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UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DARLISSON BOMFIM FERREIRA
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE UM COMPÓSITO DE MATRIZ DE GESSO REFORÇADO COM ELASTÔMERO
JUAZEIRO – BA 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DARLISSON BOMFIM FERREIRA
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE UM COMPÓSITO DE MATRIZ DE GESSO REFORÇADO COM ELASTÔMERO.
Trabalho apresentado a Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF, Campus Juazeiro, como requisito da obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Dr. Nelson Cárdenas Olivier. Co-orientador: Prof. Dr. Angel B. Gonzáles Rojas.
JUAZEIRO-BA 2014
Ferreira, Darlisson B. F383c Caracterização mecânica de um compósito de matriz de
gesso reforçado com elastômero / Darlisson Bomfim Ferreira. – Juazeiro -BA, 2014.
49f.: il.; 29 cm. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em engenharia
mecânica) - Universidade Federal do Vale do São Francisco, Campus Juazeiro, Juazeiro, 2014.
Orientador: Prof. Dr. Nelson Cárdenas Olivier.
1. I. Título. II. Olivier, Nelson Cárdenas. III. Universidade Federal
do Vale do São Francisco.
CDD 693.6
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Integrado de Biblioteca SIBI/UNIVASF
Dedico esse trabalho aos meus
pais José Correia Ferreira, Jociene
Bomfim Ferreira por sempre
acreditarem em mim. A meu irmão
Ualisson Bomfim Ferreira por sempre
estar ao meu lado.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela vida, pelas oportunidades e pela família que tenho.
Aos meus pais José Correia Ferreira e Jociene Bomfim Ferreira e meu irmão
Ualisson pela dedicação, amor, paciência, compreensão e incentivo, e por abdicar dos
seus próprios sonhos para realizar essa conquista. Sei que sem vocês não seria
possível.
Agradeço ao professor orientador Dr. Nelson Cárdenas Olivier, pela paciência
e contribuição à minha formação.
Agradeço aos professores do colegiado de Engenharia Mecânica, por
passarem os seus conhecimentos que foram de imensa importância para a minha
formação acadêmica e a Taquimara Souza pela paciência, eficiência.
Agradeço aos meus amigos da Universidade Lucas, Heverton, Felipe, Léo,
Bruno, Anderson, a toda equipe do laboratório que sempre se mostraram dispostos a
me auxiliar nos ensaios, pelo apoio e incentivo e os bons momentos que vivenciamos
nessa jornada.
Ferreira, D.B. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE UM COMPÓSITO DE MATRIZ DE GESSO E REFORÇADO COM ELASTÔMEROS. 2014. 85f. Monografia (Trabalho de conclusão de Curso em Engenharia Mecânica) – Colegiado de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro, 2014.
RESUMO
Com o aumento no consumo dos recursos naturais não renováveis e a elevada
quantidade de geração de entulhos, a utilização de novas tecnologias e reutilização
de materiais considerados como inservíveis, como compósitos reforçados com
partículas de elastômeros proveniente da recauchutagem de pneus, é uma excelente
alternativa para tornar a indústria da construção civil sustentável e diminuindo os
impactos, causados pelos entulhos gerados por esta, na degradação do planeta. Com
o presente trabalho, pretendeu-se avaliar a influência que provocam os reforços de
partículas de elastômeros nas propriedades mecânicas de um compósito com matriz
de gesso. As propriedades mecânicas avaliadas foram resistência à flexão, dureza e
resistência à compressão. Primeiramente foram elaborados corpos de prova de gesso
e de compósitos de gesso reforçado com diferentes teores mássicos de 10%, 20% e
30% de raspas de pneus descartados. Em seguida, os corpos de prova elaborados
de gesso e do compósito foram ensaiados para a determinação das suas
propriedades mecânicas. Desta forma podemos dizer que os compósitos obtiveram
uma melhora nos desempenhos dos três ensaios. No ensaio de dureza o corpo de
prova com 30% de massa obteve um aumento de 22,8% na dureza comparado com
corpo de prova da amostra, já para o ensaio de flexão houve um aumento de 6,6% na
resistência a flexão do corpo de prova de 10% de massa se comparado com o corpo
de prova de gesso puro. Para o ensaio de compressão houve uma diminuição na
resistência a compressão quando adicionado o reforço a matriz de gesso, mas os
compósitos apresentaram melhores valores de tenacidade, destacando o corpo de
prova com 30% de massa que obteve um aumento de 73% na tenacidade se
comparado ao corpo de prova de gesso puro.
Palavras-chave: compósitos, gesso, elastômero, propriedades físicas,
resistência à flexão, dureza, resistência à compressão.
Ferreira, D. B. MECHANICAL CHARACTERIZATION OF A MATRIX COMPOSITE OF PLASTER AND REINFORCED ELASTOMERS. 2014 85f. Monograph (Work Completion Course in Mechanical Engineering) - College of Mechanical Engineering, Federal University of Vale do São Francisco, Juazeiro, 2014.
ABSTRACT
With the increase in consumption of non-renewable natural resources and the
generation of large amount of debris, the use of new technologies and reuse of
materials considered as waste, as reinforced elastomer particles from the tire
retreading composites, is an excellent alternative to make sustainable construction
industry and reducing the impacts caused by debris generated by this, the degradation
of the planet. With this study, we sought to evaluate the influence causing
reinforcements elastomer particles on the mechanical properties of a composite
gypsum matrix. The mechanical properties were flexural strength, hardness and
compressive strength. First samples of plaster and composites reinforced with different
mass contents of 10%, 20% and 30% of zest discarded tires gypsum were prepared.
Then the specimens prepared in plaster and composite were tested to determine their
mechanical properties. The values of these properties obtained experimentally were
statistically analyzed to see if the influence of the elastomer in the composite is
significant. Thus we can say that the composites achieved an improvement in the
performances of the three tests. In the hardness test specimen with 30% mass
achieved a 22.8% increase in hardness compared to the specimen sample, while for
the bending test there was a 6.6% increase in flexural strength of the specimen of 10
mass% compared with the specimen of pure gypsum. For the compression test there
was a decrease in compressive strength when added to strengthen the matrix of
gypsum, but the composites showed better toughness values, highlighting the
specimen with 30% mass obtained a 73% increase in toughness is compared to the
specimen of pure gypsum.
Keywords: composite, plaster, elastomer physical properties, flexural strength,
hardness, resistance to compression.
Lista de Figuras
Figura 1: Materiais usados como matriz ou fase contínua para materiais
compósitos. ....................................................................................................... 19
Figura 2: Representação esquemática dos materiais compósitos com diferentes
formas de reforço: A – Particulado B- Com fibras descontínuas e C – Fibras
contínuas. ......................................................................................................... 20
Figura 3: Blocos de concreto. ........................................................................... 23
Figura 4: Extração de gipsita em Araripe. ......................................................... 26
Figura 5: Fábrica de gesso situada na região do Araripe-PE. .......................... 27
Figura 6: Reação de obtenção de ligações cruzadas. ...................................... 31
Figura 7: Extração do látex da seringueira. ...................................................... 32
Figura 8: Partículas de borracha. ...................................................................... 35
Figura 9: Equipamento para modelagem dos corpos de prova ........................ 36
Figura 10: Moldes utilizados para confecção dos corpos de prova ................... 37
Figura 11: Recipiente recomendado pela norma. ............................................. 39
Figura 12: Seções transversais dos corpos de prova ....................................... 40
Figura 13: Corpos de prova desmoldados utilizados nos ensaios de dureza. .. 41
Figura 14: Dispositivo para realização de ensaio de flexão. ............................. 42
Lista de Tabelas
Tabela 1 Tabulação de Características Importantes e Aplicações de Cinco
Elastômeros Comercias. ................................................................................... 33
Tabela 2 Valores das tensões máximas, deformações de ruptura e tenacidades
obtidas nos ensaios para corpo de prova com 0%. .......................................... 51
Tabela 3 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões
de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para
corpo de prova com 10%. ................................................................................. 52
Tabela 4 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões
de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para
corpo de prova com 20%. ................................................................................. 53
Tabela 5 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões
de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para
corpo de prova com 30%. ................................................................................. 54
Sumário
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 15
2. JUSTIFICATIVA .......................................................................................... 16
3. OBJETIVOS .................................................................................................. 17
3.1 OBJETIVOS GERAL ............................................................................ 17
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................. 17
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 18
4.1 MATERIAIS COMPÓSITOS ................................................................... 18
4.2 COMPÓSITOS FIBROSOS ................................................................... 20
4.3 COMPÓSITOS LAMINADOS ................................................................. 21
4.4 COMPÓSITOS PARTICULADOS ............................................................ 21
4.4.1 Compósitos com Partículas Grandes................................................ 22
4.4.2 Compósitos Reforçados por Dispersão ............................................ 24
4.5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO ÁS MATRIZES ............................................. 24
4.5.1 Matriz Polimérica .............................................................................. 24
4.5.2 Matriz Metálica .................................................................................. 25
4.5.3 Matriz Cerâmica ................................................................................ 25
4.6 GESSO ............................................................................................. 26
4.6.1 Aspectos Gerais do Gesso ............................................................... 26
4.6.2 Propriedades do Gesso .................................................................... 28
4.6.3 Aplicações do Gesso ........................................................................ 29
4.7 ELASTÔMEROS ................................................................................. 30
4.7.1 Tipos Elastoméricos.......................................................................... 32
5. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 34
5.1 MATERIAIS ........................................................................................ 34
5.1.1 Partículas de Elastômero .................................................................. 34
5.1.2 Gesso ............................................................................................... 35
5.1.3 Moldes .............................................................................................. 35
5.1.4 Desmoldante ..................................................................................... 38
5.2 MÉTODOS ......................................................................................... 38
5.2.1 Elaboração dos Corpos de Prova ..................................................... 38
5.2.2 Ensaios Mecânicos ........................................................................... 41
6. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...................................... 46
6.1 ENSAIOS DE FLEXÃO ......................................................................... 46
6.2 ENSAIOS DE COMPRESSÃO ............................................................... 49
6.3 ENSAIOS DE DUREZA ........................................................................ 55
7. CONCLUSÕES ............................................................................................. 58
8. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................... 59
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................ 60
15
1. INTRODUÇÃO
Diante do grande avanço das tecnologias tornou-se necessária a criação de
materiais com combinações incomuns de propriedades, que não podiam ser atendidas
pelos materiais convencionais. Como consequência, foram desenvolvidos materiais
multifásicos que exibem uma proporção significativa das propriedades das fases que
os constituem: os compósitos. De tal modo é obtida uma melhor combinação de
propriedades; esses materiais permitiram a obtenção de novas ferramentas
tecnológicas e muitas vezes um destino útil para materiais antes considerados sem
utilidade, que influenciam significativamente nas atividades da sociedade atual.
