- PGMEC - Universidade Federal Fluminense

PGMEC
PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE
JUNTAS COLADAS EM CONCRETO
POLIMÉRICO
BRUNO SOUZA LOPES DA COSTA
FEVEREIRO DE 2011
BRUNO SOUZA LOPES DA COSTA
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE JUNTAS COLADAS
EM CONCRETO POLIMÉRICO
Dissertação
de
Mestrado
apresentada
ao
Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
da UFF como parte dos requisitos para a
obtenção do título de Mestre em Ciências em
Engenharia Mecânica
Orientadores:
Luiz Carlos da Silva Nunes (PGMEC/UFF )
João Marciano Laredo dos Reis (PGMEC/UFF)
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
NITERÓI, 17 DE FEVEREIRO DE 2011.
2
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE JUNTAS COLADAS
EM CONCRETO POLIMÉRICO
Esta disertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos
Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:
Prof. Luiz Carlos da Silva Nunes (D.Sc.)
Universidade Federal Fluminense - UFF
(Orientador)
Prof. João Marciano Laredo dos Reis (Ph.D.)
Universidade Federal Fluminense - UFF
(Orientador)
Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (D.Sc.)
Universidade Federal Fluminense - UFF
Prof. Inaya Correa Barbosa Lima (D.Sc.)
Universidade do Estado do Rio de Janeiro - IPRJ/UERJ
3
Agradecimentos
Ao meu pai, minha mãe, minha irmã, a Deus e a toda minha família que,
com muito carinho e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de
minha vida.
Aos professores Dr. Luiz Carlos da Silva Nunes e João Marciano Laredo dos Reis
pela orientação e paciência, por me amparar nos momentos de dúvidas e incertezas e acima
de tudo por acreditar na minha capacidade.
Aos colegas, amigos e professores do Laboratório LMTA, e aos amigos do
mestrado.
À Juliana Teixeira de Paiva Souza pela amizade, cumplicidade e amor, além do
incentivo e pelo apoio constante.
E a todos que colaboraram para tornar este trabalho uma realidade.
A UFF pelo apoio nos estudos concedida, à Petrobras pelo material fornecido e a
todos que puderam colaborar de alguma forma para este trabalho.
4
RESUMO
Este trabalho apresenta uma investigação experimental do comportamento mecânico
de juntas coladas em concreto polimérico. Foram analisadas amostras do concreto
polimérico colado com juntas duplas submetidas a cargas de compressão. Estas amostras
foram feitas com blocos retangulares de concreto polimérico com resina epóxi e poliéster,
unidas por adesivos estruturais. O concreto polimérico é um material compósito no qual o
aglomerante consiste inteiramente de um polímero orgânico sintético. O principal objetivo
deste método de ensaio é determinar a carga de compressão e resistência do adesivo ao
cisalhamento na colagem do concreto polimérico, quando testado em um conjunto de juntas
duplas, com finalidade de também estudar algumas características mecânicas importantes,
tais como modos de falha. Ao final dos ensaios de compressão foi observado que todas as
amostras romperam no substrato e não nas uniões coladas. Desta maneira as cargas
impostas ao sistema deverão ser inferiores às propriedades mecânicas do concreto
polimérico.
5
ABSTRACT
This work presents an experimental investigation of the mechanical behavior of
polymer concrete lap joint. Double lap joints adhesively bonded polymer concrete
specimens submitted to compressive loads are analyzed. These specimens are made with
rectangular blocks of polymer concrete with epoxy and polyester, bonded with structural
adhesives. The polymer concrete is a composite material in which the binder consists
entirely of a synthetic organic polymer. The main goal of this test method is to determinate
the compressive load and the shear strength of adhesives for bonding polymer concrete
when tested on a standard double-lap joint as well as to study some important mechanical
characteristcs such as failure models. At the end of the compression tests was observed that
all specimens broke in the substrate, not at the double lap joints. Thus the loads imposed on
the system should be less than the mechanical properties of polymer concrete.
6
SUMÁRIO
1.
Capítulo - Introdução .....................................................................................................12
2.
Capítulo - Considerações Gerais ..................................................................................19
2.1. Introdução................................................................................................................19
2.2. Concreto Polimérico................................................................................................22
2.2.1. Constituintes do Concreto Polimérico.............................................................24
2.2.2. Agregados .........................................................................................................25
2.2.3. Resistência Mecânica .......................................................................................29
2.2.4. Aglomerante......................................................................................................29
2.2.5. Resinas Epóxi ...................................................................................................32
2.2.6. Poliésteres insaturados....................................................................................35
2.2.7. Tipos de Concreto Polimérico..........................................................................37
2.2.8. Concreto Polimérico Acrílico ...........................................................................39
2.2.9. Concreto Polimérico Poliéster .........................................................................40
2.2.10. Concreto Polimérico Epóxi.............................................................................41
2.2.11. Concreto Polimérico Furan ............................................................................42
2.3. Juntas Adesivas ......................................................................................................42
2.3.1. Adesivos...........................................................................................................46
2.3.2. Defeito sem Juntas Adesivas ..........................................................................47
2.3.3. A natureza dos defeitos ...................................................................................48
2.3.4. Modos de Falha em juntas coladas entre substratos compósitos ................50
2.3.5. Análise de tensões de juntas adesivas coladas.............................................51
2.3.6. Análise de tensões em juntas duplas coladas ...............................................53
7
3.
Capítulo - Descrição Experimental ...............................................................................58
3.1. Introdução................................................................................................................58
3.2. Confecção do concreto polimérico.........................................................................59
3.3. Aplicação do adesivo ..............................................................................................62
3.4. Corpos de prova ......................................................................................................63
3.5. Ensaios ....................................................................................................................65
4.
Capítulo - Resultados e Discussões..............................................................................68
4.1. Introdução................................................................................................................68
4.2. Resultados dos Corpos de Prova Metálicos ..........................................................69
4.3. Resultados Experimentais do concreto polimérico com Epóxi ............................72
4.4. Resultados Experimentais do concreto polimérico com Poliéster .......................79
4.5. Comparação entre os resultados do concreto polimérico ....................................84
4.5.1. Epóxi x Poliéster – Belzona 1111 .....................................................................84
4.5.2. Epóxi x Poliéster – ARC 858 .............................................................................86
5.
Capítulo - Conclusão .....................................................................................................88
Referências bibliográficas:......................................................................................................90
APÊNDICE A - Resultado dos Ensaios .................................................................................96
APÊNDICE - B - Artigo Conem 2010 .....................................................................................101
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Juntas coladas típicas de adesivos em engenharia ........................................... 46
Figura 2.2 – Defeitos típicos em juntas coladas ................................................................... 50
Figura 2.3 – Tipos de falhas ................................................................................................. 51
Figura 2.4 – Dimensionamento do corpo de prova para juntas duplas coladas ................... 53
Figura 2.5 – Diagrama de corpo livre do CP........................................................................ 54
Figura 3.1 – Corpo de prova de concreto polimérico. .......................................................... 59
Figura 3.2 – Moldagem da mistura de PC. ........................................................................... 60
Figura 3.3 – Retirada de excesso e acabamento superficial. ................................................ 61
Figura 3.4 – Moldagem completa de PC sendo curada. ....................................................... 61
Figura 3.5 – Dimensionamento do corpo de prova .............................................................. 65
Figura 3.6 – Máquina Universal de tração ........................................................................... 66
Figura 3.7 – Set up do ensaio ............................................................................................... 66
Figura 4.1 – Set up do ensaio de CP´s metálicos.................................................................. 69
Figura 4.2 – Gráfico da curva típica de tensão de cisalhamento x deslocamento para os CP´s
metálicos............................................................................................................................... 71
Figura 4.3 – Tipo de falha obtida nos CP´s metálicos.......................................................... 72
Figura 4.4 – Gráfico das curvas típicas força de compressão x deslocamento para PC de
epóxi ..................................................................................................................................... 74
Figura 4.5 – Tipo de falha obtida nos PC´s de epóxi ........................................................... 75
Figura 4.6 – Seqüência da fratura nos PC´s de epóxi........................................................... 76
9
Figura 4.7 – Gráfico das curvas típicas tensão de cisalhamento x deslocamento para PC de
epóxi ..................................................................................................................................... 77
Figura 4.8 – Gráfico das curvas típicas força de compressão x deslocamento para PC de
poliéster ................................................................................................................................ 80
Figura 4.9 – Tipo de falha obtida nos PC´s de poliéster ...................................................... 81
Figura 4.10 – Gráfico das curvas típicas tensão de cisalhamento x deslocamento para PC de
poliéster ................................................................................................................................ 82
Figura 4.11 – Gráfico das curvas típicas tensão de cisalhamento x deslocamento para o
adesivo Belzona 1111........................................................................................................... 85
Figura 4.12 – Gráfico das curvas típicas tensão de cisalhamento x deslocamento para o
adesivo ARC 858.................................................................................................................. 86
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Valor médio das propriedades do concreto ..................................................... 21
Tabela 2.2 – Aplicações e Vantagens do Concreto Polimérico............................................ 23
Tabela 2.3 – Propriedades dos concretos.............................................................................. 24
Tabela 2.4 – Propriedades dos diferentes tipos de concretos poliméricos ........................... 38
Tabela 2.5 – Aplicações e características gerais do PC........................................................ 39
Tabela 3.1 – Composição dos CP......................................................................................... 62
Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas das colas estruturais.................................................. 62
Tabela 3.3 – Propriedades mecânicas dos CP´s ................................................................... 64
Tabela 4.1 – Resultados de força e tensão dos CP´s metálicos ............................................ 70
Tabela 4.2 – Resultados de força de ruptura para os CP´s de epóxi..................................... 73
Tabela 4.3 – Resultados de tensão de cisalhamento para os PC´s de epóxi ......................... 78
Tabela 4.4 – Resultados de força de ruptura para os PC´s de poliéster................................ 79
Tabela 4.5 – Resultados de tensão de cisalhamento para os PC´s de poliéster .................... 83
11
1. Capítulo
Introdução
O concreto moderno, utilizado atualmente para a construção dos mais diversos tipos
de estrutura é fruto do trabalho de inúmeros homens, que durante milhares de anos
observaram a natureza e se esmeraram por aperfeiçoar materiais, técnicas, teorias e formas
estruturais. A história do concreto armado não começou no século passado, mas com a
própria civilização humana, pois a partir do momento que o homem existe sobre a terra, ele
tem a necessidade básica de morar e morar melhor a cada dia, desenvolvendo novas
tecnologias para isto.
