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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
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Faculdade de Engenharia
Faculdade de Física
Faculdade de Química
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FIBRAS DA SEMENTE DO AÇAIZEIRO (EUTERPE OLERACEA
MART.): AVALIAÇÃO QUANTO AO USO COMO REFORÇO DE
COMPÓSITOS FIBROCIMENTÍCIOS
UBIRAJARA MARQUES LIMA JÚNIOR
ENGENHEIRO CIVIL
DISSERTAÇÃO PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM
ENGENHARIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
PORTO ALEGRE, MARÇO DE 2007
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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
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Faculdade de Engenharia
Faculdade de Física
Faculdade de Química
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FIBRAS DA SEMENTE DO AÇAIZEIRO (EUTERPE OLERACEA
MART.): AVALIAÇÃO QUANTO AO USO COMO REFORÇO DE
COMPÓSITOS FIBROCIMENTÍCIOS
UBIRAJARA MARQUES LIMA JÚNIOR
ENGENHEIRO CIVIL
ORIENTADOR: ELEANI MARIA DA COSTA, PROFª.DRª.
CO-ORIENTADOR: SANDRO CAMPOS AMICO, PROF.DR.
Trabalho realizado no Programa de Pós-Graduação em Engenharia e
Tecnologia dos Materiais - PGETEMA, como parte dos requisitos para a
obtenção do título de Mestre em Engenharia e Tecnologia de Materiais.
PORTO ALEGRE, MARÇO DE 2007.
i
Aos meus pais, Ubirajara e Norma, que merecem o meu respeito e a quem devo toda
minha educação e apoio na vida acadêmica.
À minha esposa Tatiana, pelo amor, incentivo, apoio e compreensão.
Aos meus filhos, Carolinne e Carlos Eduardo, eternas fontes de inspiração alegria e
amor incondicional.
ii
AGRADECIMENTOS
- À Prof.
a
Dr.
a
Eleani Maria da Costa, pela sua adjetiva orientação, incentivo e
oportunidades de aprendizado.
- Ao Prof. Dr. Sandro Campos Amico, pela sua precisa co-orientação, estímulo e
sabedoria.
- Aos Professores Ms. Fernando Recena e Ms. Luis Ernani, pela contribuição
técnica e oportunidades de aprendizado.
- Aos professores Ms. Clementino dos Santos Filho e Ms. José Zacarias da Silva
Júnior pela receptividade e colaboração na infra-estrutura para a realização dos
ensaios realizados em Belém.
- A todos os professores, colegas e funcionários do PGETEMA, pelo ótimo convívio
e contribuições durante o curso.
- Aos técnicos da Faculdade de Engenharia da PUCRS Eduardo Reinhardt da Cruz,
Eduardo Perosa e da UNAMA Ailton dos Anjos pela ajuda e contribuição nos
experimentos.
- À minha família na ajuda do beneficiamento primário das fibras a partir das
sementes de açaí.
iii
“Felix qui potuit rerum cognoscere causas”
Virgílio
[Geórgica, Livro II, linha 490]
iv
RESUMO
O presente trabalho investiga pela primeira vez a possibilidade de utilização de
fibras vegetais oriundas do subproduto da extração da polpa de açaí, fruto da estirpe
Euterpe oleracea, como material alternativo para o setor de construção civil. O estudo
envolveu aspectos relacionados à determinação de propriedades da fibra tais como
morfologia e propriedades físico-químicas, à produção de corpos-de-prova com
diferentes teores de fibra, além de ensaios físicos (massa específica, porosidade aparente
e absorção de água) e mecânicos (ensaios de compressão axial, de tração na flexão e de
tração por compressão diametral) para avaliação de desempenho do material final, bem
como a proporção mais adequada de fibra em relação ao cimento Portland dentre os
traços ensaiados. Os compósitos cimentícios reforçados com fibras de açaí não
apresentaram perda significativa de resistência à compressão. Além disso, as fibras
incrementaram de forma satisfatória a resistência à tração (aproximadamente 13% em
média) de fibrocimentos produzidos com este reforço. O reforço proposto apresentou
um bom desempenho de adesão com a matriz e conseqüente comportamento pós-fissura
inerente aos fibrocimentos, reforçando a região adjacente à fratura. Compósitos
reforçados com fibra de açaí in natura apresentaram boas propriedades mecânicas.
Portanto, as fibras de açaí, material disponibilizado a custo zero, são passíveis de
aplicação como reforço de matrizes cimentícias, proporcionando um bom desempenho
mecânico e reduzindo o custo do produto final, devido ao valor das fibras incorrer
somente no seu beneficiamento, que pode ser manual e inserido em contexto social.
v
ABSTRACT
The present work investigates for the first time the possibility of using vegetable
fibers originated from the açaí pulp extraction, fruit of Euterpe oleracea, as an
alternative material for the construction sector. This study comprised studies related to
the determination of fiber properties such as morphology and physicochemical
properties, to composites manufacturing by different fiber rates in Portland cement
matrixes, besides the evaluation of properties of the final material, such as physical
properties (specific gravity, apparent porosity and water absorption) and mechanical
tests (compressive, flexural and split strength tests) evaluating the better fiber rate in the
specimens produced. The cement based composite reinforced with açaí fiber did not
present a significant decrease on compressive strength. Besides, these fibers increased
the tensile strength (approximately 13% in average) the fibrocement materials produced
with this reinforcement. The proposed reinforcement presented a good performance
regarding adhesion to the matrix and consequently post-crack behavior inherent to
fibrocement, strengthening the region near the fracture. Composite materials reinforced
with non-treated açaí fiber presents good mechanical properties. In all, the açaí fibers,
which may be obtained at near zero cost, showed the potential to be used in cement
matrixes as a reinforcement providing an adequate mechanical performance and
reducing the cost of the final product. Besides, the use of these fibers may be beneficial
to families responsible for their extraction and preliminary treatment, and therefore
social and economical aspects are also involved if new applications are found for the
açaí fibers.
vi
SUMÁRIO
I – INTRODUÇÃO 14
II - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 17
2.1 - Aspectos Gerais Sobre os Materiais Compósitos................................................... 17
2.1.1 - Definição............................................................................................................ 17
2.1.2 - O Sistema Compósito e suas Propriedades........................................................ 18
2.1.3 - Classificação e Principais Tipos.de Materiais Compósitos ............................... 23
2.1.3.1- Materiais Compósitos Fibrosos.................................................................. 26
2.1.3.2 - Compósitos com Fibras Descontínuas...................................................... 28
2.1.3.3 - Compósitos com Fibras Descontínuas e Alinhadas.................................. 30
2.2.3.4 - Compósitos com Fibras Descontínuas e Aleatoriamente Orientadas ...... 31
2.2 - Os Materiais Compósitos com Fibras Vegetais..................................................... 32
2.2.1 - Fibras Vegetais como Material de Reforço........................................................ 35
2.2.2 - Principais Tipos de Fibras Lignocelulósicas e Suas Propriedades..................... 38
2.2.2.1 - Fibras de Quenafe (Papoula-do-são-francisco)........................................ 38
2.2.2.2 - Fibras de Juta............................................................................................. 39
2.2.2.3 - Fibras de Bambu....................................................................................... 41
2.2.2.4 - Fibras de Coco ou Coir............................................................................. 42
2.2.2.5 - Fibras de Sisal........................................................................................... 43
2.3 - Fibrocimentos Baseados em Fibras Vegetais.......................................................... 46
2.3.1 - Fibrocimentos..................................................................................................... 46
2.3.2 - Fibrocimentos Verdes........................................................................................ 49
2.4 - O Açaizeiro, seus Produtos e a Fibra Oriunda da Semente ................................ 50
III - METODOLOGIA EXPERIMENTAL 58
3.1 - Caracterização da Fibra da Semente do Açaí........................................................ 58
vii
3.1.1 - Caracterização Morfológica............................................................................... 58
3.1.2 - Caracterização Físico-Química.......................................................................... 60
3.1.2.1.- Análise do pH (NBR 7220/1987).............................................................. 60
3.1.2.2 - Análise Termogravimétrica....................................................................... 61
3.1.2.3 - Análise por Espectrometria de Infra-vermelho......................................... 61
3.1.2.4 - Massa Específica....................................................................................... 61
3.1.2.5 - Dimensões Médias.................................................................................... 62
3.2 - Produção dos Compósitos........................................................................................ 63
3.2.1 - Composição do Fibrocimento............................................................................ 64
3.2.1.1 - Preparação das Fibras................................................................................ 65
3.2.2 - Proporções das Misturas Cimentícias................................................................ 66
3.2.2.1 - Primeiro Lote de Corpos-de-Prova........................................................... 66
3.2.2.2 - Segundo Lote de Corpos-de-Prova........................................................... 69
3.2.3 - Moldagem dos Corpos-de-Prova........................................................................ 71
3.3 - Caracterização dos Compósitos............................................................................... 72
3.3.1 - Ensaios de Determinação de Propriedades Físicas............................................ 72
3.3.2 - Ensaios Mecânicos............................................................................................. 74
3.3.2.1 - Ensaio de Compressão Simples (NBR 5739/1994 e NBR 7215/1996).... 74
3.3.2.2 - Ensaio de Tração na Flexão (NBR 12142/1991)..................................... 75
3.3.2.3 - Ensaio de Tração por Compressão Diametral (NBR 7222/1994)............ 76
IV - APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 79
4.1 - Propriedades da Fibra ............................................................................................. 79
4.1.1 - Morfologia......................................................................................................... 79
4.1.2 - Propriedades Físico-Químicas........................................................................... 85
4.1.2.1 - O pH......................................................................................................... 85
4.1.2.2 - Termogravimetria...................................................................................... 85
4.1.2.3 - Espectrometria de Infravermelho.............................................................. 87
4.1.2.4 - Massa Específica....................................................................................... 88
4.1.2.5 - Dimensões Médias.................................................................................... 89
4.1.2.6 - Coeficiente de Flexibilidade, Índice de Runkel, Índice de Enfeltramento
e Fração Parede........................................................................................................ 92
viii
4.2 - Propriedades dos Compósitos.................................................................................. 93
4.2.1 - Propriedades Físicas ...................................................................................... 93
4.2.1.1 - Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água.................. 93
4.2.2 - Propriedades Mecânicas ................................................................................ 96
4.2.2.1 - Resistência à Compressão Simples........................................................... 96
4.2.2.2 - Resistência à Tração na Flexão................................................................. 98
4.2.2.3 - Resistência à Tração por Compressão Diametral...................................... 99
4.2.3 - Propriedades Microestruturais........................................................................ 102
V – CONCLUSÕES 104
VI - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 106
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 108
APÊNDICES 114
APÊNDICE A - Amostragem e tratamento estatístico das larguras da fibra.................... 114
APÊNDICE B - Amostragem e tratamento estatístico do comprimento da fibra............. 115
APÊNDICE C - Amostragem, médias e desvios padrão das propriedades físicas
da fibra................................................................................................................................. 116
ANEXOS 117
ANEXO 1 - Curva termogravimétrica da fibra de sisal (Agave sisalana) obtida por
Monhnacz et al.................................................................................................................... 117
ANEXO 2 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 01ARG aos 7 dias.................. 118
ANEXO 3 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 01ARG aos 28 dias................ 119
ANEXO 4 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 02MIN aos 7 dias................... 120
ANEXO 5 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 02MIN aos 28 dias................. 121
ANEXO 6 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 03MAX aos 7 dias................. 122
ANEXO 7 - Relatório de ensaio à compressão da mistura 03MAX aos 28 dias............... 123
ANEXO 8 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T100F aos 7 dias.................... 124
ANEXO 9 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T100F aos 28 dias.................. 125
ix
ANEXO 10 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T203F aos 7 dias.................. 126
ANEXO 11 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T203F aos 28 dias................ 127
