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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PR-REITORIA DE PS-GRADUAO E PESQUISA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
GISELA AZEVEDO MENEZES BRASILEIRO
PRODUO, CARACTERIZAO E AVALIAO DA
DURABILIDADE DE COMPSITOS CIMENTCIOS
COM PARTCULAS DE P DE COCO
So Cristvo, SE
Agosto de 2013
ii
GISELA AZEVEDO MENEZES BRASILEIRO
PRODUO, CARACTERIZAO E AVALIAO DA
DURABILIDADE DE COMPSITOS CIMENTCIOS
COM PARTCULAS DE P DE COCO
Tese apresentada ao Programa de Ps-graduao
em Cincia e Engenharia de Materiais da
Universidade Federal de Sergipe como parte dos
requisitos necessrios para a obteno do ttulo de
Doutora em Cincia e Engenharia de Materiais.
Orientadora: Dra. LEDJANE SILVA BARRETO
So Cristvo, SE
Agosto de 2013
FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Brasileiro, Gisela Azevedo Menezes B823p Produo, caracterizao e avaliao da durabilidade de
compsitos cimentcios com partculas de p de coco / Gisela Azevedo Menezes Brasileiro ; orientadora Ledjane Silva Barreto.
So Cristvo, 2013.
168 f. : il. Tese (doutorado em Cincia e Engenharia de Materiais) Universidade Federal de Sergipe, 2013.
O 1. Engenharia de materiais. 2. Compsitos cimentcios. 3.
Partculas de p de coco. 4. Propriedades fsicas e mecnicas. 5. Durabilidade. I. Barreto, Ledjane Silva, orient. II. Ttulo
CDU: 620:666.9.022
iii
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus. S por Ele tudo e foi possvel.
Aos meus pais, Guiomar e Gildo, pelo apoio incondicional em tudo na minha vida. A
minha irm, Geisa, pela confiana que sempre depositou em mim. A meu marido,
Luciano, pelo amor, pacincia e compreenso.
A Prof. Ledjane Silva Barreto, minha orientadora, por ter me aceitado como orientanda,
pelo apoio, confiana e dedicao a este trabalho.
Ao IFS pela liberao parcial das atividades, que me permitiu tempo para me dedicar a
esta jornada, principalmente, a Iracildes e Jnia, pelo suporte com a carga horria de
aulas.
A amiga Ana Patrcia pelo apoio constante. Teria sido mais difcil sem voc.
Aos bolsistas, Jhonatas, Isabela, Rodrigo e Alexandro, pelos trabalhos no laboratrio.
A Silvando pela calma, pacincia e eterna disponibilidade para a realizao dos meus
ensaios mecnicos.
A todos os tcnicos que realizaram anlises para este trabalho, Shirlei, Adriana, Aline e
Raquel.
Aos colegas do laboratrio de cermica, mestrandos, doutorandos, mestres e doutores,
Gabi, Edu, Anglica, Genelane, Talita, Eduardo, Thiaguinho, Srgio e Michella.
Aos colegas do IFS que tambm fazem doutorado, David e Carlos Henrique, pela
companhia nesta jornada. Alm de Resende, pelas boas conversas e emprstimo de
acessrios para a caracterizao fsica dos compsitos.
A Michelle pela ajuda na cmara de envelhecimento.
A Kaka, Emanuel, Geocelly e Thais pelo apoio, pacincia e prontido.
A Elza e Josivan pelo apoio com o texto.
A Indufibras Indstria de Fibras Ltda. pela doao das fibras de coco.
A todos que direta ou indiretamente contriburam para a realizao deste trabalho.
v
Resumo da Tese apresentada ao P2CEM como parte dos requisitos necessrios para a
obteno do grau de Doutora em Cincia e Engenharia de Materiais (D.Sc.)
PRODUO, CARACTERIZAO E AVALIAO DA
DURABILIDADE DE COMPSITOS CIMENTCIOS
COM PARTCULAS DE P DE COCO
Gisela Azevedo Menezes Brasileiro
Agosto de 2013
Orientadora: Ledjane Silva Barreto.
Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais
Este trabalho teve como objetivo desenvolver compsitos cimentcios com a adio de
partculas de p de coco, CCC. Inicialmente, foi avaliada a viabilidade da substituio
dos agregados midos pelas partculas de p de coco para produo dos compsitos.
Para melhorar a compatibilidade do p de coco com o cimento Portland, foram
realizados tratamentos qumicos das partculas. Foram produzidos compsitos
cimentcios com as partculas tratadas a fim de avaliar a influncia dos pr-tratamentos
nas propriedades fsicas e mecnicas dos compsitos. Posteriormente, avaliou-se o
efeito da granulometria das partculas nas propriedades fsicas e mecnicas dos
compsitos. A durabilidade dos compsitos foi avaliada pelos mtodos de
envelhecimento natural externo e interno por at 6 meses e pelo envelhecimento
acelerado em cmara de envelhecimento acelerado por ao de raios UV e condensao
por at 180 ciclos. Da anlise geral dos resultados, observou-se que foi possvel utilizar
as partculas de p como substituto total da areia nos compsitos cimentcios. A adio
das partculas de p de coco pasta de cimento resultou em mudanas nas propriedades
mecnicas e fsicas dos compsitos. Os compsitos produzidos apresentaram resistncia
mecnica e densidade aparente que permitem sua utilizao como materiais leves. Os
tratamentos qumicos das partculas de p de coco com pH alcalino e a diminuio da
granulometria influenciaram positivamente a compatibilidade com o cimento e os
compsitos ficaram mais resistentes e mais densos, comparados com os compsitos
com partculas in natura e com granulometria como recebida. Na avaliao da
durabilidade, verificou-se que compsitos com partculas tratadas tambm tiveram
melhor desempenho e que os resultados do envelhecimento natural interno indicaram a
utilizao dos compsitos como material para a produo de elementos construtivos de
vedao interna.
vi
Abstract of Thesis presented to P2CEM as a partial fulfillment of the requirements for
the degree of Doctor in Materials Science and Engineering (D.Sc.)
PRODUCTION CHARACTERIZATION AND EVALUATION OF THE
DURABILITY OF CEMENTITIOUS COMPOSITES
WITH COIR PITH PARTICLES
Gisela Azevedo Menezes Brasileiro
August 2013
Advisor: Ledjane Silva Barreto, D.Sc.
Department: Materials Science and Engineering
This study aimed to develop cementitious composites with the addition of coir pith
particles (CCC). Initially the feasibility of use coir pith particles as a replacement of fine
aggregates for the production of composites was evaluated. Chemical treatments were
conducted on coir pith particles to improve the compatibility with Portland cement.
Cement composites were produced with the treated particles in order to evaluate the
influence of pre-treatment on the physical and mechanical properties of the composites.
Subsequently, the effect of coir pith particle size in physical and mechanical properties
of the composites was evaluated. Composites durability was measured by methods of
external and internal natural aging for up to 6 months and accelerated aging in a
chamber of UV and condensation for up to 180 cycles. From the overall results, using
coir pith particles as a total substitute of sand in cementitious composites was possible.
The addition of coir pith particles to cement paste resulted in changes in mechanical and
physical properties of composites. The composites produced had an apparent density
and mechanical strength that allowed their use as lightweight construction materials.
The chemical treatments of coir pith particles with alkaline pH and the decrease of the
coir pith particle size positively influenced the compatibility with cement and the
composites had higher strength and they were denser, compared with the composites
with in natura and "as received" particles. For the evaluation of durability, the
composites with treated particles also had a better performance and the results from
internal natural aging procedure indicated the use of these composites as material for
production of non-structural building elements for interior walls.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Partes do coco, 1 epicarpo; 2 mesocarpo; 3 endocarpo;
4 endosperma................................................................................... 4
Figura 2.2 Partculas de p de coco na frao como recebida.......................... 5
Figura 2.3 a) Esquema de componentes do material lignocelulsico e
b) Arranjo tridimensional da parede vegetal...................................... 6
Figura 2.4 Estruturas parciais dos componentes lignocelulsicos....................... 7
Figura 2.5 a) Estrutura qumica da cadeia de pectina, b) Estrutura caixa de ovo
(pectato de clcio) formada por clcio ligado a ons oxignio em duas
cadeias de pectinas adjacentes, c) Ampliao do detalhe 1 em (b)......... 8
Figura 2.6 Representao da reao de hidratao do cimento Portland pelo
processo de dissoluo-precipitao, em que Ea representa a
energia de ativao para a formao das fases hidratadas (hidratos)
e G representa a variao da energia livre durante a reao............ 16
Figura 2.7 Desenvolvimento da microestrutura durante a hidratao do cimento 17
Figura 2.8 Hidratao do cimento, a) fases aluminato e b) fases silicato............ 18
Figura 2.9 Ligaes de hidrognio entre a partcula de p de coco e o C-S-H... 19
Figura 3.1 Fluxograma do delineamento experimental....................................... 25
Figura 3.2 Absoro de gua das partculas de p de coco por 24 h................... 28
Figura 3.3 Quadro de envelhecimento natural externo........................................ 33
Figura 3.4 Equipamento para ensaios de intemperismo acelerado (modelo
BASS-UUV)....................................................................................... 34
Figura 3.5 Dispositivo para leitura da variao dimensional.............................. 35
Figura 4.1 Curvas granulomtricas da areia natural e do p de coco, onde
LUI limite utilizvel inferior; LOI limite timo inferior;
LOS limite timo superior; LUS limite utilizvel superior.......... 40
Figura 4.2 Microscopia eletrnica de varredura das partculas de p de coco,
a) aumento de 50 X; b) aumento de 500 X e das partculas de areia,
c) aumento de 100 X; d) aumento de 500 X...................................... 41
Figura 4.3 Efeito da adio de partculas de p de coco nas propriedades
mecnicas dos compsitos, a) resistncia compresso, b) mdulo
de ruptura, c) mdulo de elasticidade, d) tenacidade. Letras iguais
indicam grupos homogneos.............................................................. 42
Figura 4.4 Efeito da adio de partculas de p de coco na deformao para a
tenso mxima dos compsitos..........................................................
