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ISSN 1809-5860
Cadernos de Engenharia de Estruturas, So Carlos, v. 10, n. 47,
p. 75-95, 2008
PLSTICOS RECICLADOS PARA ELEMENTOS ESTRUTURAIS
Ricardo Alves Parente1 & Libnio Miranda Pinheiro2
R e s u m o
Apresenta-se uma reunio da literatura existente, enfocando o
estado da arte e os avanos obtidos no emprego do plstico, reciclado
ou no, com funo estrutural, na construo civil. So discutidos alguns
aspectos pertinentes a um projeto de Engenharia e, posteriormente,
apresentados alguns conceitos e consideraes especficos a um projeto
de estruturas de material plstico. Ao fim deste trabalho, pode-se
concluir que o mercado dos elementos estruturais de plstico
reciclado um nicho a ser explorado e, como a pesquisa sobre o tema
ainda incipiente, h muito a ser estudado, pesquisado e,
posteriormente, desenvolvido. Pode-se afirmar que a baixa rigidez
do plstico reciclado frente aos materiais de construo tradicionais
a sua maior deficincia. O seu comportamento viscoelstico,
dependente do tempo, e a sua sensibilidade variao de temperatura
tornam complexo o dimensionamento com esse material, desencorajando
o seu emprego pelos projetistas de estruturas. Desde que sejam
desenvolvidas formas de se contornar essas deficincias, como a adio
de fibras, o emprego de armaduras de protenso nos elementos
estruturais e a aplicao de aditivos, o plstico reciclado como
elemento estrutural mostra-se no s tecnicamente vivel, tambm
bastante promissor. Palavras-chave: plsticos reciclados;
propriedades; elementos estruturais; projeto.
1 INTRODUO
difcil imaginar o mundo moderno sem o uso dos plsticos. Desde
a
descoberta do primeiro plstico sinttico, no incio do sculo XX,
eles vm sendo
aperfeioados e aplicados com sucesso, nas mais diversas
atividades do ser humano.
Formados a partir de longas cadeias de macromolculas, ou
polmeros, eles
possuem propriedades que os tornam atrativos em relao a outros
materiais: so
leves, resilientes (resistem ao impacto sem se deformar
definitivamente), indiferentes
deteriorao por decomposio e por ataque de microorganismos,
resistentes
corroso, de fcil processamento e de reduzido custo de
manuteno.
Segundo Nielsen e Landel (1994), a maioria dos plsticos aplicada
em funo
das caractersticas mecnicas e do custo. Por essa razo, as
propriedades mecnicas
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so as mais importantes das propriedades fsicas e qumicas
consideradas.
Projetar elementos de plstico exige, ao menos, um conhecimento
elementar do
comportamento mecnico e de que forma esse comportamento pode
variar em funo
de fatores estruturais que podem ser modificados nos
polmeros.
No entanto, essa liberdade possibilitada pelos plsticos vista
como uma
confusa complexidade (NIELSEN e LANDEL, 1994). necessria uma
avaliao dos
diversos aspectos que afetam o comportamento estrutural, bem
como a reunio e a
organizao do conhecimento existente e o estado da arte. Dessa
maneira, algumas
contribuies deste trabalho so a desmistificao e a divulgao dos
elementos
estruturais de termoplsticos reciclados, junto s comunidades
tcnica e acadmica.
Nas propriedades mecnicas, a dependncia do tempo e da
temperatura
bastante acentuada. Isto se deve natureza viscoelstica, que
implica no
comportamento dual de um lquido viscoso e de um slido elstico.
Nos sistemas
viscosos, o trabalho dissipado sob a forma de calor, enquanto
que nos sistemas
elsticos, acumulado sob a forma de energia potencial (NIELSEN e
LANDEL, 1994).
funo do engenheiro de estruturas o estudo dos materiais que
constituem a
estrutura a ser projetada, para que haja uma concepo racional e
uso otimizado dos
recursos disponveis. Em paralelo, com o avano da cincia dos
materiais e com o
empenho do homem em buscar melhorias, novos materiais foram
desenvolvidos. Com
essa diversidade, a escolha do material tem se tornado, no
projeto, um aspecto crtico
na busca pela soluo estrutural mais adequada.
Este artigo baseado na dissertao de mestrado de Parente (2006),
na qual
podem ser encontrados maiores detalhes sobre os assuntos aqui
tratados.
2 FUNDAMENTOS TERICOS
Um projeto estrutural exige o conhecimento das propriedades
mecnicas para
definir o comportamento e adequar, com mais preciso, tcnicas e
mtodos de anlise
e de previso do desempenho do material, sob as aes de
projeto.
Os plsticos se comportam de maneira diferente da madeira, do ao
e do
concreto. Quando se objetiva viabilizar o plstico como material
estrutural,
importante tratar minuciosa e claramente os fundamentos tericos
que tratam das
suas propriedades mecnicas e dos seus modelos preditivos.
2.1 Tipos de comportamento
A figura 1 ilustra a diferena do diagrama da deformao ao longo
do tempo para
materiais elstico, viscoso e viscoelstico, quando sujeitos a
tenso constante. Essa
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tenso aplicada no tempo t 0= e mantida constante em um tempo 1t
(figura 1a). Como mostrado na figura 1b, a resposta da deformao de
um corpo-de-prova
elstico tem a mesma forma da tenso aplicada. Na aplicao da fora,
a deformao
alcana, instantaneamente, certo valor 0 e permanece
constante.
Figura 1 - Comparao da deformao para os materiais elstico,
viscoso e viscoelstico submetidos a uma tenso constante durante o
tempo t1. Fonte: HADDAD, 1995.
Para um fluido viscoso (figura 1c), o material flui a uma taxa
constante e a
resposta da deformao proporcional ao tempo.
J para o corpo-de-prova viscoelstico (figura 1d), existe um
aumento
relativamente rpido nas deformaes, para pequenos valores de t ,
imediatamente aps a aplicao da fora. Com o aumento de t , a
inclinao da tangente curva diminui e aproxima-se de zero ou de um
valor finito, mantida uma tenso constante.
Com a remoo da fora no tempo 1t , as deformaes recuperar-se-o
das
maneiras mostradas na figura 1.
O slido perfeitamente elstico recuperar-se- instantaneamente
(figura 1b).
Entretanto, com a remoo da fora, o corpo-de-prova viscoelstico
recuperar
rapidamente a sua deformao elstica; no entanto, a parte
retardada da resposta
necessitar de mais tempo para se recuperar (figura 1d).
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Num estado de tenso constante, a deformao de um material
viscoelstico
por fluncia pode ser dividida, com referncia figura 2, em trs
componentes
(LETHERSICH, 1950 apud HADDAD, 1995):
Figura 2 - Deformao de um material viscoelstico submetido a uma
tenso constante durante
o tempo t1. Fonte: HADDAD, 1995.
(a) Deformao elstica instantnea ( )e 0+ . Essa parcela atribuda
s deformaes das ligaes moleculares, incluindo a deformao das ligaes
fracas de
Van de Waals entre as cadeias moleculares. Essa deformao
reversvel.
(b) Deformao elstica retardada ( )d t . A taxa de crescimento
dessa parcela da deformao diminui rapidamente com o tempo. Tambm
elstica, mas, depois da
remoo da fora, requer um tempo para uma completa recuperao. ,
geralmente,
chamada de fluncia primria ou efeito elstico posterior.
(c) Fluidez viscosa ( )v t . Esse um componente irreversvel da
deformao, que pode ou no aumentar linearmente com a aplicao das
tenses. Num material
polimrico, caracterstico do escorregamento intermolecular. No
descarregamento do
corpo-de-prova viscoelstico no tempo 1t , a resposta elstica
instantnea ocorre
rapidamente e a resposta elstica retardada manifesta-se
gradualmente, mas a fluidez
viscosa permanece (WARD, 1983 apud HADDAD, 1995).
2.2 Propriedades mecnicas Uma particularidade dos plsticos seu
carter viscoelstico: suas propriedades
mecnicas agregam caractersticas dos lquidos viscosos e dos
slidos elsticos.
Essa natureza explica o seu comportamento complexo dependente do
tempo,
da temperatura e da taxa de deformao.
Os fenmenos da fluncia e da relaxao das tenses tambm so
verificados
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nos plsticos, como conseqncia da sua natureza viscoelstica. A
fluncia a
denominao dada ao aumento das deformaes para um nvel de tenses
constante.
O comportamento restaurador dos plsticos, quando descarregado,
tem sua
explicao a partir do mesmo princpio da fluncia. Na relaxao, ou
seja, admitida
uma deformao constante ao longo do tempo, as tenses necessrias
para mant-la
reduzem-se ao longo do tempo (CRAWFORD, 1987).
Conforme ilustra a figura 3, quando se aplica uma fora, ocorre
uma primeira
deformao, instantnea, que representa a parcela elstica
(intervalo OA). Com a
manuteno das tenses, ocorre o fenmeno da fluncia, que aumenta
as
deformaes, representando a parcela viscoelstica (intervalo AB).
A restaurao
das deformaes, quando se descarrega o material, ocorre de
maneira similar. Tem-
se, inicialmente, uma parcela de restaurao elstica (intervalo
BC) e, ao longo do
tempo, a restaurao viscoelstica (intervalo CD).
Figura 3 - Fluncia e recuperao de um material plstico. Fonte:
CRAWFORD, 1987.
Assim como para os metais, a fadiga dos plsticos tambm deve
ser
considerada. O carregamento cclico pode provocar a degradao do
material,
fazendo-o chegar ruptura com foras inferiores de um carregamento
esttico. A
fluncia pode tambm levar o material ruptura, como conseqncia das
deformaes
excessivas. Esse fenmeno conhecido como fadiga esttica
(CRAWFORD, 1987).
As propriedades mecnicas supracitadas, no entanto, podem variar
em funo
de vrios fatores, tanto externos como intrnsecos ao material. A
tabela 1 sumariza
algumas causas e os efeitos no mdulo de elasticidade e na
dutilidade.
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Tabela 1 - Relaes entre a rigidez e a dutilidade. Fonte:
CRAWFORD, 1987.
Efeito Causa
Mdulo de Elasticidade Dutilidade
Reduo da temperatura aumenta diminui Aumento da taxa de deformao
aumenta diminui Campo multiaxial de tenses aumenta diminui
Incorporao de plastificante1 diminui aumenta Incorporao de material
emborrachado diminui aumenta Incorporao de fibras de vidro aumenta
diminui Incorporao de material particulado aumenta diminui
1- Substncia adicionada ao plstico com a funo de torn-lo mais
flexvel.
3 ESTADO DA ARTE
O uso dos materiais polimricos tem se intensificado nas ltimas
dcadas,
principalmente devido ao avano da cincia dos materiais, s
melhorias agregadas ao
processamento dos plsticos e ao desenvolvimento dos materiais
compsitos.
Desde 1988, nos Estados Unidos, pesquisas tm sido desenvolvidas
com o
intuito de entender o comportamento do plstico reciclado, para a
substituio em
diversas aplicaes na construo civil que, anteriormente, eram
exclusivas da
madeira.
O progresso obtido reflete-se nas normas da ASTM, nos mtodos de
ensaios
desenvolvidos e nos diversos produtos que surgiram: moures,
postes, dormentes de
ferrovias e estruturas de portos, marinas e pontes (LAMPO e
NOSKER, 2001).
Krishnaswamy et al. (1997), a pedido do Departamento de Recursos
Naturais de
Ohio, nos Estados Unidos, realizaram ensaios em paletes de
plstico reciclado (PPR).
No relatrio que descreve desde a concepo da forma do palete, a
sua comparao
com outros materiais, a anlise do comportamento mecnico e o
estudo de viabilidade
econmica, Krishnaswamy et al. obtm as seguintes concluses:
Os PPRs so uma opo vivel e, dependendo da capacidade de carga
requerida no projeto, podem ser dimensionados para casos
particulares;
O desempenho dos PPRs em laboratrio e em campo alcana e at
excede o de paletes de madeira e de ao galvanizado. A integridade
estrutural e as
caractersticas de durabilidade so excelentes;
Apesar de o custo inicial ser maior que o dos outros materiais,
o desempenho e a vida til viabilizam os PPRs, tornando-os
comercialmente aceitveis.
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Sullivan e Wolfgang (1999) desenvolveram um compsito polimrico a
partir de
plstico reciclado, um componente polimrico emborrachado e um de
preenchimento
contendo mica.
O material resultante sugerido para diversos usos na construo:
dormentes
de ferrovias, meio-fios de estacionamentos e estacas em marinas.
Ainda, segundo os
autores, um dos benefcios do uso do plstico a combinao de baixo
peso e
adequada resistncia. As propriedades qumicas, eltricas e fsicas
podem ser
modificadas de acordo com o critrio de utilizao dos materiais
componentes.
Pesquisadores da AMIPP, Centro de Materiais Avanados via
Processamento de
Polmeros Imiscveis, da Universidade Rutgers em New Jersey/EUA,
tm conseguido
sucesso no desenvolvimento e na aplicao de materiais plsticos em
estruturas.
Nosker e Renfree so exemplos da inovao na AMIPP.
Eles desenvolveram uma blenda, composta por 35% de poliestireno,
PS, e 65%
de polietileno de alta densidade, PEAD, obtendo um material mais
resistente que o
PEAD e mais rgido que o PS. A grande rigidez deve-se densa
estrutura molecular,
resultado da interconexo do PS com o PEAD (GUTERMAN, 2003).
A descoberta da blenda, a partir de dois polmeros imiscveis,
ocorreu em 1988,
havendo pouco reconhecimento da comunidade cientfica por,
aproximadamente, uma
dcada. Em 1996, Nosker e Renfree iniciaram a construo de
pequenas pontes, com
o material desenvolvido. Em 1999, construiu-se uma ponte mista,
de plstico e ao, no
Missouri (EUA) e, dois anos depois, uma em New York, de plstico
e fibra de vidro.
Nosker e Renfree (1999a) desenvolveram um dormente para
ferrovias a partir de
um compsito de plstico reciclado. De acordo com esses autores,
vrios fatores
limitam o uso dos dormentes tradicionais de madeira: a reduzida
vida til, devido
ao de microorganismos e da umidade; a maior rigidez das normas
de controle e
preservao, pois grandes reas de florestas so necessrias para
suprir o mercado
de dormentes, alm do uso de preservativos qumicos na
madeira.
