cap46 - Compósitos de engenharia de matriz polimérica

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Luiz Carlos Pinto da Silva Filho - UFRGS
Mônica Regina Garcez - UFRGS
Compósitos de Engenharia 
de Matriz Polimérica
Capítulo 46
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
1 - INTRODUÇÃO
Materiais Compósitos vêm sendo cada vez mais utilizados
na Engenharia Civil. O conhecimento sobre a forma de
funcionamento desses materiais tende a se ampliar, com o
desenvolvimento de teorias cada vez mais sofisticadas para
sua formulação, que permitam otimizar suas propriedades a
partir de uma adequada seleção e combinação de seus
elementos constituintes
O incremento no número de pesquisas e aplicações verificado
nos últimos anos confirma o levantamento de tendências
realizado em 2001 pela National Science Foundation, nos
EUA, que indicou que o desenvolvimento de compósitos de
alto desempenho seria uma das áreas de maior interesse no
início do século XXI.
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2.1Definição
Materiais Compósitos são formados pela combinação
inteligente e deliberada de dois ou mais materiais, com
características e propriedades diversas, que resulta em um
novo material, multifásico, com propriedades superiores
às dos seus constituintes.
As diferentes fases do compósito podem ser distinguidas
macroscopicamente.
2 – CONCEITOS BÁSICOS
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2.2 Componentes
Principais funções da matriz:
Envolver os elementos de reforço, protegendo-os de danos
físicos e da ação agressiva do ambiente circundante; unir os
elementos de reforço, distribuindo entre eles os esforços.
Elementos de reforço:
As propriedades das fibras ou partículas são fundamentais na
determinação das propriedades mecânicas do compósito.
2 – CONCEITOS BÁSICOS
•Compósito
•Componente de reforço (fibras, partículas)
Matriz (metálica, cerâmica, polimérica)
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2.3 Classificação
Os compósitos são normalmente classificados em função
do tipo de matriz e da natureza e forma de
funcionamento do elemento de reforço.
2 – CONCEITOS BÁSICOS
Figura 1 – Características dos compósitos utilizadas na sua classificação.
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2.4 Funcionamento
O comportamento e as propriedades dos materiais
compósitos dependem da natureza, da forma, do arranjo
estrutural e da interação entre seus componentes.
Escolhendo-se adequadamente a matriz e o elemento de
reforço, um pode-se obter um compósito com
propriedades adequadas para aplicação em situações
específicas.
Propriedades como módulo de elasticidade e densidade do
compósito podem ser determinadas pela regra das
misturas, que, entretanto, não é adequada para
determinação da resistência à tração, devido às interações
entre oss componentes de reforço.
2 – CONCEITOS BÁSICOS
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O módulo de elasticidade do compósito, utilizando a regra
das misturas, se localiza, segundo Callister (2005), entre
dois limites:
Limite superior:
Limite inferior:
Os limites são calculados considerando o módulo de
elasticidade (E) e o percentual em volume de cada fase,
matriz (m) e reforço (r).
Raciocínio idêntido pode ser aplicado para a determinação
da densidade do compósito.
2 – CONCEITOS BÁSICOS
rrmm
u
c VEVEE 
)( mrrm
rml
c
EVEV
EE
E


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3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
•Matrizes
•Poliméricas
•Metálicas
•Cerâmicas
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3.1 Matrizes Metálicas
As mais utilizadas são formadas por metais leves e
resistentes, como o alumínio, o magnésio e o titânio. O
cobalto ou as ligas de cobalto-níquel, são usadas quando
se espera a ação de temperaturas elevadas.
A fabricação de compósitos de matriz metálica envolve
duas etapas: a consolidação, ou síntese, e a conformação.
A complexidade dessas operações aumenta o custo de
fabricação de matrizes metálicas, o que limita sua aplicação.
Uma das principais vantagens dos compósitos de matriz
metálica é que estes podem, normalmente, ser trabalhados
com as mesmas ferramentas e os mesmos processos
empregados para os metais.
3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
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3.2 Matrizes Cerâmicas
A principal matriz cerâmica empregada na Engenharia Civil
é a matriz cimentícia, que se caracteriza pela boa
resistência à compressão, reduzida resistência à tração,
modesto módulo de elasticidade e comportamento frágil.
