Estudo do comportamento de materiais compósitos fibrosos para aplicação como reforço de base de fundações superficiais

Neste trabalho foram avaliadas as propriedades de resistência e deformabilidade de misturas solo-cimento-fibra. O estudo experimental consistiu de duas etapas, denominadas de etapa de laboratório e etapa de campo. Na etapa de laboratório foi verificada a influência da adição de fibras de polipropileno no comportamento tensão x deformação de um solo arenoso cimentado e não cimentado. Ensaios de resistência à compressão triaxial foram realizados para avaliar os efeitos da porcentagem de fibras, do comprimento das fibras, do diâmetro das fibras, da porcentagem de cimento, da densidade relativa, da tensão de confinamento e da distribuição granulométrica no comportamento do compósito. Na etapa de campo, o comportamento carga x recalque do solo arenoso cimentado reforçado com fibras foi avaliado, juntamente com os mecanismos de ruptura de cada compósito, através da execução de ensaios de placa de 0,30 m e 0,60 m de diâmetro sobre camadas tratadas de 0,30 m de espessura. Os métodos propostos por Vesic (1975), Meyerhof & Hanna (1978) e Thomé (1999) foram utilizados para a previsão da capacidade de suporte das camadas tratadas em campo A partir dos resultados obtidos chegou-se às seguintes conclusões: (1) a influência da inclusão de fibras sobre as propriedades mecânicas do compósito depende fundamentalmente das propriedades da matriz; (2) a porcentagem de cimento e a tensão de confinamento exercem forte influência no comportamento mecânico do material compósito; (3) o efeito da inclusão de fibras é mais evidente para maiores comprimentos e maiores teores de fibras, sendo seu efeito mais pronunciado para materiais compósitos com maiores densidades; (4) a influência das fibras na resistência de pico e última do material depende também do diâmetro das fibras e da distribuição granulométrica do solo; (5) O comportamento carga x recalque do solo cimentado é influenciado pela adição das fibras, alterando principalmente o comportamento pós-pico e o mecanismo de ruptura; (6) os valores de previsão da capacidade de suporte das camadas cimentadas, com e sem reforço de fibras, apresentam boa aproximação com os valores experimentais.

Avaliação de resinas Epóxi para fabricação de materiais compósitos pelo processo de pultrusão

A utilização de resinas epóxi na fabricação de materiais compósitos vem crescendo substancialmente nos últimos anos. O processo de pultrusão também acompanha esta tendência e a demanda por dados técnicos a respeito desta resina vem crescendo, sendo cada vez mais objeto de pesquisa em universidades e empresas. A pultrusão é um processo contínuo de fabricação de materiais compósitos. O processo consiste basicamente em duas etapas a saber: a impregnação, onde se tem a aplicação da mistura com resina, endurecedor e aditivos sobre as fibras; a cura do perfil, onde o material compósito passa pelo processo de reticulação, adquirindo sua forma final e suas diferentes propriedades mecânicas, físicas e químicas. O interesse deste trabalho reside especialmente sobre este tipo de resina pelo fato de que seu emprego no processo de pultrusão confere excelentes propriedades químicas e elétricas ao perfil fabricado. Dadas às características do processo de pultrusão, o conhecimento do comportamento da resina, do ponto de vista físico e cinético, é requisito básico para a obtenção de produtos de qualidade. Apresentando um comportamento diferenciado de resinas poliéster, as resinas epóxi possuem características especiais que tornam o seu uso no processo de pultrusão bastante desafiador. Através de ensaios térmicos (calorimetria exploratória diferencial – DSC- e análise termogravimétrica – TGA) foi possível verificar o comportamento das resinas epóxi misturadas com endurecedor As resinas estudadas apresentaram boa resistência térmica, com temperaturas de degradação superiores a 1500C. Quando testadas no DSC, as resinas apresentaram diferentes calores de reação para cada um das condições testadas, destacando-se a resina LY-553 como adequada para uso no processo de pultrusão. Testes verificando tempo de gel e viscosidade complementaram os dados, fornecendo informações úteis para o estudo das resinas na área de impregnação no processo de pultrusão. Estes testes confirmaram a aplicabilidade da resina LY-553 no processo de pultrusão, bem como qualificaram a resina GY-281 como uma possível alternativa para a produção de perfis pultrudados.

