- PGMEC - Universidade Federal Fluminense
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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. 13 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