Podemos considerar que a milhões de anos atrás os primeiros cimentos e concretos
foram gerados pela natureza através de rochas sedimentares como concretos naturais. Os
primeiros Homo Sapiens refugiaram-se nos lugares que a natureza lhes oferecia. Esses
locais poderiam ser aberturas nas rochas, cavernas, grutas ao pé de montanhas ou até no
alto delas. Mais tarde eles começariam a construir abrigos com as peles dos animais que
caçavam ou com as fibras vegetais das árvores das imediações, que aprenderam a tecer, ou
então combinando ambos os materiais
Em Israel, 12.000 a.C., reações entre calcário e argila xistosa durante combustão
espontânea formaram um depósito natural de compósitos de cimento. Estes depósitos foram
12
caracterizados por geólogos israelenses na década de 70. Este é o cimento natural, o
primeiro cimento que os homens primeiro utilizaram.
É somente no final do neolítico e início da idade do bronze (8.000 a 4.000 a.C. –
Europa) que surgem as primeiras construções de pedra, principalmente entre os povos do
Mediterrâneo e os da costa atlântica. No entanto, como esses monumentos colossais tinham
a função de templo ou de câmaras mortuárias, não se tratando de moradias, seu advento não
melhorou as condições de habitação. Pelo peso dessas pedras, acredita-se que não poderiam
ter sido transportadas sem o conhecimento da alavanca.
A arquitetura da Mesopotâmia empregou nos seus estágios iniciais tijolos de barro
cozido, maleáveis, mas pouco resistentes, o que explica o alto grau de desgaste das
construções encontradas.
Pela escassez de outros materiais de construção na região (pedra, madeira) os povos
desta região desenvolveram a fabricação de tijolos de barro e a construção sobre solos com
pouca capacidade de suporte. Estes povos já sabiam da natureza frágil dos tijolos, como
podemos observar pela forma de suas construções, como por vestígios do uso de esteiras de
fibras vegetais para reforçar a estrutura de zigurates, combatendo os esforços de tração que
tendem a desmoronar o maciço. A idéia de combinar materiais frágeis e dúcteis é lançada.
Na Grécia, 800 a.C., a construção de muros e paredes de baixo custo compostas por
tijolos de barro (secos ao sol) ou pedras, assentados diretamente uns sobre os outros ou com
argila e reforçados com madeira apareceram cedo na Grécia e foram comuns mesmo na era
clássica para edificações modestas.
Nas construções monumentais gregas, ao invés de argamassa, grampos ou tarugos
de ferro foram geralmente usados para manter juntos os blocos de pedra.
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Em Atenas, 437 a.C., uma surpreendente técnica usando ferro para aumentar a
confiabilidade das peças estruturais de pedra é encontrada no Propylaea em Atenas,
construído entre 437 e 432 a.C. pelo arquiteto Mnesikles. A cobertura de mármore é
suportada por uma série de vigas que se apoiam sobre arquitraves jônicas. As vigas que
coincidem com colunas que sustentam as arquitraves, transmitem seu carregamento
diretamente aos pilares, por compressão. Entretanto, as vigas posicionadas na metade do
vão das arquitraves produzem uma flexão significante e originam consequentemente
esforços de tração nas arquitraves. Para reduzir esta flexão, transferindo a carga do meio do
vão para um ponto mais próximo das colunas, barras de ferro foram embutidas da face
superior das arquitraves, deixando-se abaixo delas uma fenda com 2,5 cm de altura para
permitir a deflexão das barras de ferro sem que estas entrem em contato com as arquitraves.
Em efeito, as barras de ferro agem como vigas independentes de alívio.
Arquitetura romana, começando no último período republicano, diferenciou-se dos
precedentes gregos pelo uso de novos materiais e novas formas. Tijolos (cozidos) e
concreto foram utilizados na criação de edifícios públicos com espaçosos, abobadados
interiores. Para dar sustentamento a estes experimentos arquitetônicos, construtores
romanos similarmente introduziram novas soluções técnicas.
Durante o período da Idade Média não houve inovações expressivas no emprego de
argamassas e concretos. Pelo contrário, a qualidade dos materiais cimentíceos em geral
decai, perdendo-se o uso da cal pozolânica (adição). Inovações expressivas só começam a
ocorrer no século XVIII no tocante ao uso de cimentos e argamassas.
Em 1824, Joseph Aspdin inventa o cimento Portland, queimando calcário e argila
finamente moídos e misturados a altas temperaturas até que o gás carbônico (CO2) fosse
14
retirado. O material obtido era então moído. Aspdin denomina este cimento como cimento
Portland em menção às jazidas de excelente pedra para construção existentes em Portland,
Inglaterra.
Observa-se na década de 1830 um desenvolvimento incipiente do uso do concreto,
principalmente em fundações, estabelecendo-se o termo concreto para uma massa sólida em
que cimento, areia, água e pedras são combinadas.
Em 1875, Lascelles explora a utilização de concreto em painéis pré-moldados com
o intuito de utilizá-los em residências de baixo custo. O sistema de Lascelles consistia
numa armação de madeira (posteriormente substituída por peças metálicas ou de concreto)
sobre as quais eram fixados painéis de concreto. Os painéis do forro e das paredes eram
armados por duas barras de aço dispostos diagonalmente e os painéis de piso com uma
malha de barras de aço. No telhado, as junções dos painéis eram preenchidas com cimento
e tudo era coberto com telhas.
Em 1903, nos Estudos Unidos, começam sete anos de testes de laboratório seguidos
de cinco anos de testes em edifícios reais, e só em 1917 foram publicadas as normas para a
utilização do concreto armado, que se diferencia do concreto convencional devido ao fato
de receber uma armadura metálica responsável por resistir aos esforços de tração, enquanto
que o concreto em si resiste à compressão, desenvolvidas por uma junta, que incluía
representantes do American Society for Testing and Materials e organizações dos
engenheiros civis, engenheiros ferroviários e fabricantes de cimento.
Desde o tempo de Roma o concreto evoluiu muito. A engenharia usa concreto
atualmente em campos muito diversos, em muitos casos sob ambientes extremamente
agressivos. Para se adaptar aos novos e desafiadores usos o homem criou uma infinidade de
tipos de concretos, utilizando uma enorme gama de cimentos, agregados, adições, aditivos e
15
formas de aplicação (armado, protendido, projetado...). Encontramos concreto na fundação
de plataformas petrolíferas nos oceanos ou enterrado a centenas de metros abaixo da terra
em fundações, túneis e minas a 452 m acima do solo em arranha-céus.
O grande desafio da tecnologia de concreto atualmente parece ser aumentar a
durabilidade das estruturas, recuperar estruturas danificadas e em entender o complexo
mecanismo químico e mecânico dos cimentos e concretos. Para isto, uma nova geração de
concretos está sendo desenvolvida, métodos tradicionais de execução e cálculo de concreto
estão sendo revistos, teorias não-lineares e da mecânica do fraturamento estão sendo
desenvolvidas.
Um desses novos produtos desenvolvido é o concreto polimérico, que pode ser
considerado um exemplo de material com alta durabilidade devido a apresentação de bons
resultados frente aos esforços mecânicos, as intempéries e a meios agressivos [2, 3],
reduzindo a necessidade de manutenção, freqüentemente requerida pelo concreto
convencional, principal importância na análise do ciclo de vida de um produto. O concreto
polimérico, no que diz respeito à composição química, difere-se do tradicional pela
substituição do aglomerante, cimento Portland, por uma resina que vai polimerizar com o
auxílio de aditivos.
O concreto polimérico consiste, na maioria das vezes, em agregados ligados por
uma resina polimérica e desta forma as propriedades dos compósitos propostos estão
diretamente ligadas às características dos seus componentes. O concreto polimérico é um
compósito que usa materiais poliméricos, isto é, resinas para unir os agregados
semelhantemente à ação do cimento do concreto Portland.