O dimensionamento do dormente com plstico reciclado (DCPR)
baseou-se nas
propriedades do tradicional dormente de madeira. Apesar do
desempenho
comprovado empiricamente atravs dos tempos, foi considerada a
possibilidade de
que as propriedades mecnicas da madeira no fossem otimizadas.
Ensaios de flexo
foram realizados com o DCPR e a resistncia ltima e o mdulo de
elasticidade foram
28MPa e 2069MPa, respectivamente.
Os DCPRs foram instalados em vrias ferrovias, com resultados
satisfatrios,
sem evidncias de fraturas, laminao ou quaisquer outros sinais de
degradao.
A empresa Polywood Plastic Lumber, de New Jersey/EUA, est
utilizando a
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tecnologia desenvolvida pela AMIPP, na fabricao de dormentes e
de outros
elementos estruturais. A figura 5 mostra os dormentes
produzidos.
Figura 5 - Dormentes de plstico reciclado produzidos pela
Polywood Plastic Lumber.
Alm da Polywood, mais duas empresas esto investindo na fabricao
de
dormentes de plstico reciclado: TieTek e U.S. Plastic Lumber,
ambas nos EUA.
A produo das trs empresas difere, mas todas partem do
polietileno de alta
densidade reciclado, misturado e no lavado, utilizam um sistema
de extruso e
realizam uma moldagem sob presso em moldes fechados, com a
finalidade de evitar
vazios no interior dos dormentes.
A maioria dos processos utiliza maquinrio pesado e so bastante
lentos. Aps o
preenchimento dos moldes, eles so levados para uma banheira de
resfriamento e,
posteriormente, so desmoldados hidraulicamente e deixados ao ar
livre para o
resfriamento total.
A partir do projeto e da fabricao de dormentes de compsito de
plstico
reciclado, Nosker e Renfree (1999b) continuaram a estudar as
diversas aplicaes
desse material como substituto da madeira. Compararam-se as
propriedades
mecnicas dos elementos estruturais de plstico com as relativas
aos de madeira, e
observou-se que o mdulo de elasticidade do plstico ainda
bastante deficiente. Isso
evidenciado quando se comparam os mdulos de elasticidade do
pinho, cerca de
8.300MPa a 11.000MPa, com o mais alto valor obtido com o
plstico, de 2.000MPa.
A soluo encontrada foi a adio de fibras de vidro dispostas de
forma
aproximadamente orientada, obtendo melhores resultados: aumento
mximo de 68%
na resistncia e de at 176% no mdulo de elasticidade.
Albano e Sanchez (1999) estudaram as propriedades mecnicas e
trmicas da
blenda composta por polipropileno (PP) virgem e polietileno de
alta densidade (PEAD),
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sendo este ltimo reciclado ou no.
Verificou-se que, para o mdulo de elasticidade, h um pequeno
sinergismo
entre os materiais constituintes. Observou-se, com microscpio
eletrnico, que a
grande quantidade de molculas interligadas na interface,
resultado da adio do
PEAD, somado ao processo de decomposio do PEAD (ruptura e
conseqentes
reaes de intertravamento), tornam a blenda mais rgida. Os
autores mostraram a
possibilidade do aproveitamento do resduo plstico, desde que
fosse verificada a
influncia da proporo dos plsticos constituintes, nas
propriedades trmicas e
mecnicas.
Produtos poliolefnicos reciclados com desempenho superior ao dos
materiais
virgens correspondentes foram obtidos por Martins et al. (1999).
Utilizando as palavras
dos autores: O balano das reaes de reticulao e ciso em cadeias
poliolefnicas,
quando expostas a condies ambientais de radicais livres, pode
resultar em boas
propriedades e novas aplicaes.
O comportamento mecnico da madeira plstica por eles
desenvolvida,
denominada IMAWOOD (constituda basicamente por polietileno), foi
melhorado por
efeito da radiao gama. Outro produto desenvolvido, o IMACAR
(constitudo de pra-
choques descartados de carros), revelou alta resistncia ao
impacto, muito superior
do material virgem de composio correspondente.
Uma explicao para esse comportamento que a exposio de polmeros
s
radiaes ionizantes altera a sua estrutura molecular e as suas
propriedades. Ocorre a
formao de ligaes cruzadas entre as cadeias, paralelamente ciso
entre tomos.
A reticulao provoca um aumento do peso molecular, que geralmente
ocasiona
melhoria das propriedades, enquanto que a ciso de cadeias reduz
o seu peso, tendo
como resultado a deteriorao das propriedades. Como o polietileno
apresenta
reticulao aps a irradiao, pode-se esperar uma melhoria nas suas
propriedades
mecnicas (MARTINS et al., 1999).