Além da cimentícia, também são utilizadas matrizes
cerâmicas confeccionadas com óxido de alumínio (Al2O3,
conhecido como alumina) e sulfato de cálcio (gesso).
As matrizes cerâmicas, em geral, apresentam boa
resistência ao calor, sendo aplicadas em situações
marcadas pela exposição a altas temperaturas.
3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
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3.3 Matrizes Poliméricas
As matrizes poliméricas podem ser agrupadas em duas
categorias básicas, de acordo com sua resposta mecânica a
temperaturas elevadas: Matrizes Poliméricas termofixas e
termoplásticas.
Os polímeros termofixos, assumem forma e rigidez
permanentes após a polimerização, não amolecendo com
subseqüentes aquecimentos.
Os polímeros termoplásticos, que possuem cadeias
moleculares emaranhadas, mas não interconectadas, mantidas
primariamente por ligações químicas fracas do tipo forças de
Van der Waals, se deformam facilmente sob ação da
temperatura.
3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
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Polímeros termofixos são muito aplicados em engenharia
estrutural devido à estabilidade térmica em temperaturas de
serviço, à boa resistência química e à reduzida deformação
lenta e relaxação, quando comparados com a maioria dos
polímeros termoplásticos [ISIS, 2003].
Resinas de base poliéster, éster vinílicas, epóxi e fenólicas
são exemplos de polímeros termofixos. O poliuretano, o
metacrilato e a poliamida, também são polímeros termofixos,
entretanto, dependendo da técnica utilizada na sua fabricação,
possam adquirir características que os tornem termoplásticos.
As principais desvantagens dos polímeros termorrígidos
incluem o modo de ruptura frágil, os longos ciclos de cura e a
dificuldade de pós-processamento destes materiais.
3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
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Exemplos comuns de polímeros termoplásticos são o poli(éter-
éter-cetona) ou PEEK, o poli(sulfeto de fenileno), ou PPS; a
poli-imida, ou PI; e a poli(éter-imida), ou PEI.
Uma das principais vantagens dos polímeros termoplásticos é
que, depois de fabricados, eles podem ser curvados, admitindo
diferentes formatos, o que não acontece com os termorrígidos.
A principal desvantagem dos polímeros termoplásticos é que
a sua elevada viscosidade, duas ordens de grandeza superior à
dos termofixos, dificulta sua aplicação e pode provocar o
desalinhamento das fibras e a formação de bolhas na matriz.
Segundo Meier (2001), osmodernos processos de produção
que utilizam matriz polimérica termoplástica, ao invés de
termofixa, podem diminuir os custos e aumentar a
competitividade de alguns compósitos.
3 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS 
DOS COMPONENTES MATRICIAIS
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4 - COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM PARTÍCULAS
•Micropartículas (reforço por dispersão de micropartículas)
• dimensões das partículas entre 10nm e 100nm;
• a matriz absorve praticamente toda a carga aplicada;
• as partículas impedem os deslocamentos da estrutura atômica ou 
molecular, restringindo as deformações plásticas, aumentando a
resistência à tração e ao escoamento e a dureza.
Macropartículas (reforço com partículas grandes)
• interações partículas-matriz consideradas a partir dos princípios da
mecânica do contínuo;
• se as partículas empregadas têm resistência e rigidez maior que a
matriz, elas tendem a restringir os movimentos da matriz no seu 
entorno, recebendo uma parcela maior das tensões aplicadas;
• partículas com resistência menor que a matriz são utilizadas quando
se deseja otimizar outras propriedades que não o comportamento
mecânico.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
A incorporação das fibras permite modificar as características
das matrizes frágeis, gerando compósitos com melhor
comportamento em relação à ductilidade, à tenacidade, à
resistência à tração e ao impacto.
Figura 2 – Concreto reforçado com fibras de aço
efeito de costura obtido com 
a inserção de fibras de aço 
em uma matriz cimentícia 
Figura 3 – Fibra celulósica envolta em matriz polimérica
•
•
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.1Tipos de fibras
A escolha do tipo de fibra depende das características
que se desejam fornecer ao compósito:
Naturais – fibras vegetais, minerais (asbesto) ou silicosas
(wollastonita)
Sintéticas – fibras de aço, vidro, carbono e fibras
poliméricas (polipropileno, nylon, poliéster, aramida,
celulose, PVA, borracha, polietileno e acrílico).