Aplicação da teoria da homogeneização em materiais compósitos viscoelásticos

Materiais compósitos são empregados nos mais diversos tipos de estruturas (civis, mecânicas, aeronáuticas, etc.). A possibilidade de otimização de suas propriedades, frente às solicitações consideradas, representa uma grande vantagem na sua utilização. A teoria da homogeneização permite a avaliação da influência de detalhes microestruturais nas características do composto através do estudo de uma célula elementar. Os deslocamentos periódicos dessa célula são aproximados com expansões ortogonais polinomiais. A exatidão dos cálculos elásticos está associada ao grau dos polinômios utilizados. O procedimento numérico no modelo viscoelástico é incremental no tempo, utilizando-se de variáveis de estado, cuja implementação proporciona grande economia computacional, pois evita o cálculo de integrais hereditárias. A influência de diversos parâmetros físicos na constituição dos compósitos de fibras unidirecionais estudados é discutida e comparada com resultados obtidos com modelos em elementos finitos, tanto em elasticidade, quanto em viscoelasticidade sem envelhecimento. Para o caso de envelhecimento, no qual as características dos constituintes são variáveis com o tempo, é mostrada a resposta dos compósitos sob relaxação para diferentes instantes iniciais de carregamento em situações de "softening" (ou abrandamento) e "hardening" (ou endurecimento).

Avaliação do comportamento de materiais compósitos de matrizes cimentícias reforçadas com fibra de aramida kevlar

Esse trabalho aborda a questão de materiais compósitos reforçados com fibras (fiber reinforced concrete) com enfoque em matrizes cimentícias reforçadas com fibra de aramida Kevlar. O objetivo é caracterizar o potencial da fibra de aramida Kevlar como elemento de reforço a ser adicionado ao concreto. O trabalho busca caracterizar o desempenho dos compósitos formados, identificando as alterações decorrentes da incorporação em função do comportamento mecânico e da resistência ao impacto. Os objetivos são verificar a potencialidade de utilização dessa fibra em termos de trabalhabilidade e resistência mecânica; definir como deve ser a forma de incorporação, verificar a aderência da fibra à matriz através de microscopia eletrônica de varredura por elétrons secundários e determinar a resistência ao impacto, comparando matrizes sem adição de fibra com corpos-de-prova moldados com vários tipos e teores de fibra (aço, sisal, vidro, polipropileno e aramida). Como vantagens da incorporação das fibras de aramida Kevlar, constata-se um incremento na resistência à compressão dos compósitos aos 28 dias em relação aos espécimes sem adição de fibra. Observam-se, também, reduções na massa específica e na trabalhabilidade dos espécimes com adição de fibra de aramida Kevlar em comparação aos sem adição. Em relação à resistência ao impacto, conclui-se que os compósitos com adição de fibra de aço e fibra de aramida são os que apresentaram melhor comportamento dinâmico em relação a energia de ruptura acumulada e à energia para aparecimento da primeira fissura, respectivamente.

Análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados usando elementos finitos hexaédricos de oito nós com integração reduzida

Neste trabalho implementou-se o elemento hexaédrico com um ponto de integração para análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados com ou sem enrijecedores. O elemento está livre de travamento volumétrico e travamento de cisalhamento, não apresentando modos espúrios. São também incluídos problemas com não-linearidade geométrica A matriz de rigidez e de massa são dadas de forma explícita, reduzindo o tempo computacional, especialmente na análise não-linear. Para evitar o travamento de cisalhamento as componentes de deformações são referidas a um sistema co-rotacional. O travamento volumétrico é também eliminado, já que a parte dilatacional (esférica) da matriz gradiente é avaliada apenas no ponto central do elemento. Para a solução das equações de equilíbrio na análise estática, utilizam-se um método direto baseado na eliminação de Gauss ou um método iterativo de gradientes conjugados com precondicionamento executado através da eliminação incompleta de Choleski. Para a análise dinâmica, as equações de equilíbrio são integradas através do método explícito ou implícito de Taylor-Galerkin ou do método implícito de Newmark. Para análise não-linear utiliza-se o Método Generalizado de Controle dos Deslocamentos. Através de exemplos numéricos demonstra-se a eficiência e o potencial do elemento tridimensional na análise linear e não-linear de placas e cascas de materiais laminados. Os resultados são comparados com trabalhos que utilizam diferentes elementos de placas e cascas.

