CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MATERIAL COMPÓSITO DE MATRIZ CIMENTÍCIA REFORÇADO COM FIBRAS DE JUTA

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1 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MATERIAL COMPÓSITO DE MATRIZ CIMENTÍCIA REFORÇADO COM FIBRAS DE JUTA F. P. Teixeira (1); M. A. Alfaia (1); A. J. G. Santos (1); J. H. S. Souza (1); D. S. Silva (1); D. J. C. Moutinho (2); R. T. Fujiyama (1) (1) Universidade Federal do Pará - UFPA; (2) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará - IFPA felipe.pinheiro.teixeira@gmail.com RESUMO A disponibilidade de recursos naturais e seu potencial de renovação fazem das fibras vegetais uma excelente opção para a fabricação de compósitos com objetivo de reduzir custos e minimizar impactos ambientais. Este trabalho avalia características mecânicas de compósito de matriz a base de cimento portland reforçado com fibras de juta, com comprimentos de 15mm e 25mm. Na fabricação utilizou-se a proporção cimento:areia:água igual a 1:2:0,5. A fração mássica de fibras correspondeu a 1,42% (para amostras com fibras de 15mm) e 1,27% (para amostras com fibras de 25mm) em relação a massa da mistura: cimento, areia e água. Após fabricação, os corpos de prova foram submetidos à cura de 28 dias em imersos em água potável. Foram realizados ensaios de flexão em três pontos, tendo os resultados demonstrado uma diminuição de resistência em 17% (amostras reforçadas com fibras 15mm) e 19% (amostras reforçadas com fibras 25mm) em relação a matriz pura. Palavras-chave: Ensaio de flexão, materiais compósitos, cerâmica, fibras naturais. 2845

2 INTRODUÇÂO As fibras naturais, utilizadas como reforço de matrizes frágeis à base cimento, têm despertado grande interesse, graças ao seu baixo custo, disponibilidade, economia de energia e redução de impactos ambientais (1). A variedade e disponibilidade destes recursos naturais tornam as fibras de origem vegetal materiais convenientes para o reforço de matriz frágil (2), podendo proporcionar resultados benéficos, principalmente na indústria construção civil. Embora as características de várias fibras vegetais estejam sendo amplamente estudadas, ainda há fibras menos conhecidas com grande potencial quanto à engenharia materiais (3). Dentro deste contesto, é possível destacar a fibra de juta. A juta foi introduzida no Brasil entre os anos de 1950 e 1980, nos estados do Amazonas, Pará e São Paulo, sendo estes os principais cultivadores da planta (4). Sua fibra é obtida da haste da Corchorus capsularis, comunmente utilizada para a fabricação de cordas, fios e sacos. Seu comprimento varia 200 a 1500mm, sendo composta de 58-63% de celulose, 12-24% de hemicelulose e 12-24% de lignina (5). Sob este aspecto, o presente artigo tem como proposta a fabricação de material compósito de matriz a base de cimento portland reforçado com fibras de juta, com comprimento de 15 e 25mm, submetido a ensaios de flexão para avaliação de características mecânicas. MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS Para a fabricação do material compósito foi utilizado cimento portland CPII-F 32, constituído de 6 a 10% de material carbonático (6). O material carbonático corresponde ao carbonato de cálcio presente em sua composição a fim de tornar concretos e argamassas mais trabalháveis. Os cimentos portland do tipo CP II são os mais comuns no mercado brasileiro. Foi empregada areia comercial comumente utilizada no abastecimento de obras da construção civil na cidade de Belém, originária do município de Vigia, localizado na região do nordeste paraense, zona do 2846