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.2 Propriedades das fibras
Resistência à tração - a reduzida seção transversal das
fibras reduz a possibilidade de que haja muitos defeitos de
composição, o que contribui para que as fibras tenham
alta resistência à tração.
Módulo de elasticidade - Fibras com baixo módulo de
elasticidade apresentam uma tensão muito baixa no
momento em que a matriz rompe e transfere o esforço
para a fibra; Fibras com elevado módulo de elasticidade já
apresentam um elevado nível de tensão no momento da
ruptura da matriz, o que lhe permite atuar como reforço
imediatamente, caso sua resistência não seja superada.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
Fator de forma ou relação de aspecto - é um dos
principais parâmetros de caracterização de uma fibra. É
definido como a relação entre o comprimento da fibra e o
diâmetro de uma circunferência virtual cuja área seria
equivalente à seção transversal da fibra. Um aumento no
fator de forma pode representar um aumento no
comprimento da fibra ou um decréscimo no seu diâmetro
equivalente.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.3 Comprimento da fibra
Os mecanismos de transferência de tensões num compósito
são influenciados pelo comprimento crítico das fibras, que
é o menor comprimento necessário para o desenvolvimento
de tensões nas fibras, iguais à sua resistência.
Quando o comprimento da fibra é menor do que o crítico:
a ancoragem não é suficiente para gerar tensões de
escoamento ou de ruptura nas fibras, ou seja, as fibras não
estarão atuando de forma eficiente.
Quando o comprimento da fibra é maior que o crítico,
pode ocorrer o travamento da fibra, o que impede seu
arrancamento, ocasionando a elevação da tensão atuante,
até que seja alcançada a tensão de ruptura da fibra.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
Figura 5 –Superfície de ruptura de compósito com fibras rompidas e arrancadas.
Figura 4 –Detalhe de fibra 
rompida à tração.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.4 Teor de fibra
As propriedades mecânicas dos compósitos reforçados
com fibras são diretamente dependentes do teor de
fibras presente no material.
O aumento do teor de fibras resulta, na maioria dos
casos, no aumento do módulo e da tensão máxima,
devido ao aumento da contribuição de resistência
mecânica da fibra nas propriedades mecânicas do
material compósito.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
Um PRF tipo laminado para reforço é formado
tipicamente por 30% de matriz e 70% de fibras. Nesse
caso, a matriz não contribuirá significantemente para o
módulo de elasticidade do compósito, uma vez que os
valores da porcentagem em volume e do módulo de
elasticidade das fibras são muito mais elevados que os da
matriz.
O concreto, um composto híbrido, apresenta
normalmente menos de 3% de fibras e cerca de 60% de
material particulado (agregados). Mesmo este pequeno
teor de fibras já faz com que a matriz cimentícia perca
suas características de fragilidade.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.5 Volume crítico
O volume crítico de fibras, é o volume mínimo de fibras que,
após a fissuração da matriz, suportará o carregamento que o
compósito suportava antes da fissuração.
Para que a incorporação das fibras proporcione uma
majoração na resistência última do compósito, é
necessário que o teor de fibras empregado resulte num
volume de fibras superior ao crítico. Neste caso, o
carregamento antes suportado pela matriz é transferido para
as fibras após o aparecimento da primeira fissura. Como o
volume é suficientemente grande para suportar esta carga, o
compósito se mantém íntegro. Carregamentos adicionais
geram um padrão de fissuração múltipla, sem, contudo, levar
à ruptura do compósito.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
5.6 Orientação
A orientação das fibras e o percentual de fibra existente
em determinada seção transversal do compósito são
determinantes nas resistências à flexão, à compressão,
à tração e ao cisalhamento do compósito.
Os compósitos formados por fibras longas apresentam
máximo efeito de orientação, porque todas as fibras
encontram-se alinhadas na mesma direção, enquanto os
compósitos de fibras curtas apresentam orientação em
diversas direções, podendo ter ou não uma orientação
predominante, em função dos processos de mistura e
adensamento.
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5 – COMPÓSITOS REFORÇADOS 
COM FIBRAS
Figura 6 – Compósito de matriz polimérica 
com fibras fortemente orientadas.