Estudo do comportamento hidráulico e mecânico de materiais geotécnicos para barreiras horizontais impermeáveis

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico e mecânico de novos materiais geotécnicos compósitos, tentando adequar suas características à utilização em barreiras horizontais impermeáveis, dando ênfase para liners de cobertura. A melhoria das propriedades das matrizes estudadas, que resultaram em novos materiais compósitos, foi avaliada através da adição de bentonita e fibras. O estudo consistiu em duas etapas: a avaliação do comportamento hidráulico e do comportamento mecânico dos compósitos. Na primeira etapa foram realizados ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível com carga constante, em amostras compactadas de solo residual de arenito Botucatu, cinza de fundo, areia e caulim, com adições de bentonita e fibras de polipropileno de 24mm. Dentre os materiais estudados, a cinza de fundo foi a única matriz que, mesmo com a adição de 18% de bentonita, não alcançou uma condutividade hidráulica inferior a 1x10-7m/s, exigida para liners de cobertura. Além disso, com o intuito de avaliar o efeito da inclusão da bentonita e da morfologia das partículas na condutividade hidráulica das misturas, principalmente para a cinza de fundo, foi feita uma análise fotomicrográfica do material em microscópio petrográfico Na segunda etapa do trabalho foi estudado o comportamento mecânico dos compósitos através de ensaios triaxiais de compressão isotrópica, ensaios triaxiais CID e CIU com trajetórias de tensão convencionais e especiais, bem como através de ensaios ring shear. Foi verificado que a adição de fibras aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento (c, φ) e a resistência ao cisalhamento pós-pico dos compósitos, principalmente a baixas tensões efetivas médias iniciais e após grandes deformações. A análise conjunta dos resultados de condutividade hidráulica e do comportamento mecânico dos compósitos indica a existência de uma grande gama de materiais compósitos que podem ser utilizados como liners de cobertura: liners de areia com bentonita e areia com bentonita e fibras; liners de SRAB e SRAB com fibras e liners de caulim e caulim com fibras, sendo que o último pode ser utilizado também para resíduos perigosos ou em liners de fundo.

Caracterização de filmes ópticos compósitos nano-estruturados, inomogêneos ou anisotrópicos, produzidos por troca iônica e pelo método sol-gel

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e a aplicação de métodos de caracterização de filmes ópticos, associados à sua estrutura inomogênea ou anisotrópica. Os materiais estudados são guias ópticos planares e filmes compósitos com propriedades ópticas não-lineares. Esses materiais são relevantes para aplicações na área de optoeletrônica e óptica integrada. O trabalho é dividido em duas partes principais. A primeira parte é dedicada à caracterização de guias de onda planares produzidos por troca iônica, vidros dopados com íons de Ag e/ou K, através de um e/ou dois processos de troca. O perfil de índice de refração é estudado através da técnica de Modos Guiados, uma técnica óptica empregada tradicionalmente em guias desse tipo. Em complementação a essa medida óptica, são realizadas medidas do perfil de concentração do íon dopante, empregando as técnicas de RBS e EDS. É dedicado um interesse especial pela região próxima à superfície da amostra, a região crítica na análise por Modos Guiados. Os métodos de Abelès-Hacskaylo e de Brewster-Pfund são estendidos a esses guias inomogêneos, permitindo a medida direta do valor do índice de refração superficial. Essa informação e os dados obtidos por Modos Guiados permitem a determinação de um perfil de índice de refração mais acurado ao longo da profundidade do guia. A segunda parte é dedicada ao estudo de materiais compósitos: filmes finos constituídos por uma matriz (silicato, silicato + PVP, e PMMA) dopada com moléculas orgânicas que apresentam propriedades ópticas não-lineares de segunda ordem (PNA, DR-1 e HBO-BO6). Nessas amostras, é aplicado um campo elétrico de alta voltagem (efeito corona), gerando um alinhamento dos cromóforos dopantes. Essa mudança na simetria estrutural do material, de isotrópica para uniaxial, é observada através da assimetria correspondente no valor do índice de refração (birrefringência). O valor da birrefringência induzida é obtido através da medida da variação da refletância de luz pelo material, auxiliada por medidas prévias das constantes ópticas do material por Elipsometria.

Investigação dos efeitos de temperaturas elevadas em reforços estruturais com tecidos de fibra de carbono

