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ESTUDO DA DURABILIDADE DE

COMPÓSITOS CIMENTO-PARTÍCULAS DE PÓ DE COCO

G. A. M. Brasileiro1,2, J. A. R. Vieira1, R. S. Santana1, L.S. Barreto1



1Av. Marechal Rondon, S/N, CEP 49100-000, São Cristóvão, Sergipe, Brasil

e-mail: giselabrasileiro@msn.com



1 Núcleo de Ciência e Engenharia de Materiais

Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais,

Universidade Federal de Sergipe - UFS

2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe - IFS

RESUMO
O uso de resíduos lignocelulósicos agroindustriais é uma alternativa para a produção de compósitos cimento-madeira. Compósitos cimento-pó de coco (CCC) foram produzidos com partículas de pó de coco submetidas a tratamentos químicos para melhorar a compatibilidade com o cimento Portland. Os compósitos, produzidos na escala laboratorial com dimensões 20 x 20 x 80 mm3, foram submetidos ao envelhecimento natural por 6 meses, expostos ao ambiente externo e protegidos no laboratório e ao envelhecimento acelerado por 120 ciclos. As propriedades físicas e mecânicas foram utilizadas para mensurar o desempenho após os ciclos de envelhecimento e avaliar a durabilidade. Os resultados mostraram a eficiência do tratamento químico das partículas de pó de coco nas propriedades mecânicas e físicas dos compósitos envelhecidos. Os compósitos com partículas de pó de coco tratadas com Ca(OH)2 e Na2CO3 apresentaram desempenho mecânico superior ao compósito com partículas de pó de coco sem tratamento, principalmente no envelhecimento natural interno.
Palavras-chaves: compósitos cimentícios com partículas de pó de coco, desempenho, durabilidade, envelhecimento, propriedades mecânicas e físicas.

INTRODUÇÃO

A associação de materiais lignocelulósicos (fibras e partículas) em aplicações com cimento, muitas vezes, apresenta desempenho não satisfatório. A durabilidade do material lignocelulósico na matriz cimentícia, bem como a compatibilidade entre as fases, comprometem a eficiência dos compósitos cimentícios com fibra/partícula vegetal (1,2).

Os materiais lignocelulósicos possuem substâncias inibidoras à reação de hidratação do cimento, como a hemicelulose, os carboidratos, os açúcares e os componentes fenólicos. O principal efeito inibitório sobre o cimento é o atraso no processo de cura, que afeta a compatibilidade matriz-materiais lignocelulósicos (3). A literatura apresenta diversas estratégias de tratamentos para compósitos cimentícios com resíduos lignocelulósicos: tratamento do material lignocelulósico por meio da remoção de substâncias inibidoras da cura do cimento; modificação do material lignocelulósico com produtos químicos; incorporação de aditivos aceleradores da pega; substituição parcial do cimento por adições minerais etc. (4).

Melhorar a durabilidade dos compósitos continua sendo um desafio (5). A durabilidade é um aspecto importante no desenvolvimento de um novo material. Para que um novo material possa ser inserido no mercado, estudos de sua vida útil devem ser realizados (6). Compósitos cimento-resíduos vegetais são um material novo, ainda não totalmente estudado e não existem normas especificas para avaliação da durabilidade desses materiais. Então se utilizam metodologias de ensaio aplicadas a concreto e argamassas.

A literatura apresenta diversos estudos com materiais lignocelulósicos na forma de partículas em matrizes cimentícias para a produção de painéis leves de cimento- madeira (2, 7, 8, 9, 10). Neste estudo, compósitos cimento-madeira foram produzidos utilizando partículas de pó de coco, que devido a sua forma e pequenas dimensões (0,075-1,2 mm), pode ser considerado um material particulado. O pó de coco é um subproduto da indústria de produção das fibras longas e representa 50 a 70% do processamento da casca do coco. O objetivo do trabalho foi avaliar a durabilidade dos compósitos cimento-pó de coco (CCC), produzidos com partículas de pó de coco submetidas a tratamentos químicos, através de processos de envelhecimento natural e acelerado.

MATERIAIS E MÉTODOS

A amostra de pó de coco in natura obtida na empresa Indufibras Indústria de Fibras Ltda. foi deixada secar ao ar por 3 (três) semanas. As partículas de pó de coco foram submetidas à moagem em moinho de bolas. A fração de partículas retida na peneira 0,15mm (ABNT #100), passante na peneira 0,30 mm (ABNT #50), foi utilizada para produção dos compósitos. O cimento Portland composto resistente a sulfatos, CP II–Z–32 RS, da Votorantim e água deionizada foram utilizados nas misturas.


