassava lees in the fracture behavior ofpolymer mortars. Compos Struct 2013;95:564–8.
[22] Ribeiro MCS, Vogt JC, Marques AT, Ferreira AJM. Mechanical behaviour analysisof polymer mortars reinforced with jute and piassava natural fibres underalkaline environments. Mater Sci Forum 2010;636–637:239–44.
[23] Ribeiro M, Tavares C, Ferreira AJM, Fernandes AA. Bending characteristics ofresin concretes. Mater Res 2003;6:247–54.
[24] Reis JML. Effect of textile waste on the mechanical properties of polymerconcrete. Mater Res 2009;12:63–7.
[25] Ribeiro MCS, Fiúza A, Castro ACM, Silva FG, Dinis ML, Meixedo JP, et al. Mixdesign process of polyester polymer mortars modified with recycled GFRPwaste materials. Compos Struct 2013;105:300–10.
[26] Thomas A. Fats and fatty oils. Ullmann’s encyclopedia of industrialchemistry. Weinheim: Wiley-VCH; 2005. doi: 10.1002/14356007.a10_173.
[27] Ogunniyi DS, Fakayejo WRO, Ola A. Preparation and properties ofpolyurethanes from toluene diisocyanate and mixtures of castor oil andpolyol. Iran Polym J 1996;5:56–9.
[28] Somani KP, Kansara SS, Patel NK, Rakshit AK. Castor oil based polyurethaneadhesives for wood-to-wood bonding. Int J Adhes Adhes 2003;23:269–75.
[29] Claro Neto S. Physical chemistry characterization of a polyurethane derivedfrom castor oil used for bone implants. Phd thesis. The University of São Paulo,Chemistry Institute of São Carlos; 1997.
[30] Silva RV. Composite based on polyurethane resin derived from castor oil andvegetable fibers, Phd thesis. The University of São Paulo, Material Sciences andEngineering of São Carlos; 2003.
[31] CPT PCM-8: method of test for flexural strength and deflection of polymer-modified mortar. TC 113. London: RILEM; 1995.
[32] UNE 83821:1992. Morteros: Métodos de ensayo; Morteros endurecidos;Determinación de las resistências a flexión y a compressión. UNE, Spain; 1992.
[33] EN 196-1:2005. Methods of testing cement – Part 1: Determination ofstrength. European Committee for Standardization; 2005.
[34] RILEM TC89-FMT. Fracture mechanics of concrete test methods. Mater Struct1991;23:457–60.
[35] RILEM 50-FMC. Determination of fracture energy of mortar and concrete bymeans of three-point bend test on notched beams. Mater Struct1985;18:285–90.
[36] Reis JML, Carneiro EP. Evaluation of PET waste aggregates in polymer mortars.Constr Build Mater 2012;27:107–11.
[37] Reis JML, Chianelli-Junior R, Cardoso JL, Marinho FJV. Effect of recycled PET inthe fracture mechanics of polymer mortar. Constr Build Mater2011;25:2799–804.
[38] Reis JML. Fracture and flexural characterization of natural fiber-reinforcedpolymer concrete. Constr Build Mater 2006;20:673–8.
472 J.M.L. Reis, E.P. Motta / Composite Structures 111 (2014) 468–472