Desempenho de Argamassas de Revestimentos com Incorporação de Fibras de Plásticos Reciclados

Transcrição

1 Desempenho de Argamassas de Revestimentos com Incorporação de Fibras de Plásticos Reciclados Luiz A. P. Oliveira DECA - UBI Portugal luiz.oliveira@ubi.pt Paula C. P. Alves DECA - UBI Portugal paulacpalves@sapo.pt Sérgio M. M. Dias DECA - UBI Portugal sergiommdias@sapo.pt Resumo: O artigo apresenta os resultados de um estudo experimental desenvolvido com uma argamassa mista típica de revestimento, na qual se adiciona fibras obtidas da reciclagem de embalagens de polietileno tereftalato (PET) com o objectivo de obter um material de reforço alternativo e eco-eficiente. Os resultados indicam que a adição das fibras, produtos de reciclagem, melhoram significativamente a resistência à flexão das argamassas com uma melhoria importante da tenacidade das mesmas. Indicam, também, um volume óptimo de fibras PET de 1,5% compatível com a trabalhabilidade desejada as argamassas de revestimento Palavras chave: argamassa de revestimento, fibras PET, resistência à flexão, tenacidade. 1. INTRODUÇÃO A incorporação de fibras, sobretudo as sintéticas, em matrizes cimentícias tem sido uma alternativa para a melhoria de desempenho quanto ao controlo de fissuração por retracção plástica. As fissuras de retracção plástica são largamente evidentes em revestimentos de grandes espessuras e de grandes áreas de exposição. No caso de argamassas, é de grande importância obter-se um elevado desempenho das mesmas em algumas aplicações, evitando-se assim a degradação do material. Sabe-se que o desenvolvimento de fissuras de retracção plástica leva o material a uma rápida deterioração sobretudo quando as superfícies estão expostas ao efeito de molhagem e secagem ou de gelo-degelo [1,2]. Das fibras sintéticas, as mais comummente usadas são as fibras de polipropileno [3-5] e as de nylon [6]. O baixo módulo de elasticidade das fibras sintéticas é suficiente para conferir elevado desempenho às argamassas, na medida em que a incorporação destas fibras podem inibir a propagação das fissuras [7]. São vários os investigadores [1,2,4,8] que atestam a apreciável redução da retracção plástica e da consequente fissuração dos

2 materiais à base de cimento. Isto deve-se ao facto das fibras durante a mistura serem uniformemente distribuídas em todas as direcções. Nas argamassas frescas, as fibras uniformemente distribuídas agem reforçando as argamassas contra a formação de fissuras devido á retracção plástica. Nas argamassas endurecidas, a distribuição uniforme das fibras inibem a transformação de microfissuras em macrofissuras evitando assim um potencial de problemas mais graves. As fibras com o seu efeito de ponte mantêm estáveis as macrofissuras. A avaliação da eficiência das fibras em reduzir a retracção plástica e por conseguinte as fissuras, tem sido realizada através de ensaios de retracção livre e de retracção restringida. É necessário salientar que a redução da retracção livre não é necessariamente indicadora da redução global da tendência de fissuração. Nos compósitos endurecidos a sensibilidade à fissuração é função das deformações devido á retracção e da melhoria da tenacidade devido á incorporação das fibras [9]. A tenacidade, que é entendida como a capacidade de absorver energia, é de grande importância quando em serviço os compósitos estão submetidos às acções estáticas, dinâmicas e de fadiga. Nesse sentido, este artigo, apresenta um estudo experimental que avalia o desempenho de fibras poliméricas obtidas através da reciclagem de embalagens de polietileno tereftalato (PET) com o objectivo de obter um material de reforço alternativo e eco-eficiente. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Tendo em vista a avaliação da capacidade de reforço das fibras de PET o estudo experimental foi desenvolvido com uma argamassa típica de revestimento no traço (em volume) 1:1:6 ou seja uma argamassa mista de cimento : cal hidratada : areia do Tejo. Para efeitos de comparação das ordens de grandeza, foi tomada como referência uma argamassa de cimento e areia de traço 1:3. A argamassa mista recebeu diferentes adições de fibras, a saber 0 %, 0,5%, 1,0% e 1,5%. 2.1 Materiais Para compor as argamassas utilizou-se um cimento Portland do tipo II classe 32,5, uma cal hidratada adquirida no comércio local e areia do Tejo com as seguintes características: dimensão máxima 4,76mm e módulo de finura 2,97 e massa volúmica 2450 kg/m 3. As fibras foram obtidas a partir do corte mecânico de recipientes plásticos de PET, apresentadas na figura 1, mantendo-se uma espessura de aproximadamente 2mm e um comprimento de aproximadamente 35mm. Figura 1 Fibras de reciclagem de recipientes plásticos de PET

