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Introdução aos betões e argamassas poliméricas
A. J. M. Ferreira
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial
Apontamentos para a Disciplina de Novos Materiais
Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil da FEUP
Novembro 2001
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1. Introdução
O betão polimérico ou betão de resina é um material compósito onde uma resina termoendurecível liga inertes naturais, como por exemplo a areia de sílica. Os catalizadores e aceleradores são adicionados à resina antes da sua mistura com os inertes inorgânicos para iniciar a reacção de cura (polimerização). As vantagens dos betões de resina, comparativamente aos betões de cimento, são a alta resistência, elevada duração, permeabilidade muito baixa e tempos de cura rápidos. As aplicações de betões poliméricos estão em crescimento, nomeadamente na pré-fabricação, sendo hoje comuns em drenos para águas, caixas, tubagens ou postos de transmissão, bem como painéis de fachadas.
2. Materiais
O betão polimérico consiste na ligação de inertes a um polímero termoendurecível de ligação. Quando é usada areia fina como massa mineral o compósito referido designa-se por argamassa polimérica. Outras massas ou partículas incluem brita, gravilha, limalha de pedra, calcário e sílica (sílica moída ou sílica em pó), granito, quartzo, argila, vidro expandido, partículas metálicas, etc.; geralmente, em qualquer processo de secagem não absorvente, o material sólido pode ser usado como um fino no agregado. Na Tabela 1 apresenta-se um exexmplo da granulometria tipica da areia usada em alguns betões poliméricos. A produção de betões poliméricos implica a mistura de um monómero ou um pré-polímero (isto é, um produto resultante da polimerização parcial de um monómero), um endurecedor (agente de ligação cruzada) e um catalisador, com os finos, podendo outros ingredientes ser acrescentados à mistura, incluindo plastificantes e retardantes ao fogo. Por vezes, usam-se agentes acoplantes de silano para aumentar a resistência da ligação entre a matriz polimérica e o agregado. É também possível reforçar os betões com fibra, sobretudo em certas aplicações estruturais. Os reforços incluem fibras de vidro (GF), mantas ou emaranhados à base de fibras de vidro, tecidos ou panos, fibras de carbono (CF) e fibras metálicas destacando-se aqui, em particular, as fibras de aço (SF). A fixação estável do tempo necessário ao desenvolvimento da máxima resistência é uma tarefa essencial, e aquele pode variar de alguns minutos a várias horas, mediante ajustamento da temperatura e do sistema promotor ou catalítico. A quantidade de ligante utilizado é geralmente pequena, e é normalmente determinada pela dimensão do agregado (finos), mas regra geral, o conteúdo do polímero ronda os 5% a 15% do total do peso; no entanto, se se tratar de argamassas em que entra areia fina, poderão ser usadas maiores quantidades de resina.
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Os compósitos em betão polimérico têm realmente boa resistência ao ataque químico e a outros agentes corrosivos, muito baixas propriedades de absorção de água, boa resistência ao abrasão e marcada resistência á congelação – descongelação. Dada a grande resistência do betão polimérico em comparação com o betão de cimento Portland, poder-se-á obter ganhos em termos da quantidade de material, colocando o betão polimérico numa base competitiva com o betão de cimento em certas aplicações especiais. A resistência química e as propriedades físicas são geralmente determinadas pela natureza do polímero de ligação em maior extensão, do que pelo tipo e quantidade de finos usados no agregado. Retomando o assunto, as propriedades da matriz polimérica são altamente dependentes do tempo e da temperatura à qual é exposta. As propriedades viscoelásticas de um polímero de ligação são responsáveis pelos elevados valores de fluência o que constitui um factor de uso restrito do (PC) em aplicações estruturais. A sua resposta à deformação é altamente variável, dependendo da sua formulação; o módulo de elasticidade ronda entre 20 a cerca de 50 Gpa, e a sua deformação à fractura por tracção é geralmente de 1%. A deformação por contracção varia com o tipo de polímero usado (alta para poliéster e baixa para uma ligação à base de epóxido) e o resultado obtido é específico de cada aplicação. Uma larga variedade de monómeros e pré-polímeros são usados para produzir betões poliméricos, sendo os polímeros mais frequentemente usados baseados em quatro tipos de monómeros ou sistemas poliméricos: metilmetacrilato (MMA), polímero de estireno de poliester, endurecedor pré-polimérico de epóxido (monómero de ligação cruzada) e álcool sulfurílico. Assim, em primeiro lugar, tecem-se algumas considerações sobre reacções de polimerização e temperaturas de fusão e de transição vitrea, para de seguida se descreverem os principais tipos de resina e de outros ingredientes envolvidos nas formulações, características básicas de cada sistema de resina, tipos de betões poliméricos e de formulações, seu processamento e segurança. Finalmente são referidos os reforços.