ANEXO 12 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T304F aos 7 dias.................. 128
ANEXO 13 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T304F aos 28 dias................ 129
ANEXO 14 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T405F aos 7 dias.................. 130
ANEXO 15 - Relatório de ensaio à compressão da mistura T405F aos 28 dias................ 131
ANEXO 16 - Resultado de ensaio à tração na flexão aos 7 dias, p. 1 de 2 (CIENTEC).... 132
ANEXO 17 - Resultado de ensaio à tração na flexão aos 7 dias, p. 1 de 2 (CIENTEC).... 133
ANEXO 18 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T100F
aos 7 dias............................................................................................................................. 134
ANEXO 19 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T100F
aos 28 dias........................................................................................................................... 135
ANEXO 20 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T203F
aos 7 dias............................................................................................................................. 136
ANEXO 21 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T203F
aos 28 dias........................................................................................................................... 137
ANEXO 22 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T304F
aos 7 dias............................................................................................................................. 138
ANEXO 23 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T304F
aos 28 dias........................................................................................................................... 139
ANEXO 24 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T405F
aos 7 dias............................................................................................................................. 140
ANEXO 25 - Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T405F
aos 28 dias........................................................................................................................... 141
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - (a) Viga de concreto simples; (b) viga de concreto armado; (c) fratura
da viga de concreto; (d) sistema compósito do concreto armado
funcionando......................................................................................................................... 20
Figura 2.2 - Classificação dos Materiais Compósitos segundo Agarwal........................... 25
Figura 2.3 - Fibras descontínuas; (a) fibras alinhadas e (b) alinhamento aleatório............ 30
Figura 2.4 - Estrutura do mero da celulose......................................................................... 33
Figura 2.5 - Estrutura das células ou fibras da madeira simplificada................................. 34
Figura 2.6 - Classificação das fibras lignocelulósicas........................................................ 35
Figura 2.7 - Representação esquemática de uma fissura através de fibrocimento reforçado com
fibras vegetais.............................................................................................................. 47
Figura 2.8 - Ocorrência geográfica espontânea da espécie Euterpe oleracea no Brasil.... 52
Figura 2.9 - Ilha do Combu, foto aérea (A) e de moradia ribeirinha típica (B).................. 53
Figura 2.10 - Ocorrência do açaizeiro em Belém e anatomia básica da planta.................. 54
Figura 2.11 - Seqüência fotográfica da Feira do Açaí no complexo do mercado Ver-o-
Peso em Belém.................................................................................................................... 55
Figura 2.12 - Anatomia da semente do açaizeiro ............................................................... 57
Figura 2.13 - Evidência das fibras nas sementes pós extração da polpa............................ 57
Figura 3.1 - Fotografias ilustrando as amostras preparadas para a observação das fibras de açaí
no MEV............................................................................................................................... 59
Figura 3.2 - Fotografias ilustrando o processo de metalização das amostras para análise no
MEV. (A) as amostras no equipamento de sputtering; (B) tabela de controle da espessura do
filme; (C) amostras recobertas com ouro; e (D) porta-amostras na bandeja de entrada do
MEV.................................................................................................................................... 60
Figura 3.3 - Exemplo de medida das dimensões efetuadas com auxílio de software
CAD..................................................................................................................................... 62
Figura 3.4 - Exemplo de medida do comprimento das fibras............................................. 63
Figura 3.5 - Fotografias das (A) fibras drenando em peneiras metálicas e (B) água residual do
xi
cozimento............................................................................................................................ 65
Figura 3.6 - Fotografias das (A) fibras sendo pesadas e (B) adição de fibras à pasta de cimento
e água..................................................................................................................... 66
Figura 3.7 - Fotografias da (A) adição de água ao cimento; (B) adição de fibras à pasta; (C)
moldes cilíndricos; e (D) corpos-de-prova prismáticos na forma imediatamente após a
moldagem............................................................................................................................ 68
Figura 3.8 - Fotografias da (A) argamasseira; (B) fibras e metade d’água; (C) fibras, parte
d’água e parte do cimento; (D) mistura completa; (E) adensamento; e (F) corpos-de-prova
moldados.............................................................................................................................. 69
Figura 3.9 - Corpo-de-prova da primeira etapa rompido e da segunda, no momento do
ensaio................................................................................................................................... 74
Figura 3.10 - Esquema do ensaio prescrito pela NBR 12142/1991.................................... 76
Figura 3.11 - (A) Esquema do Ensaio de Tração por Compressão Diametral e (B) Corpo-de-
prova pronto pro ensaio....................................................................................................... 78
Figura 4.1 - Micrografia do perfil longitudinal da fibra com ampliação de 620x.............. 80
Figura 4.2 - À esquerda, um microgrão e, à direita, baixo relevo impresso por outro na
superfície da fibra com ampliação de 4441x....................................................................... 80
Figura 4.3 - Fibra com configuração longitudinal em “Y” e encontro dos prolongamentos com
fissura (no detalhe) com ampliação de 145x............................................................... 81
Figura 4.4 - Visão geral da amostra I (secção transversal) com ampliação de 48x............ 81
Figura 4.5 - Secção transversal com ampliação de 823x.................................................... 82
Figura 4.6 - Lume a partir da secção longitudinal com ampliação de 1633x..................... 82
Figura 4.7 - Detalhe do lume cortado longitudinalmente e camadas de microfibrilas visíveis
na parte inferior com ampliação de 3265x.......................................................................... 83
Figura 4.8 - Trecho do lume “suspenso” e evidência do comportamento espiralado, com
aumento de 3576x............................................................................................................... 83
Figura 4.9 - Representação esquemática proposta da estrutura morfológica interna
simplificada das fibras........................................................................................................ 84
Figura 4.10 - Fibras submetidas ao ensaio da NBR 7220/1987.......................................... 85
Figura 4.11 - Curva termogravimétrica para a fibra da semente do açaizeiro.................... 86
Figura 4.12 - Espectro de infravermelho das fibras da semente do açaí............................ 88
xii
Figura 4.13 - Algumas dimensões possíveis determinadas com auxílio de software CAD.
Fibra real, fibra virtual, larguras médias da seção, larguras médias do lume, área da
seção e área do lume............................................................................................................ 90
Figura 4.14 - Imagem escaneada das fibras no papel milimetrado e dimensões obtidas em
software CAD. Fibras dispostas no papel milimetrado e dimensões sobre o negativo da
imagem................................................................................................................................ 91
Figura 4.15 - Histograma da freqüência da classificação do comprimento da fibra de
açaí....................................................................................................................................... 92
Figura 4.16 - Corpos-de-prova Rompidos em Compressão e Detalhe do Desempenho das
Fibras................................................................................................................................... 98
Figura 4.17 - Corpos-de-prova Rompidos no Ensaio de Tração por Compressão Diametral aos
28 dias (A) e na prensa (B) e dispostos fora do equipamento............................................. 100
Figura 4.18 - Fotografias do CP2-T304F (A) e do CP2-T203F (B) com o referido
defeito.................................................................................................................................. 100
Figura 4.19 - Microestrutura da fratura dos compósitos evidenciando fibras alinhadas
verticalmente....................................................................................................................... 103
Figura 4.20 - Microestrutura da fratura dos compósitos evidenciando fibras alinhadas no
sentido horizontal................................................................................................................ 103
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Propriedades Típicas de Alguns Materiais de Engenharia............................. 21
Tabela 2.2 - Avaliabilidade de Algumas Fibras Naturais na Índia e suas Aplicações........36
Tabela 2.3 - Propriedades Físicas e Mecânicas de Algumas Fibras Vegetais.....................45
Tabela 2.4 - Produção de Compósitos Cimentícios (Fibrocimento)....................................49
Tabela 3.1 - Composição das Misturas Cimentícias – I...................................................... 68
Tabela 3.2 - Composição das Misturas Cimentícias – II..................................................... 70
Tabela 4.1 - Dimensões das fibras de açaí.......................................................................... 91
Tabela 4.2 - Relações entre as dimensões da fibra de açaí.................................................92
Tabela 4.3 - Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água da Primeira
Batelada de Compósitos...................................................................................................... 94
Tabela 4.4 - Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água da Segunda
Batelada de Compósitos...................................................................................................... 94
Tabela 4.5 - Resistência à Compressão Axial da Primeira Batelada Compósitos.............. 96
Tabela 4.6 - Resistência à Compressão Axial da segunda batelada de compósitos........... 97
Tabela 4.7 - Resistência à Tração na Flexão aos 7 Dias......................................................99
Tabela 4.8 - Resistência à Tração por Compressão Diametral............................................99
14
I - INTRODUÇÃO
As alterações ocorridas na biosfera em função da extração, utilização e degradação dos
recursos naturais ao longo da evolução humana têm gerado uma corrida em busca de soluções
para que se fomente uma nova era evolutiva, com a plena conscientização e prática de
desenvolvimento sustentável. Nos países mais desenvolvidos, em função do nível mais alto de
degradação destes recursos, têm-se políticas ambientais bastante desenvolvidas amparadas por
uma legislação rígida.
Neste contexto, o papel da Engenharia de Materiais é de inovação tecnológica a fim de
ampliar as opções de insumos materiais em função justamente do desenvolvimento
sustentável. Projetos de engenharia devem atualmente levar em conta aspectos ambientais,
visando à redução dos impactos ambientais desde a extração de recursos – que
preferencialmente devem ser renováveis – até a degradação do material final processado
quando de seu descarte. Um projeto de produção em série também precisa preferencialmente
empregar o conceito de desenvolvimento em interdisciplinaridade com a responsabilidade
social e levar em conta formas de inserção da demanda da mão-de-obra em contrapartida ao
declínio social, conseqüente do processo de industrialização na evolução da humanidade.
A aplicação de novos materiais oriundos de fontes renováveis vem se tornando cada
vez mais freqüente e algumas iniciativas bem sucedidas com relação à qualidade do produto e
à responsabilidade social tem se tornado referência. Um exemplo é o caso da indústria
automobilística da Alemanha e do Brasil que utiliza compósitos reforçados com fibras
vegetais como material de estofamento de assentos dos automóveis europeu Mercedes Classe
E e brasileiro Mercedes Classe A, fabricados pela Daimler Chrysler. O automóvel fabricado
no Brasil utiliza fibras da casca do coco, subproduto das indústrias alimentícia e cosmética,
aglutinadas em borracha natural, o látex – polímero natural obtido a partir da seringueira
(Hevea brasiliensis) como estofamento devido a características análogas às de espumas
15
tradicionais
[1]
. Um outro exemplo é o projeto desenvolvido pela Agência Americana para
Desenvolvimento Internacional (United States Agency for International Development) em
Georgetow, na Guiana, que trata sobre a extração de fibra de coco (cocus nucifera) para
produtos de jardinagem, tais como vasos autodrenantes, berçários para germinação de
sementes e misturas nutrientes para solos de plantio
[1, 2, 3]
.