3 A esbelteza das fibras (λ), calculada pela expressão (1), é igual a 31. λ = l de l l = = = A b c π π 35 = ,5 π (1) Onde: l = comprimento da fibra (mm), d e = diâmetro equivalente (mm), A = área da secção transversal da fibra (mm 2 ), b e c = arestas da fibra (mm). 2.2 Métodos Determinação das propriedades físicas e mecânicas Para cada argamassa foram moldados 6 corpos-de-prova prismáticos de 4 x 4 x 16 cm, com os quais foram determinados as massas volúmicas na idade de 28 dias segundo a norma EN [10] e o coeficiente de absorção de água por capilaridade da argamassa endurecida, segundo a norma EN [11], nas idades de 7, 28 e 63 dias. As propriedades mecânicas das argamassas endurecidas foram determinadas através de ensaios de resistência à compressão e de resistência à flexão, realizados de acordo com a norma EN [12]. Estes ensaios foram realizados nas idades de 7, 28 e 63 dias. Para uma melhor avaliação do desempenho das fibras na pós fissuração, durante o ensaio de flexão, mediram-se as cargas em função do incremento de deformações, ensaio este realizado em uma máquina Zwick 1435, através deste ensaio pode-se avaliar a tenacidade das argamassas Determinação da tenacidade Na ausência de uma norma específica para argamassas, a contribuição das fibras de PET na tenacidade das mesmas foi avaliada segundo a norma para betão ASTM C 1018 [13]. Assim os índices de tenacidade, obtidos por esta norma, correspondem à divisão do valor obtido para a área abaixo da curva de carga - flecha até um determinado nível de flecha, pela área abaixo da mesma curva até ao ponto de aparecimento da primeira fissura, correlacionada ao trecho elástico. Os pontos de delimitação das áreas são definidos como múltiplos da deformação obtida até ao surgimento da primeira fissura (δ), conforme o apresentado na figura 2. O índice I 5 corresponde à relação entre a área OACD e a área OAB, sendo que o ponto D corresponde a uma flecha equivalente a três vezes a deformação da primeira fissura (δ). O índice I 10 corresponde à relação entre a área OAEF e a área OAB, sendo que o ponto F equivale a uma flecha 5,5 x δ. Finalmente, o índice I 30 corresponde à relação entre a área OAGH e a área OAB, sendo que o ponto H corresponde à flecha de 15,5 x δ. A norma ASTM C 1018 recomenda que o ponto final da flecha e o respectivo índice sejam seleccionados de modo a reflectir o nível de fissuração e flecha requeridas em serviço.

