Controlar o comportamento ao escoamento das pastas de cimento é fundamental para uma produção bem sucedida de materiais à base de cimento, incluindo os concretos e as argamassas.
O comportamento reológico das pastas de cimento em função do tempo e da dosagem de SP fornece informações relevantes sobre alguns de seus parâmetros- chave, como o abatimento e a perda desse abatimento, os quais podem ser transferidos para o concreto (JIANG, KIM & AÏTCIN, 1999). A compatibilidade de um determinado par cimento-aditivo, em termos de perda de abatimento, pode e deve ser inicialmente estudada a partir de medidas de fluidez da pasta com auxílio de ensaios simples e de fácil execução.
Como as propriedades reológicas da pasta de cimento e, conseqüentemente, do concreto no estado fresco são influenciadas pela combinação cimento-aditivo, forma de adição do aditivo e relação água/aglomerante, muitas vezes observa-se problemas na sua fluidez. Diversos problemas têm sido relatados, tais como o baixo efeito de fluidificação, a rápida perda de trabalhabilidade, a segregação severa, o super-retardamento da pega e a perda de ar incorporado (AÏTCIN, JOLICOEUR &
MacGREGOR, 1994). Nesses casos verifica-se o fenômeno denominado incompatibilidade entre o cimento e o aditivo.
Como os aditivos são indispensáveis no preparo de misturas de alto desempenho, os problemas de interação entre o cimento e o aditivo podem ser divididos em dois grupos (HANEHARA & YAMADA, 1999):
1. problemas causados pelo efeito da adição do aditivo na reação de hidratação do cimento;
2. problemas gerados pela adsorção do aditivo nas partículas de cimento.
A quantidade de álcalis solúveis que entram em solução durante os primeiros minutos da hidratação do cimento também pode ser considerada um ponto fundamental na compatibilidade cimento-aditivo, ou seja, no controle da trabalhabilidade e da perda da trabalhabilidade de pastas de cimento com a incorporação de SP (JIANG, KIM & AÏTCIN, 1999). Em alguns casos, a adição de pequenas quantidades de Na2SO4 é capaz de reduzir essa perda de
trabalhabilidade e, para um teor ótimo de álcalis solúveis, essa perda é mínima. A compatibilidade cimento-SP é tão crítica quando se produz um CAD que alguns cimentos têm sido rejeitados devido à impossibilidade de se manter a trabalhabilidade por tempo suficiente para que o material seja lançado adequadamente. Ao se deparar com um problema de incompatibilidade entre os materiais, uma atitude prática é tentar identificar se o problema ocorreu devido à alta reatividade do cimento ou ao pobre desempenho do aditivo através do cruzamento de resultados de ensaios com amostras de outros tipos de SP e cimentos (AÏTCIN, JOLICOEUR & MacGREGOR, 1994).
Para misturas com baixa relação água/aglomerante, a compatibilidade cimento-aditivo não pode ser determinada somente a partir das especificações de cada material. É necessária a verificação experimental da mistura devido aos complexos fenômenos químicos envolvidos.
Para isso, diversos métodos de ensaio foram desenvolvidos. São ensaios de fácil implementação e que envolvem pequenas quantidades de materiais. Geralmente, são baseados no estudo do comportamento reológico de pastas de cimento no estado fresco.
Quando esses ensaios são empregados de maneira adequada, é possível fazer uma primeira escolha do aditivo a ser usado, de modo a determinar as combinações eficientes e ineficientes. De acordo com sua experiência profissional, Aïtcin (2000) constata que estes métodos não são à prova de erros: algumas combinações que trabalham otimamente com uma pasta de cimento podem não ser
tão eficientes com o concreto, enquanto outras podem apresentar um comportamento razoável com a pasta e um ótimo desempenho com o concreto, uma vez que os procedimentos de mistura dos dois materiais são diferentes. Ele também relata nunca ter descoberto uma combinação que não funcionasse com a pasta de cimento, mas que produzisse um concreto com bom comportamento reológico.
Dentre os vários métodos desenvolvidos, os mais utilizados são o ensaio de miniabatimento e o método do cone de Marsh. O ensaio de miniabatimento está relacionado com a tensão de escoamento das pastas de cimento para baixas taxas de cisalhamento, demanda pouco material e avalia a pasta a partir de um comportamento muito “estático”. O método do cone de Marsh está relacionado com a viscosidade plástica para maiores taxas de cisalhamento, demanda uma quantidade um pouco maior de material e avalia a pasta em condições mais “dinâmicas”. A escolha entre os dois métodos é pessoal, porém o uso simultâneo de ambos é interessante, uma vez que diferentes parâmetros reológicos são predominantes em cada um dos ensaios.
Ensaio de miniabatimento
O ensaio de miniabatimento foi desenvolvido por Kantro (1980) apud Bucher (1988)[5.19] e, como o próprio nome sugere, consiste em determinar o abatimento de pequenas quantidades de pasta de cimento usando o minitronco de cone apresentado na figura 5.5
.
