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AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE COMPÓSITOS CIMENTO-PARTÍCULAS DE
PÓ DE COCO PRODUZIDOS POR DIFERENTES PROCESSAMENTOS
R. S. Santana1 , J. A. R. Vieira1, G. A. M. Brasileiro1,2 , L. S. Barreto1 Av. Marechal Rondon, S/N, CEP 49100-000, São Cristóvão, Sergipe, Brasil
e-mail: [email protected] 1 Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais,
Universidade Federal de Sergipe - UFS 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe – IFS
RESUMO
O trabalho tem como objetivo aprimorar os estudos sobre a utilização de compósitos
cimentícios de fibras vegetais em matrizes a base de cimento Portland, através de
alterações no processamento dos compósitos cimento-materiais lignocelulósicos para
melhorar o desempenho e a durabilidade. O material vegetal foram as partículas de pó
de coco e dois tipos de processamentos foram utilizados para a produção dos
compósitos cimento-pó de coco: a) tratamento das partículas de pó de coco com
soluções de hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] e carbonato de sódio (Na2CO3) sem
posterior lavagem e b) incorporação das duas soluções como aditivos aceleradores da
pega. Foram produzidos corpos de prova de 40 x 40 x 40 mm para ensaio de
resistência à compressão e de 20 x 20 x 80 mm para ensaio de flexão em três pontos e
ensaios físicos (densidade e porosidade aparentes e absorção de água por imersão).
Para avaliar a durabilidade, os corpos de prova para flexão foram submetidos ao
envelhecimento natural ao ar livre e em laboratório. Os resultados mostram alterações
no desempenho dos corpos-de-prova com o envelhecimento. Após um ano, os
compósitos com os dois tipos de processamento tiveram valores de módulo de ruptura
(MOR) superiores (4,36 ± 0,38 MPa) aos valores de 28 dias (1,68 ± 0,09 MPa),
enquanto que os compósitos com pó de coco in natura apresentaram uma redução no
MOR (3,02 ± 0,38 MPa e 4,23 ± 0,26 MPa, respectivamente).
Palavras-chaves: compósitos cimentícios com partículas de pó de coco,
desempenho, durabilidade, envelhecimento, propriedades mecânicas e físicas.
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INTRODUÇÃO
Os materiais lignocelulósicos possuem substâncias inibidoras à reação de
hidratação do cimento, como a hemicelulose, os carboidratos, os açúcares e os
componentes fenólicos. O principal efeito inibitório sobre o cimento é o atraso no
processo de cura(1).
A literatura apresenta diversas estratégias de processamentos dos compósitos
cimentícios com resíduos lignocelulósicos(2). A melhoria da compatibilidade entre
cimento e material lignocelulósico pode ser obtida por meio de tratamentos
realizados nas partículas/fibras vegetais com a finalidade de reduzir a presença de
substâncias inibidoras da reação de hidratação(3,4). Além disso, a eficiência dos
compósitos cimentícios com material lignocelulósico depende principalmente da
capacidade de transferência de tensão entre fibra/partícula e a matriz(5).
Para o desenvolvimento de novos materiais de construção, algumas condições
básicas devem ser atendidas, como: economia, viabilidade, segurança,
trabalhabilidade e principalmente durabilidade(6). Assim, estudos para estimativa da
vida útil do material devem ser realizados antes da sua inserção no mercado.
Para a avaliação da durabilidade são empregados métodos que expõem o novo
material a condições a que será submetido durante sua vida útil, a fim de avaliar a
degradação. Os métodos podem ser ensaios de envelhecimento natural e
envelhecimento acelerado para fornecer resultados em menor intervalo de tempo. As
propriedades mecânicas e propriedades físicas, antes e após o envelhecimento, são
utilizadas para mensurar o desempenho e avaliar a durabilidade. Melhorar a
durabilidade dos compósitos cimentícios com materiais lignocelulósicos continua sendo
um desafio. Há evidências de que os materiais vegetais sofrem alterações no seu
desempenho mecânico, em conjunto com a matriz, dependendo da idade do compósito
e das condições de exposição(7,8).
O objetivo geral do trabalho foi aprimorar os estudos de compósitos cimentícios
com partículas de pó de coco, através da avaliação da durabilidade desses
compósitos produzidos por diferentes processamentos, utilizando o processo de
envelhecimento natural.