4 Carga A C E G O δ B D F H Deslocamento 3δ 5,5δ 15.5δ Figura 2 Curva carga - deslocamento da norma ASTM C 1018 tomando como referência o material elasto-plástico ideal. A obtenção de valores de índices de tenacidade da ordem de 5 para o I 5, e 10 para o I 10, e assim sucessivamente, indicam que o compósito possui comportamento elasto-plástico perfeito. São valores adimensionais e fornecem uma referência da proximidade do comportamento do material em relação ao referido comportamento elasto-plástico ideal. Estes índices têm como vantagem o facto de apresentar uma avaliação do comportamento do conjunto fibra/matriz (compósito). A partir dos resultados obtidos para os índices de tenacidade (I 5, I 10, I 20, I 30 ) é possível determinar as relações de tenacidade conforme o apresentado pela norma ASTM C1018, conforme a equação (2). Os valores da relação de tenacidade representam, aproximadamente, a relação percentual entre a capacidade portante na faixa de flecha compreendida pelos deslocamentos dos índices I b e I a, em relação àquela correspondente ao aparecimento da primeira fissura. Assim, por exemplo, um material elasto-plástico perfeito, apresentará sempre relações de tenacidade da ordem de Ra, b = ( Ib I a ) (2) b a Onde, R a,b = relação de tenacidade entre os índices com referência "a" e "b". I a e I b = índices de tenacidade com referência "a" e "b".

5 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Massa volúmica Os resultados da massa volúmica das argamassas mistas, apresentados na figura 3, demonstram que a adição de fibras provocam uma pequena diminuição da massa volúmica, diminuição esta que não ultrapassa 5% mesmo para volume de fibras de 1,5%. Considerando que a massa volúmica do PET é da ordem de 1450 kg/m 3 conclui-se que a adição das fibras de PET não alteram significativamente a massa volúmica da argamassa endurecida. Massa Volúmica (kg/m 3 ) ,5 1 1,5 Volume de fibras (%) Figura 3 - Massa volúmica das argamassas mistas 1 : 1: 6 em função do volume de fibras 3.2 Absorção de água por capilaridade Constata-se na figura 4 que para a argamassa sem fibras o coeficiente de absorção de água por capilaridade diminui em função do aumento da idade, o mesmo pode-se afirmar para a argamassa com 0,5% de fibras. Para teores de fibras mais importantes a perturbação das fibras no processo de medida é notório. A norma de ensaio EN prescreve que a face de contacto com a lâmina de água deve ser a face de rotura dos dois segmentos resultantes do corpo-de-prova, após o ensaio de flexão. Deste modo, no caso das argamassas com fibras, estas sofrem na região de fractura um arrancamento que altera sobremaneira as adjacências desse plano. Sendo esta a causa que imaginamos para a aleatoriedade dos resultados, propõe-se para uma maior fidelidade do ensaio que o mesmo deva ser realizado com as faces menores (aresta de 4 cm) em contacto com as paredes do molde ou com uma face obtida por corte mecânico.

6 Coeficiente de capilaridad [kg/(m2*min0,5)] 1,20E-03 1,00E-03 8,00E-04 6,00E-04 4,00E-04 2,00E-04 0,00E+00 7 dias 28 dias 63 dias Idade (em dias) 1:3 (0%) 1:1:6 (0%) 1:1:6 (0,5%) 1:1:6 (1%) 1:1:6 (1,5%) Figura 4 - Coeficiente de capilaridade das argamassas em função da idade 3.3 Resistência à compressão A tabela 1 apresenta os resultados de resistência à compressão. Constata-se que a adição de fibras não modifica significativamente a grandeza das resistências à compressão da argamassa mista. Como se esperava, a resistência à compressão aumenta da ordem de 75% aos 28 dias para a argamassa mista sem fibras. As argamassas com fibras ficaram sujeitas ao carácter aleatório do efeito das fibras tendo acréscimos da ordem de 50% para as misturas com volumes de fibras de 1,0% e 1,5%. De 28 dias de idade para 63 dias não se verificou modificações que se possa afirmar advir da influência das fibras. Lembra-se aqui que a norma EN prescreve que após os 5 dias de cura em câmara húmida, os corpos-de-prova devem ser colocados no ambiente do laboratório. A figura 5 apresenta o modo típico de rotura à compressão obtido com os corpos-de-prova das argamassas. Tabela 1 Resistência à compressão das argamassas Resistência à compressão Argamassa 7dias 28dias 63dias Volume Traço de Média Desvio Média Desvio Média Desvio fibras [N/mm 2 ] padrão [N/mm 2 ] padrão [N/mm 2 ] padrão [%] 1:3 0,0 13,72 1,19 16,31 0,52 15,38 0,66 1:1:6 0,0 3,27 0,40 5,69 0,54 4,84 0,24 1:1:6 0,5 5,19 0,49 4,92 0,46 6,39 0,52 1:1:6 1,0 3,64 0,66 5,44 0,41 5,48 0,53 1:1:6 1,5 3,84 0,34 5,80 0,38 5,69 0,57