43
Figura 4.5 Efeito da adio de partculas de p de coco nas propriedades
mecnicas especficas dos compsitos, a) resistncia compresso
especfica, b) mdulo de ruptura especfica, c) mdulo de
elasticidade especfica, d) tenacidade especfica. Letras iguais
indicam grupos homogneos.............................................................. 44
viii
Figura 4.6 Efeito da adio de partculas de p de coco nas propriedades
fsicas dos compsitos, a) densidade aparente, b) absoro de gua,
c) porosidade aparente. Letras iguais indicam grupos homogneos. 45
Figura 4.7 a) Imagens de microscopia eletrnica de varredura da argamassa
cimento-areia (SCM) aos 28 dias, com aumento de 250 X. Pontos
indicam regies da anlise de EDS (regio 1 = partcula de areia e
regies 2 e 3 = matriz cimentcia); b) Mapeamento do elemento
clcio (Ca) e c) Mapeamento do elemento silcio (Si)....................... 46
Figura 4.8 Composio qumica elementar estimada dos compsitos (MEV-EDS) 47
Figura 4.9 Seo transversal do compsito cimento-p de coco (CCC),
20 x 20 mm2....................................................................................... 47
Figura 4.10 Imagens de microscopia eletrnica de varredura dos compsitos
aos 28 dias, com aumento de 200 X e 500 X: compsito cimento-
p de coco , CCC (a, b); compsito cimento-areia-p de coco,
CSCC (c, d). Regies da anlise por EDS sinalizadas pelos pontos.
Em ambas, as regies 1 e 3 = partcula de p de coco e regies 2 e
4 = matriz cimentcia.......................................................................... 48
Figura 4.11 Imagem de microscopia eletrnica de varredura do compsito
cimento-areia-p de coco (CSCC) aos 28 dias, com aumento de
200 X.................................................................................................. 50
Figura 4.12 Espectro de FTIR das partculas de p de coco................................. 50
Figura 4.13 Expectros de FTIR, a) areia natural, b) cimento Portland anidro...... 51
Figura 4.14 Espectros de FTIR das amostras CP, SCM, CCC e CSCC................ 52
Figura 4.15 Difratograma de raios-X da areia natural, onde Q = quartzo............. 53
Figura 4.16 Difratograma de raios-X das partculas de p de coco, onde
Q = quartzo......................................................................................... 53
Figura 4.17 Difratograma de raios-X do cimento anidro, onde: 1 C3S;
2 C2S; 3 C3A; 4 C4AF; 5 C H2; 6 CaCO3......................... 54
Figura 4.18 Difratograma de raios-X dos compsitos aos 28 dias, onde:
1 C3S; 2 C2S; 3 C3A; 4 C4AF; 5 C H2; 6 CaCO3;
7 etringita; 8 Ca(OH)2; 9 C-S-H e Q = quartzo......................... 55
Figura 4.19 Espectros de FTIR das partculas de p de coco in natura (CN) e
das partculas de p de coco tratadas, CW, CPH3, CPH7, CNC,
CCL e CCH, a) nmeros de onda de 1800 a 1160 cm-1
e
b) nmeros de onda de 1160 a 700 cm-1
............................................. 58
Figura 4.20 Difratogramas de raios-X das partculas de p de coco in natura
(CN) e tratadas, CW, CPH3, CPH7, CNC, CCL e CCH, onde
Q = quartzo......................................................................................... 59
Figura 4.21 Anlise trmica das partculas de p de coco in natura e tratadas,
respectivamente, CN, a) CW, CPH3, CPH7 e b) CNC, CCL e CCH. 60
ix
Figura 4.22 Perda de massa na termogravimetria para as partculas de p de coco
in natura (CN) e tratadas, CW, CPH3, CPH7, CNC, CCL e CCH..... 61
Figura 4.23 Deconvoluo das curvas DTG (modelo Gaussiano) das partculas
de p de coco in natura e tratadas, a) CN, b) CW, c) CPH3,
d) CPH7 e) CNC, f) CCL e g) CCH................................................... 62
Figura 4.24 reas relativas dos picos dos componentes na deconvoluo das
partculas de p de coco in natura (CN) e tratadas, CW, CPH3,
CPH7, CNC, CCL e CCH.................................................................. 63
Figura 4.25 Diagrama de predominnia para os ons hidrogenofosfatos em
diferentes valores de pH..................................................................... 65
Figura 4.26 Efeito do tratamento qumico das partculas de p de coco na a)
resistncia compresso e no b) mdulo de ruptura dos
compsitos. Letras iguais indicam grupos homogneos.................... 68
Figura 4.27 Efeito do tratamento qumico das partculas de p de coco nas
propriedades fsicas dos compsitos, a) densidade aparente;
b) absoro de gua e c) porosidade aparente. Letras iguais
indicam grupos homogneos.............................................................. 69
Figura 4.28 Curva TG/DTG do cimento no-hidratado........................................ 70
Figura 4.29 Anlise termogravimtrica (TG/DTG) de CP, CCCN e a) CCCW,
CCCPH3, CCCPH7 e b) CCCNC, CCCCL e CCCCH..................... 71
Figura 4.30 rea abaixo do pico de Ca(OH)2 na curva DTG................................ 73
Figura 4.31 Temperatura mxima de decomposio dos picos de Ca(OH)2,
CaCO3 (calcita) e do ombro das fases silicato e aluminato
carbonatadas na curva DTG............................................................... 74
Figura 4.32 Deconvoluo das curvas de DTG (modelo Gaussiano), a) Cimento
anidro e b) Pasta de cimento............................................................... 74
Figura 4.33 Deconvoluo das curvas de DTG (modelo Gaussiano) dos:
a) CCCN; b) CCCW; c) CCCPH3; d) CCCPH7; e) CCCNC;
f) CCCCL; g) CCCCH....................................................................... 75
Figura 4.34 a) reas relativas abaixo dos picos das fases silicato e aluminato
carbonatadas e da fase calcita na deconvoluo das curvas DTG...... 76
Figura 4.35 Difratogramas de raios-X dos compsitos com partculas de p de
coco tratadas quimicamente, pasta de cimento e cimento anidro,
onde: 1 C3S; 2 C2S; 5 gesso; 6 calcita; 7 etringita;
8 Ca(OH)2 e 9 C-S-H, a) 2 = 5-30 e b) 2 = 30-55................. 78
Figura 4.36 Espectros de FTIR dos compsitos cimento-p de coco, pasta de
cimento e cimento anidro na regio de 2000 a 650 cm-1
....................
80
x
Figura 4.37 a) Imagem em microscopia eletrnica de varredura (MEV) da amostra
do compsito cimentcio com partculas de p de coco in natura
(CCCN) com aumento de 200X; b) Ampliao da amostra CCCN,
aumento de 500X. Regies da anlise por EDS sinalizadas pelos
pontos (1 e 2 = partcula de p de coco, 3-5 = matriz cimentcia)..........
81
Figura 4.38 Imagens em microscopia eletrnica de varredura (MEV) e regies
da anlise por EDS sinalizadas pelos pontos, a) CCCW (1 e
2 = matriz cimentcia, 3 e 4 = partcula de p de coco),
b) CCCPH3 (1, 2 e 4 = partcula de p de coco, 3 e 5 = matriz
cimentcia), c) CCCPH7 (1-5 = partcula de p de coco, 6 e
7 = matriz cimentcia), d) CCCNC (1-3 = partcula de p de coco,
4-6 = matriz cimentcia), e) CCCCL (1-3 = partcula de p de coco,
4-6 = matriz cimentcia) e f) CCCCH (1-3 = partcula de p de
coco, 4 e 5 = matriz cimentcia)......................................................... 82
Figura 4.39 Resultados das anlises de EDS das regies sinalizados nas
imagens de MEV: CCCN (1 e 2 = partcula de p de coco,
3-5 = matriz cimentcia); CCCW (1 e 2 = matriz cimentcia, 3 e
4 = partcula de p de coco); CCCPH3 (1, 2 e 4 = partcula de p
de coco, 3 e 5 = matriz cimentcia); CCCPH7 (1-5 = partcula de
p de coco, 6 e 7 = matriz cimentcia); CCCNC (1-3 = partcula de
p de coco, 4-6 = matriz cimentcia); CCCCL (1-3 = partcula de
p de coco, 4-6 = matriz cimentcia); CCCCH (1-3 = partcula de
p de coco, 4 e 5 = matriz cimentcia)............................................... 83
Figura 4.40 Relao entre densidade aparente e propriedades mecnicas em
compsitos cimento-p de coco com diferentes granulometrias e
tratamentos das partculas de p de coco, a) resistncia
compresso; b) mdulo de ruptura e c) mdulo de elasticidade........ 87
Figura 4.41 Retrao livre (a) e perda de massa (b) em compsitos cimento-p
de coco com diferentes tratamentos das partculas de p de coco..... 88
Figura 4.42 Relao entre deformao por retrao e perda de massa em
compsitos cimento-p de coco com diferentes tratamentos das
partculas de p de coco..................................................................... 89
Figura 4.43 Retrao (a) e perda de massa (b) em compsitos cimento-p de coco
com diferentes tratamentos das partculas de p de coco aps estufa.... 90
Figura 4.44 Comparao entre os resultados de MOR aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH.................................... 92
Figura 4.45 Comparao entre os resultados de MOE aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH....................................
