Forma das Partículas

Sabe-se que a forma das partículas de agregados exerce grande influência na trabalhabilidade do concreto. Quanto mais arredondado ou cúbico for o grão do agregado, menor a demanda de água para um mesmo abatimento de tronco de cone e, consequentemente, menor a quantidade de pasta necessária para envolver os grãos e promover a mobilidade da mistura (MEHTA e MONTEIRO, 2014).

O método clássico para medir distribuições dos tamanhos dos grãos é o peneiramento. No entanto, o método não é adequado para frações muito finas. Além disso, a método apenas fornece uma medida aproximada da largura das partículas, o que é insuficiente para uma boa caracterização. Existem muitos parâmetros geométricos que podem ser definidos por medições nas partículas. A geometria dos grãos é tradicionalmente expressa pelo alongamento da partícula (relação entre o comprimento e a espessura) e pela razão entre a largura e a espessura. Existem diferentes métodos de análise para medir esses parâmetros de forma, como ABNT NBR 7809 (2006), DIN 52 114, BS 812 (1990) e EN 933-4 (1993). No entanto, estes métodos não são adequados para a análise de materiais finos (PERSSON, 1998).

Existem muitos trabalhos (OLIVEIRA, 2004; WEIDMANN, 2008; DAMO, 2011) que prescrevem metodologias para a determinação da forma de agregados miúdos por meio de imagens digitais obtidas pelo escaneamento de grãos maiores que 0,3 mm. Com grãos menores não é possível obter a precisão desejada nas imagens e acreditava-se que a forma de grãos muito pequenos tinha pouca ou nenhuma influência na mistura. No entanto, a forma de grãos menores que 0,3 mm e, até mesmo, menores que 0,075 mm, está sendo estudada atualmente e os resultados indicam que a geometria das partículas apresenta influência significativa nas propriedades das misturas cimentícias (STEWART et al., 2006; FELEKOGLU, 2009; DAMINELI, 2013). Segundo Ho et al. (2002) e Koehler e Fowler (2007), problemas relativos à trabalhabilidade e acabamento do concreto são influenciados diretamente pela forma, granulometria e mineralogia das partículas microfinas utilizadas.

Especialmente no CAA, que contém grande quantidade de partículas finas, o conhecimento da forma dos grãos dos microfinos é de grande importância para a compreensão dos efeitos que estes causam na viscosidade e na tensão de escoamento da mistura, pois, além das implicações já mencionadas sobre a mobilidade (rolamento e lubrificação), a forma dos grãos finos pode influenciar na adsorção das partículas (STEWART et al., 2006).

Imagens ampliadas obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) têm sido um bom indicador dos parâmetros de forma de materiais finos e, segundo Stewart et al. (2006), os resultados são pouco afetados pela orientação das partículas na preparação da amostra. Segundo Mehta e Monteiro (2014), através do MEV é possível caracterizar a forma, angularidade e textura superficial de materiais microfinos, em 2-D, com capacidade de ampliação de até 105 _vezes.

Felekoglu (2009) utilizou MEV para caracterizar microfinos de quartzo e de calcário e concluiu que as imagens determinam, de forma qualitativa satisfatória, o tamanho e a forma das partículas e a morfologia de sua superfície. Segundo o autor, o sucesso do procedimento depende significativamente da preparação das amostras e do cuidado com alguns aspectos durante o procedimento. Em particular, a concentração de partículas na área da captura e a magnitude de ampliação da imagem desempenham um papel significativa no resultado da análise.

Para a realização do ensaio, geralmente, utiliza-se uma fita adesiva de carbono, na qual as partículas de pó são despejadas. Em seguida, com um papel não adesivo, deve-se pressionar suavemente a fita de carbono. O objetivo desta operação de prensagem suave (sem causar quaisquer danos mecânicos às partículas) é garantir a aderência do pó com fita adesiva e minimizar o bombardeamento de feixes de elétrons, que reduzem a qualidade da imagem. Além disso, é necessário controlar a concentração de material na superfície da fita de carbono, pois, se for excessiva, causa prejuízos no contato (FELEKOGLU, 2009). A Figura 23 mostra exemplos que ilustram essas situações.

De acordo com Masad et al. (2001) e Stewart et al. (2006), quando realizadas de forma adequada, as imagens podem determinar vários fatores relacionados ao desempenho dos microfinos em concreto, como as propriedades morfológicas, representadas pela forma da partícula; a angularidade, que reflete o número e a nitidez dos cantos na superfície da partícula; e a textura ou aspereza superficial. Masad et al. (2005) mostram a diferença entre essas três características dos finos na Figura 24. Pode-se notar que as três partículas têm, essencialmente, o mesmo formato, ou seja, as três podem ser consideradas arredondadas. No entanto, a partícula B tem uma angularidade maior que a partícula A, enquanto que a partícula C apresenta aspereza maior que as demais, já que possui pequenas alterações na superfície em intervalos muito menores que a partícula B.

Figura 23: Imagens de microscopia eletrônica de varredura para determinação da forma das partículas.

a) Imagem com partículas coladas inadequadamente na fita de carbono (baixa aderência).

b) Imagem realizada com elevada concentração de partículas.

c) Imagem adequada. Fonte: Felekoglu (2009).

Figura 24: Partículas com formas arredondadas, mas com diferentes angularidades e texturas.

Fonte: Masad et al. (2005).

