[pt] A utilização de materiais de construção civil a base de cimento reforçado com fibras vem aumentando rapidamente nos últimos anos. No Brasil um vasto programa experimental para avaliar o comportamento mecânico desses materiais através de ensaios de flexão monotônicos e de compressão, vem sendo desenvolvidos na PUC/RIO desde 1979. Este trabalho procura dar continuidade a essa linha de pesquisa, sendo o primeiro a estudar o comportamento em fadiga de compósitos cimentícios reforçados com polpa de bambu, através de curvas de vida-fadiga S-N e da cinética de crescimento de trincas. As curvas S-N foram levantadas para compósitos entalhados e não entalhados, contendo 6% em massa de polpa em relação a massa de cimento. Essas curvas foram modeladas, com base nas propriedades mecânicas básicas levantadas nos ensaios de compressão e flexão. Com o objetivo de verificar a aplicabilidade da lei de Paris à cinética de crescimento de trincas de fadiga nesses compósitos, foi levantada a relação entre o comprimento da trinca a e o número de ciclos N durante a propagação estável da mesma, adotando-se teores de reforço de 6 e 14% em relação a massa de cimento. Finalmente as superfícies de fratura foram avaliadas por meio de microscópio eletrônico de varredura. / [en] The use of fiber reinforced cementious composites as construction materials in civil engineering has rapidly grown in the last few years. In Brasil, a large experimental program for evaluating the mechanical behavior of these materials has been developed in PUC-RIO since 1979. The present study has the purpose of evaluating the fatigue behavior of cementitious composites by means of determining the S-N curves for notched and unnotched specimens. The fatigue curves were modeled using basic mechanical properties determined by means of compression and slow bend tests. With the purpose of verifying the applicability of Paris law to the fatigue crack growth kinetics, the crack length was determined as a function of the number of cycles N during stable crack propagation, for composites containing 6% and 14% weight percentage of bamboo pulp relative to the weight of cement. Finally, the fracture surface was analyzed by means of scanning electron microscopy.

[pt] O uso de todos os tipos de amianto na construção civil tem diminuído drasticamente devido a problemas sérios de saúde associados a sua manipulação. De fato é previsto banir totalmente o seu uso, dentro de um curto espaço de tempo, nos países desenvolvidos bem como nos em desenvolvimento. Na necessidade de se encontrar um substituto adequado para o amianto, tem-se pesquisado compósitos de argamassa reforçada com fibras vegetais e polpas celulósicas. Devido ao processo de polpação, que remove as impurezas não celulósicas, como a lignina e a hemicelulose, diminuindo o ataque às fibras, sem a necessidade de recorrer a modificações na matriz cimentícia, as polpas celulósicas podem ser o substituto ideal para o amianto. Assim sendo, o principal objetivo desta dissertação é determinar experimentalmente as características mecânicas e os parâmetros de fratura de compósitos de matriz cimentícia reforçada por polpa de bambu refinada e sem refino. As polpas celulósicas foram utilizadas nas porcentagens de 8 e 14 por cento em relação à massa do cimento, porcentagens estas que, conforme a literatura, são associadas à otimização da energia absorvida no ensaio de flexão. A avaliação do comportamento mecânico dos compósitos considerados neste trabalho foi realizada através de ensaios de compressão e impacto, bem como de flexão em três pontos em espécimes não entalhados e em outros contendo entalhes de raios de curvatura diferentes. Propriedades mecânicas, tais como módulo de elasticidade, resistência à compressão, ao impacto e à flexão, bem como integral J na carga máxima, são apresentadas e discutidas em termos de aspectos microestruturais e fractográficos dos corpos de prova ensaiados. / [en] As handling and manipulation of asbestos pose grave health hazards, its use in civil construction has been drastically dwindling and will in fact be completely prohibited, in a few years, in developed countries. With the need arising to find an adequate substitute, vegetable fibers and cellulosic pulps have been considered to be viable alternatives. Taking into account the fact that the process for pulp production entails the removal of impurities, such as lignin and hemicellulose, cellulosic pulps seem to be the ideal substitute to asbestos, as their use does not necessitate modifications in the cementitious matrix. Accordingly, the purpose of this work is to experimentally determine basic mechanical characteristics and pertinent fracture parameters of bamboo pulp reinforced cement. Refined and non-refined pulps were used in the proportions of 8 and 14 percent of the weight of dry cement. These percentages were adopted as they imply, according to literature, in optimizing the energy absorbed by the composite in bend loading. Evaluation of the mechanical behavior of the composites considered in this work was realized by means of compression and impact testing. Three point bend tests were also carried out using unnotched as well as notched specimens of different notch root radii. Mechanical properties such as modulus of elasticity, compressive, impact and bend strengths, and J integral at maximum load are presented and discussed in terms of pertinent microstructural and fractographic aspects of test specimens.

