FIBRAS DE CARBONO NA CONSTRUÇÃO CIVIL Nicolas Montanari¹, Erika Peterson Gonçalves, Dra.². Universidade do Vale do Paraíba UniVap / Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo - FEAU, Av. Shishima Hifume, 2911, Urbanova, São José dos Campos, SP, ¹ nicolas.montanari@yahoo.com,² erika@univap.br Resumo - Os materiais compósitos se dão pela utilização de dois, ou mais, materiais trabalhando de forma conjunta com o propósito de alcançar determinada propriedade a qual não seria possível com os mesmos isolados. A fibra de carbono com resina epóxi utilizada em reforços estruturais é um desses materiais, a grande resistência mecânica à tração e elevado módulo de elasticidade tornam a fibra de carbono adequada do ponto de vista estrutural, e com a resina epóxi atuando de modo a transferir as tensões da estrutura para serem resistidas pela fibra a caracteriza como tal. Este processo de reforço já vem se mostrando uma alternativa a métodos tradicionais, é mais rápido, simples e limpo que outros, clientes vem optando por este processo mesmo que apresente custo final mais elevado, pois quando consideradas as vantagens nele embutidas torna-se viável. Muito já se desenvolveu com a fibra de carbono no ramo da construção civil, porém ainda pode ser feito mais, descobrindo e aperfeiçoando novas técnicas construtivas compostas de materiais com fibra de carbono. Palavras-chave: Compósitos estruturais - Fibra de carbono - Reforço com fibra de carbono Área do Conhecimento: Engenharias Introdução Com o avanço da tecnologia surgiu a necessidade de materiais com variadas propriedades que, normalmente, não são encontradas em materiais convencionais. Dada esta demanda surge como solução combinar materiais distintos, como apresentado na figura 1, para que características desejadas de cada elemento seja aproveitada. Estes são denominados de híbridos e compósitos. Figura 1: Materiais híbridos. Fonte: Ashby. Segundo Fabiano Silvério, o interesse em se desenvolver materiais híbridos se deve às infinitas possibilidades de combinações de compósitos, visto que cada material clássico possui vantagens e desvantagens. Por exemplo, muitos polímeros são rígidos e leves, mas são instáveis em temperaturas altas. Cerâmicas são estáveis a altas temperaturas, porém são frágeis. Metais são resistentes e bons condutores elétricos, mas são pesados e propensos a corrosão. Assim, uma combinação adequada entre as fases constituintes de compósito é fundamental para determinar as 1
propriedades e aplicações do sistema. O maior desafio na síntese de combinações híbridas é manter ou acentuar as propriedades mais interessantes e diminuir ou eliminar as propriedades indesejadas de cada componente. Entretanto, a combinação dos materiais não caracteriza como uma somatória de suas propriedades individuais, estas dependem da natureza química e da forma como ambos interagem. Um tipo de material híbrido utilizado na construção civil são as lajes alveolares, estas são compostas por concreto armado, sendo considerado como um único componente, e também o ar, pelo fato de seus vazios. A laje tem sua resistência mecânica dada pelo concreto armado e os vazios tem por finalidade a economia de material e diminuição do peso próprio da estrutura. Quanto aos compósitos, segundo Vieira Carneiro, são materiais cuja estrutura é constituída por uma combinação de dois ou mais produtos não solúveis entre si. Um dos seus produtos é chamado de fase de reforço e outro de matriz. A matriz envolve o reforço, podendo ter em sua composição adições, tais como aditivos e materiais de enchimento (fillers), que modificam e podem melhorar suas propriedades. A matriz e a fase dispersa (reforço), ao agirem em conjunto compatibilizam de forma significativa as suas propriedades a fim de que o resultado obtido seja melhor para uma determinada aplicação do que os materiais atuando separadamente. A matriz é o corpo do material, se apresenta de forma contínua e envolve por completo o componente disperso servindo para uni-lo, dar forma ao compósito e transmitir à fase dispersa os carregamentos sujeitos à peça. A fase dispersa que pode ser na forma de partículas, lâminas, fibras, fillers e flocos, sendo os três primeiros os principais, são os elementos responsáveis a conceber resistência estrutural, sua