Estimativa da vida útil da fadiga e fluência de um compósito de polipropileno reforçado com fibra de vidro (PP/FV)

Abstract

O mercado ferroviário atualmente utiliza a madeira e o concreto como materiais para fabricação de dormentes devido a seu custo atrativo e elevada resistência mecânica. Embora ambos sejam consolidados para a dada aplicação, mecanis-mos de degradação por ataques biológicos, para o caso da madeira, e rompi-mento precoce por excesso fricção em virtude da alta rigidez do concreto com o substrato de brita do lastro suscitam a necessidade de que alternativas sejam estudadas. A utilização de um compósito de polipropileno reforçado com fibra de vidro (PP/FV) como substituto à madeira e concreto é uma aplicação emergente que visa endereçar os problemas de degradação biológica e também da alta rigidez, uma vez que o PP/FV é uma solução já consolidada em peças estruturais no mercado automobilístico em virtude de sua atrativa relação peso-resistência. Um dos grandes desafios para uma utilização do PP/FV em aplicações estrutu-rais é a determinação de sua vida útil uma vez que o parâmetro é fator decisivo na escolha de um material, determinando a viabilidade técnico-financeira do ma-terial em questão. Assim, o objetivo do presente trabalho é a avaliação do com-portamento viscoelástico de um compósito PP/FV na aplicação de dormentes ferroviários e estimar a vida útil de fluência e fadiga. Os experimentos de fluência e fadiga foram realizados em um equipamento de análise dinâmico-mecânica (DMA) no modo dual cantilever. A vida útil de fluência foi avaliada através da metodologia proposta por Tajvidi et al., baseada na aplicação do princípio de superposição tempo-temperatura e obtenção de curva-mestra para extrapolação de dados de fluência de curto para longo prazo. A curva-mestra obtida extrapolou dados obtidos de 12 min para uma estimativa de 55 h. Os dados obtidos pela extrapolação foram validados através de um experimento de 24 h. Adicional-mente, foram utilizados dois modelos para descrever a deformação de fluência com o tempo: o primeiro uma lei de potência e o segundo o modelo proposto por Findley. A vida útil de fadiga foi estimada através do conceito de Módulo de Fa-diga, proposto por Hwang e Han, o qual foi estimado em mais de 109 ciclos. As estimativas da vida útil de fluência e fadiga geraram resultados confiáveis dentro da janela experimental proposta, sendo ferramentas úteis para a avaliação, se-leção e comparação entre diferentes materiais.

Timber and concrete are currently the two most used materials in the production of railway sleepers given its attractive costs and elevated mechanical strength. Despite being dominant, both materials are prone to degradation mechanisms, such as biological attacks for timber and early failure due to attrition between the concrete sleeper and ballast, raising the need for alternative materials. The use of a glass fiber reinforced polypropylene composite (GFPP) as a substitute for timber and concrete is an emergent application which aims to tackle both biolog-ical and mechanical degradation since GFPP is used in structural part in the au-tomotive industry due to its attractive strength-to-weight ratio. A major challenge to the widespread use of GFPP as a structural material is lifetime determination, being a key point when defining which material will be used since it is a decision-making factor determining the technical and economic feasibility of the composite for a given application. The objective of the present work is to evaluate the visco-elastic behavior of a GFPP composite and to estimate its creep and fatigue life in a railway sleeper application. Both creep and fatigue experiments were con-ducted in a dynamical-mechanical analyzer using a dual cantilever clamp. The creep life was evaluated according to the proposed by Tajvidi et al., using the time-temperature superposition principle to extrapolate short-term data into longer-term behavior. The obtained master curve extrapolated 12 minutes data into a 55 hours estimation and were validated through comparison with a 24 hours creep experiment. Additionally, two models were used to describe the creep strain with time: a power law and a modified power law proposed by Findley. The fatigue life was estimated using the Fatigue Modulus concept, proposed by Hwang and Han, and was calculated as being 109 cycles. Both creep and fatigue life estimates produced reliable results within the proposed experimental condi-tions, being useful tools to the evaluation, selection and comparison between dif-ferent materials.