Tabela 1- Análise granulométrica e química da areia utilizada
Análise Granulométrica
Análise Química
Diâmetro
(µµ m) % Composto %
850 0 SiO2 99.30
600 0 Fe2O3 0.100
425 2 TiO2 0.080
300 12 Al2O3 0.300
212 60 K2O+Na2O 0.090
150 24 CaO+MgO 0.013
106 2 L.O.I (P.R.) 0.12
75 0 A.D.V. pH3 0.6
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Tabela 2- Propriedades do betão utilizado
Propriedade Valor
Resistência à flexão 38.7MPa
Resistência à compressão 82 MPa
Módulo de elasticidade à compressão
11.5 GPa
Quando se pretende usar um betão armado, colocam-se de imediato duas possibilidades: a de reforçar com varões metálicos e ainda com varões não metálicos. Os varões de pultrusão usados no reforço foram fabricados na máquina de pultrusão do INEGI, em colaboração com a empresa ALTO – Perfis Pultrudidos, L.da. Tratam-se de varões de resina poliester reforçada com fibra de vidro. Na tabela 3 são apresentadas as principais características destes varões
Tabela 3- Propriedades dos varões utilizados
Propriedade Valor
Resistência à tracção 1 GPa
Resistência à flexão 1 GPa
Resistência à compressão 450 MPa
Módulo de elasticidade à tracção 40 GPa
Módulo de elasticidade à flexão 45 GPa
Módulo de elasticidade à compressão
30 GPa
3. Preparação das vigas
Foram realizadas vigas com as dimensões 600x30x50mm com reforçadas com varão de pultrusão de diâmetro de 4mm. A figura 1 mostra uma viga de betão polimérico reforçada.
Figura 1 - Aspecto final de uma viga de betão polimérico reforçado com GRFP
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Para preparação das vigas de betão polimérico utilizadas neste estudo, uma mistura de resina Eposil 551/endurecedor 551 na proporção 2:1, foi adicionada à areia previamente seca. Seguidamente procedeu-se à mistura em batedeira durante 2 minutos. Finalmente, a mistura foi colocada nos moldes prismáticos. Antes da utilização dos varões, estes foram lixados com lixa n.º 220, de forma a promover à adesão ao betão. Após 24 horas as vigas foram desmoldadas e sujeitas a tratamento térmico à 60º C durante 7 horas. Na figura 2 é apresentado o molde utilizado para elaboração destas vigas .
Figura 2 - Molde para vigas de betão polimérico
Os provetes utilizados neste trabalho, com as dimensões 296x30x50mm, foram obtidos por corte central de vigas.
4. Envelhecimento acelerado
Para melhor compreensão do comportamento dos betões poliméricos, relata-se agora um conjunto de ensaios de degradação, por ciclos térmicos e por exposição a temperatura constante.
a. Provetes
Foram considerados os seguintes provetes de betão polimérico não reforçado: Tipo 1: Provetes prismáticos ( 4 x 4 x 16 cm) para ensaios de flexão;
Tipo 2: Provetes cilindricos ( ∅10 x 20 cm) para ensaios de compressão.
b. Condicionamento ambiental
Ciclos térmicos
Foram expostos seis provetes de cada tipo a ciclos térmicos, entre 20ºC e 100ºC, (humidade relativa de 50%), como mostra a figura 3. Foi usada a
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câmara climática da figura 4, para condicionamento dos provetes. Foram realizados ensaios de flexão e compressão à temperatura ambiente, após 50 e 100 ciclos (3 provetes para cada ciclo).