A utilização das fibras vegetais como materiais é muito antiga, sendo utilizadas sua
forma primitiva na produção manual de utensílios variados desde 3.000 a.C. É crescente o
número de publicações científicas sobre a utilização de fibras vegetais como materiais de
engenharia. Há estudos sobre a utilização de fibras de sementes como o algodão; fibras de
caule como a juta o linho e o cânhamo; fibras de folhas como a bananeira, o sisal, a piaçava, o
curauá; fibras de fruto como o coco; e fibras de raiz como o zacatão e a mandioca, entre
outras. O uso das fibras da casca de coco em novos materiais é bastante disseminado para a
produção de produtos variados, de tapetes de porta e mantas geotêxteis para contenção de
taludes escavados e margens de aqüíferos à tecidos e acessórios vestuários, além dos
exemplos supracitados. As fibras de sisal (Agave sisalana), componente tradicional de tapetes
e cordas, estão sendo muito estudadas na substituição do amianto das tradicionais telhas de
fibrocimento, que ainda são a mais comum e econômica solução de cobertura para habitação
popular. Há de se atentar que a utilização dessas fibras vegetais no fibrocimento é
sanitariamente correta, pelo fato de o amianto, nome comercial do silicato natural hidratado
de cálcio e magnésio, de textura fibrosa, ser um mineral nocivo que pode causar asbestose –
pneumoconiose provocada pela inalação de partículas de asbesto – em seres humanos e que
pode ocorrer tanto no seu processo de fabricação como na instalação das telhas por operários
ou ainda na exposição ao risco de contaminação da água de consumo humano quando
reservadas em caixas d’água de cimento-amianto comercializada popularmente por muitos
anos
[4, 5, 6]
. Para o caso das fibras de sisal, as possibilidades para o Brasil, especialmente para
o Norte e o Nordeste do país, são várias devido à extensa variedade de espécies de sua flora,
resíduos de algumas indústrias – e.g. as de água e óleo de coco, cana-de-açúcar, extração de
palmito – e a mão-de-obra ociosa de regiões isoladas pouco desenvolvidas. Na Amazônia
brasileira, há exemplos especiais, além das fibras de coco há o curauá (Bromelia plumieri),
bromeliácea de onde é extraída a fibra que é processada como polpa ou pasta celulósica para
fabricação de papel pela Amazon Paper, fábrica do POEMAtec – extensão do POEMA – em
Ananindeua, região metropolitana de Belém. Há ainda diversas espécies com potencial para
extração de fibras, e.g. palmeiras de açaí (Euterpe oleracea Mart.) e de buriti (Mauritia
16
vinifera Mart.)
[7, 8]
.
O presente trabalho visa contribuir para a área de materiais compósitos reforçados com
fibras, experimentando de modo inédito a possibilidade de utilização de fibras vegetais
oriundas do subproduto da extração da polpa de açaí, fruto da estirpe Euterpe oleracea, como
material alternativo para o setor de construção civil. Salienta-se que no processo de extração
para comercialização de seus consumíveis primários, o fruto e o palmito, há uma grande
geração de resíduos que precisam de uma destinação adequada. A Euterpe oleracea Mart. é
uma palmeira abundante nos estuários de rios, em terrenos de várzea, igapós e terra firme, da
região Norte e na parte amazônica nordestina na transição da área de divisa territorial dos
estados do Pará e Maranhão, tendo suas maiores reservas naturais no Estado do Pará. A
extração da polpa comercial do fruto, para consumo como alimento humano, é efetuada por
meio do esmagamento e posterior filtração através de peneira. Consiste em um processo que
envolve a adição de água em quantidades variadas, que depende da qualidade do produto que
se quer obter em uma graduação de viscosidade. O suco, ou vinho de açaí, é um alimento
muito comum semi-industrializado em mesoregiões do Norte. Existem máquinas mecânicas
de pequeno porte em vários pontos comerciais de todos os bairros de Belém, capital do Pará.
O litro do produto no ano de 2006 custava de R$ 3,00 a R$ 9,00 – em média em Belém – e
chegava a R$ 0,30 em micro regiões de vilas e povoados de municípios mais isolados da
Amazônia paraense
[8, 9]
.
Neste trabalho, investigou-se a possibilidade de utilização das fibras obtidas da
semente do açaí a partir do processo de despolpação do fruto em compósitos cimentícios, os
quais podem ser empregados para fins diversos, como telhas, placas (ou painéis de vedação),
pisos intertravados, concretos e concretos pré-moldados de cimento Portland. O estudo
envolveu aspectos relacionados à determinação de propriedades da fibra e à proporção
adequada de fibra em relação ao cimento Portland, além de ensaios mecânicos e físicos para
avaliação do desempenho do material final como fibrocimento.
17
II – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 – Aspectos Gerais Sobre os Materiais Compósitos
2.1.1 – Definição
Pelo fato da ainda recente necessidade do desenvolvimento de novos materiais
industrializados que combinem propriedades de materiais já existentes, estes novos materiais
chamados de materiais compósitos não possuem ainda um conceito definitivo ou globalizado,
embora este tipo de material seja utilizado pela humanidade desde o princípio da civilização.
Segundo Jones
[10]
materiais compósitos são “dois ou mais materiais combinados em
escala macroscópica formando um terceiro material”. Já Schwartz
[11]
considera que “um
material compósito é um sistema composto de materiais resultante de uma mistura ou
combinação de dois ou mais macroconstituintes diferentes em forma e/ou composição e que
são essencialmente insolúveis entre si”. Jastrzebski
[12]
conceitua de uma forma bem sucinta,
“materiais compósitos são aqueles constituídos de pelo menos dois diferentes tipos de
materiais de tal forma a assegurar as propriedades ótimas (do material formado)”. Da mesma
forma, bem generalizada, Callister
[13]
considera materiais compósitos como sendo “qualquer
material multifásico que exiba uma proporção significativa das propriedades de ambas as
fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades”.
De acordo com Agarwal
[14]
em uma definição simples, a palavra compósito significa
“constituído de duas ou mais partes distintas”, e ainda, “compósitos consistem em uma ou
mais fases descontínuas embebidas em uma fase contínua. A fase descontínua é normalmente
mais dura e resistente do que a fase contínua e é chamada de material de reforço, enquanto
que a fase contínua é chamada de matriz”. O autor atenta ainda para o que chama de exceção,
que seria a classe de materiais conhecida como polímeros de borracha-modificada, que
consistem em uma matriz rígida de polímero preenchida com partículas de borracha. Jones
[10]
18
e Schwartz
[11]
dão ênfase ao caráter macroscópico dos materiais que constituem os
compósitos, pois se assim não fosse, as ligas metálicas e os copolímeros, por exemplo,
deveriam ser então chamados de materiais compósitos. Para não permitir entendimentos
precipitados que tornariam todas as concepções prévias que já se conhece nulas sobre vários
tipos de materiais, faz-se necessário outras ponderações, as quais estes referidos autores
mencionam como “caráter macroscópico”, haja vista que em ligas metálicas, por exemplo,
também há uma divisão de desempenhos no sistema entre os constituintes da mistura. Em
seguida, o que mais se necessita definir no conceito de materiais compósitos é que o “material
final é oriundo da combinação de propriedades de materiais conhecidas, com a finalidade de
se produzir um novo material ideal para uma aplicação específica”.
Já que o material compósito é constituído de dois ou mais materiais conhecidos, por
que não chamá-los de materiais compostos? Nesse questionamento está fundamentado o
raciocínio para a concepção ideal do conceito dos materiais compósitos. Não se chama
compostos pelo fato de que estes materiais não são formados simplesmente por dois ou mais
materiais, mas há um porquê que determina a combinação de materiais, que é o
funcionamento do material final como um sistema que combina as propriedades dos materiais
constituintes.
2.1.2 – O Sistema Compósito e suas Propriedades
Para uma melhor compreensão do que consiste um material compósito, em termos do
funcionamento do seu desempenho mecânico, é preciso que se tenha a pré-concepção de que
se deve entender este novo material como um sistema. O sistema compósito funciona de
acordo com a combinação das propriedades da matriz e do material de reforço.
As propriedades dos materiais compósitos são fortemente influenciadas pelos
materiais constituintes, suas concentrações e distribuições e por todas as interações por estes
geradas dentro do sistema. As propriedades do material compósito podem ser uma relação
matemática de percentuais das propriedades dos materiais constituintes, ou estes materiais
constituintes podem interagir de forma sinérgica tal que proporcione propriedades no sistema
compósito, não estimáveis numericamente considerando simplesmente os volumes
percentuais dos materiais constituintes
[14]
.
O funcionamento do sistema compósito é determinado pelos materiais constituintes,
19
em função das propriedades destes de forma mútua. O reforço – que é concebido como um
material de estrutura – geralmente determina a forma geométrica do material compósito e
também a densidade e a distribuição volumétrica específica que preferencialmente deve
tender à homogeneidade. Há exceções, e.g. compósitos laminares. Contudo, é possível se
obter dois materiais compósitos diferentes constituídos por reforços de geometrias idênticas.
O reforço de um sistema compósito pode ser função da sua concentração simples ou em
termos mais complexos, como o arranjo da distribuição espacial orientada. As combinações
geradas pela especificação dos materiais constituintes e do processo de manufatura
determinam as propriedades dos materiais compósitos
[14]
.
Talvez o exemplo mais clássico de material compósito seja o concreto de cimento
Portland – ou CCP. O concreto comum, de construção, constituído pela tríade cimento
hidráulico, agregados muídos e graúdos, ou seja, cimento Portland, areia e cascalhos ou
pedras. Atrelado ao CCP tem-se uma infinidade de variações de concretos também da
construção civil – já que novas combinações surgiram em respostas aos novos desafios da
engenharia –, como os concretos para execução de simples fundações superficiais até os
concretos de alto-desempenho com sistema de articulação estrutural usados em pontes, com
elementos de neoprene, nas modernas pontes projetadas para suportar terremotos. Outro
exemplo de concreto muito comum é o CBUQ, Concreto Betuminoso Usinado à Quente, mais
comumente conhecido como asfalto, com subvariações à parte, mas muito presente no dia-a-
dia.
Uma combinação ideal de um sistema compósito pode ser ilustrada através da Figura
2.1, onde se tem uma viga de concreto armado – concreto de cimento Portland (CCP) e
armadura de aço – com um carregamento central F. O CCP fraturaria facilmente, enquanto
que quando da sua combinação com a armadura de aço há a combinação ideal de
propriedades, compondo a propriedade do material compósito. O concreto resiste com
excelência à compressão, enquanto que os esforços de tração do sistema são suportados
integralmente pela armadura de aço, um reforço.
Jones
[10]
também discorre sobre as possibilidades de combinações resultantes
considerando-se as melhores propriedades de cada material no compósito como um todo,
apontando que o sucesso do compósito, ou seja, o sucesso da perfeita combinação de
propriedades em função da forma como fora arranjado o sistema, é definido pelo bom projeto
de manufatura do produto final. Este autor cita como algumas propriedades que se pode
combinar com o processo de materiais compósitos a fim de se obter um material de
engenharia ideal para uma aplicação específica:
● Resistência mecânica;
● Dureza;
● Resistência à fadiga;
● Resistência à corrosão;
● Resistência à abrasão;
● Densidade;
● Isolamento ou condutividade térmica;
● Isolamento acústico
● Magnetismo (para compósitos com metais).
Figura 2.1 – (a) Viga de concreto simples; (b) viga de concreto armado; (c) fratura da
viga de concreto; (d) sistema compósito do concreto armado funcionando.
Na Tabela 2.1, a seguir, pode-se comparar as propriedades típicas de alguns materiais
de engenharia produzidos em escala industrial, incluindo alguns dos compósitos mais
comuns. Nota-se, a partir da Tabela 2.1, que os compósitos apresentam ótimas propriedades
em relação aos outros materiais. De uma forma geral, a partir da manufatura desses novos
materiais é possível reduzir mais de 50% a densidade em relação aos metais, elevando-se
muito o módulo de elasticidade e a resistência à tração em relação aos polímeros.
Comparando-se a liga de alumínio 6061-T6 com o compósito de resina epóxi reforçada com
fibra de vidro, observa-se a redução pela metade da densidade mantendo-se o módulo de
elasticidade praticamente inalterado e aumentando-se cerca de quatro vezes a tensão de
ruptura.