Aps a irradiao ao ar em intensidade crescente de exposio, o
IMAWOOD
apresentou um aumento em torno de 15% na resistncia trao e uma
diminuio da
ordem de 80% no alongamento de ruptura.
Houve tambm um aumento crescente no mdulo de elasticidade no
ensaio de
compresso, o que indica maior rigidez do plstico reciclado, com
o aumento do tempo
de exposio (MARTINS et al., 1999).
Carroll et al. (2001) estudaram as propriedades estruturais dos
elementos de
plstico reciclado, com adio de farinha de madeira. Os autores
concluram que o
material estruturalmente satisfatrio, mas no se deve
simplesmente substituir o
elemento de madeira pelo de plstico, com as mesmas dimenses.
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Eles enfatizam que as estruturas de compsitos plsticos devem
ser
projetadas como tal, e no utilizando parmetros e conhecimentos
tericos e
empricos, vlidos para outros materiais.
Krishnaswamy et al. (2001a) desenvolveram um compsito polimrico
e
projetaram e construram uma ponte sobre o rio Hudson, em New
York/EUA. O
comprimento total e a largura da ponte so, respectivamente, 9m e
3,35m.
O projeto consumiu um total de 5.000kg de plstico (polietileno
de alta
densidade) reforado com fibra de vidro e 2.500kg de ao para as
conexes e os
tirantes utilizados (KRISHNASWAMY, 2001b). A figura 6 mostra a
ponte j construda.
O monitoramento da ponte sob a ao das cargas de projeto
feito
continuamente, por meio de dez pontos de observao. Utilizando
uma referncia fixa,
so medidos os deslocamentos, por meio de uma estao total, com
GPS (Sistema de
Posicionamento Global) (KRISHNASWAMY, 2001b).
Figura 6 - Ponte sobre o rio Hudson construda com plstico
reforado com fibra de vidro.
Por meio de teste de carga padronizado pela AASHTO (American
Association of
State Highway and Transportation Officials), em abril de 2001, a
uma temperatura de
13C, o maior deslocamento, medido na parte inferior da ponte,
foi de 32,5mm,
denunciando a baixa rigidez do material utilizado, cerca de 20%
a 30% da rigidez da
madeira (KRISHNASWAMY, 2001b).
De acordo com Krishnaswamy (2001b), os elementos estruturais de
plstico
reciclado reforado com fibras, como os utilizados na ponte,
oferecem uma alternativa
economicamente vivel para pequenos vos.
As vantagens so: no um material biodegradvel e no sofre corroso
de
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qualquer espcie. Materiais ensaiados aps dez anos de utilizao
mostraram um
aumento na rigidez e na resistncia.
Alm de ser um material ambientalmente responsvel, quando se
considera o
custo em funo da sua vida til, o sistema construtivo torna-se
competitivo.
Em 2002, os pesquisadores da AMIPP, Nosker et al., construram
uma ponte
inteiramente de plstico guarda-corpos, vigas e plataforma , com
exceo dos
pilares, aproveitados da estrutura de madeira anterior. Com 14m
de comprimento e
peso em torno de 14t, estima-se que essa ponte sobre o rio
Mullica, em New Jersey,
construda de material reciclado, tenha consumido 250.000
garrafas plsticas e
750.000 copos de caf (DOWNS, 2002; JACOBSON, 2003; SAWYER,
2003;
GUTERMAN, 2003; GALIOTO, 2004). As figuras 7 e 8 ilustram a
ponte e sua
construo.
Figura 7 - Detalhes das vigas I utilizadas na construo da ponte
sobre o rio Mullica.
Figura 8 - Ponte sobre o rio Mullica construda inteiramente de
plstico.
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As vigas I utilizadas possuem uma seo de 41cm x 43cm (16 x 17).
A
ponte foi projetada para suportar o peso de caminho de at 18t.
Alm do apelo
ecolgico, com a reciclagem dos resduos plsticos, o material
constituinte da ponte
resistente ao da gua, corroso e ao ataque por
microorganismos.
A pesquisa aplicada ao desenvolvimento de novos materiais pelo
grupo de
pesquisadores da AMIPP e o sucesso por eles alcanado retratado
pelas patentes
registradas de novos materiais e de novas metodologias de
reciclagem de plsticos.
A primeira delas, n 5.298.214 de 29/03/1994 (United States
Patent), trata do
processamento de plsticos. Ela discorre sobre o mtodo de obteno
de compsitos
de poliestireno (PS) e de outras poliolefinas, a partir de
plsticos reciclados.
Em seguida, as patentes n 5.789.477 de 04/08/1998 e n 5.916.932
de
29/06/1999 (United States Patent) registram um material compsito
destinado
construo civil, obtido a partir de materiais reciclados. O
compsito obtido do
polietileno de alta densidade reciclado e fibras, como, por
exemplo, a fibra de vidro.
