Avaliação da resistência mecânica em compósito de fibrocimento de poliacrilonitrila plastificada com glicerol

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Materiais

Autores

Carvalho, G.R. (UFMA) ; Brito Junior, C.A.R. (UFMA) ; Braga, C.W.C. (UFMA) ; Paiva, A.E.M. (IFMA) ; Alves, N.P. (QUIMLAB PRODUTOS DE QUIMICA FINA LTDA) ; Santos, M.A.A. (UFMA)

Resumo

As fibras de poliacrilonitrila (PAN) foram empregadas na composição de uma argamassa de cimento e sílica ativa através de um processo inovador de extrusão termoplástica. O principal objetivo deste trabalho foi verificar a tenacificação em compósitos cimentícios com o uso fibra de PAN plastificada com glicerol. Com isso, foram verificadas as tensões máximas através de ensaios mecânicos semiestáticos de flexão e compressão conforme a Norma Brasileira ABNT NBR 13279. Observou-se que a incorporação de fibras de PAN aumentou a tensão máxima sob flexão para o compósito (CF) (~12,3 MPa) em relação ao material sem fibra (SF) (~11,7 MPa). Entretanto, quanto ao modo de compressão, a resistência do compósito (~34,9 MPa) diminuiu em relação à argamassa sem fibra (~43,3 MPa).

Palavras chaves

Poliacrilonitrila; Fibrocimento; Glicerol

Introdução

Poliacrilonitrila (PAN) é um polímero sintético de limitada conformabilidade (somente fibras) devido ao fenômeno de ciclização do grupamento nitrila que se inicia em temperaturas abaixo do ponto de fusão da PAN (entre 320 a 330 ºC) provocando sua degradação térmica. No processo industrial convencional de fabricação de fibras de PAN emprega-se o dimetilformamida (DMF), um solvente orgânico de alta toxicidade para obtenção de uma solução coloidal que será bombeada através de uma fieira (BRITO JUNIOR, 2011). Atualmente, a empresa brasileira Quimlab-SP desenvolveu um processo inovador para fusão da PAN em sistema de extrusão termoplástica. Esse processo patenteado pelo químico Nilton Alves (ALVES, 2007) emprega o glicerol obtido como um subproduto da Indústria de Biodiesel, como principal plastificante da PAN e, portanto, sem a presença nociva e de alto custo do DMF. Uma possibilidade do uso das fibras de PAN plastificada com glicerol é como fibrocimento. Algumas pesquisas verificaram que o uso de fibras de PAN obtidas com o uso de DMF em compósitos cimentícios produzem uma melhor adesividade e tenacificação se comparadas com as fibras de polipropileno (BEZERRA, 2005). Contudo, Bezerra (2005) utilizou polpa celulósica de fibras longas com fração volumétrica superior à da fibra de PAN na formulação do compósito. Além disso, os corpos de prova avaliados no ensaio de flexão foram fabricados com uma espessura de 5 mm, diferentemente da espessura adotada pela norma NBR 13279 (2005) para testes de resistência a tração de flexão e compressão em argamassas. Portanto, este trabalho visa verificar a influência das fibras de PAN plastificadas com glicerol nas propriedades mecânicas iniciais de um compósito cimentício.