20
21
Segundo Mazumdar
[15]
o custo por peso dos materiais compósitos é muito maior que
para materiais tradicionais. Por exemplo, é em torno de cinco a vinte vezes maior, comparado
ao aço e ao alumínio. A seguir estão alguns custos por quilo de alguns materiais:
● fibra de vidro = US$ 2,00 a US$ 17,00/kg;
● fibra de carbono = US$17,00 a US$ 88,00/kg;
● resina epóxi = US$ 3,30/kg;
● prepreg carbono/epóxi = US$ 26,45 a US$ 132,30/kg;
● aço = US$ 0,45 a US$ 2,20/kg;
● alumínio = US$ 1,30 a US$ 2,20/kg.
Tabela 2.1 – Propriedades Típicas de Alguns Materiais de Engenharia.
Material
Densidade
(g/cm³)
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
Resistência
à Tração
(GPa)
Módulo
Específico
(E/densidade)
Resisistência
Específica
(resist./densidade)
Temperatura
Máxima de
Serviço (ºC)
Metais
Ferro fundido, grau 20 7,0 100 0,14 14,3 0,02 230 — 300
Aço, AISI 1045 7,8 205 0,57 26,3 0,073 500 — 650
Alumínio 2024-T4 2,7 73 0,45 27,0 0,17 150 — 250
Alumínio 6061-T6 2,7 69 0,27 25,5 0,10 150 — 250
Polímeros
Nylon® 6/6 1,15 2,9 0,082 2,52 0,071 75 — 100
Polipropileno 0,90 1,4 0,033 1,55 0,037 50 — 80
Epóxi 1,25 3,5 0,069 2,80 0,055 80 — 215
Fenólico 1,35 3,0 0,006 2,22 0,004 70 — 120
Cerâmicas
Alumina 3,80 350 0,17 92,1 0,045 1425 — 1540
MgO 3,60 205 0,06 56,9 0,017 900 — 1000
Compósitos de Fibras
Descontínuas
Fibra epoxi (35%) 1,90 25,0 0,30 8,26 0,16 80 — 200
Fibra poliéster (35%) 2,00 15,7 0,13 7,25 0,065 80 — 125
Fibra nylon (35%) 1,62 14,5 0,20 8,95 0,12 75 — 110
Fibra nylon (60%) 1,95 21,8 0,29 11,18 0,149 75 — 110
Compósitos
Unidirecionais
Fibra de vidro/epoxi
(45%)
1,81 39,5 0,87 21,8 0,48 80 — 215
Carbono/epoxi (61%) 1,59 142,0 1,73 89,3 1,08 80 — 215
Aramida
(Kevlar®)/epoxi (53%)
1,35 63,6 1,10 47,1 0,81 80 — 215
Fonte: Mazumdar
[15]
.
Porém, é fundamental lembrar que a densidade de metais é comumente muito maior
22
que a de materiais compósitos e que estes últimos são produzidos em larga escala, tornando
então a sua produção plenamente viável em um leque de aplicações.
A concentração dos materiais constituintes, responsável direta pela densidade dos
materiais compósitos, é normalmente mensurada em termos de percentual de volume ou peso
dos mesmos. A contribuição de um único constituinte nas propriedades do material compósito
é determinada principalmente por esse parâmetro, a qual pode ser controlada através de
variações no processo de fabricação. As concentrações de materiais constituintes como partes
em uma matriz representam a homogeneidade ou uniformidade do sistema. A homogeneidade
do material compósito é uma característica importante que determina a extensão na qual um
volume representativo de material – quer matriz, quer reforços – pode diferenciar em
propriedades físicas e mecânicas a partir das propriedades que se referem ao material
compósito, ou seja, as propriedades do sistema. Baixas concentrações pontuais devem ser
evitadas, pois a não-uniformidade prejudica as propriedades que são governadas pela
interação reforço/matriz
[14]
.
A orientação do reforço influencia diretamente a isotropia do sistema compósito.
Quando o reforço está na forma de partículas, com todas as dimensões aproximadamente
iguais, o material compósito comporta-se essencialmente como um material isotrópico, cujas
propriedades independem da direção. Quando as dimensões do reforço são desiguais, o
material compósito pode ainda se comportar como um material isotrópico, desde que o
reforço possa ser disposto aleatoriamente, como por exemplo, o caso de compósitos
reforçados com fibras curtas. Dependendo do processo de fabricação (por exemplo, por
extrusão) é possível induzir a orientação do reforço gerando anisotropia. Em compósitos
reforçados com fibras contínuas, como compósitos unidirecionais ou laminares, a anisotropia
pode ser desejada e obtida através da escolha do processo de fabricação adequado
[14]
.
A distribuição da concentração das partículas ou fibras refere-se às suas relações
espaciais, umas em relação às outras. Há a possibilidade de as partículas estarem dispersas
uniformemente em um material compósito e alocadas em posições regulares sem que duas
unidades de reforços se toquem. Em contrapartida, é aceitável supor que a dispersão do
reforço se dê de uma forma tão bem arranjada que estas formem uma cadeia tal qual uma
trama, com as partículas ligadas todas umas às outras numa trilha contínua dispersa
espacialmente. Isso se dá quando ocorre a menor taxa possível de empacotamento do reforço,
podendo-se fazer uma analogia ao fator de empacotamento das células unitárias de arranjos
atômicos cristalinos. Tal como uma rede, a dispersão pode influenciar significativamente as
23
propriedades elétricas dos materiais compósitos. Um exemplo interessante de um caso desse
tipo é a dispersão da grafita em borracha sintética. Acima de uma concentração de 10% a
condutividade elétrica deste material compósito aumenta notavelmente, a qual é atribuída à
formação da rede do reforço de grafita
[14]
.
A facilidade de se manipular as propriedades dos materiais compósitos juntamente
com o potencial de industrialização fazem com que estes materiais sejam muito importantes
para o desenvolvimento da humanidade, somando-se ainda ao caráter financeiro e
possibilidade de utilização de materiais ecologicamente corretos, a fim de minimizar os
impactos ambientais, como materiais naturais. Estes últimos podem vir a ser os materiais que
irão ditar o rumo da evolução dos materiais compósitos.
2.1.3 – Classificação e Principais Tipos de Materiais Compósitos
Ainda não há uma classificação universal oficial dos materiais compósitos. Existem
vertentes acadêmicas que agrupam os compósitos de acordo com sua forma, processo, tipo de
matriz, tipo de reforço, entre vários outros critérios. O que faz com que se tenha uma
considerável variedade de classes distintas entre si. Segundo Clyne, Schwartz e Ferrante apud
Gil
[16]
, os materiais compósitos podem ser classificados de acordo com o constituinte da
matriz em: compósitos de matriz polimérica (CMP); compósitos de matriz metálica (CMM);
e, compósitos de matriz cerâmica (CMC). Onde os CMP são interessantes por sua leveza e
baixo custo, os CMM por suas propriedades mecânicas e os CMC por sua resistência a altas
temperaturas e resistência ao desgaste. Ou ainda os materiais compósitos podem ser
classificados segundo a natureza e disposição do reforço (geralmente fibras, escamas ou
partículas) no interior da matriz em: compósitos fibrosos, compósitos particulados,
compósitos escamados e compósitos laminares. Ou ainda, a classificação pode se dar quanto à
forma do reforço, que se apresenta como partículas, whiskers e fibras contínuas ou
descontínuas, lâminas e escamas. Designando-se assim os materiais compósitos em:
compósitos fibrosos, compósitos particulados, compósitos escamados e compósitos laminares.
Segundo Jones
[10]
os quatro tipos de materiais compósitos são os seguintes: materiais
compósitos reforçados com fibras, que consiste em um sistema composto por fibras em uma
matriz; materiais compósitos laminados, formado por camadas de vários materiais; materiais
compósitos particulados, que é um sistema com partículas em uma matriz; e combinações de
24
alguns ou dos três tipos anteriores, também chamados por alguns autores de compósitos
híbridos, normalmente quando há mais de um reforço. Já Agarwal
[14]
agrupou os materiais
compósitos a partir de dois grandes grupos e respectivos subgrupos, com mecanismo de
reforços semelhantes, como está esquematizado na Figura 2.2. Segundo este autor, o
mecanismo de reforço depende fortemente da geometria do reforço, o que faz com que seja
conveniente agrupar, ou seja, classificar, os materiais compósitos com referência a mais
representativa unidade de reforço.
O critério básico para a classificação da Figura 2.2 é a diferença entre os dois tipos de
reforço, partícula e fibra. Onde tem-se que uma partícula é naturalmente não-fibrosa, podendo
ser esférica, cúbica, tetragonal, escamada ou quaisquer outras formas regulares ou irregulares,
sendo que a forma sempre será possível de se aproximar por abstrações matemáticas, que se
aproximam das quatro formas supracitadas. A fibra, por sua vez, é caracterizada pelo seu
comprimento ser muito maior que a sua secção transversal
[14]
.
Em função do escopo do presente trabalho, comentar-se-á somente materiais
compósitos fibrosos.
25
Figura 2.2 – Classificação dos materiais compósitos segundo Agarwal
[14]
.
MATERIAIS COMPÓSITOS
COMPÓSITOS FIBROSOS
COMPÓSITOS PARTICULADOS
ORIENTADOS NÃO-ORIENTADOS COMPÓSITOS UNILAMINARES
(Incluindo-se compósitos com
Iguais orientações e propriedades
Idênticas em cada lâmina)
COMPÓSITOS LAMINARES
COMPÓSITOS FIBROSOS
CONTÍNUOS
COMPÓSITOS FIBROSOS
DESCONTÍNUOS
ORIENTADOS NÃO-ORIENTADOS
ORIENTADOS NÃO-ORIENTADOS
REFORÇO
UNIDIRECIONAL
REFORÇO BIDIRECIONAL
(Reforços combinados, tecido
de fibras contínuas)
IV – APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
4.1 – Propriedades da Fibra
4.1.1 – Morfologia
É válido lembrar que nesta amostragem as fibras que foram analisadas
morfologicamente no MEV não sofreram nenhum tratamento prévio. A estrutura morfológica
estudada neste capítulo está assim focada na forma estrutural lignocelulósica da fibra, i.e. da
estrutura da celulose arranjada espacialmente com a lignina.
A Figura 4.1, mostra a superfície da fibra da semente do açaizeiro obtida a partir da
Amostra III (Figura 3.1-C). Nota-se a presença de alguns círculos com uma saliência interna
em relevo espalhados aleatoriamente sobre a superfície da fibra, que são microgrãos da polpa
do fruto, sensíveis ao tato na degustação. Pelo fato de as fibras de açaí se encontrarem no
mesocarpo juntamente com a polpa, têm-se vários extrativos no material lignocelulósico, i.e.
resíduos da polpa não removidos na despolpa do fruto, visto que tais fibras analisadas no
MEV não terem sido submetidas ao tratamento das fibras da Primeira Etapa deste trabalho.
Na Figura 4.2 se pode notar que o baixo relevo à direita da imagem tem o resultado da
forma de um microgrão impresso, que foi extraído da superfície da fibra.
Macroscopicamente é possível notar que as fibras retiradas da parte superior da
semente (Amostra IV na Figura 3.1-C) apresentam bifurcações em seus prolongamentos,
tomando a forma de um “Y”, longitudinalmente. Pode-se visualizar este tipo de fibra na
Figura 4.3, em um aumento pequeno (145x) e inclusive uma pequena fissura no encontro dos
prolongamentos bifurcados. Esta característica pode levar esta região da fibra a apresentar
baixa resistência mecânica, dependendo da direção do esforço.
