Degradación alcalina de las fibras...

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Degradación alcalina de las fibras naturales Holmer Savastano Junior FZEA USP Pirassununga, Brasil

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Degradación alcalina de las fibras naturales

Holmer Savastano Junior

FZEA USP Pirassununga, Brasil

Agentes de degradação

• Incompatibilidade química - Hidratação do cimento, com liberação de diversos produtos hidratados de elevada alcalinidade

• CO2 presente na atmosfera

• Ação da água e da temperatura (lixiviação)

• Ação de fungos e microorganismos

Mecanismos de degradação

• Decomposição da fibra em meio alcalino

• Petrificação ou mineralização da fibra

• Carbonatação da matriz cimentícia

Indicadores de degradação

– Evolução das propriedades físicas e mecânicas

– Características microestruturais

• Métodos de avaliação da durabilidade– Ensaios naturais e acelerados

– Ensaios de avaliação em uso

Wall panels

• Hollowed load-bearing panel– BFS-based composite reinforced with 2% v/v of

coir fibres

• Panel dimensions– 2.4 m high, 0.4 wide and 0.09 thick

• Acceptable mechanical performance– compressive strength = 6.5 MPa

– Young’s modulus = 9.6 GPa

– Poisson’s ratio = 0.167

The prototype

• Dwelling embryo– city of São Paulo

• In use since 1989– nursery

– short-term house– community centre

• Surface protection– a single layer of PVA

emulsion paint

Agopyan et al. (2000)

Durability• Fibres treated in lime

solution

Coir fibreA) Natural stateB) After 119 days in alcaline solution

(...) Durability

• Quick condensation test (Q-C-T)– 40 cycles wet/dry

– not enough to simulate tropical weathering

• Prototype remain in acceptable condition

• Coir fibres preserved after 10 years inside panel– carbonation effect

Zona de transição

• Argamassa de escória com fibras de coco

• Pontos:1 - Lacuna central com produtos de hidratação2 - Grão de cimento anidro

• Idade: 42 dias

Zona de transição• MEV-BSEI

• Pasta de cimento Portland com fibras de malva

• Porosidade

• Espessuras até 100m• Indicações:

1 - descolamentos

2 - cristal de portlandita

3 - microfissuras

345 x 15KV WD:25MM S: 00012 P:0023100µm

Production of roofing tiles

Roma Jr. et al. (2003)

Transference to the undulate mouldTransference to the undulate mould

Physical and mechanical properties of the tiles

Waste eucalyptus pulp as reinforcement (4% by mass)Admissible load = 425 N (Gram & Gut, 1994)

Matrix Clinker free cement

Commercial OPC

Tightness No mark No mark

Age (months) 1 6 1 6

Maximum load (N) 1008 604 837 592

Improved machine for production

Small scale production of tiles

• Optimized formulation

• Vacuum chamber and light pressing

• Tiles being transferred to the mould just after production

• Patent deposited

Effect of carbonation

Accelerated carbonation

• Saturated CO2 environment

• 20 oC at 75% RH

Physical and mechanical properties

Ageing WA (%) BD (g/cm3) Max Load (N) Toughness (kN.mm)

Noncarbonated / unaged 32.8 1.1 A 1.35 0.03 C 1074 244 B 3.4 1.3 B

Noncarbonated / 100 cycles 33.3 0.9 A 1.32 0.01 C 1030 345 B 3.5 1.7 B

Heat & rain / 50 cycles 29.9 0.6 B 1.40 0.01 B 526 157 C 2.0 0.9 C

Carbonated / 100 cycles 23.3 0.7 C 1.56 0.01 A 1284 221 A 5.9 2.0 A

WA=Water absorption, BD= Bulk density

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

200

400

600

800

1000

1200

1400

noncarbonated / unaged 100 cycles (noncarbonated) heat & rain - 50 cycles (noncarbonated) carbonated - 100 cycles

Loa

d (N

)

Deflection (mm)

X-ray diffraction pattern – Noncarbonated / 100 cycles

10 20 30 40 50 60 70 80 900

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

2

Inte

nsity

(ua)

333 4 44 4

100c (NONCARBONATED)

5 5555

22222

2

2 2211 11

11

1

1

13

2

1

1 - Calcium Hydroxide - CaOH2

2 - Calcite - CaCO3

3 - Gypsum - CaSO42H

2O

4 - Barringtonite - MgCO32H2O5 - Calcium Silicate Hydrate - Ca2SiO40,5H2O

X-ray diffraction pattern – Carbonated / 100 cycles

10 20 30 40 50 60 70 80 900

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000C-100c (CARBONATED)

2

Inte

nsity

(ua)

5

5

556666

6

22 222

22

22222

2

22 - Calcite - CaCO35 - Calcium Silicate Hydrate - (Ca2SiO40,5H2O)6 - Dolomite - CaMg (CO3)2

T2: Carbonatação + cura saturada ao ar (25oC)

T0 : cura saturada ao ar (25oC)

T2: Carbonatação + cura saturada ao ar (25oC)T0: Cura saturada ao ar (25oC)

Comentários

• Vamos construirlos juntos!

