Compósitos avançados para aplicações de alto desempenho

Um material compósito ou compósito é formado pela combinação de dois ou mais materiais de natureza distinta, que se combinam para oferecer propriedades superiores às dos componentes originais. Os compósitos poliméricos, como o nome indica, dispõem de um material ou fase polimérica que desempenha as funções de matriz. A esta matriz juntam-se outros materiais que desempenham a função de reforço (tipicamente fibras de vidro, carbono ou aramida) e, quando possível, outros materiais de baixo custo, também conhecidos como cargas.

Os materiais compósitos têm vindo a ser utilizados na construção desde a antiguidade: barro misturado com palha, gesso com crinas de cavalo, etc. No entanto, os materiais compósitos de natureza polimérica começam a surgir no início do século XX, quando são descobertas as resinas termoendurecíveis.

Das aplicações bélicas primeiro e das aeroespaciais depois, passa-se, com a industrialização e a redução de custos, à utilização dos compósitos noutros campos da indústria e, hoje em dia, os materiais compósitos de matriz termoendurecível apresentam excelentes características aplicáveis à construção, tais como:

• Têm baixa densidade, o que se traduz num baixo peso para o mesmo volume face aos materiais tradicionais (aço, betão, etc.).
• Não são afetados pela corrosão nem pelo ataque de agentes ambientais. Não oxidam.
• Apresentam excelentes propriedades mecânicas.
• Permitem grande liberdade de formas e designs.
• Alguns são transparentes às ondas eletromagnéticas.
• Apresentam uma grande variedade de acabamentos, devido à ampla gama de revestimentos (“gel-coats”) existentes.
• Podem atuar como isolantes elétricos.
• Têm um custo de produção competitivo.

No entanto, a utilização de materiais compósitos, embora seja aceite sem reservas em setores como o eólico, o de tratamento de águas residuais, o náutico (cascos de barco, acessórios de convés, etc.) ou o automóvel (interiores, carroçaria, etc.), entre outros, não teve o mesmo crescimento na construção. Isto deve-se fundamentalmente ao baixo grau de normalização que existe atualmente nos materiais compósitos. Por outro lado, os materiais tradicionais (betões, metais, cerâmicas, etc.) exercem uma concorrência muito forte porque o seu desempenho é muito bem conhecido por projetistas, empreiteiros e até pelos próprios clientes.

Materiais compósitos reforçados com fibras

As principais aplicações em edifícios dos materiais compósitos reforçados com fibras (FRPs) de diferente natureza incluem, por ordem crescente de exigência estrutural, caixilharias de janelas e portas, moldes utilizados em arquitetura, estruturas secundárias como painéis para paredes, tetos e pavimentos, grades, etc., e estruturas primárias para edifícios modulares.

No que diz respeito a infraestruturas, podemos encontrar aplicações como revestimentos de pontes, pontes pedonais, pontes rodoviárias, carenagens aerodinâmicas, reforços de betão, colunas, depósitos sob pressão, pavimentos isolantes e revestimentos, etc.

As aplicações dos FRPs no campo da arquitetura desenvolveram-se inicialmente nos Estados Unidos, onde hoje têm um grande mercado. A nível europeu, embora o mercado ainda seja reduzido, a introdução das primeiras portas domésticas de FRPs há cerca de quinze a vinte anos iniciou a tendência de crescimento deste tipo de materiais. As diferentes composições dos FRPs permitem a produção de artigos com propriedades à medida para satisfazer os requisitos de mercados como novos edifícios e reabilitações de edifícios antigos, tanto no setor público como no privado. Uma vantagem muito importante dos compósitos na construção é a possibilidade de satisfazer os rigorosos requisitos de resistência ao fogo e de isolamento acústico impostos pela regulamentação atual. Isto é conseguido de forma mais eficaz quando os compósitos são combinados com outros materiais (geralmente núcleos), como aço, termoplásticos ou plásticos reciclados, para cumprir os requisitos de custo. Além disso, neste campo, os FRPs têm benefícios de natureza social, como a melhoria da eficiência térmica na habitação e maior durabilidade, aumentando os intervalos de reconstrução.

Aplicações dos materiais compósitos

Outra tendência que ganha cada vez mais importância é a aplicação de compósitos na construção de pontes. As pontes são uma das aplicações mais exigentes da engenharia civil. Poucas estruturas apresentam a mesma combinação de funcionalidade e impacto visual. Nas pontes rodoviárias, o uso de betão e aço goza de uma supremacia quase absoluta. No entanto, os materiais compósitos podem desempenhar (e de facto já desempenham) um papel fundamental na substituição dos tabuleiros que formam o piso das pontes, onde a resistência à corrosão e a rapidez de instalação são importantes. De forma semelhante, os revestimentos das pontes também estão a ser realizados com este tipo de materiais compósitos. Merecem especial destaque as pontes pedonais, geralmente instaladas em zonas de difícil acesso: a leveza dos materiais compósitos permite a sua instalação sem recurso a veículos pesados, como gruas.

