Título do Projeto: ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE CONCRETO COM FIBRAS DE CARBONO E DE CONCRETO COM FIBRAS NATURAIS: UMA ABORDAGEM MACRO E MICROESTRUTURAL Linha de Pesquisa: Materiais Poliméricos, Compósitos e Filmes Justificativa/motivação para realização do projeto: Considerando que as fibras de carbono ainda são pouco utilizadas como material componente do concreto, este estudo se justifica na medida que propõe a utilização do resíduo de fibras de carbono que são amplamente utilizadas como reforço estrutural, ampliando ainda mais a versatilidade do concreto na construção civil e aprimorando os processos de reaproveitamento sustentável. Objetivos: O objetivo deste trabalho é aprofundar os estudos de um concreto com fibras de carbono como material componente comparativamente a um concreto com fibras naturais, uma vez que é inegável o papel das fibras em reduzir a fissuração, aumentar a tenacidade, a resistência à tração e a durabilidade do concreto, a partir das seguintes etapas: caracterização química e física dos materiais componentes, produção de concreto com fibra de carbono e de concreto com fibras naturais, visando analisar suas propriedades, macro e microestrutura. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Os objetivos foram elaborados visando a exequibilidade do trabalho e através da proposta da metodologia fazer uma análise do comportamento entre um concreto com fibra de carbono e um concreto com fibras naturais. Este trabalho será realizado utilizando a infraestrutura e materiais disponíveis na UFMG e no mercado. Os ensaios mecânicos serão realizados no DEMC/EE.UFMG, as análises por microscopia ótica e por difração de raios X no DEMET/EE.UFMG e a microscopia eletrônica de varredura no Centro de Microscopia da UFMG. Os materiais de consumo serão adquiridos no mercado com recursos próprios: fibra de carbono, fibras naturais, cimento, areia, brita e água, sendo a fibra de Carbono comercializada em Belo Horizonte, Minas Gerais. Principais referências consultadas: BRANDT M. ADRZEJ. Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Composite Structures, v.86, n.1-3, p. 3-9, mar. 2008. FIGUEIREDO A.D. Concreto com fibras. In: ISAIA, G.C. Concreto: ciência e tecnologia. 1 ed. São Paulo: IBRACON, 2011. 2 v., Cap.37, p.1327-1365. MEHTA, P. K., MONTEIRO, P. J. M., Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais, 1 ed. São Paulo: Editora Pini Ltda, 1994. 573p. NEVILLE, A.M; BROOKS, J.J. Tecnologia do concreto. 2 ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. 448p. NEVILLE, A.M. Propriedades do concreto. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 2016. 888p. 1
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE CONCRETO COM FIBRAS DE CARBONO E DE CONCRETO COM FIBRAS NATURAIS: UMA ABORDAGEM MACRO E MICROESTRUTURAL Área de Concentração: Ciência e Engenharia de Materiais 1. Introdução O concreto é o material mais utilizado na construção civil, adaptando-se a todos locais e circunstancias conforme suas propriedades como versatilidade, durabilidade e desempenho, que proporcionam vida útil adequada às construções a um custo competitivo com outros materiais estruturais. Além disso, o concreto é um dos materiais que mais se adaptam ao conceito de sustentabilidade, a possibilidade de qualquer pequeno ganho unitário, pode se transformar em valores muito expressivos em economia de matéria-prima, de energia e de emissão de gases tóxicos à atmosfera, além da possibilidade de utilização, em larga escala, de resíduos potencialmente poluidores do meio ambiente (ISAIA, 2011). Quanto mais um engenheiro ou um pesquisador estiver familiarizado com as características, relações estrutura-propriedade e as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado estará para fazer escolhas e especificar os materiais (CALLISTER et al., 2012). Há registros da utilização de compósitos na construção desde o Antigo Egito, utilizando palha para reforçar tijolos de barro. Além disso, existem evidências de que há 5000 anos começaram a ser utilizadas fibras de amianto para reforçar argila (MEHTA, 1994). O conceito do concreto reforçado com fibras foi aprimorado a partir de 1900 com a adição de fibras de amianto