Durabilidade de perfis pultrudidos em compósito de poliéster

Durabilidade de perfis pultrudidos em compsito de polister insaturado e vinilster reforado com fibras de vidro (GFRP)

Rodrigo de Oliveira Martins da Cmara Borges

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientadores

Professor Doutor Joo Pedro Rama Ribeiro Correia

Doutora Susana Bravo Cordeiro Baptista Cabral da Fonseca

Jri

Presidente: Professor Doutor Fernando Manuel Fernandes Simes

Vogais: Doutora Susana Bravo Cordeiro Baptista Cabral da Fonseca

Professor Doutor Antnio Jos da Silva Costa

Fevereiro 2014

i

Resumo

Os perfis pultrudidos de polmero reforado com fibras de vidro, ou GFRP (glass fiber

reinforced polymer) so constitudos por fibras de vidro embebidas numa matriz

polimrica, e integram-se no grupo dos materiais polimricos reforados com fibras, ou

materiais FRP (fiber reinforced polymer).

A presente dissertao teve como principal objectivo a avaliao da durabilidade de

perfis pultrudidos de GFRP com matriz de polister insaturado e vinilster quando

sujeitos a envelhecimento em ambientes caractersticos de aplicaes de Engenharia

Civil. Em particular, os materiais em estudo foram expostos presena de solues

aquosas, humidade, temperatura elevada, ciclos trmicos e radiao ultravioleta.

A variao das propriedades fsicas, mecnicas e estticas dos materiais em estudo aps

o envelhecimento foi quantificada atravs de ensaios normalizados.

Procedeu-se secagem dos materiais previamente aos perodos de envelhecimento,

como tentativa de prevenir a ocorrncia de fenmenos de ps-cura. De um modo geral,

estes fenmenos no se manifestaram de forma relevante nas propriedades mecnicas,

embora se tenham evidenciado incrementos significativos na temperatura de transio

vtrea em algumas situaes.

O estudo da reversibilidade da degradao derivada da absoro de humidade foi

concretizado atravs da secagem dos materiais aps o envelhecimento e previamente

execuo dos ensaios fsicos e mecnicos.

Evidenciaram-se perdas significativas nas propriedades mecnicas dos compsitos, em

particular na exposio a imerso a temperaturas elevadas, onde as alteraes

irreversveis no material foram predominantes. A exposio a radiao ultravioleta

conduziu degradao das propriedades estticas.

Palavras-chave:

Materiais compsitos, Perfis pultrudidos de polmero reforado com fibras de

vidro (GFRP), Durabilidade, Reversibilidade da degradao

iii

Abstract

GFRP pultruded profiles (glass fiber reinforced polymer) are composite materials which

consist of glass fibers embedded in a polymeric matrix and are included in the fiber

reinforced polymer materials group, also known as FRP (fiber reinforced polymer).

The main objective of this dissertation was to study the durability of GFRP pultruded

profiles with unsaturated polyester and vinylester resins, when subjected to different

exposure environments, typical of civil engineering applications. Test specimens were

subjected to water and salt solutions, moisture, elevated temperature, thermal cycles and

ultraviolet radiation.

The variation of physical, mechanical and aesthetical properties after ageing was

assessed through standard test procedures.

The materials were subjected to a drying process prior to ageing, in an attempt to

prevent post-curing effects. Regarding mechanical properties, this kind of effects did

not manifest in a relevant form, although significant increases in glass transition

temperatures were registered in some situations.

The study of the reversibility of degradation associated with moisture sorption was

accomplished by drying of test specimens after ageing and prior to physical and

mechanical testing.

Significant losses in mechanical properties for both materials were registered,

particularly in elevated temperature immersions, where irreversible changes prevail.

Exposure to ultraviolet radiation caused degradation in aesthetical properties.

Keywords:

Composite materials, Glass fiber reinforced polymers (GFRP), Durability, Reversibility

v

Agradecimentos

Esta dissertao, embora seja fruto de um trabalho pessoal desenvolvido durante mais

de um ano, beneficiou do apoio de algumas pessoas sem as quais teria sido impossvel

atingir os objectivos estabelecidos. Por esta razo lhes expresso os meus profundos

agradecimentos.

Ao Professor Doutor Joo Correia, orientador cientfico desta dissertao, agradeo o

incentivo, a exigncia e o apoio que sempre demonstrou, bem como a simpatia e a

disponibilidade para o esclarecimento de dvidas.

Doutora Susana Fonseca, co-orientadora desta dissertao, agradeo o apoio prestado

na vertente experimental da dissertao, bem como a total disponibilidade para o

esclarecimento de dvidas, e ainda o incentivo e a simpatia que sempre demonstrou.

Ao Engenheiro Joo Sousa, agradeo no s a ajuda fulcral na preparao da campanha

experimental e na realizao dos ensaios como a companhia e a amizade demonstradas

nestas etapas. Agradeo ainda a total disponibilidade para o esclarecimento de dvidas e

a ajuda para ultrapassar os obstculos que surgiram.

Ao LNEC e em especial ao Ncleo de Materiais Orgnicos (NMO) agradeo a

oportunidade para a realizao deste projecto. Agradeo ainda em especial senhora

Filomena Nobre pela ajuda na realizao dos ensaios fsicos e qumicos e tambm pela

simpatia e disponibilidade para o esclarecimento de dvidas. Da mesma forma,

agradeo aos restantes funcionrios do LNEC/NMO que nunca hesitaram em oferecer a

sua ajuda na resoluo dos problemas que foram surgindo.

Aos funcionrios do Laboratrio da Construo do Instituto Superior Tcnico, em

especial ao senhor Leonel Silva, agradeo a disponibilidade e o apoio na realizao dos

ensaios mecnicos.

Aos funcionrios do Laboratrio de Estruturas e Resistncia de Materiais do Instituto

Superior Tcnico, em particular aos senhores Pedro Costa e Fernando Alves, agradeo o

apoio na realizao dos ensaios.

empresa ALTO, agradeo o fornecimento dos materiais utilizados nesta dissertao.

vi

Aos meus amigos e colegas de curso, em especial ao Jos Gomes, ao Joo Cardoso, ao

Joo Serra, ao Carlos Canha ao Joo Alves, Mafalda Pinto e ao Antnio Baptista, que

me acompanharam na concluso desta etapa, agradeo a amizade e o incentivo que

sempre demonstraram, no s nesta fase mas ao longo de todo o meu percurso

acadmico.

Ao Daniel agradeo a companhia e a amizade que to importantes foram ao longo dos

anos.

Ao meu irmo e aos meus pais agradeo a amizade e o apoio incondicional que sempre

demonstraram, mesmo nas alturas mais difceis.

Mafalda, agradeo o amor e a companhia, e sobretudo o facto de sempre ter

acreditado em mim, mesmo quando eu no o fiz.

vii

Simbologia

temperatura

humidade relativa

largura do provete

, espessura do provete

comprimento do provete

massa de um provete no ar

massa de referncia de um provete no estado seco

percentagem de fibra de vidro

massa do cadinho seco

massa do conjunto provete + cadinho seco antes da calcinao

massa do conjunto provete + cadinho seco aps a calcinao

, massa volmica

, massa do provete ao ar

, massa de um provete imerso

massa volmica da gua destilada

, , coordenadas colorimtricas do sistema CIE 1976 (L*a*b*)

, , variao das coordenadas colorimtricas segundo este sistema

variao global da cor

mdulo complexo

mdulo de armazenamento

mdulo de perda

(), () tenso e deformao dinmicas

, amplitudes iniciais do ciclo de tenso e deformao

frequncia

ngulo de fase

tan factor de perda

mdulo de armazenamento em flexo

mdulo de perda em flexo

tenso de traco

fora de traco aplicada

rea da seco transversal do provete

viii

deformao nominal de traco

largura inicial de referncia

variao da distncia de referncia

mdulo de elasticidade em traco

, tenses correspondentes s deformaes de 0,0005 e 0,0025

tenso de rotura em traco

deformao de rotura em traco

tenso de flexo

deformao de flexo

tenso de rotura em flexo

deformao de rotura em flexo

mdulo de elasticidade em flexo

tenso de corte interlaminar

ix

ndice geral

Resumo ............................................................................................................................. i

Palavras-chave ................................................................................................................. i

Abstract .......................................................................................................................... iii

Keywords ........................................................................................................................ iii

Agradecimentos .............................................................................................................. v

Simbologia ..................................................................................................................... vii

ndice geral ..................................................................................................................... ix

ndice de figuras ........................................................................................................... xv

ndice de tabelas .......................................................................................................... xxi

1 Introduo ............................................................................................................... 1

1.1 Enquadramento geral ......................................................................................... 1

1.2 Objectivos da dissertao ................................................................................... 2

1.3 Organizao do documento ............................................................................... 2

2 Estado da arte ......................................................................................................... 5

2.1 Introduo .......................................................................................................... 5