A patente n 5.951.940 de 14/09/1999 (United States Patent)
fornece subsdios
para o processamento adequado dos plsticos reciclados. De acordo
com os
inventores, todo o esforo tem sido direcionado no sentido de
tornar economicamente
vivel o processo de reciclagem do plstico ps-consumo, sem que
haja a
necessidade de uma triagem, ou seja, tornar exeqvel a reciclagem
de plsticos
misturados, poliolefinas ou no, juntamente com as impurezas.
A construo com elementos de plstico reciclado uma realidade,
principalmente nos Estados Unidos e, em menor escala, no Canad e
na Inglaterra. A
tecnologia desenvolvida nas universidades j ultrapassou a escala
experimental de
laboratrio e chegou aos ptios das fbricas, com a produo em
grande escala.
Figura 9 - Marina construda com pilares de plstico reciclado
desenvolvido na AMIPP.
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Figura 10 - Deque e per com elementos de plstico reciclado
(Plastic Lumber Yard/EUA).
As figuras 9 e 10 indicam amostras do que est sendo feito no
mundo,
comercialmente, e indicam um cenrio que no deve ser ignorado, a
dos elementos
estruturais de material plstico reciclado.
Dentre os tipos de processamento, o mais adequado produo de
perfis com
fins estruturais a pultruso. Correia et al. (2005) ensaiaram
perfis pultrusados e
verificaram as mudanas ocorridas nas propriedades fsicas,
qumicas, mecnicas e
estticas, quando submetidos exposio acelerada de umidade,
temperatura e
radiao ultravioleta. O material estudado que compunha os perfis
era o polister
reforado com fibra de vidro (GFRP). A partir dos resultados dos
ensaios, concluiu-se
que a resistncia e a deformao na ruptura diminuram com a
umidade, e este efeito
foi acelerado pelo aumento da temperatura.
Correia et al. (2005) salientaram que a degradao ocorreu devido
a um
fenmeno fsico, como a plastificao da matriz polimrica, no
havendo uma
degradao qumica passvel de ser considerada. Apesar da reduo dos
valores das
propriedades mecnicas, observados nos ensaios de durabilidade, a
pesquisa
confirmou que os perfis pultrusados de GFRP apresentaram
excelente desempenho
estrutural, indicando durabilidade maior, em comparao com
materiais tradicionais.
4 O PROJETO DE ESTRUTURAS DE MATERIAL PLSTICO
A proposio de um novo sistema estrutural ou a substituio parcial
de
elementos tradicionais por outros de plstico deve vir seguida do
estudo da alterao
que ser necessria na arquitetura, at para definir em quais
solues o plstico pode
ser aplicado. Talvez um dos fatores mais importantes a se
considerar seja o vo que
pode ser alcanado com essa estrutura. De certa forma, um
problema de natureza
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arquitetnica, e que evidencia a dependncia bvia entre estrutura
e arquitetura.
Alm de manter a estabilidade da obra, o novo material deve tambm
atender s
condies de servio. No caso dos plsticos, talvez o fator mais
limitante seja a
temperatura. Nos materiais viscoelsticos, medida que se aumenta
a temperatura,
diminui-se o mdulo de elasticidade. Em se tratando de materiais
estruturais, a perda
de rigidez torna-se crtica, pois indesejvel que surjam deformaes
excessivas,
causa de desconforto aos usurios e at do colapso da
estrutura.
O uso de materiais combinados ou compsitos polimricos contorna
algumas
deficincias dos plsticos, como a baixa rigidez e a
suscetibilidade variao de
temperatura. Esses compsitos, antes aplicados exclusivamente na
indstria
aeronutica e aeroespacial, passam a ser cada vez mais utilizados
na construo civil,
atendendo aos desafios impostos pela arquitetura cada vez mais
arrojada e aos
requisitos de durabilidade e de alto desempenho.
O emprego de reforos um conceito que tem sido extensivamente
aplicado
pelos projetistas, e com os materiais plsticos no diferente.
Desde o uso pelos
egpcios de fibras naturais como reforo em estruturas de argila,
os materiais
compsitos atendem s demandas por solues na rea da construo.
Por exemplo, a combinao de ao e concreto, formando concreto
armado, tem
sido a base para inmeros sistemas estruturais adotados desde o
incio do sculo XX.
Os projetistas, contudo, continuam a utilizar novos materiais,
com o intuito de tornar as
estruturas mais resistentes, maiores, mais durveis,
energeticamente eficientes e
esteticamente agradveis (LOPEZ-ANIDO e NAIK, 2000).
4.1 Propriedades do plstico
Para uma correta concepo da estrutura, visando o aproveitamento
das
vantagens do material plstico, certas propriedades devem ser
observadas, a
depender do fim a que se destina a estrutura, pois devem ser
levadas em
considerao as peculiaridades desse material, cujo comportamento
bastante
diferente dos relativos aos metais, madeira e ao concreto.