Ciclos de fadiga térmica
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Tempo(horas)
Temperatura/humidade
Temperature Moisture
Figura 3 – Ciclos de fadiga térmica.
Condicionamento em temperatura
Foram ensaiados três provetes de cada tipo, durante três horas a 40º, 60º, 80º e 100ºC. Foram realizados ensaios de compressão e flexão, imediatamente após o condicionamento. Foram também ensaiados três provetes do tipo 1 e 2, à temperature ambiente, para referência.
Figura 4 – Câmara climática
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c. Ensaios de flexão e compressão
Ensaios de flexão
Foram realizados ensaios de flexão numa máquina Instron, com controle de deslocamento, à velocidade de 1mm/min, de acordo com a norma RILEM (TC-113/PCM-8: Method of test for flexural strength and deflection of polymer-modified mortar). Ensaios de compressão
Foram realizados ensaios de compressão numa máquina de ensaios universal à velocidade de carga de kN/seconde, de acordo com a norma RILEM (TC-113/PC-5: Method of test for compressive strength of polymer concrete and mortar).
d. Resultados experimentais
1. Resultados dos ensaios de flexão
Os resultados de ensaios de flexão estão resumidos na tabela 4. Na figuras 5 e 6 apresentam-se as curvas para cada provete e para cada condição de ensaio. Na figura 7 ilustra-se a velocidade de redução da resistência à flexão em função do ambiente de degradação.
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Tabela 4- Resultados dos ensaios de degradação
Provete Carga Máxima (kN)
Resistência à flexão (MPa)
Flecha na rotura (mm)
REF-1 13.54 31.73 0.55 REF-2 13.36 31.31 31.37 0.55
REF-3 13.25
13.38
31.06 0.52
0.54
40ºC-1 11.80 27.66 0.51
40ºC-2 10.91 25.58 0.50 40ºC-3 12.26
11.66
28.74
27.33
0.52
0.51
60ºC-1 9.94 23.30 0.52
60ºC-2 9.41 22.04 0.50 60ºC-3 9.49
9.61
22.24
22.53
0.47
0.50
80ºC-1 8.02 18.80 0.42
80ºC-2 7.76 18.19 0.41 80ºC-3 7.78
7.85
18.24
18.41
0.42
0.42
100ºC-1 6.05 14.18 0.68
100ºC-2 6.67 15.64 0.65 100ºC-3 7.17
6.63
16.80
15.54
0.55
0.63
Cyc 50-1 9.94 23.29 0.47
Cyc 50-2 12.22 28.65 0.52 Cyc 50-3 11.85
11.34
27.77
26.57
0.52
0.50
Cyc 100-1 12.56 29.44 0.57
Cyc 100-2 9.82 23.01 0.52 Cyc 100-3 12.91
11.76
30.25
27.57
0.52
0.54
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Resistência à flexão a 23º, 40º, 60º, 80º e 100ºC
0
10
20
30
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Flecha (mm)
Res
istê
nci
a à
flex
ão (
MP
a)
Reference40ºC
60ºC
80ºC100ºC
Figura 5 – Curvas de tensão-deformação dos ensaios de flexão a 23º, 40º, 60º,
80º e 100ºC.
Ensaios de flexão após fadiga térmica
0
10
20
30
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Flecha (mm)
Res
istê
nci
a à
flex
ão (M
Pa) Reference
50 cycles
100 cycles
Figura 6 – Curvas tensão-deformação em ensaios de flexão após 0, 50 e 100 ciclos térmicos
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Ciclos térmicos (nº)
0
10
20
30
40
20 40 60 80 100 120
Temperatura (ºC)
Res
istê
nci
a à
flex
ão (M
Pa)
Flex.Strength x Temperature
Flex.Strength x Thermal cycles
0 50 100
-
-
-
-
- -
Figura 7 – Variação da resistência à flexão em função do ambiente de condicionamento
1. Resultados dos ensaios de compressão
Os resultados dos ensaios de compressão são apresentados na tabela 5. Nas figuras 8 e 9 apresentam-se as curvas tensão-deformação para cada provete e para cada condição de ensaio. Na figura 10 apresenta-se a evolução da resistência á compressão em função do ambiente de condicionamento.
