BR102020008051A2

BR102020008051A2 - PROCESSING AND ADDITION OF NATURAL PINEAPPLE FIBER (ANANAS COMOSUS) FOR LOW COST CEMENT COMPOUND REINFORCEMENT

Info

Publication number: BR102020008051A2
Application number: BR102020008051-2A
Authority: BR
Inventors: Afonso Rangel Garcez De Azevedo; Markssuel Teixeira Marvila; Daiane Cecchin
Original assignee: Afonso Rangel Garcez De Azevedo
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-11-03

Abstract

processamento e adição da fibra natural de abacaxi (ananas comosus) para reforço de composíto cimentício de baixo custo. a atual invenção apresenta um material composto produzido com matriz cimentícia constituída de cimento, cal e areia e reforçado com fibras dispersas de abacaxi tratadas com solução de naoh, uma fibra natural identificada cientificamente como ananas comosus. as características deste material composto, especificamente conhecido como um compósito, são tais que o tornam tecnologicamente e economicamente vantajoso para utilização como material de adição a argamassas de revestimento de fachadas de edificações. este compósito permite substituir materiais comerciais com maior valor agregado normalmente empregados na construção civil de todo o mundo, como as telas metálicas ou plásticas. a presente invenção descreve ainda detalhes técnicos relevantes para o beneficiamento completo da fibra natural e a produção do compósito incluído a dosagem dos materiais constituintes, instrumentos utilizados e condicionantes do processo.processing and addition of natural pineapple fiber (ananas comosus) to reinforce low-cost cementitious composite. The current invention presents a composite material produced with a cementitious matrix consisting of cement, lime and sand and reinforced with dispersed pineapple fibers treated with naoh solution, a natural fiber scientifically identified as pineapple comosus. The characteristics of this composite material, specifically known as a composite, are such that they make it technologically and economically advantageous for use as an addition material to mortars covering building facades. This composite makes it possible to replace commercial materials with higher added value normally used in civil construction around the world, such as metal or plastic mesh. The present invention also describes technical details relevant to the complete processing of natural fiber and the production of the composite, including the dosage of constituent materials, instruments used and process conditions.

Description

PROCESSING AND ADDITION OF NATURAL PINEAPPLE FIBER (ANANAS COMOSUS) FOR LOW COST CEMENT COMPOUND REINFORCEMENT

Field of Invention

[001] A presente invenção descreve um material composto, tecnicamente conhecido como compósito, obtido pela adição de fibra tratada de abacaxi, produzido a partir de uma fibra natural, Ananas comosus, dentro de matriz de cimento e cal. Este compósito tem características adequadas para aplicação em fachadas de edificações. A presente invenção revela também o processamento da fibra e a fabricação da argamassa. [001] The present invention describes a composite material, technically known as composite, obtained by adding treated pineapple fiber, produced from a natural fiber, Ananas comosus, within a cement and lime matrix. This composite has characteristics suitable for application on building facades. The present invention also discloses fiber processing and mortar manufacturing.

Background of the Invention

[002] Materiais compostos de matriz cimentícia reforçada com fibras naturais, produzidos a partir de diversas fibras, vem sendo utilizados desde a metade do século 20 em setores industriais como o da construção civil, para aplicações em concretos. Um dos grandes problemas relacionados ao uso de fibras naturais em materiais cimentícios se relaciona a durabilidade em meio alcalino da matriz. Entretanto, não há registro de utilização de fibras naturais para eliminação de fissuras em fachadas com a redução da retração. [002] Composite materials of cementitious matrix reinforced with natural fibers, produced from various fibers, have been used since the mid-20th century in industrial sectors such as civil construction, for applications in concrete. One of the major problems related to the use of natural fibers in cementitious materials is related to the durability of the matrix in an alkaline environment. However, there is no record of the use of natural fibers to eliminate cracks in facades by reducing shrinkage.

[003] Para a redução das fissuras causadas pela retração da argamassa são utilizados materiais comerciais como telas metálicas entre as camadas de revestimento, que aumentam os custos de revestimento. [003] To reduce cracks caused by mortar shrinkage, commercial materials such as wire mesh are used between the coating layers, which increase coating costs.

