Results of Laboratory Experiments

As partículas de cimento apresentam uma grande tendência à floculação quando entram em contato com um líquido tão polar como a água, devido a vários tipos de interações: forças de Van der Waals entre as partículas, forças eletrostáticas entre posições de sítios com cargas opostas e forte interação ou ligação envolvendo as moléculas de água ou hidratos. Assumir tal estrutura floculada implica na retenção de certa quantidade da água de amassamento dentro dos flocos e, com isso, gera uma rede aberta de canais entre as partículas. Essa rede de vazios pode aprisionar parte da água que, por essa razão, fica indisponível para hidratar a superfície das partículas de cimento e para fluidificar a mistura (AÏTCIN, JOLICOEUR & MacGREGOR, 1994).

As forças responsáveis pela floculação são geralmente bastante fracas e se quebram facilmente por cisalhamento; assim, a tensão de escoamento promove o rompimento do conjunto floculado de maneira que a suspensão começa a escoar. Normalmente essa quebra não é completa e a floculação remanescente é rompida progressivamente à medida que a taxa de cisalhamento é aumentada, levando a um comportamento pseudoplástico geralmente acompanhado pela tixotropia (STRUBLE et al., 1998).

Essa aglomeração, permanente ou não, pode interferir no empacotamento e, conseqüentemente, na reologia das suspensões, visto que as partículas se juntam formando unidades móveis de tamanho efetivo maior (aglomerados). Esses aglomerados geralmente são porosos, proporcionando uma maior demanda de água para a mistura e uma maior instabilidade dos sistemas, gerando, assim, produtos com maior incidência de defeitos e com microestruturas heterogêneas.

A eliminação dos aglomerados de partículas pode resultar em uma série de vantagens com relação à reologia das suspensões. Verifica-se que a redução da distância de separação entre as partículas finas, provocada pelo aprisionamento de água no interior dos aglomerados, eleva o número de colisões entre elas e, com isso, a viscosidade da suspensão (PANDOLFELLI et al., 2000). Neste caso, a sedimentação dos aglomerados é favorecida, promovendo uma rápida separação

entre as fases sólida e líquida da suspensão e, assim, prejudicando sua homogeneidade e estabilidade.

Para se conseguir uma distribuição homogênea da água e um ótimo contato água/cimento, as partículas de cimento deverão estar corretamente defloculadas e conservadas em um alto estado de dispersão. Além de apresentarem baixa viscosidade, as suspensões dispersas permitem a utilização de maiores concentrações de sólidos. Nelas, as partículas encontram-se individualizadas e, por isso, são pouco influenciadas pela força da gravidade (PANDOLFELLI et al., 2000). Dessa maneira, a homogeneidade e a estabilidade das suspensões são mantidas por um período maior.

Para se obter suspensões dispersas, as forças de repulsão entre as partículas devem exceder as forças de atração. Assim, o uso de dispersantes torna- se necessário para evitar a sedimentação das partículas e conseqüente segregação de fases, o que possibilita a preparação de suspensões homogêneas com alta concentração de sólidos. Esses aditivos são eficientes na quebra das estruturas de partículas de cimento e em sua dispersão, evitando uma ligação prematura, minimizando a quantidade de água necessária para a suspensão e resultando em misturas mais trabalháveis pelo intervalo de tempo desejado (DAIMON & ROY, 1978).

A fluidez melhorada do concreto pela adição de um aditivo orgânico é considerada como a causa principal da dispersão das partículas sólidas através das forças de repulsão eletrostática – devido ao aumento do potencial de superfície causado pelo aditivo adsorvido na superfície das partículas de cimento – e das forças de repulsão estéricas – baseadas na interação entre as camadas de adsorção do aditivo (UCHIKAWA, HANEHARA & SAWAKI, 1997), embora outros mecanismos, como a liberação da água armazenada nos flocos de cimento e a inibição da hidratação da superfície das partículas de cimento, possam aumentar a fluidez de uma mistura. Fisicamente, isso significa que uma menor viscosidade e, conseqüentemente, um maior abatimento são obtidos (ANDERSEN, 1986).