O uso de materiais compostos em estruturas grandes e complexas acelerou as
pesquisas de métodos de aderir ou de fixar peças compostas. Para maior eficiência, a
16
estrutura compósita ideal seria fabricada de forma integral, como um componente
monolítico. No entanto, as limitações na tecnologia de produção atuais requerem a presença
de juntas em estruturas compósitas. Tanto com fixação mecânica, com colagem adesiva ou
com uma combinação das duas, pode-se fazer uniões de componentes em materiais
compósitos. A fixação mecânica, comumente usada em materiais metálicos, não é adequada
para os materiais compósitos reforçados com fibras devido ao fato de que os compostos não
podem ser submetidos a concentrações de tensões nas proximidades de parafusos ou rebites
da mesma forma que ocorre com os metais.
Em juntas coladas em materiais compósitos ao invés de concentrações de tensões,
matriz e fibras se descolam ou a divisão intralaminar/interação pode ocorrer para aliviar a
tensão localizada. A usinagem e furação de materiais compósitos também podem levar a
danos adicionais e aumento na capacidade de falha por cisalhamento interlaminar. O
resultado final é a não obtenção do potencial total das propriedades físicas do material.
A inerente vantagem da junta colada é que a tensão pode-se distribuir ao invés de se
concentrar. A junta colada também é atraente do ponto de vista da redução do peso,
obtenção de superfícies lisas externas, e considerando grandes áreas, o custo de montagem
pode ser reduzido quando comparado com a fixação mecânica. As desvantagens das juntas
coladas são a necessidade da preparação de uma superfície especial substrato, a dificuldade
de inspeção não destrutiva e os efeitos do ciclo térmico e alta umidade, que ainda não são
bem compreendidas.
A importância do pré-tratamento de superfície na junta colada de materiais
compósitos tem sido bem estabelecida por inúmeros pesquisadores. Os estudos sobre as
superfícies pré-tratadas de materiais compósitos têm sido documentados com a finalidade
17
de remover contaminações de camadas, aumentar a polaridade e a energia livre de
superfície de um polímero e/ou aumentar a área disponível para adesão.
Este trabalho tem como objetivo a análise mecânica do concreto polimérico
confeccionado com 2 tipos de resinas diferentes e unidos com 2 colas estruturais também
diferentes, submetidos a ensaios de compressão em corpos de provas do tipo juntas coladas
duplas. Para a realização dos testes foram utilizados os padrões da norma ASTM C39-05 no
que diz respeito à padronização dos blocos poliméricos com a mistura do concreto.
De forma resumida o trabalho será apresentado da seguinte estruturação. O capítulo
2 deste trabalho tratará dos conceitos básicos para a compreensão do concreto polimérico e
das juntas coladas. Serão descritos os possíveis modos de falha para o material estudado.
Para auxiliar no entendimento dos materiais e métodos utilizados nesta pesquisa, as
variações de composição das colas estruturais e do concreto polimérico serão abordadas
também neste capítulo.
Os corpos de prova utilizados neste estudo, bem como suas propriedades e métodos
de confecção serão descritos no capítulo 3. Os ensaios realizados, padronizados por
normas, também serão descritos neste capítulo. Todas as informações necessárias ao
entendimento do método experimental utilizado nesta pesquisa poderão ser encontradas
nesta seção.
Os resultados obtidos através dos ensaios descritos no capítulo 3, bem como a
análise comparativa sobre estes, serão abordados no capítulo 4.
O capítulo 5 aparesentará as conclusões sobre esta pesquisa, destacando os pontos
positivos e negativos da aplicação destes materiais e métodos.
18
2. Capítulo
Considerações Gerais
2.1. Introdução
A indústria da construção civil é uma das maiores consumidoras de matérias-primas
naturais, utilizando entre 20 a 50% dos recursos naturais. Isso se deve, principalmente, às
indústrias de cimento e de beneficiamento de agregados (pedra britada e areia).
Concreto polimérico é um material que, diferente do concreto de cimento Portland,
não contém uma cadeia inorgânica. Há uma substituição total do aglomerante, cimento
Portland, por uma resina polimérica. A cadeia ou matriz nos compostos poliméricos é
formada por uma resina sintética que é polimerizada com aditivos. Os tipos de resinas
utilizados comumente como aglomerante na produção de concreto polimérico são
normalmente monômeros catalisados do tipo epóxi, poliésteres, acrílicos, poliuretanos,
entre outros. Na indústria da construção civil os concretos poliméricos com maior
desenvolvimento tecnológico e utilização são à base de resinas epóxi e poliésteres.
A definição de concreto polimérico para o material produzido com agregados finos
deve-se às características mecânicas apresentadas por esta composição de resina com areia
natural ou pó de brita. Tais características são analisadas desde o século passado,
19
permitindo assim uma comparação com concretos mesmo este não sendo constituído por
agregados graúdos.
O concreto polimérico é usado, em geral, em edificações e industriais com alta
agressividade, bem como em estruturas rodoviárias e hidráulicas. Nos Estados Unidos o
concreto polimérico é utilizado em pavimentações, pontes e indústrias petroquímicas. Já no
Canadá e Japão, é aplicado nas construções subterrâneas e em pavimentações. Na Europa o
concreto polimérico destina-se principalmente à produção de estruturas pré-moldadas,
reservatórios, tubulações e revestimentos para indústrias químicas e de alimentos. Além
disso, por se tratar de um material com capacidade de reproduzir o acabamento proposto
em sua forma, incluindo texturas e possibilitando até o uso de cores através dos pigmentos,
o concreto polimérico também tem sido aplicado em lajes, painéis para fachadas e balcões
para estabelecimentos comerciais [14, 26].
As principais vantagens da utilização do concreto polimérico no lugar do concreto
de cimento são: elevação da resistência mecânica assim como resistência química a meios
ácidos (resistência a corrosão), baixa permeabilidade, alto poder de amortecimento a
vibração e boa durabilidade para estruturas que sofrem processo de congelamento. Além
das propriedades citadas, as quais reduzem a necessidade de manutenção das estruturas em
concreto polimérico, o seu rápido tempo de cura também pode ser considerado como uma
grande vantagem na produção de pré-moldados, já que as peças podem ser retiradas das
fôrmas em poucas horas. Quando a utilização é destinada a revestimentos e reparos, a
estrutura pode estar pronta para o uso de um dia para o outro. Estudos mostraram que com
um dia de cura argamassas poliméricas adquiriram mais de 90% da resistência final [11], a
tabela 2.1, apresenta as propriedades do PC (sigla do inglês, Polymer Concrete) em
comparação ao concreto convencional de cimento Portland.
20
Compósito
Tabela 2.1 – Valor médio das propriedades do concreto
Módulo de
Absorção de
Resistência à
Elasticidade
água (%)
compressão (MPa)
(GPa)
Resistência à
Flexão (MPa)
PC
0,4
120
12
22
Concreto
Convencional
Portland
5,5
35
24,5
2,5
A maior limitação para o uso deste material é o seu alto custo. A resina é
responsável pelo alto custo do PC. É por isso que faz-se necessário o compromisso de
estabelecer uma otimização entre a composição do material e o preço final deste produto,
visando amenizar esta limitação e aumentar a utilização em diversas áreas da construção.
Em vista disto, neste trabalho serão utilizadas duas resinas em corpos de prova diferentes:
poliéster insaturado e epóxi.
A composição do concreto polimérico deve ser formulada levando-se em
consideração a trabalhabilidade, resistência mecânica e economia no gasto, juntamente com
o interesse de aplicação. Em todos os casos, devem ser analisadas as características
químicas e físicas do aglomerante, agregados e fibras de reforço.
Pelo concreto polimérico ser um material heterogêneo, de acordo com Czarnecki
[24], suas propriedades são variáveis e isto se deve principalmente pela heterogeneidade
das partículas dos agregados, polidispersão do agente aglomerante (distribuição de cadeias
longas), interface entre aglomerante e agregados, entre outros.
21
Na composição de compostos de concreto polimérico, existem três fases distintas:
uma orgânica, composta pelo aglomerante polimérico; outra inorgânica, composta pelos
agregados; e a última, utilizando a cinza volante como a adição de uma fibra de reforço.
Resinas poliésteres insaturadas providas da reciclagem de PET (Politereftalato de
etileno) e as epóxi podem ser usadas na produção de um concreto polimérico com boa
característica mecânica e por um relativo baixo custo. A maior vantagem da reciclagem de
PET para uso em concreto polimérico é que esta não necessita ser purificada, minimizando
os custos da resina para esta finalidade.
Com base na literatura e em trabalhos já realizados com este material [2, 3], optouse pela utilização de areia com resina epoxi e areia com resina poliéster insaturada,
produzida a partir da reciclagem de PET. As escolhas destes materiais foram feitas pelo
bom desempenho físico e mecânico que a resina mostrou em ensaios preliminares, além do
preço e das questões ambientais que envolvem o uso de resíduos sólidos em compostos
para a indústria da construção civil. Uma das propriedades importantes da resina a ser
considerada é a viscosidade, visto a interação que a mesma proporciona entre a resina /
agregado.