[pt] O objetivo deste trabalho foi avaliar as propriedades mecânicas, físicas e microestruturais de materiais compósitos cimentícios reforçados por fibras naturais e de laminados de bambu. O trabalho experimental foi direcionado para a determinação da tenacidade. Para se determinar a tenacidade foram utilizados três tipos de ensaios: impacto Charpy, impacto balístico e flexão em 3 pontos. Após os ensaios, a superfície de fratura dos corpos-de-prova foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Esta análise microestrutural serviu para determinar os modos de fratura e validar as hipóteses feitas nos modelos matemáticos utilizados. Foram usados modelos adaptados da literatura para a determinação da tenacidade e os valores teóricos obtidos foram confrontados com os experimentais. Determinou-se também através de modelos encontrados na literatura a tensão interfacial de todas as fibras utilizadas nesta pesquisa. Os modelos empregados para calcular a tenacidade e a tensão de adesão interfacial, se mostraram eficientes e válidos. Em segundo plano, porém não menos importante, ficou a determinação das propriedades térmicas dos materiais utilizados. Foram efetuados ensaios de condutividade térmica do compósito e ensaios termogravimétricos das fibras vegetais e do bambu. Os compósitos cimentícios foram reforçados por diferentes fibras naturais: polpa refinada de bambu (CPB), polpa de sisal (CPS), polpa de eucalipto (CPE), fibras curtas de sisal (CPFS) e wollastonita (CPW). As proporções das polpas de bambu, sisal e eucalipto utilizadas como reforço nas matrizes cimentícias foram de 8 por cento e 14 por cento em relação à massa do cimento, a da fibra curta de sisal (25 mm) foi de 3 por cento em relação ao volume e a da wollastonita foi de 11,5 por cento em relação à massa. Compóstios híbridos feitos com wollastonita e polpa de bambu (CPBW) foram também produzidos apenas variando a proporção da polpa de bambu em 8 por cento e 14 por cento e mantendo fixa a da wollastonita em 11,5 por cento. Como uma tentativa de se melhorar a resistência ao impacto, laminados CPB/AL foram também fabricados colando duas chapas de alumínio (liga 5052 H34) de espessura 0,8 mm em ambas às faces dos compósitos reforçados por fibra de bambu, formando assim compósitos sanduíche (CPBA). O bambu Moso (Phyllostachys heterocycla pubescens) com 5 anos de idade foi usado para fabricação dos laminados de bambu, sendo tratado com água fervida para a prevenção de ataques biológicos. Técnicas para a extração do laminado a partir de seu formato natural foram estudadas estabelecendo suas vantagens e desvantagens. Para o ensaio de impacto foram utilizados corpos-de-prova com dimensão nominal de 120 mm x 15 mm x 6 mm perfazendo um total de 18 corpos-de-prova. Para o de flexão foram realizados ensaios com uma lâmina simples de bambu (BL) e bambu laminado colado (BLC) com 3 camadas de lâminas dispostas ortogonalmente. Os resultados dos testes de impacto Charpy e flexão em 3 pontos comprovaram a boa tenacidade do bambu laminado quando submetido a cargas de impacto (42,54 kJ/m2) e a cargas estáticas (19,77 kJ/m2 para o laminado e 17,63 kJ/m2 para o laminado colado). Compósitos sanduíche constituídos de alumínio e laminados de bambu foram também fabricados. Estes foram analisados através de ensaios de impacto balísticos seguindo as recomendações da norma NIJ 0101.04. Observações no microscópico eletrônico de varredura foram realizadas para se analisar os mecanismos de falha dos laminados. / [en] The main objective of this work was to evaluate the mechanical, physical and microestructure properties of cementitious composite materials and bamboo laminates. The experimental program was focused on the determination of toughness. Three diferent types of tests were performed in order to establish it: Charpy impact, ballistic impact and three point bending test. After the tests, the fractured surface of the failed test specimens was observed using a Scanning Electron Microscope (SEM) to establish the failure mode. Mathematical models adapted from the available literature were used to determine the toughness from which the values were confronted to the ones obtained experimentally. It was also determined by mathematical models the interfacial bond stress of all fibers used in this research. The two models, used in the toughness and interfacial bond stress calculation, showed to be efficient, providing valid results. In second plan, but not less important, was the determination of the materials thermal properties. Thermal conductivity tests of the composites and thermogravimetry of the fibers and bamboo were performed. The cementitious composites were reinforced by different natural fibers: refined bamboo pulp (CPB), sisal pulp (CPS), eucalyptus pulp (CPE), short sisal fibers (CPFS) and wollastonite. The mass fraction of bamboo, sisal and eucalyptus pulp studied were 8 percent and 14 percent. For the wollastonite fiber the mass fraction studied was 11.5 percent and for the short sisal fiber a 3 percent volume fraction was studied. Hybrid composites made with wollastonite and bamboo pulp (CPBW) were also produced varying the bamboo fraction mass to 8 percent and 14 percent but keeping constant to 11.5 percent the wollastonite mass fraction. The slurry de-watering process was used in the production of all composites described before. To reduce the adverse effects of weathering on the cellulose fibers and to improve the impact load and flexural resistance of the composite, aluminum thin sheets were used to produce a sandwich composite lamina with the CPB, which was denominated as CPBA. Compound Adhesive gel from Otto Baumgart which is a type of epoxy was used to fix the aluminum sheets on the CPB. The use of aluminum has proved to give much higher impact resistance results when compared to the CPB ones. The 5 years old Moso bamboo (Phyllostachys heterocycla pubescens), which was previously treated in boiled water to eliminate biological agents, was used to produce the bamboo laminates. Techniques were developed to extract bamboo laminates from its natural form, establishing its advantages and disadvantages. For the Charpy impact test, a total of 18 specimens with nominal dimensions of 120 mm x 15 mm x 6 mm were tested. Laminated (BL) and 3 layer cross ply laminated bamboo (BLC) were tested in bending. A total of 9 specimens were tested per bamboo configuration. The BL specimens had nominal dimensions of 120 mm x 30 mm x 6 mm and the BLC were 120 mm x 30 mm x 17 mm. The results demonstrated the good toughness of bamboo laminates when subject to dynamic (42.54 kJ/m2) and to static load (19.77 kJ/m2 for the laminate and 17.63 kJ/m2 for the cross ply laminate). Aluminum thin sheets were again used to make sandwich composites, but now using the bamboo laminate (BLCA). The BLCA was tested using the ballistic impact test following the standard NIJ 0101.04. Analysis on the Scanning Eléctron Microscope (SEM) were performed in order to establish the laminate s failure mechanisms.