2.1 Materiais com baixo impacto ambiental

O uso e reutilização de matérias-primas alternativas são generalizados em todo o mundo, a fim de obter materiais com baixo impacto ambiental. Tal é o caso do Uruguai, onde foi usado um sistema de construção, utilizando blocos de solo-cimento elaborados com elevadas cargas de compressão para conferir alta resistência, durabilidade e excelente isolamento térmico (^{Patrone, Garcia & Nigro, 2005}). Na Venezuela, as fundações são de pedra combinadas com a terra, e telhados de madeira e para as paredes fardos de palha revestidos com cal ou terra para protegê-los contra agentes externos (^{Patrone, Garcia & Nigro, 2005}). Em Cuba, foram determinadas as propriedades físicas, mecânicas e de durabilidade do concreto feito com 25% e 100% dos agregados graúdos reciclados usando adições ativas e inertes. Os resultados mostram que o concreto com agregado reciclado feito com adições ativas melhorou a durabilidade do concreto convencional (^{Pavo, Etxeberría & Martínez, 2011}).

No Chile, são projetadas casas onde a fundação é baseada em pedra com uma estrutura de madeira e betume colocados dentro de malhas de metal e revestidos com argila (^{Patrone, Garcia & Nigro, 2005}). No México, a utilização do solo, cal ou cimento Portland como um estabilizador, restos de cacto e água misturados, permitiram fazer blocos de terra comprimidos (BTC) utilizados em vários tipos de habitação para reduzir custos e emissões de CO₂ (^{Roux 2010}). Além disso, têm-se realizado estudos com materiais cimentícios com baixo impacto ambiental quem tem utilizado fibras que reduzem o uso de aço de reforço estrutural. Geralmente, as fibras podem ser classificadas de acordo com a sua origem em vegetal (a partir de caules ou folhas), minerais (amianto) e feitas pelo homem (aço, vidro e polímeros). Houve uma pesquisa sobre a utilização de fibras vegetais, como uma alternativa às fibras minerais para reforçar os materiais cimentícios (^{Juarez, Valdez & Duran, 2004}).

Estas fibras podem ser consideradas como um "material verde" ou amigável com o meio ambiente e são uma opção viável para os próximos anos. Além disso, são encontradas em todo o mundo para uso como material de reforço em uma matriz cimentícia e podem ser consideradas uma alternativa econômica e de baixo impacto ambiental para a construção.

Para determinar a viabilidade das fibras como material de reforço é necessário um estudo das suas propriedades e sua morfologia (^{Pacheco-Torgal, Jalali, 2011}; ^{Jarabo, Monte, White & Tijero, 2012}). Tem havido muitas contribuições tecno científicas sobre a utilização de fibras naturais, tais como as provenientes do côco, sisal, bagaço de cana, bambu, palma, juta e madeira, devido à sua abundância em certas regiões do mundo (^{Pacheco-Torgal Jalali, 2011}). Nos últimos anos tem havido um interesse crescente na utilização destas fibras como reforço em materiais cimentícios. Algumas pesquisas têm mostrado que utilizadas como reforço, apresentam propriedades comparáveis e competitivas para os concretos armado convencionais (^{Aziz & Lee 1984}; ^{ACI, 1998}).

Adicionalmente à utilização de fibras vegetais como um substituto para a armadura pode-se reduzir o impacto ambiental com a adição de materiais de resíduos industriais de cimento como compostos substitutos de cimento, tal é o caso das cinzas volantes. O benefício desta substituição encontra-se na redução do consumo de cimento, um componente principal de concreto, mas que tem a desvantagem ecológica de liberar uma grande quantidade de CO₂ e outros gases prejudiciais para o ambiente durante a sua produção (^{USGS, 2015}). Além disso, a utilização das cinzas volantes como um substituto para uma determinada quantidade de cimento no concreto é justificada por duas razões adicionais: poupanças econômicas resultantes da redução do cimento utilizado e as alterações microestruturais motivadas pela substituição. Este segundo ponto existe um consenso de que as cinzas geram um concreto mais denso e uma redução do tamanho médio dos poros.

