Teste de tensão de materiais poliméricos reforçados com fibra

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Materiais poliméricos reforçados com fibras (FRP) são materiais compostos que são formados por fibras longitudinais embutidas em uma resinapolimérica, criando assim uma matriz de polímeros com fibras alinhadas ao longo de uma ou mais direções. Em sua forma mais simples, as fibras em materiais FRP estão alinhadas de forma ordenada e paralela, transmitindo assim características do material ortotrópico, o que significa que o material se comportará de forma diferente nas duas direções. Paralelamente às fibras, o material será muito forte e/ou rígido, enquanto perpendicular às fibras será muito fraco, pois a força só pode ser atribuída à resina em vez de toda a matriz.

Um exemplo dessa configuração unidirecional são as barras de reforço FRP disponíveis comercialmente, que imitam as barras de aço convencionais usadas na construção de concreto armado. Os materiais FRP são usados tanto como estruturas autônomas, como pontes de pedestres e escadas, quanto também como materiais para fortalecer e reparar estruturas existentes. As placas finas e longas são frequentemente epóxidas às estruturas de concreto existentes para adicionar força. Neste caso, as barras FRP atuam como reforço externo. As barras e placas FRP são mais leves e resistentes à corrosão, por isso estão encontrando aplicações em decks de pontes e estacionamentos, onde ripas de degelo levam à rápida deterioração das barras convencionais.

Neste exercício laboratorial, será estudado o comportamento de tração de um espécime unidirecional, com ênfase em sua força máxima e capacidade de deformação. Espera-se que o comportamento do espécime seja elástico até o fracasso, que deverá ocorrer de forma súbita e explosiva. Esse comportamento deve ser contrastado com os aços dúcteis, que apresentam extensa capacidade de deformação e endurecimento da tensão antes da falha.

A força do material FRP está diretamente relacionada com a força das fibras individuais e a quantidade de fibras que podem ser colocadas em um volume unitário. Teoricamente, pode-se alcançar até 90% de fibras em volume; no entanto, essa alta densidade de fibras não pode ser alcançada através de processos de fabricação comercial economicamente viáveis. Normalmente, a maioria das aplicações de materiais FRP em engenharia civil tem cerca de 50-60% de fibras em volume.

Existem vários tipos de materiais FRP baseados em diferentes classes de fibras, como polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP), polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) e polímeros reforçados com fibras de aramida (AFRP). Aramidas são uma classe de polímeros sintéticos, semelhantes ao nylon, que exibem força extraordinária e resistência à mudança de temperatura. A Tabela 1 mostra a variedade de características diferentes de cada classe de fibras. Deve-se realizar cuidados ao avaliar a adequação dos materiais FRP para uma determinada aplicação, a fim de combinar material base e propriedades FRP, como garantir coeficientes térmicos complementares de expansão para garantir um comportamento adequado a longo prazo. Além disso, deve-se confirmar que há falta de interação química entre o FRP e o material base, pois muitas fibras e resinas são sensíveis à corrosão, umidade e alta temperatura tanto na fabricação quanto no uso.

Mesa 1. Propriedades materiais FRP.

Além da aplicação uniaxial mais simples em vergalhões, existem muitas aplicações que utilizam pilhas de fibras uniaxiais em direções específicas ou aleatórias para criar materiais laminados.

Na maioria dos casos, essas placas ainda são ortotrópicos, mas agora com duas direções fortes e uma direção fraca (fora do avião). Na montagem dessas estruturas, há três definições importantes a serem consideradas. Um ply é uma única camada de tapete de fibra ou única folha pré-preg. Uma folha pré-preg é um tapete de fibra impregnado com resina, pré-curado sob calor, pressão ou ambos, e destinado a aplicações de campo onde, por exemplo, a folha será colada a uma superfície existente para fortalecê-la. Um laminado é uma pilha curada de vários plies. Observe que um laminado pode ser composto de plies com diferentes fibras ou volumes de fibras, levando à fácil personalização do FRP para seu uso pretendido. Os laminados são usados onde o FRP pode ser aplicado a uma superfície lisa e apenas uma cobertura parcial é necessária; plies e folhas pré-preg são usadas ao embrulhar elementos estruturais inteiros e onde a superfície é irregular.