Ensaios de envelhecimento natural e acelerado

Objetivo

• Estudo da durabilidade– Compósitos com reforço de celulose

– Reforço híbrido

• Ensaios de envelhecimento acelerado

• Envelhecimento natural

Condições de envelhecimento

• Suportes inclinados para o norte

• Melbourne, Vic. Austrália– 37o 49’ S

– Temperado

• Pirassununga, SP Brasil– 21o 59’ S

– Tropical

• Ambiente de laboratório– Controle

Envelhecimento de fibrocimento de EAF + sisal CTMP

100.0%

59.7% 60.3%

75.5%

42.0%

55.1%

71.2%

28.9%

38.8%

72.4%

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

Lab Exp ext Victoria AU Exp ext Sao Paulo BR

Ambiente

Res

istên

cia

à tr

ação

na

flexã

o (M

Pa)

1 mês4 meses13 meses25 meses

(...) Envelhecimento de fibrocimento de EAF +sisal CTMP

100.0%

212.1%

155.9%

177.0%

118.4%

136.0%

167.1%

72.7%

121.2%

182.9%

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

Lab Exp ext Victoria AU Exp ext Sao Paulo BR

Ambiente

Ene

rgia

esp

ecífi

ca (k

J/m

2 )

1mês 4 meses 13 meses 25 meses

EAF + sisal CTMP - 12 meses sob clima temperado

Predominância de arrancamento de Predominância de arrancamento de fibrafibra

Enfraquecimento Enfraquecimento da matrizda matriz carbonatacarbonataççãoão

lixivialixiviaççãoão

microfissuramicrofissura

Study on fast carbonationStudy on fast carbonation

Code BFS Gypsum Hydrated lime OPC BGHL 88 10 2 -BOPC 60 - - 40

Binder formulationBinder formulation

Fibre: 12% by mass of Fibre: 12% by mass of Eucalyptus grandisEucalyptus grandis waste pulpwaste pulp

Carbonation: 14 days in atmosphere 100% saturated Carbonation: 14 days in atmosphere 100% saturated of COof CO22, 70, 70--75% RH, after the initial wet cure75% RH, after the initial wet cure

Mechanical behaviourMechanical behaviour

4.0

8.0

12.0

16.0

BGHL BOPC

MO

R (M

Pa)

N CarbonationCarbonation

(...) Mechanical behaviour(...) Mechanical behaviour

0.2

0.6

1.0

1.4

BGHL BOPC

FT (k

J/m

2)

N CarbonationCarbonation

Comentários adicionais

• Estudos em andamento com fibrocimento– Aproveitamento de resíduos– Fibras íntegras– Desempenho aceitável em ambiente protegido

Compósitos com reforço híbrido – celulose & sintética

Adição de sílica ativa x teor de fibra sintética

Mecanismo de empacotamento

• Smaller particles are introduced and distributed to the interstices of larger packed particles

• Porosity reduction.

Formulações

• Four formulations with different amounts of silica fume and PVA

0,801,101,401,70PVA Fibers

1,201,201,201,20Cellulose Fibers

2,802,802,802,80Journal Residue

6,285,985,685,38Silica Fume

13,7213,7213,7213,72CaCO3

75,2075,2075,2075,20Cement CPIIF

FS8FS11FS14FS17

FormulationsCompound

Resultados físicos

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

6,285,985,685,38

Wat

er A

bsor

ptio

n (%

)

Content of Silica Fume (%)

50 Cycles 28 Days

Teores de sTeores de síílica ativa x PVAlica ativa x PVA

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,090

2

4

6

8

10

12

14

16

18

FS17 (28 Days) FS14 (28 Days) FS11 (28 Days) FS8 (28 Days)

Stre

ss (M

Pa)

Strain (%)

Envelhecimento aceleradoEnvelhecimento acelerado

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,090

2

4

6

8

10

12

14

16

FS17 (50 Cycles) FS14 (50 Cycles) FS11 (50 Cycles) FS8 (50 Cycles)

Stre

ss (M

Pa)

Strain (%)

Estações de envelhecimento natural

Estação de Belém, PA

Estação de Rio Grande, RS

São Paulo, SP

Pirassununga, SP

Comentários y Complementos

• H. Savastano Jr. Materiais a base de cimento reforçados com fibra vegetal – reciclagem de resíduos para a construção de baixo custo. Tese de livre docência, USP, Sao Paulo, 2001.

• A. Caldas e Silva, H. Savastano Jr., V.M. John. Envelhecimento de compósitos à base de escória de alto-forno reforçados com polpa celulósica residual de eucalipto. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 9, n. 1, p. 25-44, jan./mar. 2009.