93
xi
Figura 4.46 Comparao entre os resultados de TE aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH.................................... 94
Figura 4.47 Evoluo do MOR de CCCN aps os ciclos e idades de:
a) envelhecimento acelerado, b) envelhecimento natural externo e
c) envelhecimento natural interno...................................................... 96
Figura 4.48 Evoluo do MOR de CCCNC aps os ciclos e idades de: a)
envelhecimento acelerado, b) envelhecimento natural externo e c)
envelhecimento natural interno.......................................................... 97
Figura 4.49 Evoluo do MOR de CCCCH aps os ciclos e idades de: a)
envelhecimento acelerado, b) envelhecimento natural externo e c)
envelhecimento natural interno...................................................... 98
Figura 4.50 Comparao entre os resultados de DA aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH.................................... 100
Figura 4.51 Comparao entre os resultados de AA aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH.................................... 101
Figura 4.52 Comparao entre os resultados de PA aps o envelhecimento
natural externo, interno e envelhecimento acelerado para as
amostras a) CCCN, b) CCCNC e c) CCCCH.................................... 102
Figura 4.53 Difratogramas de raios-X das amostras do compsito cimento-p de
coco in natura expostas ao envelhecimento acelerado, onde: 1
C3S; 2 C2S; 6 CaCO3; 7 etringita, 8 Ca(OH)2; 9 C-S-H........ 104
Figura 4.54 Difratogramas de raios-X das amostras do compsito cimento-p de
coco in natura expostas ao envelhecimento externo, onde: 1 C3S; 2
C2S; 6 CaCO3; 7 etringita, 8 Ca(OH)2; 9 C-S-H................... 105
Figura 4.55
Difratogramas de raios-X das amostras do compsito cimento-p de
coco in natura expostas ao envelhecimento interno, onde: 1 C3S;
2 C2S; 6 CaCO3; 7 etringita, 8 Ca(OH)2; 9 C-S-H................ 106
Figura 4.56 Imagens de MEV de CP aos a) 28 dias, b) 180 ciclos, c) 6 meses
externo, d) 6 meses interno e de CCCN aos e) 28 dias,
f) 180 ciclos, g) 6 meses externo, h) 6 meses interno........................ 108
Figura 4.57 Imagens de MEV de CCCNC aos a) 28 dias, b) 180 ciclos, c) 6 meses
externo, d) 6 meses interno e de CCCCH aos e) 28 dias, f) 180 ciclos,
g) 6 meses externo, h) 6 meses interno.................................................. 109
Figura 4.58 Resultados da anlise de EDS das regies indicadas nas imagens
para as amostras expostas aos envelhecimentos, a) CP, b) CCCN,
c) CCCNC e d) CCCCH..................................................................... 110
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Tratamento qumico das partculas de p de coco, compsitos
produzidos.......................................................................................... 29
Tabela 3.2 Compsitos produzidos para avaliar o efeito da granulometria das
partculas de p de coco nos compsitos............................................ 31
Tabela 4.1 Resultados de temperaturas (C) da anlise de TG/DTG................... 60
Tabela 4.2 Resultados da anlise de fluorescncia de raios-X das partculas de
p de coco (%).................................................................................... 66
Tabela 4.3 Temperaturas nas curvas TG/DTG no intervalo de 20-400 C.......... 72
xiii
LISTA DE SIGLAS
A Seo transversal do corpo de prova
AA Absoro de gua
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
AC Cimento Portland anidro
a/c Fator gua/cimento
ANOVA Anlise de varincia
APTS Aminopropiltri-etoxisilano
ASTM American Society For Testing Materials
B Largura do corpo de prova
C2S Silicato biclcico (belita)
C3A Aluminato triclcico
C3S Silicato triclcico (alita)
C4AF Ferro-aluminato tetraclcico
C6H8O7 cido ctrico
Ca(OH)2 Hidrxido de clcio (portlandita)
CaCl2 Cloreto de clcio
CaCO3 Carbonato de clcio (calcita)
CC ou cc Ciclos do envelhecimento acelerado
CCC Compsito cimento-p de coco
CCC#100 Compsito cimento-p de coco retido na peneira 100
CCC#30 Compsito cimento-p de coco retido na peneira 30
CCC#50 Compsito cimento-p de coco retido na peneira 50
CCCCH Compsito cimento-p de coco tratado com hidrxido de clcio
CCCCH100 Compsito cimento-p de coco tratado com hidrxido de clcio retido
na peneira 100
CCCCH30 Compsito cimento-p de coco tratado com hidrxido de clcio retido
na peneira 30
CCCCH50 Compsito cimento-p de coco tratado com hidrxido de clcio retido
na peneira 50
CCCCL Compsito cimento-p de coco tratado com cloreto de clcio
CCCCL100 Compsito cimento-p de coco tratado com cloreto de clcio retido na
peneira 100
CCCCL30 Compsito cimento-p de coco tratado com cloreto de clcio retido na
peneira 30
CCCCL50 Compsito cimento-p de coco tratado com cloreto de clcio retido na
peneira 50
CCCN Compsito cimento-p de coco in natura
CCCN100 Compsito cimento-p de coco in natura retido na peneira 100
CCCN30 Compsito cimento-p de coco in natura retido na peneira 30
xiv
CCCN50 Compsito cimento-p de coco in natura retido na peneira 50
CCCNC Compsito cimento-p de coco tratado com carbonato de sdio
CCCNC100 Compsito cimento-p de coco tratado com carbonato de sdio retido
na peneira 100
CCCNC30 Compsito cimento-p de coco tratado com carbonato de sdio retido
na peneira 30
CCCNC50 Compsito cimento-p de coco tratado com carbonato de sdio retido
na peneira 50
CCCPH3 Compsito cimento-p de coco tratado soluo tampo pH 3 de
fosfato dissdico e cido ctrico
CCCPH7 Compsito cimento-p de coco tratado soluo tampo pH 7 de
fosfato dissdico e cido ctrico
CCCW Compsito cimento-p de coco tratado com gua destilada ou
deionizada
CCCW100 Compsito cimento-p de coco tratado com gua destilada ou
deionizada retido na peneira 100
CCCW30 Compsito cimento-p de coco tratado com gua destilada ou
deionizada retido na peneira 30
CCCW50 Compsito cimento-p de coco tratado com gua destilada ou
deionizada retido na peneira 50
CCCxy Compsitos cimento-p de coco tratado com x e retidas na peneira y,
onde x = N, W, NC, CL ou CH e y = 30, 50 ou 100
CCH Partculas de p de coco tratadas com hidrxido de clcio
CCL Partculas de p de coco tratadas com cloreto de clcio
CN Partculas de p de coco in natura
CNC Partculas de p de coco tratadas com carbonato de sdio
CP Pasta de cimento
CPH3 Partculas de p de coco tratadas com soluo tampo pH 3 de fosfato
dissdico e cido ctrico
CPH7 Partculas de p de coco tratadas com soluo tampo pH 7 de fosfato
dissdico e cido ctrico
CSCC Compsito cimento-areia-p de coco
C-S-H Silicato de clcio hidratado
CW Partculas de p de coco tratadas com gua destilada ou deionizada
D ou d Dias
DA Densidade aparente
DRX Difrao de raios-X
EDS Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X
Etapa 1 Estudo da substituio da areia pelo p de coco
Etapa 2 Estudo da influncia do tratamento qumico das partculas de p de
coco nas propriedades dos compsitos cimento-p de coco
xv
Etapa 2.1 Tratamento qumico das partculas de p de coco
Etapa 2.2 Compsitos cimentcios com partculas de p de coco tratadas
Etapa 3 Estudo da influncia da granulometria das partculas de p de coco
nos compsitos cimento-p de coco
Etapa 4 Estudo da durabilidade dos compsitos cimento-p de coco
EXT Envelhecimento natural externo
F Carga mxima atingida
FRX Fluorescncia de raios-X
FTIR Espectroscopia vibracional na regio do infravermelho
INT Envelhecimento natural interno
JCPDS-ICDD Joint Committee On Powder Diffraction Standards-International
Center For Diffraction Data
L Vo utilizado
Lo Comprimento dos corpos de prova inicial aps 24 horas de moldagem
LV Variao da dimenso longitudinal do compsito (retrao)
Lt Comprimento lido a cada data (retrao)
M ou m Meses
mi Inclinao da reta correspondente curva carga-deslocamento
MEV Microscopia eletrnica de varredura
Mi Massa imersa em gua
Mo Massa dos corpos de prova inicial aps 24 horas de moldagem
MOE Mdulo de elasticidade
MOR Mdulo de ruptura
MPTS Metacriloxipropiltri-metoxisilano
Ms Massa seca em estufa
Msss Massa saturada com superfcie seca
Mt Massa lida a cada data (perda de massa)
Mu Massa mida
Na2CO3 Carbonato de sdio
Na2HPO4 Fosfato dissdico
NBR Norma brasileira
PA Porosidade aparente
PC Policarbonato
PET Polietileno tereftalato
RC Resistncia compresso
SCM Argamassa cimento-areia
TE Tenacidade
TG/DTG Anlise termogravimtrica
UV, UVA Ultravioleta
VM Perda de massa devido retrao
W Espessura do corpo de prova
WA Absoro de gua das partculas de p de coco
xvi
SUMRIO
1 INTRODUO...................................................................................... 1
1.1 OBJETIVOS............................................................................................. 2
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO............................................................. 3
2 REVISO DE LITERATURA.............................................................. 4
2.1 P DE COCO.......................................................................................... 4
2.2 QUMICA DOS MATERIAIS LIGNOCELULSICOS........................ 5
2.3 SUBSTITUIO DA AREIA NATURAL EM MATERIAIS
CIMENTCIOS........................................................................................ 8
2.4 COMPSITOS A BASE DE CIMENTO COM MATERIAIS
VEGETAIS.............................................................................................. 9
2.4.1 Compatibilidade cimento e materiais lignocelulsicos........................ 10
2.4.1.1 Pr-tratamento do material lignocelulsico.............................................. 11
2.4.1.2 Incorporao de aditivos aceleradores da reao de hidratao............... 14
2.4.1.3 Substituio parcial do cimento por adies minerais............................. 14
2.5 CIMENTO PORTLAND: FASES E HIDRATAO............................ 15
2.5.1 Cimento Portland e as adies minerais............................................... 20
2.5.1.1 Mecanismos de retardamento/inibio da reao de hidratao.............. 21
2.6 DURABILIDADE DOS COMPSITOS COM MATERIAIS
LIGNOCELULSICOS.......................................................................... 22
3 MATERIAIS E MTODOS.................................................................. 25
3.1 PRODUO DOS COMPSITOS......................................................... 26
3.1.1 Materiais.................................................................................................. 26
3.1.1.1 Caracterizao prvia dos materiais........................................................ 26
3.1.2 Compsitos cimento-p de coco............................................................ 27
3.1.2.1 Etapa 1 Estudo da substituio da areia pelo p de coco...................... 27
3.1.2.2 Etapa 2 Estudo da influncia do tratamento qumico das partculas de
p de coco nos compsitos cimento-p de coco ..................................... 28
3.1.2.2.1 Etapa 2.1 Tratamento qumico das partculas de p de coco............... 29
3.1.2.2.2 Etapa 2.2 Compsitos cimentcios com partculas de p de coco
tratadas..................................................................................................... 29
3.1.2.3 Etapa 3 Estudo da influncia da granulometria das partculas de p
de coco nos compsitos cimento-p de coco........................................... 30
3.1.2.3.1 Separao das fraes de granulometrias do p de coco........................ 30
3.1.2.3.2 Tratamento qumico das partculas de p de coco................................... 30
3.1.2.3.3 Preparao dos compsitos..................................................................... 31
3.1.2.4 Etapa 4 Estudo da durabilidade dos compsitos cimento-p de