Muitos materiais compósitos são formados apenas por duas fases. A primeira é
chamada matriz (contínua) e envolve a outra fase. A esta segunda chama-se
frequentemente fase dispersa (reforço). No que se refere à fase matriz, o compósito
pode ser classificado em três grupos: metálico, cerâmico e polimérico (FARIA, 2007).
Com toda essa transformação climática no mundo e consequente transformação
de paisagens a preocupação com o meio ambiente é crescente. Com isso a
necessidade de encontrar uma função para um produto considerado como rejeito ou
produto para o descarte vem aumentando. Vários estudos estão sendo feitos com os
pneus inservíveis triturados, transformando-os em partículas para fabricação de
compósitos cerâmicos com reforço de partículas de elastômeros, a fim de dá-los um
destino que não cause danos ao meio ambiente.
A reciclagem de resíduos na forma de componentes e materiais para a indústria
tem sido uma alternativa bem sucedida em diversos casos. Essa medida gera para
sociedade uma série de benefícios, como a redução no volume de matérias-primas
extraídas da natureza, a redução do consumo de energia na produção de materiais e
a diminuição da emissão de poluentes no meio ambiente.
Um estudo do Instituto de Pesquisas Tecnológicas para a Associação Nacional
da Indústria de Pneumáticos (Anip) revela que cerca de 22 milhões de pneus trocados
anualmente no Brasil, 53,2% são inservíveis (não podem mais rodar em veículos
automotivos) e 46,8% podem ser reformados mediante avaliação. Vale lembrar que o
Brasil ainda tem uma grande quantidade de pneus dispostos inadequadamente
(CEMPRE, 2008).
16
2. Justificativa
Atualmente o desenvolvimento de técnicas e pesquisas científicas visando
reciclagem de materiais e reuso cresce a passos largos. Esses materiais como
exemplo do pneu apresentam uma versatilidade quanto a sua empregabilidade,
principalmente na construção civil. São estudadas as maneiras de seus empregos em
materiais compósitos para fins ambientalmente corretos e com viabilidade econômica
para substituírem materiais convencionais.
A possibilidade de encontrar uma utilização as partículas de borracha
provenientes do processo de recauchutagem de pneus vêm gerando o interesse de
pesquisadores, que veem buscando soluções alternativas para o emprego destes.
Até então essas partículas de pneus veem sendo incineradas o que causa uma
liberação de vários gases poluentes para a atmosfera o que agrava o efeito estufa e
por consequência o aquecimento global, e caso essas partículas sejam descartadas
no meio ambiente podem levar milhões de anos para se decompor.
Este trabalho visa contribuir ao desenvolvimento de tecnologias de maneira
sustentável, utilizando matérias primas antes consideradas inservíveis e assim
reduzindo o impacto ambiental. Esses novos materiais que sejam viáveis
economicamente e possam ser utilizados na engenharia de construção. Sendo assim,
este trabalho tem o intuito de fornecer parâmetros para a produção de novos
compósitos.
Como a região do Araripe, em Pernambuco, é a maior produtora de gesso do
Brasil e o número de pneus descartados de forma irregular vem crescendo cada dia
mais no Brasil. Podemos afirmar que esse trabalho pode trazer ganhos a nossa região
e ao Brasil.
17
3. Objetivos
3.1 Objetivos geral
Este trabalho tem como objetivo, determinação das propriedades mecânicas dos
compósitos com matriz de gesso reforçado com elastômeros em diversas proporções,
utilizando ensaios mecânicos destrutivos, observar o comportamento do reforço com
elastômero adicionado a matriz de gesso.
3.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos são:
Fabricar compósitos com teores mássicos de partículas de elastômeros com 10%, 20%, 30%.
Determinar as propriedades mecânicas à compressão dos materiais fabricados;
Determinar as propriedades mecânicas à flexão dos materiais fabricados;
Determinar as propriedades mecânicas de dureza dos materiais fabricados;
Fazer uma análise comparativa para determinar qual dos compósitos elaborados possui melhores propriedades mecânicas.
18
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1 Materiais Compósitos
Designa-se por material compósito o resultado da combinação de dois ou mais
materiais distintos em suas propriedades físicas. Trata-se, portanto, de uma classe de
um meio heterogêneo cujo objetivo é a obtenção de um material que, combinando as
características de seus componentes de maneira adequada, apresente um
desempenho estrutural melhor do que estes, sob condições específicas de utilização.
A estrutura a ser obtida deverá constituir-se de um novo material com características
homogêneas, ao ser analisado macroscopicamente (MAXWELL, 2013)
Ainda segundo MAXWELL (2013), a composição de materiais permite
vantagens, especialmente no ponto de vista do comportamento mecânico, como, por
exemplo, o aumento da rigidez e da resistência mecânica, melhores respostas à
fadiga sob cargas cíclicas, diminuição de peso, mantendo-se o nível de resistência,
etc. O objetivo é obter-se um material final com propriedades mecânicas superiores a
de seus constituintes, para determinadas solicitações, consideradas no projeto.
A maioria dos compósitos de engenharia consiste em dois materiais onde um é
o reforço e outro uma matriz. O reforço provê rigidez e resistência enquanto a matriz
mantém o material coeso e serve para transferir carga entre os reforços descontínuos.
Os reforços mais comuns são fibras contínuas, cortadas miúdas e particuladas. As
matrizes mais comuns são várias resinas plásticas, embora outros materiais, incluindo
metais, e não metais sejam usados [Shigley, 2005]. Os materiais que podem ser
empregados como matrizes podem ser classificados de acordo com a figura 1.
19
Figura 1: Materiais usados como matriz ou fase contínua para materiais compósitos.
Fonte: Matthews, 1994
As propriedades dos materiais compósitos dependem muito da distribuição e
dispersão dos materiais de reforço na matriz. Na figura 2 estão de forma esquemática
os principais tipos de compósitos com relação a forma do reforço.
20
Figura 2: Representação esquemática dos materiais compósitos com diferentes
formas de reforço: A – Particulado B- Com fibras descontínuas e C – Fibras contínuas.
4.2 Compósitos Fibrosos
Os compósitos fibrosos são quando utilizamos fibras como reforço em uma
matriz, podendo ser fibras curtas ou longas. Quanto a sua disposição elas podem ser
paralelas, unidirecionais ou bidirecionais. No compósito fibroso há um aumento na
resistência mecânica e na rigidez das matrizes poliméricas, normalmente sendo
preparados por fibras que contêm alto módulo de elasticidade e resistência mecânica.