Material e métodos

Para a argamassa foram utilizados Cimento Portland tipo CPII- E da classe XX e sílica ativa com traço em massa de 1:1 e fator água/cimento de 0,35. No compósito de fibrocimento foram empregadas fibras curtas de PAN plastificada com glicerol (massa específica = 1,17 g/cm³, diâmetro médio de 0,05 mm, razão de aspecto l/d de 50, módulo de elasticidade ~ 4 GPa e resistência a tração média de 70 MPa) fornecidas pela empresa Quimlab (Jacareí-SP). Os corpo de provas foram feitos no laboratório do Instituto Federal de EducaçãO, Ciência e Tecnologia do Maranhão (IFMA) sob auxílio dos professores Paiva e Brito Junior. Na argamassa usou-se 805g de cimento, 805g de sílica e 281,75g de água. No compósito usou-se 782,46g de cimento, 782,46g de sílica, 273,86g de água e 25,16g de fibra de PAN. As quantidades de água foram baseadas nas equações descritas no trabalho de Silva (2006). O tempo da mistura foi de 8 minutos. Foram empregados moldes confeccionados em metal de acordo com a norma NBR 13279 para dimensões prismáticas de (40 X 40 X 160) mm, fornecendo 03 corpos de prova. O volume de fibras de PAN adotado foi baseado no trabalho de Bezerra (2005) que observou um melhor módulo de ruptura em flexão com 2,8% em volume dessas fibras. A cura dos corpos de prova foi realizada no tempo padrão de 28 dias (em câmara climática a temperatura ambiente de 23 ºC e umidade controlada de 80%). Os ensaios mecânicos de flexão em três pontos e compressão foram realizados conforme norma NBR 13279 (2005) em uma máquina de ensaio universal da marca EMIC DL10000 no Núcleo Tecnológico de Engenharia (Nutenge) da Universidade Estadual do Maranhão (UEMA). Empregou-se uma célula de carga (P) de 1kN, distância entre os apoios (cutelos) de 100 mm e velocidade de ensaio de 1,5 mm/minutos.

Resultado e discussão

A Tabela 1 mostra os valores obtidos pelos ensaios de flexão e compressão para os corpos de prova com a presença e com a ausência de fibras de PAN. A porosidade foi calculada segundo a norma (NBR 9778). Verificou-se um incremento de 5% em relação a argamassa para os valores referentes a resistência máxima antes da fratura dos corpos de prova com fibras de PAN. Assim como Campello (2013) notou, a inserção de fibras promove uma ruptura gradual do material, e não mais uma ruptura brusca. Ou seja, o compósito apresenta uma deformação maior que o material monolítico. A presença das fibras curtas de PAN provocou um aumento de cerca de 5% na porosidade. Em geral, no ensaio de compressão se faz o esmagamento do concreto e a adição de fibras serve como amortecimento, mantendo a capacidade de carregamento antes do rompimento final do material (CAMPELLO, 2013). No experimento verificou-se uma redução de 19,4% no valor de tensão máxima de compressão da argamassa para o compósito provavelmente devido ao aumento da porosidade promovida pela presença das fibras de PAN.

Valores médios obtidos nos ensaios mecânicos de flexão e compressão axial.

Conclusões

O novo método de obtenção destas fibras mostraram uma utilidade ao glicerol que é produzido em alto volume e tratado como rejeito pela indústria de Biodiesel. A inclusão de fibras de PAN plastificadas com glicerol possibilitaram o aprimoramento de estudos a cerca de compósitos cimentícios reforçados com fibras poliméricas. Além disso, as fibras melhoraram características da argamassa quanto a resistência à flexão. Para trabalhos futuros são sugeridos um estudo relacionado a fração volumétrica dessas fibras em argamassa e uma análise a nível microscópico da fratura desses compósitos

Agradecimentos

À empresa Quimlab, NUTENGE/UEMA e ao Laboratório de Materiais do IFMA.

Referências

ALVES, N. P. Acrylic and modacrylic polymer fusion process, acrylic and modacrylic polymer: acrylic and modacrylic polymer composition and acrylic and modacrylic usage. W. O. Patent 147224, 2007.
BEZERRA, E. M. Compósitos de matriz cimento Portland reforçados com fibras sintéticas de PVA/PP/PAN. 2005. 123f. Tese de doutorado – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
BRITO JÚNIOR, C. A. R. Caracterização e otimização de processo de fiação de fibras de poliacrilonitrila por extrusão. 2011. 202f. Tese de doutorado em Física e Química dos Materiais Aeroespaciais – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
CAMPELLO, E. F. Comportamento mecânico de argamassa reforçadas por fibras sintéticas e metálicas. 2013. 168f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal Fluminense, Niterói.
NBR 13279 – Argamassa para assentamento de paredes e revestimento de paredes e tetos – Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão, Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
NBR 9778 – Argamassa e concreto endurecidos - Determinação da absorção de água por imersão - Índice de vazios e massa específica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1987.
SILVA, R. P. Argamassa com adição de fibras de polipropileno – estudo do comportamento reológico e mecânico. 2006. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Construção Civil e Urbana) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo.