Análise do uso de telhas à base de cimento Portland e fibras vegetais

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1 Análise do uso de telhas à base de cimento Portland e fibras vegetais Cláudio Batista dos Santos (UFCG) claudiobatista_esp@hotmail.com Izabelle Marie Trindade Bezerra (UFCG) izabelle_marie@yahoo.com.br Kathia Batista de Asevêdo Silva (UFCG) kathia_asevedo@msn.com Cibelle Guimarães Silva (UFPB) cibelle_guimaraes@hotmail.com Rosires Catão Curi (UFCG) rosirescuri@yahoo.com.br Resumo: Na construção civil os compósitos à base de cimento são os mais utilizados. Porém, as matrizes desses compósitos não apresentam boa resistência a esforços de tração, dessa maneira faz-se o reforço das matrizes com outros materiais. O reforço com fibras vegetais têm tido notável destaque pelo fato dessas fibras serem elementos orgânicos renováveis e não agressivos ao homem. Neste artigo, baseado numa pesquisa bibliográfica, apresenta-se a avaliação do uso de telhas à base de cimento portland reforçadas com fibras vegetais e bem como seu desempenho, durabilidade e formas de fabricação. Ao fim da pesquisa pode-se constatar que o desenvolvimento destas telhas apresenta como aspecto favorável a facilidade de produção e um baixo custo, porém seu processo de fabricação precisa ser aprimorado para competir no mercado. Palavras-chave: Compósitos; Fibras vegetais; Telhas. 1. Introdução Diante da grande preocupação mundial com o meio ambiente e os impactos causados pelas atividades do homem, a engenharia tem buscado avançar em técnicas de reaproveitamento dos resíduos da construção civil e da indústria como forma de minimizar os impactos ambientais gerados pela mesma. A partir daí tem havido o surgimento de novos materiais com propriedades mecânicas adequadas e durabilidade. Um dos materiais que apresenta grande potencial de aplicação, os materiais compósitos, são formados pela união de dois ou mais matérias, que juntos, produzem propriedades as quais não podem ser obtidas com qualquer um dos seus componentes individuais (GONÇALVES, 2005). Nos dias atuais, os compósitos a base de cimento são os mais empregados na construção civil, são eles: pastas, argamassas, etc. Eles apresentam como grande vantagem o fato de serem constituídos de elementos de construção simples, de baixo custo e fácil aquisição, além de permitir uma moldagem fiel à forma desejada. As matrizes desses compósitos são frágeis e rompem com pequena facilidade sob esforços de tração. Para compensar essa deficiência, outros materiais são empregados como reforço dos materiais à base de cimento. Atualmente, para este reforço tem-se dado grande preferência às fibras vegetais, pelo fato de serem elementos orgânicos renováveis e não agressivos ao homem e por contribuírem como fonte alternativa de renda para produtores rurais de regiões carentes. As fibras vegetais ainda apresentam outras vantagens tais como: V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 1

2 abundância, baixo custo e consumo de energia, representando assim uma alternativa para a indústria da construção civil na produção de elementos de cobertura e revestimento, painéis divisórios e componentes habitacionais e, conseqüentemente, podem contribuir para o rápido desenvolvimento da infra-estrutura do país (MELO FILHO, 2005). Tendo isto em vista, alguns pesquisadores têm se dedicado a criação de telhas reforçadas com estas fibras, bem como de outras tecnologias substitutivas, principalmente pelo fator indutor legal, com a criação da legislação contrária ao uso do amianto, uma vez que as fibras de aminato podem causar várias doenças ao homem, tais como: a asbestose, cancro do pulmão, a mesotelioma e as afecções benignas da pleura, entre outras. As matrizes cimentíceas mais utilizadas na produção de compósitos são formadas por cimento Portland, agregados e água. Uma grande vantagem da matriz cimentícea é o fato de ser um material de construção simples e barato que pode ser produzido com uso de equipamentos simples e pode ser moldado adquirindo qualquer forma, sendo um material de boas propriedades de resistência e vida útil. 2. Objetivos 2.1 Objetivos gerais A presente pesquisa tem como objetivo mostrar o desempenho e a viabilidade da fabricação de telhas à base de cimento Portland reforçadas com fibras vegetais. 2.2 Objetivos específicos Avaliação das propriedades mecânicas; Avaliar a durabilidade destas telhas; Mostrar a forma de fabricação destas telhas; Fazer um comparativo entre a telha reforçada com fibra e outro tipo de telha existente no mercado. 3. Revisão bibliográfica Apesar de um grande número de trabalhos de pesquisa comprovarem a eficiência das fibras vegetais como reforço, o seu emprego na produção industrial é ainda muito pequeno, provavelmente em função de eventuais custos para adaptação do processo produtivo, como também pela falta de informações referentes à disponibilidade de fibras vegetais para o mercado da construção civil ou a dificuldade de aceitação pela população de materiais alternativos nos materiais de construção. No que diz respeito a novos materiais para a construção civil, a avaliação da durabilidade é de suma importância. Deve-se ter em mente que uma habitação, por exemplo, é o bem de maior valor adquirido por uma pessoa e, também por esta razão, deve apresentar longa vida, contribuindo assim para preservação dos recursos naturais que se encontram tão escassos. 3.1 Materiais compósitos Os materiais compósitos podem surgir de combinações entre metais, material cimentíceo, cerâmicas, polímeros e outros. As possíveis combinações dependem das condições de processamento e das prováveis incompatibilidades entre os componentes. V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 2