2.2 Aspectos de durabilidade

Outro aspecto importante a considerar em materiais com baixo impacto ambiental está ligado à sua durabilidade em serviço. Verificou-se que a substituição parcial de cimento portland com cinzas volantes em quantidades que variam de 50% a 60% conduz a materiais cimentícios com melhor desempenho de durabilidade (^{Malhotra 2001}). No entanto, é necessário considerar que a utilização de fibras naturais na matriz cimentícia apresenta uma série de problemas relacionados com a sua natureza orgânica. Diversos estudos descobriram que há uma degradação das fibras naturais, quando elas são incorporadas na matriz cimentícia, porque ambientes de elevada alcalinidade dissolvem os compostos primários das fibras, tais como a lignina e hemicelulose e, consequentemente, a sua microestrutura enfraquece (^{Stancato, Burke & Beraldo de 2005}, ^{Sedan, Pagnoux, Smith & Chotard, 2008}; ^{Kriker, Bali, Debicki, Bouziane & Chabannet, 2008}).

Outro fator a considerar é a elevada absorção que as fibras naturais apresentam (^{Savastano, Warden e Coutts 2005}). Para reduzir este fenômeno tem sido relatado o uso de substâncias orgânicas para o seu revestimento, limitando a porcentagem de absorção da fibra em 4% (^{Alawar, Hamed e Al-Kaabi 2009}; ^{Bilba e Arsene 2008}); outras alternativas estão no uso de fornos (^{Claramunt, Ardanuy, García-Hortal & Filho, 2011}).

Tem sido utilizada também a modificação da alcalinidade da matriz usando cimentos compostos adicionando pozolanas, tais como cinza volante, cascas de arroz e bagaço de cana (^{Agopyan et al 2005}; ^{Gutierrez, Diaz e Delvasto 2005}; ^{Savastano Warden e Coutts 2003}). No entanto, verificou-se que o uso destes materiais cimentícios suplementares não garante necessariamente a não-degradação das fibras, porque os diferentes compostos na mesma não reduzem substancialmente a alcalinidade da matriz cimentícia (^{Mohr, Biernacki e Kurtis 2007}; ^{John 2005}; ^{Tonoli et al 2010}). Nesta perspectiva, o objetivo de investigação no presente artigo é estudar o comportamento mecânico de compostos de cimento com baixo impacto ambiental, utilizando como reforço fibras vegetais incorporadas na matriz binária utilizando diferentes porcentagens de cinzas volantes em substituição do cimento.

3.1 Materiais

Neste estudo utilizou-se fibra vegetal da família do agave conhecido como "Lechuguilla" com a qual foi formada uma malha do tipo têxtil. Além disso, foi empregado o cimento Portland CPC 30R, cinzas volantes (CV) e agregados calcários de dimensão máxima de 10 mm para a brita e 4,75 milímetros para a areia. A CV é uma pozolana artificial encontrada na planta Río Escondido, localizado em Piedras Negras, Coahuila. A composição química do cimento e CV estão mostradas na Tabela 1. A CV foi utilizada em porcentagens de 20, 40 e 60% em substituição do cimento para duas diferentes relações água/ligante (a/cm) de 0,60 e 0,70. O consumo de cimento utilizado foi de 350, 280, 210 e 140 kg/m³, para 0, 20, 40 e 60% de CV em substituição, respectivamente.

3.2 Fabricação da malha

A malha tipo têxtil à base de fibra vegetal tem dimensões de 1100 x 600 mm e foi elaborada em forma de rede, como visto na Figura 1. A ligação dos perfis longitudinais e transversais para formar a malha foi conduzida utilizando um adesivo polimérico aplicado nos seus pontos de contato, o qual foi deixado secando durante 24 horas a 23°C no laboratório. Para evitar afetar a própria lignina - componente primário da fibra vegetal - contra o meio alcalino da matriz cimentícia, se impregnou com uma substância a base de parafina (^{Malhotra, 2001}).

Figura 1 Arranjo e impregnação do tecido de fibras naturais. 

A malha foi introduzida num forno a 100°C durante 24 horas para secar a umidade do ambiente nas fibras e, assim, terem a condição seca. Em seguida, a parafina foi fundida a cerca de 67°C. Como visto na Figura 1, a malha foi impregnada durante 5 min, em seguida, deixada a secar a temperatura ambiente durante 30 min.