coco.......................................................................................................... 31
3.1.2.4.1 Tratamento qumico das partculas de p de coco.............................. 31
3.1.2.4.2 Preparao dos compsitos..................................................................... 32
xvii
3.1.2.4.3 Envelhecimento natural.......................................................................... 32
3.1.2.4.4 Envelhecimento acelerado...................................................................... 33
3.1.2.4.5 Avaliao dimensional dos compsitos................................................... 34
3.2 CARACTERIZAO DOS MATERIAIS E COMPSITOS.............. 36
3.2.1 Caracterizao mecnica....................................................................... 36
3.2.2 Caracterizao fsica.............................................................................. 37
3.2.3 Caracterizaes qumicas, trmica e microestrutural........................ 37
3.4.3.1 Difrao de raios-X (DRX)...................................................................... 37
3.4.3.2 Espectroscopia vibracional na regio do infravermelho (FTIR)............. 38
3.4.3.3 Anlise Termogravimtrica (TG/DTG).................................................... 38
3.4.3.4 Microscopia eletrnica de varredura (MEV) e espectroscopia de
energia dispersiva de raios-X (EDS) ....................................................... 38
3.4.3.5 Fluorescncia de raios-X (FRX) .............................................................. 39
3.3 ANLISE ESTATSTICA....................................................................... 39
3.3.1 Anlise de varincia (ANOVA) de dois fatores................................... 39
4 RESULTADOS E DISCUSSES......................................................... 40
4.1 AVALIAO DA SUBSTITUIO DA AREIA PELO P DE
COCO....................................................................................................... 40
4.1.1 Propriedades mecnicas e fsicas dos compsitos................................ 42
4.1.2 Anlise da fratura dos compsitos........................................................ 46
4.1.3 Espectroscopia vibracional na regio do infravermelho (FTIR)....... 50
4.1.4 Difrao de raios-X (DRX).................................................................... 52
4.2 INFLUNCIA DO TRATAMENTO QUMICO DAS PARTCULAS
DE P DE COCO NOS COMPSITOS CIMENTO-P DE
COCO....................................................................................................... 57
4.2.1 Caracterizao das partculas de p de coco tratadas........................ 57
4.2.1.1 Espectroscopia vibracional na regio do infravermelho (FTIR) ............. 57
4.2.1.2 Difrao de raios-X (DRX)...................................................................... 58
4.2.1.3 Anlise Termogravimtrica (TG/DTG).................................................... 59
4.2.1.4 Fluorescncia de raios-X (FRX)............................................................... 66
4.2.2 Caracterizao dos compsitos cimentcios com partculas de p de
coco tratadas........................................................................................... 67
4.2.2.1 Propriedades mecnicas e fsicas............................................................. 67
4.2.2.2 Anlise Termogravimtrica (TG/DTG).................................................... 70
4.2.2.3 Difrao de raios-X (DRX) ..................................................................... 77
4.2.2.4 Espectroscopia vibracional na regio do infravermelho (FTIR).............. 79
4.2.2.5 Microscopia eletrnica de varredura (MEV) e espectroscopia de
energia dispersiva de raios-X (EDS)....................................................... 81
4.3 INFLUNCIA DA GRANULOMETRIA DAS PARTCULAS DE P
DE COCO NOS COMPSITOS CIMENTO-P DE COCO.................
85
xviii
4.4 AVALIAO DA DURABILIDADE DOS COMPSITOS
CIMENTO-P DE COCO....................................................................... 88
4.4.1 Avaliao dimensional dos compsitos................................................. 88
4.4.2 Relao entre os envelhecimentos acelerado, natural externo e
natural para os compsitos cimentcios com partculas de p de
coco tratadas........................................................................................... 91
4.4.2.1 Propriedades mecnicas e fsicas ............................................................ 91
4.4.2.2 Difrao de raios-X............................................................................. 103
4.4.2.3 Microscopia eletrnica de varredura (MEV) e espectroscopia de
energia dispersiva de raios-X (EDS)....................................................... 107
5 CONCLUSES...................................................................................... 113
6 TRABALHOS FUTUROS..................................................................... 115
REFERNCIAS........................................................................................................ 116
APNDICE A Frequncias vibracionais na regio do infravermelho para o
p de coco, cimento Portland e pasta de cimento.................................................. 126
APNDICE B Anlise estatstica, ANOVA dois fatores e ANOVA um fator,
da Etapa 3 Estudo da influncia da granulometria das partculas de p de
coco nos compsitos cimento-p de coco................................................................ 129
APNDICE C Anlise estatstica, ANOVA dois fatores e ANOVA um fator,
da Etapa 4 Estudo da durabilidade dos compsitos cimento-p de
coco............................................................................................................................. 133
APNDICE D Resultados da anlise de DRX da Etapa 4 Estudo da
durabilidade dos compsitos cimento-p de coco.................................................. 142
1
1 INTRODUO
Atualmente, a busca por novos materiais conduz utilizao de recursos
provenientes de fontes renovveis para reduzir o impacto ambiental e/ou os custos de
produo. As atividades agroindustriais implantadas em vrias regies do Brasil geram
grandes quantidades de resduos que, na maioria das vezes, no tm valor comercial e no
tm destino apropriado para seu descarte, sendo encaminhados para lixes e aterros
sanitrios. Esses resduos podem se converter em matria-prima, com possibilidades de
aproveitamento na produo de elementos direcionados construo civil (KHEDARI et
al., 2001, SAVASTANO JR., 2000). Assim, uma alternativa interessante para o desafio
de disposio dos resduos agrcolas pode ser o seu uso como matria-prima para
substituir agregados minerais em matrizes cimentcias, possibilitando a reduo da
utilizao desse recurso natural no renovvel.
Alm da agricultura, a indstria madeireira gera resduos que, tambm sem valor
econmico, podem ser lanados na natureza ou queimados. Uma alternativa para os
resduos de serrarias so os painis de cimento-madeira, que so amplamente utilizados
em construo civil nos pases da Europa, sia e Amrica do Norte, devido ao baixo
custo e fcil produo, alm de reunir propriedades desejveis da madeira e do cimento,
como resistncia ao ataque de fungos e cupins, bom isolante trmico e acstico,
virtualmente incombustvel, fcil trabalhabilidade (PAINIS..., 2003). A produo de
painis de cimento-madeira no Brasil, ainda inexiste em escala industrial, devido
cultura de priorizar construes em alvenaria. Entretanto, esse cenrio pode ser mudado
gradativamente, por meio de polticas governamentais voltadas para construo de
habitaes sociais e das iniciativas dos profissionais da rea de engenharia civil,
florestal e de materiais.
O processamento do coco maduro (Cocos nucifera L.) para extrao das fibras
longas gera como subproduto o p de coco e as fibras curtas, que representam
aproximadamente 70% da casca do coco. Este material usualmente utilizado como
substrato agrcola (FONTENELE, 2005). Apesar das partculas de p de coco se
constiturem como o principal resduo, at o momento no foi localizada literatura sobre
sua utilizao em matrizes cimentcias.
Devido sua forma e pequenas dimenses (0,075 a 1,2 mm), o p de coco pode
ser considerado como um material particulado. A literatura apresenta diversos estudos
2
com materiais lignocelulsicos na forma de partculas em matrizes cimentcias para a
produo de painis leves de cimento-madeira (AAMR-DAYA et al., 2008, ALMEIDA
et al., 2002, COATANLEM et al., 2006, OLORUNNISOLA, 2009). No trabalho do
OLORUNNISOLA (2009), o material utilizado, partculas da casca de coco,
resultante da moagem das fibras longas e foi adicionado em matrizes cimentcias para a
produo de compsitos leves. No trabalho de ASASUTJARIT et al. (2007), foram
utilizadas fibras de coco cortadas no intervalo de comprimento de 1 a 4 mm para a
produo de painis cimentcios.
Este estudo props agregar valor ao subproduto da cadeia produtiva do Cocos
nucifera L., o p de coco, disponvel e renovvel, atravs da sua incorporao matriz
cimentcia, como matria-prima para substituir os agregados minerais convencionais (a
areia natural, renovvel) para a produo de compsitos verdes base de cimento com
partculas de p de coco e para a reduo de custos de materiais de construo na
produo de construes populares.
1.1 OBJETIVOS
Este trabalho teve como objetivo geral desenvolver compsitos cimentcios com a
adio de partculas de p de coco para aplicao em engenharia civil. Como objetivos
especficos, tomaram-se:
a) Avaliar a viabilidade de uso do p de coco como agregado em compsitos
cimentcios;
b) Analisar o efeito dos tratamentos qumicos nas propriedades das partculas de
p de coco;
c) Analisar a influncia da adio das partculas de p de coco tratadas nas
propriedades dos compsitos-cimento-p de coco;
d) Avaliar a influncia da granulometria das partculas no desempenho dos
compsitos cimento-p de coco;
e) Avaliar a durabilidade dos compsitos cimento-p de coco atravs de
processos de envelhecimento;
f) Caracterizar os compsitos produzidos pelas propriedades mecnicas, fsicas,
qumicas, trmicas e microestruturais.
3
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho est dividido em seis captulos. O captulo 1 apresentou a justificativa
para o desenvolvimento do trabalho e seus objetivos. O captulo 2 apresenta uma breve
reviso de literatura de temas relacionados com o trabalho, destacando-se: o p de coco
como resduo; os componentes dos materiais lignocelulsicos; a substituio da areia
em materiais cimentcios; os compsitos a base de cimento com resduos vegetais,
enfocando a compatibilidade entre cimento e materiais lignocelulsicos e as estratgias
de processamento para melhorar essa compatibilidade; introduo sobre a hidratao do
cimento e as fases produzidas, abordando tambm as adies minerais, os mecanismos
de retardamento da reao de hidratao. O captulo finalizado com a apresentao de
aspectos da durabilidade dos compsitos cimento-materiais lignocelulsicos.
O captulo 3 apresenta a metodologia utilizada, descrevendo tcnicas e
procedimentos adotados para a caracterizao dos materiais utilizados, o tratamento das
partculas de p de coco, a produo dos compsitos, os processos de envelhecimento, a
caracterizao dos compsitos e a metodologia para a anlise estatstica.
O captulo 4 apresenta os resultados, anlise e discusses do trabalho. Essa
seco foi subdividida de acordo com os estudos realizados: avaliao da substituio
da areia pelo p de coco; influncia do tratamento qumico nas caractersticas das
partculas de p de coco e nas caractersticas dos compsitos cimento-p de coco;
influncia da granulometria das partculas de p de coco nos compsitos cimento-p de
coco e avaliao da durabilidade dos compsitos cimento-p de coco.
