O efeito da redosagem de superplastificante no abatimento de pastas de cimento portland



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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 1410

2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.



O EFEITO DA REDOSAGEM DE SUPERPLASTIFICANTE

NO ABATIMENTO DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND


J. R. Meirelles, W. Libardi, J. B. Baldo


Via Washington Luiz Km 235 São Carlos-SP-13565-905, jrmeirelles@hotmail.com

Universidade Federal de São Carlos - DEMa – Lab. Refratários e Concretos-LAMARC


RESUMO

O concreto de cimento porland deve manter propriedades reológicas adequadas por um período de tempo apropriado, de modo a propiciar flexibilidade na aplicação, associada a uma moldagem com menor densidade de macrodefeitos e um consequente aumento da resistência mecânica. Elevados níveis de trabalhabilidade inicial são geralmente conseguidos através da utilização de aditivos superplastificantes, à base de naftaleno ou melamina. Tais aditivos atuam basicamente como defloculantes da pasta , permitindo a utilização de baixas relações água/cimento com melhor qualidade na moldagem e diminuição da segregação e exudação do concreto , o que permite a preparação de um concreto de fácil adensamento e moldagem e maior resistência mecânica. Contudo, a atuação do superplastificante começa a perder sua efetividade nos primeiros 15 minutos após o amassamento da pasta (perda de trabalhabilidade). Assim, procurando-se aumentar a trabalhabilidade da pasta de cimento , foram feitas redosagens de superplastificante, até um nível total máximo de 3% em peso de cimento, e estudado o seu efeito na perda de trabalhabilidade das pastas de cimento Portland, através do ensaio de mini abatimento assim como na resistência mecânica, através do ensaio de flexão de três pontos.

Palavras - chaves: cimento Portland, superplastificante, trabalhabilidade, redosagem, resistência mecânica

INTRODUÇÃO

O cimento Portland é composto de partículas cujo tamanho varia na faixa de 1 a 50 m. Tais partículas, quando em suspensão aquosa, tendem naturalmente a flocular devido a forças de caráter eletrostático, forças do tipo Van der Walls e interações químicas superficiais, que ocorrem entre partículas hidratadas ou em processo de hidratação.

O fenômeno de floculação consiste na aglomeração de partículas em flocos contendo espaços internos que ficam preenchidos com água. Esta água aprisionada, durante um certo tempo, não está disponível para cumprir suas funções normais de hidratação das partículas do cimento (reação de hidrólise e lubrificação do meio).

Imediatamente após a adição da água as fases anidras (C3A, C2S, C3S, C4AF) do cimento iniciam reações com a água originando cristais de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) e um gel amorfo de silicato de cálcio hidratado (C.S.H), recobrindo as partículas. Similarmente a qualquer suspensão, o comportamento reológico da pasta de cimento recém hidratada, é dominado pela concentração de sólidos, superfície específica do cimento e pelo grau de floculação do sistema.

Vemos portanto que é uma tarefa difícil estabelecer parâmetros de avaliação reológica da pasta de cimento em função das complicações originadas do estado de floculação e das reações químicas que se seguem ao longo do tempo alterando a composição da fase líquida (força iônica ), a concentração de sólidos e a interação entre partículas.

Aditivos conhecidos como superplastificantes são utilizados em pastas, argamassas ou em concretos de cimento portland objetivando-se deflocular o sistema cimento+água. Isto é, procura-se diminuir a relação água cimento obtendo-se ao mesmo tempo os benefícios de decréscimo de viscosidade da pasta e o aumento de resistência mecânica quando a mesma enrijecer. Isto para relações água/cimento na faixa 0,25-0,40.

Os superplastificantes são geralmente polímeros orgânicos aniônicos sulfonados a base de naftaleno ou melamina.

Ao ser adicionado à suspensão água+cimento, o superplastificante dissocia-se liberando cátions monovalentes e grandes grupos poliméricos aniônicos. Uma vez que a reação de hidratação promove uma elevação acentuada do pH do meio, as partículas hidratadas adquirem carga superficial positiva. Imediatamente os ânions poliméricos adsorvem na sua superfície, carregando-as negativamente com a mesma magnitude de carga. Isto resulta em forças de repulsão eletrostática que separam as partículas e as distribuem no meio. Além disso, dependendo do peso molecular do componente polimérico do superplastificante, a adsorção pode originar interações físicas dos grandes grupos aniônicos adsorvidos propiciando uma repulsão de origem espacial.

Tem-se neste caso a ocorrência simultânea de dois tipos de defloculação, isto é, defloculação eletrostática e defloculação estérica. A combinação de ambos recebe o nome de Defloculação Eletrostérica, um fenômeno que permite a produção de suspensões com concentrações elevadas de sólidos (90%).