Figura 5.5 – Foto (A) e esquema com as dimensões (B) do minitronco de cone.
[5.19]
KANTRO, D.L. Influence of water-reducing admixtures on properties of cement paste – A miniature slump test.
Cement, Concrete and Aggregates, v. 2, n. 2, p. 95-102. 1980 apud BUCHER, H.R.E. Desempenho de aditivos redutores de água de alta eficiência em pastas, argamassas ou concretos. In: REIBRAC, 30., Rio de Janeiro, 1988. p. 609-625.
O ensaio consiste em determinar dois diâmetros perpendiculares de pasta abatida e, a partir do diâmetro médio, calcular a área ocupada pela pasta, considerando-a circular. Este ensaio tem sido utilizado na avaliação da influência de aditivos e/ou outras adições na fluidez da pasta de cimento e da compatibilidade entre o cimento e o SP.
Segundo Gomes (2002), as principais vantagens deste ensaio são: a utilização de um equipamento leve, barato, portátil e de fácil manutenção; e a adoção de um procedimento de ensaio simples, rápido e que envolve uma pequena quantidade de material. Uma desvantagem observada é a limitação deste ensaio para pastas que não apresentem alta fluidez.
De uma maneira geral, o ensaio pode ser desenvolvido seguindo os seguintes passos:
1) preparar uma base de vidro sem inclinação;
2) lubrificar a placa de vidro e o molde metálico do minitronco de cone; 3) preencher o molde com a amostra de pasta;
4) nivelar o topo do molde do minitronco de cone com o auxílio de uma pequena espátula (o material em excesso é coletado pela borda ampliada do molde metálico);
5) levantar o minitronco de cone suavemente, mantendo-o na posição vertical; 6) finalmente, medir os dois diâmetros perpendiculares de pasta de cimento
espalhada.
Figura 5.6a – Preenchimento do minitronco
de cone com a pasta de cimento.
Figura 5.6b – Minitronco de cone
preenchido com a pasta de cimento.
Figura 5.6c – Pasta de cimento espalhada
sobre a placa de vidro.
Figura 5.6d – Leitura de um dos diâmetros
ortogonais da pasta de cimento espalhada.
Ensaio do cone de Marsh
O ensaio do cone de Marsh é um ensaio bastante simples que tem sido usado para a especificação, controle da qualidade e estudo da fluidez de pastas de cimento e argamassas e para a determinação do teor ótimo de SP para misturas de CAD.
Inicialmente, o método foi usado em diversos setores industriais para avaliar a fluidez de diferentes tipos de grautes e lamas, tais como as lamas de perfuração na indústria de petróleo, os grautes de injeção em rochas e em solos e os grautes de injeção para bainhas de protensão (AÏTCIN, 2000). A aplicação do ensaio de cone de Marsh na tecnologia do concreto iniciou nos anos 90 com o aumento da utilização do CAD, onde o ensaio faz parte do processo de desenvolvimento da mistura (determinação do traço). Considerando que a alta trabalhabilidade desses concretos é determinada pela composição das pastas e argamassas que o constitui, a utilização deste ensaio é de fundamental importância no estudo da reologia dos concretos.
Segundo Gomes (2002), as principais vantagens deste ensaio são: a necessidade de um equipamento simples e portátil; a utilização de pequenas quantidades de material para a sua realização; e o emprego de um procedimento de ensaio fácil de ser executado e repetido. Dentre as desvantagens estão a sensibilidade quanto a rugosidade da superfície do cone e a não utilização deste ensaio para a avaliação de pastas com baixa fluidez.
No estudo desenvolvido por Agulló et al. (1999), os autores apresentaram outras desvantagens. Primeiro, o ensaio considera a pasta de cimento como um fluido newtoniano, o que nem sempre é verdade. Como dito anteriormente, a pasta se comporta como um fluido binghamiano e, ao incorporar SP, a tensão de escoamento é reduzida sem qualquer mudança significativa da viscosidade plástica. Dessa maneira, considera-se que o tempo de escoamento determinado através do ensaio de cone de Marsh terá a mesma tendência da tensão de cisalhamento, como no caso da trabalhabilidade do concreto determinada a partir do ensaio de abatimento de tronco de cone. Segundo, a reologia da pasta no concreto poderá ser diferente da reologia da pasta preparada separadamente, sugerindo que a composição ideal final seja determinada a partir de ensaios realizados diretamente em concretos.
Do ponto de vista prático, observa-se que o cone de Marsh possui duas limitações (ROUSSEL & Le ROY, 2005). Por um lado, se a viscosidade do fluido testado for muito baixa, não existe uma relação linear entre a viscosidade e o tempo
de escoamento – para fluidos com baixa viscosidade, o tempo de escoamento não é uma medida significativa do ponto de vista reológico. Por outro lado, se o fluido testado possui uma tensão de escoamento, o escoamento poderá não ocorrer, isto é, o gradiente de pressão criado pelo peso do fluido acima da abertura do cone poderá não ser suficiente para que a tensão de cisalhamento exceda a tensão de escoamento na abertura; neste caso, o cone de Marsh se torna inútil.