Em geral, as fibras são os principais membros de solicitação mecânica, enquanto as
vizinhanças da matriz as mantêm na localização e direção desejada, agindo como um
transportador médio de carga e protegendo as fibras de danos ambientais, como por
exemplo, altas temperaturas e a umidade. (FROLLINI,2002)
21
Desta forma, fibras e matriz conservam suas identidades química e física e,
ainda, produzem uma combinação de propriedades que não podem ser conseguidas
com um dos componentes agindo sozinho. (PAIVA, 2002)
4.3 Compósitos Laminados
Consistem de camadas com pelo menos dois materiais diferentes, ligados por
intermédio de uma matriz. A razão pela qual se usa o processo de laminação é a
combinação dos melhores aspectos das camadas constituintes para se obter um
material com determinadas características não encontradas em um único material.
Entre as propriedades que se pode citar, como aperfeiçoadas pela laminação estão
as resistências, a rigidez, a redução de peso, a resistência a corrosão, estética e
isolamento térmico e acústico. Como exemplo deste tipo de material, pode se citar o
vidro laminado dos automóveis. (AL-QURESHI, 2002)
4.4 Compósitos Particulados
Compósitos particulados são compósitos de partículas de um ou mais materiais
suspensos na matriz de outro material. As partículas, assim como a matriz, podem ser
tanto de materiais metálicos, como não metálicos. Um exemplo deste tipo de material
composto é o concreto. (AL-QURESHI, 2002)
Compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão são
duas subclassificações de compósitos reforçados com partículas. A distinção entre
essas classificações se baseia no mecanismo de reforço e aumento de resistência
mecânica. O termo "grande" é usado para indicar que as interações partícula-matriz
não podem ser tratadas em níveis atômicos ou moleculares; em vez disso, a mecânica
do contínuo deve ser empregada. (CALLISTER, 2008)
Ainda segundo CALLISTER (2008), para muitos destes compósitos, a fase
particulada é mais dura e rígida do que a matriz. Estas partículas de reforço tendem a
restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Em essência,
22
a matriz transfere alguma tensão aplicada às partículas, que suportam uma fração da
carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende da forte
ligação na interface matriz-partícula.
4.4.1 Compósitos com Partículas Grandes
Partículas, por definição, possuem pequenas dimensões. Logo o termo “grande”
é usado para destacar que a interações entre a fase dispersa e a fase matriz não
podem ser tratadas em nível atômico ou molecular. Nestes compósitos, a fase
particulada é mais rígida do que a fase matriz. De acordo com Newell (2010) o
compósito particulado contém grande número de partículas grossas, para reforçar a
matriz.
Essas partículas de reforço, devido ao tamanho, tendem a restringir o movimento
da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Essencialmente, a matriz transfere
parte da tensão aplicada às partículas, as quais suportam uma fração de carga. O
grau de reforço ou de melhoria do comportamento mecânico depende de uma ligação
forte na interface matriz-partícula (CALLISTER, 2011). Entretanto, de acordo com
Askeland (1998), os compósitos particulados são projetados para produzir
combinações incomuns de propriedades, e não para melhorar a resistência mecânica
propriamente dita.
Compósitos de partícula grande são utilizados com todos os três tipos de
materiais –metais, polímeros e cerâmicas. (CALLISTER, 2008)
Ainda segundo CALLISTER (2008), tanto elastômeros quanto plásticos são
frequentemente reforçados com vários materiais particulados. A aplicação muitas das
borrachas modernas seria gravemente restringida sem particulados de reforço, tais
como “negro de fumo”. Estes particulados consistem de partículas muito finas e
essencialmente esféricas de carbono, produzidas pela combustão de gás natural ou
óleo em atmosfera que tem suprimento de ar limitado. Quando adicionado a borrachas
vulcanizadas, este material extremamente barato melhora a resistência à tração,
tenacidade e resistências ao rasgamento e à abrasão.
23
Concreto: É um compósito comum de partícula grande no qual as fases tanto
matriz quanto dispersa são materiais cerâmicos. Trata-se de um material compósito
formado por partículas agregadas que são interligadas num corpo sólido por algum
tipo de meio ligante, isto é, um cimento. Os dois tipos de concretos mais familiares
são aqueles feitos com cimentos portland e asfáltico, onde o agregado é cascalho e
areia. Concreto asfáltico é largamente usado principalmente como um material de
pavimentação, enquanto que o cimento portland é empregado extensivamente como
um material estrutural de construção civil, na figura 3 pode ser visto blocos de
concreto.
Figura 3: Blocos de concreto.
Fonte: Téchne
Concreto de cimento Portland: Os ingredientes para este concreto são cimento
portland, um agregado fino (areia), um agregado grosso (cascalho ou saibro) e água.
As partículas do agregado agem como um material de enchimento (carga) para reduzir
o custo global do produto concreto uma vez que estes são baratos, enquanto que o
cimento é relativamente caro. Para encontrar a resistência ótima de uma mistura de
concreto, os ingredientes devem ser adicionados nas proporções corretas. Ligação
completa entre o cimento e as partículas de agregado depende da adição da correta
quantidade de água.
Concreto armado: A resistência mecânica do concreto de cimento portland pode
ser aumentada por meio de hastes, fios, barras ou telas de aço, que são embutidas
24
no concreto fresco e não curado. Assim, o reforço torna a estrutura endurecida capaz
de suportar maiores tensões de tração, compressão e cisalhamento. Mesmo que
trincas se desenvolvam no concreto, considerável reforço é mantido. (CALLISTER,
2008).
4.4.2 Compósitos Reforçados por Dispersão
Nestes tipos de compósitos, há necessidade das partículas serem muito
menores, na faixa de diâmetros 0,01 e 0,1µm (10 e 100nm). Metais e ligas metálicas
podem ter suas propriedades mecânicas melhoradas pela uniforme dispersão de finas
partículas de um material muito duro e inerte. O mecanismo de endurecimento envolve
interações entre as partículas e discordâncias dentro da matriz. O efeito de
fortalecimento por dispersão não é tão pronunciado quando no endurecimento por
precipitação; entretanto, o fortalecimento é obtido em elevadas temperaturas e para
prolongados períodos de tempo porque as partículas dispersas nesses compósitos
não reagem com a fase matriz. (CALLISTER, 2008).
4.5 Classificação Quanto Ás Matrizes
As matrizes desenvolvem várias funções nos compósitos reforçados por fibras,
uma delas é ligar as fibras umas ás outras, atuar com o meio para transmitir e distribuir
tensões aplicadas para as fibras, proteger as fibras contra danos superficiais, além
disso, a fase matriz serve como uma barreira contra propagação de trincas. Essas
matrizes podem ser feitas a partir de metais, polímeros e/ou cerâmicas (SILVA, 2010).
4.5.1 Matriz Polimérica
Os compósitos com matriz polimérica consistem em uma resina polimérica,
usada como a fase matriz e fibras, usadas como reforços. A alta capacidade de
25
conformação, que permite a geração de peças dos mais diferentes formatos e
espessuras, é um dos fatores que levam a optar por esse tipo de material na
fabricação das matrizes. Outras propriedades que se podem destacar são a boa
resistência mecânica, alta tenacidade e resistente a degradação ambiental. As
matrizes poliméricas podem ser classificadas em termoplásticas e termorrígidas
(CARVALHO, 2012).
4.5.2 Matriz Metálica
Os compósitos com matriz metálica podem ser utilizados a temperaturas de
serviço mais elevadas do que seus metais-base análogos. Além do mais, o reforço
pode melhorar a rigidez específica, a resistência específica, a resistência à abrasão,
a resistência à fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional.
Algumas das vantagens desses materiais em relação aos compósitos com matriz a
base de polímeros são maiores temperaturas operacionais, a sua não-inflamabilidade
e a maior resistência contra degradação por fluidos orgânicos. Os compósitos com
matriz metálica são muito mais caros do que os com matriz polimérica e, portanto, o
uso dessas se torna um tanto restrito (CALLISTER, 2008).
4.5.3 Matriz Cerâmica
Os compósitos com matriz cerâmica são conhecidos há muito tempo, foram os
primeiros compósitos a serem produzidos e estudados, suas principais propriedades
são a baixa densidade, elevada resistência térmica, boas propriedades mecânicas,
boa inercia química e baixa elasticidade. Segundo Callister (2008), se esses materiais
não tivessem predisposição à fratura frágil, alguns seriam ideais para o uso em
aplicações a altas temperaturas e sob severas condições de tensão. O material que
será utilizado nos nossos estudos como uma matriz cerâmica será o gesso.
26
4.6 Gesso
O gesso é um dos mais antigos materiais de construção utilizados pelo homem.
