The Effect of Fiber Surface Modification on the Microstructure and Strength of Sisal Reinforced mortar

Resumo Técnico: O Efeito da Modificação da Superfície da Fibra na Microestrutura e Resistência de Argamassa Reforçada com Sisal

Definição do Problema
A indústria da construção civil busca cada vez mais materiais de reforço sustentáveis e de baixa energia para substituir o aço e as fibras sintéticas convencionais. As fibras vegetais naturais, particularmente o sisal, oferecem vantagens em densidade, renovabilidade e custo-benefício. No entanto, sua natureza hidrofílica inerente e composição química (rica em hemicelulose, lignina e pectina) tornam-nas suscetíveis ao inchamento por umidade, instabilidade dimensional e degradação alcalina dentro do ambiente de alto pH das matrizes cimentícias. Essas limitações comprometem a zona de transição interfacial (ZTI), levando a uma baixa adesão, redução da resistência mecânica e diminuição da durabilidade a longo prazo. Embora existam vários tratamentos de superfície, há uma carência de dados comparativos abrangentes que vinculem parâmetros específicos de tratamento (especificamente combinações de álcali e parafina) à evolução microestrutural e ao desempenho de durabilidade ao longo de períodos de cura estendidos (até 56 dias).

Metodologia
O estudo investigou três misturas distintas de argamassa reforçada com 1% de fibra de sisal em peso de cimento:

1. USFRC: Concreto Reforçado com Fibra de Sisal Não Tratada.
2. ATSFRC: Concreto Reforçado com Fibra de Sisal Tratada com Álcali (NaOH).
3. PATSFRC: Concreto Reforçado com Fibra de Sisal Tratada com Parafina e Álcali.

A pesquisa empregou uma abordagem de caracterização multiescala:

• Preparação do Material: As fibras de sisal foram obtidas, limpas e cortadas em 30 mm. Os tratamentos envolveram imersão em solução de 1% de NaOH (2 horas) para remover componentes amorfos, seguido por um revestimento de cera de parafina (70–80 °C) para criar uma barreira hidrofóbica.
• Análise Microestrutural: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDX) foram utilizadas para examinar a morfologia superficial e a composição elementar. A Difração de Raios X (DRX) analisou a cristalinidade e a espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) identificou grupos funcionais químicos e a eficácia do tratamento.
• Testes Mecânicos: As resistências à compressão, tração por compressão diametral e flexão foram medidas aos 3, 7, 14, 28 e 56 dias. A trabalhabilidade foi avaliada via mesa de fluxo e testes de abatimento (slump), e os tempos de pega foram registrados.
• Avaliação de Durabilidade: A sorptividade (absorção capilar de água) e a condutividade de cloretos (permeabilidade rápida ao cloreto) foram testadas aos 28 e 56 dias. A resistência alcalina foi avaliada através de ciclos de umidade-secagem.

Principais Resultados

• Microestrutura e Química:

  • MEV/EDX: As fibras não tratadas apresentaram superfícies lisas com impurezas (ceras, pectina) que dificultam a adesão. O tratamento com NaOH removeu essas impurezas, expondo microfibrilas de celulose rugosas e aumentando a área superficial para intertravamento mecânico. O revestimento de parafina criou uma camada hidrofóbica lisa que selou microporos, reduzindo a absorção de água, mantendo parte da rugosidade subjacente.
  • DRX: O tratamento alcalino aumentou o índice de cristalinidade da celulose de ~62,5% para ~75% através da remoção de componentes amorfos. O revestimento de parafina não alterou a estrutura cristalina central, mas adicionou um sinal de espalhamento hidrofóbico.
  • FTIR: Os espectros confirmaram a remoção dos picos de hemicelulose e lignina nas amostras tratadas e a presença de cadeias de hidrocarbonetos nas fibras tratadas com parafina, indicando uma modificação hidrofóbica bem-sucedida.

• Trabalhabilidade e Pega:

  • As fibras não tratadas reduziram a trabalhabilidade devido à alta absorção de água e formação de aglomerados de fibras (fiber balling).
  • O tratamento com NaOH melhorou a dispersão, mas aumentou os tempos de pega devido à maior hidrofilia das fibras e demanda de água.
  • As fibras tratadas com parafina (PATSFRC) ofereceram a melhor trabalhabilidade e os tempos de pega mais rápidos, pois o revestimento hidrofóbico impediu a absorção de água, deixando mais água livre para a hidratação do cimento.

• Resistência Mecânica:

  • Todas as misturas reforçadas com fibras superaram a argamassa de controle sem fibras.
    • ATSFRC alcançou as maiores resistências mecânicas aos 56 dias: 37 MPa (compressão), 3,4 MPa (tração) e 5,3 MPa (flexão). A superfície rugosa do tratamento alcalino otimizou a ligação fibra-matriz, maximizando a transferência de carga.
  • PATSFRC apresentou resistência mecânica ligeiramente inferior à ATSFRC, mas significativamente superior à USFRC, equilibrando a força de adesão com a durabilidade.

• Desempenho de Durabilidade:

  • Sorptividade: O PATSFRC demonstrou a menor absorção de água, com coeficientes de sorptividade de 0,08 mm/min¹/² aos 28 dias e 0,05 mm/min¹/² aos 56 dias. Isso representou uma redução de 64% em comparação ao USFRC aos 56 dias. A barreira de parafina bloqueou efetivamente as vias capilares.
  • Permeabilidade ao Cloreto: O PATSFRC exibiu a menor condutividade de cloretos (500 C aos 56 dias), aproximando-se do limite de "baixa permeabilidade". O USFRC apresentou a maior permeabilidade (600 C aos 56 dias).
  • Resistência Alcalina: Após 30 ciclos de umidade-secagem, o PATSFRC reteve 95,7% de sua resistência inicial, enquanto o USFRC reteve apenas 70,1%, sofrendo com o inchamento e decomposição das fibras.

Significância e Alegações
O artigo conclui que a modificação da superfície é crítica para a viabilidade da fibra de sisal em compósitos cimentícios. Embora o tratamento alcalino (ATSFRC) seja mais eficaz para maximizar a resistência mecânica através de uma melhor adesão interfacial, o tratamento combinado de álcali e parafina (PATSFRF) proporciona o perfil de durabilidade global superior. O revestimento de parafina mitiga efetivamente os principais mecanismos de falha das fibras naturais: absorção de umidade e degradação alcalina.

O estudo alega que o PATSFRC é uma alternativa viável e sustentável para aplicações estruturais que exigem resistência à umidade e entrada de cloretos, como ambientes marinhos ou estruturas expostas a sais de degelo. A pesquisa estabelece que, embora as fibras não tratadas comprometam a durabilidade, as estratégias de tratamento apropriadas podem refinar a estrutura de poros e a zona de transição interfacial para produzir concreto de baixa permeabilidade e alta durabilidade. Os autores enfatizam que a cura estendida (56 dias) aumenta ainda mais o desempenho de todas as misturas, mas o tratamento de superfície continua sendo o fator decisivo para alcançar valores absolutos de durabilidade superiores.