No captulo 5, so apresentadas as concluses. As sugestes de trabalhos futuros
esto no captulo 6. As referncias esto apresentadas em ordem alfabtica e os
apndices mostram tabelas de frequncias vibracionais na regio do infravermelho dos
materiais; tabelas e grficos resultantes da anlise estatstica e difratogramas de raios-X
das amostras aps os processos de envelhecimento.
4
2 REVISO DE LITERATURA
2.1 P DE COCO
A cultura do coco (Cocos nucifera L.) tem cerca de 80% da rea plantada
localizada na sia, com ndia, Filipinas, Indonsia como os trs maiores produtores
mundiais de coco. O Brasil se localiza na quarta posio, com uma produo de
2,8 milhes de toneladas. As maiores produes de coco no Brasil se concentram na
faixa litornea do Nordeste at parte da regio Norte, que detm 70% da produo
brasileira de coco. Dos dez maiores estados produtores de coco no Brasil, sete esto na
regio Nordeste. O estado de Sergipe o segundo maior produtor, antecedido pela
Bahia, logo depois vem Cear, Par, Esprito Santo, Pernambuco, Rio de Janeiro,
Paraba, Rio Grande do Norte e Alagoas (MARTINS e JESUS JUNIOR, 2011).
Nos principais pases produtores, o coqueiro explorado para a produo de
copra, que produzida com o endosperma slido (a parte comestvel) desidratado, e
leo. No Brasil, a produo de coco utilizada para o consumo de endosperma fresco
na produo de alimentos, bem como de gua de coco (endosperma lquido)
(FONTENELE, 2005).
As demais partes do coco no-comestveis, endocarpo, mesocarpo e epicarpo,
Figura 2.1, podem se acumular e serem encaminhadas para lixes a cu aberto ou para
aterros sanitrios.
Figura 2.1 Partes do coco, 1 epicarpo; 2 mesocarpo; 3 endocarpo; 4 endosperma.
Fonte: EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECURIA (2012).
A casca do coco maduro e seco (o mesocarpo) pode ser aproveitada para a
produo de fibras longas de coco, utilizadas para enchimento de bancos de carro,
5
tapetes, capachos, vassouras, combustvel para caldeiras, que constituem
aproximadamente 30% da casca do coco (mesocarpo) (FONTENELE, 2005). Alm
desses usos, a fibra de coco pode ser utilizada na produo de compsitos, pois
verstil, renovvel e biodegradvel. A adio de fibras de coco reduz a condutibilidade
trmica dos compsitos e produz materiais leves, uma vez que apresenta os menores
valores de condutibilidade trmica e densidade aparente comparados com outras fibras,
como sisal, juta e bambu (SEN e REDDY, 2011).
Como subproduto do processamento da casca do coco, obtm-se as fibras curtas e
o p de coco (Figura 2.2), que representam aproximadamente 70% da casca
(FONTENELE, 2005). O p de coco utilizado como substrato agrcola
principalmente, mas tambm h estudos em busca de novas aplicaes tecnolgicas
(MACEDO et at., 2006).
Figura 2.2 Partculas de p de coco na frao como recebida.
2.2 QUMICA DOS MATERIAIS LIGNOCELULSICOS
Os materiais lignocelulsicos, ou lignocelulose, so compostos principalmente por
celulose, hemicelulose e lignina. Esses trs componentes esto associados uns aos
outros para formar um complexo celulose-hemicelulose-lignina (LIAO et al., 2011),
Figura 2.3a. Os materiais lignocelulsicos so formados por microfibrilas, ricas em
celulose, que so aglomeradas por hemicelulose, a qual atua como uma conexo entre as
microfibrilas de celulose e a lignina e d mais rigidez a toda rede celulose-hemicelulose-
6
lignina. A lignina atua como um agente enrijecedor do material. A lignina d suporte
estrutural, impermeabilidade e resistncia contra o ataque microbiano.
Alm da lignocelulose, so encontrados compostos inorgnicos e molculas de
baixo peso molecular, extratveis com gua e solventes orgnicos, como pectinas,
carboidratos simples, terpenos, alcalides, saponinas, polifenlicos, gomas, resinas,
gorduras e graxas, entre outros, denominados extrativos (SILVA et al., 2009). A pectina
est associada s celulose, hemicelulose e protenas para a constituio da parede
celular. A lamela mdia, fina camada que separa duas clulas contguas, formada
tambm por pectina, alm de lignina e hemicelulose (Figura 2.3b).
Figura 2.3 a) Esquema de componentes do material lignocelulsico e b) Arranjo tridimensional da
parede vegetal.
Fonte: Adaptada de a) PINGALI et al., 2010 e b) SBIOLOGIA, 2013.
A celulose um polissacardeo que se apresenta como um polmero de cadeia
linear, constitudo por uma unidade repetitiva composta duas molculas de glicose
eterificadas por ligaes -1,4-glicosdicas, chamada de celobiose, que contm seis
grupos hidroxila que estabelecem interaes do tipo ligaes de hidrognio intra e
intermolecular, assim, h uma forte tendncia da celulose formar cristais que a tornam
completamente insolvel em gua e na maioria dos solventes orgnicos (Figura 2.4). A
celulose hidroflica e tem duas regies, uma com estrutura cristalina e outra com
estrutrura amorfa e os feixes de microfibrila esto fracamente ligados por ligaes de
hidrognio (JUNGNIKL et al., 2008, LIAO et al., 2011, SILVA et al., 2009).
A hemicelulose constituda por polissacardeos associados celulose em paredes
celulares, que consistem em vrios monossacardeos polimerizados, incluindo pentoses,
como xilose e arabinose, e hexoses, como galactose, glicose e manose, alm de cido
4-O-metil glucurnico e resduos de cido galactornico (Figura 2.4). A unidade mais
abundante na hemicelulose a xilose, que se une por ligaes glicosdicas nas posies
1 e 4 e constitui a cadeia principal do xilano, que um tipo de hemicelulose. O
7
glucomanano, uma manose, outro tipo de hemicelulose. O xilano e o glucomanano so,
preferencialmente, ligados lignina e celulose, respectivamente. As microfibrilas de
celulose so envolvidas por glucomanano formando as fibrilas de celulose, que so
incorporados na matriz de xilano e lignina. A hemicelulose hidroflica, contm
considervel grau de ramificao entre suas cadeias, com natureza altamente amorfa
(JUNGNIKL et al., 2008, LIAO et al., 2011, PINGALI et al., 2010, SILVA et al., 2009).
Figura 2.4 Estruturas parciais dos componentes lignocelulsicos.
Fonte: Adaptada de FERREIRA et al., 2009.
A lignina um material hidrofbico com estrutura tridimensional, altamente
ramificada, podendo ser classificada como um polifenol, que pode conter grupos
hidroxila e metoxila como substituintes no grupo fenil propano (Figura 2.4). As
ligaes teres dominam a unio entre as unidades da lignina, que apresentam um
grande nmero de interligaes. A fora de adeso entre a celulose e a lignina
ampliada pela existncia de ligaes covalentes entre as cadeias de lignina e os
constituintes da celulose e da hemicelulose (LIAO et al., 2011, PINGALI et al., 2010,
SILVA et al., 2009).
As pectinas so polissacardeos constitudos por polmeros lineares de ligaes
-(14) de cido galacturnico e resduos de ramnogalacturonanas I e II, que
consistem em unidades de cido galacturnico alternadas com unidades especficas de
ramnose (Figura 2.5). Os grupos carboxilato (COO-) carregados de cadeias de pectina
vizinhas so liga, dos (inter e intramolecularmente) pelos ons clcio (Ca2+
), que
formam um complexo estvel com a pectina, e do origem ao pectato de clcio,
8
formando uma rede de pontes de clcio, que responsvel pela estabilidade do
complexo e, consequentemente, da parede celular (YAMAMOTO et al., 2011).
Figura 2.5 a) Estrutura qumica da cadeia de pectina, b) Estrutura caixa de ovo (pectato de clcio)
formada por clcio ligado a ons oxignio em duas cadeias de pectinas adjacentes, c) Ampliao do
detalhe 1 em (b).
Fontes: (a) BRANDAO e ANDRADE, 1999, (b,c) Adaptada de SEDAN et al., 2008.
A composio qumica da fibra de coco 32,5 a 53% de celulose, 14,7 a 17,0%
de hemicelulose, 33,5 a 40,8% de lignina e 3,5 % de extrativos. A fibra de coco
apresenta teores de lignina elevados comparados com outros materiais lignocelulsicos
e, consequentemente, menor teor de celulose (HAN, 1998, ROSA et al., 2010,
SATYANARAYANA et al., 2007).
2.3 SUBSTITUIO DA AREIA NATURAL EM MATERIAIS CIMENTCIOS
Pesquisas foram realizadas a fim de avaliar a viabilidade da substituio do
agregado mido natural por resduos de origem diversa. Agregados alternativos foram
estudados, como resduos de atividades de pedreiras, resduos de construo e
demolio, escria de cobre, partculas de cinza volante (RAMAN et al., 2011).
Resduos de polmeros tambm tm sido utilizados como agregados. Uma
consequncia da substituio da areia por estes agregados leves a reduo da
densidade dos compsitos cimentcios produzidos, indicados para aplicaes que
9
requeiram materiais leves. Alm disso, h o aumento da porosidade, devido ligao
muito fraca entre a matriz e o agregado plstico. A reduo das propriedades mecnicas,
como resistncia compresso, mdulo de ruptura e mdulo de elasticidade pode ser
um resultado conforme estudos de HANNAWI et al. (2010) e FRIGIONE (2010). No
entanto, esses autores registraram um aumento da ductilidade nos compsitos, o que
representa uma vantagem. Ambos os trabalhos utilizaram agregados de polmeros
no-biodegradveis feitos de resduos de PC (policarbonato) e/ou PET (polietileno
tereftalato) como substitutos parciais de agregados midos. HANNAWI et al. (2010)
fez a substituio parcial de argamassas nas fraes volumtricas de 3%, 10%, 20% e
50% e FRIGIONE (2010) produziu concreto com substituio de 5% em massa de
agregado mido.