2.2 Materiais polimricos reforados com fibras (FRP) .......................................... 5

2.3 Caractersticas gerais de materiais polimricos reforados com fibras (FRP) .. 7

2.3.1 Constituintes dos FRP ................................................................................ 7

2.3.1.1 Reforo sob a forma de fibras ............................................................. 7

2.3.1.2 Resinas polimricas ............................................................................. 9

2.3.1.3 Agentes de polimerizao ................................................................. 11

2.3.1.4 Cargas (fillers) ................................................................................... 12

2.3.1.5 Aditivos ............................................................................................. 12

2.3.1.6 Interface fibra-matriz......................................................................... 13

x

2.4 Caractersticas gerais de perfis pultrudidos de polmero reforado com fibras

de vidro (GFRP) ......................................................................................................... 13

2.4.1 Processo de fabrico de perfis pultrudidos de GFRP ................................. 13

2.4.2 Propriedades tpicas de perfis pultrudidos de GFRP ................................ 14

2.4.3 Caractersticas estruturais de perfis pultrudidos de GFRP ....................... 17

2.4.4 Vantagens e inconvenientes da utilizao de perfis pultrudidos de GFRP

18

2.4.5 Aplicaes de perfis pultrudidos de GFRP .............................................. 19

2.5 Durabilidade de perfis pultrudidos de polmero reforado com fibras de vidro

(GFRP) ....................................................................................................................... 20

2.5.1 Humidade e solues aquosas .................................................................. 21

2.5.1.1 Efeitos na matriz polimrica ............................................................. 22

2.5.1.2 Efeitos nas fibras de vidro ................................................................. 22

2.5.1.3 Efeitos na interface fibra-matriz ........................................................ 22

2.5.1.4 Efeitos gerais em sistemas FRP ........................................................ 23

2.5.2 Ambientes alcalinos .................................................................................. 23

2.5.3 Efeitos trmicos ........................................................................................ 24

2.5.4 Exposio a radiao ultravioleta (UV) ................................................... 25

2.5.5 Fogo .......................................................................................................... 26

2.5.6 Fadiga ....................................................................................................... 27

2.5.7 Fluncia .................................................................................................... 28

2.6 Consideraes finais ........................................................................................ 29

3 Campanha experimental ...................................................................................... 31

3.1 Introduo ........................................................................................................ 31

3.2 Organizao da campanha experimental ......................................................... 32

3.2.1 Material utilizado ...................................................................................... 32

3.2.2 Definio das colheitas ............................................................................. 32

3.2.3 Descrio e preparao dos ambientes de exposio ............................... 35

xi

3.2.3.1 Imerso em gua desmineralizada e numa soluo salina ................ 36

3.2.3.2 Condensao em contnuo a 40 C .................................................... 38

3.2.3.3 Envelhecimento natural ..................................................................... 39

3.2.3.4 Ciclos trmicos .................................................................................. 39

3.2.4 Preparao dos provetes ........................................................................... 40

3.2.4.1 Cortes transversais e de preciso dos provetes.................................. 41

3.2.4.2 Sistema de identificao dos provetes ............................................... 42

3.2.4.3 Secagem dos provetes ....................................................................... 43

3.3 Mtodos de caracterizao dos materiais ......................................................... 45

3.3.1 Variao de massa .................................................................................... 45

3.3.2 Determinao do teor em fibra de vidro ................................................... 46

3.3.3 Identificao dos materiais constituintes por espectroscopia do

infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) ............................................... 48

3.3.4 Determinao da massa volmica ............................................................ 50

3.3.5 Determinao da cor e do brilho............................................................... 51

3.3.5.1 Determinao da cor.......................................................................... 52

3.3.5.2 Determinao do brilho ..................................................................... 53

3.3.6 Anlise mecnica dinmica ...................................................................... 55

3.3.7 Ensaios de traco .................................................................................... 57

3.3.8 Ensaios de flexo ...................................................................................... 59

3.3.9 Ensaio de corte interlaminar ..................................................................... 63

3.4 Consideraes finais ........................................................................................ 64

4 Anlise e discusso de resultados ........................................................................ 65

4.1 Introduo ........................................................................................................ 65

4.2 Caracterizao inicial dos materiais em estudo ............................................... 65

4.2.1 Massa volmica ........................................................................................ 65

4.2.2 Materiais constituintes (FTIR).................................................................. 66

xii

4.2.3 Teor em fibra de vidro .............................................................................. 68


4.2.5 Propriedades mecnicas ............................................................................ 69

4.2.6 Propriedades estticas ............................................................................... 73

4.2.6.1 Cor ..................................................................................................... 73

4.2.6.2 Brilho ................................................................................................. 74

4.3 Variao das propriedades fsicas e estticas dos perfis de GFRP .................. 75

4.3.1 Absoro de gua e variao de massa ..................................................... 75


4.3.3 Variao das propriedades estticas ......................................................... 89

4.3.3.1 Variao da cor.................................................................................. 89

4.3.3.2 Variao do brilho ............................................................................. 91

4.4 Variao das propriedades mecnicas dos perfis de GFRP ............................. 92

4.4.1 Flexo ....................................................................................................... 92

4.4.2 Traco ................................................................................................... 101

4.4.3 Corte interlaminar ................................................................................... 109

4.5 Consideraes finais e sntese comparativa ................................................... 115

5 Concluses e perspectivas de desenvolvimentos futuros ................................. 119

5.1 Concluses ..................................................................................................... 119

5.2 Perspectivas de desenvolvimentos futuros .................................................... 123

6 Referncias bibliogrficas .................................................................................. 125

Anexos

Anexo A Registos de absoro de gua e variao da massa

Anexo B Resultados e curvas experimentais da anlise mecnica dinmica

Anexo C Resultados dos ensaios de determinao da cor e do brilho

xiii

Anexo D Resultados e curvas experimentais dos ensaios de flexo

Anexo E Resultados e curvas experimentais dos ensaios de traco

Anexo F Resultados e curvas experimentais dos ensaios de corte interlaminar

xv

ndice de figuras

2 Estado da arte.5

Figura 2.1 - Maison en plastique, 1956, Frana ............................................................... 6

Figura 2.2 - Kunststoffhaus / fg 2000 System, 1968, Alemanha ....................................... 6

Figura 2.3 - Reforos unidireccionais: mechas de filamentos contnuos no torcidos ou

rovings e torcidos ou yarns. .............................................................................................. 9

Figura 2.4 Esquema do processo de pultruso ............................................................ 14

Figura 2.5 Comparao da relao constitutiva dos perfis pultrudidos de GFRP da

produtora ALTO ............................................................................................................. 16

Figura 2.6 Comparao entre as propriedades fsicas e trmicas de perfis pultrudidos

de GFRP e de outros materiais de construo ................................................................ 17

Figura 2.7 Estrutura das camadas num material pultrudido ........................................ 17

Figura 2.8 Exemplos de perfis pultrudidos de GFRP .................................................. 18

Figura 2.9 Exemplos de tabuleiros de pontes compostos por perfis pultrudidos de

GFRP colados ................................................................................................................. 18

Figura 2.10 Aplicaes de perfis pultrudidos de GFRP em estruturas secundrias .... 19

Figura 2.11 - Edifcio Eyecatcher................................................................................... 20

Figura 2.12 - Ponte elevatria Bonds Mill ...................................................................... 20

3 Campanha experimental......31

Figura 3.1 Seco transversal das chapas .................................................................... 32

Figura 3.2 Recepo do material no IST ..................................................................... 32

Figura 3.3 Esquematizao das folgas longitudinais nas chapas................................. 34

Figura 3.4 Agrupamento de provetes para a fase de envelhecimento ......................... 35

Figura 3.5 Posicionamento dos provetes no interior de uma das caixas ..................... 36

Figura 3.6 - Posicionamento das imerses a 20 C ......................................................... 37

Figura 3.7 Posicionamento das caixas no interior da estufa a 40 C ........................... 37

Figura 3.8 Aspecto exterior da estufa a 60 C ............................................................. 38

Figura 3.9 Posicionamento das caixas no interior da estufa a 60 C ........................... 38

Figura 3.10 Sonda utilizada na monitorizao da temperatura das imerses .............. 38

Figura 3.11 Cmara de condensao em contnuo ...................................................... 39

xvi

Figura 3.12 Esquema de suspenso dos provetes na cmara de condensao em

contnuo .......................................................................................................................... 39

Figura 3.13 Pormenor da fixao dos provetes e das calhas plsticas ........................ 40

Figura 3.14 Aspecto geral do ambiente de envelhecimento natural ............................ 40

Figura 3.15 Provetes no interior da cmara de ciclos trmicos ................................... 40

Figura 3.16 Serra diamantada refrigerada a gua do LNEC/NMO ............................. 41

Figura 3.17 - Guias de marcao e chapas marcadas em srie ....................................... 42

Figura 3.18 Colheitas dos compsitos de polister insaturado e vinilster prontas para

envelhecimento ............................................................................................................... 42

Figura 3.19 Marcao de cortes de preciso para o ensaio de corte interlaminar ....... 42

Figura 3.20 Posicionamento dos provetes no interior da estufa a 80 C ..................... 45

Figura 3.21 Secagem dos provetes na sala com condies de temperatura e humidade

controladas ...................................................................................................................... 45

Figura 3.22 Aspecto geral de um provete viajante ...................................................... 46

Figura 3.23 Balana analtica modelo Mettler AE240 ................................................. 46

Figura 3.24 Estufa da marca Heraeus ......................................................................... 48

Figura 3.25 Arrefecimento dos provetes num exsicador ............................................. 48