O princípio do método consiste em medir o tempo que certa quantidade de pasta de cimento leva para escoar através de um funil com um dado diâmetro. Dessa forma, o tempo de escoamento está relacionado com a fluidez do material ensaiado, sendo considerado como o inverso de uma medida relativa da fluidez, isto é, quanto menor o tempo de escoamento, maior a fluidez do material [GOMES (2002); ROUSSEL & Le ROY (2005); Le ROY & ROUSSEL (2005)]. O tempo de escoamento depende do fluido ensaiado, mas também é influenciado pela geometria do cone.
O ensaio é regulamentado pelas normas francesa (NF P 18-358/85) e européia (EN 445/96). Uma aproximação semelhante foi padronizada pela norma americana ASTM C 939/87. No Brasil, este ensaio é regulamentado pela NBR
7682/83 – Calda de cimento para injeção - Determinação do índice de fluidez.
Basicamente, o cone de Marsh (figura 5.7) consiste de um cone plástico ou metálico com cavidade invertida, aberto na parte superior e com uma pequena abertura variável na parte inferior. Certo volume de material é colocado dentro do cone e o tempo gasto para que um volume pré-estabelecido escoe através do mesmo é monitorado. Na literatura, o diâmetro da abertura inferior pode variar entre 5 mm e 12,5 mm e o volume de pasta ou de argamassa inicial utilizado pode variar entre 800 ml e 2000 ml. Como exemplos da variação do diâmetro e do volume de material podem ser citados trabalhos elaborados por Toralles-Carbonari et al. (1996) apud GOMES (2002)[5.20], De Larrard et al. (1997b) e Aïtcin (2000): no primeiro, o cone utilizado apresentava abertura inferior com 8 mm de diâmetro e o ensaio foi realizado com volumes de pasta iguais a 200 ml e 800 ml; o segundo trabalho, para a análise em argamassas, empregou um cone de Marsh com diâmetro de 12,5 mm e volume de material de 500 ml e 1000 ml; por fim, o estudo
[5.20]
TORALLES-CARBONARI, B. M. et al. A synthetic approach for the experimental optimization of high strength concrete. In: INTENATIONAL SYMPOSIUM ON UTILIZATION OF HIGH STRENGTH/ HIGH PERFORMANCE CONCRETE, 4. Paris: Eds. F. De Larrard and R. Lacroix, p. 161-167. 1996 apud GOMES, P. C. C. Optimization
and characterization of high-strength self-compacting concrete. 2002. 139p. Tese (Doutorado) na Escola Tècnica Superior D’Enginyers de Camins, Canals i Ports de Barcelona, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona.
feito por Aïtcin (2000) utilizou um cone de Marsh com abertura inferior igual a 5 mm e volumes de pastas iguais a 500 ml e 1200 ml.
Figura 5.7 – Foto do equipamento completo (A) e esquema detalhado do funil (B) do ensaio do cone de Marsh empregado na presente pesquisa (dimensões em [mm]).
Segundo a NBR 7682/83, os passos para a execução do ensaio do cone de Marsh são:
1) umedecer o interior do cone antes de cada medida;
2) posicionar o cone corretamente em seu suporte, de maneira que ele permaneça nivelado e livre de vibrações;
3) alinhar a proveta com o eixo do funil;
4) fechar a abertura inferior do cone com o dedo ou registro e lançar a amostra para dentro do cone até atingir a marca estabelecida;
5) abrir a abertura inferior e, no momento em que a calda atingir o fundo da proveta, acionar o cronômetro;
6) parar o cronômetro quando o béquer graduado for preenchido com o volume de pasta predeterminado.
Quando se mede o tempo de escoamento de uma pasta incorporada com SP através do cone de Marsh, é interessante seguir a mudança do tempo de escoamento durante a primeira hora que segue a mistura. Esses resultados fornecem uma indicação do comportamento de uma combinação cimento-SP durante o período crítico em que um concreto é transportado e lançado. O método do miniabatimento também pode ser usado para esse propósito (AÏTCIN, JOLICOEUR & MacGREGOR, 1994).
Para uma determinada geometria e um dado procedimento de ensaio, o tempo de escoamento pode ser calculado em termos da tensão de escoamento e da viscosidade plástica para um determinado volume de pasta de cimento. O tempo
de escoamento é proporcional à viscosidade, mas a tensão de escoamento tem que ser considerada para predeterminar o tempo de escoamento de um fluido em particular (ROUSSEL & Le ROY, 2005). Porém, mesmo quando calibrado, o cone de Marsh não fornece dados suficientes para medir os dois parâmetros reológicos.
Assim, como o concreto se move através do orifício do funil, a tensão aplicada é maior que a tensão de escoamento. Portanto, relaciona-se este ensaio com a viscosidade do material. Caso o concreto não se mova através do funil, verifica-se uma tensão de escoamento maior que o peso do volume de material usado (FERRARIS, 1999).