No caso do cimento Portland a eficácia dos superplastificantes acima mencionados, depende geralmente da relação C3A/CaSO4. Quanto maior esta relação menor é o efeito defloculante. O tipo de sulfato de cálcio presente no cimento, também afeta a viscosidade da pasta devido a maior ou menor facilidade de dissociação no meio originando íons Ca+2 (floculantes).

Neste aspecto tem sido encontrado (2) que a fase CaSO4.1/2H2O é a que leva a uma maior viscosidade enquanto que a fase CaSO4.2H2O propicia a menor viscosidade.

Quando existe algum tipo de sulfato presente no cimento (o que é comum), a adsorção do superplastificante nas fases minoritárias C3A e C4AF (cuja cinética de hidratação é extremamente rápida) é menor, o que permite então que as fases majoritárias C3S e C2S adsorvam o polímero e o cimento se deflocula mais eficazmente.

No entanto,(4) o período de eficiência desses aditivos superplastificantes é limitado, pois os produtos da hidratação do cimento tendem a aprisionar a pequena quantidade de superplastificante presente no sistema . Assim ,agentes que retardam a formação de ligações entre os produtos de hidratação devem ser usados simultaneamente , fazendo com que os superplastificantes atuem como redutores de água e retardadores de pega , dependendo da dosagem.

Normalmente o comportamento reológico das pastas, argamassas ou concretos de cimento Portland é avaliado através do ensaio de abatimento, um parâmetro que exprime a capacidade da pasta, argamassa ou concreto em fluir sobre ação do seu próprio peso sendo fundamentalmente dominado pela tensão de escoamento da pasta.

O abatimento é um parâmetro de controle determinante na moldabilidade com reflexos na qualidade das pastas moldadas e na homogeneidade microestrutural.

Baseado no exposto acima, neste estudo investigou-se comparativamente o efeito da redosagem de superplastificante comercial na perda de trabalhabilidade das pastas de um cimento Portland de Classe I ,e também, o seu efeito na resistência mecânica, utilizando, para tanto, os ensaios de mini abatimento e de flexão de três pontos.



MATERIAIS E MÉTODOS DE ANÁLISE


Formulação


  • cimento portland comum de Classe I (CP II - F-32)

  • superplastificante à base de naftaleno

  • água

Foram preparadas pastas de cimento onde a relação água/cimento foi fixada em 0,35 e o teor total de superplastificante variou em 1%, 1.5%, 2% e 3% do peso de cimento. Estes teores foram adicionados em uma única dose ou em uma redosagem (1%+1%) ou em duas redosagens ( 1%+1%+1%) com um intervalo de 15 min entre cada redosagem.
  • Pastas sem redosagem com teores de 1%, 2% e 3% de superplastificante
  • Pastas com uma redosagem, teores de 1,5% e 2% de superplastificante


Ensaio de mini abatimento
O mini abatimento foi avaliado através de um cone truncado cujas dimensões são mostradas na Figura 1.

Neste ensaio preenche-se integralmente o tronco de cone com a pasta produzida, o qual é erguido permitindo que a pasta escoe sobre ação de seu próprio peso.

O diâmetro alcançado pela mesma ,após escoar livremente por 60 s, é a medida do abatimento inicial.
Figura 1; Tronco de cone para ensaio de mini abatimento
Para medir a perda de trabalhabilidade, o ensaio de abatimento foi realizado a cada 15 minutos após a mistura da água , onde a pasta era remisturada, até completar 150 min.

Em alguns ensaios, houve uma readição de superplastificante 15 min após o amassamento ou 15 min após a primeira readição.



Tabela I: Formulação de pastas

Composição

H2O /

Cimento

Teor total de superplastifi-

cante

Redosagem

J0


0,35

0

0

J1


0,35

2%

0

J2


0,35

3%

0

J3


0,35

3%

2 (1%+1%+1%)

J4


0,35

1%

0

J5


0,35

2%

1 (1%+1%)

J6


0,35

3%

2 (1%+1%+1%)

J7


0,35

2%

0

J8


0,35

3%

0

J9


0,35

1,5%

1 (1%+1,5%)


Corpos de Prova
 Corpos de prova foram confeccionados com dimensões 110 x 25 x 25 mm3 por vibração em mesa vibratória.

 Após desmoldagem não foram curados em ambiente úmido.



  • Foram ensaiados 4 corpos de prova para cada situação.


Ensaio Mecânico
O ensaio mecânico foi feito em flexão de três pontos, como mostra a Figura 2, em uma máquina universal de ensaio mecânico INSTRON. A tensão de ruptura foi determinada pela Equação (1).

r = (3/2) . (P . L0)/(b . h2) (1)

Onde:

P é a carga de ruptura (N)

b é a base da área de ruptura (mm)

h é a altura da área de ruptura (mm)

r é a tensão de ruptura (MPa)



L0 é a distância entre apoios (mm)

Os corpos de prova tiveram suas secções transversais medidas ,depois da ruptura, tendo em vista variações nestas dimensões.