MATERIAIS E MÉTODOS
Na produção dos compósitos, foi utilizada uma amostra de pó de coco in natura
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na granulometria “como recebida”, obtida na empresa Indufibras Indústria de Fibras
Ltda., que foi deixada secar ao ar por três semanas; depois, foi colocada na estufa
a 65 ± 5ºC por 24 horas. O cimento utilizado foi o cimento Portland composto
resistente a sulfatos, CP II–Z–32 RS, da Votorantim.
Os compósitos foram produzidos, constituídos de matriz cimentícia, pasta de
cimento, e como material particulado, as partículas de pó de coco, com traço em
massa 1:0,10 (cimento/pó de coco) e fator água cimento (a/c) igual a 0,75.
Dois tipos de processamentos foram adotados para a produção dos
compósitos: a) adição de partículas de pó de coco in natura e tratadas e; b) adição
de partículas de pó de coco in natura e como água de amassamento foram utilizadas
soluções de Ca(OH)2 e de Na2CO3.
PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS Em um tipo de processamento dos compósitos, as partículas de pó de coco
foram previamente tratadas quimicamente – foram imersas nas soluções de
tratamento por 48 horas: solução de carbonato de sódio, Na2CO3, concentração 0,1
mol/L, pH 11,4 e solução de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, concentração 2,5.10-2
mol/L, pH 13. Posteriormente foram secas em estufa a 65 ± 5ºC por 48 horas, sem
posterior lavagem, diferentemente do realizado por Brasileiro(9), que utilizou a
lavagem para remoção das substâncias liberadas pelos tratamentos químicos.
No outro tipo de processamento dos compósitos, as duas soluções foram
utilizadas como aditivos aceleradores de pega nos compósitos com partículas de pó
de coco in natura.
Assim, os compósitos produzidos foram: CCCN – compósito cimento-partículas
de pó de coco in natura; CCCCH* – compósito cimento-partículas de pó de coco
tratadas com Ca(OH)2, não lavadas; CCCNC* – compósito cimento-partículas de pó
de coco tratadas com Na2CO3, não lavadas; CCCN + CH – compósito cimento-
partículas de pó de coco + solução de Ca(OH)2, utilizada como água de
amassamento; CCCN + NC – compósito cimento-partículas de pó de coco + solução
de Na2CO3, utilizada como agua de amassamento.
Os materiais foram misturados a seco, cimento e pó de coco, numa
argamassadeira de laboratório. Foi adicionada água deionizada ou as soluções
substitutas. Para a produção dos corpos de prova, foram utilizados moldes de inox de
40 x 40 x 40 mm³ e 20 x 20 x 80 mm³. Uma mesa vibratória foi utilizada para o
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adensamento dos moldes, que foram cobertos por uma placa de vidro. Os
compósitos foram mantidos por 24 h no ambiente de laboratório a 23 ± 2 °C e depois
após desmoldados e imersos na cura em água deionizada até 28 dias. Corpos de
prova de pasta de cimento (CP), com a/c = 0,30, também foram produzidos.
ENVELHECIMENTO NATURAL O envelhecimento natural foi realizado de duas formas: a) interno – mantendo-
se os corpos-de-prova em ambiente interno ao laboratório com temperatura entre
23 ± 2ºC; b) externo – expondo-os à intempérie, ao ar livre, em bancada com
inclinação de 30% com a horizontal, voltados para o norte magnético, de forma a
maximizar a incidência de raios solares. Após a cura, os corpos foram expostos ao
envelhecimento natural por 2, 6 e 12 meses.
CARACTERIZAÇÃO DOS COMPÓSITOS Após completar cada idade, os compósitos foram submetidos a ensaios.
Foram realizados os ensaios mecânicos utilizando a máquina universal de ensaios
INSTRON, modelo 3367. O ensaio de resistência à compressão (RC) utilizou célula
de carga de 30 kN com velocidade de 1,0 mm/min de aplicação da carga. O ensaio
de resistência à tração na flexão em três pontos foi configurado usando uma célula
de carga de 5 kN com velocidade de 0,5 mm/min de aplicação da carga. A
tenacidade ou energia específica foi definida como sendo a energia absorvida
durante o ensaio de flexão, dividida pela área da seção transversal do corpo-de-
prova. Para avaliar os compósitos, quantos as propriedades físicas, densidade
aparente (DA), absorção de água (AA) e porosidade aparente (PA) foram
determinadas com base nos procedimentos da NBR 9778(10).