7 Figura 5 Corpos-de-prova após ensaio de compressão com rotura típica 3.4 Resistência à flexão A tabela 2 apresenta os resultados de resistência à flexão obtidos para a argamassa de referência 1:3 e para as argamassas de revestimento da série 1: 1: 6. A figura 6 mostra um corpo-de-prova típico no início do ensaio de flexão. Tabela 2 Resistência à flexão das argamassas Resistência à Flexão Argamassa 7dias 28dias 63dias Volume Traço de Média Desvio Média Desvio Média Desvio fibras [N/mm 2 ] padrão [N/mm 2 ] padrão [N/mm 2 ] padrão [%] 1:3 0,0 1,89 0,00 2,55 0,33 4,52 0,48 1:1:6 0,0 0,80 0,00 1,03 0,00 1,83 0,17 1:1:6 0,5 1,63 0, ,00 2,05 0,15 1:1:6 1,0 1,31 0,00 1,23 0,34 1,73 0,07 1:1:6 1,5 1,56 0,14 1,37 0,05 2,70 0,47 Figura 6 Ensaio de flexão em equipamento com controlo de deslocamento (Zwick 1435)

8 Constata-se que a adição de fibras na argamassa mista de referência aumenta a resistência à flexão da ordem de 100% aos 7 dias de idade, 30 % aos 28 dias e da ordem de 50% aos 63 dias. Verifica-se que não houve evolução da resistência à flexão de 7 a 28 dias de idade e que o incremento da resistência é mais significativo aos 63 dias, onde a resistência da matriz que incorpora as fibras ou seja a argamassa 1:1:6 sem fibras atinge nessa idade mais do dobro da resistência à flexão obtida aos 7 dias. Constata-se também que o volume de fibras de 1,5% é o volume óptimo para o melhor desempenho da argamassa. Para as misturas realizadas, o volume de 1,5% de fibras foi o máximo possível condizente com a trabalhabilidade desejada. 3.5 Tenacidade Pelos resultados dos coeficientes de tenacidade apresentados na tabela 3 pode-se concluir que o volume crítico de fibras é da ordem de 1,0%, o volume crítico corresponde as relações de tenacidade próximas de 100, o que caracteriza um comportamento elastoplástico. Os valores das relações de tenacidade obtidas para as argamassas mistas com 1,5% de fibras apontam, em todas as idades, para uma situação óptima da presença de fibras conferindo à argamassa um carácter de reforço com grande capacidade de absorção de energia, sobretudo para as idades de 7 e 63 dias. A figura 7 apresenta a relação carga flecha das argamassas 1:1:6 sem adição de fibras nas diferentes idades, onde se pode verificar que a resistência à flexão cresce em função da idade. As figuras 8 e 9 apresentam as relações carga flecha das argamassas 1:1:6 com adição de fibras aos 28 e 63 dias de idade, respectivamente. Essas constatações são indicadoras do bom desempenho das fibras obtidas pela reciclagem de embalagens de PET e avalizam a importância de estudos mais aprofundados que possam estabelecer uma comparação de desempenho com outras fibras sintéticas disponíveis no mercado. Tabela 3 Coeficientes de Tenacidade das argamassas mistas com fibras Relações de Tenacidade Argamassa Volume 7dias 28dias 63dias Traço de fibras [%] R 5,10 R 10,30 R 5,10 R 10,30 R 5,10 R 10,30 1:1:6 0, , :1:6 1,0 104,15 91,94 86, , :1:6 1,5 136,13 128,17 99,14 103,43 129,59 120,67

