Fine soil vs. coarse soil

Qualquer discussão sobre a relação entre a reologia e a microestrutura da pasta de cimento deve considerar a formação instantânea de uma camada ou membrana de minerais hidratados ao redor das partículas de cimento em água, assim como a explicação da quebra estrutural. A estrutura tridimensional criada surge a partir de uma combinação de forças coloidais (por exemplo, forças de Van der Waals, atração e repulsão eletrostática), hidrodinâmicas e reações químicas que produzem o silicato de cálcio hidratado (TATTERSALL & BANFILL, 1983). Em repouso, a pasta tem uma estrutura rígida que pode ser superada pelo cisalhamento, mas que se recompõe instantaneamente quando o cisalhamento é interrompido (BANFILL, 1990). Essa estrutura resulta em propriedades

viscoelásticas, comum em suspensões cerâmicas [LANGE (1989) apud SAAK, JENNINGS & SHAH (2001a)][5.14].

Quando o cimento em pó entra em contato com a água, uma camada ou membrana hidratada se forma ao redor dos pares ou grupos de partículas. Quando a camada é quebrada pelo cisalhamento e as partículas se separam, a região de uma partícula que estava em contato com outra partícula é exposta e os hidratos corrigem a camada rompida. Essas ligações entre as partículas não podem ser reformadas da mesma maneira de quando a estrutura estava em repouso, pois a quebra da camada de junção é irreversível (BANFILL, 1990).

Sob baixas tensões de cisalhamento, a pasta de cimento é muito viscosa, parecendo-se com um sólido elástico. Para uma pequena variação de tensão, a viscosidade diminui em várias ordens de magnitude e um escoamento macroscópico é observado. A variação da tensão crítica é muito pequena e freqüentemente designada como um ponto simples, denominada tensão de escoamento aparente (SAAK, JENNINGS & SHAH, 2001a).

A viscosidade e demais propriedades da pasta de cimento durante o escoamento são controladas pela forma em que se apresentam as partículas, isto é, pelo seu estado de dispersão ou floculação [GHIO (1993); RAGO (1999)]. Este fato também foi observado por Asaga e Roy (1980), onde os autores afirmam que as mudanças das propriedades reológicas de misturas à base de cimento resultam de mudanças da estrutura dispersa de suas partículas.

Muito do que se sabe sobre a microestrutura floculada das pastas de cimento no estado fresco é decorrente do trabalho desenvolvido por Powers (1968). Nele, o autor distingue dois estados possíveis de comportamento para microestrutura das pastas: o floculado, onde se observam agrupamentos isolados de partículas; e o floculento, onde a grande concentração dos flocos permite a observação de uma massa contínua, dando a impressão de que todo o sistema é constituído por um único grande floco. Ainda, considera a pasta como floculada se diluída e floculenta se concentrada (relação água/cimento menor que 0,40).

Em estudos realizados por Nachbaur et al. (2001) foi possível observar a evolução da estrutura da pasta de cimento e as forças responsáveis por suas propriedades mecânicas através de ensaios reológicos realizados dinamicamente desde sua mistura até sua pega. Com isso, os pesquisadores verificaram que a

[5.14]

LANGE, F.F. Powder processing science and technology for increased reliability. Journal of the American

Ceramic Society, v. 72, n. 1, p. 3-15. Jan. 1989 apud SAAK, A.W.; JENNINGS, H.M.; SHAH, S.P. The influence of wall slip on yield stress and viscoelastic measurements of cement paste. Cement and Concrete Research, v. 31, n.

principal evolução da estrutura das pastas de cimento ocorre logo durante os primeiros minutos que seguem o fim da mistura, não sendo observada qualquer mudança durante as próximas horas, pelo menos até o início de pega.