Foram realizadas análises de difração de raios-X (DRX) utilizando um
difratômetro SHIMADZU, operando em modo de varredura, com radiação de Cu-Kα
(λ=1,5418 Ǻ). A velocidade de varredura foi 5º/min em 2Ө, entre 5º e 75º. A
identificação das fases minerais foi realizada por comparação dos difratogramas de
raios-X das amostras com as fichas-padrão do banco de dados do Joint Committee
On Powder Diffraction Standards-International Center For Diffraction Data (JCPDS-
ICDD).
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RESULTADOS E DISCUSSÃO O desempenho dos compósitos aos 28 dias pode ser observado nos resultados
para a resistência à compressão (RC), Fig.1. Não há como comparar os valores de
RC da pasta de cimento, CP, com os valores para os compósitos cimento-pó de coco.
CP
CCCN
CCCCH*
CCCNC*
CCCN +
CH
CCCN +
NC
0
1
2
3
4
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6
7
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9
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13
14
15
Re
sis
tên
cia
a c
om
pre
ssa
o (
MP
a)
Fig.1 – Resultados de resistência à compressão aos 28 dias para a pasta de cimento e compósitos cimento-pó de coco.
A baixa densidade aparente das partículas de pó de coco (em torno de
0,10 g/cm3) é uma indicação da presença de um grande volume de vazios e de uma
elevada porosidade. Portanto, a adição das partículas vegetais reduz a densidade
aparente (DA) e aumenta a porosidade aparente (PA) desses compósitos, conforme
Fig.2, reduzindo assim suas propriedades mecânicas, uma vez que a resistência é
inversamente proporcional à porosidade.
Os compósitos cimento-pó de coco processados com adição de partículas
tratadas e não lavadas (CCCCH* e CCCNC*) ou com adição de partículas de pó de
coco in natura com incorporação de solução de aditivo (CCCN+CH e CCCN+NC)
apresentaram uma menor taxa de absorção de água (AA), quando comparados ao
compósito in natura aos 28 dias. Em geral, tal comportamento se manteve após
6 meses e 1 ano de exposição ao envelhecimento. Para os compósitos
envelhecidos no ambiente de laboratório (interno) não foram percebidas mudanças
significativas nos valores de AA em todos os compósitos, quando comparados com
as amostras de 28 dias. Entretanto, o envelhecimento ao ar livre (externo) mostrou
redução nos valores de AA.
Aos 28 dias, quanto à densidade aparente (DA), os compósitos cimento-pó de
coco processados foram mais densos que o compósito-cimento-pó de coco in natura
(CCCN).
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CCCN
CCCCH*
CCCNC*
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20
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Ab
so
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gu
a (
%)
28 dias
CCCN
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CCCNC*
CCCN + CH
CCCN + NC
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CCCN + NC
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1 ano externo
CCCN
CCCCH*
CCCNC*
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CCCN + NC
1 ano interno
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CCCN + CH
CCCN + NC
0,0
0,2
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1,0
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De
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pa
ren
te (
g/c
m3)
28 dias
CCCN
CCCCH*
CCCNC*
CCCN + CH
CCCN + NC
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6 meses externo
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1 ano externo
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1 ano interno
CCCN
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Po
rosid
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%)
28 dias
CCCN
CCCCH*
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CCCN + CH
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2 meses externo
CCCN
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CCCN + CH
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2 meses interno
CCCN
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6 meses externo
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1 ano externo
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CCCN + CH
CCCN + NC
1 ano interno
Fig.2 – Propriedades físicas da pasta de cimento, a) DA, b) PA e c) AA aos 28 dias e efeito das idades de envelhecimento natural externo e interno e efeito do tipo de processamento do compósito cimento-pó de coco aos 28 dias e das idades do envelhecimento natural externo e interno nas propriedades físicas, d) AA, e) DA e f) PA.
a) b) c)
d)
e)
f)
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Após um ano de exposição ao envelhecimento ao ar livre, CCCNC* e
CCCN+CH, apresentaram um maior acréscimo no valor de DA, comparado com
CCCN na mesma idade. Entretanto, para o envelhecimento interno não houve
alterações significativas com a evolução da exposição.