Este é obtido pelo aquecimento, em baixa temperatura, da pedra de gipso ou gipsita,
transformando-se em pó, que em contato com a agua endurece. A primeira aplicação
datada é 8 mil anos a.C., sendo verificada nas ruinas da Síria e Turquia (MUNHOZ,
2008). Vemos na figura 4 a extração de gipsita em Araripe.
Figura 4: Extração de gipsita em Araripe. Fonte: http://ihaa.com.br/economia-do-gesso-no-brasilararipina-pe/
4.6.1 Aspectos Gerais do Gesso
O gesso é um dos três aglomerados mais disponíveis para construção civil no
país os outros dois são o cimento Portland e a Cal. A matéria prima mais empregada
para a produção deste é a gipsita, uma rocha presente em várias partes do mundo
(AGOPYAN, 1989).
Segundo Balanço Mineral Brasileiro, 2001, no território brasileiro os principais
depósitos de gipsita ocorrem associados às bacias sedimentares conhecidas como
Bacia Amazônica (Amazonas e Pará); Bacia do Meio Norte ou Bacia do Parnaíba
27
(Maranhão e Tocantins); Bacia Potiguar (Rio Grande do Norte); Bacia Sedimentar do
Araripe (Piauí, Ceará e Pernambuco); e Bacia do Recôncavo (Bahia).
Segundo Sotero (2010), os municípios de Araripina, Ipubi, Ouricuri, Bodocó e
Trindade são responsáveis pela maior produção de gesso do Brasil. A figura 5 mostra
uma fábrica de gesso na região do Araripe, no extremo Oeste de Pernambuco, a qual
é detentora de 18% das reservas de gesso nacionais, onde as empresas do Polo
Gesseiro fabricam 95% de todo o material produzido no País. Atualmente, o segmento
é responsável pela geração de mais de 80 mil empregos diretos e indiretos.
Figura 5: Fábrica de gesso situada na região do Araripe-PE. Fonte: http://novaararipina.blogspot.com.br/2013/04/
Ainda segundo Sotero (2010), estima-se que a quantidade do minério bruto
explorado por ano na região gira em torno de um bilhão de toneladas, sendo 230
milhões de gipsita, minério de onde se extrai o gesso, em alto grau de pureza. Com
isso, é possível produzir até 3,4 milhões de toneladas de gesso por ano, gerando
riquezas de até R$ 1,1 bilhão. A matéria-prima do gesso é o minério gipso, constituído
principalmente pela mineral gipsita (CaSO4.2H2O), podendo conter anidrita (CaSO4)
e minerais acessórios em pequenas quantidades, como calcita, dolomita e cloreto de
sódio (MUNHOZ, 2008).
Para fabricação do gesso é utilizado a gipsita, sulfato de cálcio com duas
moléculas de água (diidrato), que, quando cozida ou calcinada em temperaturas
28
relativamente baixas (140ºC – 150ºC), perde água, liberando-a na atmosfera, e
transformando o diidrato em hemidrato, ou gesso (CaSO4.1/2H2O) (AGOPYAN, 1989).
A partir da desidratação da gipsita são obtidas duas formas de gesso: o
hemidrato tipo alfa e o tipo beta. O anidrita III é uma fase solúvel, porem instável, ávida
por água que se transforma em hemidrato rapidamente, a anidrita II torna-se insolúvel,
com velocidade de hidratação lenta, perdendo sua capacidade de fazer pega, e a
anidrita I resulta em um produto de endurecimento lento, denominado de gesso de
pavimentação ou gesso hidráulico (PETRUCCI, 1995).
O endurecimento do gesso é feito a partir da adição de água e em poucos
minutos. Esse processo envolve a dissolução do gesso em água, seguida de
precipitação na forma de diidrato (BORRACHERO, 2008).
Pelo fato de o gesso ser solúvel em água é que produtos produzidos por este
material não podem ser aplicados ou expostos em áreas molháveis, e também existe
uma incompatibilidade do sulfato aos metais ferrosos, impedindo o reforço deste com
tais materiais (LIMA, 2011).
4.6.2 Propriedades do Gesso
O gesso possui baixa condutividade térmica, sendo considerado um mal
condutor de calor, característica essa atribuída a presença de grandes vazios nos
espaços inter-cristalinos (DIAS, CINCOTO, 1995).
Tem como propriedades especificas o endurecimento rápido, elevada
plasticidade da pasta, lisura da superfície endurecida e estabilidade volumétrica. Além
destas outras propriedades do gesso, podemos destacar também o isolamento
térmico e acústico, a aderência ao substrato e a resistência mecânica (PERES, 2008).
É um dos materiais da construção civil com uma das melhores resistências ao
fogo. Pois, como diidrato se decompõe a baixas temperaturas liberando moléculas de
água. Dessa forma, ele retarda a propagação das chamas, pois o calor gerado com o
aumento das temperaturas é consumido com a evaporação de tais moléculas de água.
Além disso o diidrato também contribui no equilíbrio da umidade relativa do ar,
principalmente em ambientes climatizados (DIAS, CINCOTO, 1995).
29
Também possui uma boa aderência a diferentes tipos de substratos, tais como
tijolos, pedras naturais e ferro, apesar de não ser recomendado o uso deste em
materiais ferrosos, pois em áreas de muita umidade, o sulfato coroe esses metais. O
que poderia ser feito nestas circunstâncias, seria um tratamento para proteger tais
metais (LIMA, 2011).
A quantidade de água tem influência direta com a resistência mecânica do gesso.
Pois com a diminuição da quantidade de água utilizada para seu emassamento,
aumenta sua resistência mecânica. Desta forma as propriedades mecânicas são
influenciadas pela relação água/gesso, ou seja, quanto maior for esta relação menor
as propriedades mecânicas. E esta relação deve ser devidamente escolhida de acordo
com a finalidade do produto (SILVA, 2010).
Dentre as principais patologias do gesso, as que mais se destacam são: o
aparecimento de fissuras, a perda de aderência na interface base-revestimento e sua
baixa capacidade de absorver cargas de impactos. Desta forma o desenvolvimento
de compostos de matriz gesso tem sido intensificado com o intuito de melhorar tais
propriedades e combater suas patologias (DIAS, CINCOTO, 1995).
4.6.3 Aplicações do Gesso
O gesso encontra aplicações na medicina, na construção civil e até mesmo na
agricultura, onde é usado como nutriente e condicionador do solo. Sua utilização pode
ser evidenciada na indústria como carga de papel, carga de inseticidas, aglomerante
de giz, na fabricação de discos, pólvora, na fabricação de portas corta fogo, no
tratamento de água, na indústria ortopédica, alimentícia, agrícola, odontológica e
principalmente, em várias etapas da construção civil (SOBRINHO, 2010).
No setor industrial sua maior aplicação é na produção de cimento, onde o gesso
é adicionado ao cimento Portland para retardar o tempo de pega. Seu maior mercado
encontra-se na construção civil (pré-moldados e revestimento de paredes) e em
diversas indústrias, como na fundição de peças cerâmicas e metalúrgicas, moldes de
ortopedia, próteses dentais, na fabricação de plásticos, entre outros (LIMA, 2011).
30
4.7 Elastômeros
Os elastômeros ou borrachas são polímeros amorfos submetidos a temperaturas
mais altas que as respectivas temperaturas de transição vítrea, dotados de forte
elasticidade como principal característica. São baseados em matérias-primas
naturais, como o látex de borracha natural, ou de produtos do petróleo, quando de
origem artificial.
Os elastômeros se distinguem de outros materiais por sua característica de
sofrer grande alongamento sob tensão e, quando removida essa tensão, retornarem
quase que instantaneamente à condição inicial, recuperando suas formas e
dimensões originais, em um processo reversível. Esse fenômeno é conhecido como
elasticidade. Isso requer que o polímero seja amorfo, apresente baixa temperatura de
transição vítrea e forças secundárias fracas entre as cadeias, de forma que as cadeias
macromoleculares tenham alta mobilidade (MORTON, M., 1999).
Além desses requisitos, é necessária a presença de reticulações (ligações
cruzadas), em baixo grau. As ligações cruzadas são formadas geralmente com
enxofre, no caso dos polímeros diênicos (vulcanização). Isso torna as cadeias
poliméricas “amarradas” umas às outras, impedindo-as de escoar, evitando a
deformação permanente e melhorando as suas propriedades mecânicas. Tais
ligações cruzadas ocorrem, em média, a cada 50 a 100 unidades monoméricas por
cadeia, resultando em um material borrachoso e flexível (MORTON, M., 1999).