Figura 3.26 Cadinhos no interior da mufla a 900 C ................................................... 48

Figura 3.27 Arrefecimento dos cadinhos no exsicador ............................................... 48

Figura 3.28 Preparao da mistura, prensagem da pastilha e pastilha preparada para o

ensaio de FTIR ............................................................................................................... 49

Figura 3.29 Espectrofotmetro Tensor 27 da marca Bruker ....................................... 50

Figura 3.30 Suporte para a pastilha no interior do equipamento ................................. 50

Figura 3.31 Medio da massa do provete ao ar e imerso ........................................... 51

Figura 3.32 Colormetro porttil MiniScan XE Plus ................................................... 53

Figura 3.33 Ensaio de determinao da cor em curso ................................................. 53

Figura 3.34 - Brilhmetro Novo-Gloss Statistical Glossmeter ....................................... 54

Figura 3.35 - Estojo para calibrao do brilhmetro ...................................................... 54

Figura 3.36 - Esquema do ensaio de determinao do brilho ......................................... 54

Figura 3.37 Exemplo de um grfico tpico de um ensaio de DMA de um provete de

vinilster ......................................................................................................................... 56

Figura 3.38 Equipamento para ensaio de DMA e pormenor do esquema de ensaio ... 57

Figura 3.39 Comparador electrnico da marca Mitutoyo ............................................ 59

Figura 3.40 Provete de traco preparado para ensaio ................................................ 59

xvii

Figura 3.41 Vista geral do equipamento de ensaio ...................................................... 59

Figura 3.42 Pormenor do posicionamento do provete e do extensmetro mecnico .. 59

Figura 3.43 Esquema de flexo em trs pontos ........................................................... 60

Figura 3.44 - Craveira digital PRO-MAX ....................................................................... 61

Figura 3.45 Prensa hidrulica Form Test .................................................................... 62

Figura 3.46 Esquema do ensaio de flexo e provete a atingir a rotura ........................ 62

Figura 3.47 Datalogger modelo QuantumX ................................................................ 62

Figura 3.48 Datalogger modelo Spider8 ..................................................................... 62

Figura 3.49 Esquema do ensaio de corte interlaminar e provete a atingir a rotura ..... 63

4 Anlise e discusso de resultados....65

Figura 4.1 Espectro FTIR do material obtido por raspagem do compsito de polister

(UP) ................................................................................................................................ 66

Figura 4.2 Espectro de FTIR do material obtido por raspagem do compsito de

vinilster (VE) ................................................................................................................ 67

Figura 4.3 Estrutura qumica do (a) polister insaturado e do (b) vinilster ............... 68

Figura 4.4 - Curvas experimentais de tenso extenso obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de flexo compsito de polister insaturado (UP) .................... 70

Figura 4.5 - Curvas experimentais de tenso extenso obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de flexo compsito de vinilster (VE) .................................... 70

Figura 4.6 Modo de rotura observado nos ensaios de flexo ...................................... 71

Figura 4.7 Curvas experimentais de tenso extenso obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de traco compsito de polister insaturado (UP) .................. 71

Figura 4.8 Curvas experimentais de tenso extenso obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de traco compsito de vinilster (VE) ................................... 72

Figura 4.9 Modo de rotura observado nos ensaios de traco ..................................... 72

Figura 4.10 Curvas experimentais de fora deslocamento obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de corte interlaminar compsito de polister insaturado (UP) . 73

Figura 4.11 - Curvas experimentais de fora deslocamento obtidas nos ensaios de

caracterizao inicial de corte interlaminar compsito de vinilster (VE) .................. 73

Figura 4.12 Modo de rotura observado nos ensaios de corte interlaminar .................. 73

Figura 4.13 - Curvas experimentais da variao da massa dos provetes viajantes de

polister insaturado (UP) imerses e condensao em contnuo ................................. 76

xviii

Figura 4.14 - Curvas experimentais da variao da massa dos provetes viajantes de

vinilster (VE) imerses e condensao em contnuo ................................................. 76

Figura 4.15 Resduos observados na imerso numa soluo salina a 40 C aos 9 meses

de exposio compsito de polister insaturado.......................................................... 80

Figura 4.16 - Variao da temperatura de transio vtrea () obtida atravs da curva

experimental do mdulo de armazenamento (E) para o compsito de polister

insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ........ 82


experimental do factor de perda (tan) para o compsito de polister insaturado (UP)

imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ..................................... 82

Figura 4.18 - Variao da temperatura de transio vtrea () obtida atravs das curvas

experimentais do mdulo de armazenamento (E) e do factor de perda (tan) para o

compsito de polister insaturado (UP) ciclos trmicos ............................................. 82


experimental do mdulo de armazenamento (E) para o compsito de vinilster (VE)

imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ..................................... 86


experimental do factor de perda (tan) para o compsito de vinilster (VE) imerses,

condensao em contnuo e envelhecimento natural ...................................................... 86

Figura 4.21 - Variao da temperatura de transio vtrea () obtida atravs das curvas

experimentais do mdulo de armazenamento (E) e do factor de perda (tan) para o

compsito de vinilster (VE) ciclos trmicos .............................................................. 86

Figura 4.22 Comparao entre o aspecto no envelhecido e o aspecto aps 6 meses de

exposio aos agentes ambientais dos compsitos de polister insaturado e vinilster . 90

Figura 4.23 - Variao da tenso de rotura em flexo () para o compsito de

polister insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento

natural ............................................................................................................................. 93

Figura 4.24 - Variao do mdulo de elasticidade em flexo () para o compsito de


natural ............................................................................................................................. 94

Figura 4.25 - Variao da deformao axial de flexo na rotura () para o compsito

de polister insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento

natural ............................................................................................................................. 94

xix

Figura 4.26 - Variao da tenso de rotura () e do mdulo de elasticidade em flexo

() e da deformao na rotura () para o compsito de polister insaturado (UP)

ciclos trmicos ................................................................................................................ 94

Figura 4.27 - Variao da tenso de rotura em flexo () para o compsito de

vinilster (VE) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural.......... 97

Figura 4.28 - Variao do mdulo de elasticidade em flexo () para o compsito de


Figura 4.29 - Variao da deformao axial de flexo na rotura () para o compsito

de vinilster (VE) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ..... 97

Figura 4.30 Variao da tenso de rotura () e do mdulo de elasticidade em flexo

() ( esquerda) e da deformao na rotura () ( direita) para o compsito de

vinilster (VE) ciclos trmicos .................................................................................... 98

Figura 4.31 Variao da tenso de rotura em traco () para o compsito de


natural ........................................................................................................................... 102

Figura 4.32 Variao do mdulo de elasticidade em traco () para o compsito de


natural ........................................................................................................................... 102

Figura 4.33 Variao da extenso na rotura () para o compsito de polister

insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ...... 103

Figura 4.34 Variao da tenso de rotura () e do mdulo de elasticidade em

traco () ( esquerda) e da extenso na rotura () ( direita) para o compsito de

polister insaturado (UP) ciclos trmicos .................................................................. 103

Figura 4.35 Variao da tenso de rotura em traco () para o compsito de

vinilster (VE) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural........ 106

Figura 4.36 Variao do mdulo de elasticidade em traco () para o compsito de


Figura 4.37 Variao da extenso na rotura () para o compsito de vinilster (VE)

imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ................................ 106

Figura 4.38 Variao da tenso de rotura () e do mdulo de elasticidade em

traco () ( esquerda) e da extenso na rotura () ( direita) para o compsito de

vinilster (VE) ciclos trmicos .................................................................................. 107

xx

Figura 4.39 - Variao da tenso de rotura () para o compsito de polister insaturado

(UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ........................ 111

Figura 4.40 - Variao da tenso de rotura () para o compsito de polister insaturado

(UP) ciclos trmicos .................................................................................................. 111

Figura 4.41 - Variao da tenso de rotura () para o compsito de vinilster (VE)

imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ................................... 112

Figura 4.42 Variao da tenso de rotura () para o compsito de vinilster (VE)

ciclos trmicos .............................................................................................................. 113

xxi

ndice de tabelas

2 Estado da arte...5

Tabela 2.1 - Propriedades tpicas das fibras mais utilizadas. ........................................... 8

Tabela 2.2 Propriedades fsicas e mecnicas das resinas termoendurecveis mais

comuns ............................................................................................................................ 11

Tabela 2.3 - Propriedades mecnicas na direco axial de perfis pultrudidos GFRP

disponveis comercialmente ........................................................................................... 15

Tabela 2.4 - Propriedades mecnicas na direco transversal s fibras de perfis

pultrudidos GFRP disponveis comercialmente ............................................................. 15

3 Campanha experimental......31

Tabela 3.1 Definio dos ambientes de exposio, respectivo nmero de colheitas e

descrio sucinta dos mesmos ........................................................................................ 33

Tabela 3.2 Normas de ensaio e dimenses dos provetes para cada tipo de ensaio ..... 33

Tabela 3.3 - Nmero de provetes considerado por cada tipo de ensaio ......................... 35

Tabela 3.4 Identificao genrica dos provetes ou agrupamentos de provetes ........... 43

Tabela 3.5 Exemplificao do sistema de identificao Colheita de 3 meses de

provetes de polister (UP) imersos em gua desmineralizada a 20 C (W20) ............... 44