Aos 28 dias, todos os compósitos tiveram um comportamento semelhante
quanto à porosidade aparente (PA). Com a evolução do envelhecimento interno,
observou-se uma redução da PA nos compósitos com pó de coco tratado com
solução de Na2CO3 (CCCNC*). O envelhecimento externo, inicialmente aos
2 meses, mostrou uma redução da PA para todos os compósitos, principalmente
para os compósitos cimento-pó de coco processados. Com a continuação do
processo de envelhecimento ao ar livre, houve um aumento da porosidade, mas que
continuou menor do que aos 28 dias para todos os compósitos.
O fenômeno de carbonatação é potencializado devido à alta porosidade desses
compósitos, nos quais o CO2 penetra na matriz e forma o carbonato de cálcio, CaCO3,
que preenche os poros no interior do material. Esse efeito foi observado por Silva(11)
em que, aos 3 meses de envelhecimento natural, os compósitos já estavam
totalmente carbonatados. Brasileiro(9) também mostrou que, aos 4 meses de
envelhecimento ao ar livre e no ambiente de laboratório, os compósitos já estavam
totalmente carbonatados.
Os estudos de Macvicar e colaboradores(12) mostraram que os produtos da
carbonatação preencheram a estrutura da matriz, aumentando a densidade da
matriz de cimento, e reduzindo a porosidade. Esta porosidade reduzida dos
compósitos cimentícios reforçados com fibras de celulose foi atribuída tanto à
densificação da matriz de cimento resultante da retração provocada por
carbonatação e/ou à densificação devido à continuação do processo de hidratação
dentro da matriz. Como resultado, associada com as mudanças na porosidade,
houve redução no teor de água absorvida pelos compósitos. Conforme também
evidenciado por Brasileiro(9), o efeito do envelhecimento natural nas propriedades
físicas foi mais efetivo na exposição externa do que na interna.
As propriedades mecânicas, módulo de ruptura (MOR), módulo de
elasticidade (MOE) e tenacidade (TE), de cada etapa do envelhecimento natural
externo e interno estão apresentadas na Fig.3. Os resultados para MOR, MOE e TE
da pasta de cimento não são comparáveis com os dos compósitos cimento-pó de
coco, conforme explicado anteriormente.
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CCCN
CCCCH*
CCCNC*
CCCN + CH
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0
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28 dias
CCCN
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0
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J/m
2)
28 dias
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CCCCH*
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CCCN + CH
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CCCN
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CCCN + CH
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1 ano interno
Fig.3 – Propriedades mecânicas da pasta de cimento, a) MOR, b) MOE e c) TE aos 28 dias e efeito das idades de envelhecimento natural externo e interno e efeito do tipo de processamento do compósito cimento-pó de coco aos 28 dias e das idades do envelhecimento natural externo e interno nas propriedades mecânicas, d) MOR, e) MOE e f) TE.
a) b) c)
d)
e)
f)
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Aos 28 dias, observou-se que, para o MOR, o compósito com partículas
in natura (CCCN) obteve os melhores resultados. Entretanto, com a evolução dos
envelhecimentos natural externo e interno, verificou-se uma redução em CCCN e um
ganho significativo do MOR para os compósitos com os diferentes tipos de
processamento, principalmente após 6 meses de envelhecimento natural interno e
externo, destacando-se o compósito CCCNC*, onde o diferente tipo de ambiente
não influenciou em mudanças significativas nos resultados.
Quanto ao MOE, efeito semelhante foi observado, ou seja, aos 28 dias, o
MOE de CCCN foi maior, mas com evolução dos envelhecimentos natural externo e
interno, verificou-se uma redução do MOE para CCCN e um aumento do MOE para
os compósitos com os diferentes tipos de processamento.
Para a TE, após 12 meses de exposição ao envelhecimento externo, os
compósitos processados apresentaram valores inferiores ao compósito in natura.
Diferentemente do envelhecimento interno em que houve um aumento da TE.