Ao criar laminados, é preciso pressionar para espremer o máximo de resina possível para aumentar o volume de fibras. Algumas resinas comuns usadas em materiais FRP incluem epóxies, vinilesters e poliésteres. A principal função das resinas é transferir o estresse entre fibras adjacentes na matriz e proteger as fibras de danos mecânicos e ambientais. As resinas de polímeros são geralmente petroquímicos ou derivados de gás natural e podem ser termoess ou termoplásticos. Embora os termoestos não possam ser deformados após a cura, os termoplásticos, como poliésteres e ésteres de vinil, são deformados e interligados após a cura, transmitindo assim maior resistência térmica. Ambos os tipos de polímeros podem ser usados em materiais compostos e podem se beneficiar em combinação com fibras de reforço. No entanto, a maioria dos polímeros termoplásticos não são usados na forma composta, pois já apresentam alta resistência, enquanto os polímeros termoesetting geralmente requerem grandes volumes de fibras fortes para atingir a mesma resistência. Termodetos são o polímero dominante na indústria composta atual, pois a grande variedade de polímeros disponíveis pode satisfazer praticamente todas as aplicações de uso final concebíveis. As resinas de polímero são selecionadas e adaptadas para cada aplicação individual, fortemente baseadas nas propriedades físicas e mecânicas do produto e nos requisitos do processo de fabricação.

Além das fibras e resinas de reforço, há também preenchimentos e aditivos que desempenham um papel importante no sistema composto. Preenchimentos e aditivos são auxiliares de processamento que dão propriedades "especiais" para adaptar o produto final à especificação desejada. Enchimentos ou extensores são usados em muitos sistemas de materiais compostos e têm três funções primárias:

1. Para melhorar certas propriedades mecânicas, como resistência compressiva, resistência ao fogo, propagação de crack e resistência química.
2. Para melhorar a processabilidade do sistema de compósitos, como uniformidade de características físicas e acabamento superficial.
3. Para reduzir o custo do material, substituindo alguns dos polímeros mais caros e reforço no sistema.

Alguns preenchimentos comuns incluem carbonato de cálcio, argila, talco, sílica, mica e microesferas; no entanto, o preenchimento mais comum é o carbonato de cálcio devido ao seu baixo custo e disponibilidade.

Por outro lado, os aditivos cobrem uma grande variedade de materiais diferentes que são usados em quantidades relativamente pequenas, mas, no entanto, desempenham um papel integral no processamento e desempenho do produto final do composto. Aditivos desempenham uma miríade de papéis, tais como:

1. Para modificar a taxa de cura.
2. Para prolongar a vida útil e evitar o encolhimento.
3. Para melhorar a intemperidade e reduzir a viscosidade.
4. Para adicionar cor e reduzir a porosidade.

Alguns aditivos comuns incluem catalisadores e promotores, usados para afetar a cura de polímeros termodeto, inibidores, para controlar a reação termodefinida, agentes de liberação, para permitir que as peças sejam mais facilmente removidas de seu molde, bem como pigmentos, absorventes UV e retardantes de fogo.

Ao considerar todo o sistema de material FRP (fibras, resina, enchimentos e aditivos), os principais fatores que afetam as propriedades mecânicas da FRP são o tipo de reforço de fibra, volume de fibra, orientação de fibras, tipo de resina, processo de fabricação e controle de qualidade.

Para as três classes principais de fibras utilizadas em FRPs - carbono, aramida e vidro - o comportamento de tensão-tensão para a falha é essencialmente linearmente elástico, e as fibras têm capacidade de tensão muito baixa. Essa característica resulta em falhas súbitas, sem qualquer evidência de ductilidade.

Ao modelar o comportamento da fibra e da matriz, a capacidade de tensão da resina ou a fibra podem reger o comportamento mecânico. Na prática, o material será muito heterogêneo na pequena escala entre a fibra e a matriz; no entanto, para modelagem e design, consideramos homogêneo com um módulo equivalente de elasticidade baseado na regra das misturas. A regra das misturas dita que as diversas propriedades dos materiais compostos serão o resultado da média ponderada das partes constituintes, seja em paralelo ou em série. Antes da quebra da fibra em materiais FRP ou antes da quebra da matriz na FRC, o material composto se comportará de acordo com a regra das misturas:

