ANÁLISE TEÓRICA E EXPERIMENTAL DE COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE

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ANÁLISE TEÓRICA E EXPERIMENTAL DE COMPÓSITOS REFORÇADOS COM
FIBRAS DE SISAL

Paulo Roberto Lopes Lima

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:
_____________________________________________
Prof. Romildo Dias Toledo Filho, D. Sc.

_____________________________________________
Prof. Eduardo de Miranda Batista, D. Sc.

_____________________________________________
Prof. Eduardo de Moraes Rego Fairbairn, Dr. Ing.

_____________________________________________
Prof. Holmer Savastano Júnior, D. Sc.

_____________________________________________
Prof. Khosrow Ghavami, Ph. D.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
JANEIRO DE 2004
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LIMA, PAULO ROBERTO LOPES
Análise teórica e experimental de compósitos
reforçados com fibras de sisal [Rio de Janeiro]
2004
XXIV, 263 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc.,
Engenharia Civil, 2004)
Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro,
COPPE
1. Compósitos
2. Modelagem
3. Argamassa Reforçada com Fibra de sisal
4. Laminados
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)

ii
A Lílian,
pelo companheirismo e compreensão,
pelo amor que vem me dedicando ao longo de todos esses anos,
por me permitir amá-la cada vez mais.
iii
AGRADECIMENTOS

A Deus, por toda a vida e inspiração.

A minha esposa Lílian, por abrir mão de seu trabalho, afastar-se de sua família e
desafiar um mundo novo para compartilhar de um sonho meu. Sua presença e o seu
carinho me trouxeram o bem estar, a confiança e a paz necessária para realizar esse
trabalho.

Aos meus pais, João e Tereza, pela atenção, carinho e pela oportunidade de poder
estudar. Aos irmãos e irmãs, cunhadas, sobrinhos e sobrinhas, que tornaram minha
vida sempre mais alegre.

A Seu Lio, Dona Mair, Junior e Mara, que me acolheram e se tornaram pais e irmãos
em meu coração.

Ao amigo José Mário, companheiro de sonhos e realizações.

A Reila Velasco, pela amizade e cumplicidade nas alegrias e tristezas compartilhadas
durante os anos do curso.

A Koji e Carminha e a Anderson e Andréa pelo companheirismo, nesses anos de Rio
de Janeiro, que tornou a nossa vida, minha e de Lílian, mais tranqüila e feliz. A
Anderson e Andréa serei eternamente grato por me receberem em vossa casa nos
meses finais do doutorado.

iv
Aos demais amigos que me acompanharam e ajudaram ao longo dessa tarefa sou
muito grato. Certamente sem eles seria ainda mais difícil suprir toda a ausência da
família e dos velhos amigos, ora distantes. Muito obrigado a Chiquinho, George,
Jardel, Silvoso, Vinicius, Roberto, Wendell, Guilherme e Sidclei.

Ao professor Romildo, por ter sido, além de excelente orientador, um grande amigo
Suas idéias e atitudes me ensinaram a compreender o que é ser, verdadeiramente,
um pesquisador.

Ao professor Eduardo Batista por ter aberto as portas do Doutorado e por permitir
depois que eu seguisse os meus próprios passos.

Aos demais professores do Programa de Engenharia Civil (PEC) que estiveram
sempre prontos para ajudar: Taborda, Eduardo Fairbain e Carlos Magluta.

Aos técnicos e funcionários do Laboratório de Estruturas (LABEST), do Programa de
Engenharia Civil (PEC) e da Biblioteca do Centro de Tecnologia. É importante e
tranqüilizador poder contar com a eficiência de pessoas como Anísio e Luzidele.

Aos amigos do Centro de Pesquisa da Petrobrás (CENPES), Murilo, Marcos e Julio,
que muito me ajudaram na realização dos primeiros ensaios mecânicos. Ao Dr. Reiner
Neumman, um amigo do Centro de Tecnologia Mineral (CETEM), pela realização e
interpretação de todas as analises microscópicas deste trabalho. Ao Prof. Jô Dweck,
da Escola de Química da UFRJ, pelo execução dos ensaios termogravimétricos nas
pastas. Ao Núcleo de Catálise pelo realização dos ensaios termogravimétricos nas
argamassas.

A Associação dos Pequenos Agricultores do Município de Valente (APAEB) pelo
fornecimento das fibras de sisal.
v
À Universidade Estadual de Feira de Santana e aos professores e funcionários do
Departamento de Tecnologia, notadamente aos membros da Área de Estruturas, que
permitiram a minha saída para o doutorado assumindo minhas atividades.

À CAPES, FAPERJ e CNPq pelo apoio financeiro.