3 salgado. A água utilizada foi obtida por meio da concessionária da rede publica de abastecimento da cidade. As fibras de juta empregadas foram adquiridas no mercado local em forma de tecido, fabricado pela indústria têxtil de produtos de juta do município de Castanhal - Pará. O tecido foi cuidadosamente desfeito para que houvesse maior conservação das fibras. A Fig. 01 mostra o (a) cimento portland CPII-F 32, a (b) areia utilizada no experimento e o (c) tecido de juta na forma como é comercializado. Fig Cimento portland CPII-F 32 (a); Areia utilizada no experimento (b); Tecido de juta na forma como é comercializado (c). MÉTODOS O corte das fibras de juta ocorreu de forma manual, onde a precisão métrica e uniformidade foram obtidas com o uso de papel milimetrado. Para este trabalho foram estabelecidos comprimentos de fibras iguais a 15 e 25mm. Os moldes para vazamento e conformação das amostras foram fabricados em madeira, com encaixes fixados por parafusos. Para que não houvesse perda de umidade durante a etapa de fabricação, os moldes foram cobertos com filme PVC. A geometria dos corpos de prova apresentam comprimento, largura e espessura iguais a 300, 100 e 25mm, respectivamente (7), como mostra a Fig. 02, apresentando uma imagem do molde utilizado e um corpo de prova pronto. Fig Molde utilizado (a); Corpo de prova pronto (b). 2847

4 A proporção cimento:areia adotada na fabricação corresponde a 1:2 (8). A quantidade de água utilizada na composição da mistura foi equivalente a 50% do peso adotado na porção de cimento (9). A fração mássica de fibras corresponde 1,27% (para fibras de juta de 25mm) e 1,42% (para fibras de juta de 15mm) em relação ao peso obtido na mistura cimento/areia/água. As porcentagens foram obtidas por meio de experimentos, sendo consideradas as frações mássicas máximas incorporadas pela matriz de acordo com cada comprimento. A mistura foi obtida manualmente (10), onde as porções de cimento e areia foram misturadas por aproximadamente 2min, havendo em seguida a adição de água, misturada por mais 1min e 30seg. Após a homogeneização da mistura, foram adicionadas as fibras, misturadas por mais 2min. Após a finalização das etapas de mistura, a argamassa em estado pastoso foi despejada nos moldes para conformação. Para garantir o bom adensamento do material e evitar a formação de bolhas internas, as amostras foram submetidas a estado de vibração por aproximadamente 1min. Em seguida, foram colocadas em câmara úmida pelo período de 24h e de lá, após desmontagem, partiram para 28 dias de cura imersos em água potável. Os ensaios de flexão foram realizados em maquina AROTEC WDW-100E com velocidade igual a 0,5mm/min, tendo sido admitido vão entre apoios L=240mm. Através dos dados obtidos foi possível determinar a Módulo de Ruptura (σ) e o Módulo de Elasticidade (E), conforme as Eq. (A) e (B) respectivamente. (A) (B) Sendo P a carga máxima, L o vão entre apoios, b e h a largura e espessura do corpo de prova e m a inclinação do trecho linear da curva carga-deflexão. RESULTADOS E DISCUSSÃO As amostras fabricadas com matriz pura apresentaram melhor tensão máxima em flexão (σ = 5,86 MPa) em relação a amostras com reforço de fibras de juta que, mesmo com a variação no comprimento de fibras e na fração mássica, tiveram 2848

5 Carga (kn) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais resultados bastante aproximados. Embora as amostras reforçadas com as fibras tenham obtido menores resultados em resistência, apresentaram melhor desempenho quanto a deflexão, igual a 0,33mm para ambos os grupos de amostras reforçadas. A Tab. 01 mostra as propriedades mecânicas obtidas através dos ensaios de flexão em três pontos. Tipo do Corpo de Prova Matriz Pura Reforçado c/ Juta Reforçado c/ Juta Tab Propriedades mecânicas obtidas através dos ensaios de flexão em três pontos. Comprimento da Fibras (mm) Fração Mássica (%) , ,27 Carga Máxima (kn) 1,02 (±0,23) 0,85 (±0,10) 0,83 (±0,08) Mod. de Ruptura (MPa) 5,86 (±1,31) 4,88 (±0,60) 4,77 (±0,44) Deflexão (mm) 0,29 (±0,05) 0,33 (±0,06) 0,33 (±0,05) Mod. de Elasticidade (MPa) 9058,56 (±2029,16) 7550,29 (±980,71) 7378,74 (±688,40) As curvas carga versus deflexão confirmam o melhor desempenho quanto a resistência das amostras de matriz pura em relação às reforçadas com fibras de juta e apresentam o comportamento pós-fissuração destas, como ilustra a Fig ,0 0,9 0,8 Matriz Pura Reforçado c/ Juta 15mm Reforçado c/ Juta 25mm 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Deflexao (mm) Fig Comportamento das curvas carga versus deflexão para as amostras de matriz pura e reforçadas com fibras de piaçava de 15 e 25mm. Em relação às amostra de matriz pura, houve uma redução em resistência de 17% para as reforçadas com fibras de juta 15mm (fração mássica = 1,42%) e 19% para as reforçadas com fibras de juta 25mm (fração mássica = 1,27%), aproximadamente. Entre elas a diferença foi entorno de apenas 3%. A inclusão das 2849