Comparando os resultados obtidos neste trabalho com os estudos de
Brasileiro et al.(3) e Brasileiro(9), os compósitos com partículas de pó de coco tratadas
não-lavadas (CCCCH* e CCCNC*) e os compósitos com incorporação de soluções
como aditivo (CCCN+CH e CCCN+NC), mostraram ganho nas suas propriedades
mecânicas com o envelhecimento, apesar dos valores mais baixos aos 28 dias, se
comparados com o compósito com partículas de pó de coco in natura.
Os difratogramas de raios-X estão apresentados na Fig.4. Aos 28 dias,
observam-se os picos característicos dos produtos de hidratação dos materiais
cimentícios, como a etringita (ET), hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 (CH), silicato de
cálcio hidratado (CSH), além do carbonato de cálcio – CaCO3 (CC), presente
originalmente no cimento anidro e formado com a hidratação. Isso evidencia a
compatibilidade das partículas de pó de coco com a pasta de cimento.
Conforme descrito por Brasileiro(9), no envelhecimento natural externo e
interno foi possível observar a redução de intensidade ou desaparecimento de picos
de Ca(OH)2 e o consequente aumento e surgimento de picos de CaCO3,
comprovando o efeito da carbonatação nas amostras, conforme já evidenciado pelas
propriedades físicas.
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
CHCCCHCCCC
ET CC
CH
CC
CSH
CCET
CH
CSH
CCCN + NC 28 dias
CCCN + CH 28 dias
CCCNC 28 dias
CCCCH 28 dias
CCCN 28 dias
Inte
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)
2 / 28 DIAS
ET
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
CCCCCCCH CCCCCCCC
CC
CSH
Inte
nsid
ad
e (
u.a
)
2 / ENVELHECIMENTO EXTERNO
CC
CCCN + NC 12 meses
CCCN + CH 12 meses
CCCNC12 meses
CCCCH 12 meses
CCCN 12 meses
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
CH
CH CCCCCCCC
CC
CSH
CSHCC ET
Inte
nsid
ad
e (
u.a
)
2 / ENVELHECIMENTO INTERNO
CCCN + NC 12 meses
CCCN + CH 12 meses
CCCNC 12 meses
CCCCH 12 meses
CCCN 12 meses
CC CC CC
Fig.4 – Difratogramas de raios-X dos compósitos com partículas de pó de coco com diferentes processamentos (a) aos 28 dias e após envelhecimento (b) externo e (c) interno de 12 meses, onde: ET = etringita; CH = Ca(OH)2; CC = CaCO3, CSH = silicato de cálcio hidratado.
CONCLUSÕES
Os resultados desse trabalho mostram que os compósitos com partículas de
pó de coco tratadas não-lavadas e os compósitos com incorporação de soluções
como aditivo apresentam melhor desempenho mecânico após a exposição ao
envelhecimento natural.
Os resultados do envelhecimento interno após 1 ano sugerem a indicação de
uso dos compósitos cimento pó de coco para aplicações internas.
REFERÊNCIAS
a)
b) c)
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DURABILITY EVALUATION OF CEMENT-BONDED COIR PITH PARTICLES
PRODUCED BY DIFFERENT PROCESSING
ABSTRACT
This paper aims to improve the studies of the use of Portland cement-bonded natural
fibers composites, through changes in the processing of cement-bonded
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lignocellulosic materials composites to improve performance and durability. The
vegetal material was coir pith particles and two types of processing were used for the
production of cement-bonded coir pith particles composites: a) treatment of coir pith
particles with calcium hydroxide [Ca(OH)2] and sodium carbonate (Na2CO3) solutions
without further washing and b) incorporation of those two solutions as additives,
accelerators of the cement setting time. 40 x 40 x 40 mm3 specimens were produced
for testing the compressive strength and 20 x 20 x 80 mm3 specimens were produced
for three point flexural tests and for physical tests (bulk density, apparent porosity
and water absorption by immersion). The flexural specimens were subjected to
natural aging, outdoors and into the laboratory, to evaluate the durability. The results
show changes on the specimens performance after the aging. After one year, the
composites produced with the two types of processing had higher values of the
modulus of rupture (MOR) (4.36 ± 0.38 MPa) compared with the composites at 28
days (1.68 ± 0.09 MPa), while composites with non-treated coir pith particles showed
a reduction in MOR (3.02 ± 0.38 MPa and 4.23 ± 0.26 MPa, respectively).
Keywords: cement-bonded composites, coir pith particles, performance, durability,
aging, mechanical and physical properties.
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