Tratamento químico das partículas de pó de coco
As partículas de pó de coco foram secas a 65 ± 5ºC por 24 horas em estufa, depois foram imersas nas soluções de tratamento por 48 horas, posteriormente foram lavadas com água deionizada e expostas ao ar por 24 horas, então foram secas em estufa a 65 ± 5ºC por 48 horas. As soluções para tratamento e as denominações para cada tratamento estão indicados a seguir, as letras indicam o tipo de tratamento efetuado: N - in natura, amostra de pó de coco sem tratamento; NC - imersão em solução de carbonato de sódio, Na2CO3, concentração 0,1 mol/L, pH 11,4; CH - imersão em solução de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, concentração 2,5. 10-2 mol/L, pH 13, para saturar o pó de coco com íons cálcio.
Preparação dos compósitos cimento-pó de coco (CCC)
Os compósitos produzidos foram CCCN, CCCNC e CCCCH, com as respectivas partículas de pó de coco nas condições de tratamento químico N, NC e CH. O traço em massa das misturas foi 1:0,10 (cimento:pó de coco) e o fator água/cimento igual a 0,75. As misturas foram realizadas em argamassadeira e os corpos de prova, com as dimensões 20x20x80 mm3, foram vibrados em mesa vibratória. Para cada formulação e idade de envelhecimento foram produzidos 6 (seis) corpos-de-prova, curadas ao ar a 23 ± 2ºC no primeiro dia e imersos em água deionizada até 28 dias.
Envelhecimento natural e acelerado
O envelhecimento natural foi realizado de duas formas: a) interno - mantendo-se os corpos-de-prova em ambiente interno ao laboratório com temperatura entre 23 ± 2ºC e b) externo - expondo-os à intempérie, ao ar livre, em bancada com inclinação de 30% com a horizontal, voltados para o norte magnético, de forma a maximizar a incidência de raios solares. Os compósitos foram expostos por 6 meses.

Os compósitos foram submetidos ao envelhecimento acelerado em equipamento para ensaios de intemperismo acelerado, modelo BASS-UUV, conforme prescrição das normas internacionais ASTM G154-06 (11) e ASTM G151-10 (12). Os corpos-de-prova foram submetidos a 120 ciclos. Cada ciclo teve a duração de 8 horas, sendo 4 horas sob luz ultravioleta UVA a 60ºC e 4 horas sob condensação a 50ºC.


Caracterização dos compósitos
Os compósitos foram ensaiados aos 28 dias e após as idades e ciclos de envelhecimento. O ensaio de resistência à tração na flexão em 3 (três) pontos foi configurado usando uma célula de carga de 5 kN com velocidade de 0,5 mm/min de aplicação da carga, na maquina universal de ensaios INSTRON, modelo 3367. O vão utilizado foi de 50 mm. A tenacidade ou energia específica foi definida como sendo a energia absorvida durante o ensaio de flexão, dividida pela área da seção transversal do corpo-de-prova. A energia absorvida foi obtida pela integral da área abaixo da curva força x deslocamento até o ponto correspondente à redução da capacidade de força para 30% da força máxima atingida (5). As propriedades físicas, absorção de água, densidade aparente e porosidade aparente foram determinadas com base na norma NBR 9778:2009 (13).

RESULTADOS E DISCUSSÃO



Desempenho aos 28 dias
Os efeitos dos tratamentos químicos realizados nas partículas de pó de coco sobre o módulo de ruptura (MOR) dos compósitos produzidos e curados aos 28 dias estão apresentados na Fig. 1. Os compósitos produzidos com partículas de pó de coco tratadas, CCCNC (2,50 MPa) e CCCCH (2,50 MPa), resultaram em valores de MOR superiores ao do CCCN (2,37 MPa). Sugere-se que os tratamentos químicos nas partículas de pó de coco melhoraram as ligações matriz-partículas (14).

Fig. 1 – Variação do módulo de ruptura para os compósitos aos 28 dias e após envelhecimento natural e acelerado


A Fig. 2 apresenta os resultados para a tenacidade (TE). CCCCH (157,95 J/m2) e CCCNC (141,16 J/m2) registraram valores superiores que CCCN (132,95 J/m2), o que indica que o tratamento químico das partículas melhorou a ductilidade dos compósitos.

Fig. 2 – Variação da tenacidade para os compósitos aos 28 dias e após envelhecimento natural e acelerado.