Figura 7 – Compósito de matriz cimentícia 
com fibras distribuídas de forma aleatória.Livro: Materiais de Construção Civil 
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6 - OUTROS TIPOS DE COMPÓSITOS
Compósitos naturais - ossos, bambu e outras estruturas
vegetais, em que partículas minerais ou fibras vegetais se
encontram inseridas numa matriz orgânica.
Figura 8 – Fibras de bambu
Livro: Materiais de Construção Civil 
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Sanduíches possuem camadas externas resistentes e
delgadas ligadas a núcleos de material leve,
geometricamente disposto de
forma a gerar altas resistências
à deformação e ao corte
(favos de mel).
6 - OUTROS TIPOS DE COMPÓSITOS
Compósitos estruturais, laminados ou sanduíche -
Laminados são fabricados por painéis com diferentes
camadas, empilhadas e firmemente aderidas, para propiciar
um comportamento monolítico (madeiras aglomeradas e
materiais estruturados usados em equipamentos esportivos
como esquis utilizados na neve).
Figura 9 –Compósito tipo sanduíche
[Callister, 2002].
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7 – APLICAÇÃO DE MATERIAIS COMPÓSITOS
Engenharia aeronáutica 
Aplicações estruturais (concreto, elementos de protensão, 
materiais de reforço) 
Indústria automobilística
Biomedicina
cabos 
fabricados 
em PRFC
Figura 10 – Ponte com cabo fabricado 
em PRFC
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
8.1 Compósitos de matriz poliéster com reforço de fibras de
vidro (fiberglass)
Foi o primeiro compósito de engenharia empregado em
larga escala, formado por uma matriz polimérica,
normalmente resina poliéster, reforçada com fibra de vidro.
As fibras de vidro são normalmente produzidas a partir da
sílica (SiO2), com a adição de óxidos de cálcio (CaO), boro
(B2O3), sódio (Na2O) e/ou alumínio (Al2O3).
As fibras de vidro podem ser utilizadas para reforço de
várias matrizes termoplásticas e termofixas, com aplicação
diversificada na indústria automobilística, eletroeletrônica e
na indústria náutica.
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
As resinas poliéster insaturadas são muito usadas como
matriz para produção de compósitos de fiberglass, pois
podem ser processadas no estado líquido e curadas à
temperatura ambiente, em moldes simples e baratos, o que
viabiliza a produção em pequena escala de peças grandes
e complexas.
O fiberglass ganhou inúmeras aplicações, em diversos
produtos, tais como barcos, caixas de água, piscinas,
painéis de fachada, automóveis, entre outros,
representando hoje cerca de 65% do volume total de
compósitos fabricados.
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
8.2 Compósitos laminados de matriz melamínica com reforço
de fibras celulósicas (Fórmica)
Dos compósitos de matriz polimérica, a fórmica, laminado formado
por papel tipo kraft envolto em resina melamínica, aplicada sob alta
temperatura e pressão, foi um dos que recebeu mais destaque na
indústria mundial.
As fibras vegetais estruturam e dão resistência ao compósito,
enquanto a matriz melanínica confere resistência às altas
temperaturas e uma superfície impermeável e lisa, que pode ser
facilmente limpa.
A matriz melamínica é uma das mais resistentes, o que fornece
boa resistência superficial ao compósito. Como todos os
materiais à base de fibras vegetais, o laminado se mostra sensível à
umidade, podendo sofrer variações dimensionais.
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
8.3 Compósitos de matriz melamina-formaldeído com fibras
e particulados de madeira
Tipos:
MDF (medium-density fiberboard) - fibras menores e mais
curtas, sem orientação preferencial. Proporções de 10% a 15% de
resina e 90% a 85% de fibra de madeira;
OSB (Oriented Strand Board) – fibras
mais longas e deliberadamente orientadas.
A orientação perpendicular das fibras
confere ao compósito maior resistência
mecânica e rigidez.
Aglomerados – produzidos com partículas
de madeira.
Figura 11 –Painel OSB mostrando a orientação 
das tiras de madeira.
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
8.4 Tintas com adição de particulados
Nos últimos anos, foram lançadas formulações de tintas
com elastômeros, com elevada capacidade de
deformação, da ordem de 600%, que podem ser aplicadas
sobre fissuras ativas e passivas, de forma a vedar a
superfície.