4 Anlise e discusso de resultados.....65

Tabela 4.1 Massa volmica compsito de polister (UP) ........................................ 65

Tabela 4.2 Massa volmica compsito de vinilster (VE) ....................................... 66

Tabela 4.3 Teor em fibra de vidro compsito de polister insaturado (UP) ............ 68

Tabela 4.4 Teor em fibra de vidro compsito de vinilster (VE) ............................. 68

Tabela 4.5 Resultados da caracterizao inicial de anlise mecnica dinmica dos

compsitos de polister insaturado (UP) e de vinilster (VE)........................................ 69

Tabela 4.6 Resultados mdios da caracterizao inicial das propriedades mecnicas

compsito de polister insaturado (UP) e de vinilster (VE) ......................................... 70

Tabela 4.7 Coordenadas colorimtricas dos compsitos de polister insaturado (UP) e

vinilster (VE) no estado no envelhecido ..................................................................... 74

Tabela 4.8 Brilho especular para ngulos de incidncia de 60 e 85 para os

compsitos de polister insaturado (UP) e vinilster (VE) no estado no envelhecido . 74

xxii

Tabela 4.9 Resultados mdios obtidos nos ensaios de DMA do compsito de polister

insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ........ 81

Tabela 4.10 Resultados mdios obtidos nos ensaios de DMA do compsito de

polister insaturado (UP) ciclos trmicos .................................................................... 81





Tabela 4.13 Coordenadas colorimtricas e variao da cor aos 6 meses de

envelhecimento natural compsito de polister insaturado (UP) ................................ 89

Tabela 4.14 - Coordenadas colorimtricas e variao da cor aos 6 meses de

envelhecimento natural compsito de vinilster (VE) ................................................ 90

Tabela 4.15 Brilho especular aos 6 meses de envelhecimento natural compsito de

polister insaturado (UP) ................................................................................................ 91

Tabela 4.16 - Brilho especular aos 6 meses de envelhecimento natural compsito de

vinilster (VE) ................................................................................................................ 91

Tabela 4.17 Resultados mdios obtidos nos ensaios de flexo do compsito de


natural ............................................................................................................................. 93

Tabela 4.18 Resultados mdios obtidos nos ensaios de flexo do compsito de

polister insaturado (UP) ciclos trmicos .................................................................... 93

Tabela 4.19 - Resultados mdios obtidos nos ensaios de flexo do compsito de


Tabela 4.20 - Resultados mdios obtidos nos ensaios de flexo do compsito de


Tabela 4.21 - Resultados mdios obtidos nos ensaios de traco do compsito de


natural ........................................................................................................................... 101


polister insaturado (UP) ciclos trmicos .................................................................. 102




vinilster (VE) ciclos trmicos .................................................................................. 106

xxiii

Tabela 4.25 Resultados mdios obtidos nos ensaios de corte interlaminar do

compsito de polister insaturado (UP) imerses, condensao em contnuo e

envelhecimento natural ................................................................................................. 110

Tabela 4.26 - Resultados mdios obtidos nos ensaios de corte interlaminar do compsito

de polister insaturado (UP) ciclos trmicos ............................................................. 111


de vinilster (VE) imerses, condensao em contnuo e envelhecimento natural ... 113


de vinilster (VE) ciclos trmicos ............................................................................. 113

Tabela 4.29 Percentagem de reteno das propriedades em flexo, traco e corte

interlaminar dos compsitos de polister insaturado (UP) e vinilster (VE) quando

submetidos aos vrios ambientes de exposio ............................................................ 118

1

1 Introduo

1.1 Enquadramento geral

Os custos de manuteno e reparao das estruturas construdas com materiais

tradicionais tm sofrido um aumento considervel, devido fundamentalmente

degradao das estruturas metlicas e em beto armado construdas nas ltimas

dcadas [1].

A durabilidade dos materiais tradicionais tem provocado alteraes nas prticas de

dimensionamento e na regulamentao, o que, aliado s exigncias de velocidades de

construo crescentes, motivou o desenvolvimento de novos materiais estruturais, mais

leves, com menor susceptibilidade degradao por parte de agentes agressivos e com

menores exigncias de manuteno [2].

Os materiais compsitos reforados com fibras de vidro, ou GFRP (do ingls, Glass

fiber reinforced polymer) so constitudos por fibras de vidro embebidas numa matriz

polimrica, em geral de polister ou vinilster, e integram-se no grupo dos materiais

plsticos reforados com fibras, ou materiais FRP (do ingls, Fiber Reinforced

Polymer) [2].

Os perfis pultrudidos de GFRP apresentam como vantagens a resistncia elevada, o

reduzido peso prprio, a facilidade de instalao, o isolamento trmico e

electromagntico e a resistncia a fenmenos de corroso [3].

Algumas desvantagens dos perfis de GFRP so o mdulo de elasticidade relativamente

reduzido, a susceptibilidade a fenmenos de instabilidade, o comportamento frgil na

rotura e a degradao das propriedades mecnicas quando sujeitos a temperaturas

elevadas [3].

Os compsitos de FRP foram largamente utilizados no sector automvel, naval,

industrial e aeroespacial, contudo o tipo de solicitaes a que as estruturas de

Engenharia Civil esto sujeitas difere em relao aos sectores enunciados. Os dados

sobre a durabilidade de materiais FRP nestas condies so escassos ou de difcil

obteno, gerando relutncia na utilizao mais generalizada destes materiais em

aplicaes estruturais [4].

2

1.2 Objectivos da dissertao

A presente dissertao tem como objectivo principal contribuir para o estudo da

durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP com dois tipos de matrizes: polister

insaturado e vinilster. Os materiais utilizados foram fornecidos pela empresa ALTO

Perfis Pultrudidos Lda.

Em particular, pretende-se quantificar a degradao das propriedades mecnicas, fsicas

e estticas dos dois materiais compsitos em estudo atravs da anlise de provetes

retirados de perfis comerciais quando submetidos a diferentes ambientes de

envelhecimento, os quais simulam condies caractersticas de aplicaes de

Engenharia Civil. Deste modo, possvel comparar o comportamento exibido por cada

um dos materiais nas vrias situaes.

Os compsitos so submetidos a imerses em gua desmineralizada e numa soluo

salina a 20 C, 40 C e 60 C, condensao em contnuo a 40 C, ciclos trmicos e

envelhecimento natural na cidade de Lisboa.

O estudo efectuado envolve as seguintes particularidades:

Os materiais so submetidos a um processo de condicionamento trmico

previamente ao envelhecimento, numa tentativa de prevenir a ocorrncia de

fenmenos de ps-cura, os quais dificultam a quantificao da degradao.

De modo a no expor directamente aos agentes de degradao as superfcies de

corte dos provetes, estes so envelhecidos com dimenses superiores s

dimenses normativas para cada ensaio, obtendo-se assim resultados

correlacionveis com a zona corrente de um elemento estrutural. Os cortes de

preciso dos provetes nas suas dimenses finais so efectuados posteriormente

ao envelhecimento.

A caracterizao das propriedades fsicas e mecnicas aps o envelhecimento

efectuada no estado seco, de modo a avaliar a reversibilidade da degradao

associada absoro de humidade. Desta forma, os provetes so submetidos a

um processo de secagem aps o envelhecimento, at massa constante.

1.3 Organizao do documento

A presente dissertao encontra-se dividida em cinco captulos.

3

No primeiro captulo feita uma breve introduo ao tema da utilizao de perfis

pultrudidos de GFRP em Engenharia Civil, sumarizando-se tambm os objectivos a

atingir nesta dissertao.

No segundo captulo efectua-se uma reviso bibliogrfica das caractersticas e

utilizaes dos materiais FRP na Engenharia Civil, e em particular dos perfis

pultrudidos de GFRP. focada a sua constituio, as suas propriedades tpicas e

caractersticas estruturais e ainda as vantagens e inconvenientes que a sua utilizao

apresenta. dada especial importncia ao tema da durabilidade dos perfis pultrudidos

de GFRP, quando submetidos aos vrios agentes de degradao caractersticos de

aplicaes estruturais de Engenharia Civil.

No terceiro captulo apresentada em pormenor a campanha experimental que foi posta

em prtica, definindo-se os mtodos de preparao e caracterizao dos materiais e as

condies dos ambientes de envelhecimento.

No quarto captulo so apresentados os resultados obtidos na campanha experimental.

feita uma anlise comparativa dos resultados para os dois materiais estudados,

efectuando-se tambm uma comparao com os resultados de outros autores.

No quinto captulo feita uma sntese das principais concluses da dissertao,

apresentando-se tambm algumas sugestes para desenvolvimentos futuros.

5

2 Estado da arte

2.1 Introduo

O presente captulo tem como objectivo a contextualizao do trabalho efectuado na

campanha experimental, atravs da apresentao dos aspectos mais relevantes da

pesquisa bibliogrfica. focado o tema dos perfis pultrudidos reforados com fibras de

vidro (GFRP) e, em particular, a sua durabilidade.

Em primeiro lugar, apresenta-se uma breve nota histrica sobre o aparecimento dos

materiais compsitos e a evoluo das suas aplicaes.

Enunciam-se de seguida as caractersticas mais relevantes dos materiais compsitos

reforados com fibras, focando em particular a sua constituio.