A utilização de materiais compósitos como revestimentos é um bom método para conferir valor acrescentado às edificações, tanto às de nova construção como à restauração das já existentes. As suas aplicações em fachadas, esculturas, torres, abóbadas, cúpulas, etc. constituem uma alternativa à pedra, tijolos, madeira, telhas, etc., face aos quais apresentam vantagens como baixa manutenção, resistência aos UV, baixo peso e facilidade de criar réplicas das peças para substituição.

A instalação de vedações é outra aplicação importante. No âmbito doméstico, já estão a ser usadas devido ao seu baixo peso e manutenção e à sua excelente resistência às intempéries. Por outro lado, dentro desta aplicação, destaca-se a vedação de aeroportos, uma vez que os materiais compósitos são inerentemente transparentes às ondas de radar e, por isso, elimina-se o risco de interferência com os equipamentos de aterragem e descolagem. Outro motivo adicional é a sua fragilidade, pois, embora sejam materiais altamente rígidos e resistentes, quebrar-se-iam facilmente em caso de colisão com um avião, minimizando as consequências do acidente.

As estruturas modulares são um conjunto de painéis pultrudidos que se entrelaçam para dar origem a construções com integridade estrutural por si só, isto é, sem necessidade de armações adicionais. As vantagens mais destacadas nesta aplicação são a possibilidade de prefabricação, a facilidade de transporte e a instalação simples. As suas aplicações são variadas: torres de arrefecimento, armazéns, túneis de lavagem, etc.

A possibilidade de conceber materiais compósitos com requisitos estruturais “à medida”, graças à orientação preferencial das suas fibras, torna-os muito indicados para aplicações com elevadas exigências estruturais, como mastros, torres e postes. Os beneficiários destes produtos são, sobretudo, empresas elétricas e de telecomunicações, que podem realizar a distribuição através de linhas colocadas mais próximas entre si, uma vez que se elimina o risco de arco elétrico, graças às propriedades dielétricas destes materiais, que também encontram aplicação como postes de serviço público, suportes de painéis solares, pilares marítimos, etc.

A facilidade de processamento dos compósitos de matriz polimérica torna-os ideais para reforçar estruturas. No caso de vigas e pontes, aplica-se fibra de carbono (que pode ser convencional ou pré-tensionada) na sua parte inferior, que está sujeita a tração. Também é utilizada na reparação e reforço de fachadas, telhados, estradas, etc. A vantagem mais significativa do uso de reforços compósitos de resina com fibra de carbono face ao aço é a redução do peso próprio da estrutura. As fibras de carbono têm uma resistência à tração muito superior à do aço e, além disso, são muito mais leves e não apresentam corrosão. Os reforços com fibra de vidro são uma alternativa mais económica. Seja qual for a opção, a ligação entre o revestimento e a estrutura é de grande importância para que o recobrimento cumpra a sua função. Para prevenir a sua rotura, foram desenvolvidos métodos de análise não destrutivos para a determinação de vazios entre a estrutura a reforçar e o revestimento, como a termografia por pulso ultrassónico transitório.

Os materiais compósitos têm sido considerados em muitas aplicações estruturais inovadoras devido à sua flexibilidade: é possível combiná-los com materiais tradicionais, obtendo-se efeitos sinérgicos a preços competitivos. A sua maior durabilidade, resistência à corrosão, facilidade de transporte e possibilidade de prefabricação abrem uma nova porta aos profissionais da construção.

Outros setores de aplicação dos compósitos

Outro setor onde os compósitos estão a ganhar grande importância é o eólico. Os requisitos fundamentais exigíveis às pás dos aerogeradores são uma excelente resistência à fadiga, resistência à corrosão (especialmente para pás instaladas na costa), manutenção mínima, uma vida útil de pelo menos 30 anos e leveza. Os materiais compósitos são a resposta ideal a esta necessidade e substituíram totalmente o aço e o alumínio.

Uma nova tendência são os compósitos plásticos de madeira (Wood Plastic Composites – WPC). Estes são uma combinação de madeira (em diversas formas) com um termoplástico ou um termoendurecível. Geralmente trata-se de farinha de madeira ou serradura e, embora à partida a madeira seja um compósito que, além de absorver humidade, não apresenta elevada rigidez, este material compósito encontrou aplicação no design de interiores, no fabrico de produtos de jardim, etc., dado que, além de apresentar um elevado valor estético, permite reciclar os excedentes das indústrias madeireiras, contribuindo para o desenvolvimento sustentável e para o ambiente.