3 Compósitos, para aplicações estruturais, geralmente utilizam fibras metálicas sintéticas e naturais como agentes de reforço. As fibras podem ser contínuas ou descontínuas, alinhadas ou com distribuição aleatória, podendo ser obtidas em uma variedade de formas, como mantas e estruturas têxteis de diferentes arquiteturas (SILVA, 2003). Materiais frágeis perdem a sua ductilidade após a primeira fissura. Para contornar tal problema, o reforço com diferentes tipos de fibras vem sendo estudado a fim de aumentar a ductilidade e obter melhores propriedades mecânicas para esses materiais. Ao se adicionarem fibras às matrizes, verificam-se, nas suas propriedades, mudanças consideráveis, que vão depender de fatores tais como: tipo de fibra, fração volumétrica de fibras, resistência, módulo de elasticidade, características da superfície e orientação das fibras. Os efeitos da adição de fibras são mais evidentes após a fissuração da matriz. Depois desse estágio, percebe-se que o compósito apresenta um comportamento mais dúctil ao invés da ruptura brusca que ocorreria na ausência dessas fibras (MELO FILHO, 2005). 3.2 Matriz cimentícia As matrizes cimentíceas mais utilizadas na produção de compósitos são formadas por cimento portland, agregados e água. Uma grande vantagem da matriz cimentícea é o fato de ser um material de construção simples e barato que pode ser produzido com uso de equipamentos simples e pode ser moldado adquirindo qualquer forma, sendo um material de boas propriedades de resistência e vida útil. 3.3 Fibras naturais e vegetais As fibras naturais são subdivididas de acordo com a sua origem, podendo ser de origem vegetal, animal ou mineral. As fibras de origem mineral vêm sendo usadas há bastante tempo, sendo as principais, as fibras de amianto. As fibras de origem vegetal são uma matéria prima renovável e possuem um baixo custo, tendo um futuro promissor.. As fibras animais podem dividir-se em quatro grupos principais: lã, pelo, crina e seda natural. Utilizada para o fabrico de fios, linhas e feltros, bem como dos correspondentes tecidos. As fibras animais mais importantes processadas na indústria têxtil são a lã e a seda natural. Um grupo de fibras naturais fibras de coco, sisal, bambu, banana, celulose, entre outras tem sido motivo de vários estudos para a sua possível aplicação como reforço. As fibras naturais como reforço em concreto consistem, na maioria dos casos, em fibras curtas sendo dispersas aleatoriamente nas matrizes cimentíceas. As fibras atuam nas microfissuras restringindo o crescimento de fissuras quando submetidas a tensões que levam a ruptura do compósito. A dispersão de fibras em matriz frágil oferece um meio conveniente e prático de alcançar melhorias em muitas propriedades dos materiais de engenharia, como fratura, módulo de elasticidade na flexão, fadiga e resistência a impacto (MELO FILHO, 2005). As fibras vegetais apresentam uma série de vantagens sobre as fibras sintéticas justificando assim o seu uso como reforço em matrizes tanto cimentícias como poliméricas. Além disso, estas fibras servem como um substituto natural para o amianto. Algumas vantagens e desvantagens da fibra vegetal em relação à sintética podem ser observadas: Vantagens: Conservação de energia. Grande abundância. V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 3