As propriedades mais relevantes em um projeto estrutural so:
Resistncia trao, compresso e flexo; Mdulo de Elasticidade (para
diversas temperaturas); Coeficiente de Poisson; Resistncia ao
impacto e fadiga; Fluncia; Relaxao;
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Absoro de gua; Temperatura de transio vtrea - gT ; Coeficiente
de expanso trmica.
O projetista que deseja dimensionar elementos estruturais deve
fazer, durante o
desenvolvimento do projeto estrutural, as seguintes
perguntas:
Qual o nvel de tenses a que o material ser submetido? Qual a
solicitao predominante (trao, compresso, flexo, toro)? Qual a vida
til esperada para a estrutura? Ser a estrutura submetida ao
impacto? Ser a estrutura submetida a um carregamento cclico
(fadiga)? Qual a deformao admissvel para a estrutura em questo?
Qual a mxima temperatura a que o plstico ser submetido? Ser o
plstico exposto umidade e a substncias qumicas?
4.2 Limitaes de uma estrutura de material plstico
A seguir so mostradas algumas das principais limitaes do uso do
material
plstico em elementos estruturais.
a) Inflamabilidade e influncia da temperatura Para que o
material plstico possa ser utilizado com segurana em edificaes,
podem-se utilizar normas especficas que prevejam o cuidado com a
inflamabilidade
das estruturas.
A adio de produtos qumicos retardantes de chama, durante a
manufatura dos
plsticos, uma forma de se evitar o perigo de incndio em
estruturas com elementos
de material plstico.
O dimensionamento de uma estrutura de plstico, em funo de sua
baixa
rigidez, dever ser regido pelo estado limite de servio, sendo a
deformao o fator
limitante de projeto.
A perda da rigidez dos plsticos com a diminuio de seu mdulo
de
elasticidade, medida que se aumenta a temperatura, deve ser
considerada em
projeto.
Por exemplo, um plstico como o poliestireno possui quatro
estgios de
deformao com o aumento da temperatura, como mostra a figura 11.
O impacto da
variao de temperatura sobre os plsticos , talvez, o maior
entrave sua aplicao
em estruturas, apesar de fibras reduzirem bastante essa
influncia.
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Figura 11 - Mdulo de elasticidade E versus temperatura. Fonte:
PRINGLE e BAKER, 2000.
b) Estabilidade aos raios ultravioletas (UV) Ao ser aplicado em
elementos estruturais que, porventura, estaro expostos ao
sol, deve-se observar a resistncia dos plsticos aos efeitos
dessa exposio. Isso
porque a radiao ultravioleta pode tornar o plstico, antes durvel
e resistente, num
material que se quebra ou se rompe sob uma fora aplicada, e este
um processo
irreversvel (PRINGLE e BAKER, 2000).
Como a deteriorao em funo dos raios UV bastante lenta, so
realizados
ensaios utilizando luz artificial para acelerar o processo, para
se medir essa
estabilidade. Existem, no entanto, produtos qumicos chamados de
estabilizantes que
retardam o efeito da radiao, minimizando bastante os efeitos
malficos que podem
vir a surgir.
Os plsticos reciclados podem conter estabilizantes UV, mas no
possvel ter
essa certeza, a no ser que sejam realizados ensaios que possam
detectar essas
substncias, o que no prtico. De qualquer forma, raramente
possvel determinar
a quantidade de estabilizante utilizado e a degradao que o
plstico j sofreu. Por
isso, em algumas aplicaes, para se garantir maior vida til,
utiliza-se uma proporo
de material virgem com o material reciclado (PRINGLE e BAKER,
2000).
Lynch et al. (2001) verificaram quais foram as mudanas nas
propriedades
mecnicas de elementos estruturais de material plstico reciclado,
mais precisamente
polietileno de alta densidade (PEAD), expostos ao sol e s
intempries por 11 anos.
Os resultados, contudo, mostram um prognstico positivo para a
utilizao de plstico
reciclado, ao menos para o tipo de plstico estudado, o PEAD.
Houve um clareamento superficial em funo da radiao UV no lado
que estava
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exposto ao sol. A radiao ainda provocou uma minscula degradao da
superfcie
do PEAD, da ordem de 0,075mm/ano. No entanto, o clareamento e a
minscula
degradao superficial no afetaram as propriedades mecnicas do
material.
A figura 12 permite comparar os lados do elemento estrutural,
sendo o de cima o
exposto ao sol, e o de baixo o que no foi submetido a essa
exposio. A figura 13
mostra a estrutura da passarela, da qual foi retirado o material
para os ensaios.
Figura 12 - Clareamento do PEAD como resultado da radiao UV.
Fonte: LYNCH et al., 2001.