Alm dos agregados citados acima, a utilizao de agregados vegetais crescente
na literatura em estudos sobre compsitos cimento-material lignocelulsico. O uso de
cinza do bagao da cana-de-acar como substituio de 30% e 50% da areia natural em
concretos foi pesquisado por SALES e LIMA (2010) que concluram que a cinza do
bagao da cana-de-acar pode ser utilizada como um substituto parcial da areia em
concretos com resistncia mecnica de projeto at 30 MPa.
2.4 COMPSITOS A BASE DE CIMENTO COM MATERIAIS VEGETAIS
Os compsitos com materiais lignocelulsicos e aglomerantes inorgnicos, como
o cimento Portland, contm entre 10 a 70% em massa de matria vegetal e
reciprocamente 90% a 30% de aglomerante inorgnico (CAI e ROSS, 2010).
Os chamados compsitos cimento-madeira so uma argamassa de cimento
Portland, na qual parte ou toda a frao do agregado mineral foi substituda por material
orgnico vegetal, obtidos pela fragmentao mecnica do tecido lenhoso de vegetais
superiores ou atravs da coleta de resduos da indstria madeireira (MACEDO et al.,
2011), como serragem, aparas ou flocos, que so utilizados para produzir painis
(ENGLISH et al., 1994).
As fibras lignocelulsicas de origem agrcola, como casca de arroz e palha de
trigo, podem ser facilmente fragmentadas em partculas ou chips, que so semelhantes
s partculas de madeira e podem ser utilizadas como substitutos em compsitos
cimento-madeira (YANG et al., 2003).
10
Alm disso, os compsitos cimentcios com materiais lignocelulsicos podem ser
produzidos com fios, fibras ou partculas vegetais, misturados com cimento Portland e
tambm so fabricados na forma de painis, alm de tijolos e telhas (OKINO et al., 2004).
Nesses compsitos, o material lignocelulsico faz o papel de agregado e de agente
de reforo, enquanto que o cimento de Portland o aglomerante (OKINO et al., 2004).
Devido baixa densidade, os compsitos com materiais lignocelulsicos tm
vrias aplicaes potenciais como isolamento acstico e trmico, revestimento de
resistncia ao fogo (AAMR-DAYA et al., 2008, MACEDO et al., 2011).
STANCATO (2000) apresentou uma argamassa leve com agregado mido vegetal
substituindo em 100% a areia natural. O agregado vegetal leve utilizado foi o p de serra
de madeira. Os compsitos cimento-agregado vegetal produzidos com traos 1:0,4 ou
1:0,6 (cimento:agregado vegetal) apresentaram baixa densidade, 0,73-0,97 g/cm3, baixa
condutividade trmica, 0,203-0,265 W/mK, comparadas com a argamassa convencional.
As mdias de resistncia compresso variaram de 2,35 a 8,86 MPa e de resistncia
trao de 0,37 a 1,41 MPa. Estudo semelhante foi realizado anteriormente por GRANDI
(1995) para produzir placas de argamassa de cimento e p de serra.
Entretanto, esses compsitos so sensveis absoro de gua e, na presena de
umidade relativa varivel, observa-se a instabilidade dimensional (AAMR-DAYA et al.,
2008).
2.4.1 Compatibilidade cimento e materiais lignocelulsicos
A associao de materiais lignocelulsicos em aplicaes com cimento, muitas
vezes, apresenta desempenho no satisfatrio. A durabilidade do material lignocelulsico
na matriz cimentcia, bem como a compatibilidade entre as fases, comprometem a
eficincia dos compsitos cimentcios com fibra ou partcula vegetal (OKINO et al.,
2004, OLORUNNISOLA, 2008).
Os acares solveis, amidos, extrativos, hemicelulose e lignina presentes nas
partculas lignocelulsicos so substncias inibidoras da reao de hidratao do
cimento (WEI et al., 2000). O principal efeito inibitrio sobre o cimento o atraso no
processo de cura. O termo compatibilidade, quando aplicado a compsitos
cimento-material lignocelulsico, refere-se ao grau de endurecimento do cimento aps a
mistura com gua e fibras ou partculas. Se, devido presena das fibras ou partculas,
no houver alterao no processo de cura do cimento, ou se essa alterao for pouco
11
significativa, esses materiais so compatveis. Entretanto, se a cura for retardada ou
inibida pela presena das fibras ou partculas vegetais, h incompatibilidade entre o
cimento e o material lignocelulsico (JORGE et al., 2004).
O modo usual para avaliar a compatibilidade entre o cimento e o material
lignocelulsico pelo mtodo do calormetro, que mede o calor de hidratao. A reao
de hidratao do cimento libera calor (reao exotrmica) e o monitoramento da
temperatura da reao utilizado como parmetro para se determinar o ndice de
inibio da cura decorrente da adio do material vegetal que sem tratamento reduz o
calor de hidratao da mistura cimento-material vegetal, quando comparado com a pasta
de cimento de referncia. Uma temperatura de hidratao baixa e um tempo prolongado
para alcanar a temperatura mxima so manifestaes do atraso ou inibio da reao
de hidratao (WEI et al., 2000, KARADE, 2010).
A eficincia de compsitos cimentcios com material lignocelulsico depende
principalmente da capacidade de transferncia de tenso entre fibra ou partcula e a
matriz. Essa transferncia de tenso tem um papel importante na determinao das
propriedades mecnicas do compsito. A baixa compatibilidade entre fibras ou
partculas e a matriz reduz as propriedades mecnicas, o que se constitui num obstculo
para o uso do material lignocelulsico em matrizes cimentcias (HERRERA-FRANCO
e VALADEZ-GONZLEZ, 2005).
A melhoria da compatibilidade entre cimento e material lignocelulsico pode ser
obtida por meio de tratamentos realizados nas partculas ou fibras vegetais com a
finalidade de reduzir a presena das substncias inibidoras da reao de hidratao. A
literatura apresenta diversas estratgias de processamento dos compsitos cimentcios
com resduos lignocelulsicos para melhorar a compatibilidade cimento-materiais
lignocelulsicos: a) pr-tratamento do material lignocelulsico por meio da remoo de
substncias inibidoras da cura do cimento; b) incorporao de aditivos aceleradores da
pega; c) substituio parcial do cimento por adies minerais etc. (KARADE, 2010,
FRYBORT et al., 2008).
2.4.1.1 Pr-tratamento do material lignocelulsico
Vrias abordagens tm sido propostas na literatura para a remoo de extrativos,
lignina e hemicelulose. A depender das condies de tratamento, pode ser possvel
alterar a porosidade do material original e a cristalinidade das fibrilas de celulose,
12
remover hemicelulose e reduzir a quantidade de lignina presente (LIAO et al., 2011,
PINGALI et al., 2010).
No tratamento alcalino, o material lignocelulsico imerso em soluo alcalina e
posteriormente lavado e seco. Segundo TROEDEC et al. (2008), o tratamento alcalino
promove a remoo parcial de constituintes amorfos, como a hemicelulose, lignina e
leos solveis em solues alcalinas, assim, melhora as caractersticas de adeso da
superfcie, produzindo desse modo uma topografia rugosa da superfcie.
O tratamento de imerso das fibras de coco em gua quente reduziu os teores de
acares, taninos, resina, fenis, compostos qumicos inibidores da cura do cimento, o
que melhorou algumas propriedades fsicas e mecnicas da fibra de coco, formando
uma superfcie spera, com grande nmero de vazios, intensificando a extenso da
adeso fibra-matriz, e proporcionando melhor ancoragem mecnica entre a fibra de coco
e a matriz cimentcia (ASASUTJARIT et al. 2007, 2009). Comportamento semelhante
ocorre quando h a quebra do feixe das fibras (fibrilao), que tambm uma
consequncia dos pr-tratamentos (GU, 2009, KLJUN et al., 2011, RAHMAN e
KHAN, 2007).
A solubilizao dos componentes lignocelulsicos depende da temperatura, pH,
umidade e tambm das caractersticas qumicas do precursor de lignocelulose nativa.
HENDRIKS e ZEEMAN (2009) fizeram uma reviso extensa sobre este assunto, e
afirmaram que o xilano da hemicelulose pode ser extrado efetivamente em um meio
cido ou alcalino, enquanto que o glucomanano dificilmente pode ser extrado em um
meio cido e precisa de um ambiente alcalino mais forte do que o xilano. A
solubilizao de hemicelulose e lignina na gua, em condies neutras, comea em
torno de 150-180C. A solubilidade da lignina fortemente dependente do precursor
(lcool p-coumaril, lcool coniferil e lcool sinapil etc.), que determina a condio de
pH necessria (cido, neutro ou alcalino). Sabe-se que a lignina, em condies cidas,
se condensa e precipita, especialmente em meio cido forte. No entanto, o meio cido
facilmente solubiliza a hemicelulose (PINGALI et al., 2010, YANG e WYMAN,
2004). Esses autores observaram que o sistema experimental em fluxo remove mais
hemicelulose e lignina do que o sistema em banho (imerso), devido condensao e
precipitao de lignina.
Estudos de compatibilidade mostram que h um aumento na compatibilidade dos
materiais lignocelulsicos com o cimento aps extrao em gua fria, em gua quente a
50C, em soluo aquosa de cloreto de clcio (CaCl2) e em soluo aquosa saturada de
13
hidrxido de clcio [Ca(OH)2] (alcalina) (OLORUNNISOLA, 2008, OKINO et al.,
2005).
FAN et al. (2002), atravs da anlise de difrao de raios-X (DRX), mostraram
que os compsitos cimento-madeira tiveram a intensidade dos picos de Ca(OH)2
reduzida significativamente. Esse fato foi atribudo presena de extrativos na madeira,
o que resultou na reduo da formao de Ca(OH)2, que confirmou a inibio das
partculas de madeira no processo de hidratao das misturas. Tal comportamento
tambm foi observado por VAICKELIONIS e VAICKELIONIENE (2006). Quando a
incompatilidade entre o material lignocelulsico e o cimento muito forte, o processo
de hidratao do cimento pode ser paralisado, os picos de Ca(OH)2 no so detectados e
as fases de cimento no hidratado, C3S e C2S, permanecem inalteradas na mistura
curada (WEI et al., 2004).