A necessidade cada vez maior de efetuar a reabilitação de estruturas que apresentam manifestações patológicas faz com que os profissionais da área busquem continuamente aperfeiçoar os meios tradicionais utilizados para este fim e investigar novos materiais que apresentem vantagens técnicas e econômicas. A utilização de tecidos de fibra de carbono para reabilitação ou reforço de estruturas de concreto armado apresenta-se como uma nova alternativa que tem despertado grande interesse tanto no meio científico quanto no meio profissional, justificando-se o seu estudo. A presente pesquisa investiga a sanidade do reforço quando submetido a elevadas temperaturas, uma vez que o risco de perda da integridade durante um incêndio constitui uma das principais preocupações no que se refere a esta nova técnica, pois a aderência do tecido ao substrato é realizada com adesivo epóxi, altamente vulnerável ao efeito do calor. A degradação em termos de perda de resistência do reforço é avaliada para temperaturas variando de 80 °C à 240 °C e tempos de exposição de 30 à 120 min. Proteções passivas com argamassa de revestimento e gesso aplicadas sobre a matriz de epóxi, como forma de atenuar a degradação do polímero, são também investigadas Pesquisas e várias combinações destas variáveis e os resultados indicam que o adesivo epóxi apresenta um processo de volatilização crescente com o aumento da temperatura, comprometendo a eficácia da técnica de reforço; no entanto, a aplicação de revestimentos incombustíveis e isolantes sobre os elementos reforçados retarda este fenômeno. O estabelecimento do que se constitui em boa técnica para a aplicação de reforço com tecidos de fibra de carbono é de vital importância para evitar o colapso de elementos estruturais reforçados ou, ao menos, garantir estanqueidade e isolamento dos mesmos por um intervalo de tempo suficiente que possibilite a retirada dos ocupantes e as operações de combate ao incêndio em condições de segurança.

Comportamento de solos reforçados com fibras de polipropileno

A utilização de fibras como reforço de solos é uma técnica relativamente nova e promissora, fundamentada na tecnologia dos materiais compósitos, onde se busca criar um novo material com propriedades e características específicas através da combinação de dois ou mais materiais conhecidos. No presente trabalho, busca-se avaliar as influências provocadas pela inserção de fibras de polipropileno (teor de 0,5%) de dois comprimentos (12 e 36mm) e cimento (teor de 7% em relação ao peso de material seco) a três solos (uma argila, uma areiasiltosa e uma areia), através de ensaios triaxiais drenados e ensaios de condutividade hidráulica (estes restritos às misturas com argila). A análise global dos resultados permitiu a identificação de padrões de comportamento dos solos reforçados, que independem do tipo de solo, e outros que dependem fundamentalmente das características do solo empregado.

Um modelo analítico e computacional para consideração de efeitos de envelhecimento em estruturas de material compósito

Os materiais compósitos reforçados por fibras apresentam vantagens quando comparados aos materiais de construção mais tradicionais como concreto e aço. Por outro lado, devido ao fato destes materiais serem relativamente recentes no mercado, questões a respeito de sua durabilidade são ainda objeto de discussão e faz-se necessária intensa pesquisa sobre o envelhecimento dos compósitos. Como conseqüência, recentemente têm surgido inúmeros trabalhos à respeito da degradação dos compósitos considerando efeitos como temperatura, oxidação, radiação UV, condições de carregamento, etc. A maioria destas pesquisas, no entanto, são realizadas a nível de material e não são diretamente aplicáveis à situações de projeto. Desta forma, existe grande demanda por novos estudos e dados compatíveis com aplicações estruturais. Neste trabalho apresenta-se um modelo analítico-numérico adequado para, interpretação e aplicação destes dados experimentais em análise e projeto de estrutural. A formulação proposta inclui relações constitutivas elásticas anisotrópicas com envelhecimento, relações constitutivas viscoelásticas anisotrópicas com envelhecimento em termos de variáveis de estado, análise de falhas com critério de degradação ajustado à idade do material e considera-se grandes deslocamentos e pequenas deformações. As diferenças essenciais entre os processos de envelhecimento em endurecimento e amolecimento são descritos juntamente com as relações constitutivas para cada caso. Estas equações são deduzidas na forma adequada para análise numérica via método dos elementos finitos usando uma solução incremental-iterativa com consideração de efeitos pos-críticos. Vários exemplos são apresentados, incluindo análises elásticas, viscoelásticas e de falha com envelhecimento.

Programa computacional para análise dinâmica de estruturas incluindo amortecimento viscoelástico

Neste trabalho apresenta-se a implementação da matriz de amortecimento viscoelástica para um programa computacional de análise de cascas laminadas de materiais compósitos. A formulação apresentada permite realizar análises dinâmicas de estruturas laminadas com a consideração do efeito do amortecimento para dois modelos diferentes: Kelvin e Zener. A matriz de amortecimento foi implementada de duas formas: proporcional à massa ou proporcional à rigidez. A equação do movimento do sistema dinâmico foi resolvida utilizando-se o método de Newmark para integração direta. Para o modelo Zener foi desenvolvida uma análise para um elemento com 1 grau de liberdade. Apresentam-se exemplos de aplicações da formulação para modelos viscosos, implementadas no programa de elementos finitos, submetidos a diferentes tipos de carregamentos, como carga distribuída e cargas de impacto com diferentes tipos de excitações. Comparações entre o comportamento dos modelos Kelvin e Zener foram realizadas para validar os resultados obtidos.