Como mencionado na metodologia, a amostra para análise da seção transversal
(Amostra I na Figura 3.1-C) foi obtida através de corte com estilete. Em função desse corte
79
era de se esperar uma deformação na amostra, i.e. um achatamento da secção transversal em
função da pressão inicial da lâmina com as fibras até o início do corte. Porém, a visualização
das amostras no MEV (Figura 4.4) indicou que o achatamento da secção transversal não
existia somente na região de corte, prolongando-se ao longo da fibra e, portanto levando a crer
que as fibras originalmente possuem uma secção transversal mais próxima de uma forma
elíptica, característica não identificável macroscopicamente. O formato elíptico da fibra é
também perceptível pelo tato, fazendo-se movimentos de rolamento da fibra entre o polegar e
o indicador.
Figura 4.1 - Micrografia do perfil longitudinal da fibra com ampliação de 620x.
Figura 4.2 - À esquerda, um microgrão, e à direita, baixo relevo impresso por
outro na superfície da fibra com ampliação de 4441x.
80
Figura 4.3 - Fibra com configuração longitudinal em “Y” e encontro dos
prolongamentos com fissura (no detalhe) com ampliação de 145x.
Figura 4.4 - Visão geral da Amostra I (secção transversal) com ampliação de 48x.
Na Figura 4.5, com uma ampliação maior, pode-se ver que as secções transversais
obtidas estão bem próximas das seções originais, tendo então sofrido pouca deformação em
função do corte, a não ser pela possível criação de vazios em volta do lume com maior
prolongamento na direção axial.
Na micrografia da Figura 4.6, pode-se ver parte do lume – no lado esquerdo da
imagem, sobreposta por cima e por baixo por aglomerados de microfibrilas (cadeia polimérica
de celulose linear). Isso indica que nesse ponto houve a mudança da posição do corte em
81
relação ao eixo do lume, passando do lado espacial posterior ao plano do papel para o lado
espacial entre o plano do papel e o leitor.
Figura 4.5 - Seção transversal (Amostra I) com ampliação de 823x.
Figura 4.6 – Lume a partir da seção longitudinal (Amostra II) com ampliação de 1633x.
Na Figura 4.7, pode-se ver as camadas de microfibrilas compreendidas entre intervalos
da altura da fotomicrografia. Esta imagem corresponde à mesma região da secção longitudinal
da Figura 4.6, com camadas de microfibrilas visíveis na parte inferior, diferenciadas pela
alteração da orientação das fibrilas.
L
L
L
u
u
u
m
m
m
e
e
e
82
Figura 4.7 – Detalhe do lume cortado longitudinalmente e camadas de
microfibrilas visíveis na parte inferior com ampliação de 3265x.
Na micrografia da Figura 4.8 pode-se notar um trecho do lume que foi extraído quase
que intacto da sua situação natural, onde se pode notar o comportamento espiralado do
mesmo, traduzindo a direção helicoidal de desenvolvimento deste.
Figura 4.8 - Trecho do lume “suspenso” e evidência do comportamento
espiralado, com aumento de 3576x.
A Figura 4.9 apresenta, de forma infográfica básica, a proposta de estrutura
morfológica lignocelulósica interna, simplificada, da fibra de semente de açaí, não estando
representados no desenho os detalhes superficiais e as variações de orientação longitudinal da
fibra.
L
L
L
u
u
u
m
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e
e
e
C
C
C
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m
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b
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b
r
r
r
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i
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l
l
a
a
a
s
s
s
83
Concebeu-se o desenho a partir da projeção da secção transversal elíptica na terceira
dimensão e a abstração matemática geométrica encontra-se na Figura 4.9 nas formas de F
1
e
F
2
, os focos da elipse, e de D e d, diâmetro maior e diâmetro menor, respectivamente.
Entretanto, é válido ressaltar que as seções naturais reais destas fibras não são perfeitamente
elípticas, sendo mais achatadas que estas e não possuindo, portanto, as constantes
matemáticas de focos e diâmetros de elipse, o que levou a adoção de outras referências
dimensionais que serão expostas em 4.1.2.5. Em 3D idealizou-se cortes retangulares perfeitos
das camadas, desde a camada superficial até a camada adjacente ao lume, separadas neste
intervalo por várias camadas de microfibrilas orientadas em espiral.
Figura 4.9 - Representação esquemática proposta da estrutura morfológica interna
simplificada das fibras de açaí.
84
4.1.2 – Propriedades Físico-Químicas
4.1.2.1 – O pH
Conforme descrito em 3.1.2.1, foi determinado o pH da fibra da semente do açaizeiro
por colorimetria, a partir da coloração da solução onde as fibras ficaram imersas durante o
ensaio comparou-se com gradiente de cores e obteve-se o pH igual a 6 (seis). A Figura 4.10
mostra a coloração da solução resultante da submissão das fibras ao ensaio prescrito pela
NBR 7220
[48]
. Assim, pode-se inferir que se trata de uma fibra de baixa alcalinidade. Há
indicações, a partir disto, que um tratamento químico de ataque à lignina provavelmente
reduziria ainda mais a alcalinidade das fibras, visto que a fibra pós-tratamento seria
constituída em sua maior parte de celulose.
Figura 4.10 – Fibras submetidas ao ensaio de pH segundo a NBR 7220/1987.
4.1.2.2 – Termogravimetria
A Figura 4.11 mostra a curva termogravimétrica para a fibra da semente de Euterpe
oleracea. Alguns comentários iniciais sobre as reações específicas desta fibra serão
discorridos a seguir, levando-se em consideração curvas de outra fibra lignocelulósica, o sisal,
muito utilizada como reforço para materiais de engenharia.
85
Já que as fibras analisadas não sofreram nenhum tipo de tratamento que não a lavagem
em água corrente, outros materiais não-celulose compõem a amostra. Os fenômenos
implícitos na curva termogravimétrica da Figura 4.11 incluem processos de degradação de
celulose, hemicelulose, lignina e pectina, entre outros materiais constituintes dos vegetais em
geral, além de açúcares e outros, devido às fibras de açaí serem provenientes do mesocarpo,
onde se encontra a polpa frutífera.
Figura 4.11 - Curva termogravimétrica para a fibra da semente do açaizeiro.
Assim como na curva termogravimétrica para o sisal, de trabalho publicado por
Monhnacz et al.
[58]
, observa-se pelo menos três estágios de degradação em ambas as curvas.
Após a remoção da umidade, o primeiro estágio está relacionado com a degradação
superficial, pertinente à parede celular mais externa (com poucas microfibrilas de celulose em
uma matriz mais volumosa de lignina e hemicelulose, basicamente
[59]
). A decomposição do
material celulósico (presente em maior parte
[59]
) na curva do açaí se dá após os 350˚C e na
curva do sisal a partir dos 360˚C.
Nas duas curvas termogravimétricas supramencionadas observa-se, além dos estágios
final e inicial, uma subdivisão no intervalo entre os estágios extremos por uma variação
86
relativamente abrupta do coeficiente angular da curva, i.e. alteração da cinética de
degradação. Contudo, Monhnacz et al., opus citatum, detectaram que as fibras de sisal
submetidas a tratamento químico superficial apresentam maior resistência térmica, o que leva
à suposição de que para as fibras de açaí, o tratamento, além da possibilidade real do aumento,
contribuiria para uma melhor definição do comportamento termogravimétrico do material,
visto que o tratamento químico removeria parcelas de material não-celulose. Todavia o
presente trabalho não contemplou estudos pertinentes a tratamentos químicos precipuamente,
nem de forma paralela ao objetivo principal desta pesquisa, por questões de praticidade e por
não dispor de um tempo mais extenso e verba para pesquisas mais avançadas.
Pode-se observar ainda na Figura 4.11, que a maior parcela de material tem sua
degradação iniciada com mais de 300˚C, o que leva ao fato de que estas fibras de açaí
apresentam razoável resistência térmica até a degradação total (cerca de 650˚C), superior
inclusive às de sisal obtidas por Monhnacz et al.
[58]
(vide Anexo 1).
4.1.2.3 – Espectrometria de Infravermelho
O espectro obtido a partir da exposição das fibras de açaí à radiação infravermelha
encontra-se apresentado na Figura 4.12. A presente análise foi idealizada para uma simples
identificação de ligações químicas comuns aos materiais lignocelulósicos, e.g. celulose,
hemicelulose e lignina.
Como comentado no Capítulo II, a celulose é composta por meros de anidro-glicose.
Dentre os polímeros naturais amorfos presentes nas plantas terrestres, encontra-se a lignina,
que é formada pela polimerização dos álcoois cumarílico, coniferílico e sinapílico, a variação
da proporção resulta diferentes tipos de lignina. Também se encontra a hemicelulose (“meia
celulose”), que é um polissacarídeo da parede celular primária e constituída de uma mistura
de polímeros de hexoses, pentoses (com fórmulas gerais de C
5
H
8
O
4
e C
6
H
10
O
5
) e ácidos
urônicos
[23, 59]
.
A presença do reforço (celulose) e da matriz naturais (lignina, hemicelulose e pectina)
no espécime ensaiado pode ser inferida a partir do estudo dos picos representados na Figura
4.12. Em função da vibração molecular da hidroxila (OH) do mero celulósico ocorrer
inclusive com número de onda de 3.200 a 2.500 cm
-1
, possivelmente o pico P
1
(2.862 cm
-1
)
atesta a presença da hidroxila da celulose. A banda de 1.760 a 1.710 cm
-1
(P
2
) se refere à
ligação C=O de ácidos carboxílicos (hemicelulose). A banda de 1.600 a 1450 cm
-1
(P
3
, forte)
87
se refere à ligação C=C de aromáticos (lignina). A banda de 1.400 a 1.200 cm
-1
, se refere à
ligação C−O também de ácidos carboxílicos. Entretanto, nenhuma informação foi encontrada
na literatura consultada
[60, 61, 62]
para o número de onda referente ao pico P5 (1.014 cm
-1
).
Figura 4.12 – Espectro de infravermelho das fibras da semente do açaí.
4.1.2.4 – Massa Específica
As três repetições do ensaio de imersão de 1 g de fibra em 15 mL de álcool etítlico
apontaram o mesmo deslocamento visual, com o menisco do nível do líquido imediatamente
abaixo de 16,0 mL, na proveta com resolução de 0,5 mL, i.e. um deslocamento de
aproximadamente 0,9 mL. Já para o caso da proveta com resolução de 0,1 mL, a quantidade
de 0,5 g de fibra em 6,0 mL de álcool, também com o mesmo valor para as três repetições,
resultou no deslocamento do nível de líquido para a linha intermediária entre as marcas de 6,4
e 6,5 mL, i.e. cerca de 0,45 mL. Tais valores se confirmam a partir da relação de 1 : 2 entre as
resoluções das duas provetas utilizadas.
88
A partir do valor de deslocamento volumétrico de ambas provetas, idêntico em todas
as três repetições de cada, foi então estimado que as fibras da semente do açaizeiro possuem
uma massa específica levemente mais elevada que a da água, em torno de 1,11 g/cm³ (d =
1,11 ± 0,05 g/cm³).
4.1.2.5 – Dimensões Médias
As dimensões da seção transversal para as fibras de açaí, determinadas conforme
descrito na seção 3.4.2, estão exemplificadas na Figura 4.13. Nesta figura, apresenta-se a
imagem obtida no MEV (Figura 4.13-A), a apropriação em desenho vetorial (Figura 4.13-B),
o cálculo das larguras maior “L” e menor “l” para a fibra (Figura 4.13-C), diâmetro de lume
maior “D” e menor “d”, área da seção transversal para a fibra (Figura 4.13-E) e para o lume
(Figura 4.13-F). Foram efetuadas 50 mensurações para cada dimensão da seção transversal.