2.2. Concreto Polimérico
Existem diversas normas sobre o processo de fabricação dos concretos poliméricos
que descrevem, em geral, os constituintes do sistema, o procedimento e suas possíveis
aplicações.
A aplicação mais comum é o reparo e construção da argamassa para rodovias,
estruturas tais como vigas caixão, canalização e similares, e como elementos decorativos.
22
Uma atenção especial é dada para o sistema de manufatura sobre concreto
polimérico para apoio de máquinas. A tabela 2.2 relaciona as vantagens do concretro
polimérico em determinadas aplicações
Existem várias vantagens que o concreto polimérico pode oferecer para a qualidade
de um produto final:
•
Alta estabilidade dimensional
•
Fixação rápida
•
Alta resistência estática e dinâmica
•
Baixo coeficiente de expansão térmica
•
Boas propriedades mecânicas
•
Excelente durabilidade
•
Resistência à Corrosão
•
Custo razoável
Tabela 2.2 – Aplicações e Vantagens do Concreto Polimérico
Aplicações
Vantagens
Sobreposições
Rápida configuração, fácil colocação.
Decks de pontes e assoalhos
Resistência à corrosão.
Reparos
Pisos de concreto, reparos de estruturas.
Produtos pré-moldados
Aplicações em ferramentas de máquinas
Aplicações especiais
Configuração rápida, boa aderência às
superfícies.
Impermeável à água e sais de degelo.
Curto tempo de cura, alta resistência ao
peso médio.
Moldado (no lugar), baixo custo, dinâmica
e estabilidade térmica.
Alta resistência, baixa emissão de resina
23
stryrene
Agregados grossos, encapsulamento de
resíduos.
Resinas de baixa contrações
Em geral, o desempenho dos concretos poliméricos está diretamente ligado às
propriedades da resina utilizada. Entre outros fatores, a resina é a grande responsável pelo
bom desempenho mecânico do compósito. Entretanto, os responsáveis por um melhor
módulo de elasticidade são os agregados, além de torná-lo viável para a comercialização,
visto que a resina é responsável pelo alto custo do produto final [11].
Na tabela 2.3 pode-se conferir as propriedades comuns aos compósitos de concreto
polimérico formados pelos aglomerantes epóxi e poliéster quando comparados ao concreto
convencional. Diante destas propriedades, observa-se que o concreto polimérico possui
características próprias para aplicações onde são solicitados materiais de alto desempenho e
grande durabilidade.
Tabela 2.3 – Propriedades dos concretos
Aglomerante
Absorção (Kg/dm³)
Resistência à
compressão (Mpa)
PC Epóxi
PC Poliéster
Concreto convencional
Portland
0,02 – 1,0
0,3 – 1,0
50 - 150
50 - 150
Módulo de
Elasticidade
(Gpa)
20 - 40
20 - 40
5-8
13 - 35
20 - 30
Resistência à
Flexão (Mpa)
15 - 50
15 - 45
2-8
2.2.1. Constituintes do Concreto Polimérico
O concreto polimérico é, em essência, uma mistura de duas fases: uma contínua
(resina) e outra de dispersa (areia), onde a mudança da resina aglutinante polimérica
24
influencia o comportamento do concreto polimérico quando comparado com o cimento de
concreto Portland.
Neste trabalho serão estudados como constituintes do concreto polimérico as resinas
epóxi e poliéster como fase contínua e areia virgem como fase dispersa. Estes constituintes
serão descritos mais detalhadamente no capítulo 3.2.
2.2.2. Agregados
Agregados têm um papel importante na produção do concreto polimérico. Eles
determinam a retração do produto final e suas propriedades mecânicas. A seleção adequada
dos agregados influencia na funcionalidade, resistência e durabilidade do material. Uma
mudança muito pequena no conteúdo dos agregados pode trazer mudanças significativas
nas propriedades finais.
Em princípio, qualquer tipo de agregado já utilizado para concreto de cimento pode
também ser usado para fabricação do concreto polimérico. A diferença principal é a
limpeza e a secagem dos agregados: processo essencial na produção do concreto
polimérico.
Em concreto polimérico, normalmente utiliza-se como agregado a areia de fundição.
A maior parte das areias de fundição são originárias de processos de fundição de ferro
cinzento, ferro dúctil e aço, enquanto a fundição de alumínio, cobre, latão e bronze
produzem o restante. A areia de fundição é de alta qualidade, a base de sílica, sendo um
subproduto do processo de moldes de fundição.
25
As características físicas e químicas da areia de fundição dependem, em grande
parte, do tipo de molde em que o setor da indústria está inserido, e as vêm normalmente das
mesmas fontes das areias de construção.
Classificação dos Agregados
Os agregados influenciam todas as propriedades mecânicas do concreto polimérico,
em particular na força de interação através da composição granulométrica e na resistência
de união entre os agregados e os ligantes. Em relação ao dimensionamento, os agregados
podem ser classificados em dois grupos:
•
Agregados Finos (chamados de areia) - tamanho 75 µm a 4,5 mm
•
Agregados Grossos - tamanho 4,5 mm a 50 mm
Agregados podem ser obtidos por dois tipos de processos:
•
Os processos naturais - rega e à abrasão.
•
Os processos artificiais – esmagamento.
A partir destes processos, os agregados podem ser classificados em diferentes tipos:
•
Pedras trituradas ou agregados minerais fabricados.
- Camadas de rocha triturada e reduzida ao tamanho desejado e divida até o
tamanho de grupos desejados;
- Calcário e dolomitos (~ 70%, pesado a leve);
- Granitos (~ 15%, pesado);
- Arenitos (~ 2%, leve).
26
•
Peso Normal
- Cascalhos, areias, brita normal - Densidade 1520-1680 kg/m³, o mais
comumente usado.
•
Peso Leve
- Fabricados ou naturais - densidade inferior a 1120 kg/m³, muitos devem
ser rastreados para obter a distribuição do tamanho desejado e alguns devem ser
triturados.
As rochas são classificadas de acordo com origem em três grandes grupos:
1. Agregados minerais naturais - Cascalho, areia e brita derivado a partir de
fontes naturais.
(a) Rochas ingênuas - Formada pelo resfriamento do magma (matéria de
rocha fundida); granito, basalto. Agregado duro e forte;
(b) Rochas sedimentadas - Rochas estratificada. Calcário, arenito, etc.
Excelente para agregados pobres;
(c) Rochas metamórficas - Rochas ígneas ou sedimentares que mudaram
sua textura original, cristal estrutural, a composição mineralógica ou devido à
condição física e química abaixo da superfície da Terra. Mármore, xisto, ardósia
e etc. Excelente para agregados pobres.
2. Agregados Sintéticos
- Processo térmico de materiais, ou seja, argilas expandidas e xisto
- Agregados feitos a partir de subprodutos industriais, ou seja, alto-forno
cinzas e escórias de cinzas volantes.
27
3. Agregados Reciclados - Feita a partir de resíduos urbanos e de concreto
reciclado provenientes de demolições e pavimentos. Problemas: Custo de
britagem, classificação, controle de poeira, e da separação de componentes
indesejáveis.
Outra descrição dos agregados é dada pela norma ASTM C294, que classifica
agregados da seguinte forma:
•
Silica Minerais (por exemplo, quartzo, opala, calcedônia, tridimita);
•
Feldspatos;
•
Minerais micosos;
•
Minerais Carbonite;
•
Sulfuretos;
•
Minerais ferromagnesianos;
•
Zeolitas;
•
Óxidos Tron;
•
Minerais Clay.
Estas classificações mineralógicas facilitam o reconhecimento das propriedades dos
agregados. Essas propriedades podem depender de características da rocha-mãe, como
química e composição mineral, caráter petrológico e massa específica. Não é aplicável para
forma de partículas, tamanho, textura da superfície, e capacidade de absorção.
28
2.2.3. Resistência Mecânica
A resistência de união entre agregado e ligante é um fator importante no concreto
polimérico. Propriedades como resistência à flexão e à compressão, permeabilidade,
resistência a temperatura e fluência são afetadas por forças de união. Quanto mais áspera a
superfície do agregado e quanto maior for a área em contato com o polímero ligante, mais
forte o concreto será.
A superfície do agregado deve ser limpa e livre de partículas de argila substrato. Os
agregados devem ser secos antes da mistura com a resina. Este é um aspecto muito
importante no processo de fabricação devido à inibição do potencial da resina na presença
de umidade.
2.2.4. Aglomerante
O concreto polimérico é um material que tem uma composição mineral, como
agregado de pedra, cascalho e fragmentos, descritos na seção anterior, e um aglomerante de
polímero, que pode ser um termoplástico, apesar de encontramos com maior freqüência os
termofixos.
Termofixos e termoplásticos compõem as principais classes de materiais plásticos
que podem ser encontrados amplamente no mercado com variedade de propriedades em
função da utilização.
•
Materiais Termoplásticos
Em um material termoplástico as moléculas de cadeias longas são mantidas juntas
pela força atômica relativamente fraca de Van der Waals. Quando o material é aquecido, as
29
forças intermoleculares são enfraquecidas de modo que elas se tornem flexíveis.