A modificao qumica da superfcie do material lignocelulsico pela incluso de
novas substncias tambm um procedimento utilizado para melhorar a adeso da
interface matriz-resduo vegetal. A superfcie do material vegetal tratada com um
composto que forma uma ponte de ligaes qumicas entre o material lignocelulsico e
a matriz. Diversos tratamentos podem ser utilizados, como copolimerizao de enxerto
de monmeros, tratamentos com isocianatos e outros agentes de acoplamento. A
absoro de umidade das superfcies tratadas reduzida significativamente pela
hidrofobicidade promovida na superfcie pelas longas cadeias de hidrocarbonetos
fixados, alm disso, os agentes de acoplamento penetram nas paredes celulares e se
depositam restringindo o ingresso de umidade posterior (MISHRA et al., 2004). Este
tipo de tratamento mais utilizado em matrizes polimricas, entretanto, TONOLI
(2009) utilizou agentes de recobrimento silanos para reduzir o carter hidroflico da
polpa de eucalipto para produo de compsitos cimentcios. Como resultado, foi
observado que as fibras tratadas com o silano metacriloxipropiltri-metoxisilano (MPTS)
estavam livres de produtos de hidratao no seu interior, diferentemente das fibras
tratadas com o silano aminopropiltri-etoxisilano (APTS), o que permitiu um melhor
desempenho mecnico, maiores valores de tenacidade, para os compsitos com aquelas
fibras.
14
2.4.1.2 Incorporao de aditivos aceleradores da reao de hidratao
Outro tipo de processamento dos compsitos para melhorar a compatibilidade
utiliza os aceleradores de pega do cimento. So exemplos de substncias qumicas
utilizadas como aceleradores da reao de hidratao: sais de ltio, silicatos, sais de
clcio, compostos alcalinos, carbonatos e sulfatos (GARCIA et al., 2007).
A inibio da reao de hidratao reduzida com a incorporao de CaCl2
diludo na gua de mistura cimento-partculas vegetais (AAMR-DAYA et al., 2008).
Ento a incorporao de aditivos aceleradores na gua de mistura dos compsitos tem a
funo de neutralizar os efeitos inibitrios de muitas espcies vegetais durante a
fabricao dos compsitos. Assim, atuam acelerando o tempo de pega, reduzindo o
tempo de cura do cimento, melhorando a adeso das partculas da madeira ao cimento,
(LATORRACA, 2003), melhorando a estabilidade dimensional dos compsitos
(ALMEIDA et al., 2002) e, consequentemente, influenciando fortemente a resistncia
dos compsitos cimento-madeira (WEI et al., 2000).
2.4.1.3 Substituio parcial do cimento por adies minerais
Alguns estudos apresentaram outra estratgia de processamento para os
compsitos cimento-material lignocelulsico, que foi a incluso de adies minerais
para substituir parcialmente o cimento Portland, como a slica ativa, a escria de alto
forno e outros materiais pozolnicos.
A substituio do cimento por slica ativa tem um efeito significativo nas
propriedades de resistncia dos painis feitos com espcies de baixa compatibilidade
(LATORRACA, 2003). Comportamento tambm observado por SILVA et al. (2006),
ao estudar a adio de diferentes relaes de casca de madeira e slica ativa em
compsitos cimento-madeira. Houve um aumento nas propriedades fsicas e mecnicas
com a adio de 20% de slica ativa na composio dos painis.
SAVASTANO JR. et al. (2000) utilizou escria de alto forno em substituio
parcial e total do cimento Portland, com adio de gipsita e cal, para produzir
compsitos com polpas vegetais. Ele observou que, mesmo com baixos nveis de
hidratao, o cimento de escria proporcionou compsitos de comportamento similar
queles com cimento Portland, especialmente, quanto ductilidade. Alm disso, a
15
hidratao menos pronunciada levou a uma menor mobilidade dos produtos de
hidratao.
A reviso de literatura mostrou que o principal mtodo de processamento dos
compsitos cimentcios com partculas vegetais a incorporao de aditivos
aceleradores da reao de hidratao que so utilizados para contornar os efeitos de
atraso ou inibio da cura dos compsitos. Estudos sobre pr-tratamentos de partculas
vegetais para uso em matrizes cimentcios so raros e h poucos estudos que abordam o
uso de gua fria, gua quente e tratamento em meio alcalino para fibras vegetais
adicionadas em compsitos cimentcios. Entretanto h um avano nos estudos de pr-
tratamentos das fibras vegetais em matrizes polimricas (RAHMAN e KHAN, 2007,
ROUT et al., 2001). Em geral, os estudos sobre compsitos cimentcios com fibras
adotam o uso de fibras vegetais in natura e substituem parte do cimento por adies
minerais para diminuir os efeitos do meio alcalino da matriz na durabilidade dos
compsitos.
2.5 CIMENTO PORTLAND: FASES E HIDRATAO
A composio do clquer do cimento Portland contm como constituintes: silicato
triclcico (C3S); silicato biclcico (C2S); aluminato triclcico (C3A); ferro-aluminato
tetraclcico (C4AF) (MEHTA e MONTEIRO, 2008). Para a produo do cimento
Portland, na moagem do clnquer, o sulfato de clcio adicionado na forma de gesso
(CaSO4.2H2O) ou sob outras formas para controle da hidratao inicial do cimento.
A hidratao do cimento um conjunto de mudanas que ocorre quando o
cimento anidro misturado com a gua, envolvendo reaes qumicas que superam a
simples converso de espcies qumicas anidras em hidratos correspondentes
(TAYLOR, 1997). Os principais produtos de hidratao do cimento Portland comum
so os silicatos de clcio hidratado (C-S-H), o hidrxido de clcio [Ca(OH)2] e os
aluminatos de clcio hidratados (etringita e monosulfato hidratado).
De acordo com ROSSETTO (2007), o processo de hidratao do cimento Portland
um processo de dissoluo-precipitao (Figura 2.6). Quando a partcula de cimento
anidro entra em contato com a gua, a dissoluo dos ons clcio, Ca2+
, e silcio,
H2SiO42-
, provenientes dos principais constituintes do cimento Portland, C3S e C2S, se
inicia. Ao mesmo tempo, o C3A libera os ons Ca2+
e Al(OH)4- em soluo.
16
Figura 2.6 Representao da reao de hidratao do cimento Portland pelo processo de dissoluo-
precipitao, em que Ea representa a energia de ativao para a formao das fases hidratadas (hidratos) e
G representa a variao da energia livre durante a reao.
Fonte: Adaptada de GARCIA et al., 2007.
Assim, so formados os embries das fases hidratadas de silicatos e aluminatos de
clcio, devido diferena de solubilidades em relao da partcula de cimento ainda
anidra. A soluo est supersaturada em relao ao embrio. Entretanto, para que esses
embries passem condio de ncleos estveis eles precisam superar a energia de
ativao (Ea), pela reduo na relao entre rea de superfcie e volume que
proporcione a reduo da energia livre (G). Essa etapa da hidratao denominada
pr-induo, nela a superfcie do prprio gro de cimento que se dissocia oferece uma
grande alternativa para a nucleao heterognea, bem como o aumento da temperatura
que favorece a ocorrncia de um maior nmero de choques (colises) entre os ncleos
nascentes.
A prxima etapa do processo de hidratao a induo, em que a continuidade do
processo de dissoluo favorecida pela reduo dos ons em soluo, devido ao
aumento do nmero de ncleos que precipitam e simultaneamente h um maior
recobrimento da superfcie das partculas de cimento pelos precipitados que agora
atuam como uma membrana (Figura 2.7). A hidratao prossegue e o final do perodo
de induo marcado pelo momento em que a presso osmtica do sistema no
suficiente para o rompimento das partculas de cimento anidro. H uma perda de
trabalhabilidade ou aumento da viscosidade da suspenso e o tempo de hidratao
decorrido at esse momento conhecido como tempo de pega. Em continuidade, dois
17
so os mecanismos responsveis pela reduo da energia livre de Gibbs (G): o
crescimento das fases hidratadas e a densificao. Elevados valores de fator gua-
cimento (a/c) favorecem o crescimento dos silicatos e aluminatos de clcio hidratados e
o empacotamento elevado das partculas de cimento favorece a densificao, em funo
da aproximao dos gros de cimento sobre cujas superfcies as fases hidratadas so
nucleadas (ROSSETTO, 2007).
Figura 2.7 Desenvolvimento da microestrutura durante a hidratao do cimento.
Fonte: Adaptada de TAYLOR, 1997.
A etringita, C3A.3CaSO4.32H2O, a primeira fase hidratada (hidrato) a cristalizar
devido elevada relao sulfato/aluminato na fase aquosa durante a primeira hora de
hidratao. Aps o consumo do sulfato da soluo, a concentrao de aluminato se
eleva devido renovao da hidratao do C3A e do C4AF, a etringita se torna instvel e
gradativamente convertida em monosulfato hidratado, C3A.CaSO4.12H2O.
A hidratao do C4AF em presena de gipsita d origem formao de fases
similares s obtidas na hidratao do C3A, as quais se distinguem pela substituio
parcial do alumnio pelo ferro com composies qumicas variveis, mas com estruturas
similares s da etringita e do monosulfato.
Com a dissoluo do C3S, formam-se fases de C-S-H pouco cristalinas e de
Ca(OH)2. Aps o contato imediato com a gua, ocorre uma intensa liberao de calor.
Somente aps algum tempo, o C2S reage com gua e forma o C-S-H, contribuindo para
o aumento da concentrao de ons Ca2+
e OH- na fase lquida.
As reaes qumicas simplificadas que expressam a hidratao dos aluminatos e
dos silicatos so (MEHTA e MONTEIRO, 2008) (Figura 2.8):
18
AlO4- + 3 SO4
-2 + 6 Ca
+2 + meio aquoso etringita
AlO4- + SO4
-2 + 4 Ca
+2 + meio aquoso monosulfatos hidratados
2C3S + 6H2O C3S2H3 + 3 Ca(OH)2, onde: C3S2H3 = C-S-H
2C2S + 4H2O C3S2H3 + 3 Ca(OH)2
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Figura 2.8 Hidratao do cimento, a) fases aluminato e b) fases silicato. Nota: Padres de setas
indicam a coliso de duas espcies para formar um produto de hidratao, dis dissoluo, col coliso,
nuc nucleao, * indica espcie em difuso, f([X]) indica que a nucleao ou dissoluo uma
funo da concentrao ou da frao volumtrica da fase.
Fonte: Adaptada de BENTZ, 1995.
O C-S-H o principal componente do cimento Portland hidratado, tem uma
estrutura com baixa cristalinidade e com composio varivel, devido s variaes nas
relaes Ca/Si e no teor de gua quimicamente combinada. O Ca(OH)2 o segundo
produto de hidratao mais abundante, formando agregados cristalinos.