[004] Isoladamente, materiais compostos cimentícios reforçados com fibras naturais não possuem desempenho satisfatório para construção civil devido a questões de durabilidade da fibra dentro da matriz cimentícia. Entretanto, o processo de beneficiamento proposto e tratamento superficial da fibra possibilita seu uso e atendimento aos padrões tecnológicos e de durabilidade. [004] Alone, cementitious composite materials reinforced with natural fibers do not have satisfactory performance for civil construction due to fiber durability issues within the cementitious matrix. However, the proposed processing and surface treatment of the fiber enables its use and compliance with technological and durability standards.

[005] O documento JPH05117966-A (Japão, 1991) descreve um "método de produção de fibras de abacaxi através do fio misturado obtido pela mistura de fibras curtas de abacaxi com fibras curtas prontamente solúveis na proporção de 50: 50-90: 10 é tecido para dar as fibras prontamente solúveis que são dissolvidas e removidas”. Embora trate de um método de beneficiamento das fibras de abacaxi esse processo se refere a confecção de tecidos. [005] JPH05117966-A (Japan, 1991) describes a "method of producing pineapple fibers through blended yarn obtained by mixing short pineapple fibers with short readily soluble fibers in the ratio of 50:50-90:10 it is woven to give the readily soluble fibers that are dissolved and removed.” Although this is a method of processing pineapple fibers, this process refers to making fabrics.

[006] O documento CN101898881-B (China, 2009) descreve uma "placa de fibrocimento com fibra modificada, que é um material de construção que compreende em um aglutinante cimentício, um agregado e fibras de reforço de celulose em que as fibras de reforço de celulose foram tratadas com óleo catiônico ou não iônico. A fibra resultante, quando incluída em um compósito de fibrocimento, resulta em uma melhor deflexão do compósito no pico de carga, bem como uma maior resistência ao impacto, mantendo a força geral da placa”. Entretanto, o compósito neste caso utiliza variadas fibras de celulose, além de utilizar outro tipo de tratamento superficial. [006] The document CN101898881-B (China, 2009) describes a "fiber-modified fiber cement board, which is a construction material comprising in a cementitious binder, an aggregate and cellulose reinforcement fibers in which the reinforcement fibers of cellulose were treated with cationic or non-ionic oil. The resulting fiber, when included in a fiber cement composite, results in a better deflection of the composite at peak load, as well as greater impact resistance, maintaining the overall strength of the plate." However, the composite in this case uses different cellulose fibers, in addition to using another type of surface treatment.

[007] O documento US9028606-B2 (EUA, 2009), descreve um "produto composto cimentício extrudado que pode funcionar como substituto de pedra e materiais sólidos de superfície, como granito, mármore e pedra de engenharia”. Diferente da presente invenção, utilizou-se várias fibras para utilização em substituição em pedras e não em fachadas. [007] The document US9028606-B2 (USA, 2009), describes an "extruded cementitious composite product that can function as a substitute for stone and solid surface materials, such as granite, marble and engineering stone". Unlike the present invention, it used several fibers are used as a substitute for stones and not for facades.

[008] O documento de patente BR 10 2016 008862 3 A2 (Brasil, 2016) descreve um "processo de obtenção de compósito cimentício com elevado teor de fibra de coco tratada. A presente solicitação de invenção especifica uma combinação entre látex natural e pozolana que misturados em proporções adequadas ao longo da cadeia de produção do compósito cimentício confere resistência mecânica e durabilidade adequadas para o emprego do compósito no setor da construção civil”, nesta patente utiliza-se outro tipo de fibra, a de coco, além disso o processo de tratamento da fibra é diferente. [008] Patent document BR 10 2016 008862 3 A2 (Brasil, 2016) describes a "process for obtaining a cementitious composite with a high content of treated coconut fiber. The present application specifies a combination between natural latex and pozzolan that mixed in adequate proportions along the production chain of the cementitious composite, confers mechanical strength and durability adequate for the use of the composite in the civil construction sector", in this patent another type of fiber is used, the coir, in addition to the process of Fiber treatment is different.

[009] O documento de patente BR 10 2017 010504 0 A2 (Brasil, 2017) descreve um "compósito cimentício constituído por 40 a 90% de uma matriz aglomerante de magnésia em pó, 5 a 45% de adições minerais e 3 a 25% polpa lignocelulósica para a obtenção de um material com excelentes propriedades tecnológicas para aplicação no âmbito da arquitetura e da engenharia civil, oferecendo um desempenho excelente em termos técnicos, econômicos e ambientais”, contudo se utiliza outro tipo de matriz, e o uso de polpa lignocelulósica. [009] Patent document BR 10 2017 010504 0 A2 (Brazil, 2017) describes a "cement-based composite consisting of 40 to 90% of a binding matrix of powdered magnesia, 5 to 45% of mineral additions and 3 to 25% lignocellulosic pulp to obtain a material with excellent technological properties for application in the field of architecture and civil engineering, offering excellent performance in technical, economic and environmental terms", however another type of matrix is used, and the use of lignocellulosic pulp .