σ_c = σ_mV_m + Ση_fiσ_fiV_fi
V_m + ΣV_fi = 1

σ_c = força do composto
V_m = fração de volume das fibras
σ_m = força da matriz
V_m = fração de volume da matriz
σ_fi = força das fibras

onde
N_f = 0,375, para fibras aleatórias
N_f = 1, para fibra unidirecional estressada na direção da fibra
N_f = 0, para fibra unidirecional estressada perpendicular à direção da fibra

Uma equação semelhante pode ser usada para calcular o módulo de elasticidade (E_c)de um composto. Considere um tecido composto híbrido tecido composto de fibras aramidas (s_f1 = 500.000 psi, E_f1 = 50x10⁶ psi) e fibras de carbono (s_f2 = 300.000 psi e, E_f2 = 15x10⁶ psi) em uma matriz epóxi (s_m = 8.000 psi e E_m = 0,50x10⁶ psi). Neste tecido, as fibras de carbono funcionam na direção 0^o, e as fibras aramidas correm na direção de 90^o. A fração total de volume de fibra é de 0,60, com igual volume de carbono e fibra aramida. Os pontos fortes e módulos nas duas direções perpendiculares são:

s_c,0° = s_m V_m + S h_fifi V_fi = (8)(0,4)+(300)(0,6) = 183,2 ksi = s₁

s_c,90° = s_m V_m + S h_fifi V_fi = (8)(0,4)+(500)(0,6) = 303,2 ksi = s₂

E_c,0° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0,5)(0,4) + (50)(0,6)= 30,2 x 10⁶ ksi = E₁

E_c,90° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0,5)(0,4) + (15)(0,6)= 9,2 x 10⁶ ksi = E₂

Além disso, ao projetar materiais FRP, as fibras devem ser longas o suficiente para quebrar, mas não retirar o material. Para as aplicações mais comuns, as fibras são mais do que longas o suficiente, mas mesmo assim devem ser consideradas um requisito de design.

Para demonstrar e contrastar o comportamento de tensão de dois tipos de FRP, um FRP de vidro relativamente fraco e um FRP de carbono forte, testes simples de tensão serão realizados conforme descrito em seguida. Uma questão importante no teste desses materiais é que a matriz macia pode ser facilmente danificada pelas aderências de metal duro, levando a falhas fora das garras. Testes que falham dessa forma geralmente não são considerados para produzir resultados válidos. Um procedimento simples que deu resultados satisfatórios é descrito abaixo.

1. Tome as devidas precauções de segurança e use proteção ocular porque a falha explosiva típica desses espécimes envia muitos fragmentos pequenos e afiados voando.
2. Obtenha quatro espécimes FRP. Dois serão de uma placa FRP de vidro E de 0,5 polegadas unidirecional cortada em amostras de 1" x 8", uma ao longo da direção das fibras e uma perpendicular às fibras. Os terceiros espécimes serão um vergalhão FRP de carbono de 0,25 polegadas, e o quarto será um vergalhão de vidro E de 0,25 FRP. Os espécimes de vergalhões devem ter cerca de 24 polegadas de comprimento.
3. Conecte os suportes para o instrumento incorporando 12 polegadas das extremidades dos espécimes em seções redondas e retangulares de aço ligeiramente maiores e enchifique os espaços vazios com epóxi de alta resistência. Deixe a cura epóxi de acordo com as especificações da fabricação. Esse tipo de conexão final é necessária porque as serrações nas garras UTM convencionais destruirão a resina e levarão a falhas de extremidade prematuras.
4. Prossiga da mesma forma que os outros testes de tensão, ligando o UTM e inicializando seu software.
5. Insira os espécimes nas garras e aperte-as.
6. Carregue os espécimes no controle de deflexão a uma taxa de cerca de 0,2 in. por minuto.
7. Se um extensor for usado para medir o módulo de Young, certifique-se de desmontá-lo a uma cepa de 0,01.
8. À medida que o espécime começa a falhar, sons estalando e pequenos fragmentos começarão a cair do espécime, seguido por uma falha explosiva do material, que se separa em uma estrutura fibrosa semelhante a uma flor.