Alm desses compostos, ainda h a carbonatao, devido difuso do CO2
presente na atmosfera atravs dos poros insaturados da matriz cimentcia. Neste
processo, o CO2 sofre dissoluo na fase aquosa presente nos poros transformando-se
em cido carbnico (H2CO3) que, por sua vez, sofre dissociao como ons HCO3- e
CO32-
, juntamente com a dissoluo do Ca(OH)2 que libera ons Ca2+
e OH-, os quais
precipitam e formam fases de hidratadas de silicato carbonatadas (TONOLI, 2009).
No processo de hidratao, enquanto existe gua disponvel para a hidratao das
partculas anidras de cimento e a estabilidade entre a rea superficial e o volume dos
ncleos ou embries no atingida, os ons so dissociados e transportados por osmose
para regies onde a gua dos poros est menos saturada. A formao e precipitao dos
ncleos ou embries naturalmente aproximam as superfcies dos gros adjacentes. A
secagem ou o consumo da gua dos poros da matriz cimentcia cessa o processo de
a) b)
19
dissoluo dos ons dos componentes do cimento (TONOLI, 2009). Nesse ponto, as
molculas de gua confinadas ao redor dos gros de cimento hidratado proporcionam
adeso ao material em funo de pontos discretos de contato, atravs de ligaes de
hidrognio (ROSSETTO, 2007 e ROSSETTO et al., 2009).
Os materiais lignocelulsicos, quando so adicionados ao cimento Portland na
hidratao, tambm so aderidos matriz cimentcia por ligaes fsicas (ancoragens
mecnicas) e por ligaes qumicas (ligaes de hidrognio, Figura 2.9). Uma interao
qumica e fsica combinada formada, quando uma grande quantidade de ons, como
clcio e silcio do cimento so rapidamente dissolvidos na soluo de cimento nos
estgios iniciais da hidratao. Alguns ons penetram a parede celular do vegetal e
promovem a afinidade da superfcie da partcula com o cimento, como uma ligao
qumica. Ento, ligaes qumicas e fsicas se formam quando o cimento comea a se
cristalizar e formar uma matriz em torno da partcula e finalmente a ligao fsica e
pode continuar durante o perodo de vida do compsito (WEI et al., 2004, PEHANICH
et al., 2004).
Figura 2.9 Ligaes de hidrognio entre a partcula de p de coco e o C-S-H.
Fonte: Adaptada de TAYLOR, 1997.
Tanto o material vegetal quanto a matriz cimentcia so porosos. Quanto melhor a
interface, ou seja, quanto menor a distncia entre a superfcie do material vegetal e a
matriz, mais pontos discretos de ligao ocorrem. Superfcies mais prximas tm
menores camadas de gua confinada, ento, h ligaes de hidrognio mais fortes
(ROSSETTO et al., 2009).
20
2.5.1 Cimento Portland e as adies minerais
O cimento Portland composto, na sua produo, contm a adio de pozolanas e
de material carbontico (carbonato de clcio ou calcita, CaCO3).
As pozolanas consomem parte do Ca(OH)2 para formar fases de C-S-H na matriz
cimentcia. Estes hidratos adicionais aumentam a densidade da matriz cimentcia,
refinam a estrutura dos poros e reduzem a permeabilidade. A pozolana aumenta a
resistncia a longo prazo do material (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
As adies de material carbontico no cimento Portland produzem vrios efeitos
no mecanismo e na cintica da hidratao do cimento. A solubilidade dos produtos
um ponto importante para a estabilidade dos produtos de hidratao formados. A
etringita (trisulfoaluminato) formada durante as primeiras 24 horas em pastas de
cimento Portland comum (contendo apenas gesso como adio mineral) e em pastas de
cimento Portland com material carbontico. Pequenas quantidades de etringita ainda
esto presentes aps sete dias, mas praticamente desaparecem aos 28 dias. A converso
de etringita em monosulfoaluminato ocorre devido falta de gesso na pasta. Entretanto,
se h material carbontico presente, ons carbonatos (KspCaCO3 = 8,7 x 10-9
) ficam
disponveis na pasta e a converso da etringita (Kspetringita= 1,1 x 10-40
) para
monosulfoaluminato (Kspmonosulfoaluminato= 1,7 x 10-28
) atrasada ou interrompida. Os
ons carbonatos deslocam os ons sulfatos e ons hidroxila na fase monosulfoaluminato.
Esse fenmeno ocorre porque alguns ons sulfato ou ons hidroxila podem ser
intercambiados por ons carbonato na hidratao do C3A. Assim, o CaCO3 favorece a
substituio do monosulfato por monocarbonato (Ca4Al2(CO3)(OH2)12.5H20) e
hemicarboaluminato (Ca4Al2(SO4)0,5(OH2)13.5,5H20), ento a proporo de monosulfato
diminui e a proporo de monocarbonato (Kspmonocarboaluminato= 1,4 x 10-30
) aumenta,
devido maior insolubilidade e maior estabilidade do carbonato. Ainda na formao
inicial da etringita, ons sulfato podem ser substitudos por ons carbonatos sem
modificar a sequncia da reao de hidratao, formando a etringita carbonatada,
Ca6Al2(CO3)3(OH2)12.26H20 (BONAVETTI et al., 2001, DWECK et al., 2000, GOVIN
et al., 2006, KAKALI et al., 2000, PRA et al., 1999).
O efeito filler dado pelo material carbontico causa a acelerao da hidratao
do cimento, principalmente do C3S para idades iniciais, melhora o empacotamento do
sistema cimentcio, promove novos stios de nucleao e crescimento para o C-S-H e o
Ca(OH)2, o C-S-H produzido incorpora um significante teor de ons carbonato na sua
21
estrutura, formando fases de C-S-H carbonatadas e carboaluminatos de clcio hidratado
tambm so formados como resultado da reao entre o CaCO3 e o C3A do clnquer.
Assim, carboaluminatos e carbosilicatos de clcio hidratados so formados nos
primeiros dias (KAKALI et al., 2000, LOTHENBACH et al., 2008).
2.5.1.1 Mecanismos de retardamento/inibio da reao de hidratao
Em compsitos cimentcios com materiais lignocelulsicos, o ambiente alcalino
da matriz cimentcia favorece a solubilizao dos componentes dos materiais vegetais
durante a hidratao do cimento, quer se difundem e atuam como agentes retardantes.
Os extrativos so geralmente cidos, tm pH entre 6,3-6,4 na fibra de coco
(AGGARWAL e SINGH, 1990) e so os principais inibidores da reao de hidratao
acares solveis, amidos e taninos, resinas e cidos graxos, terpenos e terpenides,
sais, fenis e cidos hidroxi-carboxlicos. Parte da hemicelulose, como solvel em
meio alcalino, tambm se desintegra e aumenta a quantidade de substncias difusas na
soluo de hidratao do cimento (FRYBORT et al., 2008, GOVIN et al., 2006,
VAICKELIONIS e VAICKELIONIENE, 2006, WEI et al., 2000).
O mecanismo de retardamento da reao de hidratao foi explicado por GARCIA
et al. (2007). Os cidos hidroxi-carboxlicos e seus sais causam o retardamento na
hidratao do cimento devido natureza dos nions produzidos por esses compostos em
soluo. Estes nions so formados por grupos RCOO- e ROH que possuem grande
afinidade pelo clcio (Ca). Os nions hidroxi-carboxlicos complexam os ons Ca2+
e
produzem sais insolveis em pH alcalino, diminuindo a disponibilidade de ons Ca2+
em
soluo, o que diminui as concentraes dos ons Ca2+
, deixando a nucleao e o
crescimento dos hidratos de clcio mais lenta. Uma camada formada na interface
slido-lquido que dificulta o prosseguimento da reao do cimento com a gua,
retardando o estgio de saturao da soluo, pois se forma uma camada tanto pela
precipitao do sal formado em soluo, como pela adsoro direta dos nions hidroxi-
carboxlicos sobre a superfcie das partculas de cimento.
Os carboidratos, principalmente os acares, tambm so retardantes que atuam
de modo semelhante ao descrito acima. Uma barreira estrica e/ou eletroestrica
formada ao redor das partculas de cimento anidro, impedindo a aproximao das
mesmas e a consequente agregao, agindo como um agente defloculante, dificultando a
aproximao das molculas de gua, assim, retardando a hidratao. Os compostos
22
cidos tambm retardam a hidratao, pois os ons H+ gerados por esses compostos
podem se ligar aos grupos OH- dos hidratos, bloqueando o processo de nucleao, j
que estes ctions se ligam fortemente a esse grupo dificultando novas ligaes entre o
grupo OH e os tomos de Ca. Ento, quanto maior a dificuldade de formao de
embries estveis, maior o tempo necessrio para que eles se formem e, assim, h um
retardamento da entrada do sistema no processo de precipitao (GARCIA et al., 2007).
2.6 DURABILIDADE DOS COMPSITOS COM MATERIAIS
LIGNOCELULSICOS
Para o desenvolvimento de novos materiais de construo, algumas condies bsicas
devem ser atendidas, como: economia, viabilidade, segurana, trabalhabilidade e
principalmente durabilidade (SENFF, 2004). Assim, estudos para estimativa da vida til
do material devem ser realizados antes da sua insero no mercado.
A norma de desempenho, NBR 15575 (ABNT, 2012), estabelece as definies de
durabilidade e vida til e define requisitos e critrios para que o projeto leve em
considerao as condies de durabilidade e vida til que devem ser asseguradas, visando o
desempenho tcnico e econmico do empreendimento. Para a vida til global do edifcio,
todos os materiais, componentes e sistemas construtivos precisam ter sua vida til
caracterizada diante das condies de uso e manuteno a que estaro sujeitos.
O estudo da durabilidade de um material deve ser iniciado a partir da identificao
dos agentes agressivos relevantes em cada aplicao e dos mecanismos de degradao a
eles associados. A identificao dos agentes requer conhecimento da qumica e da
microestrutura do material. A ao conjunta entre os agentes de degradao tambm deve
ser considerada como fator importante na previso da degradao do material. Em alguns
casos, agentes que por si s no afetam o material, quando atuantes em sinergia com outros,
podem levar a alteraes desfavorveis nas propriedades dos materiais (SILVA, 2002).
Para a avaliao da durabilidade so empregados mtodos q