Figura 13 - Passarela de onde foi retirado o material para
ensaio. Fonte: LYNCH et al., 2001.
Lynch et al. (2001) concluram, aps verificar um aumento de 3% no
mdulo de
elasticidade e na resistncia flexo, que as mudanas climticas ao
longo dos 11
anos aumentaram o grau de cristalizao do plstico, e que essa
reduo das regies
amorfas contriburam para o aumento da rigidez e da resistncia do
PEAD reciclado.
c) Resistncia aos solventes Em algumas aplicaes, deve-se
verificar se o plstico ser exposto a solventes,
como, por exemplo, o contato com combustveis ou outros derivados
do petrleo, haja
vista que isso pode comprometer a sua integridade.
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O mesmo cuidado deve ser dedicado aos plsticos reciclados e,
caso
necessrio, o material deve ser processado de forma a melhorar
sua resistncia frente
aos solventes (PRINGLE e BAKER, 2000).
5 CONCLUSES
Ao se introduzir um material estrutural alternativo como o
plstico reciclado,
desmistifica-se para a comunidade cientfica e para a sociedade o
seu potencial e as
suas vantagens que, dentre as vrias, podem-se citar: o forte
apelo ecolgico, o baixo
peso especfico, a indiferena deteriorao por decomposio e por
ataque de
microorganismos, a alta resistncia corroso, o fcil processamento
e o reduzido
custo de manuteno.
A abundncia de material plstico reciclado a baixo custo uma
alternativa a ser
explorada em estruturas, e no deve mais ser desconsiderada.
A pesquisa sobre o tema no Brasil incipiente e a escassez de uma
bibliografia
nacional evidencia esse atraso. No entanto, em pases como
Estados Unidos, Japo e
Canad, os avanos na rea so notveis, tornando possvel a construo
de pontes,
passarelas, deques, ferrovias e marinas com elementos
estruturais de plstico,
reciclado ou no.
Com base no que foi abordado neste artigo, pode-se fazer
observaes
indicadas nos pargrafos seguintes.
Os materiais plsticos possuem uma baixa rigidez quando
comparados com os
materiais de construo tradicionais, como a madeira, o ao e o
concreto.
A adio de fibras aumenta substancialmente o mdulo de
elasticidade. Alm
disso, a adio de fibras pode ser empregada tambm para atenuar os
fenmenos
dependentes do tempo, como a fluncia e a relaxao.
A baixa rigidez tambm pode ser compensada com o emprego de
armaduras
protendidas ou com o desenvolvimento de geometrias timas,
aproveitando a alta
relao resistncia/densidade desses materiais.
Uma das principais vantagens dos plsticos, quando comparados aos
materiais
tradicionais, a sua possibilidade de ser moldado nas mais
diversas formas, no
exigindo soldas ou outros processos de conformao, para a obteno
do produto
final. Enquanto um perfil metlico possui diversas etapas para a
sua manufatura, um
perfil de material plstico pode ser confeccionado numa nica
etapa.
A relao resistncia/densidade para os materiais plsticos,
principalmente os
compsitos polimricos, superior dos materiais tradicionais. Esse
peso reduzido
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permite um melhor aproveitamento da capacidade estrutural do
elemento e a
adoo de um sistema estrutural mais eficiente.
As caractersticas de um plstico podem ser desenvolvidas a partir
das
necessidades de projeto, sendo esta possibilidade uma diferena
bsica perante os
materiais tradicionais, que normalmente requerem que os projetos
sejam adequados
s propriedades mecnicas disponveis comercialmente.
Os termoplsticos possuem o comportamento dependente da
temperatura e da
taxa de deformao. A temperatura pode ser considerada um fator
limitante.
Nos materiais viscoelsticos, medida que se aumenta a
temperatura, diminui o
seu mdulo de elasticidade. Em se tratando de materiais
estruturais, a perda de
rigidez torna-se crtica, pois indesejvel o surgimento de
deformaes excessivas,
causando desconforto aos usurios e at mesmo o colapso da
estrutura.
Antes de se projetar uma estrutura de plstico, deve-se observar
com que
intensidade os elementos estruturais estaro expostos ao calor,
fazendo-se o
dimensionamento para a pior condio possvel, ou seja, a maior
temperatura.
A inflamabilidade dos plsticos deve ser considerada. Para que o
material
plstico possa ser utilizado com segurana em edificaes, devem ser
utilizadas
normas que prevejam o cuidado com a inflamabilidade dessas
estruturas e, at
mesmo, o emprego de instalaes especiais de combate ao
incndio.
A adio de produtos qumicos retardantes de chama uma forma de se
atenuar
o perigo de incndio em estruturas com elementos de material
plstico.
Outra soluo a utilizao de uma camada protetora, de material
isolante.
6 AGRADECIMENTOS
CAPES, pela bolsa de mestrado.
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