Seguidamente, tratado o caso dos materiais reforados com fibras de vidro, ou GFRP,

referindo-se as suas propriedades mais relevantes. Descreve-se o processo de pultruso,

utilizado no fabrico de perfis pultrudidos. Enumeram-se as principais aplicaes dos

GFRP no domnio da Engenharia Civil.

Em ltimo lugar, focada a questo da durabilidade, referindo-se os principais agentes

de degradao e o seu efeito na alterao das propriedades fsicas, mecnicas e estticas

dos materiais em estudo.

2.2 Materiais polimricos reforados com fibras (FRP)

Um material compsito constitudo por dois ou mais materiais que, isoladamente, no

possuem caractersticas adequadas para serem usados como materiais de construo,

mas que em conjunto contribuem de forma sinergtica para as propriedades gerais do

novo material, o qual possuir maior aplicabilidade na construo [5].

O uso dos primeiros materiais compsitos remonta Antiguidade, existindo registos da

utilizao de tijolos de terra reforados com palha na Mesopotmia desde 5000 a.C.. Tal

prtica tinha como objectivo a reduo da fissurao durante o processo de secagem.

Pode fazer-se uma analogia directa entre este exemplo e os materiais compsitos

polimricos da actualidade, tendo a lama a funo da matriz polimrica e a palha a

funo das fibras de reforo [1].

6

A primeira aplicao de materiais FRP data da dcada de 1930, onde este tipo de

material foi utilizado no casco de um barco, no mbito de um projecto experimental. Na

dcada de 1940 comearam a utilizar-se fibras de vidro embebidas em polister em

cascos de navios e coberturas de radares, estando este tipo de materiais muito associado

s indstrias militares [2].

A partir de 1950, as indstrias com requisitos de resistncia a ambientes agressivos, de

isolamento trmico ou electromagntico, comearam a usar de forma corrente materiais

FRP, nomeadamente a indstria qumica, a indstria da pasta de papel, estaes de

tratamento de gua e esgotos e estaes elctricas [2].

A escassez de alojamento e de materiais de construo tradicionais na dcada de 1950

nos EUA, e a aposta no progresso tecnolgico pelos pases europeus aps a segunda

guerra mundial motivaram a utilizao de FRP na indstria da construo, tendo sido

concebidos cerca de setenta prottipos de edifcios de um ou dois pisos contemplando

elementos FRP com funo estrutural [6].

Nas figuras 2.1 e 2.2 apresentam-se dois exemplos de projectos pioneiros com

elementos estruturais em FRP: a Maison en plastique (1956, Frana) e a

Kunststoffhaus / fg 2000 System (1968, Alemanha).

Figura 2.1 - Maison en plastique, 1956, Frana (adaptado de [6])

Figura 2.2 - Kunststoffhaus / fg 2000 System, 1968, Alemanha (adaptado de [6])

A indstria automvel tornou-se a principal consumidora de materiais compsitos FRP

na dcada de 1970, suplantando a indstria naval. Tambm nesta dcada, observou-se

um alargamento do campo de aplicao dos FRP a outros mercados, nomeadamente o

mercado da aviao e dos barcos de recreio e artigos desportivos. Tal deveu-se a uma

reduo relativa dos custos de produo deste tipo de materiais, motivada pela crise

energtica [1].

7

No final da dcada de 1980 e incio da dcada de 1990, observou-se uma evoluo

tecnolgica dos processos de fabrico de FRP, como a pultruso e, simultaneamente, a

necessidade de reabilitao de um nmero crescente de estruturas, particularmente

estruturas localizadas em vias de comunicao (viadutos e passagens superiores, por

exemplo). O desenvolvimento de projectos-piloto apoiados pela indstria e por

organizaes governamentais, em paralelo com um aumento da investigao, contribuiu

para a aceitao deste tipo de produtos na indstria da construo [3].

2.3 Caractersticas gerais de materiais polimricos reforados

com fibras (FRP)

2.3.1 Constituintes dos FRP

Os materiais polimricos reforados com fibras so compostos por um reforo sob a

forma de fibras, responsvel pelo desempenho mecnico do material, e por uma matriz

polimrica, que assegura a transferncia de cargas entre as fibras, e tambm entre as

cargas aplicadas e o prprio compsito. A matriz polimrica constituda por uma

resina polimrica, contendo tambm em geral material de enchimento (denominado

carga ou filler) e aditivos [1].

Enumeram-se de seguida as propriedades e funes dos constituintes dos FRP.

2.3.1.1 Reforo sob a forma de fibras

A principal funo do reforo sob a forma de fibras suportar as solicitaes mecnicas

dos elementos estruturais, fornecendo resistncia e rigidez ao longo da direco em que

as fibras se desenvolvem. Os tipos de fibras mais utilizados em aplicaes comerciais

so as fibras de vidro, carbono e aramida [1].

Na tabela 2.1 apresenta-se uma sntese das propriedades mecnicas e fsicas mais

significativas dos tipos de fibras mencionados (adaptado de [2, 3]).

As fibras de vidro so produzidas atravs da passagem a uma velocidade elevada de

vidro fundido por uma fieira, cujos orifcios determinam o dimetro resultante das

fibras, seguido de arrefecimento e aplicao de um revestimento superficial. Este

revestimento tem como funes a proteco das fibras durante o manuseamento e a

compatibilizao destas com a matriz. Esto disponveis diferentes composies, todas

elas baseadas em slica (SiO2) e outros xidos, de modo a satisfazer diferentes

8

requisitos [5]. De entre as composies disponveis (designadas por E, S, AR e C), as

fibras do tipo E (electrical) so utilizadas em 80 % a 90 % dos produtos

comercializados, apresentando boas propriedades de isolamento elctrico e elevada

resistncia mecnica e aos agentes qumicos [2].

Tabela 2.1 - Propriedades tpicas das fibras mais utilizadas (adaptado de [2, 3]).

Propriedade Vidro (E-glass) Carbono Aramida

Resistncia traco [MPa] 3500 2600 - 3600 2800 - 3600

Mdulo de elasticidade [GPa] 73 200 - 400 80 - 190

Extenso na rotura [%] 4,5 0,6 - 1,5 2,0 - 4,0

Massa volmica [g/cm3] 2,6 1,7 - 1,9 1,4

Coeficiente de expanso

trmica [10-6/K] 5,0 - 6,0

axial: -1,3 a -0,1

radial: 18,0 -3,5

Dimetro das fibras [m] 3 - 13 6 - 7 12

Estrutura das fibras isotrpica anisotrpica anisotrpica

As fibras de carbono combinam o reduzido peso prprio e a resistncia elevada com

uma rigidez considervel, suplantando neste ltimo parmetro as fibras de vidro.

Contudo, o seu custo de produo elevado e apresentam comportamento anisotrpico,

o que se traduz numa resistncia reduzida na direco radial [2, 5].

As fibras de aramida, embora mais resistentes que as fibras de vidro, apresentam uma

reduzida resistncia compresso, so susceptveis rotura por fadiga e exibem grande

sensibilidade degradao por radiao ultravioleta [2].

As fibras de reforo so disponibilizadas sob diversas formas, que incluem mechas ou

feixes de filamentos contnuos quase paralelos, no torcidos (rovings) ou torcidos

(yarns), ou na forma de fibras curtas com 3 a 50 mm de comprimento (chopped). As

mantas de reforo podem ser constitudas por fibras curtas ou contnuas dispostas

aleatoriamente (chopped strand mat ou continuous strand mat, respectivamente) ou

fibras contnuas orientadas biaxial ou triaxialmente, as quais podem ou no ser

entrelaadas (woven fabrics ou non woven fabrics, respectivamente) [1]. Nas figuras 2.3

e 2.4 ilustram-se as disposies referidas.

De um modo geral, as fibras de reforo so submetidas a um tratamento qumico

superficial, recorrendo a produtos como o amido, o leo ou a cera (denominados

sizings). Estes actuam como lubrificantes ou agentes anti-estticos, protegendo as fibras

9

durante o seu manuseamento e fazendo com que estas se aglomerem em mechas. Estes

produtos incluem ainda agentes de ligao que favorecem a ligao das fibras com a

matriz [3].

Figura 2.3 - Reforos unidireccionais: mechas de filamentos contnuos no torcidos ou rovings ( esquerda) e torcidos ou yarns (no centro e direita) (adaptado de [7]).

Figura 2.4 Tipos de mantas de reforo: fibras contnuas dispostas aleatoriamente, fibras contnuas direccionadas

(0/90) entrelaadas, fibras contnuas direccionadas (0/90) + fibras dispostas aleatoriamente, fibras contnuas direccionadas (0/45/90) + fibras dispostas aleatoriamente (adaptado de [7]).

2.3.1.2 Resinas polimricas

O termo resina polimrica ou simplesmente resina designa, na indstria dos FRP, o

constituinte principal da fase no fibrosa do FRP, ou matriz polimrica [8].

A matriz polimrica tem as seguintes funes principais [3, 5]:

Assegurar a posio e orientao das fibras, atravs de uma impregnao

eficaz durante o processo de fabrico;

Distribuir pelas fibras as tenses resultantes do carregamento aplicado;

Absorver a energia e reduzir a concentrao de tenses, contribuindo para a

deteno da propagao de fissuras;

Proteger as fibras dos agentes de degradao ambientais como a humidade;

Impedir eventuais fenmenos de instabilidade das fibras, quando sujeitas a

compresso.