Uma característica obrigatória para um comportamento elastomérico é que a
estrutura molecular seja levemente provida de ligações cruzadas. O processo de
formação de ligações cruzadas nos elastômeros é conhecido por vulcanização, o qual
é realizado através de uma reação química irreversível, normalmente conduzida a
uma temperatura elevada. Na maioria das reações de vulcanização, compostos de
enxofre são adicionados ao elastômero aquecido; cadeias de átomos de enxofre se
ligam com as cadeias principais do polímero que se encontram adjacentes, formando
ligações cruzadas entre elas, o que é obtido de acordo com a seguinte reação:
31
Figura 6: Reação de obtenção de ligações cruzadas.
Fonte: Callister Jr (2008).
onde as duas ligações cruzadas mostradas, na figura 6 consistem em átomos de
enxofre m e n. Os sítios nas cadeias mais suscetíveis à formação de ligações cruzadas
são os átomos de carbono que se encontravam com ligações duplas antes do
processo de vulcanização, mas que após a vulcanização ficaram com ligações
simples. (Callister 2008)
A borracha não vulcanizada é mole e pegajosa, e possui uma resistência ruim à
abrasão. O módulo de elasticidade, o limite de resistência à tração e a resistência à
degradação por oxidação são melhorados pela vulcanização. A magnitude do módulo
de elasticidade é diretamente proporcional à densidade das ligações cruzadas. Para
produzir uma borracha capaz de ser submetida a grandes deformações sem que
ocorra a ruptura das ligações da cadeia primária devem existir relativamente poucas
ligações cruzadas, e estas devem estar bastante separadas na cadeia. Têm-se como
resultado borrachas úteis quando entre aproximadamente 1 a 5 partes (em peso) de
enxofre são adicionadas a 100 partes de borracha. O aumento adicional do teor de
enxofre causa um endurecimento da borracha e também reduz a sua capacidade de
se estender. Ainda, uma vez que eles apresentam ligações cruzadas, por natureza os
materiais elastoméricos são polímeros termofixos. (Callister 2008)
32
4.7.1 Tipos Elastoméricos
4.7.1.2 Elastômeros Naturais
Os elastômeros naturais provem quase totalmente das seringueiras amazônicas
e seu principal representante é o látex, também chamado de borracha natural, visto
na figura 7.
Figura 7: Extração do látex da seringueira.
Fonte: http://eelastomeros.blogspot.com.br
O látex da seringueira precisa ser tratado, para melhoria das condições e
características do material, através de tração e homogeneização, aditivos e
tratamento térmico. Isso caracteriza o processo de vulcanização da borracha, no qual
há adição de enxofre, resinas, aditivos em pó (que variam conforme o resultado
desejado), e o aquecimento da borracha, geralmente, em uma prensa hidráulica.
4.7.1.3 Elastômeros Sintéticos
Ao contrário dos elastômeros de origem natural, que são formados basicamente
através da polimerização do isopreno, a borracha sintética pode ser feita a partir da
polimerização de diversos monômeros, incluindo o isopreno, o 1,3-butadieno, o
cloropreno e o isobutileno. A mistura desses monômeros é usada para a formação de
copolímeros para os quais se deseja uma ampla quantidade de propriedades físicas,
33
químicas e mecânicas. A adição de impurezas e de aditivos, assim como a pureza
dos monômeros a serem polimerizados, é controlada com o objetivo de aperfeiçoar
as propriedades da borracha.
A Tabela 1 lista as propriedades e aplicações de alguns elastômeros mais
comuns; essas propriedades são típicas e, obviamente, irão depender do grau de
vulcanização e do fato de se utilizar ou não qualquer reforço.
Tabela 1 Tabulação de Características Importantes e Aplicações de Cinco Elastômeros Comercias.
Fonte: (C.A Harper)
Natureza Química
Nomes Comerciais
Alongamento (%)
Faixa de Temperatura
útil (°C)
Principais Características de
Aplicação
Aplicaçõs Típicas
Poli-isopreno natural
Borracha Natural
500-760 -60 a 120 Excelentes propriedades físicas; boa resistência ao corte, entalhe e abrasão;
baixas resistências a calor, ozônio e óleos; boas
propriedades elétricas
Pneus e tubos; saltos e solas,
juntas
Copolímero Estireno- butadieno
GRS, Buna S (SBR)
450-500 -60 a 120 Boas propriedades físicas; excelente resistência à
abrasão; não possui resistência a óleos, ozônio
ou intempéries; boas propriedades elétricas,
porém não excepcionais
As mesmas que a borracha
Natural
Copolímero acrilonitrila butadieno
Buna A, Nitrile (NBR)
400-600 -50 a 150 Excelente resistência a óleos vegetais animais e de petróleo; propriedades ruins a baixas temperaturas; as propriedades elétricas não são excepcionais
Mangueiras para gasolina,produtos químicos e óleos; vedações e o-rings; saltos e solas
Cloropreno
Neoprene (CR) 100-800 -50 a 105 Excelente resistência a ozônio, calor e intempéries; boa resistência a óleos; excelente resistência a chamas; não é tão bom em aplicações elétricas quanto a borracha natural
Fios e cabos; revestimentos de tanques para produtos químicos; correias, mangueiras, vedações e gaxetas
Polissiloxano
Silicone (VMQ) 100-800 -115 a 315 Excelente resistência a temperaturas altas e baixas; baixa resistência mecânica; excelentes propriedades elétricas
Isolamento para temperaturas altas e baixas; vedações, diafragmas; tubos para aplicações médicas.
34
5. Materiais E Métodos
O trabalho foi realizado no laboratório de ensaios de materiais (LEM), do
colegiado de engenharia mecânica da Universidade Federal do Vale do São
Francisco, campus Juazeiro-BA.
5.1 Materiais
Os materiais estudados foram compósitos à base de gesso reforçado com
diferentes configurações de partículas de elastômero.
Para a elaboração dos corpos de prova do compósito gesso e partículas de
elastômero foram utilizados os seguintes materiais:
5.1.1 Partículas de Elastômero
O elastômero de Poli-isopreno utilizado como fase dispersa foram raspas obtidas
de decapagem de pneus automotivos durante o processo de recauchutagem. Foi
necessário que as partículas passassem por um processo de peneiramento para
retirar impurezas, visto na figura 8, já que as partículas chegaram com dimensões
diferentes. O material foi doado pela Tyresoles em Petrolina/PE.
35
Figura 8: Partículas de borracha.
5.1.2 Gesso
O gesso utilizado neste trabalho como matriz, foi o gesso comercial CaSO4.
½H2O. Este foi adquirido em loja de materiais de construção da cidade Juazeiro Bahia.
5.1.3 Moldes
Os moldes utilizados para a fabricação dos corpos de prova foram todos,
conforme norma técnicas NBR.
5.1.3.1 Moldes para Ensaio de Flexão
Os moldes utilizados para os ensaios de flexão foram baseado na norma da
ABNT NBR13279, argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos
– Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão, os moldes utilizados
foram confeccionados em placa metálica com dimensões a = 40 mm x b = 40 mm x c
= 160 mm, como mostra na figura 9. Cada molde é composto por três compartimentos,
de forma que se possa preparar simultaneamente três corpos de prova com seção
36
transversal de 40 mm x 40 mm e comprimento de 160 mm, como especificado na NBR
13279.
Figura 9: Equipamento para modelagem dos corpos de prova
Fonte: ABNT NBR 13279 – 2005.
A NBR 13279 diz ainda que, as paredes dos moldes devem ter no mínimo 8 mm
de espessura e ser suficientemente rígidas para que os corpos de prova não sofram
danos quando forem removidos dos compartimentos. Além disso, os moldes
montados devem apresentar conformidade com as dimensões internas de cada
compartimento e suas tolerâncias devem ser as seguintes:
Profundidade: (40 ± 0,4) mm;
Largura: (40 ± 0,4) mm;
Comprimento: (160 ± 0,8) mm.
Como especificado na NBR 13279, utiliza-se o mesmo corpo de prova para os
ensaios de flexão e compressão.
37
5.1.3.2 Moldes para Ensaio de Dureza
Os moldes utilizados para fabricação dos corpos de prova para ensaio de dureza
seguiram a norma NBR 12129 - 1991 - MB 3470 – Gesso para construção –
Determinação das propriedades mecânicas. O molde possui três compartimentos, que
permite a moldagem simultânea de três corpos de prova cúbicos de 50mm de aresta
cada, como na mostrado na figura 10.
Figura 10: Moldes utilizados para confecção dos corpos de prova para ensaio de dureza.