Tintas com incorporação de partículas metálicas também
foram formuladas para permitir maior brilho e
desenvolvimento de capacidade de reação à presença
de magnetos, o que permite a fixação direta de materiais
sobre a película de tinta.
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8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM ADIÇÃO DE PARTICULADOS E FIBRAS
8.5 Outras aplicações
 Matéria-prima para fabricação de sistemas de vedação: a
incorporação de cargas a matrizes de PVC e asfalto permite a
fabricação de mantas e perfilados estruturados, com
capacidade de deformação, rigidez e resistência à tração
compatíveis com o uso em juntas de dilatação e
impermeabilização.
 Telas de material polímero para uso conjunto com
argamassas de recuperação, aumentando a capacidade de
tração da matriz, reduzindo as deformações e controlando a
fissuração.
 Inserção de fibras de carbono, vidro ou aramida em
matrizes epóxi ou poliéster para utilização como reforço
estrutural.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
9.1 Fibras empregadas na formação de PRF
As fibras de alto desempenho mais utilizadas para reforçar
polímeros com fins de reforço estrutural são as de carbono,
aramida e vidro, embora fibras de boro, polietileno, poliéster,
poliamida e basálticas sejam também utilizadas.
A maior parte dos PRF que estão sendo aplicados, atualmente, na
construção civil, é fabricada com fibras de carbono.
A principal vantagem das fibras de carbono em relação às outras
fibras resulta de suas propriedades mecânicas: elevada
resistência e rigidez e baixo peso próprio. Entretanto, fibras de
vidro e aramida possuem um grande potencial de utilização
quando se requer um reforço de menor custo ou com algumas
características específicas, como resistência ao impacto e
isolamento elétrico.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Quadro 1 – Propriedades de fibras de carbono, aramida e vidro (Fonte: ACI 440.2R-02, 2002).
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Quadro 2 – Comparação entre fibras utilizadas na formação de PRF aplicados no reforço de estruturas de 
concreto armado (Garcez, 2007).
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARAREFORÇO ESTRUTURAL
9.2 Técnicas de fabricação
Os PRF termofixos podem ser fabricados por meio de
diversas técnicas. As mais empregadas na fabricação de
materiais com fins estruturais são a pultrusão, a moldagem
por contato e enrolamento de filamento.
Outras técnicas, como pull-winding, resin transfer
moulding, vacuum bag moulding e injection moulding
também podem ser utilizadas na produção de PRF.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Pultrusão - É a técnica mais utilizada para a produção de
elementos de protensão, grelhas e perfis estruturais pré-
fabricados, em que as fibras se encontram alinhadas ao
longo do eixo do elemento. Esta técnica é mais apropriada
para elementos que não apresentam variação na seção
transversal e possuem comprimentos elevados.
Figura 12 – Desenho esquemático de um processo de pultrusão [Meier U., 2005].
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Moldagem por contato (wet lay-up ou hand lay-up) - É uma
técnica de produção de PRF na qual uma manta ou tecido de
fibras é impregnado, manualmente, com resinas termofixas. É
uma das técnicas mais utilizadas para colagem de PRF em
estruturas de concreto armado, madeira, aço e alumínio.
Figura 13 – Aplicação de PRFC em pilares de concreto armado com emprego da 
técnica de moldagem por contato [Monge, 2004].
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Enrolamento de Filamento
(filament winding) - É um processo
automatizado no qual fibras
impregnadas com resina ou fitas de
PRF são enroladas em um mandril
de forma geometricamente precisa,
com taxa de rotação e posição
controladas por computador, para
que as fibras possam ser
posicionadas com alta precisão
em diferentes orientações.
Figura 14 – Representação esquemática do 
processo de manufatura por enrolamento 
[Callister, 2002].
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
9.3 Formas de comercialização
Os fios, ou rovings, são empregados para formação de
cabos, cordoalhas e barras, que podem ser aplicadas em
estruturas de concreto externamente, como elementos de
protensão, ou internamente, como armaduras.
As mantas e os tecidos disponíveis no mercado, para
aplicação como reparo ou reforço de estruturas existentes,
são fornecidos na forma de rolos e podem vir pré-
impregnados com resina, para manter o alinhamento das
fibras e facilitar o manuseio (sistemas prepreg), ou secos,
sem resina (sistemas dry fabric). O fator diferenciador é
que as mantas são simples aglomerados de fibras,
enquanto os tecidos são formados pela tecelagem de fios.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Os laminados, os tecidos e as mantas são usados
externamente, em geral como elementos de reforço.