Adicionalmente, a matriz polimrica tem capacidade para resistir a algumas cargas,

particularmente as associadas a tenses transversais e a tenses de corte

interlaminar [1].

10

As resinas polimricas dividem-se em dois grupos principais: (i) as resinas

termoendurecveis e (ii) as resinas termoplsticas. Estes grupos distinguem-se pela

forma como as suas cadeias polimricas esto interligadas quando o polmero se

encontra na forma slida [1].

As resinas termoendurecveis resultam de uma reaco qumica de polimerizao, da

qual resulta uma estrutura molecular tridimensional com ligaes cruzadas. Depois de

curadas, estas resinas so infusveis, no podendo ser reprocessadas ou soldadas. A sua

reduzida viscosidade permite velocidades de processamento elevadas. Adicionalmente,

as resinas termoendurecveis apresentam uma boa capacidade de impregnao das fibras

e muito boas propriedades adesivas. As resinas termoendurecveis mais comuns so o

polister e o vinilster (objecto de estudo deste documento) e tambm as fenlicas e as

epoxdicas [3].

As resinas termoplsticas no apresentam ligaes cruzadas, estando as suas cadeias

ligadas por foras de Van der Waals ou por ligaes de hidrognio, e no sofrem

transformaes qumicas durante o seu processamento. No formando uma estrutura

irreversvel, as resinas termoplsticas permitem a sua reciclagem e reprocessamento. O

seu custo de processamento consideravelmente superior face s resinas

termoendurecveis, devido sua elevada viscosidade. As suas propriedades de

impregnao e adeso s fibras so inferiores em comparao com as resinas

termoendurecveis. Integram o grupo das resinas termoplsticas o polipropileno, a

poliamida, o polietileno e o polibutileno [3].

As resinas termoendurecveis so utilizadas na esmagadora maioria das aplicaes

comerciais de produtos FRP, devido s propriedades previamente enumeradas.

Contudo, o surgimento de novas tcnicas de fabrico e campos de aplicao inovadores

tem vindo a viabilizar o uso de FRP de matriz termoplstica [2, 5].

Na tabela 2.2 apresentam-se as propriedades fsicas e mecnicas das resinas

termoendurecveis mais comuns.

As resinas de polister insaturado so as resinas termoendurecveis mais utilizadas

como matriz de FRP, atingindo uma quota de 91% na indstria da construo. Esta

percentagem elevada deve-se ao equilbrio que este tipo de resinas apresenta em relao

s propriedades mecnicas, qumicas e elctricas, sua estabilidade dimensional e

11

facilidade de processamento, estando estes factores aliados a um reduzido custo de

produo. Esta reduo de custo deve-se em parte possibilidade de se misturar estas

resinas com grandes quantidades de cargas (podendo o teor mssico das cargas atingir

50 %) [1, 5].

Tabela 2.2 Propriedades fsicas e mecnicas das resinas termoendurecveis mais comuns (adaptado de [1]).

Propriedade Polister Epxida Vinilster Fenlica

Resistncia traco [MPa] 20 70 60 80 68 82 30 - 50

Mdulo de elasticidade em traco [GPa] 2,0 3,0 2,0 4,0 3,5 3,6

Extenso na rotura em traco [%] 1,0 5,0 1,0 8,0 3,0 4,0 1,8 2,5

Massa volmica [g/cm3] 1,20 1,30 1,20 1,30 1,12 1,16 1,00 1,25

Temperatura de transio vtrea [C] 70 120 100 270 102 150 260

As resinas de vinilster foram desenvolvidas com vista a combinar as propriedades das

resinas epoxdicas com a facilidade de processamento do polister, representando uma

percentagem de 1 % na indstria da construo. Estas tm uma maior durabilidade em

ambientes corrosivos e alcalinos, sendo actualmente usadas no fabrico da maioria dos

vares de FRP. Este tipo de resinas apresenta uma boa resistncia ao impacto e fadiga,

reduzida permeabilidade gua e boas propriedades de isolamento trmico e elctrico.

Exibem ainda uma boa aderncia a fibras de vidro, carbono e aramida [1, 5, 8].

Em adio resina base, as matrizes polimricas incluem constituintes suplementares

com as funes de induzir a reaco de polimerizao, melhorar o processamento,

reduzir o custo do material e melhorar as propriedades do produto final. Estes

constituintes suplementares podem dividir-se em trs grupos: (i) agentes de

polimerizao, (ii) materiais de enchimento e (iii) aditivos [1].

2.3.1.3 Agentes de polimerizao

Os agentes de polimerizao so substncias utilizadas para induzir a iniciao da

reaco de polimerizao da resina base. Nas resinas de polister e vinilster so

utilizados perxidos orgnicos (activados pelo calor) para iniciar a reaco de cura, em

quantidades variando entre 0,25 % e 1,50 % do peso da resina base. Pode ainda ser

adicionado um monmero de estireno em quantidades entre 10 % e 15 % do peso da

resina base, de modo a reduzir a sua viscosidade e facilitar o processamento [8].

12

2.3.1.4 Cargas (fillers)

As cargas ou fillers so compostos quimicamente inertes incorporados na matriz

polimrica tendo como principal objectivo a reduo do custo de produo, embora a

sua presena influencie inevitavelmente algumas propriedades da resina e do produto

final [5].

A presena de cargas pode contribuir para a reduo da retraco da matriz, melhorando

a sua estabilidade dimensional e prevenindo o aparecimento de fissuras em zonas de

descontinuidade ou com teor em resina excessivo. Adicionalmente, a rigidez, a

resistncia fadiga, fluncia e a resistncia qumica podem tambm ser

incrementadas. Contudo, algumas propriedades mecnicas e a resistncia corroso

podero diminuir [3].

Entre os compostos mais utilizados incluem-se o carbonato de clcio, o caulino (silicato

de alumnio), o hidrxido de alumnio e o sulfato de clcio, sendo os dois ltimos

utilizados para melhorar o comportamento na situao de incndio, por reduzirem a

inflamabilidade e a produo de fumo [1].

Tipicamente, os vares e perfis pultrudidos de polister e vinilster incorporam uma

percentagem de cargas de 10 % a 30 % do peso da matriz. No caso de elementos

pultrudidos de pequenas dimenses com reforo apenas longitudinal, o teor de cargas

inferior a 5 %, e nos laminados de FRP geralmente o teor de cargas ainda menor [8].

2.3.1.5 Aditivos

Os aditivos so incorporados na matriz para melhorar o desempenho do material, o seu

processamento, ou para modificar certas propriedades. Tipicamente so introduzidos em

quantidades inferiores a 1 % em peso da resina. Contudo, apesar desta reduzida

percentagem, estes podem provocar alteraes significativas nas propriedades fsicas e

mecnicas do material FRP [1].

Enumeram-se de seguida algumas das funes dos aditivos [2]:

Reduo da produo de fumo e melhoramento da resistncia ao fogo;

Inibio da oxidao de polmeros;

Reduo da retraco;

Reduo do teor de vazios;

13

Aumento da condutividade elctrica e interferncia electromagntica;

Aumento da dureza;

Preveno da perda de cor e brilho devido radiao ultravioleta (UV);

Obteno de uma determinada cor;

Facilitar a desmoldagem.

2.3.1.6 Interface fibra-matriz

A matriz polimrica e o reforo sob a forma de fibras, de natureza diversa, criam entre

si uma importante rea de contacto. Para que se atinjam as propriedades mecnicas do

material compsito, fundamental que seja assegurada a interaco entre os seus

constituintes [5].

As propriedades mecnicas da interface fibra-matriz dependem essencialmente da

adeso e compatibilidade mecnica entre as fibras e a matriz, e tambm do ngulo entre

as fibras de reforo e a direco de solicitao. Verifica-se que os valores mximos das

propriedades mecnicas ocorrem quando a direco das fibras de reforo e da

solicitao so coincidentes [1, 3].

De modo a garantir uma boa interaco mecnica entre as fibras e a matriz polimrica,

as suas propriedades mecnicas devem ser adaptadas. Por exemplo, de modo a evitar o

aparecimento de microfissurao na matriz antes de ser atingida a capacidade de

deformao mxima das fibras, a extenso na rotura da matriz deve ser superior das

fibras. Da mesma forma, a matriz deve garantir uma rigidez mnima para impedir

fenmenos de instabilidade nas fibras [3].

2.4 Caractersticas gerais de perfis pultrudidos de polmero

reforado com fibras de vidro (GFRP)

2.4.1 Processo de fabrico de perfis pultrudidos de GFRP

Os perfis pultrudidos de GFRP so produzidos atravs do processo de pultruso, um

processo contnuo automatizado desenvolvido por B. Goldsworthy no princpio da

dcada de 1950 nos E.U.A. [8].

O processo consiste na combinao das fibras de reforo com uma resina

termoendurecvel e permite o fabrico de componentes com seco constante, aberta ou

14

fechada, estando o seu comprimento mximo limitado apenas pela capacidade de

transporte disponvel [9].