O molde deve ser construído de material impermeável e não reativo com o
sulfato de cálcio e suficientemente rígido aos esforços de moldagem. Quando
montado, as partes dos moldes devem está firmemente interligada, satisfazendo às
seguintes características:
Faces internas planas com variação máxima de, 0,03mm;
Distâncias entre faces internas opostas de (50mm ± 0,02mm);
Ângulo entre faces internas adjacentes de (90º ± 0.5) º.
38
5.1.4 Desmoldante
Como desmoldante foi utilizada apenas uma película de óleo mineral nas partes
do molde, a fim de evitar vazamentos durante a moldagem e, para facilitar na retirada
dos corpos de prova dos moldes.
5.2 Métodos
5.2.1 Elaboração dos Corpos de Prova
Primeiramente foi utilizada uma peneira de 1,18 mm com a finalidade de se obter
uma granulação uniforme e retirar impurezas que viessem a aparecer nas partículas
de elastômeros. Posteriormente as partículas foram pesadas, para que fossem feitos
os corpos de prova de acordo com as porcentagens de massa desejada.
No total foram elaborados vinte e quatro corpos de prova:
Três de gesso puro para ensaio de dureza e três para ensaio de flexão;
Três compósitos para ensaio de dureza e três compósitos para ensaio de
flexão todos com 10% da massa de partículas de borracha;
Três compósitos para ensaio de dureza e três compósitos para ensaio de
flexão todos com 20% da massa de partículas de borracha;
Três compósitos para ensaio de dureza e três compósitos para ensaio de
flexão todos com 30% da massa de partículas de borracha.
Inicialmente foram preparados os moldes passando uma fina camada de óleo
mineral nas faces interna destes para facilitar no desmolde e evitar vazamentos. Após
isso, foram feitas as pesagens dos materiais para elaboração da pasta de gesso puro.
Para o volume do molde, que é de 256.000 mm3, foram pesados 786,4g de pó de
gesso e 629,7g de água, o que dá um fator água/gesso de 0,80.
39
O preparo da pasta do gesso foi baseado na norma da ABNT NBR 12129/1991
– Gesso para construção – Determinação das propriedades mecânicas: método de
ensaio. Esta norma recomenda colocar a massa da água em um recipiente
impermeável, não reativo, não absorvente, e de dois litros de capacidade
aproximadamente, como mostrado na figura 11. Além disso, deve-se polvilhar sobre
a água, no período de um minuto, a massa de gesso calculada, deixando em repouso
durante dois minutos. Após esse período, proceder com mistura de forma continua,
procurando desfazer os grumos de gesso e bolhas de ar. Esta operação deve durar
um minuto. Por fim, transfere-se rapidamente a pasta para o molde, em duas
camadas, batendo com uma espátula, de forma a evitar o aprisionamento de bolhas
de ar. Após o início da pega do gesso deve-se, rasar e nivelar a superfície dos corpos
de prova com uma espátula, sem alisar a superfície.
Figura 11: Recipiente recomendado pela norma.
Após um período de 24 horas, onde foi constatado um total endurecimento da
pasta, foi efetuado o desmolde dos corpos de prova e posteriormente, após a
identificação dos mesmos na parte rugosa, foram colocados em uma estufa, com
temperatura controlada entre 40 e 50ºC, por sete dias, a fim de deixá-los secar até a
condição de massa constante, como estabelecido na NBR 12129/1991.
40
Em seguida foram feitos os corpos de prova para os compósitos de gesso e
partículas de elastômeros com teores de 10%, 20%, 30% da massa do gesso, as
seções transversais dos corpos podem ser vistas na figura 12. O procedimento é o
mesmo que o do gesso puro sendo que tiveram que ser feitas também a pesagem
das partículas de elastômeros. Essas partículas já pesadas foram misturadas com o
pó de gesso, deixando-os uniforme, em seguida essa mistura foi polvilhada na água
e misturada novamente e após a mistura foram colocados nos moldes.
Figura 12: Seções transversais dos corpos de prova
Após 24 horas os corpos de prova foram desmoldados, e ficaram como mostrado
na figura 13, para em seguida serem colocados em estufa por sete dias, com o intuito
de deixá-los secar até a condição de massa constante.
41
Figura 13: Corpos de prova desmoldados utilizados nos ensaios de dureza.
5.2.2 Ensaios Mecânicos
Os ensaios de flexão e compressão foram feitos usando como referência a
norma da ABNT NBR 13279 – Argamassa para assentamento e revestimento de
paredes e tetos – Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão, e
os ensaios de dureza foram feitos seguindo como referência a norma da ABNT 12129
– Gesso para construção – Determinação das propriedades mecânicas. Todos
realizados no Laboratório de Ensaios de Materiais do Colegiado de Engenharia
Mecânica no campus Juazeiro-BA da Universidade federal do Vale do são Francisco
(UNIVASF) utilizando uma máquina universal de ensaios modelo DL-10.000 (EMIC).
5.2.2.1 Ensaio de Flexão
Segundo a NBR 13279 o dispositivo de carga para executar o ensaio de flexão
deve ter dois suportes em forma de roletes, de comprimento entre 45 mm e 50 mm e
10,0 ± 0,5 mm de diâmetro, distantes entre si de 100,0 ± 0,5 mm, e, um terceiro rolete
de mesmo comprimento e diâmetro, localizado centralizado entre os roletes de
suporte, como mostrado na figura 14.
42
Figura 14: Dispositivo para realização de ensaio de flexão.
Os três planos verticais que passam através dos eixos dos três roletes devem
ser paralelo e permanecer equidistantes e perpendiculares à direção do prisma. Além
do mais, o rolete que faz o carregamento deve ser capaz de inclinar ligeiramente para
permitir um contato uniforme e uma distribuição de carga também uniforme acima da
largura do prisma, sem nenhuma tensão de torção. No total foram fabricados doze
corpos de prova e realizados doze ensaios mecânicos de flexão. Obteve-se uma curva
do tipo tensão deformação como resultado de cada ensaio de flexão.
Nos resultados o valor da resistência à flexão Rf, em MPa, é dado pela equação
(5.1) fornecida pela NBR 13279.
𝑅𝑓 = 3𝑃𝐿
2𝑏ℎ2 (5.1)
Onde:
Rf = resistência à flexão, em MPa;
P = carga de ruptura, em N;
43
L = distancia entre os apoios, em mm;
b = base do corpo de prova, em mm;
h = altura do corpo de prova, em mm.
5.2.2.2 Ensaio de Compressão
Segundo a NBR 13279, neste método de ensaio devem-se utilizar as metades
dos três corpos de prova utilizados no ensaio de flexão, posicionando-as no dispositivo
de apoio do equipamento de ensaio, de modo que a face rasada não fique em contato
com o dispositivo de apoio nem com o dispositivo de carga.
Ainda segundo a NBR 13279, o dispositivo de carga deve ser capaz de aplicar
uma carga de 500 N/s. Deve ser provido de um indicador construído de forma que o
valor indicado no momento da ruptura permaneça indicado depois da máquina de
ensaio ter sido descarregada. Além disso, os pratos devem ser de aço, ter (40,0 ± 0,1)
mm de comprimento, e no mínimo 10 mm de espessura. Para este caso foram
usinadas no laboratório de engenharia mecânica duas chapas de aço 1020 com essas
dimensões, como mostrada na figura 15, para podermos obedecer às características
de ensaio da norma.
44
Figura 15: Foto de arranjo para ensaio de compressão.
Nos resultados o valor da resistência à compressão Rc, em MPa, é dado pela
equação (5.2) Segundo a NBR 13279.
𝑅𝑐 = 𝐹𝑐
1600 (5.2)
Onde:
Rc = Resistência à compressão, em MPa;
Fc = Carga máxima aplicada, em N.
A resistência média dos seis corpos de prova é considerada como valor válido
da resistência à compressão, quando o desvio absoluto máximo não seja superior a
0,5 MPa, caso contrário, deve-se desconsiderar o valor discrepante, identificando-o
no relatório de ensaio, com asterisco. O resultado é considerado valido quando o
resultado for constituído da média de no mínimo quatro corpos de prova, caso
contrário o ensaio deve ser refeito. Com os ensaios de compressão obteve-se curvas
do tipo tensão deformação, e no total foram realizados 24 ensaios de compressão.
45
5.2.2.3 Ensaio de Dureza
Para a realização do ensaio de dureza primeiro foi selecionado a face inferior de
moldagem e duas outras faces laterais opostas de cada corpo de prova para o ensaio
de penetração. Posicionou-se o corpo de prova no centro de aplicação da carga com
uma das superfícies selecionadas para cima, como mostrado na figura 16, por
seguinte posicionou-se a esfera na parte central desta superfície, a uma distância
mínima de 20 mm das bordas, evitando-se eventuais bolhas ou falhas na superfície.