Ao Ensino Publico Brasileiro, que me permitiu chegar gratuitamente até aqui.
vi
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)

ANÁLISE TEÓRICA E EXPERIMENTAL DE COMPÓSITOS REFORÇADOS
COM FIBRAS DE SISAL

Paulo Roberto Lopes Lima

Janeiro/2004

Orientador: Romildo Dias Toledo Filho
Programa: Engenharia Civil

Na presente tese foi estudado o comportamento mecânico em tração,
compressão e flexão de compósitos a base de cimento reforçados com fibras curtas
de sisal e de laminados reforçados com fibras longas de sisal. Nos compósitos com
fibras curtas investigou-se influência do volume de fibras (1-3%), do volume do
misturador (5 dm3 e 20 dm3), do tamanho da amostra (50 mm x 100 mm e 75 mm x
150 mm) e da idade dos compósitos (28 dias e 505 dias) sobre o comportamento do
material. Nos laminados foram realizados ensaios de tração e flexão, antes e após
envelhecimento acelerado. Foi investigada a influência do tipo de matriz (com e sem
adição de metacaolinita ou tijolo moído), do volume de fibras (3% e 6%) e do número
de camadas (2 e 3) de reforço no comportamento dos laminados. Os resultados
indicam que a adição de fibras curtas aumenta a tenacidade da matriz de cimento.
Compósitos laminados duráveis, tenazes e com elevada resistência à tração e flexão
podem ser obtidos com a adição de fibras longas de sisal e com a substituição parcial
do cimento por metacaolinita. Para avaliação da tensão de aderência fibra-matriz e
predição das relações tensão-deformação, em tração e compressão, e carga-
deflexão, na flexão, foram desenvolvidos e adaptados modelos analíticos cujos
resultados, quando comparados aos experimentais, apresentaram boa aproximação.
vii
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF COMPOSITES
REINFORCED WITH SISAL FIBRE

Paulo Roberto Lopes Lima

January/2004

Advisor: Romildo Dias Toledo Filho
Department: Civil Engineering

This thesis studies the behaviour in direct tension, compression and bending of
short sisal fibre reinforced mortars composites and the behaviour in direct tension and
bending of cement based laminates reinforced with continuous sisal fibres. For the
short fibres mortar composites it was studied the influence of fibre volume fraction (1-
3%), mixer volume (5 dm3 and 20 dm3), size of specimen (50 mm x 100 mm and 75
mm x 150 mm) and age of composites (28 and 505 days) on the material mechanical
behaviour. The properties of laminates were assessed under direct tension and
bending before and after accelerated ageing. It was evaluated the influence of type of
matrix (with and without metakaolin and calcined clay brick), fibre volume fraction (3%
and 6%) and number of laminas of reinforcement (2 and 3) on the laminate behaviour.
The results indicate that the addition of short sisal fibre increases the toughness of the
cement based matrix. Tough, durable and high strength composites can be obtained
using continuous sisal fiber as reinforcement and metakaolin as a partial substitute of
portland cement. To predict the fiber-matrix bond stresses, the constitutive law in
tensile and compressive and the load-deflection behaviour in bending of the
composites analytical models were developed or adapted from literature. The results of
these models showed a good agreement with the experimental results.
viii
SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO
1.1 INTRODUÇÃO............................................................................................. 1
1.2 JUSTIFICATIVA.......................................................................................... 2
1.3 OBJETIVO................................................................................................... 7
1.4 ESTRUTURA DA TESE.............................................................................. 8

2. ADERÊNCIA FIBRA-MATRIZ
2.1 INTRODUÇÃO............................................................................................. 10
2.2 MECANISMOS DE INTERAÇÃO EM MATRIZ NÃO-FISSURADA............ 11
2.2.1 Transferência de tensão elástica.................................................... 11
2.2.2 Transferência de tensão friccional................................................. 14
2.3 MECANISMOS DE INTERAÇÃO EM MATRIZ FISSURADA..................... 15
2.4 MODELAGEM DA INTERAÇÃO FIBRA-MATRIZ...................................... 18
2.4 1 Modelo Elastoplástico....................................................................... 18
2.4.2 Mecânica da Fratura.......................................................................... 24
2.5 DETERMINAÇÃO DA ADERÊNCIA EM COMPÓSITOS REFORÇADOS
COM FIBRA DE SISAL...................................................................................... 30
2.5.1 Determinação do diâmetro médio da fibra..................................... 32
2.5.2 Determinação da tensão de aderência máxima............................. 34
2.5.3 Determinação da tensão de aderência última............................... 36
2.5.4 Aplicação da Mecânica da Fratura.................................................. 38
2.6 EFICIÊNCIA DO REFORÇO....................................................................... 40
2.6.1 Influência do comprimento.............................................................. 41
2.6.2 Influência da orientação.................................................................. 43
2.7 CONCLUSÕES............................................................................................ 46

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