As mechas contnuas e as mantas de fibras dispostas noutras direces so colocadas na

sua posio definitiva, sendo em seguida impregnadas com uma resina

termoendurecvel no estado lquido. As fibras saturadas so introduzidas num molde

aquecido, cuja forma define a seco pretendida para o produto. No interior do molde, a

temperatura provoca a cura da resina, atingindo esta o estado slido. O equipamento de

traco movimenta de forma contnua o perfil, conduzindo-o a uma serra onde cortado

com o comprimento pretendido [9].

A figura 2.4 ilustra o esquema de produo descrito.

Figura 2.4 Esquema do processo de pultruso (adaptado de [7])

O processo de pultruso permite grande flexibilidade na concepo de perfis pultrudidos

de FRP, podendo com a tecnologia actual produzir-se perfis com seces de dimenses

considerveis. A versatilidade no posicionamento das fibras de reforo permite atingir

requisitos de resistncia especficos [10].

2.4.2 Propriedades tpicas de perfis pultrudidos de GFRP

As propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP dependem essencialmente do tipo de

fibras e matriz polimrica, da orientao das fibras e respectivo teor e tambm da

interaco entre as fibras e a matriz [3].

Sousa [11] apresenta gamas de variao para as propriedades mecnicas de perfis

pultrudidos de trs das principais produtoras mundiais. Distingue-se a direco axial

(direco da pultruso) da direco transversal s fibras. Nas tabelas 2.3 e 2.4 exibem-se

estes valores. A resistncia ao corte e o mdulo de distoro dependem essencialmente

da matriz polimrica, pelo que os valores apresentados para estas grandezas

relativamente s direces axial e transversal so idnticos.

15

Tabela 2.3 - Propriedades mecnicas na direco axial de perfis pultrudidos GFRP disponveis comercialmente (adaptado de [11])

Propriedade Produtora

Fiberline Strongwell Creative P. Inc.

Resistncia traco [MPa] 240 207 228 258

Resistncia compresso [MPa] 240 207 228 258

Resistncia flexo [MPa] 240 207 228 258

Resistncia ao corte [MPa] 25 31 38 41

Mdulo de elasticidade [GPa] 23 28 17 19 19 22

Mdulo de distoro [GPa] 3,0 2,9 2,9

Coeficiente de Poisson [-] 0,23 0,33 0,35

Tabela 2.4 - Propriedades mecnicas na direco transversal s fibras de perfis pultrudidos GFRP disponveis comercialmente (adaptado de [11])

Propriedade Produtora

Fiberline Strongwell Creative P. Inc.

Resistncia traco [MPa] 50 48 52 55

Resistncia compresso [MPa] 70 69 76 88

Resistncia flexo [MPa] 100 110 113 137

Resistncia ao corte [MPa] 25 31 38 41

Mdulo de elasticidade [GPa] 8,5 5,5 5,5 6,9

Mdulo de distoro [GPa] 3,0 2,9 2,9

Coeficiente de Poisson [-] 0,09 0,14 0,15

A norma europeia EN 13706 estabelece normas de ensaio para a determinao de

propriedades mecnicas, fsicas e trmicas, e define duas classes de perfis, apresentando

valores mnimos que as propriedades do perfil devem garantir para integrar cada

classe [3].

Na figura 2.5 apresenta-se uma comparao entre a relao constitutiva de dois tipos de

perfil pultrudido da produtora ALTO e outros materiais de construo usuais,

nomeadamente o ao, o alumnio, a madeira e o PVC. A notao Pul 1 designa um

perfil apenas com reforo unidireccional de fibra de vidro, e a notao Pul 2 designa um

perfil com reforo unidireccional e manta de fibra de vidro.

O ao o material que concorre de forma mais directa com os perfis pultrudidos de

GFRP. Salientam-se as seguintes propriedades dos perfis pultrudidos, em relao ao

ao [2]:

16

Comportamento elstico linear at rotura, contrastando com o comportamento

dctil do ao;

Tenso ltima superior da maioria dos aos estruturais;

Mdulo de elasticidade de cerca de 15 % do ao.

Figura 2.5 Comparao da relao constitutiva dos perfis pultrudidos de GFRP da produtora ALTO (adaptado de [12])

O valor reduzido do mdulo de elasticidade est associado a uma maior

deformabilidade dos elementos estruturais, tendo a deformabilidade por corte um

contributo significativo. Este fomenta tambm a ocorrncia de fenmenos de

instabilidade de peas esbeltas no travadas [1].

O dimensionamento deste tipo de perfis condicionado de um modo geral pelos

requisitos de desempenho em servio (carregamentos da ordem de 20 % da carga

ltima), para os quais vlida a hiptese do comportamento elstico tanto na direco

das fibras como na direco transversal. Contudo, para nveis de deformao elevados,

em particular na direco transversal, a relao tenso-deformao pode aparentar

alguma no linearidade e a rotura pode ser progressiva [8].

Na figura 2.6 apresenta-se uma comparao entre a massa volmica, o coeficiente de

dilatao trmica e a condutividade trmica de perfis pultrudidos de GFRP e outros

materiais tradicionais (AL Alumnio, SL Ao, T Madeira). Denota-se o peso

prprio reduzido dos perfis de GFRP face ao ao (cerca de 4 a 5 vezes inferior) e uma

condutividade trmica tambm significativamente inferior do ao [3].

17

Figura 2.6 Comparao entre as propriedades fsicas e trmicas de perfis pultrudidos de GFRP e de outros materiais de construo: massa volmica (esquerda), coeficiente de dilatao trmica (centro) e condutividade trmica (direita)

(adaptado de [3]).

2.4.3 Caractersticas estruturais de perfis pultrudidos de GFRP

A disposio tpica dos laminados das peas produzidas por pultruso apresenta-se na

figura 2.7. Evidenciam-se as fibras de reforo longitudinais e as mantas de fibras com

direces aleatrias, que conferem resistncia na direco transversal. superfcie dos

laminados, so colocadas mantas de reforo com fibras dispostas aleatoriamente e um

teor em resina superior ao das restantes camadas (vus de superfcie) de modo a

proteger as fibras dos agentes de degradao externos [2].

Figura 2.7 Estrutura das camadas num material pultrudido (adaptado de [10])

Inicialmente, as formas estruturais dos perfis pultrudidos foram replicadas da

construo metlica, sendo produzidas fundamentalmente seces de parede fina aberta.

Actualmente, tm sido desenvolvidos sistemas estruturais mais complexos, compostos

por seces multicelulares fechadas ligadas entre si por colagem que podem ser

utilizados como tabuleiro de pontes [13].

Na figura 2.8 apresentam-se exemplos de seces semelhantes s existentes nas

estruturas metlicas, e na figura 2.9 exibem-se alguns exemplos de tabuleiros de pontes

compostos por seces fechadas coladas.

18

Figura 2.8 Exemplos de perfis pultrudidos de GFRP (adaptado de [11])

Figura 2.9 Exemplos de tabuleiros de pontes compostos por perfis pultrudidos de GFRP colados

(adaptado de [14])

2.4.4 Vantagens e inconvenientes da utilizao de perfis pultrudidos de

GFRP

O uso de perfis pultrudidos de GFRP apresenta um conjunto de vantagens e

inconvenientes face utilizao de materiais de construo tradicionais como o beto

armado ou o ao, destacando-se as seguintes [1]:

Reduzido peso prprio;

Elevadas relaes resistncia - peso prprio e rigidez - peso prprio;

Possibilidade de produo de qualquer forma estrutural;

Elevada resistncia fadiga;

Boas propriedades de isolamento trmico e transparncia electromagntica;

Facilidade de transporte e aplicao em obra;

Reduzidos custos de manuteno;

Elevada durabilidade.

Os inconvenientes mais significativos so os seguintes [1]:

Reduzido mdulo de elasticidade;

Comportamento frgil na rotura;

Necessidade de desenvolvimento de formas estruturais e sistemas de ligao

adaptados s propriedades do material;

Inflamabilidade e reduo das propriedades mecnicas para temperaturas

moderadamente elevadas (100 C a 200 C);

Ausncia de regulamentao especfica;

Custos directos iniciais pouco competitivos.

19

2.4.5 Aplicaes de perfis pultrudidos de GFRP

Os perfis pultrudidos de GFRP comearam por ser utilizados em elementos no

estruturais ou estruturas secundrias em aplicaes com elevados requisitos de

durabilidade, como a indstria petroqumica, estaes de tratamento de guas ou a

indstria do saneamento bsico, entre outros [3].

Para este tipo de aplicaes no estruturais, o processo de pultruso desenvolveu uma

vasta gama de produtos constitudos por perfis de GFRP, como por exemplo painis de

fachada (Figura 2.10a), guarda-corpos (Figura 2.10b) e escadas isolantes (Figura 2.10c).

Figura 2.10 Aplicaes de perfis pultrudidos de GFRP em estruturas secundrias: a) Painis de fachada (adaptado de [15]); b) Guarda-corpos (adaptado de [16]); c) Escada isolante (adaptado de [16]).

Nos ltimos anos, surgiu um nmero crescente de aplicaes de perfis de GFRP em

estruturas primrias, englobando coberturas, pontes pedonais e rodovirias e

edifcios [1].