quantidade e a geometria são fundamentais para determinar a estrutura interna do compósito. Materiais com essas propriedades são sintetizados pelo homem mas também podem ser encontrados na natureza, como por exemplo a madeira, a qual tem como matriz a lignina e a celulose como fase dispersa na forma de fibra. Em um compósito particulado a fase dispersa pode, ou não, ocorrer a nível atômico. Se entende por partícula o componente disperso que apresenta uma dimensão parecida em todas as direções e estas são imersas em uma matriz. Um material compósito particulado muito conhecido e usado na engenharia civil é o concreto. Este tem como matriz a pasta de cimento que tem como função unir e transmitir as cargas para a fase dispersa, os quais são os agregados, areia e brita. Com a fase dispersa na forma de lâminas temos um tipo de compósito que vem crescendo dentro do mercado da construção civil, fitas de fibras de carbono produzidas a partir de tecidos de carbono, e é utilizada para reforço e recuperação de estruturas. Esta é fixada nas estruturas de concreto armado através de uma resina polimérica, a qual é a matriz responsável pela transferência das tensões da estrutura para a fase dispersa, no caso as lâminas de carbono. O fator determinante, neste caso, para a eficiência do compósito é a interação entre os dois componentes para que não haja falha e perda da funcionalidade. Caracteriza-se como fibras quando há uma elevada relação entre o comprimento e o diâmetro chamada razão de aspecto, sendo assim, este tipo de compósito também apresenta uma maior razão área superficial/volume, com isso tem uma maior resistência a solicitações se comparado as lâminas e partículas. Um exemplo de compósito fibroso são as fibras de aramida, utilizadas na confecção de coletes à prova de balas. Embora parecidos por terem o mesmo conceito de combinarem diferentes materiais para obtenção de um novo, o qual combine as propriedades desejadas de ambos. Os híbridos e compósitos tem diferenças entre si. Como os compósitos estão diretamente ligados a transferência de cargas da matriz para a fase dispersa, caso que não ocorre entre todos os híbridos. Um dos materiais de vanguarda na aplicação em compósitos estruturais é a fibra de carbono, mesmo que a primeira patente registrada de fibras de carbono é com data de 1880. Esta foi depositada por Thomas Edison, quando obteve fibras de carbono para manufatura de filamentos carbonosos para a lâmpada elétrica. Entretanto somente na década de 60 que, principalmente a industria aeroespacial, se voltou para o material visando a produção comercial de estruturas de baixo peso e elevada resistência. A produção das fibras de carbono se dá através da pirólise de precursores orgânicos. Segundo Levy Neto, o processo de pirólise consiste basicamente no tratamento térmico do precursor que remove oxigênio, nitrogênio e hidrogênio dando origem as fibras de carbono. Todas as pesquisas direcionadas a obtenção de fibras de carbono estabelecem que as propriedades mecânicas são melhoradas pelo aumento da cristalinidade e orientação, e pela redução dos defeitos na fibra. O único meio de se alcançar esse objetivo é partir de um precursor altamente orientado e manter essa alta 2
orientação inicial durante o processo de estabilização e carbonização sob estiramento. Como em qualquer outro processo de obtenção de fibras, as propriedades finais serão influenciadas pelas matérias-primas, pelo processo de produção e pelas condições utilizadas para formação da fibra precursora Existem diversos métodos de se obter as fibras precursoras e utilizá-las. Esses diferentes métodos geram diferentes características no produto final. Quanto ao tipo de precursor os mais comuns são a poliacrilonitrila (PAN), a fibra de celulose (rayon, algodão) e piche oriundo de petróleo. Considerando a resistência a tração, a qual as fibras são conhecidas por resistir melhor a este esforço, se tem dois tipos: (a) Ultra-alta resistência (UHS): com resistência a tração maior que 5 GPa e (b) Alta resistência (HS): com resistência a tração maior que 2,5 GPa. Em relação ao módulo de elasticidade são classificadas em quatro grupos: (a) Ultra-alto módulo (UHM): com o módulo de elasticidade maior que 500 GPa, (b) Alto módulo (HM): com módulo de elasticidade entre 300-500 