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Tabela 5 – Resultados dos ensaios de compressão
Provete Altura
(mm)
Secção
(mm2)
Carga máxima
(kN)
Resistência à compressão
(MPa)
Deformação à rotura
(0/00)
REF-1 197.5 8028 764.7 95.3 9.6
REF-2 198.5 7980 907.0 113.6 106.3 10.4 REF-3 199.0 7933 872.6 110.0 10.2
10.1
40ºC-1 198.5 7729 793.3 102.6 12.4
40ºC-2 197.0 7698 758.8 98.6 13.8 40ºC-3 198.5 7885 656.1 83.2
94.8
12.4
12.9
60ºC-1 197.5 7870 583.1 74.1 14.4
60ºC-2 198.0 7996 566.0 70.8 14.4 60ºC-3 198.5 7980 581.9 72.9
72.6
12.6
13.8
80ºC-1 198.0 7949 509.3 64.1 15.7 80ºC-2 196.5 7776 497.8 64.0 16.8 80ºC-3 198.5 7933 520.8 65.6
64.6
15.3
15.9
100ºC-1 198.0 8012 472.6 (59.0)* - (14.1)* - 100ºC-2 199.5 7980 370.9 46.5 18.0 100ºC-3 199.0 7838 375.8 47.9
47.2 17.3
17.7
Cyc 50-1 199.0 7791 875.4 112.4 11.5 Cyc 50-2 198.5 7917 873.8 110.4 12.4
Cyc 50-3 200.0 7885 880.1 111.6
111.4
11.7
11.9
Cyc 100-1 198.0 8012 870.1 108.6 11.1 Cyc 100-2 198.5 7949 862.0 108.4 11.3
Cyc 100-3 199.0 7901 880 111.4
109.5
11.8
11.4
*Este resultado não foi considerado, devido a problemas com o sistema de aquisição.
12
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 Deformação(o/oo)
Resistência à compressão (Mpa)
Reference 40ºC 60ºC 80ºC 100ºC
Figura 8 – Curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios de compressão às
temperatures de 23º, 40º, 60º,80º e 100ºC
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 Deformação (o/oo)
Resistência à compressão (MPa)
Reference 50 cycles 100 cycles
Figura 9 – Curvas tensão-deformação obtidas a partir de ensaios de
compressão após 50 e 100 ciclos térmicos
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Ciclos térmicos (nº)
0
20
40
60
80
100
120
20 40 60 80 100 120
Temperatura (ºC)
Res
istê
nci
a à
com
pre
ssão
(MP
a)
Comp.Strength x Temperature
Comp.Strength x Thermal Cycles
-11%
-31%
-56%
-39%
0 50 100
+4.8% +3.0%
Figura 10 – Evolução da resistência à compressão em função do ambiente de condicionamento
Os modos de rotura dos provetes de betão polimérico estão ilustrados nas figura 11 a 15, onde se pode verificar a modificação do estado do material à medida que a temperatura aumenta.
Figura 11 – Ensaio de compressão à temperatura ambiente
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Figura 12 – Modo de rotura em compressão após 100 ciclos de fadiga térmica
Figura 13 – Modo de rotura em compressão a 60ºC.
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Figura 14 – Modo de rotura em compressão a 80ºC.
Figura 15 – Modo de rotura em compressão a 100ºC.
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Alguma bibliografia recomendada:
• ACI Committee 548, 1986. Guide for the use of polymers in concrete.(ACI 548, IR-86), American Concrete Institute, Detroit
• Chawalwala, A.J. (1999). Material characteristics of polymer concrete, M.S. Thesis, University of Delawere Center for Composite Materials.
• Davol, A.I. (1998). Structural characterisation of concrete filled fiber reinforced shells, UMI Dissert. Services.
• Deskovic, N. (1993). Innovative design of FRP composite members combined with concrete, PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge.
• Deskovic, N.; Meier, U. & Triantafillou,T. (1995). Innovative design of FRP combined with concrete: Short and Long term behaviour. Journal of Structural Engineering July 1995: 1069-1089.
• Dikeou, J. (1986). Precast polymer concrete in the United States. Proc. 5thInt. Congress of Polymers in Concrete, Brighton, England.