Devido à proximidade do formato da seção transversal a uma elipse achatada, adotou-
se a largura média da fibra, dada pela média das larguras maior “L” e menor “l” (Figura 4.13),
por tal elipse deformada não ser passível de apropriação matemática. Esta adoção idealizou as
dimensões virtuais de uma seção circular média para a fibra real.
A determinação do comprimento médio, também a partir do software CAD, está
exemplificada na Figura 4.14, onde se vê à esquerda a imagem fotodigitalizada (escaneada) de
fibras afixadas com cola em papel milimetrado (Figura 4.14-A) e a mesma, com as cores
invertidas, apropriada vetorialmente com as medidas (Figura 4.14-B).
A Tabela 4.1 apresenta as dimensões médias da fibra de açaí, as amostragens e
tratamentos estatísticos destas médias estão dispostos nos Apêndices A e B.
O comprimento médio das fibras da presente amostragem foi de 18,41 mm, variando
de 11,17 a 25,27 mm. A classe de maior freqüência (24%) foi de 22,92 a 25,27 mm, com uma
moda de 20,57 mm e mediana de 18,22 mm.
A classificação das fibras, tradicionalmente feita do ponto de vista papeleiro,
denomina de “fibras muito longas” quando estas possuem comprimento médio
entre 2 e 5 mm
[50]
. O histograma da freqüência da classificação do comprimento da fibra de
açaí (Figura 4.15) extrapola tais medidas para todas as classes da amostragem. Entretanto, na
recente literatura de fibras vegetais abordadas como material de reforço para compósitos, a
fibra de açaí se encontra na classe das fibras curtas. Concomitantemente, o intervalo de fibras
curtas se aproxima do máximo considerado para produção de papel para a Ciência dos
89
Materiais, acordando com a Engenharia de Materiais, onde fibras que não atravessam toda
uma direção do compósito são denominadas descontínuas (curtas)
[13]
, conforme o
tratado em 2.1.3.2.
Figura 4.13 – Algumas dimensões possíveis determinadas com auxílio de software CAD. (A) Fibra real,
(B) fibra virtual, (C) larguras médias da seção, (D) larguras médias do lume, (E) área da seção da fibra
e (F) área da seção do lume.
A classificação tradicional, quanto à largura, visa correlacionar tal dimensão com a
resistência ao arrebentamento. Entretanto, esta propriedade só é válida para produtos
papeleiros, pois o comprimento das fibras é induzido a padrões
[50]
. Para o caso de compósitos
90
cimentícios, a largura não tem significado prático, a não ser sua relação às outras dimensões,
caracterizando sua esbeltez. A largura média encontrada da fibra de açaí foi de 129,93 µm. A
presente amostragem constatou uma largura mínima de 73,54 µm e máxima de 227,32 µm,
sendo que a maior freqüência ocorreu entre 124,80 e 150,43 µm, com moda de 133,34 µm.
O diâmetro de lume também não tem significado prático, porém interessa para a
determinação da espessura de parede, que é dada pela metade da diferença entre a largura da
fibra e o diâmetro de lume, resultando no raio da seção transversal efetiva das microfibrilas de
celulose. O diâmetro de lume e a espessura de parede para a fibra oriunda do açaizeiro nesta
amostragem foram de 12,75 e 58,60 µm, respectivamente. Os outros valores encontrados
foram: mínimos de 7,28 e 21,92 µm, máximos de 33,05 e 102,71 µm, moda de 12,65 e 60,14
µm e mediana de 12,54 e 150,43 µm, para o diâmetro de lume e a espessura de parede,
respectivamente.
Figura 4.14 – Imagem escaneada das fibras no papel milimetrado e dimensões obtidas em software CAD.
(A) Fibras dispostas no papel milimetrado e (B) dimensões sobre o negativo da imagem.
Tabela 4.1 – Dimensões das fibras de açaí.
Dimensões Média Desvio padrão Coeficiente de variação (%)
Comprimento (mm) 18,41 4,38 23,79
Largura (µm) 129,93 35,21 27,10
Diâmetro de lume (µm) 12,75 3,34 26,20
Espessura da parede (µm) 58,60 15,95 27,22
Os valores dos desvios padrão e dos coeficientes de variação obtidos, estão coerentes
com resultados tidos como satisfatórios na literatura correlata às fibras vegetais abordadas
como material de reforço de compósitos.
91
Figura 4.15 – Histograma da freqüência da classificação do comprimento da fibra de açaí.
4.1.2.6 – Coeficiente de Flexibilidade, Índice de Runkel, Índice de Enfeltramento e
Fração Parede
Outros parâmetros relacionados às dimensões das fibras, normalizados e
tradicionalmente determinados para as fibras utilizadas na produção papeleira, estão
apresentados na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Relações entre as dimensões da fibra de açaí.
Parâmetros Média
Coeficiente de flexibilidade (CF) 9,81
Índice de Runkel (IR) 9,19
Índice de enfeltramento (IE) 141,69
Fração parede (FP) 90,20
Onde:
92
100])2[(
1000)(
)2(
100)(
×÷×=
×÷=
÷×=
×
÷
=
LEFP
LCIE
DLEIR
LDLCF
Sendo:
C = Comprimento da fibra (mm);
L = Largura da fibra (µm);
E = Espessura da parede da fibra (µm); e
DL = Diâmetro do lume da fibra (µm).
Como fibras com frações de parede acima de 60 são consideradas muito rígidas, no
caso da fibra de açaí com fração parede maior que 90%, esta é extremamente rígida. Este
resultado é confirmado pelo seu baixo coeficiente de flexibilidade, menor que 10%.
O índice de Runkel é apropriado para características papeleiras, onde valores entre
0,25 e 0,50 (razões porcentuais) são considerados excelentes para a fabricação de papel, pois
significa que quanto menor tal parâmetro, maior o potencial de ligação entre as fibras. Para os
compósitos cimentícios, as fibras não necessitam se ligar entre si, portanto o elevado índice de
Runkel das fibras de açaí (que extrapola cerca de 9 vezes a unidade) atesta tal propriedade
deste reforço.
Pode-se citar ainda o alto índice de enfeltramento, que deve ser observado quando da
dispersão do material na fase de mistura, o que justifica a opção da substituição da ordem de
adição de fibras à mistura definida na seção 3.2.2.1 pela da seção 3.2.2.2.
4.2 – Propriedades dos Compósitos
4.2.1 – Propriedades Físicas
4.2.1.1 – Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água
As Tabelas 4.3 e 4.4 apresentam as médias, de três corpos-de-prova para cada traço,
das propriedades físicas dos compósitos produzidos na primeira e na segunda etapa deste
trabalho, juntamente com os respectivos desvios padrão (dp). Deve-se atentar para o fato de
que os resultados da Tabela 4.3 foram obtidos a partir de corpos-de-prova prismáticos e os da
93
Tabela 4.4 a partir de cilíndricos, por isso a grande diferença nos valores das massas. Os
resultados individuais para ambas as bateladas são apresentados no Apêndice C.
Tabela 4.3 – Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água da Primeira Batelada de Compósitos.
Mistura Massa Massa Massa Absorção Porosidade Massa
Corpo-de-prova Seca dp Saturada dp Imersa dp De Água dp Aparente dp Específica dp
(g) (g) (g) (%) (%) (g/cm³)
01ARG
(0% de fibras)
837,48 2,97 921,66 1,40 496,67 0,50 10,05 0,20 19,81 0,42 1,97 0,00
02MIN
(0,3 % de fibras)
803,33 1,79 913,83 1,56 485,17 1,04 13,76 0,14 25,78 0,22 1,87 0,00
03MAX
(0,6 % de fibras)
831,83 5,88 934,00 3,35 500,50 2,05 12,29 0,76 23,57 1,29 1,92 0,00
Tabela 4.4 – Massa Específica, Porosidade Aparente e Absorção de Água da Segunda Batelada de Compósitos.
Mistura Massa Massa Massa Absorção Porosidade Massa
Corpo-de-prova Seca dp Saturada dp Imersa dp De Água dp Aparente dp Específica dp
(g) (g) (g) (%) (%) (g/cm³)
T100F
(0% de fibras)
387,68 0,57 408,25 0,69 212,00 0,69 5,31 0,10 10,48 0,00 1,98 0,00
T203F
(0,3 % de fibras)
388,54 1,46 407,24 1,22 211,00 1,21 4,81 0,10 9,53 0,20 1,98 0,00
T304F
(0,4 % de fibras)
337,70 0,99 405,87 1,34 209,62 1,34 20,19 0,10 34,74 0,17 1,72 0,00
T405F
(0,5 % de fibras)
336,05 0,69 404,77 2,04 208,52 2,04 20,45 0,39 35,01 0,62 1,71 0,10
A partir dos dados obtidos e expostos para a Primeira Batelada (Tabela 4.3) percebe-se
uma provável redução de massa seca dos traços de 0% para 0,3%. Que se poderia especular
que reduziria mais para maior teor de fibra, hipótese descartada pelo traço de 0,6%, que,
porém, apresenta relativo alto desvio padrão deste. Já para o caso da Segunda Batelada
(Tabela 4.4) a redução de massa é factível nos intervalos das médias dos corpos-de-prova de 0
a 0,3% para os de 0,4 a 0,5% e seus desvios padrão são relativamente mais proporcionais que
os dos dados da Primeira.
Para os valores de massa saturada percebe-se exatamente o mesmo do observado para
seca. Com uma redução na Primeira Batelada dos espécimes com fibras de 0 para 0,3%,
seguida de aumento de massa para 0,6%, inclusive com similaridades e hipóteses retro
observadas quanto ao relativo alto desvio padrão para o traço com máximo teor de fibra
(03MAX). E para a Segunda há, identicamente, redução linear nos intervalos de 0 a 0,3% para
0,4 a 0,5%.
Repetem-se para massa imersa as mesmas ocorrências de seca e saturada, com os
mesmos comportamentos e observações anteriores.
94
Já para os valores de absorção de água pode-se especular um provável aumento desta
propriedade em função de maiores teores de fibra. Na Primeira Batelada este aumento ocorre
de 0% (01ARG) para o teor mínimo de 0,3% (02MIN), seguido de redução para o máximo de
0,6% (03MAX). Mas este decréscimo é apropriado de valores obtidos muito próximos,
considerando-se seus desvios padrão. Já no caso da Segunda Batelada, pode-se cogitar os
mesmos comportamentos de aumento de absorção de água da Primeira, em função do
aumento do teor de fibra, entretanto os valores próximos estão dispostos para a referência
(T100F) e para o traço com menos fibra (T0203F).
Para os valores de porosidade aparente das Primeira e Segunda Bateladas repetem-se
as mesmas ocorrências de absorção de água de ambas as etapas, com os mesmos
comportamentos dos quatro traços. Aumentando-se o teor de fibra, aumenta-se a absorção de
água dos compósitos, com as mesmas observações da porosidade.
Nota-se também que as massas específicas das referências nos dois casos são muito
próximas. Todavia, para os compósitos da Segunda Etapa de produção, percebe-se que a
massa específica para a referência (T100F) e o espécime com menor teor de fibra (T103F,
0,3%) foi idêntica, diferentemente da Primeira Batelada para estes traços (no caso 01ARG,
0%; e 02MIN, 0,3%). Muito provavelmente nos corpos-de-prova da Primeira esses valores
são diferentes em função da relativa alta porosidade, reduzida para quase metade na Segunda,
que incorreu num corpo mais adensado. Por isso, pode-se supor que neste último caso, i.e.
para um material mais consistente, o teor de fibras reduzido não influencia de forma
significativa na massa específica do compósito cimentício.
A análise dos valores de absorção de água e de porosidade aparente também deixa
claro que houve redução significativa, de praticamente 50% para o caso das referências e dos
traços com teor de fibras de 0,3% em ambas as bateladas.