GPa, (c) Módulo intermediário (IM): com módulo de elasticidade até 300 GPa e (d) Baixo módulo (LM): com módulo de elasticidade menor que 100 GPa. A temperatura de tratamento térmico é fundamental para obtenção das propriedades desejadas, se classifica de três formas: (a) Tipo I: temperaturas acima de 2000 C, sendo associada a fibras de alto módulo de elasticidade, (b) Tipo II: temperaturas entorno de 1500 C, sendo associada a fibras de alta resistência e (c) Tipo III: temperaturas abaixo de 1000 C, sendo associada a fibras de baixo módulo e baixa resistência. Dentre as três formas mais comuns de precursor para obtenção de fibra de carbono a mais utilizada é por meio das fibras de poliacrilonitrila (PAN), segundo Levy Neto, a poliacrilonitrila é um polímero atático, linear que contém grupos nitrila altamente polares atrelados a estrutura principal de carbonos A fim de utilizar fibras PAN para conseguir as fibras de carbono, há dois processos, a seco e úmido. Para os processos há três estágios, a estabilidade térmica da fibra fica por volta de 115 C e com o acréscimo de calor se chega a estabilização oxidativa que esta na faixa de 200-300 C. Com a incorporação de oxigênio a fibra é conhecida como PANox. Após, o material está preparado para resistir a tratamentos térmicos sob atmosfera inerte, esta é denominada carbonização, a qual se determina as características da fibra e com a retirada de outras substâncias tendo, praticamente, somente carbono. Este material vem sendo amplamente utilizado na indústria automobilística, aeronáutica e naval. Já na engenharia civil, está ingressando de forma mais lenta, tendo seu mercado alvo as grandes obras. A principal aplicação está nas ampliações de grandes estruturas pré-existentes e adaptação de pontes ou viadutos. As demandas em ascensão são nas estruturas com arquitetura diferenciada devido ao fato do reforço poder ser embutido nos perfis da estrutura de concreto sem gerar muito impacto. Seu uso também é adequado nas grandes industrias que necessitam de reformas rápidas e limpas para não interferir na produção e assim mantendo o custo agregado da obra reduzido. O objetivo deste trabalho é demonstrar as caracteristicas da fibra de carbono quanto a um elemento estrutural, suas aplicações atualmente na construção civil e a possibilidade de mercados futuros. Metodologia Realizou-se uma revisão bibliográfica sistemática, coletou-se, estudou-se, analisou-se e sintetizou-se os resultados utilizando como ferramenta de avaliação os conceitos de engenharia com intuito de promover embasamento teórico para trabalhos posteriores. Resultados e Discussões A humanidade tem por necessidade edificar, desde de seu início com pequenos abrigos de materiais e métodos simples, até nos dias de hoje com edificações cada vez maiores e mais altas. Para tal foi preciso aperfeiçoamento dos materiais e seus processos de construção, a primeira civilização a trabalhar com um tipo de material aglomerante hidráulico junto com brita e areia foram os romanos, e com isso puderam expandir suas possibilidades construtivas fazendo estruturas de novas formas, maiores e mais resistentes, algumas permanecem até os dias de hoje. Porém este material 3
aglomerante ganhou notoriedade no mercado após a patente do cimento Portland, e este trabalhando de forma conjunta com o aço, deu origem ao concreto armado. A sua utilização na segunda guerra mundial, alavancou as construções e mesmo após ela continuou a crescer. Contudo, estas estruturas projetadas de forma adequada a sua época sofreram dificuldades com o passar do tempo por causa das mudanças que ocorreram no mundo, como exemplo, pontes que eram projetadas para suportar cargas leves de pequenos veículos, com o crescimento das cidades em seu entorno precisaria receber cargas de caminhões pesados. O problema quanto a esse tipo de construção é que devido a mudança de funcionalidade o reajuste da capacidade portante nas estruturas é complicado, podendo às vezes ser mais viável a construção de uma nova edificação. Existem, já em aplicação, algumas soluções para acréscimo de carga mantendo a antiga estrutura, tais como; aumento da seção transversal, com esta solução a capacidade portante é aumentada, mas esse processo muitas vezes não é viável devido ao tempo e o espaço para tal