Compósitos de polipropileno com fibra de vidro utilizando viniltrietoxisilano como agente de adesão

Compósitos de polipropileno (PP) com cargas inorgânicas tem sido cada vez mais aplicados na obtenção de peças automotivas, eletrodomésticos e outros. O crescimento da aplicação destes materiais foi possível com o advento da tecnologia de adesão que consiste no uso de um agente que promove a interação físico-química na interface carga/matriz. Neste trabalho, o viniltrietoxisilano (VTES) foi empregado como agente de adesão em compósitos de PP com fibras de vidro curtas. A reação do VTES com PP por via radicalar foi estudada em câmara de mistura e por extrusão reativa, comparando-se os dois processos. O VTES reage com o PP na ausência de iniciador de reação radicalar em processos com alto cisalhamento. A reação modifica o comportamento reológico do polímero, sem afetar significativamente as propriedades térmicas e mecânicas. O teor de VTES tem influência sobre o peso molecular de produtos sem peróxido. Compósitos de PP contendo 20% de fibras de vidro foram obtidos por extrusão reativa e câmara de mistura, analisando-se o efeito de VTES sobre as propriedades mecânicas, reológicas e a morfologia dos produtos. Um estudo das condições de processamento por extrusão reativa é apresentado, comparando dois métodos a) pré-impregnação do polímero com os reagentes e b) adição de uma solução dos reagentes num estágio avançado da extrusora. A quebra diferenciada das fibras durante o processamento por extrusão pode ser explicada através comportamento reológico observado pelas medidas de torque na câmara de mistura O VTES age no sentido de promover a adesão na interface matriz / fibra, o que pode ser verificado pela morfologia do material. A degradação do material é influenciada pela exposição ao ar, pelo tempo de residência e pela temperatura na extrusão. O módulo dos compósitos contendo VTES é dependente do comprimento das fibras. A tensão de ruptura aumenta em presença de VTES.

Corrosão de vários materiais metálicos em álcool etílico hidratado combustível e sua inibição a 25 graus C

Estudou-se o comportamento à corrosão de diversos materiais metálicos como aço, cobre, latão e pares galvânicos (aço-latão) em álcool etilico combustível (91.1 - 93.9 -INPM) adicionado de várias substâncias a fim de avaliar possíveis efeitos inibidores ou aceleradores da corrosão. Foi verificado a influência na corrosão, de ion cloreto, acetato de sódio, ácido benzóico, trietanolamina, butinodiol e um inibidor comercial. O acetato de sódio seguido do produto comercial se revelaram os melhores aditivos sob o ponto de vista da inibição da corrosão. A adição de cloreto, como um possível contaminante foi estudada e obteve-se um aumento bastante grande na taxa de corrosão. A adição de perclorato de potássio ao álcool combustível normalmente utilizado para aumentar a condutividade da solução nos ensaios eletroquímicos, mostrou ser prejudicial por modificar apreciavelmente as características do comportamento à corrosão dos materiais ensaiados, aumentando-a ou diminuindo-a conforme o caso.

Depinning do fluxo de Josephson em compósitos YBa 2 Cu 3 O 7-delta/Ag

Apresenta-se neste trabalho um estudo experimental da dinâmica do fluxo magnético intergranular no cuprato supercondutor Y Ba2Cu3O7 e nos compósitos Y Ba2CU3O7 fi/Ag para várias concentrações de prata. Verificou-se que sob certas condições é possível separar os efeitos da dinâmica do fluxo de Josephson daqueles resultantes da dinâmica de Abrikosov. Através da técnica de medidas de magnetização DC foram obtidas as linhas de depinning inicial e de irreversibilidade magnética em campo magnético aplicado até 120 Oe. O revestimento dos grãos supercondutores aparentemente não afeta a energia de acoplamento dos elos fracos entre os grãos e o potencial de pinning até 16.1 % em peso de prata. A vantagem da mistura da prata é que esta melhora as propriedades mecânicas dos óxidos supercondutores além de melhorar as correntes críticas do sistema. Observamos que o depinning do fluxo de Josephson começa numa temperatura bem definida, dependendo do campo magnético aplicado e gradualmente aumenta com a temperatura até ou muito próximo do limite de irreversibilidade, acima do qual todo o fluxo intergranular (e intragranular) está livre. As linhas de irreversibilidade das nossas amostras podem ser entendidas dentro do modelo do Vidro supercondutor.