O edifcio Eyecatcher (figura 2.11), construdo em 1999 para a Feira da Construo de

Basileia, apresenta uma estrutura principal constituda por trs prticos trapezoidais,

com seces compostas obtidas atravs da colagem de perfis de GFRP. Com cinco

pisos, actualmente o edifcio mais alto com uma estrutura deste tipo [17].

A ponte levadia de Bonds Mill (figura 2.12), construda em 1994, foi a primeira ponte

rodoviria totalmente compsita do Reino Unido. A sua estrutura constituda por

painis do sistema Advanced Composite Construction System (ACCS) assentes em

vigas longitudinais constitudas por perfis de GFRP. Tratando-se de uma ponte levadia,

o seu reduzido peso prprio constituiu um factor vantajoso [3].

No mbito da reabilitao de estruturas existentes, so usados painis de GFRP para

substituir lajes em beto armado de tabuleiros de pontes. Estes painis so ligados s

vigas pr-existentes por aparafusamento, colagem ou chumbadouros. Podem tambm

a b c

20

usar-se perfis ou painis de GFRP para substituir pavimentos de madeira degradados em

edifcios antigos [1].

Figura 2.11 - Edifcio Eyecatcher (adaptado de [15])

Figura 2.12 - Ponte elevatria Bonds Mill (adaptado

de [18])

2.5 Durabilidade de perfis pultrudidos de polmero reforado

com fibras de vidro (GFRP)

A durabilidade de um material pode definir-se como a sua capacidade para resistir a

fendilhao, oxidao, degradao qumica, delaminao, desgaste por uso e/ou

danificao por objectos externos, durante um determinado perodo de tempo e em

determinadas condies ambientais [9].

Em projecto, este conceito de durabilidade posto em prtica atravs do uso de

princpios de tolerncia ao dano. A tolerncia ao dano caracteriza-se como a capacidade

de um material ou estrutura resistir ao colapso e comportar-se de forma adequada em

servio na presena de imperfeies, fendilhao ou outra forma de dano ou

degradao, durante um determinado perodo de tempo e em condies ambientais

especficas [4].

Embora os materiais FRP em geral tenham sido amplamente utilizados nos sectores

industrial, aeroespacial, automvel e martimo, existem diferenas significativas ao

nvel do carregamento, ambiente de exposio, tipo de materiais e processos utilizados

nestas aplicaes, em contraste com aquilo que se verifica em aplicaes de Engenharia

Civil [19].

Karbhari et al [4] enunciaram um conjunto de factores de degradao, descritos de

seguida, como tendo um impacto significativo na durabilidade de elementos estruturais

em FRP. Os autores referidos salientam tambm a importncia dos efeitos sinergticos

(combinao de vrios factores de degradao), pois esta a situao mais frequente

21

para uma estrutura em servio e conduz a nveis mais elevados de degradao. Os

factores identificados foram os seguintes:

Humidade e solues aquosas;

Ambientes alcalinos;

Efeitos trmicos;

Exposio a radiao ultravioleta (UV);

Exposio ao fogo;

Fadiga;

Fluncia / relaxao;

Em seguida, descrevem-se os efeitos dos factores de degradao enumerados.

2.5.1 Humidade e solues aquosas

A exposio humidade e solues aquosas inclui efeitos da exposio directa chuva

e humidade atmosfrica, a difuso atravs de outros substratos e a imerso em solues

aquosas, como ocorre por exemplo em estruturas de portos ou elementos de

encamisamento de pilares de pontes [19].

A humidade incorpora-se em todos os polmeros orgnicos, alterando as suas

caractersticas termofsicas, mecnicas e qumicas. O principal efeito da absoro de

humidade revela-se na matriz polimrica, atravs de processos como a hidrlise, a

plasticizao e a saponificao (entre outros), que provocam alteraes de natureza

reversvel e/ou irreversvel na sua estrutura. A propagao de humidade, por

capilaridade, para a zona da interface fibra-matriz, pode causar efeitos nocivos na

ligao entre as fibras e a matriz, resultando numa perda de integridade a esse nvel.

Podem tambm verificar-se efeitos nocivos ao nvel das fibras. A extraco de ies das

fibras devido presena da humidade pode levar a alteraes na sua estrutura [19].

De acordo com Liao et al. [20], as alteraes mecnicas resultantes da absoro de

humidade podem ser reversveis, no reversveis, ou uma combinao das duas,

dependendo das condies de exposio. No caso das alteraes reversveis, que

envolvem o processo de plasticizao e aumento de volume da matriz por absoro, as

propriedades mecnicas podem ser restauradas atravs da secagem do material. Na

ocorrncia de alteraes irreversveis, que envolvam danos nas fibras, fissurao da

22

matriz ou destacamento na zona da interface fibra-matriz, as propriedades mecnicas do

compsito so permanentemente alteradas.

2.5.1.1 Efeitos na matriz polimrica

A penetrao de humidade em polmeros termoendurecveis conduz, em primeiro lugar,

ocorrncia de plasticizao, isto , ao aumento da distncia intermolecular devido

introduo de molculas de gua nas cadeias polimricas. Este processo de cariz

reversvel tem como consequncia uma diminuio da temperatura de transio vtrea

do compsito [19]. Esta caracteriza-se como o valor mdio da gama de temperaturas em

que ocorre a transio entre um estado viscoso e um estado slido nos polmeros

amorfos [5].

A exposio de longa durao a um ambiente aquoso pode ter como consequncia a

ocorrncia de degradao qumica atravs de hidrlise, verificando-se um ataque aos

grupos ster da resina, no caso do polister, estando este grupo menos acessvel no caso

do vinilster. Tal potencia uma reduo da temperatura de transio vtrea [21].

Adicionalmente, pode verificar-se uma diminuio da massa do compsito devido

dissoluo de elementos de baixo peso molecular [19].

De acordo com Chin et al. [22], as resinas de vinilster so de um modo geral menos

susceptveis degradao por hidrlise em comparao com as resinas de polister,

devido presena de grupos de metilo que funcionam como proteco dos grupos ster.

2.5.1.2 Efeitos nas fibras de vidro

As fibras de vidro podem degradar-se quando sujeitas a uma longa exposio a solues

aquosas, devido ao facto de serem constitudas por xidos de metais alcalinos

hidrolisveis. Contudo, as fibras de vidro do tipo E e S, as mais usadas na indstria da

construo, contemplam contedos reduzidos destes xidos [5].

A degradao das fibras de vidro causada pela extraco de ies de clcio, alumnio e

sdio e subsequente substituio por ies de hidrognio [23]. A reduo de volume

superfcie das fibras resultante deste fenmeno gera tenses de traco elevadas, que

conduzem a perda de resistncia e fissurao [19].

2.5.1.3 Efeitos na interface fibra-matriz

A presena de humidade na zona da interface fibra-matriz pode reduzir de forma directa

23

a fora de ligao qumica entre a matriz e as fibras. Adicionalmente, o aumento de

volume da matriz que acompanha o processo de absoro pode alterar as tenses

residuais que se geraram nesta rea durante o processo de cura, reduzindo a resistncia

interfacial ao corte [24].

2.5.1.4 Efeitos gerais em sistemas FRP

As propriedades mecnicas dos compsitos so de um modo geral menos susceptveis

ao envelhecimento higrotrmico em comparao com as das resinas, devido presena

e forte influncia das fibras de vidro [19].

De um modo geral, o efeito da exposio humidade e solues aquosas ressente-se ao

nvel da resistncia mecnica do compsito, sendo as alteraes dos mdulos de

elasticidade diminutas (da ordem dos 10 % num perodo de 10 a 15 anos). Contudo,

atingindo-se um estado avanado de degradao das fibras, os mdulos de elasticidade

do compsito podem sofrer uma diminuio considervel [4].

2.5.2 Ambientes alcalinos

Os materiais FRP podem estar em contacto com meios alcalinos provenientes de

diferentes fontes, contudo a situao mais relevante na indstria da construo o efeito

de degradao resultante do contacto com a soluo fortemente alcalina formada no

interior dos poros do beto (por exemplo, em aplicaes de reabilitao de

estruturas) [5].

As fibras de vidro so fortemente degradadas pela presena de solues alcalinas,

atravs de um conjunto de mecanismos que incluem a formao de cavidades por

oxidao (pitting), a hidroxilao e a hidrlise. Embora as fibras estejam envolvidas

pela resina, que lhes confere um determinado nvel de proteco, as solues alcalinas

podem acelerar a degradao da ligao entre estes elementos e afectar a resina em si,

especialmente se esta no estiver totalmente curada [4].

De acordo com Chu et al. [25], a degradao das propriedades mecnicas subsequente

da exposio a solues alcalinas consideravelmente superior, em comparao com as

solues aquosas, verificando-se degradao ao nvel da resina, das fibras e da zona de

interface fibra-matriz. Os autores concluram que em solues alcalinas a ocorrncia

severa do processo de hidrlise devido penetrao da soluo de pH elevado conduz

24

ao surgimento de microfissurao na matriz, levando a uma absoro superior em

comparao com a imerso em outras solues aquosas.

2.5.3 Efeitos trmicos

Os compsitos de FRP so sujeitos a efeitos trmicos tanto durante o processo de

fabrico como no decorrer da sua vida til. Os efeitos trmicos incluem alteraes devido

exposio a temperaturas acima da temperat

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Durabilidade de perfis pultrudidos em compósito de poliéster