Eventualmente, em altas temperaturas, este material se torna viscoso. Quando o material é
exposto ao frio, ele se solidifica novamente. Este ciclo de amolecimento pelo calor e
solidificação pela refrigeração pode ser repetido quase que indefinidamente, sendo uma
grande vantagem, pois fazem parte da base do método de processamento para a maioria
desses materiais. Porém as propriedades dos materiais termoplásticos são sensíveis ao
calor.
Alguns dos termoplásticos mais comuns são:
•
•
Polietileno;
•
Polivivyl Cloreto;
•
Poliestireno;
•
Nylon;
•
Acetato de celulose;
•
Acetal;
•
Policarbonato;
•
PMMA;
•
Polipropileno.
Materiais Termofixos
Um polímero termofixo é produzido por uma reação química que tem dois estágios.
Os resultados do primeiro estágio são a formação de uma longa cadeia molecular
semelhante à dos termoplásticos, entretanto capazes de reagir novamente. O segundo
estágio da reação (ligações de cadeias cruzadas) ocorre durante a moldagem, geralmente
sob a aplicação de calor e pressão. A resultante da moldagem será rígida quando resfriada,
30
porém uma rede estrutural é formada dentro do material. Durante o segundo estágio, as
longas cadeias moleculares são interligadas por fortes uniões, de modo que o material não
possa ser enfraquecido novamente através da aplicação de calor. O material é degradado
pelo calor.
Pelo fato das ligações cruzadas das moléculas serem criadas por ligações químicas
fortes, os materiais termofixos são normalmente bastante rígidos e suas propriedades
mecânicas são sensíveis ao calor.
Alguns materiais termofixos são:
•
Epoxies;
•
Poliésteres;
•
Fenólicos;
•
Formladeído de melamina;
•
Vinil.
Materiais de moldagem fenólicos juntamente com subseqüentes escoamentos
desenvolvidos, materiais termofixos granulares a base de uréia, melamina, resinas de
poliéster insaturado e epóxi hoje constituem a espinha dorsal de inúmeras aplicações
técnicas em função da sua não-fusão, alta resistência térmica e química, rigidez, dureza,
estabilidade dimensional e baixa inflamabilidade. Em muitos casos, as combinações das
propriedades oferecidas pelos termofixos não podem ser igualada pelos concorrentes
termoplásticos de engenharia, tais como poliamidas, PPO, PET ou acetal, nem por produtos
muito mais caros, como polissulfona, polyethersulphone e PEEK.
A estrutura, propriedades e aplicações de alguns termofixos serão explicadas nas
sessões seguintes deste capítulo.
31
2.2.5. Resinas Epóxi
As resinas epóxi formam um grupo de materiais que se tornaram mais
freqüentemente utilizados em engenharia civil e na área industrial. No início era usada
como um adesivo mas, graças às suas excelentes propriedades, tornou-se um verdadeiro
material de construção, abraçando aplicações como revestimento de superfícies, reforço e
reparação. Entretanto, ele ainda apresenta um custo elevado, sendo esta a sua principal
desvantagem.
A resina epóxi é formada basicamente pela reação do bisfenol e da epicloridrina.
Em função da irreversibilidade dessas reações químicas, estas não podem ser reconstruídas
por fusão ou reprocesso. Quimicamente, os epóxidos se caracterizam por possuírem um
grupo de epóxi, onde um átomo de oxigênio é ligado lateralmente a átomos de carbono da
cadeia polimérica. Desta forma, a quantidade de epóxi existente na composição irá
determinar a viscosidade do material, podendo variar de alta viscosidade à baixa [31].
A formulação do epóxi é constituida a partir de pelo menos dois componentes: a
resina, que contém grupos de epóxi como o principal centro de reatividade e uma média de
dois grupos de moléculas, que são chamados de endurecedores.
Cada um desses componentes estão distribuídos de forma estável e não têm
importantes propriedades mecânicas individualmente, mas quando misturados, reagem
exotérmicamente para formar reticules tridimensionais originários de cadeias covalentes
fortes. Quando são endurecidos resultam em um material quimicamente excelente e com
boas propriedades mecânicas.
32
As resinas epóxi comerciais são geralmente produtos de condensação resultante da
reação de Bisfenol A e Epicloridrina, na qual a origem da resina de base com os grupos
hidroxila e epóxi permitem uma reticulação posterior.
A variação na proporção destes componentes produz diferentes níveis de
polimerização da molécula de baixa viscosidade líquida a ponto de fusão elevado. As
resinas líquidas utilizadas na fabricação do concreto polimérico, em geral de baixo nível de
polimerização, são caracterizados de acordo com cinco parâmetros:
•
Viscosidade da resina;
•
Epóxi equivalente;
•
Índice de hidróxido;
•
Peso molecular médio;
•
Distorção térmica.
As formações de uma estrutura tridimensional cruzada obtidas a partir de
hidrogênios epoxídicos ativos nos agentes de endurecimento fornecem à resina epóxi
excelentes propriedades. Algumas resinas epóxi são ligadas entre si através de um agente
de cura, enquanto outros podem reagir com os seus sites (reação própria se um catalisador
apropriado estiver presente).
As propriedades básicas desses sistemas decorrem da estrutura molecular da resina
epóxi. Essas propriedades são afetadas pelo uso de diferentes endurecedores, ou a utilização
de uma combinação diferente de endurecedores, dando lugar a uma grande variedade de
produtos para diferentes aplicações.
A versatilidade na formulação epóxi podem ser demonstradas pela gama de
propriedades que podem ser obtidos:
33
•
Propriedades físicas: módulo de elasticidade com valores de alta e baixa
resistência;
•
Tempo de cura: Instantânea e/ou a longo tempo (às vezes horas);
•
Temperatura de cura: possibilidade de cura em baixas e altas temperaturas;
•
Impermeabilidade: possibilidade de cura com umidade alta;
•
Resistência química: cobrem quase todos os diluentes fromalcohol, acetona,
ácidos orgânicos e ácidos inorgânicos.
Suas consideráveis resistências mecânicas e elétricas, grande adesividade, elevada
rigidez e resistência a ambientes agressivos, bem como a possibilidade de cura em
temperatura ambiente garantem a aplicabilidade do material e por esta razão as tornam as
resinas de base mais utilizada na formação de compósitos da construção civil. Por outro
lado, mesmo com todas estas propriedades atraentes, esta resina apresenta um custo elevado
e, como a maioria das resinas poliméricas, uma sensibilidade à altas temperaturas.
A resina epóxi é uma das mais importantes classes de polímeros termofixos usados
para aplicações estruturais ou como adesivos, pois mostra alta força de interação, elevado
módulo de elasticidade, fácil processamento, boa resistência química e térmica. Entretanto,
em muitas aplicações, sua baixa resistência à fratura é a sua maior deficiência. Após a cura,
os sistemas epóxi apresentam pequena contração, em média na ordem de 2%. Este
comportamento indica que para formar o sistema curado é necessário um baixo grau de
rearranjo molecular. Quanto à estabilidade química, o epóxi é um dos termofixos mais
inertes e possui boa estabilidade dimensional em suas aplicações [33].
34
2.2.6. Poliésteres insaturados
As resinas de poliéster insaturado são amplamente utilizadas como matriz dos
sistemas de concreto polimérico devido à sua boa resistência mecânica e química, boa
trabalhabilidade, alta compatibilidade, baixa viscosidade e custo moderado. A resina de
poliéster insaturada é a mais barata do grupo de resinas termoestáveis, com cura à
temperatura ambiente.
Como resinas epóxi, resinas de poliéster insaturada são também termoestáveis, mas
sua composição química é diferente. No caso de poliéster insaturado, a ligação é produzida
pelas ligações duplas abertas presentes na cadeia linear da resina de base, a qual estabelece
uma união com o monômero de PVC, que dissolve a resina.
Resinas de poliéster têm capacidade de reação e reticulação, as quais são inibidas
em temperatura ambiente. Portanto, para promover a cura, alguns produtos químicos
agentes são necessários: normalmente um acelerador e um catalisador. A formulação da
resina de poliéster tem quatro componentes: base de resina poliéster, diluente reativo,
catalizador e acelerador.
As resinas poliéster de base são materiais viscosos com baixo grau de
polimerização, que são produzidos pela condensação de um glicol com dois ácidos
dicarboxílicos (um saturado e outro insaturado).
Uma grande variedade de resina pode ser encontrada no mercado. A seleção da
resina inclui a escolha dos ácidos e álcoois. Os polímeros comumente utilizados na
composição dos PC´s são os ortoftálicos, obtidos a partir de anidrido ftálico (ácido
saturado) e maléico (ácido insaturado) com propilen-glicol. Comercialmente, a resina é
35
misturada com um diluente reativo, que atua em um agente reticulante que, em geral, é
estireno.
Os iniciadores, normalmente chamados de catalisadores, são agentes químicos
capazes de produzir a decomposição pelos radicais livres que iniciam o processo de
reticulação da resina. Normalmente são utilizados percentuais entre 0,5 a 4% em peso. Os
catalisadores mais comuns são os peróxidos orgânicos, e o mais representativo é o peróxido
de metiletilcetona (MEKP).