6 fibras na matriz cimentícia age como iniciadores de falhas, fazendo com que ocorra a redução do limite de resistência, a iniciação das falhas ocorre devido ao efeito de da conseqüência de aparecimento de concentradores de tensões, principalmente nas extremidades das fibras. Porém o ganho de deflexão pode ser compensador devido a inexistência de fratura brusca ao material. CONCLUSÕES O método utilizado na fabricação dos corpos de prova mostrou-se eficaz, uma vez que não foram detectadas a presença de fissuras ou defeitos significativos. As amostras de matriz pura apresentaram maior resistência à carga máxima aplicada (1,02 kn) e maior módulo de ruptura (σ = 5,86 MPa), como esperado. Isto ocorre em função da característica de dureza dos materiais de matriz cerâmica, que apresentam também forte tendência a fratura frágil. Nas amostras reforçadas com fibras, a variação no comprimento e na fração mássica não mostrou significativas diferenças nos resultados de propriedades mecânicas, de modo que a as curvas carga versus deflexão para estes materiais se apresentam de forma bastante similar. Isso pode ser justificado em função de ambos os grupos de amostras reforçadas com fibras apresentarem condições de máximas incorporação pela matriz (saturação), de acordo com cada comprimento Em comparação com as amostras de matriz pura, as reforçadas com fibras obtiveram um acréscimo de aproximadamente 19% nos resultados de deflexão e um comportamento pós-fissuração, que demonstra as características de ductilidade adquiridas pelo material em função do reforço. REFERÊNCIAS 1. SAVASTANO Jr. H. Materiais a base de cimento reforçados com fibra vegetal: reciclagem de resíduos para a construção de baixo custo. Tese (Livre Docência). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. São Paulo, AGOPYAN, V.; SAVASTANO, JR H.; JOHN, V. M.; CINCOTTO, M.A. - Developments on vegetable fibre-ciment based materials in São Paulo, Brazil: an overview. Cement & Concrete Composites 27 (2005)

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8 CHARACTERIZATION MECHANICS OF CEMENTITIOUS MATRIX COMPOSITE REINFORCED WITH JUTA FIBERS ABSTRACT The availability of natural resources and their potential for renewal of plant fibers make an excellent choice for the manufacture of composites with the aim of reducing costs and minimizing environmental impacts. This study evaluates the mechanical characteristic of the composite material consisting of potland cement matrix reinforced with jute fibers with lengths of 15mm and 25mm. Used in manufacturing the ratio of cement:sand:water of 1:2:0.5. The mass fraction of the fiber corresponded to 1.42% (for specimens with 15mm fibers) and 1.27% (for specimens with 25mm fiber) in relation to the mass of the mixture: cement, sand and water. After manufacturing the specimens were subjected to 28 days in a state of immersion in clean water. Were conducted tree point bending tests, and the results demonstrated loss of strength at 17% (fiber-reinforced samples 15mm %) and 19% (fiberreinforced samples 25mm %) compared to pure matrix specimens. Key-words: Bending test, composite materials, ceramics, natural fibers. 2852