A pasta de cimento é considerada uma suspensão densa de partículas de cimento, onde, devido ao pequeno tamanho das partículas, as forças entre elas e da gravidade exercem, na mesma magnitude, influência sobre a suspensão e desempenham um papel importante sobre as características macroscópicas das mesmas (CHAPPUIS, 1991). As forças entre as partículas presentes na suspensão podem ser de dois tipos: forças de van der Waals e dupla camada elétrica.

As forças de van der Waals geram atração entre os átomos de duas partículas quaisquer de cimento e, ainda, entre moléculas neutras quimicamente saturadas. Shaw (1980) apud Ghio (1993)[5.15] reconhece três tipos de atração intermolecular: duas moléculas com bipolos permanentes orientados mutuamente de tal maneira que, em média, resulta em atração; moléculas bipolares induzem os bipolos de outras moléculas resultando em atração entre elas; e as forças de atração também operam entre moléculas não polares (forças de dispersão), promovendo a polarização de uma molécula pela variação na distribuição de carga de uma segunda molécula e vice-versa.

Com exceção dos materiais altamente polares, as forças de dispersão são consideradas para quase todas as forças de atração de van der Waals que estão em operação. A energia de atração entre duas moléculas é muito pequena e varia inversamente à sexta potência da distância intermolecular. Para um grupo de moléculas, as forças de dispersão são, em uma primeira aproximação, adicionais e a energia de interação de van der Waals entre duas partículas pode ser calculada pela soma das forças de atração entre todos os pares de moléculas, resultando em uma energia de atração que varia inversamente com o quadrado da distância de separação entre elas (GHIO, 1993).

As partículas coloidais geram atrito ao se movimentarem, resultando em cargas elétricas nas suas superfícies e na ocorrência da dupla camada elétrica. Uma das camadas tem aproximadamente a espessura dos íons, permanecendo praticamente fixa à superfície da partícula, enquanto a outra se estende até certa distância da superfície do sólido dentro do meio disperso (camada difusa) (RAGO, 1999). Existe, assim, uma queda acentuada de potencial através camada fixa, caindo gradualmente na camada difusa.

[5.15]

SHAW, D. J. Introduction to colloid and surface chemistry. London, 1980 apud GHIO, V. A. The rheology of

fresh concrete and its effect on the shotcrete process. 1993. 193p. Tese (Doutorado) em Engenharia Civil pela Divisão de Graduação da Universidade da Califórnia em Berkeley. 28/04/1993.

As cargas das partículas na dupla camada elétrica podem ser tanto de atração como de repulsão e as interações entre elas têm origem nas cargas elétricas superficiais das partículas ao entrarem em contato com o meio aquoso [CHAPPUIS (1991); GHIO (1993); RAGO (1999)].

Diz-se que uma suspensão é dispersa quando a forças repulsivas da dupla camada elétrica forem maior que as forças de Van der Waals; para situação contrária, observa-se a floculação. Chappuis (1991) define o exposto anteriormente como: quando as forças de repulsão da dupla camada elétrica forem superiores, a suspensão apresenta escoamento facilitado – suspensão defloculada – e, quando as forças de atração de Van der Waals forem dominantes, as partículas sólidas formam uma estrutura que deixa a suspensão mais coesa, com escoamento dificultado. Ainda segundo o autor, a relação entre as forças entre as partículas, o estado de dispersão e a reologia da suspensão pode ser resumida segundo a tabela 5.3.

Tabela 5.3 – Relação entre as forças entre as partículas, o estado de dispersão e a reologia das suspensões (CHAPPUIS, 1991).

Forças entre as partículas Atração Repulsão

Estado de dispersão da suspensão Floculado Disperso

Reologia da suspensão Coesa Fluida

Em contraste com outros materiais que possuem uma superfície bem definida em uma solução aquosa, o cimento reage com a água e, portanto, possui uma área e uma composição superficial que varia com o tempo (RAGO, 1999). Assim, a composição da dupla camada elétrica no cimento deve ser bastante influenciada por sua reação de hidratação.