P









L o

Figura 2; Esquema do ensaio de flexão

RESULTADOS E DISCUSSÃO
Perda de trabalhabilidade
Pelo gráfico da Figura 3 observa-se que a composição J4 (1% sem redosagem) perde 45% da sua trabalhabilidade inicial em 45 minutos. Enquanto ,ao longo de 90 minutos, J1 e J7 possuem uma perda de 36%; decorridos 150 min, J5 apresenta apenas 8% de perda da trabalhabilidade, J3 e J6 apresentam uma perda de 37% e J2 e J8 perde 33% da trabalhabilidade; finalmente após 135 min, J9 apresenta perda de 20 % .


Figura 3 - Abatimento versus tempo após mistura

Assim sendo, a composição J5 apresenta não só o maior abatimento final, como também a menor perda de trabalhabilidade ao longo de 150 min, devido o excepcional aumento do abatimento durante esse período. Analisando sua queda a partir do abatimento mais alto, a perda seria de 23%.

Considerando como ótima a composição que se apresenta mais estável com o tempo, esta seria J9.

O gráfico da Figura 4 mostra que o uso de superplastificante na pasta de cimento aumenta sua resistência mecânica e que o teor de 1% de superplastificante é suficiente, já que o aumento desse teor não aumenta a resistência mecânica. No entanto, a pasta com apenas 1% de superplastificante não apresenta uma trabalhabilidade satisfatória, como foi discutido anteriormente.


a-corpo de prova moldado 150 min após o preparo

b-corpo de prova moldado logo após o preparo

Figura 4 – Tensão máxima versus aumento do teor de superplastificante

Através da Tabela II pode-se notar perfeitamente o efeito negativo da redosagem de teores maiores que 0,5% de superplastificante em pastas sobre sua resistência mecânica, apesar das mesmas manterem uma boa trabalhabilidade durante um maior tempo. Por outro lado, a redosagem de 0,5% não afeta a resistência mecânica e é capaz de manter estável a trabalhabilidade, como já foi discutido. Assim sendo, o teor total recomendado de superplastificante seria de 1,5%, sendo 0,5% de redosagem, o que alcançaria boa trabalhabilidade sem alterar a resistência mecânica.


Tabela II; Efeito da redosagem na resistência mecânica




Corpo de prova

Redosagem

Teor total de superplastificante (%)


Tensão máxima (MPa)

J0

0

0,0

6,0

J4

0

1,0

10,5

J5

+ 1%

2,0

5,9

J3a

+ 1% + 1%

3,0

9,2

J6b

+ 1% + 1%

3,0

5,7

J9

+ 0,5%

1,5

10,3

a-corpo de prova moldado 150 min após o preparo

b-corpo de prova moldado logo após o preparo




CONCLUSÃO

Neste estudo foi concluído que:



  • teores maiores que 1% de superplastificante (redosados ou não) são capazes de manter a trabalhabilidade de uma pasta de cimento satisfatória por mais de 150 minutos

  • o aumento do teor total de superplastificante não aumenta a resistência mecânica;

  • a redosagem de teores maiores que 0,5% diminui a resistência mecânica;

  • um teor total ótimo para manter uma trabalhabilidade estável seria 1,5% de superplastificante, com redosagem de 0,5%, pois não afeta negativamente a resistência mecânica.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


1. V. S. Ramachandran - “Concretes Admixtures Handbook” second edition-

Noyes Publications. Park Ridge - New Jersey -U.S.A 1995.


2. C.F. Zukoski and L. J .Strubel - “Rheology of Cementotious Systems”- Mrs.

Bulletim March 1993 - pp.39-42.

3. T. Nawa and H. Eguchi - “Effect of Cement Characteristics on The Fluiditry of
Cement Paste Contaimine xxxx Organic Administure” - 9th International Congress

of Chemistry of Cement. - Vol. IV pp.597-603 - New Delhi - 1992.

4. P. K. Metha, “Concreto ; Estrutura , Propriedades e Materiais” pp.280-287

THE EFECT OF A SECOND ADDICTION OF SUPERPLASTICIZER IN CEMENT PASTE´S MINI-SLUMP


ABSTRACT
The development of good workability index is very important in order to assure adequate rheological properties for the proper placement of portland cement concrete, as well as of developing the full strength potential of the material by decreasing its macrodefect density. In order to improve placement ability, it is a common practice to add nafphtalene based superplasticizers to the concrete. The rheology of concrete is primarily dependent on the rheological properties of the cement paste, which generally are evaluated by means of the mini-slump test. In the present paper it was investigated the effect of a second addiction of naftalene based superplasticizer on the mini-slump of common cement pastes, that is, their behavior along the time, as well as on mechanical resistance.
Key words: cement paste, mini-slump, mechanical resistance, trabalhabilidade




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