[0010] Nenhum dos documentos de patente mencionados acima se assemelha à presente invenção pois não tratam especificamente de compósito cimentício reforçado utilizando fibra natural ou tratada de abacaxi. [0010] None of the patent documents mentioned above resemble the present invention as they do not specifically deal with cementitious composite reinforced using natural or treated pineapple fiber.

Invention Summary

[0011] O objetivo geral da invenção é produzir um material compósito de cimento e cal reforçado com fibra natural, a ser utilizado pela primeira vez como elemento de eliminação de fissuras causadas pela retração da argamassa na fachada. [0011] The general objective of the invention is to produce a composite material of cement and lime reinforced with natural fiber, to be used for the first time as an element for eliminating cracks caused by the retraction of the mortar on the facade.

[0012] O objetivo específico é fabricar argamassas adicionadas em 5 % de massa de cimento com a fibra natural de abacaxi tratada com solução de NaOH, aleatoriamente distribuído. [0012] The specific objective is to manufacture mortars added in 5% of cement mass with natural pineapple fiber treated with NaOH solution, randomly distributed.

[0013] A fabricação das argamassas com fibra de abacaxi é feita em uma argamassadeira, em processo de mistura planetário, com temperatura ambiente controlada em 23ºC. Após a retirada a argamassa e lançada no molde prismático metálico e adensada em mesa de abatimento, os corpos de prova são submetidos a cura ambiente a 23ºC de temperatura ambiente. [0013] The manufacture of mortars with pineapple fiber is done in a mortar, in a planetary mixing process, with a controlled room temperature of 23ºC. After removal of the mortar and thrown into the metallic prismatic mold and densified on a chilling table, the specimens are subjected to ambient curing at 23ºC of room temperature.

[0014] É objetivo final desta invenção é o uso da argamassa reforçada com fibra de abacaxi para recomposição de fachadas de edificações em ambientes internos e externos, em diferentes locais. [0014] The ultimate objective of this invention is the use of mortar reinforced with pineapple fiber to recompose building facades in indoor and outdoor environments, in different locations.

Brief Description of Figures

[0015] A Figura 1 ilustra a fibra natural do abacaxi, em diferentes momentos, como após o processo de separação do fruto, e após processo de trituração. A Figura 2 ilustra o molde prismático metálico utilizado para moldar as argamassas. [0015] Figure 1 illustrates the natural fiber of pineapple, at different times, such as after the fruit separation process, and after the crushing process. Figure 2 illustrates the metallic prismatic mold used to mold the mortars.

Detailed Description of the Invention

[0016] Os materiais empregados nesta invenção correspondem a: (i) cimento Portland do tipo II, denominado de CP II-E32; (ii) cal hidratada do tipo III, CH-III; (iii) fibra de abacaxi encontrado com grande facilidade em diversas regiões do Brasil; (iv) areia de rio média segundo ABNT. [0016] The materials used in this invention correspond to: (i) type II Portland cement, called CP II-E32; (ii) type III hydrated lime, CH-III; (iii) pineapple fiber easily found in different regions of Brazil; (iv) average river sand according to ABNT.

[0017] A fabricação do corpo de prova do compósito é feita em um molde metálico, ilustrado na Figura 2, dividida em três partes iguais com base metálica rígida. [0017] The fabrication of the composite specimen is made in a metal mold, illustrated in Figure 2, divided into three equal parts with rigid metal base.

[0018] O molde de aço descrito no item [0017] é produzido sob encomenda em oficina mecânica especializada, encontrada em qualquer grande cidade do país. [0018] The steel mold described in item [0017] is produced to order in a specialized mechanic workshop, found in any large city in the country.

[0019] Para facilitar a desmoldagem do corpo de prova de argamassa é utilizada, antes do processo, vaselina liquida, disponível no Brasil, aplicada nas superfícies internas do molde. [0019] To facilitate the demolding of the mortar specimen is used, before the process, liquid Vaseline, available in Brazil, applied to the internal surfaces of the mold.