• Ferreira, C.;Tavares, C. and Ribeiro, C. (2000). Influence of material parameters in the mechanical behaviour of polymer concrete. Proc. Mechanical and Materials in Design, Orlando, USA.
• Fowler, D. W. (1997). Structural design of polymer concrete. Proc. Third Southen African Conference on Polymer in Concrete, Johannesburg, South Africa.
• ISO/FDIS 527-4: 1996(E). Plastics – Determination of tensile properties –Part 4: Test conditions for isotropic and orthotropic fiber-reinforced plastic composites.
• Mebarkia,S.A. (1993). Mechanical and fracture properties of high strength polymer concrete under various loading conditions and corrosive environments, UMI Dissert. Services.
• Meier, H. & Bleibler, A. (1999). he latest R&D in Structural strengthening with bonded CFRP laminates, Proc. Conference on Structural Faults and Repair, London, England.
• Meier, U.; Deuring, M.; Meier, H. & Schwegler,G. (1993). Alternative materials for the reinforcement and prestressing of concrete ( Strengthning of structures with advanced composites ), J.L. Clarke.
• RILEM Technical Committee TC-113, (1995). PC5- Method of test for static elastic modulus of polymer concrete and mortar. Proc. Symposium on Properties and Test Methods for Concrete-Polymer Composites; Oostende, Belgium.
• RILEM Technical Committee TC-113, (1995). PC8- Method of test for compressive strength of polymer concrete and mortar. Proc. Symposium on Properties and Test Methods for Concrete-Polymer Composites, Oostende, Belgium.
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• Schwegler, G. (1994). Strengthening of mansory with fiber composites, PhD Thesis, Federal Institute of Technology of Zurich.
• Sekijima, K.; Miyata, K.; Ihara, T. & Hayashi, K. (1997). Study on flexural behaviour of fiber reinforced plastic-concrete composite beam. Proc. 3thInt. Symposium of Non Metallic Reinforcement for Concrete Structures, Japan Concrete Institute.
• Terrassi, G.P. (2001). Pylons made of high-strength spun concrete and prestressed with carbon fibre reinforced plastic for high power transmission lines, Proc. ACUN-3 Technology Convergence in Composites Applications, UNSW, Sidney, Australia.
• J. Dikeou, Precast polymer concrete in the United States, Proceedings of the Fifth International Congress of Polymers in Concrete, Brighton, England, 1987, pp. 251-256
• K. S. Rebeiz and D. W. Fowler, Flexural strength of reinforced polymer concrete made with recycled plastic waste, ACI Structural Journal, 1996, pp. 524-530
• K. S. Rebeiz , S. P. Serhal, D. W. Fowler, Recommended design procedure in shear for steel-reinforced polymer concrete, ACI Structural Journal, 1993, pp. 562-567
• J. T. San José and J. L. Ramirez, FRP bars in the bending behaviour of the polymer concrete, IRF International Conference, Porto, 1999
• J. T. San José and J. L. Ramirez, Pure bending in polymer reinforced concrete-Design guidelines for polyester polymer concrete, Proceedings of Arquimacom, 98, Bordeaux, France, 1998
• C. M. L. Tavares, M. C. S. Ribeiro, D. F. Monteiro, P. P. Camanho, A. J. M. Ferreira, Experimental investigation into the static and fatigue behaviour of polymer concrete reinforced with GFRP rods, Composites in Construction, Porto, Portugal, 2001
• M. C. S. Ribeiro, C. M. L. Tavares, A. J. M. Ferreira, A. T. Marques, Static flexural performance of GFRP-polymer concrete hybrid beams, 1st International Materials Symposium, Materiais 2001, Coimbra, Abril 2001
• A.J.M.Ferreira, C. M. Tavares, C. Ribeiro, Flexural properties of polyester resin concretes, Journal of Polymer Engineering, Freund Publishing House, Vol. 20, No.6, 2000
• M.C.S. Ribeiro, C.M.L. Tavares, A.J.M. Ferreira, Chemical resistance of epoxy and polyester polymer concrete to acids and salts, Journal of Polymer Engineering, Freund Publishing House, aceite para publicação, 2001