à pasta de cimento, visando melhorar suas propriedades e mais tarde foi proposta também a utilização de fibras de vidro. Os grupos básicos de fibras aplicadas para concretos podem ser classificadas de acordo com seu material: fibras de carbono; fibras naturais; fibras de aço de diferentes formas e dimensões; fibras de vidro; fibras sintéticas feitas com materiais como polipropileno, polietileno e o álcool polivinílico (PVA) e fibras de poliacrilonitrila (BRANDT, 2008). Nos últimos anos, o reforço das estruturas de concreto utilizando a fibra de carbono ligada externamente à superfície da peça ganhou um grande destaque em função das excelentes propriedades deste material compósito, incluindo alto módulo de elasticidade, elevada resistência e leveza (LIMA et al., 2016). Atualmente existem possibilidades limitadas para reutilizar o resíduo dos compósitos de fibra de carbono gerados durante o processo do reforço das estruturas de concreto, uma vez que os custos associados aos processos tradicionais térmicos ou químicos de reaproveitamento destes compósitos pode ser significativo e resultar num produto de baixa qualidade e de fibra de carbono de elevado custo (RANGELOV, 2016). Elementos estruturais com fibras naturais são cada vez mais importantes para a construção de baixo custo em diversas regiões do mundo em desenvolvimento, principalmente em países onde há abundância de fibras como sisal, bambu, coco, linho, juta etc (COUTTS, 2004). A trabalhabilidade é uma importante propriedade do concreto no estado fresco. Independentemente do tipo de fibra, a perda de trabalhabilidade é proporcional à concentração volumétrica de fibras no concreto (MEHTA, 1994). A Figura 1 mostra o concreto com fibras sintéticas no estado fresco. 2
Figura 1 Concreto no estado fresco com fibras sintéticas. O concreto endurecido deve ter suas características definidas pela resistência aos esforços mecânicos a que será submetido e pelas questões relativas à durabilidade. A resistência à tração do concreto é relativamente baixa, assim como a resistência a abertura e propagação de fissuras. As fibras dispersas utilizadas no concreto podem melhorar estas características, desempenhando também um importante papel relacionado ao controle da fissuração (RIBEIRO et al., 2015; NEVILLE, 2016). Quando se adicionam fibras de resistência e módulo adequado ao concreto num teor apropriado, este material deixa de ter o caráter marcadamente frágil. Isso ocorre pelo fato da fibra servir como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, diminuindo a concentração das mesmas na extremidade da fissura, Figura 2. Com isso, tem-se uma grande diminuição da velocidade de propagação das fissuras no material que passa a ter um comportamento pseudodúctil, assegurando menor fissuração do concreto (ISAIA; FIGUEIREDO, 2011, p.1332). Figura 2 Esquema de concentração de tensões (a) para um concreto sem fibras e (b) com reforço de fibras (ISAIA; FIGUEIREDO, 2011, p.1332). As fibras permitem reduzir a fissuração do concreto armado proporcionando sistemas densos de microfissuras que podem ser aceitáveis do ponto de vista de segurança e durabilidade, conforme mostra a Figura 3 (a) e (b). Além disso, a utilização de fibras mais longas de até 50 ou 80 mm, pode controlar fissuras maiores e contribuir para aumentar a resistência final do concreto, tal como é mostrado na Figura 3 (c) (BRANDT, 2008; BETTERMAN, 1995). 3
Figura 3 Fissuras em tirantes submetidos à tração para o concreto convencional (a) e o concreto reforçado com fibras (b) (BETTERMAN, 1995). (c) Controle da propagação de fissuras para fibras longas e curtas (BRANDT, 2008). A Figura 4 (a), apresenta o aumento da resistência e a da tenacidade na flexão para um concreto reforçado com fibras, enquanto a Figura 4 (b) ilustra o aumento da tenacidade na compressão, sendo que a resistência à compressão não é afetada neste caso específico. O concreto reforçado com fibras é muito mais tenaz e mais resistente ao impacto e esforços de tração. Este tipo de reforço proporciona maior versatilidade do concreto como um material, propiciando um método efetivo para superar suas características mais frágeis (MEHTA, 1994; NEVILLE, 2013). Figura 4 (a) Comportamento típico de tensão-deformação do concreto reforçado com fibras e concreto não reforçado na flexão de uma viga. (b) Comportamento típico de tensão-deformação do concreto reforçado com fibras e concreto não reforçado na compressão de um corpo de prova (NEVILLE, 2013). Mesmo antes da aplicação de carga externa, já existem microfissuras na zona de transição entre a matriz e o agregado graúdo no concreto. O número e as aberturas destas fissuras em uma peça de concreto dependem, entre outros fatores, das características de exsudação, resistência da zona de transição e da cura do concreto. Sob condições normais de cura, devido às diferenças nos seus módulos de deformação, deformações diferenciais surgirão entre a matriz e o agregado graúdo, causando fissuras na zona de transição (MEHTA, 1994). A resistência de aderência interfacial, fibra-matriz, é melhorada quando a superfície das fibras é deformada ou rugosa, as extremidades são aumentadas, têm forma de gancho ou são onduladas. O uso das fibras retorcidas também resulta em uma boa aderência interfacial, compensando a má aderência de uma superfície lisa à pasta de cimento (NEVILLE, 2013). A quantidade das fibras utilizadas é pequena, tipicamente 1 a 5%, em volume, e para torna-las efetivas como reforço, resistência à tração, alongamento na ruptura e módulo de 4
elasticidade devem ser mais elevados que as propriedades correspondentes da matriz. Para cada tipo específico de fibra, as proporções da mistura são mais bem determinadas por misturas experimentais e a fibra e a mistura são ajustadas conforme o necessário para alcançar as exigências de trabalhabilidade, resistência e durabilidade (NEVILLE, 2013). O objetivo deste trabalho é aprofundar os estudos de um concreto com fibras de carbono como material componente comparativamente a um concreto com fibras naturais, sendo inegável o papel das fibras em reduzir a fissuração, aumentar a tenacidade, a resistência à tração e a durabilidade do concreto. Considerando que as fibras de carbono ainda são pouco utilizadas como material componente do concreto, este estudo se justifica na medida que propõe a utilização do resíduo de fibras de carbono que são amplamente utilizadas como reforço na parte externa das estruturas, ampliando ainda mais a versatilidade do concreto na construção civil e aprimorando os processos de reaproveitamento sustentável. 2. Objetivos O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento do concreto com fibra de carbono e do concreto com fibras naturais, a partir das seguintes etapas: Caracterização química e física dos componentes; Produção de concretos com fibra de carbono e de concreto com fibras naturais, visando analisar suas propriedades, macro e microestrutura; Verificação das propriedades no estado fresco como a trabalhabilidade; Verificação das propriedades mecânicas como resistência à compressão, resistência à tração, módulo de elasticidade, taxa de absorção e permeabilidade; Caracterização da estrutura do concreto através da difração de raios X; Análise da macro e microestrutura dos concretos com fibra através da microscopia. Os objetivos foram elaborados visando a exequibilidade do trabalho e através da metodologia proposta fazer uma análise comparativa entre um concreto com fibra de carbono e um concreto com fibras naturais. 3. Materiais e Métodos O concreto será produzido de acordo com a dosagem proposta com cimento Portland, adição de fibras de carbono e de fibras naturais sendo a avaliação do concreto em estado fresco realizada pelo ensaio de abatimento do tronco de cone de acordo com a NBR 7223. Com este concreto serão moldados corpos de prova de dimensão 10x20 cm seguindo as diretrizes da NBR 5738. Para o estado endurecido serão realizados os ensaios de resistência à compressão (NBR 5739), resistência à tração (NBR 7222), módulo de elasticidade (NBR 8522), taxa de absorção (NBR 9778) e permeabilidade (NBR 10786). Para a análise da macroestrutura do concreto será utilizado o microscópio ótico (MO) e para a análise da microestrutura o microscópio eletrônico de varredura (MEV) (ASTM E 1382 97), sendo a composição química dos componentes determinada através da espectrometria de dispersão de energia de raios X (EDS) e as imagens de alta resolução obtidas pelo Field Emission Gun (FEG). As amostras serão preparadas para avaliação da estrutura interna dos corpos de prova. Para atingir os objetivos propostos no trabalho, a metodologia será desenvolvida para determinar o comportamento e analisar comparativamente os resultados encontrados para o concreto com fibra de carbono e o concreto com fibras naturais. Na Figura 5 está o fluxograma dos objetivos. 5