[0020] O processo de beneficiamento da fibra natural consiste em separar as fibras naturais do fruto de forma manual, sendo desprezadas as demais partes da estrutura do fruto, secar as fibras retiradas em uma estufa microprocessada a uma temperatura de 105 °C durante 48 horas, processar as fibras após a secagem em um misturador industrial tipo basculante de 3 L, com 1000 W de potência, onde passaram a apresentar uma forma fibrosa homogênea, submergir as fibras naturais em solução aquosa de NaOH com 5% de concentração em volume, durante um período de 1 hora a uma temperatura ambiente de 23 oC e neutralizar as fibras até alcançar pH neutro, através da lavagem em água corrente, e posteriormente secar em estufa em uma temperatura de 80 °C por um período de 24 horas. [0020] The process of processing the natural fiber consists of manually separating the natural fibers from the fruit, disregarding the other parts of the fruit structure, drying the removed fibers in a microprocessed oven at a temperature of 105 °C for 48 hours , process the fibers after drying in a 3 L tilting industrial mixer, with 1000 W of power, where they now have a homogeneous fibrous form, submerge the natural fibers in an aqueous solution of NaOH with 5% concentration in volume, during a period of 1 hour at an ambient temperature of 23 oC and neutralize the fibers until reaching neutral pH, by washing in running water, and then drying in an oven at a temperature of 80 °C for a period of 24 hours.

[0021] A proporção dos materiais da argamassa em massa é de 1:1:6 (cimento: cal: areia), sendo adicionada 5% de massa de fibra tratada com NaOH em relação a massa de cimento. A quantidade de água é de 1,5 em relação a massa de cimento. [0021] The proportion of mortar materials in mass is 1:1:6 (cement: lime: sand), being added 5% of fiber mass treated with NaOH in relation to the cement mass. The amount of water is 1.5 in relation to the cement mass.

[0022] Após o beneficiamento das fibras adicionar na cuba da argamassadeira, após a adição da mistura granulada composta de cimento, cal e agregado miúdo, e antes da colocação da água. O tempo de mistura total deve ser controlado em 30 minutos. As fibras são dispostas aleatoriamente. [0022] After the fiber processing, add it to the mortar bowl, after adding the granulated mixture composed of cement, lime and fine aggregate, and before placing the water. The total mixing time must be controlled within 30 minutes. Fibers are arranged randomly.

[0023] Após o preenchimento do molde com fibra dispersa de abacaxi com a argamassa, é colocada sob mesa de abatimento, onde são lançadas 30 quedas em 30 segundos. A mesa de abatimento é normatizada no Brasil para ensaios de argamassa, sendo facilmente encontrada no mercado para aquisição. [0023] After filling the mold with dispersed pineapple fiber with the mortar, it is placed under the abatement table, where 30 drops are launched in 30 seconds. The abatement table is standardized in Brazil for mortar testing, and is easily found on the market for purchase.

[0024] Em seguida os corpos de prova são mantidos a temperatura ambiente de 23ºC por 72 horas no molde. [0024] Then the specimens are kept at an ambient temperature of 23°C for 72 hours in the mold.

[0025] Após as 72 horas são desmoldados. O desmoldamento do corpo de prova é realizado por ação inversa dos moldes, com cuidado e pericia, além da retirada de parafusos e suportes das paredes laterais. [0025] After 72 hours they are demolded. The demoulding of the specimen is carried out by the inverse action of the molds, with care and expertise, in addition to the removal of screws and supports from the side walls.

[0026] Logo após continuam em cura a uma temperatura ambiente de 23ºC até atingir um período total de 28 dias após a confecção. [0026] Afterwards, they continue to cure at an ambient temperature of 23ºC until reaching a total period of 28 days after confection.

Use of Composite in Facade Mortars

[0027] O material compósito cimentício reforçado com fibra de abacaxi tem como principal finalidade o uso no lançamento horizontal de argamassa, de forma manual, visando a confecção de fachadas de edificações. Esse processo elimina o aparecimento de fissuras causadas pela retração. [0027] The cementitious composite material reinforced with pineapple fiber has as its main purpose the use in the horizontal launching of mortar, manually, aiming at the making of building facades. This process eliminates the appearance of cracks caused by shrinkage.