A principal diferença entre eles é que os laminados já
formam um compósito, que vai ser conectado à
estrutura de concreto com auxílio de um adesivo
compatível com a matriz polimérica do compósito. As
mantas e os tecidos, ao contrário, são empregados
quando se deseja formar o compósito in situ. Por
serem rígidos, os laminados pré-fabricados, ou strips,
são mais adequados para aplicação em superfícies
planas. Já as mantas e os tecidos são flexíveis e podem
ser aplicados como um papel de parede, facilitando a
criação de compósitos adaptados a substratos curvos.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Cabos, cordoalhas e barras de PRF são, normalmente,
fabricados para emprego como elementos de
protensão.
As barras de PRF empregadas, tipicamente, apresentam
diâmetros da ordem de 8 mm a 10 mm.
As cordoalhas de PRF têm sete elementos, sendo
formadas pela disposição de seis barras ao redor de uma
barra central.
O agrupamento de cordoalhas ou barras forma os cabos,
usados na protensão ou estaiamento de pontes.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Quadro 3 – Características básicas das fibras utilizadas na formação de 
compósitos do tipo PRF disponíveis no mercado [Garcez, 2007].
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Quadro 4 – Exemplos de elementos de protensão fabricados com PRF[Garcez, 2007].
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
9.4 Custos
O alto custo relativo dos PRF, em relação a outros materiais
convencionais de mesma finalidade, pode ser considerado
como a principal limitação para a disseminação mais
intensa de sua utilização.
É interessante ressaltar-se que, quando os custos são
considerados durante toda a vida útil das estruturas, a
durabilidade oferecida por esses materiais pode torná-
los competitivos em um maior número de situações.
Bazin (2002) estima que, em termos comparativos, poder-
se-ia considerar que a madeira tem um custo médio de US$
1,35 / kg, o concreto de cerca de US$ 2,70 / kg e o aço de
US$ 4,05 / kg, enquanto os compósitos poderiam atingir
US$ 6,80 / kg.
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9 - USO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA 
COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
Segundo Garcez (2007), o custo das fibras de carbono do
tipo tecido dry fabric no Brasil pode chegar a US$
50,00/m2. As fibras de vidro, por outro lado, possuem um
custo muito mais acessível (cerca de US$ 10,00/m2) e
poderiam, portanto, ser uma alternativa interessante para
a produção de reforços de custo mais baixo, adequados a
situações onde requisitos relacionados à rigidez sejam
mais modestos.
Já as fibras de aramida, além de possuírem um custo
intermediário (em torno de US$ 24,00/m2), apresentam
vantagens principalmente em termos de resistência ao
impacto, o que pode favorecer sua utilização em
determinadas situações.
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COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
REFORÇO ESTRUTURAL
9.5 Comportamento estrutural
Uma fibra, quando incorporada em uma matriz qualquer,
contribui para aumentar a capacidade de suportar
esforços, pois parte da carga é transferida pela matriz para a
fibra por deformação de cisalhamento na interface
matriz/fibra. A transferência de carga se origina, em geral, de
diferenças nas propriedades físicas da fibra e da matriz e se
intensifica após a fissuração da matriz.
Nos PRF, o uso de fibras de alto desempenho vai fazer
com que o reforço absorva uma parcela significativa dacarga
acidental, embora não aumente muito a rigidez, devido à
reduzida espessura.
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REFORÇO ESTRUTURAL
Os modos de ruptura clássicos podem ser assim detalhados:
 ruptura do concreto à compressão – quando a espessura do
PRF e/ou a taxa de armadura são elevadas, o esmagamento do
concreto ocorre antes do escoamento do aço e a ruptura à tração
do PRF;
 escoamento do aço seguido por ruptura à compressão do
concreto – quando o PRF apresenta uma espessura considerável
e a taxa de armadura é pequena, ocorre o escoamento do aço e,
em seguida, a ruptura do concreto por esmagamento;
 escoamento do aço seguido por ruptura à tração do PRF –
quando a taxa de armadura e a espessura do PRF não são
elevadas, pode ocorrer o escoamento do aço seguido por ruptura
à tração do PRF.