Os catalisadores são selecionados com base nas características do processo de
moldagem (temperatura e umidade ambiente) e as configurações do produto final.
Os aceleradores são substâncias reativas capazes de produzir a decomposição dos
iniciadores a temperaturas muito baixas. Os mais comuns são aminas aromáticas e sais
metálicos como naphthalnate cobalto.
Quando o processo de endurecimento da resina é concluído, esta passa a ter
propriedades finais próprias, necessitam de um tempo mínimo para atingirem um ápicegeralmente 1 semana. Estas propriedades variam devido à forma como o reticulado é
produzido:
•
Alta estabilidade dimensional;
•
Boas propriedades mecânicas;
•
Boa resistência química.
Desta forma, os poliésteres são divididos em 4 tipos:
•
Poliésteres saturados termoplásticos: obtidos pela policondensação de ácidos
dibásicos saturados a 200°C;
36
•
Poliésteres saturados termoestáveis: processados através da condensação de
um diácido saturado;
•
Poliésteres
insaturados
curados
por
condensação:
obtidos
pela
policondensação de um glicol saturado com um diácido não saturado,
dissolvidos em um monômero do tipo vinílico;
•
Poliésteres insaturados curados por copolimerização: obtidos por meio de
polimerização, formando uma estrutura molecular tridimensional.
Em concreto polimérico, normalmente, utiliza-se resina do tipo poliéster insaturada
dissolvida em estireno.
2.2.7. Tipos de Concreto Polimérico
Para produzir o concreto polimérico (PC) são necessários um monômero ou um prépolímero (produto resultante da polimerização parcial de um monômero), um endurecedor
(agente cross-linking) e um catalisador são misturados com o enchimento e agregados. É
comum que agentes de ligação de silano sejam utilizados para aumentar a resistência de
união entre a matriz polimérica e os reforços. Para alcançar o pleno potencial do concreto
polimérico, certas aplicações e reforços de fibra diferentes são utilizados. Estes incluem
materiais como fibra de vidro, fibra de carbono e fibras metálicas.
Uma grande variedade de monômeros e pré-polímeros são utilizados para produzir
os concretos poliméricos. Podemos dividir em 4 os tipos de monômeros ou sistemas de prépolímeros mais utilizados:
•
Metacrilato de metila (MMA);
•
Poliéster pré-polímero de estireno;
37
•
Epóxido pré-polímero endurecedor (cross-linking monómero);
•
Álcool furfurílico.
A variedade típica de propriedades dos produtos de PC obtidos a partir de cada um
desses quatro polímeros são apresentados na tabela 2.4.
Tabela 2.4 – Propriedades dos diferentes tipos de concretos poliméricos
Tipo de
Resistência
Resistência
Resistência
Módulo de
Coeficiente
à Tração
à Flexão
Elasticidade
de Poisson
70 – 210
9 – 11
30 – 35
35 – 40
0,22 – 0,33
Poliéster
50 – 150
8 – 25
15 – 45
20 – 40
0,3
Epóxi
50 – 150
8 – 25
15 – 50
20 – 40
0,3
48 – 68
7–8
-
-
-
13 - 35
1,5 – 3,5
-
20 – 30
0,15 – 0,2
aglomerante
à
Compressão
Poli
(Metacrilato
de metila)
Furan
Polímero
Concreto
convencional
Portland
Os PC´s estudados no presente trabalho (PC de poliéster e PC de epóxi) serão
detalhados no capítulo 3. A tabela 2.5 apresenta as caracteristicas gerais e principais
aplicações dos PC estudados.
38
Tabela 2.5 – Aplicações e características gerais do PC
Tipo de aglomerante
Caracteristicas Gerais
Aplicações tipicas
Poliéster
Epóxi
Relativamente resistênte,
boa adesão com outros
materiais; boa resistência
térmica e química.
Forte adesão com outros
materiais de construção;
baixa contração; alta
resistência química; boa
resistência a fadiga e ;
baixa absorção de água.
Devido ao baixo custo, são
vastamente utilizados em
painéis, pisos e em prémoldados e moldados na
construção civil.
Devido ao alto custo, são
usados em ocasiões
especiais como pisos para
indústria e rodovias, para
restauração de estruturas
deterioradas e como
recobrimento de paredes
2.2.8. Concreto Polimérico Acrílico
O polímero acrílico é o mais comum poli (metacrilato de metila) (PMMA), obtidos
por polimerização de metacrilato de metila (MMA). O concreto polimérico confeccionado
com este polímero acrílico como aglutinante será um material versátil, terá excelente
resistência ao intemperismo, boas propriedades de impermeabilização, boa resistência
química, contração relativamente baixa (0,01% e 0,1%) e coeficiente de expansão térmica
equivalente ao de concreto de cimento Portland. Devido a sua baixa tendência para
absorver água, o PC acrílico tem uma alta resistência ao congelamento.
Embora o monômero MMA seja mais caro que os monômeros ou pré-polímeros
usados no PC de poliéster, suas propriedades únicas são responsáveis por sua utilização em
muitas aplicações, incluindo a fabricação de unidades de escadas, produtos sanitários,
meios-fios e placas de fachada. Uma evolução muita bem sucedida tem sido a sua
utilização como material estrutural para reparo de grandes buracos em vãos de pontes. O
39
material consiste de um agregado da classe da estrada e uma matriz produzida pela ligação
cruzada com o MMA trimetacrilato propano trimethylol (TMPTMA).
2.2.9. Concreto Polimérico Poliéster
Devido ao baixo custo, os polímeros mais utilizados são à base de poliéster
insaturado. Na maioria das aplicações, o aglomerante poliéster é o proposto na formulação
de pré-polímero de poliéster insaturado. Essas formulações estão disponíveis na forma de
60 a 80 por cento da solução pré-polimérica em co-polimerização, como monômeros
estireno e estireno-metacrilato de metila. Durante o endurecimento, o pré-polímero de
poliéster e o monômero reagem através de seus grupos insaturados (ligações duplas). A
reação química é chamada cross-linking, sendo os processos de produção associados a ela
referidos como cura. O aglutinante polimérico resultante desta reação é um polímero
termofixo.
O concreto Polimérico de Poliéster tem boa resistência mecânica, aderência
relativamente boa para outros materiais e boa resistência química e ao congelamento. No
entanto, uma grande desvantagem em certas aplicações é a contração após a cura (até dez
vezes maior do que concreto de cimento Portland). O PC de Poliéster é usado em vários
pré-moldados e moldados nos locais de aplicação como obras, ladrilhos, canos de esgoto,
escadas entre outros.
40
2.2.10. Concreto Polimérico Epóxi
O aglutinante epóxi é um polímero termofixo que pode ser temperado com uma
grande variedade de agentes de cura. Os agentes mais utilizados são os poliaminas (por
exemplo, poliaminas terciário). A utilização de endurecedor de poliamina (agentes de cura)
resulta em produtos PC com maior resistência química. Outros agentes de cura são as
poliamidas e os polímeros polissulfeto. Os concretos poliméricos de epóxi curados com
poliamidas têm maior flexibilidade, melhor resistência ao calor e menor risco de tendência
à degradação, mas suas resistências a solventes e produtos químicos são menores do que
para outros produtos semelhantes curados com poliaminas. A utilização de polímeros
polissulfeto produz concretos poliméricos de epóxi com flexibilidade ainda maior.
Os concretos poliméricos de epóxi apresentam adesão de alta resistência para a
maioria dos materiais de baixa definição e de pós-encolhimento, alta resistência à fadiga,
fluência e química. Por serem relativamente caros, os polímeros epóxis não têm sido
largamente utilizados em produtos como PC. Logo, o concreto polimérico de epóxi é
utilizado para aplicações especiais, nas situações em que o custo mais elevado pode ser
justificado. Como exemplos de aplicação temos a argamassa para pisos industriais com
objetivo de fornecer a resistência física e química, sobre-camadas antiderrapagem
(preenchidos com areia, lixa, pedra-pomes, quartzo) em rodovias, gesso epóxi para paredes
exteriores (por exemplo, em painéis expostos) e revestimento de material para áreas
degradadas (por exemplo, em pisos). O concreto polimérico de epóxi reforçado com vidro,
carbono ou fibras de boro é usado na fabricação de painéis translúcidos, cascos de barcos e
carrocerias de automóveis.
41
2.2.11. Concreto Polimérico Furan
Furan são polímeros à base de álcool furfurílico, que são derivados de produtos
agrícolas como espigas de milho, casca de arroz, casca de aveia ou de bagaço de cana de
açúcar. O composto de pré-polímero de furan geralmente é misturado com o álcool
furfurílico, furfural ou formaldeído para produzir polímeros termorrígidos que são
altamente resistentes. As maiorias das soluções aquosas são de ácidos ou bases, solventes
fortes (tais como cetonas), aromáticos e clorados. Os polímeros furan são utilizados como
aglomerantes em argamassas e rejuntes com a finalidade de alcançar pavimentos de tijolos
resistentes a produtos químicos. O tijolo de carbono, tijolo vermelho de xisto e forros são
exemplos da aplicação do material. Além de apresentar resistência química superior, possui
também uma excelente resistência a temperaturas elevadas e a choque térmico.