A Tab 1 registra os valores médios e os desvios padrões das análises de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (DA) para os compósitos cimentícios com partículas de pó de coco in natura e tratadas.

Os resultados físicos relacionados com a porosidade são compatíveis com os

resultados mecânicos. A resistência é inversamente proporcional à porosidade. As partículas de pó de coco influenciam significantemente na porosidade do compósito,

devido à sua estrutura porosa. Os compósitos apresentam baixa densidade e elevadas porosidade aparente e absorção de água. Os concretos e argamassas leves têm densidade aparente que variam de 0,4 a 1,6 g/cm3.


Tab. 1 – Variação das propriedades físicas dos compósitos cimento-partículas de pó de coco sob ação do envelhecimento natural externo e interno e envelhecimento acelerado

Código compósitos

Tipo de

envelhecimento

Idade

Densidade Aparente (g/cm3)

Absorção de Água

(%)

Porosidade Aparente

(%)

CCCN

CURA

28 dias

1,02 ± 0,00

43,88 ± 0,56

44,62 ± 0,56

NATURAL EXTERNO

6 meses

1,22 ± 0,01

30,05 ± 0,46

36,72 ± 0,96

NATURAL INTERNO

6 meses

1,15 ± 0,02

34,36 ± 0,24

39,49 ± 0,45

ACELERADO

120 ciclos

1,09 ± 0,00

40,51 ± 0,26

44,18 ± 0,33

CCCNC

CURA

28 dias

1,02 ± 0,01

42,85 ± 0,57

43,58 ± 0,25

NATURAL EXTERNO

6 meses

1,20 ± 0,02

29,33 ± 0,42

35,26 ± 0,20

NATURAL INTERNO

6 meses

1,16 ± 0,02

34,91 ± 0,34

40,55 ± 0,81

ACELERADO

120 ciclos

1,12 ± 0,01

36,77 ± 0,57

41,32 ± 0,40

CCCCH

CURA

28 dias

1,01 ± 0,00

43,44 ± 0,66

43,92 ± 0,54

NATURAL EXTERNO

6 meses

1,22 ± 0,03

30,45 ± 0,91

37,16 ± 1,89

NATURAL INTERNO

6 meses

1,16 ± 0,01

34,72 ± 0,92

40,14 ± 0,64

ACELERADO

120 ciclos

1,10 ± 0,02

39,58 ± 0,43

43,44 ± 0,68

Os resultados mecânicos aos 28 dias no presente trabalho são superiores aos de Olorunnisola (2009)(15). As diferenças de valores quanto às propriedades físicas podem estar relacionadas com a grande porosidade do pó de coco, que conforme sua morfologia, se assemelha a uma “folha de papel amassado”, bastante porosa. Além disso, ao processo de produção dos compósitos.


Envelhecimento acelerado
Os ciclos de exposição reduziram os valores de MOR, Fig. 1, e TE, Fig. 2. Após 120 ciclos, os compósitos apresentaram valores semelhantes de TE, CCCN (102,05 J/m2), CCCNC (103,05 J/m2), CCCCH (107,34 J/m2). Contudo, o efeito do tratamento das partículas de pó de coco é evidenciado no MOR, pois os resultados de CCCCH (2,07 MPa) e CCCNC (2,18 MPa) foram superiores aos de CCCN (1,83 MPa).

A lignina e a hemicelulose presentes na fibra da madeira são mais susceptíveis ao ataque alcalino e à degradação química do cimento do que a celulose. Compósitos com menor teores destes componentes são menos sensíveis ao intemperismo (16). Os tratamentos alcalinos reduzem teores de extrativos, lignina e hemicelulose nos materiais lignocelulósicos (17), então esta é a principal explicação para o melhor desempenho dos compósitos com partículas de pó de coco tratadas, mesmo após o intemperismo.

A alternância de ambiente seco e saturado pode ser a causa da degradação do particulado vegetal no interior do compósito cimentício, que contribuiu para a diminuição da aderência entre a interface particulado-matriz. Os ciclos de molhagem e secagem introduzem tensões e progressivamente degradam a ligação partícula-matriz, diminuindo a aderência e assim, reduzindo as propriedades mecânicas do compósito (18). Constatação semelhante foi feita por Soroushian e colaboradores (2004) (19) em seu estudo e por Savastano (2000) (20).

Em comparação aos 28 dias, não houve alterações significativas na porosidade aparente, observou-se um aumento da densidade aparente dos três compósitos e houve uma redução da capacidade de absorção de água dos compósitos, Tab. 1.