Curvas típicas de tensão de estresse para as amostras de placa FRP de vidro E são mostradas para a placa com as duas camadas uniaxial alinhadas longitudinalmente (Fig. 1) e, respectivamente, perpendicularmente (Fig. 2) à direção do carregamento. Para o caso da carga aplicada paralelamente às fibras (Fig. 1), a força máxima foi de 12,32 kips, correspondendo a uma resistência de tração de 98,6 ksi. A falha ocorreu em uma cepa de 2,98% e o módulo de elasticidade, calculado a partir de uma tangente de linha a 30% da carga final, foi de 5686 ksi. Uma vez que um extensômetro não foi utilizado, este valor deve ser tomado apenas como indicativo do módulo do Jovem. O comportamento é essencialmente linear ao fracasso. Os resultados são razoáveis para um material especificado a 50% de volume de fibra de vidro E.

Figura 1: Curvas de tensão para a placa FRP de vidro E: carga aplicada paralelamente com as fibras.

Para o caso da carga aplicada perpendicular às fibras (Fig. 2), a força máxima foi de 2,72 kips, correspondendo a uma resistência de tração de 10,9 ksi. A falha ocorreu em uma cepa de 2,24 e o módulo de elasticidade, calculado a partir de uma linha tangente a 30% da carga final, foi de 640 ksi.

Figura 2: Curvas de tensão para a placa FRP de vidro E: carga aplicada perpendicular às fibras.

Como esperado, houve uma diferença muito grande entre as duas direções, como mostrado no gráfico de comparação (Fig. 3). Isso enfatiza a adequação das propriedades do material; neste caso temos um material que é forte em uma direção e fraco na outra.

Figura 3: Curvas de tensão de estresse para a placa FRP de vidro E: carga aplicada paralelamente (azul) e, respectivamente, perpendicular (laranja) às fibras.

As superfícies de falha testemunham isso, com a das fibras alinhadas longitudinalmente mostrando inúmeras fibras quebradas e aquela com as fibras alinhadas perpendicularmente mostrando a superfície típica para uma falha de resina em uma interface.

A trama em Fig. 4 mostra uma comparação do comportamento dos vergalhões frp. Há uma queda muito significativa na força (um fator de cerca de 2) e o módulo de elasticidade (cerca de um fator de 4) diminui quando comparamos as curvas FRP de carbono e e-vidro. Todos esses materiais FRP podem ser vistos com muito pouco ou nenhuma ductilidade, falhando imediatamente após carregar sua carga máxima.

Figura 4: Curvas linearizadas de tensão de estresse para e-vidro (laranja) e, respectivamente, vergalhões FRP de carbono (azul).

Os materiais FRP são leves, compósitos fortes usados extensivamente em aplicações civis, mecânicas e aeroespaciais. Eles são compostos de fibras fortes embutidas em uma resina ou matriz semelhante, e são fabricadas de muitas formas, incluindo tiras de prepeg e laminados. Sua força e rigidez podem ser adaptadas variando as quantidades, tipos e direcionalidade das fibras. Os materiais FRP têm uma capacidade de deformação muito menor do que metais ou polímeros e dão pouco aviso de falha, por isso são importantes para estudar a maneira e a mecânica da falha.

Os materiais FRP são usados em uma miríade de aplicações de engenharia civil, desde transporte até materiais de construção, aplicações marítimas a eletrônicas e até produtos de consumo para equipamentos comerciais. Há postes e torres GFRP para pendurar linhas de energia e telefone, escadas FRP e estacionamentos, cobertura FRP, reforço de paredes do mar, para-lamas marinhos FRP e ancoragem de terra para citar alguns. Eles também são amplamente utilizados para fortalecer e reparar estruturas.

Muitas estruturas rodoviárias, como o Prodeck Bridge System e o Auto Skyway, empregam materiais FRP para ajudar a reforçar e apoiar as cargas que atravessam a ponte nos sistemas rodoviários. Até mesmo os guardrails que se vê nas laterais das rodovias podem ser construídos usando materiais FRP. Os materiais frp também são usados para transportar pessoas sobre pontes de pedestres, como a Ponte Aber Feldy Golf Club na Escócia e a passarela do Castelo de Shank em Cumbria, Reino Unido.

Muitas aplicações marinhas usam materiais FRP para sua resistência à corrosão e ao sal. A FRP é amplamente utilizada na indústria de barcos, bem como para estruturas navais e gasodutos. Os materiais FRP não são vistos apenas em aplicações práticas de construção, mas também em aplicações divertidas, como em formas arquitetônicas artísticas e montanhas-russas. A escultura de flecha de tiro em São Francisco, chamada "Cupido's Span", é feita de materiais FRP, assim como os pedestais em muitas montanhas-russas em Six Flags em todo o país.