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Alguns modos de ruptura prematuros estão associados à
perda de aderência entre o concreto e o compósito.
Rupturas prematuras também podem ocorrer em vigas de
concreto com baixa resistência à tração ou com
cobrimento de armadura reduzido. Nesse caso, são
ocasionadas pela combinação de tensões tangenciais e
normais no concreto no plano longitudinal das barras de
armadura. A ruptura ocorre devido à propagação de uma
fissura horizontal que se inicia nas extremidades do reforço,
causando a separação da camada de concreto.
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Os deslocamentos diferenciais nas bordas de fissuras
de flexão ou flexão-cisalhamento, que ocasionam o
cisalhamento ou as concentrações de tensões no PRFC,
também propiciam a ocorrência de rupturas prematuras.
As rupturas prematuras ocorrem
sem aviso e sem que a capacidade
de carga do sistema de reforço
tenha sido completamente atingida;
Figura 15 – Ruptura do PRF devido a 
movimentações diferenciais nas bordas de 
fissuras de flexão [Garcez, 2007]. 
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REFORÇO ESTRUTURAL
Quando a estrutura reforçada está submetida a carregamentos
cíclicos, a falha da estrutura passa a ser definida,
preferencialmente, pela ruptura prematura, por fadiga, das
barras de aço da armadura longitudinal de tração.
Não se descarta, todavia, a
possibilidade de que
carregamentos cíclicos sejam
potencialmente capazes de
gerar rupturas prematuras
na resina ou no adesivo, trazendo
efeitos negativos nas interfaces
concreto-adesivo e adesivo-PRF.
Figura 16 – Resultado de inspeção em 
viga de concreto armado após ruptura em 
teste de fadiga[Garcez, 2007]. 
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COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA 
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9.6 Propriedades
O comportamento à tração de polímeros reforçados com apenas
um tipo de fibra é caracterizado por uma relação tensão versus
deformação elástico-linear até a ruptura, podendo ser alterado
quando os PRF são fabricados com coquetéis de fibras com
características diferentes.
A ação da maioria dos PRF é mais efetiva quando estes são
solicitados à tração na direção das fibras, uma vez que a
resistência à tração na direção perpendicular às fibras é muito
inferior à resistência à tração na direção longitudinal.
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A resposta de um PRF submetido à tração quanto à ruptura é
largamente dependente das deformações últimas da fibra e
da matriz.
Quadro 5 –Variação dos modos de ruptura á tração de um PRF em função da 
capacidade de deformação da matriz e do volume de fibras [Garcez, 2007].
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A resistência à compressão última de um PRF é,
geralmente, controlada pela microflambagem, que ocorre
em escala microscópica, devido a falhas transversais na
matriz ou falhas de cisalhamento. O modo de falha
depende do tipo de fibra, percentagem em volume de
fibras, tipo de resina, impregnação das fibras pela matriz e
aderência entre fibra e matriz.
Fibras com boa resistência à compressão resultam em
PRF com boa resistência à compressão. As resistências à
compressão axial de polímeros à base de fibra carbono,
vidro e aramida equivalem a 78%, 55% e 20% da
resistência à tração desses materiais, respectivamente
(ISIS, 2003).
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O módulo de elasticidade, na direção das fibras, de um PRF
unidirecional pode ser expresso em termos dos módulos de
elasticidade dos seus componentes e de suas respectivas
porcentagens em volume. Já o módulo de elasticidade na
direção perpendicular às fibras é, geralmente, muito baixo.
A determinação do módulo de elasticidade de laminados de
PRF é realizada de forma simples, por meio de ensaios de
tração direta, com determinação da curva carga versus
deformação, e da queima do compósito, para determinação
das porcentagens de fibra e resina existentes no laminado. Nos
compósitos fabricados manualmente, como é o caso dos
tecidos de PRF utilizados no reforço de estruturas, a
determinação do módulo de elasticidade se torna mais
complicada.
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REFORÇO ESTRUTURAL
Dentre as fibras de alto desempenho mais empregadas nos
sistemas PRF, as de carbono são as que possuem módulo
de elasticidade mais elevado, com valores comparáveis ou
até superiores aos do aço.