No envelhecimento acelerado, é possivel observar que os tratamentos químicos realizados nas partículas de pó de coco contribuiram para uma menor absorção de água e uma menor porosidade aparente nos compósitos.
Envelhecimento natural
Os resultados do envelhecimento natural em ambiente externo mostraram redução no desempenho mecânico dos compósitos, tanto no MOR quanto na TE. Na idade de 6 meses, os compósitos produzidos com partículas de pó de coco tratadas, CCCNC (2,32 MPa) e CCCCH (2,19 MPa), mantiveram resultados de MOR superiores à amostra CCCN (1,97 MPa), Fig. 1.

Em comparação aos resultados aos 28 dias, a amostra CCCCH (93,46 J/m2) registrou a maior redução no valor de TE, Fig. 2, aos 6 meses externo. Apesar desta redução, o tratamento das partículas de pó de coco com Ca(OH)2 ainda se mostrou eficiente em comparação à tenacidade de CCCN (90,38 J/m2) nesta mesma idade. A tenacidade do CCCNC (98,52 J/m2) aos 6 meses também comprovou a eficiência do tratamento das partículas de pó de coco com Na2CO3.

O envelhecimento natural externo resultou na redução da porosidade aparente e da capacidade de absorção de água e no aumento da densidade aparente para todos os 3 (três) compósitos, Tab. 1.

O fenômeno de carbonatação é potencializado devido à alta porosidade destes compósitos, nos quais o CO2 penetra na matriz e forma o carbonato de cálcio, CaCO3, que preenche os poros no interior do material. Esse efeito foi observado por Silva (2002) (6), em que, aos 3 meses de envelhecimento natural, os compósitos já estavam totalmente carbonatados.

Em estudo do envelhecimento, MacVicar e colaboradores (1999) (16) obtiveram respostas semelhantes para as propriedades físicas. A matriz ficou mais densa na interface fibra-matriz o que conduziu para uma porosidade reduzida, resultando numa maior ligação, e consequentemente, maior resistência. No presente trabalho, apesar da melhoria nas propriedades fisicas, ocorreu a diminuição do MOR e do TE. Sugere-se que este comportamento seja devido ao fenômeno das variações dimensionais das partículas, anteriormente comentado no envelhecimento acelerado.

Na exposição interna, os compósitos ficaram menos expostos a variações de temperatura e umidade, e, diferentemente do comportamento na exposição externa, Fig. 1 e 2, mostraram, em geral, uma melhora no desempenho mecânico, tanto o MOR como a TE, respectivamente, CCCCH (3,29 MPa; 163,61 J/m2), CCCNC (3,20 MPa; 147,18 J/m2). A amostra CCCN (3,01 MPa; 120,12 J/m2) apresentou uma ligeira redução na TE em relação aos 28 dias. Nas propriedades físicas, o comportamento foi similar ao envelhecimento externo, mas se evidenciou que o efeito do envelhecimento natural foi mais efetivo na exposição externa do que na interna.



CONCLUSÕES

Os resultados deste trabalho mostraram que a utilização de particulados vegetais é viável para a produção de compósitos cimentícios leves; os tratamentos das partículas

de pó de coco resultaram na produção de compósitos com melhor desempenho mecânico aos 28 dias; os compósitos com partículas de tratadas tiveram melhor desempenho também após os processos de envelhecimento; os resultados do envelhecimento natural em ambiente interno indicam a utilização dos compósitos como material para a produção de elementos construtivos de vedação interna.


REFERÊNCIAS

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DURABILITY STUDY OF CEMENT-BONDED COIR PITH PARTICLES COMPOSITES

ABSTRACT


The use of lignocellulosic agroindustrial waste is an alternative for the production of cement-bonded wood particles composites. Cement-bonded coir pith particles composite (CCC) were produced with coir pith particles subjected to chemical treatments to improve compatibility with Portland cement. The composites were produced in laboratory scale, dimensions 20 x 20 x 80 mm3, and they were subjected to natural aging for 6 months exposed to the external environment and protected in laboratory and they were subjected to accelerated aging for 120 cycles. The physical and mechanical properties were used to measure performance after aging cycles and evaluate the durability. The results showed the effectiveness of chemical treatment of coir pith particles in physical and mechanical properties of the aged composites. The composite with coir pith particles treated with Ca(OH)2 and Na2CO3 showed superior mechanical performance compared to the composite with non-treated coir pith particles, especially in natural aging procedure.


Keywords: cement-bonded composites, coir pith particles, performance, durability, aging, mechanical and physical properties.



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