4 Baixo custo. Não é prejudicial à saúde. Possibilidade de incremento na economia agrícola. Baixa densidade. Biodegradáveis. Desvantagens: Baixa durabilidade quando usada como reforço em matriz cimentícia. Variabilidade de propriedades. Fraca adesão em seu estado natural a inúmeras matrizes. Antes de se estudar o comportamento das fibras vegetais como reforço em uma matriz, seja ela frágil ou dúctil, se faz necessário o estudo e a análise das propriedades destas fibras. Um problema encontrado nas fibras vegetais é decorrente de sua estrutura porosa, que causa elevada capacidade de absorção de água e inchamento, possibilitando uma diminuição da aderência na interface fibra/matriz (TOLEDO FILHO, 1997). A região interfacial é de fundamental importância na determinação das propriedades dos compósitos, pois é através da interface que os esforços atuantes na matriz são transmitidos ao reforço. Métodos químicos e físicos podem ser usados para modificar a fibra e otimizar a interface (SILVA, 2003). A tensão de aderência da interface fibra/matriz pode ser melhorada por várias operações: Limpeza da superfície dessas fibras eliminando gorduras e camadas de restos de resinas e graxas; Reação das fibras com substâncias que proporcionem às fibras vegetais uma menor capacidade de absorção de água; Reação das fibras com substâncias que tornem sua superfície mais protegida do meio externo, propiciando uma maior rugosidade para uma melhora na transferência de tensões; Um processo de moldagem que traga a melhor homogeneidade de distribuição das fibras no interior da matriz. Outro problema encontrado com o uso destas fibras em matrizes cimentíceas é relacionado à sua durabilidade ao ser inserida em meios alcalinos. Como alternativas para se evitar a deterioração das fibras vegetais, em conseqüência da alcalinidade ou da umidade do meio a que estão expostas, existem diversos procedimentos de aplicação viável. Um desses procedimentos é o desenvolvimento de uma matriz livre de hidróxido de cálcio através da substituição parcial do cimento por pozolanas as quais consomem o hidróxido de cálcio formando o C-S-H (MELO FILHO, 2005). V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 4

5 3.3.1 A fibra de Sisal O nome sisal é oriundo de uma cidade costeira em Yucatán, México, tendo como significado, água fria. O sisal (Figura 3) é uma das fibras vegetais que possui maior resistência à tração e uma das mais indicadas para o uso como reforço em argamassas. (a) FIGURA 1 (a) Planta de sisal e (b) Fibra de sisal. 3.4 Reforço de matrizes com fibras naturais A utilização de fibras vegetais em compósitos reforçados para a construção civil pode ser de grande interesse para os países em desenvolvimento e seria capaz de contribuir para o crescimento de suas infra-estruturas. As fibras vegetais são fibras de baixo módulo de elasticidade e elevada resistência à tração. Seu emprego como reforço proporciona às matrizes cimentíceas maior resistência ao impacto, causada por maior absorção de energia, possibilidade de trabalho no estágio pós-fissurado e um aumento na capacidade de isolamento termo-acústico. Por outro lado, o seu emprego ainda traz consigo algumas dificuldades associadas ao uso em compósitos à base de cimento e, por isso, a necessidade de aperfeiçoamento dessa tecnologia (SILVA, 2002). A maior parte das pesquisas nos últimos anos sobre o uso de fibras naturais como reforço em matrizes cimentícias foi motivada pela grande quantidade de fibras disponíveis e pelo fato delas possuírem alta resistência mecânica. Combinado com o processo de fabricação simples, o qual permite a produção de compósitos de várias formas, esses tornam-se ideais para a utilização em residências de baixo custo. O papel das fibras naturais na resistência ao impacto, melhorando assim a ductilidade e a absorção de energia, é de considerável importância prática. Entretanto, a durabilidade em longo prazo destas fibras na matriz cimentícia tem ainda que ser estabelecida. 3.5 Experiência desenvolvida pelo Ceped O trabalho do grupo de pesquisadores do Programa de Tecnologias de Habitação (b) V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 5

6 (Thaba) da Universidade Federal da Bahia pode ser considerado, em nível internacional, como um dos mais amplos e consistentes no seu âmbito, e merece destaque em qualquer revisão bibliográfica. O produto de maior repercussão foi a telha tipo canal, o telhão, com comprimento de 1,80 m, largura aproximada de 41 cm e espessura de 1,5 cm. A metodologia foi apresentada em uma cartilha destinada aos usuários finais, que produziriam as telhas para o seu próprio consumo (Bahia, 1985). A matriz empregada foi uma argamassa de cimento e areia no traço 1:3 em volume, com fator água/cimento de 0,7 e reforçada com 2% em volume de fibras picadas (comprimento médio de 4 cm) de coco. Inicialmente, uma placa plana era moldada sobre folha plástica, fixa num esquadro de madeira. Essa placa era feita de duas camadas de argamassa, e as fibras, colocadas manualmente entre elas. Após a modelagem da placa, o esquadro de madeira era removido e a placa, colocada em cavaletes, adquirindo o seu formato de canal. Esse processo muito simples podia ser executado por trabalhadores sem nenhuma qualificação, e sem equipamentos especiais. Os problemas apresentados, foram decorrentes da má distribuição das fibras entre camadas, e do emprego de volumes de reforço menores que o estipulado. Para minorar esses riscos, o Ceped passou a recomendar a adição das fibras na argamassa antes da moldagem. 4. Método Construtivo De acordo os principais pesquisadores e trabalhos publicados sobre o assunto, tais como Gonçalves e Melo Filho, a moldagem das telhas é feita com uma matriz de cimento Portland e areia lavada em traço que varia entre 1:1,5 e 1:2, o fator água/cimento é varia entre 0,5 e 0,4. Teor de fibra de sisal em volume indicado pelos pesquisadores é de no máximo 2%, a mistura e moldagem acontece de forma manual. FIGURA 2 Moldagem manual da telha. Fonte: Melo Filho (2005) Para a fabricação das telhas, mistura-se o cimento e as fibras com comprimento de 2 cm e em seguida adiciona-se água e misturando lentamente. Feito isso, passa a moldagem da telha, que feita em uma fôrma no formato da telha que se deseja obter. Para uma boa avaliação do desempenho e das propriedades destas telhas, os principais ensaios realizados são: empenamento, permeabilidade, absorção da água e resistência. As telhas reforçadas com fibras vegetais confeccionadas de forma adequada apresentam resultados satisfatórios segundo critérios da NBR , tais como: V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 6