Figura 5 Fluxograma da metodologia adotada 4. Infraestrutura e Recursos Necessários Este trabalho será realizado utilizando a infraestrutura e materiais disponíveis na UFMG e no mercado. Os ensaios mecânicos serão realizados no DEMC/EE.UFMG, as análises por microscopia ótica e por difração de raios X no DEMET/EE.UFMG e a microscopia eletrônica de varredura no Centro de Microscopia da UFMG. Serão necessários os materiais de consumo: fibra de carbono, fibras naturais, cimento, areia, brita e água, sendo que os mesmos serão adquiridos no mercado com recursos próprios. A fibra de Carbono que será utilizada, Figura 6, é produzida e comercializada pela empresa MC-Bauchemie Brasil, com fabrica sede em Vargem Paulista, São Paulo e representante de vendas em Belo Horizonte, Minas Gerais. Figura 6 Fibra de Carbono 5. Cronograma de Execução O cronograma para a realização do trabalho está apresentado na Figura 7, sendo as marcas em vermelho os pontos críticos. Nos primeiros nove bimestres será realizada a revisão bibliográfica. O primeiro ponto crítico será no quinto bimestre do primeiro ano, fase de caracterização dos materiais, ponto de partida para a execução das outras atividades. O segundo pronto crítico se encontra no segundo bimestre do segundo ano, quando serão avaliadas as propriedades mecânicas dos concretos com fibras. O último ponto crítico será no sexto bimestre do segundo ano, período em que será verificada a microestrutura dos concretos através da microscopia ótica e da microscopia eletrônica de varredura. 6
ETAPAS PERIODO (Ano/Bimestre) 1º Ano 2º Ano 3º Ano 4º Ano 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Revisão Bibliográfica x x x x x x x x x Caracterização Materiais x x x x Avaliação das propriedades mecânicas x x x x x Caracterização estrutural (DRX) x x x Caracterização da microestrutura (MO) x x x x Caracterização da microestrutura (MEV/EDS) x x x x Análise e discussão dos resultados x x x x x x Redação de Artigos x x x x x x Redação da Tese x x x x x x Defesa Final Figura 7 Cronograma para a elaboração da tese 6. Referências Bibliográficas BETTERMAN L.R., OUYANG C, SHAH S.P. Fiber-matrix interaction in microfiber reinforced matrix. Advanced Cement Based Materials, Mineapolis, v.2, n.2, p. 52 61, jul. 1995. BRANDT M. ADRZEJ. Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Composite Structures, v.86, n.1-3, p. 3-9, mar. 2008. CALLISTER, W.D., RETHWISCH, D.G.; SOARES, S.S. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 817p. COUTTS R.S.P. A review of Australian research into natural fibre cement composites, Cement and Concrete Composites, Australia, v.27, n.5, p.518-526, dez. 2004. FIGUEIREDO A.D. Concreto com fibras. In: ISAIA, G.C. Concreto: ciência e tecnologia. 1 ed. São Paulo: IBRACON, 2011. 2 v., Cap.37, p.1327-1365. ISAIA, G.C. Concreto: ciência e tecnologia. 1 ed. São Paulo: IBRACON, 2011. 1902p., 1 v. LIMA M.M., DOH J.H., et al. The effects of CFRP orientation on the strengthening of reinforced. The Structural Design of Tall and Special Buildings, New Jersey, v.25, n.1 p. 759-784, abr. 2016. MEHTA, P. K., MONTEIRO, P. J. M., Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais, 1 ed. São Paulo: Editora Pini Ltda, 1994. 573p. NEVILLE, A.M. Propriedades do concreto. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 2016. 888p. NEVILLE, A.M; BROOKS, J.J. Tecnologia do concreto. 2 ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. 448p. RANGELOV M., NASSIRI S., et al. Using carbon fiber composites for reinforcing pervious concrete. Construction and Building Materials, Washington, v.126, n.1, p. 875-885, out. 2016. RIBEIRO, C. C., PINTO, J. S., STARLING, T. Materiais de Construção Civil. 4 ed. rev., Belo Horizonte: Editora UFMG, 2015. 112p. x 7