MATERIAIS COMPÓSITOS
A correta utilização das fibras passa necessariamente pela conceituação do novo material resultante, que é o compósito. Um material compósito é a combinação de dois ou mais materiais que têm propriedades que os materiais componentes isoladamente não apresentam. Eles são, portanto, constituídos de duas fases: a matriz e o elemento de reforço, e são desenvolvidos para otimizar os pontos fortes de cada uma das fases (Budinski, 1996).

Na indústria mecânica, os compósitos são largamente empregados e geralmente são constituídos por matriz dúctil e fibra de ruptura frágil, como, por exemplo, os plásticos reforçados com fibras de vidro. Na construção civil, os compósitos são tipicamente constituídos por matriz frágil reforçada com fibra dúctil, como os concretos reforçados com fibras de aço e fibras de polipropileno, embora haja exceções, como o cimento amianto, talvez o mais popular compósito da engenharia civil, no qual a matriz (pasta de cimento) e as fibras (amianto) apresentam ruptura frágil.

Ainda segundo Budinski (1996), os materiais compósitos mais importantes são combinações de polímeros e materiais cerâmicos. Sob a ótica da ciência dos materiais, os produtos baseados em cimento Portland são considerados como materiais cerâmicos por apresentarem características típicas a este grupo de materiais, como, por exemplo, alta rigidez, fragilidade, baixa resistência à tração e tendência de fissuração por secagem.

Os polímeros são caracterizados por terem baixo módulo de elasticidade, ductilidade variável e resistência à tração moderada. São extremamente versáteis e, dentro de certos limites, podem ser modificados para adaptar-se segundo necessidades específicas (Taylor, 1994). As cerâmicas e os polímeros podem ser considerados como grupos opostos de materiais, uma vez que as primeiras são mais rígidas e frágeis, e os segundos são menos rígidos e dúcteis (Taylor, 1994).

Os materiais compósitos, originados da combinação das cerâmicas e dos polímeros, apresentam características mais apropriadas de resistência mecânica, rigidez, ductilidade, fragilidade, capacidade de absorção de energia de deformação e comportamento pós-fissuração, quando comparados com os materiais que lhes deram origem. Em todas as áreas do conhecimento um grande número de novos materiais pode ser desenvolvido a partir da combinação de outros. Para tanto, é necessário que se conheçam as propriedades mecânicas, físicas e químicas dos materiais de constituição e como eles podem ser combinados.

Budinski (1996) diz que “nós conhecemos bastante sobre os porquês de as coisas acontecerem e como fazer uma ampla variedade de materiais de engenharia. No entanto, o desenvolvimento de futuros materiais dependerá de novos conhecimentos de química e de estrutura atômica. Nós provavelmente não encontraremos nenhum outro elemento químico estável; portanto, deveremos ser mais criativos com o que temos”.

MATERIAS COMPÓSITOS FIBROSOS
A história da utilização de compósitos reforçados com fibras como materiais de construção tem mais de 3.000 anos. Há exemplos do uso de palhas em tijolos de argila, mencionados no Êxodo, e crina de cavalo reforçando materiais cimentados. Outras fibras naturais têm sido utilizadas para conferir ductilidade aos materiais de construção essencialmente frágeis (Illston,1994).

Contrastando com esses antigos materiais naturais, o desenvolvimento de polímeros nos últimos cem anos foi impulsionado pelo crescimento da indústria do petróleo. Desde 1930 o petróleo tem sido a principal fonte de matéria-prima para a fabricação de produtos químicos orgânicos, a partir dos quais são fabricados plásticos, fibras, borrachas e adesivos (Illston,1994).

Uma grande quantidade de polímeros, com variadas propriedades e formas, têm sido desenvolvidos desde 1955. Para Taylor (1994), os materiais baseados em cimento Portland são uma opção natural para a aplicação de materiais fibrosos à base de fibras poliméricas, uma vez que são baratos, mas apresentam problemas relativos a ductilidade, resistência ao impacto e capacidade de absorção de energia de deformação.

Segundo Johnston (1994), as fibras em uma matriz cimentada podem, em geral, ter dois efeitos importantes. Primeiro, elas tendem a reforçar o compósito sobre todos os modos de carregamento que induzem tensões de tração, isto é, retração restringida, tração direta ou na flexão e cisalhamento, e, secundariamente, elas melhoram a ductilidade e a tenacidade de uma matriz frágil. O desempenho dos compósitos reforçados com fibras é controlado principalmente pelo teor e pelo comprimento da fibra, pelas propriedades físicas da fibra e da matriz e pela aderência entre as duas fases (Hannant, 1994). Johnston (1994) acrescenta o efeito da orientação e distribuição da fibra na matriz. A orientação de uma fibra relativa ao plano de ruptura, ou fissura, influencia fortemente a sua habilidade em transmitir cargas. Uma fibra que se posiciona paralela ao plano de ruptura não tem efeito, enquanto que uma perpendicular tem efeito máximo. Taylor (1994) apresenta os principais parâmetros relacionados com o desempenho dos materiais compósitos cimentados, assumindo que as variações das propriedades descritas abaixo são atingidas independentemente:

a) Teor de fibra. Um alto teor de fibras confere maior resistência pós-fissuração e menor dimensão das fissuras, desde que as fibras possam absorver as cargas adicionais causadas pela fissura;
b) Módulo de elasticidade da fibra. Um alto valor do módulo de elasticidade causaria um efeito similar ao teor de fibra, mas, na prática, quanto maior o módulo maior a probabilidade de haver o arrancamento das fibras;
c) Aderência entre a fibra e a matriz. As características de resistência, deformação e padrões de ruptura de uma grande variedade de compósitos cimentados reforçados com fibras dependem fundamentalmente da aderência fibra/matriz. Uma alta aderência entre a fibra e a matriz reduz o tamanho das fissuras e amplia sua distribuição pelo compósito;
d) Resistência da fibra. Aumentando a resistência das fibras aumenta também a ductilidade do compósito, assumindo que não ocorre o rompimento das ligações de aderência. A resistência da fibra dependerá, na prática, das características pós-fissuração desejadas, bem como do teor de fibra e das propriedades de aderência fibra-matriz;
e) Deformabilidade da fibra: A ductilidade pode ser aumentada com a utilização de fibras que apresentem alta deformação de ruptura. Isto se deve ao fato de compósitos com fibras de elevado grau de deformabilidade consumirem energia sob a forma de alongamento da fibra;
f) Compatibilidade entre a fibra e a matriz: A compatibilidade química e física entre as fibras e a matriz é muito importante. A curto prazo, as fibras que absorvem água podem causar excessiva perda de trabalhabilidade do concreto. Além disso, as fibras que absorvem água sofrem variação de volume, e a aderência fibra/matriz é compro-metida. A longo prazo, alguns tipos de fibras poliméricas não possuem estabilidade química frente à presença de álcalis, como ocorre nos materiais à base de cimento Portland. Nesses casos, a deterioração com rápida perda das propriedades da fibra e do compósito pode ser significativa.
g) Comprimento da fibra. Quanto menor for o comprimento das fibras, maior será a possibilidade de elas serem arrancadas. Para uma dada tensão de cisalhamento superficial aplicada à fibra, esta será melhor utilizada se o seu comprimento for suficientemente capaz de permitir que a tensão cisalhante desenvolva uma tensão de tração igual a sua resistência à tração. Na verdade, não basta raciocinar tão-somente em cima do comprimento da fibra. Há de se levar em conta o seu diâmetro. Pois depende também dele a capacidade da fibra em desenvolver as resistências ao cisalhamento e à tração.