acréscimo não ser suficiente, além da necessidade de uma execução perfeita que resulte em uma boa aderência com a estrutura antiga de maneira que possa receber de forma correta as solicitações. Protensão externa, que se resume na utilização de cabos protendidos na parte externa das estruturas com intuito de acrescer uma carga considerável, é um processo rápido, simples e de fácil inspeção. Contudo, muito sujeito a ambientes agressivos, corrosão, ação do fogo e atos de vandalismo. Chapas de aço coladas com resina epóxi, neste método as chapas metálicas ficam na parte inferior da estrutura, visto que esta região está sujeita a tensões trativas que não são muito bem recebidas pelo material cimentício, no caso de lajes e vigas, resistindo aos esforços de tração gerado pela flexão, atuando como uma segunda armadura. Este é um processo que se mostrou bastante eficiente em atender a sua função devido ao aspecto econômico e simplicidade, porém o que causa dificuldade é a aplicação de chapas com grandes dimensões com elevado peso próprio do aço, fazendo necessário escoramentos até a fixação com a resina. Outro fator se tratando de aço, mesmo aqueles que apresentam baixa porcentagem de carbono, está muito sujeito a corrosão, requerendo manutenção periódica. Alavancado por pesquisas buscando novas tecnologias e soluções mais efetivas, a fibra de carbono surgiu como um excelente elemento estrutural, primeiramente na industria aeroespacial, automobilística e naval, porém já introduzida na área de construção civil. Visando o mercado de reforço e recuperação de estruturas de concreto armado, que tem por objetivo estender a vida útil de estruturas. A fibra de carbono se mostra um material capaz de substituir métodos tradicionais, traçando um comparativo com o aço, que é o principal elemento de reforço de estruturas, a fibra de carbono possui um baixo peso específico característica que reduz o peso próprio do reforço, uma resistência mecânica superior mesmo com a aplicação de menor quantidade de material, é capaz de suportar de melhor forma a ambientes agressivos e atender a geometrias alternativas das peças. O que se comprovou-se com este estudo é que a fibra de carbono é atrativa do ponto de vista estrutural, devido ao fato de apresentar os átomos de carbono perfeitamente alinhados ao longo da fibra conferindo grande resistência mecânica em tração, além de possuir um baixo valor de peso específico, variando de 1,6 a 1,9 g/cm³, cerca de cinco vezes menor que o aço estrutural, que está na faixa de 7,85 g/cm³. Além deste fato, as fibras de carbono apresentam melhor estabilidade dimensional, visto que as fibras com caráter estrutural (com exceção das fibras de baixo módulo) possuem os módulos de elasticidade superiores quando comparados ao aço, ainda em comparação com este metal de aplicação estrutural, as fibras de carbono possuem resistência à corrosão superior, visto ao caráter de ligações químicas nas fibras encontradas. Devido a estes e outros fatores as fibras de carbono podem ser aplicadas no setor da construção civil, sendo agora utilizada principalmente como reforço de estruturas de concreto armado já existentes, esta necessidade se dá através de diversas situações, erro de projeto, material inadequado, falha na execução da obra e degradação da estrutura devido ao tempo ou influências externas agressivas, fazem com que se recupere a capacidade portante perdida. Outra situação que também demandaria deste reforço são os casos de alteração na funcionalidade da estrutura, necessitando de melhoria na resistência mecânica para atender à nova função. Com isso a fibra de carbono tem ingressado cada vez mais no mercado da construção civil, além do preço do material estar menor se comparado quando ele chegou ao mercado nacional, os clientes têm analisado soluções alternativas para seus problemas e descobrindo na fibra de carbono um meio viável. Dentre os principais mercados já consolidados estão; a recuperação de estruturas de concreto armado: em casos de falhas, seja projeto, material ou execução, e já pronta a estrutura, 4