7 O empenamento, importante na avaliação do encaixe das telhas, deve ser inferior a 3 mm; A permeabilidade não ultrapassar a manifestação de mancha, na face inferior da telha, após 24h sob pressão de coluna d água de 250 mm; A absorção de água, após imersão por 24 horas, mostrou-se sempre inferior a 15%, o que é aceitável pela NBR Analisando-se os resultados obtidos pela maior parte dos pesquisadores pode-se observar que as telhas experimentaram significativa perda de desempenho mecânico após 16 meses de exposição a intempéries em clima tropical. A durabilidade das telhas é afetada devido à alcalinidade que a matriz cimentícia apresenta, sendo assim deve-se ainda buscar formas de reduzir esta alcalinidade. Muitos pesquisadores estudam formas de reduzi-las substituindo-se parte do cimento por pozolanas, como metacaulinita e resíduo de tijolo moído que consomem o hidróxido de cálcio, o qual é responsável pela alcalinidade conferida a matriz cimentícia. A fragilidade do reforço das fibras não afeta, entretanto, a integridade e a boa aparência das telhas, que não apresentaram sinais de decomposição ou fissura generalizada. FIGURA 3 Telhas fabricadas com fibras vegetais. Fonte: Melo Filho (2005). Comparando economicamente com as telhas convencionais mais utilizadas temos que, as telhas reforçadas com fibras vegetais custam em torno de R$18 por m 2 e as telhas cerâmicas colonial custam R$22 por m 2. V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 7

8 5. Considerações Finais O desenvolvimento destas telhas tem como aspectos favoráveis a facilidade de produção, o baixo consumo de energia, o emprego de mão-de-obra sem especialização, e o fato de requerer pequenos investimentos iniciais. Embora seja muito difícil uma projeção confiável nesta fase experimental, os custos de produção são estimados em menos de 50% de qualquer opção hoje vigente no mercado de componentes para cobertura. Com base no estudo realizado, percebe-se que a produção das telhas, apesar de apresentar alguns resultados aceitáveis em algumas pesquisas, precisará de modificações no sentido de manter suas propriedades mecânicas ao longo da vida útil do telhado. A principal conclusão é que ainda há necessidade de aprimoramento destas telhas de forma que ela seja competitiva em relação as convencionais, principalmente no binário durabilidade e custo, ou seja, manter-se o custo baixo e aumentar a durabilidade para que a relação custo benefício torne-se favorável ao uso das telhas de sisal. Dessa forma, a fabricação destas telhas em escala industrial ainda não é viável. 6. Referências GONÇALVES, J. P. Desenvolvimento e caracterização de concretos de baixo impacto ambiental e contendo argila calcinada e areia artificial. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, MELO FILHO, J. de A. Desenvolvimento e caracterização de laminados Cimentíceos Reforçados com Fibras Longas de Sisal. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, SILVA, R. V. Compósito de resina poliuretano derivada de óleo de mamona e fibras vegetais. Ciência e Engenharia de Materiais/USP, São Carlos, 2003BARBIERI, J.C. Gestão ambiental empresarial. São Paulo: Saraiva, TOLÊDO FILHO, R. D. Natural fibre reinforced mortar composites: experimental characterisation, Tese de Doutorado em Engenharia - DECPUC-Rio / DEC Imperial College, Rio de Janeiro, SILVA C. S., Estudo da durabilidade de compósitos reforçados com fibras de celulose. Dissertação de mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, V ENCONTRO MINEIRO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 8