2.3. Juntas Adesivas
O avanço do uso de materiais compostos em estruturas de grandes portes e
complexas levou a investigações de métodos de adesão e fixação destes. Para a eficiência
estrutural, estruturas compósitas ideais seriam fabricadas de forma integral, como um
componente monolítico. No entanto, as limitações da tecnologia de produção atuais
requerem a presença de juntas em estruturas compósitas. Tanto a fixação mecânica, a
colagem adesiva ou uma combinação das duas, podem fazer uniões de componentes em
materiais compósitos.
O interessante desta técnica é a particularidade de unir materiais diferentes ou com
baixa resistência a alta temperatura, onde o emprego de uma técnica convencional de união,
tal como a soldagem, apresenta diversas desvantagens.
42
As uniões que conectam dois componentes é uma tecnologia comum para a
montagem de estruturas, sendo cada vez mais utilizadas na indústria aeroespacial e
automotiva. Estatísticas mostram que cerca de 70% das estruturas são iniciadas a partir de
uniões.
As estruturas coladas freqüentemente se apresentam mais seguras do que aquelas
montadas através de processos convencionais de fixação mecânica. Contudo, deve ser
levado em conta que uma simples troca do processo de fixação mecânica pelo processo de
união por adesivos é raramente bem sucedida, especialmente quando é exigida elevada
resistência do adesivo.
A inerente vantagem da união adesiva é ao invés da concentração de tensões, a
distribuição dessas tensões. A união adesiva também é atraente do ponto de vista da
redução do peso. Superfícies externas lisas que podem ser obtidas e os custos de montagem
podem ser reduzidos a partir de uniões adesivas, por serem menos onerosa do que a fixação
mecânica quando se trata de grandes áreas. As desvantagens das uniões adesivas são a
necessidade da preparação de uma superfície especial substrato, dificuldade na inspeção
não destrutiva e a não compreensão dos efeitos do ciclo térmico e da alta umidade.
A fixação mecânica mais usada em materiais metálicos, não é adequada para os
materiais compósitos reforçados com fibras. Este fato se deve a características dos
materiais compostos de não poderem se submeter a reduções de concentrações de tensões
nas proximidades de parafusos ou rebites da mesma forma que os metais são submetidos,
ao invés disso pode ocorrer para aliviar a tensão localizada, a divisão intralaminar /
interação ou a matriz e fibras podem descolar. A usinagem e furação de materiais
compósitos, também podem ocasionar danos adicionais ao material, além do aumento na
43
capacidade de falha por cisalhamento interlaminar no compósito. O resultado final é a não
obtenção do potencial total das propriedades físicas de um material compósito.
Os testes mecânicos dos adesivos são realizados na área em que provavelmente
surgirá a primeira falha devido a tensão, ou pelo quanto os substratos do material irão se
aderir. A falha nos quais os adesivos aparentam ser arrancados do substrato às vezes é
evidenciada pela degradação da junta. A importância para esses desenvolvimentos em
testes de resistência das juntas coladas não são apenas no entendimento mecânico das
mesmas, mas também em alguns cuidados com a ciência e química dos adesivos.
As resistências das juntas coladas estão associadas a um sistema de propriedades
dependentes das propriedades dos adesivos, a aderência e interface.
A interação mecânica pode ser considerada diferente da adesão química, entretanto
há influência física na resistência mecânica . Superfícies rugosas e alguns tratamentos de
modificação superficial servem para proporcionar uma melhora na interação mecânica.
A teoria da difusão do adesivo é baseada em hipóteses que um material se funde no
outro. Essa teoria tem como fundamento a adesão polimérica na qual o desenvolvimento
das camadas de fronteira é previsto ao longo de cada cadeia polimérica de dois materiais
entrelaçados. Para isso ocorrer, no mínimo um dos poliméricos tem que ter uma
significante solubilidade no outro. Caso adesão ocorra entre materiais sem solubilidade
significante, existem argumentos contrários a aplicação geral do mecanismo, entretanto,
essa teoria é suportada por um importante controle de viscosidade, temperatura e tipo de
polimérico para determinar a resistência das juntas.
O mecanismos de absorção envolvem forças moleculares secundárias. Aqui a
hipótese da atração intermolecular esta ligada a distância por dispersão de forças, interação
dipolo – dipolo, ponte de hidrogênio, ou outras forças intramoleculares secundárias, embora
44
a interação dipolar em alguns adesivos sejam difíceis de julgar para grandes resistências em
varias juntas puramente com essas forcas moleculares secundárias. A resistência dessas
forças variam de 0.1 a 10 J/mol.
Para padronizar e formalizar os testes de compressão, a American Society for
Testing and Materials (ASTM) e a International Standards Organization (ISO)
compilaram uma descrição completa destes ensaios, que podem ser encontradas no volume
15.06 da ASTM Book of Standards [43]. Os testes de resistência dos adesivos podem ser
classificados em três categorias tradicionais: teste de tração, testes de cisalhamento e teste
peel. Neste trabalho foi realizado apenas os testes de cisalhamento que serão descritos no
capítulo 3.5.
A figura 2.1 apresenta as juntas típicas de adesivos em engenharia.
45
Figura 2.1 – Juntas coladas típicas de adesivos em engenharia
2.3.1. Adesivos
Podemos dividir em três as categorias funcionais dos adesivos: estrutural,
exploração e selagem. Porém nos restringiremos apenas aos adesivos estruturais por
fazerem parte da base deste estudo. Os adesivos estruturais podem suportar consideráveis
cargas mecânicas, e existem vários tipos de adesivos, tais como epóxis, acrílicos e
silicones, sendo os epóxis os adesivos estruturais mais comuns, além de oferecem
resistências superiores de fluência, térmicas e ambientais. Estes adesivos possuem inumeras
aplicações na indústria automotiva e aeroespacial, especialmente quando os materiais das
uniões são diferentes.
46
2.3.2. Defeitos em Juntas Adesivas
A confiabilidade de uma junta unida por adesão depende tanto de fatores intrínsecos
à junta, tal como a sua geometria, como extrínsecos, tais como as condições operacionais às
quais a junta é submetida. Além destes fatores, a confiabilidade de uma junta depende
também da presença de defeitos, que podem ou não ser admissíveis. É importante ressaltar
que estudos estatísticos indicam que 70% das falhas em estruturas são iniciadas nas juntas.
Desta forma, a preparação da junta colada é de vital importância para o funcionamento da
mesma.
Quando consideramos uma junta colada, é necessário que a montagem seja
projetada adequadamente. Não é satisfatório para projetos de juntas a soldagem ou a
rebitagem. Os adesivos são fortes no cisalhamento, compressão e tração, e parecem ser
mais frageis na casca ou cargas de clivagem. As juntas coladas precisam ser projetadas de
modo que o carregamento seja direcionado ao longo das maiores forças de resistência do
adesivo.
A importância do pré-tratamento de superfície na união adesiva de materiais
compósitos tem sido bem estabelecida por um número de pesquisadores, e tem sido
documentada para remover contaminações de camadas, aumento da polaridade e da energia
livre de superfície de um polímero e/ou o aumento da área disponível para adesão.
Outro fato de extrema importância é a molhabilidade: desde o período de duração
de algumas fases da aplicação, onde o adesivo está completamente molhado até a aderência
a fim de formar o contato íntimo necessário para uma forte união.
47
Sendo primeiro líquido, o fluxo de adesivos sobre a superfície do sólido substrato
interage com a finalidade de criar forças intermoleculares, devido ao contato. Então, como
resultado do processo de cura de adesivo, eles se tornam sólidos fortes que mantem contato
com as superfícies, os mantendo unidos. A necessidade usual de limpeza da superfície é
necessária: a menos que o adesivo possa dissolver óleos residuais e graxas ou o local de
contato de união com a superfície subjacente ocorra. Um depósito de detritos soltos na
superfície de contato gera um enfraquecimento da união, pois as forças intermoleculares
não se formam adequadamente.
Modelos simplificados [44, 53, 56] e cálculos em elementos finitos [34, 52]
mostram que, em uma junta adesiva, tanto a tensão normal quanto a cisalhante atingem seu
valor máximo nas proximidades das margens das juntas coladas. Essas concentrações de
tensão muitas vezes levam à falha da junta. Em uma junta adesiva são possíveis três tipos
de falhas:
•
Falha adesiva, que ocorre no substrato / interface adesiva;
•
Falta de coesão a qual ocorre no adesivo e o último tipo de falha é a mista:
ela começa como uma trinca no adesivo e rapidamente torna-se uma falha
coesiva.
2.3.3. A natureza dos defeitos
A porosidade é causada por partículas voláteis e ar aprisionado no adesivo. A
porosidade está, portanto, presente na maioria das uniões coladas. Trincas no adesivo são
devido a um problema de cura (cura e/ou o encolhimento térmico) ou por altas tensões
aplicadas, seja por carregamentos extremos ou por repetição (fadiga). As áreas locais de
48
cura são pobres devido ao sistema incorreto de misturas em grandes áreas adesivas,
havendo possibilidade de se estender através da linha total colada. A porosidade também
pode ocorrer por formação incorreta, mistura incorreta ou exposição térmica insuficiente.