Kuo e Freeman (2000 apud KUO, 2002), propuseram três índices de caracterização de partículas por meio de imagens. Os correspondentes índices da imagem 2-D são chamados de relação de aspecto (alongamento da partícula), angularidade e rugosidade e são determinados de acordo

com as Equações 5, 6 e 7. Outras fórmulas e conceitos para caracterizar partículas quanto à sua forma e morfologia podem ser consultados em detalhes em Stewart et al. (2006) e Rousan et al. (2007).

𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 (5) 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = (𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑝𝑜𝑙í𝑔𝑜𝑛𝑜 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑒 ) 2 (6) 𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = ( 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑝𝑜𝑙í𝑔𝑜𝑛𝑜 ) 2 ₍₇₎

A relação de aspecto ou alongamento da partícula é definida pela razão entre o maior comprimento entre dois planos paralelos que contenham a partícula e a distância entre dois planos paralelos que a contenham na sua menor dimensão. Essa relação será próxima de 1 para agregados equidimensionais ou esféricos e terá valores maiores para agregados alongados ou planos. A angularidade é definida pela relação ao quadrado entre o perímetro do polígono que delimita a partícula e o perímetro de uma elipse equivalente, ou seja, uma elipse fictícia que possua a mesma área e a mesma relação de aspecto que a partícula de agregado analisada. A angularidade de um círculo ou de uma elipse será 1, enquanto que, para partículas angulares, esse valor será maior que 1. Já a rugosidade, definida pela relação ao quadrado do perímetro do agregado e o perímetro do polígono delimitador do mesmo, vai aumentar a medida que a superfície do agregado apresente incrementos (KUO, 2002). Na Figura 25 é possível observar as variáveis das equações, como largura, comprimento, perímetro e perímetro do polígono que delimita a partícula.

Figura 25: Ilustração de algumas medidas básicas para análise de imagem: a área com traços paralelos (hachura) representa a partícula, e seu contorno representa o perímetro da partícula, o contorno mais externo representa o perímetro do polígono que delimita a partícula.

Fonte: Adaptada de Kuo (2002).

Sterwart et al. (2006) utilizaram imagens de MEV para caracterização de partículas finas, menores que 0,075 mm, e empregaram os conceitos de relação de aspecto, angularidade e rugosidade no estudo, obtendo valores que auxiliaram no entendimento do desempenho dos finos em concretos. Os autores verificaram que microfinos de gnaisse e de calcário com a mesma superfície especifica Blaine apresentavam diferenças significativas nos três índices 2-D calculados. Enquanto os microfinos de gnaisse possuíam relação de aspecto de 2,31, angularidade de 8,15 e rugosidade de 0,59, os de calcário apresentavam valores de 1,70, 7,89 e 0,40, respectivamente. Esses resultados indicam que os fílers de calcário apresentam morfologia e forma mais favorável do que os fílers de gnaisse. Os autores também verificaram uma correlação entre os valores dos índices e a viscosidade da mistura de concreto. Foram dosados concretos com diferentes tipos de finos e, quanto maior os índices (aspecto de forma, angularidade e rugosidade) das partículas dos microfinos, maior era a viscosidade do concreto com eles confeccionados.

Felekoglu (2007) estudou a demanda de água em concretos com diferentes microfinos e percebeu que, além da superfície específica, a forma e a superfície das partículas são importantes e estão em igualdade de influência. Os estudos do autor mostraram que concretos confeccionados com fíler calcário e de quartzo com a mesma finura demandaram diferentes quantidades de aditivo plastificante para uma

trabalhabilidade constante, sendo esta quantidade 30% superior em misturas com fíler calcário. O autor creditou este resultado à textura superficial acentuada do calcário, verificada por imagens de MEV.

Outro método para avaliar a forma da partícula na reologia da mistura é o fator de forma (FF), descrito por Damineli (2013). Este indicador é definido pela relação entre a área superficial real da partícula (obtida por BET) e sua área teórica (calculada a partir dos tamanhos de partículas determinados na distribuição granulométrica, considerando-as esferas perfeitas), conforme a Equação 8. Quanto menor essa relação ou mais próxima 1, menor é a angulosidade e a rugosidade da partícula, ou seja, mais esférico ela é.

𝐹𝐹 =𝑆𝑆𝐴𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎

𝑆𝑆𝐴_{𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎}

(8) Onde,

SSAmedida: área superficial específica determinada por ensaio de BET; e SSAteórica: área superficial específica teórica, determinada pela Equação 9. 𝑆𝑆𝐴_{𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎}=𝑉𝑆𝐴 𝛾 (9) Onde, γ: massa específica; e

VSA: área superficial volumétrica, calculada pela Equação 10.

𝑉𝑆𝐴 = ∑ [(𝜋×∅ 2_{)×(%𝐷𝐺)} (𝜋×∅³_{6 )} ] (10) Onde, ϕ: diâmetro da partícula; e

%DG: percentual do diâmetro de partículas encontrado na distribuição granulométrica.

Damineli (2013) analisou o FF de finos calcários e silicosos juntamente com imagens obtidas por MEV e constatou que ambas as interpretações conduziam a uma mesma conclusão sobre a forma das partículas. Conforme pode ser visualizado na Figura 27, o fíler silicoso apresenta grãos mais alongados. Este formato lhe conferiu um alto índice de FF, 6,95, enquanto que para o fíler calcário foi de 2,90. Isso resultou

em alta demanda de água e dispersante, quando do uso deste fíler, além de uma maior viscosidade da mistura.

Figura 26: Imagens de grãos de fílers calcário e silicoso obtidas por MEV.

a) Fíler Calcário. b) Fíler Silicoso.

Fonte: Damineli (2013).