Em adição à proteção contra o meio alcalino da matriz cimentícia, o revestimento permitirá reduzir significativamente a absorção de umidade da fibra. Isto aumenta a sua durabilidade dentro da matriz cimentícia e, portanto, a resistência do compósito é preservada.

3.3 Mistura, colagem e cura

Foram feitos 32 painéis duplicados de 960 x 560 x 50 mm reforçados com malha de fibra natural e 48 corpos de prova de concreto triplicados de 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura. Os traços de concreto utilizados estão mostrados na Tabela 2. Foi utilizada uma betoneira com capacidade de 100 L. O concreto foi misturado de acordo com a norma ASTM C192 e o ensaio de abatimento foi realizado de acordo com a norma ASTM C143. Os processos de moldagem e de cura foram realizados de acordo com a ASTM C 31.

A concretagem dos painéis fibroreforçados foi realizado em duas capas de cerca de 25 mm cada uma. A primeira camada foi compactada utilizando 15 golpes com um martelo sobre as faces laterais da forma em madeira, depois foi colocada a rede manualmente no meio da espessura do painel, e em seguida foi compactada numa mesa vibratória durante um período de 1 minuto. Para a segunda camada foi efetuado o mesmo processo de colagem e compactação da primeira, a malha foi mantida no meio da espessura e finalizou com o acabamento da superfície da peça.

3.4 Ensaios mecânicos

Os ensaios mecânicos dos painéis reforçados com fibra e dos corpos de prova de concreto foram realizados em duas idades entre 2 e 4 meses para cada relação a/mc. Os corpos de prova de concreto foram ensaiados à compressão de acordo com a norma ASTM C39 e o seu módulo de elasticidade de acordo com ASTM C469 nas idades estabelecidas e para as diferentes porcentagens de CV. Da mesma forma, os painéis de concreto reforçado com fibra de foram ensaiados a flexão através da aplicação de uma carga nos terços do painel, o vão livre entre os apoios foi de 900 mm, a deformação foi medida no meio vão por um transdutor de deslocamento (LVDT), os dados foram regsitrados em um sistema de aquisição de dados. Na Figura 2 se apresenta o ensaio de flexão dos painéis.

Figura 2 Ensaio de flexão dos painéis reforçados com fibra. 

4.1 Tensão de compressão e módulo de elasticidade

Na Figura 3 apresenta-se o efeito da substituição de 20% do cimento por CV na resistência à compressão obtida em corpos de prova de concreto. O resultado mostra que permanece praticamente o mesmo valor de controle para ambas as relações a/mc e para 2 e 4 meses de idade. A relação a/mc tem um efeito significativo no aumento da resistência para 20% de CV e para o controle, para a substituição de 40% e 60% por CV as resistências diminuíram em relação ao controle, também a relação a/mc assim como a idade não parece afetar significativamente.

Figura 3 Comportamento da resistência à compressão em relação a % CV para 2 e 4 meses de idade. 

Um comportamento mecânico semelhante pode ser observado para o módulo de elasticidade, embora, como se mostra na Figura 4, a relação a/mc não produz aumento significativo no módulo para qualquer porcentagem de CV (^{Shen, Shi, Zhu, Duan & Zhang , 2016}), (^{Siddque, 2004}). A substituição de 20% CV mantém, pelo menos, o mesmo valor em comparação com o controle. De acordo com os resultados experimentais para a resistência de compressão e o módulo de elasticidade, as amostras com relação a/mc = 0.60 e com 20% de substituição de CV mantiverem os valores de controle, e inclusive registraram um aumento de 24 e 15%, respectivamente, para ambas as idades.

Figura 4 Comportamento do módulo de elasticidade em relação ao % CV durante 2 a 4 meses de idade. 

Como é sabido, a CV produz uma reação pozolânica com o hidróxido de cálcio presente nas reações de hidratação do cimento, o que lhe permite fornecer resistência mecânica à matriz de cimento quando as substituições são relativamente baixas e para o qual demanda uma certa quantidade de água da relação a/mc.