Figura 16: Realização de ensaio de dureza.
Depois do posicionamento do corpo-de-prova e esfera que possui 10 mm de
diâmetro, foi aplicada uma carga de 50N e aumentada para 500N, em 2s, mantendo-
a por 15s. Após este tempo retirou-se a carga e foi medido a profundidade de
impressão com um paquímetro. No total foram fabricados doze corpos de prova e
realizado três ensaios de dureza em cada corpo de prova, totalizando trinta e seis
ensaios de dureza realizados.
Os valores de dureza são determinados utilizando a equação (5.3) da norma
NBR 12129:
46
𝑫 = 𝑭
𝝅×Ø×𝒕 (5.3)
Onde:
D= dureza em N/mm2
F = carga em newton
Ø = diâmetro da esfera, mm
t = média da profundidade, mm
Após medição das profundidades com paquímetro, deve-se calcular a média
aritmética das profundidades de cada corpo. A profundidade média t dos três corpos-
de-prova considerada a da série, se cada uma destas não diferir mais de 15% da
média global. Caso uma das médias dos corpos-de-prova diferir mais de 15% da
média global, esta não deve ser incluída no cálculo da profundidade t.
6. Análise e Discussão dos Resultados
6.1 Ensaios de Flexão
Nas figuras 17 e 18 são mostrados os valores médios das resistências a flexão
e os valores das médias da deformação respectivamente, para os corpos de prova de
matriz de gesso reforçados com elastômeros com suas diferentes porcentagens.
47
Figura 17: Resultados das médias de resistência a flexão.
O corpo de prova com gesso puro apresentou um valor de resistência a flexão
de 2,014 MPa, valor menor que o calculado com o corpo de prova de 10% de massa
de elastômeros que obteve um valor de 2,156 MPa, alcançando o maior valor entre
os outros corpos de prova. Com valor inferior ao corpo de 10% de massa encontra-se
o corpo com 20%de massa de elastômero que alcançou o valor de 2,024MPa e o de
30% de massa com valor inferior a todos os outros corpos de prova com valor de 1,747
MPa. O que observamos é que houve um acréscimo do valor de resistência a flexão
do corpo de prova de 0% de massa para o de 10% de massa, mas que esse aumento
não se manteve com a adição de mais massa de elastômero no compósito, e sim, o
que houve foi um decréscimo.
2,0142,156
2,024
1,747
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
CP-0% CP-10% CP-20% CP-30%
Res
istê
nci
a a
Flex
ão (
Mp
a)
Resistência a Flexão
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
48
Figura 18: Resultado das deformações.
A partir da figura 18, podemos observar as médias das deformações encontradas
por cada porcentagem de massa de elastômero dos corpos de prova. Os corpos de
prova puros sem quantidade de massa de elastômeros obtiveram maiores valores de
deformação, com 1,216 mm. Com a adição de 10% de massa de elastômero houve
um decréscimo no valor, que passou para 0,830 mm, e o valor da deformação
continuou caindo com o aumento da porcentagem de massa de elastômero nos
corpos de prova, mas de forma menos acentuada. Para os corpos de prova com 20%
de massa alcançou-se o valor de 0,766 mm para e os corpos de 30% de massa o
valor de 0,718 mm.
Obteve-se um gráfico, ver figura 19, da tensão x deformação mostrando o
comportamento dos corpos de prova nos ensaios de flexão.
1,216
0,830,766
0,718
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
CP-0% CP-10% CP-20% CP-30%
Def
orm
açõ
es(m
m)
Deformações
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
49
Figura 19: Curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios de flexão nos corpos de
prova com os diversos teores mássicos.
6.2 Ensaios de Compressão
Foram realizados os ensaios de compressão e seus resultados podem ser vistos
na figura 20 e tabelas 2,3,4 e 5, que mostram os valores de resistência a compressão,
a deformação na tensão máxima, tensão de ruptura, tenacidade, e a deformação
máxima alcançada respectivamente, para os corpos de prova com gesso puro e os
reforçados com elastômero.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Res
istê
nci
a a
fle
xão
(M
Pa)
Deformação (mm)
Tensão x Deformação
Cp - 0%
Cp - 10%
Cp-20%
Cp-30%
50
Figura 20: Resultados da resistência a compressão, obtidos nos ensaios de compressão.
A partir da figura 20 podemos observar os valores da resistência a compressão
dos corpos de prova. O maior valor de resistência foi encontrado no corpo de prova
com gesso puro que obteve 4,98 Mpa. Os resultados mostram que os valores de
resistência a compressão dos corpos de prova tiveram um decréscimo com o a adição
de elastômero na sua composição já que os corpos com 10% de massa de
elastômeros apresentaram um valor de 2,97 Mpa, uma queda acentuada se
comparada com o valor encontrado no gesso puro. No corpo de prova com massa de
20% de elastômero o valor da resistência a compressão foi 2,44 Mpa, uma queda
menos acentuada se comparada com a diferença entre o corpo de prova de gesso
puro e o de 10% de massa de elastômero. E por fim o valor de resistência a
compressão de 2,413 MPa encontrado no corpo de prova de 30% de massa
mostrando uma diferença menor ainda do valor de resistência entre o corpo de prova
de 20% de massa de elastômero e o de 10%.
A seguir na tabela 2 veremos os valores da resistência a compressão,
deformação até a ruptura, e a tenacidade, de cada corpo de prova com 0% de massa
de elastômeros.
4,98
2,976
2,448 2,413
0
1
2
3
4
5
6
CP-0% CP-10% CP-20% CP-30%
Ten
são
Máx
ima(
Mp
a)
Resistência a Compressão
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
51
Tabela 2 Valores das tensões máximas, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para corpo de prova com 0%.
0% Tensão Máxima(MPa) Deformação Ruptura(mm)
Tenacidade (N.mm/mm3)
CP1 5,50 0,523 1,917
CP2 4,29 0,3405 0,973
CP3 5,07 0,3193 1,079
CP4 5,14 0,6417 2,199
CP5 4,92 0,6635 2,176
Médias 4,98 0,498 1,65
Desvios 44% 16% 5%
Os corpos de prova com 0% de massa de elastômeros alcançaram tensão
máxima de 4,98 MPa, e deformação máxima de 0,498 mm. Tensão de ruptura possui
o mesmo valor da tensão máxima já que os corpos de gesso puro se comportam como
um material frágil. Portanto possui uma fratura frágil e tenacidade 1, 65N.mm/mm3.
Valores obtidos através da média dos valores dos cinco corpos de prova, como pode
ser visto na tabela 2.
O corpo de prova que alcançou maior resultado de resistência a compressão foi
o com gesso puro. Seu valor foi 46,8% maior que o corpo de prova de 10% de massa
de elastômero que foi o corpo de prova que teve o segundo maior valor na resistência
a compressão. O que observou-se também é que o corpo de prova de gesso puro se
comportou como um material frágil, ocorrendo a ruptura do material quando as
tensões cortantes foram máximas. Esse comportamento frágil explica o baixo valor de
tenacidade alcançado pelo corpo de prova.
A seguir, na tabela 3, apresenta os valores da resistência a compressão,
deformação quando a tensão foi máxima, tensão de ruptura, deformação até a ruptura
e a tenacidade, de cada corpo de prova com 10% de massa de elastômeros.
52
Tabela 3 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para corpo de prova
com 10%.
10% Tensão Máxima (MPa)
Deformação Tensão Máxima(mm)
Tensão Ruptura (MPa)
Deformação Ruptura(mm)
Tenacidade (N.mm/mm3)
CP1 2,95 0,3022 1,20 1,78 6,321
CP2 3,66 0,3033 2,66 0,6206 3,102
CP3 2,83 0,316 1,64 1,1633
4,252
CP4 2,78 0,3123 1,598 1,20
4,30
CP5 2,65 0,303 1,35 1,6743
5,567
Médias 2,97 0,30 1,69 1,28
4,92
Desvios 40% 1% 57% 46% 32%
Os corpos de prova com 10% de massa de elastômeros alcançaram limite de
resistência à tração de 2,97 MPa, e deformação quando a tensão foi máxima de 0,30
mm, limite de resistência à ruptura de 1,69MPa, deformação total de 1,28 mm e
tenacidade 4,92 N.mm/mm3. Valores obtidos através da média dos valores dos cinco
corpos de prova, como pode ser visto na tabela 3.
Observamos que com a adição do elastômero ao corpo de prova já houve um
decréscimo significante na sua resistência a compressão, mas ocorreu também um
aumento significante na sua deformação final e na tenacidade do mesmo, cerca de
66% maior que a tenacidade do corpo de prova de gesso puro. E também o
comportamento do compósito no ensaio foi como material dúctil, esse comportamento
se deu pela adição do elastômero ao gesso.