muitas vezes não é viável a demolição da estrutura para reconstrução, ocorrendo normalmente em edifícios multipavimentos. Com estruturas desgastadas por causa tempo ou pelo ambiente externo, como em estádios/ginásios poliesportivos, a fibra de carbono recupera a capacidade portante e preserva a integridade da estrutura posteriormente. Ainda pode ser utilizada na adaptação estrutural de shoppings, industrias e pontes, para este serviço comumente precisa-se que o processo de reforço tenha baixa interferência e seja executado no menor espaço de tempo, seja por ter de ser executada em horário alternativo, para que alas de shoppings não precisem ser interditadas para obras, liberação de tráfego evitando acúmulo de veículos na estrada ou desvios, e também para não paralisar por muito tempo o processo produtivo de uma indústria, podendo ainda ser executado de modo que não necessite de paralisação em nenhum momento. Estes clientes tendem a considerar o valor agregado do serviço, ou seja, não somente o custo de material e mão de obra para a execução, mas também o quanto este processo causa de perda a empresa, assim justificando a escolha do reforço com fibra de carbono. A estética diferenciada proveniente dos projetos arquitetônicos cada vez mais arrojados pode ser obtida com maior facilidade devido ao uso da fibra de carbono causar pouca ou nenhuma influência quanto a arquitetura da edificação, como por exemplo a redução na altura de uma viga para atender requisitos do cliente, mas mantendo a sua capacidade de carga, torna viável este procedimento. O procedimento de aplicação das fibras de carbono como reforço tem início com a recuperação do substrato de concreto, se necessário, pois o mesmo precisa estar integro e que disponha de suficiente resistência mecânica para as futuras cargas serem transferidas para o sistema de reforço. Outra eventual recuperação e substituição são das barras de aço oxidadas e com a remoção das camadas de concreto afetadas, e para evitar patologias posteriores na armadura de aço, o tratamento das trincas e fissuras é preciso para não permitir a penetração da umidade na estrutura. Outra parte crítica e fundamental para que o sistema de reforço trabalhe de forma efetiva é a preparação da superfície de concreto. Para os casos de reforço ser necessário em vigas e lajes, essas sujeitas a esforços de flexão e cisalhamento, aspecto determinante para a eficiência do sistema é a condição crítica de colagem, por meio desta condição os esforços das estruturas são transferidos para ser resistido pelo reforço. Em casos de pilares, que são sujeitos a esforços de compressão, outra condição determinante é o contato íntimo entre os elementos (reforço e pilar). Essa preparação tem por objetivo retirar qualquer material que impeça a perfeita transferência das cargas, podendo ser óleos, graxas, poeira, partículas sólidas não aderidas, recobrimentos de argamassas, pinturas e qualquer coisa do gênero. Os meios de execução podem ser através de abrasivos, jatos de areia ou limalha metálica, e com isso deixando a superfície do concreto preparada para receber o reforço de fibra de carbono. Em casos de recobrimento de reforço sobrepor uma superfície lateral da estrutura, o arredondamento da peça é necessário para evitar o acúmulo de tensões e uma possível ocorrência de vazios. Com os procedimentos de recuperação terminados, se começa a aplicação da fibra de carbono obedecendo certas etapas. Primeiramente é realizada a aplicação do imprimador e do regularizador, este imprimador penetra nos poros de concreto para que juntamente com a película promova a adesão à superfície, seja estabelecida uma ponte de ligação ao qual o sistema será instalado, e o regularizador tem por objetivo garantir uma superfície desempenada e contínua. Com o término destas etapas é realizado o corte das fibras de carbono em uma bancada especialmente preparada e com as devidas ferramentas, a imprimação do sistema pode ocorrer de duas formas, via úmida, onde é feita a saturação na bancada, método este mais utilizado por sua facilidade de manuseio e transporte, ou via seca, onde saturação ocorre na peça a ser reforçada para a colocação da fibra de carbono posteriormente. A colocação da fibra de carbono deve ser realizada de imediato, devido ao fato do tempo de aplicação da resina saturante ser muito curto, máximo de 25 a 30 minutos, dentro desse intervalo de tempo é possível ajustar o alinhamento e o prumo das lâminas. Terminado o posicionamento é feita uma segunda saturação sobre a lâmina, de modo a garantir que a mesma permaneça totalmente imersa na resina, dependendo da quantidade necessária da fibra de carbono é realizado a coloção de outras camadas de reforço, cada uma delas exigindo duas imprimações independentes, não podendo considerar a última camada da anterior como sendo a primeira da próxima. Uma recomendação fundamental é que a quantidade de resina a ser utilizada na impregnação ou na colagem deve ser somente o necessário, pois o excesso de resina gera uma menor resistência e fragilidade do sistema. 5