9 F[N] dias 28 dias 7 dias 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 L[mm] Figura 7 - Relação carga flecha das argamassas 1:1:6 sem adição de fibras nas diferentes idades F[N] :1:6 (1.5%fibras) 1:1:6 (1%fibras) L[mm] Figura 8 - Relação carga flecha das argamassas 1:1:6 com adição de fibras aos 28 dias de idade

10 F[N] :1:6 (0.5%fibras) 1:1:6 (1%fibras) 1:1:6 (1.5%fibras) L[mm] Figura 9 - Relação carga flecha ao meio vão das argamassas com fibras PET aos 63 dias de idade. 4. CONCLUSÃO As principais conclusões que advêm deste trabalho e que se limitam aos materiais aqui estudados são: a) a massa volúmica da argamassa endurecida não é significativamente alterada pela adição de fibras PET nos volumes e dimensões experimentadas; b) a determinação da absorção de água por capilaridade prescrita pela norma EN não se adequa perfeitamente ao caso das argamassas com fibras, como as estudadas neste trabalho, tendo em vista que o arrancamento das fibras durante o ensaio compromete a estrutura adjacente às faces de fractura dos corpos-deprova; c) a adição de fibras não modifica significativamente a grandeza das resistências à compressão da argamassa mista; d) a adição de fibras na argamassa mista de referência aumenta a resistência à flexão da ordem de 100% aos 7 dias de idade, 30 % aos 28 dias e da ordem de 50% aos 63 dias. O volume de fibras de PET de 1,5% é o volume óptimo para o melhor desempenho da argamassa mista; e) e os valores das relações de tenacidade obtidas para as argamassas mistas com 1,5% de fibras apontam, em todas as idades, para uma situação óptima da presença de fibras conferindo à argamassa um carácter de reforço com grande capacidade de absorção de energia, sobretudo para as idades de 7 e 63 dias. Essas constatações são indicadoras do bom desempenho das fibras e viabilizam em parte a reciclagem de embalagens de PET.

11 5. REFERÊNCIAS [1] Sarigaphuti M, Shah SP, Vinson K., Shrinkage cracking and durability characteristics of cellulose fibre reinforced concrete. ACI Mater J; 90(4); 1993, [2] Swamy RN, Stravides H. Influence of fiber reinforcement on restrained shrinkage. ACI J; 86; 1979, [3] Bayasi Z, Zeng J. Properties of polypropylene fiber reinforced concrete. ACI Mater J, 90 (6), 1993, [4] Soroushian P, Elyamany H, Tlili A, Osowari K. Mixed-mode fracture properties of concrete reinforced with low volume fraction of steel and polypropylene fibers. Cem. Concr. Compos. 20, 1998, [5] Mindess S, Vondran G. Properties of concrete reinforced with fibrillated polypropylene fibres under impact loading. Cem. Concr. Res. 18 (1), 1998, [6] Kurtz S, Balaguru P. Postcrack creep of polymeric fiber-reinforced concrete in flexure, Cem. Concr. Res. 24 (6), 1994, [7] Figueiredo AD. Concreto com fibras de aço, Boletim Técnico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, BT/PCC/260, ISSN , São Paulo, 2000, 69 p. [8] Sanjuán MA, Andrade C, Bentur A. Effect of crack control in polypropylene fibre reinforced mortars on the corrosion of steel in concrete. ACI Mater J, 94 (2); 1997; [9] Bentur A, Mindess S. Fibre reinforced cmentitious composites. UK: Elsevier Applied Science; 1990, 449 pp. [10] European Committee for Standardization. Methods of test mortar for masonry- Part 10: Determination of dry bulk density of hardened mortar. EN :1999. [11] European Committee for Standardization. Methods of test mortar for masonry- Part 18: Determination of water absorption coefficient due to capillary action of hardened mortar EN :2002 [12] European Committee for Standardization. Methods of test mortar for masonry- Part 11: Determination of flexural and compressive strength of hardened mortar EN :1999. [13] American Society for Testing and Materials. Standard test method for flexural strength toughness and first crack strength of fiber reinforced concrete. ASTM C Book of ASTM Standards, Parte ASTM Philadelphia, 2000.