Além disso, quando são utilizadas porcentagens elevadas de substituição de CV pelo cimento também se reduz a quantidade de hidróxido de cálcio presente na mistura e é possível que os aluminossilicatos da CV não tinham hidróxido de cálcio suficiente para a reação pozolânica e combinado o baixo consumo de cimento resulta numa redução da resistência mecânica, o que permite supor que o resto da CV interage na matriz mais como um material de enchimento que como um material cimentício. Estudos anteriores sobre o comportamento mecânico em corpos de prova com substituição de CV por cimento em porcentagens relativamente baixas demonstraram um comportamento mecânico adequado, o que se verifica na presente investigação (^{Duran-Herrera Juarez, Valdez & Bentz, 2011}), (^{Siddique, 2004}).

4.2 Flexão nos painéis

A Figura 5 mostra o efeito da CV e da idade na resistência à flexão nos painéis de concreto reforçado com fibras. Pode-se observar que ambas as relações a/mc têm um comportamento semelhante: com uma substituição de 20% de cimento por CV para 2 e 4 meses de idade aumentou a resistência à flexão de 20% e 25%, respectivamente, em relação ao controle. Contrariamente, para as porcentagens de 40 e 60% de substituição de CV é observada uma diminuição da resistência em relação ao controle, o que é consistente com os resultados encontrados em compressão e no módulo de elasticidade, em que a substituição do cimento em 20% de CV para ambas as relações a/mc e ambas idades apresenta uma melhora em geral no comportamento mecânico. Na Figura 5 pode também ser visto que a idade parece não ter nenhum efeito significativo sobre o ganho de resistência à flexão, principalmente para a relação a/mc = 0,70.

Figura 5 Comportamento da carga de falha a flexão em relação a % de CV para 2 e 4 meses de idade. 

Nas Figuras 6 e 7, observa-se a contribuição para a resistência à flexão da matriz cimentícia e a malha de fibra natural como o painel de reforço, a contribuição unicamente da malha ocorre quando a matriz cimentícia atinge a carga máxima de fissuração e segue um descarregamento repentino. Na Figura 6, as amostras de controle apresentaram um aumento da carga pós-fissuração e na Figura 7 são as amostras com 20% de CV que apresentaram melhor comportamento de pós-fissuração. Além disso, os painéis com elevadas substituições de CV (40% e 60%) tiveram uma redução significativa na carga pós-fissuração no que diz respeito à carga máxima à flexão que o paivel resistiu antes de fissurar (^{Bernal, Gutierrez, Delvasto & Rodriguez, 2010}).

Figura 6 Comportamento a flexão depois da fissuração, Rel. a/mc = 0.60. (a) 2 meses de idade. (b) 4 meses de idade. 

Figura 7 Comportamento a flexão depois da fissuração, Rel. a/mc = 0.70. (a) 2 meses de idade. (b) 4 meses de idade. 

A adição da malha à base de fibras naturais como reforço em painéis de concreto contribuiu, em primeira instância, para melhorar o comportamento do concreto no estado fresco, impedindo a fissuração por retração plástica, uma vez endurecido o concreto, o reforço da malha modificou o modo de ruptura frági própria do concreto em si, trazendo ductilidade (^{Banyhussan Sahib, Yildirim, Bayraktar, Demirhan & Sahmaran, 2016}). Nas Figuras 6 e 7 pode-se observar que a malha contribuiu para que o painel apresentasse um comportamento dúctil, além de que em alguns casos a carga se recuperou sem atingir a carga máxima de fissuração. De acordo com os resultados obtidos, a substituição de 20% de CV apresentou a maior carga de fissuração por flexão para ambas as relações a/mc e para as duas idades. Observa-se também que a carga foi aumentada em 10% para 4 meses de idade em comparação com 2 meses na maioria dos casos estudados.

Uma vez ensaiados a flexão, os corpos de prova nas duas idades correspondentes, não houve evidência de degradação nas fibras naturais causadas por exposição ao meio alcalino durante o tempo acima mencionado. Isto é fisicamente verificado porque o modo de falha de todas as amostras testadas foi dúctil. O efeito de diferentes condições de umidade e/ou temperatura que se relacionam com a deterioração de fibras vegetais e a geração de um mecanismo de falha quebradiça (^{Juarez, Duran, Valdez & Fajardo, 2007}), devem ser extensivamente estudado para determinar a viabilidade de utilização a longo prazo deste tipo de reforço a base de malha (^{Georgiou & Pantazopoulou, 2016}), visando gerar materiais de construção alternativos.