PRF com baixos módulos de elasticidade, muitas vezes, não
apresentam a rigidez necessária para aplicações estruturais,
como o reforço estrutural de pontes, em que se torna
necessário um elevado incremento de carregamento com
restrição de deformação. Elevados módulos de elasticidade
também são necessários em estruturas reforçadas, nas quais
o PRF é utilizado em substituição à armadura interna.
Entretanto, para aplicações que exigem materiais com altos
níveis de deformabilidade, é preferível a aplicação de PRF
com baixos módulos de elasticidade.
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Em termos de ductilidade, o comportamento tensão versus
deformação de um compósito tipo PRF é diferente do
comportamento do aço, que sofre escoamento quando
submetido a tensões de tração que causem deformações
superiores a 2o/oo. Os PRF de carbono, aramida e vidro,
quando submetidos a esforços de tração, apresentam um
comportamento tensão versus deformação elástico-linear até
próximo da tensão última, resultando em umaruptura brusca,
sem patamar de escoamento. Segundo Lees e Burgoyne
(1999), a diferença no comportamento tensão versus
deformação do aço e do PRF impede a aplicação do tradicional
conceito de ductilidade em estruturas de concreto armado que
recebem esse tipo de reforço.
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REFORÇO ESTRUTURAL
Visando melhorar a ductilidade dos PRF, sistemas híbridos,
ou PRFH, começaram a ser investigados. Estes sistemas são
construídos com combinações de fibras de carbono, aramida e
vidro, posicionadas em uma, duas ou três direções. Segundo
Grace et al. (2005), PRFH fabricados com fibras de carbono e
vidro possuem um comportamento similar ao do aço, quando
submetidos a esforços de tração.
Estes sistemas já estão sendo bastante utilizados no reforço
de elementos estruturais submetidos a ações sísmicas, já
que, combinando o baixo módulo de elasticidade das fibras de
vidro com o elevado módulo de elasticidade das fibras de
carbono, pode-se obter boa ductilidade e aumento na
capacidade de carga aos elementos reforçados.
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A aplicação de reforços com PRFC favorece a resistência à
fadiga dos elementos reforçados, já que proporcionam uma
redução na fissuração e melhoram a distribuição das fissuras
ao longo do elemento, antes da ruptura.
PRFC exibem excelente resistência à fadiga. O desempenho
mais modesto à fadiga dos PRFV é atribuído à baixa rigidez
das fibras de vidro, que resulta em menor transferência de
tensões e maior exposição da matriz a grandes tensões e
deformações. Embora as fibras de aramida possuam rigidez
intermediária, entre as fibras de carbono e de vidro, o mesmo
não pode ser dito em relação ao seu comportamento à fadiga,
já que essas fibras são sensíveis a danos causados por um
processo chamado desfibrilação, que eventualmente pode
levar rupturas por fadiga (ISIS, 2003).
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REFORÇO ESTRUTURAL
Os tipos de fibra e matriz empregados na fabricação do PRF,
assim como suas porcentagens em volume, aliados a fatores
como temperatura e presença de umidade influenciam de
forma significativa o comportamento quanto à fluência,
podendo ocasionar um fenômeno chamado ruptura por fluência
ou deformação lenta, fadiga estática ou, ainda, corrosão sob
tensão.
Estudos indicam que as fibras de carbono não são susceptíveis
à fadiga estática, enquanto as fibras de aramida apresentam
um comportamento intermediário entre as fibras de vidro e
carbono (FIB, 2001).
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O consórcio ISIS (2003) recomenda que, para evitar
problemas de ruptura por fadiga estática, o nível de tensão
permanente considerada no dimensionamento seja de, no
máximo, 20% para PRFV, 30% para PRFA e 50% para PRFC,
em relação às suas resistências últimas.
Mesmo que as fibras que formam os PRF apresentem baixa
fluência, as matrizes dos PRF, por serem materiais visco-
elásticos, fazem com que o PRF sofra deformação lenta
quando submetido a carregamentos constantes. Entretanto, se
as tensões constantes aplicadas aos PRF forem limitadas, a
fluência não será significante na maioria dos PRF utilizados na
Engenharia Civil.
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CONTATO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
LABORATÓRIO DE ENSAIOS E MODELOS ESTRUTURAIS
Prof. PhD. Luiz Carlos Pinto da Silva Filho
lcarlos@ppgec.ufrgs.br
Dra. Mônica Regina Garcez
mgarcez@ppgec.ufrgs.br