Este sistema é comprovadamente eficiente quanto a essa utilização, porém sofre com o desconhecimento de muitos engenheiros estruturais quanto ao seu desempenho, os quais são responsáveis por sua requisição, e também muito associado ao paradigma do alto custo do processo e este é a maior barreira na consolidação junto ao mercado nacional, porém com uma análise detalhada por parte dos clientes que em muitos casos o valor agregado com a utilização deste sistema se mostra mais vantajoso comparado a outros meios tradicionais. Certamente, muito já se fez para difundir este material no mercado da construção civil, porém muito ainda poderá ser feito, iniciando com o processo de difusão do conhecimento e promovendo o entendimento do mercado quanto as técnicas já conhecidas e também com o surgimento de novas aplicações do material no ramo. Pesquisas científicas realizadas com este material podem apresentar ao mercado essas novas aplicações, como no caso destas promissoras fibras serem utilizadas não somente como um elemento de reforço em estruturas já existentes e muitas das vezes deterioradas, como também na parte interna da estrutura com a finalidade de resistir aos esforços de tração gerados no concreto. Conclusão Com tudo que foi apresentado pode-se verificar que a fibra de carbono trata-se de uma promissor elemento estrutural devido a sua capacidade de carga a tração. Provando-se capaz de substituir métodos tradicionais de reforço em estruturas de concreto armado. Em comparativo com esses métodos tradicionais, aumento de seção transversal, protensão externa ou chapas de aço coladas, o sistema de reforço compósito de fibras de carbono e resina, mostra-se com um melhor desempenho não só no ponto de vista estrutural, como também em sua aplicação ser simples e rápida, baixo custo quando considerado o tempo de execução e limpeza do processo, principalmente para as aplicações em shoppings, viadutos e industrias. O elevado custo da matéria prima acrescido da falta de conhecimento por parte dos profissionais do ramo dificultam a consolidação e a ampla aplicação destes materiais na indústria da construção civil. Assim, se faz necessário que pesquisas e desenvolvimento neste campo possam ser realizadas a fim de desenvolver modos eficientes e atrativos financeiramente, para difusão de novas técnicas e processos no ramo da construção civil. Referências SILVERIO, Fabiano. Preparação e caracterização de materiais híbridos formados pela interação entre hidróxidos duplos lamelares e siliconas aniônicas. Dissertação (Doutorado em química) - Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, 2009. BEBER, Andriei José. Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibras de carbono. 2003. Dissertação (Doutorado em Engenharia) - Universidade do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul, 2003. LEVY NETO, Flaminio. Compósitos estruturais: Ciência e tecnologia. São Paulo - SP: Edgard Blucher, 2006. 313 p. GUIMARÃES, Guilherme Pinto. Uma Formulação de Elementos Finitos Axissimétricos para Análise de Tubos Laminados em Materiais Compósitos. 2006. Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) - PUC, Rio de Janeiro, 2006. ASHBY, F Michael. Materials selection in mechanical design. 4. ed. San Francisco - USA. Butterworth-Heinemann, 2011. 665 p. MACHADO, Ari. Reforço de estruturas de concreto com fibras de carbono. 125. ed. Belo Horizonte - MG. Editora PINI. Agosto 2007. Disponível em: <http://techne.pini.com.br/engenhariacivil/125/artigo285695-7.aspx>. acesso, 24 ago. 2016. SANTOS, Altair. Compósitos de carbono reforçam estruturas de concreto. Disponível em: <http://www.cimentoitambe.com.br/compositos-de-carbono-reforcam-estruturas-de-concreto/>. acesso em: 25 ago. 2016. 6