[0028] O sistema de fachadas é composto por variadas camadas, como chapisco, emboço e reboco, sendo que a camada desenvolvida nesta patente é a responsável pela porção exterior. [0028] The façade system is composed of several layers, such as roughcast, plaster and plaster, and the layer developed in this patent is responsible for the outer portion.

[0029] A aplicação de compósitos de argamassas em fachadas tem a função de proteger o substrato cerâmico e propiciar conforto térmico e acústico das edificações, aumento a vida útil do revestimento. [0029] The application of mortar composites on facades has the function of protecting the ceramic substrate and providing thermal and acoustic comfort to buildings, increasing the useful life of the coating.

[0030] A eliminação das fissuras se dá pela distribuição das tensões internas do compósito e preenchimento dos poros internos, aumento a resistência mecânica e reduzindo a absorção de água. [0030] The elimination of cracks is given by the distribution of internal tensions of the composite and filling the internal pores, increasing mechanical strength and reducing water absorption.

[0031] A quantidade de 5 % de fibra de abacaxi em relação a massa de cimento é suficiente para eliminar a formação de fissuras, além de aumentar a durabilidade dos revestimentos externos devido ao processo de tamponamento interno dos poros e aumento da ancoragem microestrutural ocasionada pelo tratamento superficial das fibras. [0031] The amount of 5% pineapple fiber in relation to the cement mass is sufficient to eliminate the formation of cracks, in addition to increasing the durability of the external coatings due to the internal plugging process of the pores and increased microstructural anchorage caused by surface treatment of the fibers.

[0032] O desempenho da camada externa de argamassa reforçada com fibra de abacaxi tratada é comparável ao uso de materiais comerciais como telas metálicas ou de plástico para o reforço, que são mais caras e ambientalmente danosos, além de propiciar o destino para um resíduo agroindustrial. [0032] The performance of the outer layer of treated pineapple fiber reinforced mortar is comparable to the use of commercial materials such as wire mesh or plastic for reinforcement, which are more expensive and environmentally harmful, in addition to providing the destination for an agro-industrial waste .

Claims

Composite material characterized by a cement-based and fibre-reinforced lime mortar.

The composite material of claim 1 is, in engineering terms, characterized by a composite in that it has good adhesion of the dispersed phase, which is a natural fiber, and the cementitious matrix as a continuous phase.

Composite indicated in claim 2 will be characterized by the process of a cement matrix incorporated with 5% by mass of cement with natural pineapple fiber treated with NaOH solution.

Processing process characterized by a preparation of the composite described in claim 3 comprises the following steps

✓ Manually separate the natural fibers of the fruit, disregarding the other parts of the fruit structure;
✓ Dry the removed fibers in a microprocessed oven at a temperature of 105 °C for 48 hours;
✓ Process the fibers after drying in a 3 L tilting industrial mixer, with 1000 W of power, where they started to present a homogeneous fibrous form;
✓ Submerge the natural fibers in an aqueous solution of NaOH with 5% concentration by volume, for a period of 1 hour at an ambient temperature of 23 oC;
✓ Neutralize the fibers until reaching a neutral pH, by washing them in running water, and then drying in an oven at a temperature of 80 °C for a period of 24 hours;
✓ Add the fiber to the mortar tub, after adding the granulated mixture composed of cement, lime and fine aggregate, and before adding the water.

The processing details of claim 4 are characterized by:

✓ Process and homogenize the fiber continuously and with control of temperature and pH parameters of the surface treatment solution;
✓ Control the mortar mixing time, which must be a total of 30 minutes, and the fiber must be added immediately after placing the granulated mass.

The process characterized by claims 3 to 5 allows to manufacture prismatic specimens 40 mm wide, 40 mm high and 160 mm long in steel molds specified for this purpose.

The process characterized by claim 5 consists of the processing of natural fiber with surface treatment for applications in mortars.

The cement and lime-based mortar reinforced with pineapple fiber is suitable to prevent excessive retraction of building facades, eliminating micro-cracks that can compromise the durability of the coating, and can be applied in any external or internal environment.

The reduction in the shrinkage of the cementitious composite, characterized by the addition of the treated pineapple fiber of the present invention, is incorporated throughout the mechanized mixing process of the mortar components, responsible for improving the internal filling of the matrix and absorbing external stresses of the coating.

Cementitious composite reinforced with pineapple fiber, characterized by the function of filling gaps and defects in building facades in indoor and outdoor environments, eliminating the appearance of cracks, reducing the consumption of additives and metallic screens in the coating layers.