As condições em uma suspensão de cimento e água podem ser modificadas de algumas maneiras a fim de evitar a formação de uma estrutura floculada. Dentre elas estão: a afinidade sólido-líquido (a separação das partículas ocorre quando a afinidade da superfície dessas partículas com a fase líquida excede as forças de atração entre elas); a expansão ou a contração da dupla camada elétrica ao redor das partículas; a geração de forças elétricas de repulsão entre as partículas por meio da adsorção de componentes ionizados (potencial zeta); e a construção de

barreiras estéricas de proteção da floculação [DAIMON & ROY (1978); TATTERSALL & BANFILL (1983)]. Pandolfelli et al. (2000) apresentam três mecanismos básicos de dispersão (figura 5.10):

• eletrostático → desenvolvimento de cargas elétricas na partícula em decorrência da interação da sua superfície com o meio líquido;

• estérico → adsorção superficial de polímeros de cadeias longas que dificultam a aproximação das partículas por impedimento mecânico;

• eletroestérico → adsorção específica de moléculas com grupos ionizáveis ou polieletrólitos nas superfície das partículas, no qual os íons provenientes da dissociação desses grupos ionizáveis somam uma barreira eletrostática ao efeito estérico.

Figura 5.10 – Ilustração dos mecanismos de estabilização de suspensões: (a) estabilização eletrostática, (b) estabilização estérica e (c) estabilização eletroestérica

(PANDOLFELLI et al., 2000).

Em geral, a intensidade dos efeitos eletrostático e estérico na repulsão entre as partículas de cimento dependerá tanto da natureza química do polímero – composição e estrutura – quanto do seu peso molecular (JOLICOUER & SIMARD, 1998). Alguns estudos realizados mostraram que SP com maiores pesos moleculares são mais eficientes no aumento da fluidez de pastas de cimento do que os de menor peso molecular – fenômeno relacionado com o aumento do potencial zeta e com a adsorção de polímeros responsáveis pelo impedimento estérico – ou seja, são SP com maiores capacidades dispersantes [ANDERSEN, ROY & GAIDIS (1988); MANNONEN & PENTTALA (1996)].

Em misturas com alto teor de sólidos, tais como os concretos com baixa relação água/aglomerante (CAD), a defloculação e a ação dispersante dos SP desempenham um papel importante no efeito da fluidificação da mistura. Porém, outros fenômenos também poderão estar presentes e diferentes pesquisadores têm

combinadas de dispersão desses aditivos nos concretos. São elas: redução da tensão de superfície da água; repulsão eletrostática induzida entre as partículas; filme lubrificante entre as partículas de cimento; dispersão dos grãos de cimento, liberando a água aprisionada entre os flocos; inibição da reação de hidratação na superfície das partículas de cimento, deixando mais água livre para fluidificar a mistura; mudança na morfologia dos produtos de hidratação; impedimento estérico induzido evitando o contato partícula-partícula (AÏTCIN, JOLICOEUR & MacGREGOR, 1994).

Assim, vários tipos de forças coexistem em uma suspensão à base de cimento. Existem forças de origem coloidal que surgem a partir das interações mútuas entre as partículas e que são influenciadas pela polarização da água. Quando a força de atração de van der Waals entre os grãos de cimento e a atração eletrostática entre cargas opostas na superfície das partículas são dominantes, o conjunto resulta em uma atração e as partículas tendem a flocular. Porém, na presença de materiais dispersantes, o conjunto resulta em uma repulsão e as partículas permanecem separadas. Com relação a isto, os materiais cimentícios suplementares podem influenciar as forças eletrostáticas dependendo de sua origem mineralógica e do estado das cargas da superfície de suas partículas. Como as forças coloidais também dependem da distância média entre as partículas vizinhas, a interposição de grãos desses materiais mais finos entre as partículas de cimento pode interferir na atração eletrostática e, conseqüentemente, na estrutura floculada. Igualmente, substituindo o cimento por um material com área específica diferente, muda-se a área superficial molhável e a quantidade de água adsorvida. Alguns finos, contendo uma determinada solubilidade em água, podem modificar a solução eletrolítica e, assim, as forças eletrostáticas (NEHDI, MINDESS & AÏTCIN, 1998).