Na tabela 4 veremos os valores da resistência a compressão, deformação
quando a tensão foi máxima, tensão de ruptura, deformação até a ruptura e a
tenacidade, de cada corpo de prova com 20% de massa de elastômeros.
53
Tabela 4 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para corpo de prova
com 20%.
20% Tensão Máxima (MPa)
Deformação Tensão Máxima(mm)
Tensão Ruptura (MPa)
Deformação Ruptura(mm)
Tenacidade (N.mm/mm3)
CP1 2,634 0,3322 1,1 1,886 6,005
CP2 2,438 0,3964 1,074 2,5044
7,451
CP3 2,7845 0,3754 0,8996 1,9694
6,370
CP4 2,1921 0,2595 0,7918 1,8456
4,776
CP5 2,1921 0,2931 0,942 2,015
5,366
Médias
2,448 0,331 0,961 2,044
5,987
Desvios 26% 6% 13% 27% 9%
Os corpos de prova com 20% de massa de elastômeros alcançaram tensão
máxima de 2,448 MPa, e deformação quando a tensão foi máxima de 0,331 mm,
tensão de ruptura de 0,961 MPa, deformação total de 2,044 mm e tenacidade 5,987
N.mm/mm3. Valores obtidos através da média dos valores dos cinco corpos de prova,
como pode ser visto na tabela 4.
Com a adição de mais massa de elastômero o valor da resistência a compressão
continuou caindo e o da deformação final e o da tenacidade manteve-se subindo. Isso
mostra que com o aumento do elastômero no gesso o corpo de prova tende a ter um
comportamento mais dúctil nos ensaios e a alcançar maior valor de tenacidade.
Na tabela 5 veremos os valores da resistência a compressão, deformação
quando a tensão foi máxima, tensão de ruptura, deformação até a ruptura e a
tenacidade, de cada corpo de prova com 30% de massa de elastômeros.
54
Tabela 5 Valores das tensões máximas, deformações tensão máxima, tensões de ruptura, deformações de ruptura e tenacidades obtidas nos ensaios para corpo de prova
com 30%.
30% Tensão Máxima (MPa)
Deformação Tensão Máxima(mm)
Tensão Ruptura (MPa)
Deformação Ruptura(mm)
Tenacidade (N.mm/mm3)
CP1 2,28 0,2767 1,018 2,2511
6,278
CP2 2,3468 0,2578 1,168 2,0578
6,031
CP3 2,662 0,3003 1,3204 1,9948
6,627
CP4 2,32 0,3008 1,3258 1,9952
5,951
CP5 2,454 0,2606 1,2389 1,8294
5,623
Médias 2,413
0,279 1,214 2,026
6,117
Desvios 15% 2% 13% 15% 3%
Os corpos de prova com 30% de massa de elastômeros alcançaram tensão
máxima de 2,413 MPa, e deformação quando a tensão foi máxima de 0,279 mm,
tensão de ruptura de 1,214 MPa, deformação total de 2,026 mm e tenacidade 6,117
N.mm/mm3. Valores obtidos através da média dos valores dos cinco corpos de prova,
como pode ser visto na tabela 5.
A partir dos resultados vistos nas tabelas, observamos que com o aumento da
porcentagem de elastômero nos corpos de prova eles tendem a ter uma diminuição
na resistência a compressão, mas em compensação ocorre um aumento na
tenacidade do material. Isso significa que o material é capaz de absorver mais energia
antes da ruptura. Esse aumento na tenacidade do material também é visto na curva
tensão deformação na figura 21, que mostra que o material com maior porcentagem
de elastômero tem uma maior deformação final. Mostra também que esse mesmo
material não possui o maior valor de resistência a compressão.
A figura 22 mostra ainda as curva tensão-deformação representativa para cada
um dos tipos de materiais testados nos ensaios de compressão.
55
Figura 21: Curva tensão-deformação dos ensaios de compressão.
6.3 Ensaios de Dureza
Nas figuras 22 e 23 são mostrados os valores médios das profundidades obtidos
no ensaio de dureza e também os valores de dureza calculados para os corpos de
prova de matriz de gesso reforçados com elastômeros com suas diferentes
porcentagens.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Ten
são
(M
pa)
Deformação (mm)
Tensão-Deformação
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
56
Figura 22: Resultados das médias das profundidades determinadas no ensaio de
dureza.
Como podemos observar na figura 22, as maiores médias de profundidade são
para corpos de prova de gesso puro que possuem média de 2,54mm de profundidade.
Com o aumento da porcentagem de reforço elastomérico na matriz de gesso houve
um decréscimo na média da profundidade de penetração da esfera nos corpos de
prova, visto que os corpos de prova com 20% de massa de elastômeros apresentaram
média de profundidade de 2,19mm enquanto os que continha 10% de massa tiveram
valor de 2,46mm. Os corpos de prova que obtiveram menor média de profundidade
foram os que continham 30% de massa de elastômeros com valor de 1,96mm.
2,54 2,462,19
1,96
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
Média CP-0%
Média CP-10%
Média CP-20%
Média CP-30%
Pro
fun
did
ade(
mm
)
Médias das Profundidades
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
57
Figura 23: Resultados dos ensaios de dureza.
A partir da figura 23 pode-se observar os valores da dureza. Os corpos de gesso
puro obtiveram o valor de 6,27 N/mm, já os corpos com 10% de massa de elastômeros
obtiveram valor de 6,47 N/mm e esse valor foi crescendo com a adição de reforço na
matriz de gesso. Os corpos de prova com 20% de massa obtiveram um valor de 7,27
N/mm2 e por último e com maior valor foi o corpo de prova de 30% de massa como
valor de 8,12 N/mm2. Então fica evidente um aumento na dureza do corpo de prova
com a adição do elastômero. Isso ocorre pelo fato do elastômero misturado ao gesso
resultar numa característica de maior elasticidade ao material, proporcionar maior
capacidade de deformação elástica, então o corpo de prova no ensaio de dureza
recebe a aplicação de uma carga e sendo assim sofre uma deformação, mas sem a
aplicação dessa carga o corpo de prova consegue restituir uma parte dessa
deformação.
6,27 6,47
7,27
8,12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CP-0% CP-10% CP-20% CP-30%
Du
reza
(N
/mm
)
Dureza
CP-0%
CP-10%
CP-20%
CP-30%
58
7. Conclusões
Após concluir o trabalho, fica evidenciado que com a adição de partículas de
elastômeros como reforço em uma matriz de gesso foi obtido significativa melhora de
algumas propriedades mecânicas do gesso como a dureza e a tenacidade. E
melhoras não tão significantes na resistência a flexão.
Para o ensaio de dureza o corpo de prova que obteve melhor resultado se
comparado com o corpo de prova de gesso puro, foi o corpo com 30% de massa de
elastômeros, alcançando valor de dureza 8,12 N/mm, contra 6,27 N/mm e deformação
de 1,96 mm, contra 2,54 mm do corpo de prova de controle. Concluímos que com o
acréscimo da massa de elastômero na matriz de gesso o compósito tende a aumentar
sua dureza.
No ensaio de flexão todos os valores de resistência a flexão ficaram próximos,
com destaque para o corpo de prova com 10% de massa que alcançou 2,156 MPa, o
maior valor. Já o valor da deformação obteve um decréscimo significativo se
compararmos o corpo de prova de 10% de massa que alcançou 0,83mm, com o corpo
de prova de prova de amostra que alcançou 1,216mm. Mas para os corpos de prova
com 20% de massa a diferença no valor da deformação foi muito pequena, se
comparada com o valor da deformação no corpo de prova de 10%.
Para o ensaio de compressão os corpos de amostra obtiveram maior valor de
resistência a compressão, alcançado 4,98 MPa. Observou- se uma queda significativa
quando adicionado 10% de massa de elastômero e essa diminuição na resistência
continuou caindo com a adição de 20% e depois 30% de massa de elastômero, mas
em compensação os materiais compósitos ganharam maior tenacidade se comparado
com o gesso puro o compósito que obteve o maior valor da tenacidade foi o corpo
com 30% de massa de elastômeros.
59
8. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para os trabalhos futuros ficam as seguintes sugestões:
Produzir compósitos de matriz gesso reforçados com elastômeros e
granulometria diferente a utilizada de 1,18mm.
Produzir compósitos de matriz gesso reforçados com outros tipos de
partículas;
Utilizar um maior fator de água/gesso;
Produzir compósitos utilizando produtos (aditivos) que venham à
retardar o tempo de pega do gesso;
Realizar ensaios de acústica;
Utilizar outro método de ensaio de dureza.
60
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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