Às vezes, curas pobres se autocorrigem com o tempo em que a reação química continua,
ainda que lentamente. No entanto, o componente está em um ambiente frio e é rapidamente
submetida a tensões, logo ocorrerá falha.
Os vazios são devido ao ar que permanece preso pela aplicação insuficiente do
arranjo da cola ou adesivo. Grandes vazios não podem ser causados por partículas voláteis,
a menos que o sistema adesivo esteja incorreto.
Superfícies descoladas são uma forma alternativa de vazio, muitas vezes causada
quando o adesivo é aplicado a um substrato apenas, com um volume desigual de cada lado,
onde o adesivo e o substrato estão em contato mas não há nenhuma força de ligação
suficiente entre eles. Tais defeitos podem ser causados por má preparação da superfície,
não remoção completa da película de fabricação, ou por um substrato solto. Quanto a saber
se algum desses defeitos são críticos, isso dependerá de sua extensão, posição e natureza da
tensão aplicada. Os defeitos precisam ser analisados para concluir se a união poderá ou não
ser aceita para a aplicação a que se destina.
A presença da porosidade é um forte indicativo de uma má fabricação de juntas,
maior do que uma falha localizada, especialmente para baixos carregamentos. Em longo
prazo, esses defeitos podem permitir rápida penetração de água ou substâncias agressivas,
ou fornecer os sítios para a nucleação de falha por fadiga.
49
Figura 2.2 – Defeitos típicos em juntas coladas
2.3.4. Modos de Falha em juntas coladas entre substratos compósitos
A preparação inadequada da superfície substrato ou interface adesiva pode acarretar
em falha da junta colada. Este tipo de defeito deve ser tratado como um problema de
controle de qualidade. A tensão substrato irá ocorrer como resultado de uma tensão no
plano, e possivelmente, por tensões de flexão. Falhas transversais na superfície são dadas
pelo resultado de contrações da razão de Poisson e é visto frequentemente à 0º na camada
do substrato, ou seja paralelo com o carregamento. A falha interlaminar no substrato será
provocada pelo intermédio do plano / espessura de cisalhamento e / ou através da espessura
de tensão (ou seja, aderência). A falha adesiva será no cisalhamento ou na perda de
aderência. Em geral, um adesivo dúctil é preferível à uma alternativa frágil (e forte).
50
A figura 2.3 apresenta os tipos de falhas.
Figura 2.3 – Tipos de falhas
2.3.5. Análise de tensões de juntas adesivas coladas
A união adesiva, a carga é transmitida suavemente de um substrato para outro. Essa
transferência de carga ocorre através da região de espessura da camada adesiva, ou seja, o
adesivo serve como um meio de transmissão do carregamento. A principal diferença entre
união adesiva e uniões com parafusos são as áreas fixadas: a área adesiva colada é maior do
que a área dos parafusos. A concentração de tensão é minimizada devido à grande área
colada, e as distribuições de tensões tornam-se mais uniformes na região da cola.
As tradicionais análises de juntas duplas coladas, por exemplo, desenvolvidas por
Ruyne / Volkersen [7,8] e Hart-Smith [9], leva em consideração deformações axiais no
substratos assim como deformações de cisalhamento em seu adesivo. Em aplicações onde a
flexibilidade no cisalhamento é muito maior nas camadas adesivas do que no substrato, que
51
é o caso quando a rigidez ao cisalhamento dividido pela espessura do adesivo são muito
menores quando comparado com a rigidez ao cisalhamento dividido pela espessura do
substrato, isto leva a previsões bastante precisa das tensões de cisalhamento no adesivo. No
entanto, um passo significativo no sentido de proporcionar uma resolução mais precisa das
deformações de cisalhamento e tensões de cisalhamento nas juntas coladas foi vista por
Tsai et.al. [12], que incluiu deformações cisalhantes no substrato em sua análise.
Os pressupostos básicos são os seguintes:
•
A tensão de cisalhamento na camada adesiva não varia com a espessura.
•
As tensões longitudinais nos substratos não variam com a espessura.
•
Os substratos e as camadas adesivas são linearmente elásticas, e o momento no
bordos das juntas são ignorados.
Para juntas adesivas tradicionais, a distribuição das tensões de cisalhamento
geralmente pode ser previstas com precisões razoáveis sem ter deformações de
cisalhamento no substrato. No entanto, desde os substratos presentes em articulações são
assumidas como contato direto, deformações cisalhamantes no substratos governam as
distribuições de tensões de cisalhamento e devem ser contabilizadas.
A tensão de cisalhamento na interface entre o substrato colado perfeitamente é
regida pela equação diferencial obtida pelo Tsai et al. [12] para a tensão de cisalhamento na
camada adesiva flexível de juntas duplas coladas, que será vista no capítulo seguinte.
52
2.3.6. Análise de tensões em juntas duplas coladas
Figura 2.4 – Dimensionamento do corpo de prova para juntas duplas coladas
É conhecido, a partir, por exemplo, Hart-Smith [9] que tensões normais através da
espessura podem ocorrer nos adesivos das juntas duplas coladas. Em particular, nas juntas
compostas por substratos espessos, as graves falhas no mecanismos de laminação, por
exemplo, podem ser devido a tensões excessivas nas interfaces. Para juntas adesivas com
geometrias semelhantes à esboçada por um conjunto colado, figura 2.5, a tensão normal
crítica através da espessura ocorre nas extremidades livres (do substrato exterior) em y =
l/2, quando expostas a cargas externas de tensão. Em seguida, a tensão normal através da
cola em y = l/2 são de compressão, enquanto as tensões correspondentes a y = -l/2 são de
tração. Para o carregamento de compressão externa, o sinal dessas tensões normais são
invertidos. Embora o mecanismo crítico de falha para juntas com carregamentos de tração
pode ser devido a adesão, outros mecanismos de falha, por exemplo no caso esmagamento
53
no substrato, geralmente dominantes para carregamentos de compressão. Assim, a
extremidade livre do substrato exterior, y = l/2, é o local mais crítico com relação à adesão
das juntas duplas coladas. No entanto, em muitos casos, é relativamente simples reduzir as
tensões normais através da espessura neste local. Por exemplo, optando por um projeto com
uma redução suave da espessura do substrato exterior, isto reduzirá consideravelmente as
tensões máximas de adesão nas extremidades livre.
Figura 2.5 – Diagrama de corpo livre do CP
O diagrama de corpo livre de um elemento infinitesimal na região da cola é
mostrado na figura 2.6. O equilíbrio da força nos exteriores e interiores do substrato na
figura 2.6 fornece às seguintes equações diferenciais:
54
dT0
+ τ = 0,
dx
(2.1)
dTi
− 2τ = 0,
dx
(2.2)
Onde, To , Ti nas equações (2.1) e (2.2) representam as tensões longitudinal por
unidade de largura no exterior e interior do substrato, respectivamente. τ é a tensão de
cisalhamento na camada adesiva. As relações deslocamento - deformação longitudinal dos
substratos são:
du 0
T
= ε0 = 0 ,
dx
E0 t 0
(2.3)
dui
T
= εi = i ,
dx
Ei ti
(2.4)
Onde u 0 , ε 0 , E 0 e t 0 são o deslocamento longitudinal, a deformação, o módulo de
elasticidade, e espessura do substrato exterior, respectivamente. E u i , ε i , Ei e t i são os
respectivos componentes relacionados ao substrato interior, neste caso como o substrato
interior e exterior serão iguais, ou seja, de mesmo material e com o mesmo
dimensionamento, logo o E0 e t 0 serão iguais ao Ei e t i .
Sabemos que a equação que relaciona a tensão cisalhante em deformação cisalhante
é dada por:
τ = Ga γ =
Ga
η
(ui − u0 ),
(2.5)
Onde Ga é o módulo de cisalhamento do adesivo, γ e n são as deformações de
cisalhamento e espessura da camada adesiva, respectivamente.
55
Tomando a derivada com relação a x na equação (2.5) e na equação (2.1), teremos:
dτ Ga du i du 0
=
(
−
),
dx η dx
dx
(2.6)
d 2T0
dτ
=− .
2
dx
dx
(2.7)
Substituindo as equações (2.6), (2.3) e (2.4) na equação (2.7), temos:
d 2T0
G du du
G T
T
=− a ( i − 0)=− a ( i − 0 )
2
η dx
dx
η Ei t i E 0 t 0
dx
(2.8)
O equilíbrio de forças requer que o somatório das forças longitudinais nos
substratos externa e interna sejam iguais à força aplicada P, ou seja,
P = Ti + 2T0 or Ti = P − 2T0
(2.9)
Substituindo a equação (2.9) em (2.8), pode-se obter uma equação diferencial de
segunda ordem para To, com relação a x da seguinte forma:
d 2T0
G P
− λ2T0 = − a ,
2
E i t iη
dx
(2.10)
Onde
λ2 =
Ga
η
(
2
1
+
)
Ei t i E 0 t 0
(2.11)
As condições de contorno associadas são
T0 = 0 ; x =
T0 =
l
2
P
1
; x=−
2
2
(2.12)
(2.13)
Onde l é o comprimento da região coladas.
A solução da equação diferencial. (2.10) pode ser escrita como
56