Existem também forças viscosas que são proporcionais à diferença de velocidade de deslocamento entre as partículas de cimento e a água circundante e entre um agregado e a pasta de cimento que o envolve. Como os materiais à base de cimento estão dentro da faixa de suspensões densas, as partículas têm que se afastar, especialmente quando flocos são formados. O efeito fíler sobre a reologia depende da finura do material, de sua distribuição granulométrica e da forma de suas partículas. A viscosidade das suspensões geralmente aumenta à medida que se aumenta a divergência da granulometria ideal e atinge um mínimo para um determinado volume de água e para um arranjo de partículas mais compacto. Além do mais, qualquer divergência da forma esférica implica no aumento da viscosidade

para um volume de pasta constante. Assim, na presença de SP, quanto mais fino e mais esférico for o material cimentício utilizado, melhores serão as propriedades reológicas da mistura. Esses materiais também podem apresentar diferentes eficiências para a adsorção do aditivo. Eles podem ser solúveis e introduzir íons que influenciam a cinética da reação de hidratação e a nucleação dos produtos da hidratação (NEHDI, MINDESS & AÏTCIN, 1998).

5.2.4 Vibração

A grande quantidade de trabalhos publicados nas décadas de 50 e 60 foi desenvolvida como uma tentativa para se decidir a freqüência e a amplitude ótimas de um equipamento de vibração, período em que se pensava que o parâmetro importante na avaliação da eficiência de um vibrador era a aceleração. Segundo esses estudos, para um vibrador senoidal, a aceleração era igual ao produto da amplitude e do quadrado da freqüência. Porém, essa afirmação simples foi rapidamente modificada e algumas exigências, como a amplitude mínima, foram sugeridas (TATTERSALL & BANFILL, 1983).

A maior parte desses trabalhos foi feita com mesa vibratória e, na maioria deles, a eficiência de vibração foi avaliada pela medida das propriedades do concreto no estado endurecido para a verificação do grau de compactação alcançado. Evidentemente, é desejável fazer medidas no concreto fresco, isto é, examinar o efeito da vibração sobre a trabalhabilidade do material. Assim, embora seja a qualidade do material endurecido o objetivo final da produção de um concreto, uma melhor compreensão do processo de vibração será obtida a partir de estudos diretos do comportamento do concreto no estado fresco e, em particular, pela investigação da natureza de sua curva de escoamento.

Uma observação inicial do comportamento do concreto fresco sugere que o material possui uma tensão de escoamento e que a aplicação de uma força vibratória reduz essa tensão consideravelmente, pelo menos, em uma extensão tal que o material possa escoar sob a influência do seu peso próprio (TATTERSALL, 1991b).

Quando o concreto fresco é submetido à vibração, observam-se mudanças significativas em suas propriedades reológicas.Existe um indício de que a curva de escoamento do concreto vibrado passa através da origem, isto é, que o material efetivamente não possui mais uma tensão de escoamento, no entanto, sua curva não é mais uma relação linear simples (TATTERSALL & BANFILL, 1983). Sob

vibração, pode-se dizer que o concreto fresco se comporta como um fluido pseudoplástico e possui tensão de escoamento igual à zero, desde que certas condições limites de vibração não sejam excedidas (TATTERSALL, 1990).

Em um estudo desenvolvido com pastas de cimento por Dimond (1980) apud Tattersall e Baker (1988)[5.23], o autor verificou que a vibração teve um efeito considerável sobre a tensão de escoamento desses materiais, sendo esse efeito imediato e também instantaneamente reversível. Em outras palavras, ao iniciar a vibração, observou-se uma queda imediata no torque e, ao desligá-la, o torque retornou imediatamente ao seu valor inicial.

Usando um equipamento conhecido como ensaio de dois pontos da trabalhabilidade (two-point workability apparatus), Tattersall (1991a) concluiu que o concreto sob vibração perde sua tensão de escoamento. Com um equipamento semelhante, Kakuta e Kojima (1991) verificaram que o concreto sob vibração muda de um material plástico com tensão de escoamento para um material pseudoplástico com pequena ou nenhuma tensão de escoamento. De Larrard et al. (1997a), usando um reômetro, observaram que, sob vibração, a tensão de escoamento das misturas de concreto estudadas caíram pela metade, tornado-se desprezível em alguns casos.

As causas da redução da tensão de escoamento devido à vibração ainda não são totalmente compreendidas. Petrou et al. (2000a; 2000b) especulam que a vibração deflocula os grãos de cimento e também rompe as fracas ligações químicas iniciais resultantes da gelificação da pasta de cimento fresco; também pode fazer com que o agregado graúdo se agite, destruindo o esqueleto inicialmente conectado. Dessa maneira, a redução da tensão de escoamento do concreto submetido à vibração pode estar relacionada com o enfraquecimento das ligações físicas e químicas entre os materiais constituintes da mistura.