A partir das observações supra, supõe-se que o aumento do teor de fibras incorre no
aumento da absorção de água e da porosidade aparente e a diminuição da massa específica.
Teoricamente estes efeitos são relacionados à menor massa específica da fibra e do aumento
da porosidade decorrente do acréscimo de fibras à mistura.
95
4.2.2 – Propriedades Mecânicas
4.2.2.1 – Resistência à Compressão Simples
A resistência à compressão axial média, estatística, para cada mistura produzida está
apresentada na Tabela 4.5 para os compósitos da Primeira Batelada. Os valores individuais
dos resultados dos ensaios encontram-se nos Anexos 2, 3, 4, 5, 6 e 7.
Tabela 4.5 – Resistência à Compressão Axial da Primeira Batelada de compósitos.
Mistura
Corpo-de-prova
Carga de Ruptura (kgf) Resistência à Compressão (MPa)
7 dias 28 dias 7 dias 28 dias
01ARG
(0% de fibras)
11.889 12.430 59,37 62,08
02MIN
(0,3 % de fibras)
10.595 12.246 52,89 61,16
03MAX
(0,6 % de fibras)
9.883 11.423 49,36 57,05
A partir dos resultados de resistência à compressão da Tabela 4.5, da referência
(01ARG) e das mistura com 0,3% de fibras (02MIN) e com 0,6% (03MAX), pode-se verificar
uma pequena redução da tensão limite de compressão dos compósitos com o reforço, tanto
nos corpos-de-prova rompidos aos sete dias como nos aos vinte e oito dias.
Pode-se observar que a redução na resistência à compressão é um pouco maior quando
do aumento de teor de fibra. Todavia, em se tratando de fibrocimento, tais reduções não são
significativas a ponto de comprometerem o desempenho precípuo deste tipo de material.
A resistência à compressão
[53, 54]
obtida para os compósitos produzidos na segunda
etapa deste trabalho está apresentada na Tabela 4.6, o relatório gerado pelo equipamento de
ensaio encontra-se nos Anexos 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 e 15.
Observou-se também uma tendência similar à obtida com a Primeira Batelada de
corpos-de-prova (Tabela 4.5), ou seja, uma redução na resistência à compressão para as
misturas com 0,3% de fibras (Traço 2 - 03F), 0,4% (Traço 3 - 04F) e 0,5% (Traço 5 - 05F)
com 28 dias, em relação à referência (Traço 1 - 00F) sem fibras, aos vinte oito dias de idade.
Entretanto, tal comportamento de redução não ocorreu nos corpos-de-prova ensaiados aos sete
dias de idade. Todavia, pode-se especular que nessa idade os materiais fibrocimentícios ainda
experimentavam o processo de cura incipiente. Salienta-se que o desvio padrão nos valores da
carga de ruptura determinada experimentalmente foi relativamente grande em função da não
96
uniformidade de dispersão das fibras na matriz em função do processo de produção dos
compósitos ser manual, o que pode explicar o fato que os valores da resistência à compressão
para os corpos-de-prova aos vinte e oito dias de idade terem apresentado resistência à
compressão inferior aos sete dias.
Tabela 4.6 – Resistência à Compressão Axial da Segunda Batelada de compósitos.
Mistura
Corpo-de-prova
Carga de Ruptura (kgf) Resistência à Compressão (MPa)
7 dias 28 dias 7 dias 28 dias
T100F
(0% de fibras)
10.242 9.949 51,15 49,69
T203F
(0,2 % de fibras)
8.349 10.200 41,70 50,94
T304F
(0,3 % de fibras)
8.694 6.246 43,42 31,19
T405F
(0,4 % de fibras)
8.769 5.042 43,79 25,18
De acordo com os dados apresentados nas tabelas anteriores, as misturas 02MIN e
T203F, ambas com 0,3% de fibras de açaí, apresentaram melhor desempenho à compressão
simples. Este fato é de grande valia para a análise da viabilização da utilização destas fibras
como reforço de matrizes cimentícias, pois a inclusão de qualquer material em cimentos que
desempenham resistência à compressão com excelência geralmente causa uma redução da
resistência à compressão deste material. Como a resistência à tração é a propriedade mecânica
mais importante para compósitos cimentícios reforçados com fibras, será tratada em separado
na seção 4.2.2.2.
Em relação às amostras de referência da primeira (01ARG) e da Segunda Batelada
(T100F), há uma diferença de cerca de 10 MPa na resistência que provavelmente se deve ao
fato da diferença do cimento Portland empregado em cada batelada (CP-IV e CP-II-Z,
respectivamente) e ao processo de produção manual.
A Figura 4.16-A mostra os corpos-de-prova dos três traços da Primeira Batelada,
misturas 01ARG, 02MIN e 03MAX (teores de 0%, 0,3% e 0,6% nesta ordem) após o
rompimento em compressão simples aos sete dias e 4.16-B que ilustra o desempenho das
fibras nas regiões próximas às fissuras. Os espécimes sem fibra (01ARG) romperam-se, em
vários pedaços, de forma abrupta. As amostras com reforço de fibra de açaí mantiveram-se
menos fragmentadas após o ensaio, devido à presença de fibras que formam pontes unindo
seções de matriz, minimizando o desempenho quebradiço frágil nas regiões imediatas às
97
fissuras. Na Figura 4.16-B tem-se o detalhe desse desempenho atribuído às fibras do corpo-
de-prova 3 da mistura 02MIN.
Figura 4.16 – Corpos-de-prova Rompidos em Compressão (A) e Detalhe do Desempenho das
Fibras de 02MIN-CP3 (B).
4.2.2.2 – Resistência à Tração na Flexão
A resistência à tração na flexão (NBR 12142/1991)
[56]
média para os diferentes tipos
de compósitos produzidos na Primeira Batelada do presente trabalho, está apresentada na
Tabela 4.7. Valores individuais obtidos neste ensaio encontram-se no Anexo 16.
Observa-se de acordo com os dados da Tabela 4.7 que houve incremento da resistência
à tração apenas para o caso da mistura com 0,6% de fibras (03MAX). Todavia os valores de
resistência à tração muito próximos e desvios padrões muito altos impossibilitam uma análise
clara, pois nota-se que para o teor mínimo de fibras de 0,3% (02MIN) há redução dessa
resistência em relação à referência (01ARG) sem fibras, afastando-se de uma linearidade para
se abstrair graficamente. Em suma, os dados obtidos neste ensaio são insuficientes para se
especular sobre o comportamento de resistência à tração na flexão (NBR 12142 e ASTM
C293/1994) dos compósitos. Conforme descrito em 3.2.2.1 não foram efetuados rompimentos
deste ensaio aos 28 dias de idade dos corpos-de-prova produzidos.
98
Tabela 4.7 – Resistência à Tração na Flexão aos 7 dias de Idade.
Mistura Dimensões Resistência
Corpo-de-prova
Base
(mm)
Altura
(mm)
Comprimento
(mm)
À Tração
(MPa)
01ARG
(0% de fibras)
50 51 170 5,74
02MIN
(0,3 % de fibras)
50 51 170 5,15
03MAX
(0,6 % de fibras)
50 51 170 5,82
4.2.2.3 – Resistência à Tração por Compressão Diametral
A Tabela 4.8 apresenta as resistências à tração por compressão diametral (NBR
7222/1994)
[57]
médias para cada uma das misturas produzidas na segunda etapa deste
trabalho. Os valores individuais encontram-se nos Anexos 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 e 24.
Tabela 4.8 – Resistência à Tração por Compressão Diametral.
Mistura Dimensões Carga de Ruptura Resistência à Tração
Corpo-de-prova Diâmetro Altura (kgf) (MPa)
(mm) (mm) 7 dias 28 dias 7 dias 28 dias
T100F
(0% de fibras)
50 100 2.212 2027 28,18 25,82
T203F
(0,3 % de fibras)
50 100 2.683 2317 34,17 29,52
T304F
(0,4 % de fibras)
50 100 2.356 2300 30,01 29,30
T405F
(0,5 % de fibras)
50 100 2.523 2212 32,14 28,18
Para todos os compósitos com fibra de açaí atesta-se um importante aumento da
resistência à tração. Sendo que, em relação à referência, com valores menores para os quatro
traços T1, T3, T4 e T5 e o maior valor para o caso do Traço 2 (T203F, com teor de 0,3% de
fibra). Logo, pode-se supor que o emprego da fibra da semente do açaizeiro como reforço de
compósitos cimentícios incrementa o desempenho mecânico destes materiais quanto à
resistência à tração, o que viabiliza o uso desse reforço vegetal de fibrocimentos.
A Figura 4.17 mostra em (A) o corpo-de-prova CP3 do traço da mistura T203F
imediatamente após o ensaio e em (B) os CP1 à esquerda e CP3 à direita, estes do traço
T405F.
99
Fazem-se necessárias algumas observações quanto aos resultados dos ensaios
mecânicos de forma geral. Houve certa discrepância entre as cargas de ruptura dos três
corpos-de-prova (amostras 1, 2 e 3) das várias misturas produzidas, impossibilitando uma
análise quantitativa, por não se ter obtido uma linearidade comportamental dos espécimes
ensaiados. Em função de se ter alcançado desvios padrão relativamente elevados e muito
variáveis, a acurácia dos dados ficou parcialmente comprometida. Tal fato está provavelmente
associado com as condições de produção manual, da pequena amostragem, do não
conhecimento prévio das fibras de açaí como reforço e do comportamento destas na
hidratação do cimento Portland, entre outros. Além disso, foi identificada a ocorrência de uma
patologia (coloração cinzenta mais clara que o restante da matriz) em algumas amostras da
segunda etapa de ensaios, que foi detectada visualmente conforme o evidenciado na Figura
4.18, que mostra o corpo-de-prova CP2 do traço 3 T304F (teor de 0,4%) sem a ocorrência
(Figura 4.18-A) e o CP1, do traço 2 T203F (com 0,3% de fibra), com a ocorrência (Figura
4.18-B).
Figura 4.17 – Corpos-de-prova Rompidos no Ensaio de Tração por Compressão Diametral aos 28
dias; (A) na prensa e (B) dispostos fora do equipamento.
Figura 4.18 – Fotografias do (A) CP2-T304F sem a patologia observada e do (B) CP2-T203F
com o referido defeito.
100
A ocorrência da patologia evidenciada na Figura 4.18 pode ter sido em função de uma
eventual baixa hidratação do cimento Portland, pois a escolha de uma relação água/cimento
(0,28) foi muito próxima à mínima necessária para a hidratação do material cimentício, que é
agravada pela capacidade de absorção de água por parte deste material vegetal desidratado.
Isto provavelmente interferiu na qualidade dos resultados obtidos pela conseqüente baixa
hidratação do material aglomerante do compósito (cimento Portland), visto que a resistência
da matriz (pasta) é o principal fator responsável pela resistência do material final, seguida da
zona de transição.
Em função do aspecto visual característico do cimento Portland quanto à não
hidratação ideal, muito provavelmente o material compósito produzido para os corpos-de-
prova que apresentaram tal patologia possuem defeito devido à falta de hidratação, que pode
ter sido provocada na produção (absorção de água pelas fibras) ou mesmo pela possível
ocorrência do fenômeno da eflorescência, que consiste na perda de moléculas de água quando
a pressão parcial de vapor d’água da atmosfera é menor que a própria pressão de vapor do
material. É válido salientar que a umidade relativa do ar no Trópico Úmido – na segunda
etapa em Belém –, é muito elevada durante todo o ano. Aproximadamente no intervalo médio
de 80% a 90% e com várias extrapolações ao longo do ano muito próximas de 100%. A
hidrólise de produtos contendo cálcio, na eflorescência, ocorre na pasta de cimento Portland a
partir de três fatores sine quibus non: água, sais solúveis e pressões hidrostáticas; que
incorrem em produtos lixiviados que interagem com o dióxido de carbono (CO
2
) presente na
atmosfera, resultando na precipitação de carbonato de cálcio, que causa coloração
esbranquiçada ao material e característica perda de resistência. Salienta-se ainda que, muito
provavelmente em função da pouca água de hidratação (baixa relação a/c) a água presente na
atmosfera (umidade elevada), por evaporação no material, pode ter tido influência
significativa no período da secagem incipiente dos corpos-de-prova.
Outra observação se faz necessária, normalmente materiais baseados em cimento
Portland tem sua resistência mecânica acrescida naturalmente ao longo do tempo, inclusive as
normas de ensaios mecânicos de materiais de construção baseados em cimento Portland
comum definem ensaios para idades de 1, 3, 7, 28, 60 e 90 dias, pelo incremento da
resistência ao longo do tempo, estabilizando-se por volta de 90 dias de idade. Enquanto, os
espécimes ensaiados na Primeira Etapa deste trabalho tiveram o comportamento normal de
aumento de resistência da menor para a maior idade ensaiada, nos corpos-de-prova ensaiados
na Segunda Etapa, todas as resistências sofreram redução de valores, das idades de 7 para 28
dias. Além das diferentes condições de produção (cimentos Portland distintos, diferenças
101
climáticas e regionais, e diferentes bateleiros), ocorreu que na Segunda Batelada se realizou o
tratamento químico de cozimento das fibras para remoção parcial de material extra-
celulósicos. E isto – a priori realizado para diminuir o teor de material passivo de ataque
alcalino da matriz cimentícia (alguns extrativos) e assim melhorar o desempenho estrutural do
compósito – pode ter reduzido a resistência das amostras produzidas ao longo do tempo.
Agindo de forma inversa, o cozimento das fibras pode ter induzido de forma negativa uma
exposição do material celulósico da fibra ao ataque alcalino do cimento Portland, ou alterado
sua absorção em relação às fibras não tratadas.
Também, observou-se a presença de mais porosidades aparentes dos compósitos
produzidos na Segunda Batelada, em relação aos da Primeira, estes últimos que tiveram o
incremento normal da resistência ao longo do tempo. O aumento da porosidade traz como
conseqüência natural o progressivo enfraquecimento da matriz, haja vista que num sólido há
uma relação inversa entre porosidade e resistência.
Outra possibilidade de explicação da redução em referência pode ser apropriada a
partir da patologia observada na Segunda Batelada, podendo ter ocorrido de forma idêntica,
baixa hidratação, em todo o material (corpo-de-prova), em menores proporções que as
colorações limítrofes mais evidentes. Nota-se a partir da Figura 4.18-A colorações
esbranquiçadas puntiformes ao longo de todo o corpo-de-prova, inicialmente retro concebido
como sem a patologia exposta na Figura 4.18-B. Podendo-se supor, a partir de uma análise
mais minuciosa, que de fato a patologia ocorre em todo o material de forma menos evidente e
dispersa, contribuindo para a perda de resistência do cimento, que teve ainda corpos-de-prova
ensaiados à idades iniciais (7 e 28 dias), ainda na cura incipiente.
4.2.3 – Propriedades Microestruturais
Para fins ilustrativos apresenta-se a seguir, nas Figuras 4.19 e 4.20, imagens obtidas no
MEV da microestrutura típica de fratura por flexão dos compósitos obtidos na Primeira
Batelada.
Pode-se observar que a interação da fibra com a matriz cimentícia em algumas regiões
foi satisfatória e em outras pobre, predominando a primeira.
102
B
A
C
Figura 4.19 – Microestrutura da fratura dos compósitos evidenciando fibras alinhadas verticalmente.
B
A
D
C
Figura 4.20 – Microestrutura da fratura dos compósitos evidenciando fibras alinhadas no sentido horizontal.
103
V – CONCLUSÕES
Foi caracterizada a fibra de açaí e demonstrado o seu potencial emprego como reforço
de fibrocimentos a partir da análise dos resultados apresentados, podendo-se concluir que:
- a fibra de açaí é um material lignocelulósico fibroso de formato elíptico com espessura e
comprimento médios de 130 µm e 18 mm, respectivamente. É de baixa alcalinidade e a
decomposição do material celulósico presente em maior parte
se dá após os 350˚C e a
degradação total se dá a cerca de 650˚C. As fibras da semente do açaizeiro possuem uma
massa específica levemente mais elevada que a da água, em torno de 1,11 g/cm³. Outros
parâmetros relacionados às dimensões das fibras tais como coeficiente de flexibilidade, índice
de Runkel, índice de enfeltramento e fração parede, normalmente determinados para as fibras
utilizadas na produção papeleira, também foram calculados. A fibra de açaí apresenta fração
parede maior que 90% o que pode ser considerado que esta é extremamente rígida. Este
resultado é confirmado pelo seu baixo coeficiente de flexibilidade, menor que 10%. O índice
de Runkel encontrado foi de 919, o que indica baixo potencial de ligação entre as fibras. Para
os compósitos cimentícios, as fibras não necessitam se ligar entre si, como para o caso da
fabricação de papel, assim o elevado índice de Runkel das fibras de açaí não prejudica o
desempenho deste material como reforço da matriz cimentícia. A fibra de açaí apresenta alto
índice de enfeltramento, fato que deve ser observado quando da dispersão das mesmas na
fabricação de materiais compósitos.
- os compósitos cimentícios reforçados com esta fibra não apresentam perda significativa de
resistência à compressão. Contudo, as fibras incrementam de forma satisfatória a resistência
à tração (aproximadamente 13% em média) de fibrocimentos produzidos com este reforço.
O reforço proposto apresentou um bom desempenho de adesão com a matriz e conseqüente
104
comportamento pós-fissura inerente aos fibrocimentos, reforçando a região adjacente à
fratura. Os compósitos que apresentam melhores propriedades mecânicas foram os com
fibra in natura e com teor de fibra de 0,3%. Com o aumento do teor de fibras ocorre um
aumento da absorção de água e da porosidade aparente e a diminuição da massa específica.
105
VI – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Alguns pontos importantes para a otimização do desempenho de compósitos
fibrocimentícios reforçados com fibra de açaí podem ser analisados a partir de trabalhos
complementares, que são sugeridos a seguir:
- executar novamente os ensaios mecânicos com uma maior amostragem por mistura, de pelo
menos cinco corpos-de-prova para cada traço, a fim de reduzir o desvio padrão;
- avaliar a importância do pré-tratamento, com processos de tratamento superficial e polpação
celulósica conhecidos;
- repetir os ensaios com os melhores traços com referência de pasta cimentícia e traço já
estudado de reforço de polipropileno comercial (fibra sintética mais utilizada em telhas de
fibrocimento comerciais livre de amianto);
- experimentar misturas com faixa de teores de fibras naturais mais elevados, para
determinação do máximo desempenho mecânico que pode ser obtido;
- produzir compósitos efetivamente esbeltos, em forma de chapas a partir de processos
adaptados de Hatschek;
- ensaiar chapas com espessuras comerciais de telhas e painéis de vedação de fibrocimento
quanto à estanqueidade e isolamento termo-acústico;
106
- verificar a performance quanto à abrasão e envelhecimento acelerado de compósitos
produzidos em forma de telhas onduladas e painéis de vedação.
107
108
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[54] _________. NBR 5739 - Concreto: Ensaio de Compressão de Corpos-de-Prova
Cilíndricos. Rio de Janeiro: ABNT, Julho de 1994. 4 p.
[55] _________. NBR 6156 - Máquina de Ensaio de Tração e Compressão - Verificação:
Método de Ensaio. Rio de Janeiro: ABNT, Setembro de 1983. 5 p.
[56] _________. NBR 12142 - Concreto: Determinação da Resistência à Tração na Flexão
em Corpos-de-prova Prismáticos. Rio de Janeiro: ABNT, Dezembro de 1991. 3 p.
[57] _________. NBR 7222 - Argamassa e Concreto: Determinação da Resistência à
Tração por Compressão Diametral. Rio de Janeiro: ABNT, Março de 1994. 3 p.
113
[58] MOCHNACZ, Sandro & AMICO, Sandro C. & SYDENSTRICKER, Thais H. D.
Caracterização Superficial de fibras de Sisal para Utilização em Compósitos Poliméricos.
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Disponível em: http://www.demec.ufpr/grupo_de_polimeros/sulmat2002.pdf (Capturado em 12 de Dezembro
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[59] BLEDZKI, A. K. & GASSAN, J. Composites reinforced with cellulose based fibres.
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[61] National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Spectral
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Disponível em: http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/direct_frame_top.cgi?lang=eng (Capturado em
13 de Dezembro de 2006).
[62] Berkeley National Laboratory. FTIR spectroscopy and IR materials. The Advanced
Light Source-ALS/Berkeley Lab. University of California for U.S. Department of Energy.
Disponível em: http://infrared.als.lbl.gov/FTIRinfo.html (Capturado em 13 de Dezembro de 2006).
[63] MTIIZ-MIRET, Nuria; VAMOS, Robert; HIRAOKA, Mario; MONTAGNINI, Florência
& MENDELSOHN, Robert. The economic value of managing the açaí palm (Euterpe
oleracea Mart.) in the floodplains of the Amazon estuary, Par& Brazil Forest Ecology and
Management, n. 7, p. 163-173. Elsevier Science Publisher Ltd. Grã-Bretanha, 1996.
[64] Dr. Klaus Bohnemann & Torsten Dietz. Process Options for the Production of Fibre-
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(org.).
Disponível em:
http://
www.wehrhahn.de/downloads/FIBRECEMENT/Process_Options.PDF (Capturado em 11 de
Dezembro de 2005).
114
APÊNDICE A – Amostragem e tratamento estatístico das larguras da fibra
115
APÊNDICE B – Amostragem e tratamento estatístico do comprimento da fibra
116
APÊNDICE C – Amostragem, médias e desvios padrão das propriedades físicas da fibra
117
ANEXO 1 – Curva termogravimétrica da fibra de sisal (Agave sisalana) obtida por Monhnacz
et al.
[58]
118
ANEXO 2 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 01ARG aos 7 dias
119
ANEXO 3 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 01ARG aos 28 dias
120
ANEXO 4 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 02MIN aos 7 dias
121
ANEXO 5 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 02MIN aos 28 dias
122
ANEXO 6 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 03MAX aos 7 dias
123
ANEXO 7 – Relatório de ensaio à compressão da mistura 03MAX aos 28 dias
124
ANEXO 8 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T100F aos 7 dias
125
ANEXO 9 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T100F aos 28 dias
126
ANEXO 10 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T203F aos 7 dias
127
ANEXO 11 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T203F aos 28 dias
128
ANEXO 12 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T304F aos 7 dias
129
ANEXO 13 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T304F aos 28 dias
130
ANEXO 14 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T405F aos 7 dias
131
ANEXO 15 – Relatório de ensaio à compressão da mistura T405F aos 28 dias
132
ANEXO 16 – Resultado de ensaio à tração na flexão aos 7 dias, p. 1 de 2
133
ANEXO 17 – Resultado de ensaio à tração na flexão aos 7 dias, p. 2 de 2
134
ANEXO 18 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T100F aos 7
dias
135
ANEXO 19 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T100F aos 28
dias
136
ANEXO 20 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T203F aos 7
dias
137
ANEXO 21 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T203F aos 28
dias
138
ANEXO 22 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T304F aos 7
dias
139
ANEXO 23 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T304F aos 28
dias
140
ANEXO 24 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T405F aos 7
dias
141
ANEXO 25 – Relatório de ensaio à tração por compressão diametral da mistura T405F aos 28
dias