Com relação à viscosidade plástica, Tattersall (1991a), Kakuta e Kojima (1991) verificaram que, através do ensaio de dois pontos da trabalhabilidade sob vibração, esse parâmetro reológico do concreto muda e o material se torna pseudoplástico. Porém, De Larrard et al. (1997a) não observaram qualquer mudança na viscosidade plástica quando o concreto foi submetido à vibração em um reômetro. Portanto, mesmo que a viscosidade plástica de uma mistura não seja modificada sob vibração, o concreto se tornará ainda mais trabalhável devido à redução de sua tensão de escoamento.

[5.23]

DIMOND, C.R. Unpublished internal report, Department of Building Science, University of Sheffield, Feb. 1980

apud TATTERSALL, G.H.; BAKER, P.H. The effect of vibration on the rheological properties of fresh concrete.

Através do ensaio de dois pontos da trabalhabilidade, Tattersall e Baker (1988; 1989) verificaram que, quando a vibração é aplicada, as propriedades ao escoamento do concreto não são mais representadas pelo modelo binghamiano linear simples, mas que elas se aproximam da lei de potências de um fluido pseudoplástico sem tensão de escoamento. Além disso, sob baixas taxas de cisalhamento, o concreto vibrado pode ser considerado como um fluido newtoniano, pois dentro de uma variação restrita da taxa de cisalhamento, a curva de escoamento pode ser aproximada por uma linha reta que passa através da origem (TATTERSALL, 1991a; 1991b), cuja viscosidade não depende apenas da composição da misturas, mas também dos parâmetros de vibração e, em particular, da velocidade máxima de vibração (TATTERSALL, 1990). Essas considerações são válidas para condições de ensaio semelhantes às utilizadas no experimento (mesa vibratória), sendo que, no caso de vibradores internos, outros fatores também deverão ser considerados.

O comportamento semelhante ao de um fluido newtoniano permitiu o desenvolvimento de métodos de ensaio mais simples do que os métodos até então existentes. Nesse contexto, Kakuta e Kojima (1989) apud Tattersall (1991b)[5.24] desenvolveram estudos para avaliar o efeito da vibração sobre as propriedades do concreto fresco e comprovaram que, sob baixas taxas de cisalhamento aplicadas durante a vibração, o material se comporta como um líquido newtoniano simples. Durante a vibração, existe uma amplitude e uma freqüência limites abaixo e acima das quais, respectivamente, a vibração não tem qualquer efeito prático sobre a tensão de escoamento. Assim, observa-se que a fluidez e, conseqüentemente, a trabalhabilidade de um concreto vibrado não depende apenas das propriedades e da proporção dos materiais constituintes da mistura, mas também dos parâmetros da vibração aplicada.

Segundo Börgesson e Fredriksson (1991), a vibração reduz a resistência ao cisalhamento de materiais à base de cimento se uma combinação correta da freqüência e da amplitude de oscilação da taxa de cisalhamento for aplicada. No estudo feito pelos autores, quando a freqüência e a amplitude foram aumentadas, a resistência ao cisalhamento foi reduzida. Em outra observação, eles verificaram que o efeito da mudança na freqüência foi maior do que o efeito relacionado com a mudança da amplitude, isto é, ao dobrar o valor da freqüência, seu efeito sobre o

[5.24]

KAKUTA, S.; KOJIMA, T. Effect of chemical admixtures on the rheology of fresh concrete during vibration. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON SUPERPLASTICIZERS AND OTHER CHEMICAL ADMIXTURES IN CONCRETE, 3., 1989, Ottawa. Proceedings... p. 4-6, Oct. 1989 apud TATTERSAL, G.H. Workability and quality

comportamento do material foi maior do que quando a amplitude foi dobrada. Porém, a energia necessária mostrou-se diretamente proporcional ao cubo da freqüência e ao quadrado da amplitude de oscilação, indicando que mais energia se torna necessária quando a freqüência for aumentada afim de se alcançar a mesma redução na resistência ao cisalhamento.

De acordo com Tarttersall e Baker (1988), a eficiência da vibração depende da velocidade máxima da vibração, sendo independente da relação água/cimento da pasta e, como inicialmente esperado, completa e instantaneamente reversível.