Para controlar o mecanismo de absorção de água pelos poros, nos diversos materiais à base de cimento, torna-se necessário conhecer sua estrutura e distribuição, fatores que influenciam particularmente a velocidade de transporte, possibilitando o ingresso de substâncias agressivas e a degradação física do material. Para o concreto a existência dos poros na pasta de cimento pode ser devido a vários fatores, tais como, o processo de adensamento, ar incorporado, capilares e ao gel proveniente da reação de hidratação, podendo ser classificado como macroporos, poros capilares e microporos. A porosidade, medida pela absorção da água, corresponde à região dos poros capilares cujo raio médio encontra-se, aproximadamente, entre 0,01 µm e 100 µm. Essa região compreende também uma parte dos vazios devido ao ar incorporado no momento da mistura (CEB, 1989).
De acordo com Diamond (1999), estima-se que uma parcela significativa de poros de maior dimensão encontrados no concreto, considerando-se a mínima quantidade destes em relação aos poros existentes, seja proveniente do mecanismo de hidratação. Estes poros, portanto, não representam restos do espaço original existente entre os grãos de cimento, conceito aceito a respeito da origem dos poros capilares. Em geral, é de comum acordo que a estrutura dos poros do concreto é uma das suas características mais importantes e influencia fortemente seu comportamento mecânico e suas propriedades de transporte. As propriedades de transporte estão intimamente relacionadas com a durabilidade do concreto. Infelizmente, uma série de aspectos em relação às características geométricas e microestruturais fundamentais das estruturas dos poros do concreto não são perfeitamente compreendidas e, comparativamente, poucos pesquisadores têm se preocupado com isso.
A caracterização da distribuição dos poros através do porosímetro por intrusão de mercúrio tem sido uma técnica muito utilizada por pesquisadores. Num porosímetro, para medir o volume do poro preenchido, através da aplicação de uma pressão, torna-se necessário colocar a amostra dentro de um bulbo de alta pressão onde o mercúrio é forçado a penetrar nos poros do compósito. O volume preenchido no poro capilar é determinado ao medir-se a mudança na capacidade da coluna de mercúrio através de um tubo exterior cilíndrico. A obtenção numérica da porosidade é feita através da derivada da relação entre a pressão aplicada “p” e o tamanho do poro preenchido. Em um poro circular de diâmetro “D”, a tensão superficial do líquido dentro do capilar, aplicada ao longo da linha do contato com a borda, age para forçar o líquido de volta. A força de tensão superficial tende expulsar o líquido para fora do capilar e o valor desta força é dado por “pDg”, onde “g” é a força de tensão superficial por unidade de área, e na direção axial do poro capilar pelo componente “pDgcosq”, onde “q”é o ângulo de contato. No equilíbrio, esta força é compensada pela pressão que induz o líquido no interior do poro “pDgp/4”; portanto, igualando estas forças tem-se a Equação 2.4 (WASHBURN, 1921):
p q g
D=−4 cos / (2.4)
Contudo, alguma imprecisão permanece com relação à conectividade existente entre vários tamanhos de poros (REINHARDT, 1990). Para alcançar poros de um dado tamanho característico, torna-se necessário cruzar as aberturas com tamanhos menores, e o volume da cavidade que se leva em conta corresponderá, então, à soma daqueles poros cujo tamanho característico seja igual aquele do poro de entrada (METZ e KNÖFEL, 1992). O porosímetro com intrusão por mercúrio conduz a uma superestimação do volume e da área superficial dos poros mais finos, em detrimento daqueles mais largos, sem que seja possível avaliar suas proporções relativas. Além disso, o aprisionamento do mercúrio em determinados poros, durante ciclos repetidos, dá origem a uma histerese cujas superfícies e formas dependem das características da estrutura dos poros (GIESCHE, 1996).
De acordo com Diamond (2000), as medidas determinadas através da técnica de intrusão por mercúrio em compósitos cimentícios são, em princípio, extremamente simples, embora haja necessidade de se considerar uma série de complicações experimentais. Inicialmente, no
procedimento usual para sua determinação, uma pequena amostra é submetida à secagem com o objetivo de se retirar todo o líquido existente no interior dos poros. Em seguida, a amostra é pesada e colocada em uma câmara onde deverá ser submetida ao vácuo, e a partir daí o mercúrio poderá ser introduzido nos poros da amostra. Este, a menos que seja aplicada uma pressão mínima, não é capaz de penetrar espontaneamente nos poros vazios. Desse modo, incrementos progressivos de pressão são aplicados ao mercúrio, sendo monitorada cada uma dessas etapas de intrusão. Os conjuntos das etapas e dos volumes determinados fornecem os dados para o cálculo da distribuição dos tamanhos dos poros, contudo, esses mesmos dados não fornecem informações suficientes a respeito da real distribuição dos poros da amostra.
A análise da porosidade obtida através do ensaio do porosímetro com intrusão do gás nitrogênio é utilizada para indicar o volume e a distribuição aproximada dos poros no interior de um material poroso (RILEM, 1984). A metodologia está baseada no estudo do escoamento de fluidos em meios porosos, sendo necessário inicialmente especificar os conceitos dos materiais envolvidos no problema: fluidos e meios porosos. Pode-se definir um meio poroso como sendo um meio sólido que contém poros. Poros são espaços "vazios", que podem ser distribuídos de diversas maneiras no meio. Vazios são caracterizados pelo fato de que as paredes têm um efeito insignificante sobre o fenômeno hidrodinâmico em seu interior. Em meios capilarizados, as paredes exercem alguma influência sobre o escoamento, mas os efeitos decorrentes da estrutura molecular do fluido são desprezíveis. Já nos espaços forçados, a estrutura molecular do fluido influi consideravelmente no escoamento. Além disso, os meios porosos podem ser classificados como tendo seus poros interconectados ou não. No caso de poros interconectados, a parte sólida do meio poroso representa a fase dispersa. Por exemplo, meios porosos granulares e fibrosos apresentam poros interconectados. Os regimes de escoamentos viscosos são classificados em laminar ou turbulento, tendo por base a sua estrutura. No regime laminar, a estrutura do escoamento é caracterizada pelo movimento suave em camadas. A estrutura do escoamento no regime turbulento é caracterizada por movimentos aleatórios, tridimensionais e transientes, de partículas fluidas, adicionais ao movimento principal. Outra propriedade do fluido é a sua massa específica ”ρ”, ou seja, a massa por unidade de volume do fluido. Os escoamentos em que as variações da massa específica são desprezíveis são denominados incompressíveis. O exemplo mais comum de escoamento
compressível diz respeito aos gases em altas velocidades. Por outro lado, os escoamentos de líquidos podem ser freqüentemente tratados como incompressíveis. A teoria do escoamento laminar e lento através de um meio poroso homogêneo é baseada num experimento clássico originalmente desenvolvido por Darcy em 1856 (Figura 2.1).
Figura 2.1 - Esquema do experimento de filtragem de Darcy.
Um filtro homogêneo de altura “h” é limitado por seções planas de mesma área superficial “A”. O filtro é preenchido com um líquido incompressível. Manômetros abertos são colocados para se medir a pressão nos pontos inferior e superior do filtro, fornecendo as alturas “h1” e “h2”,
respectivamente. Pela variação das várias quantidades envolvidas, Darcy deduziu a seguinte Equação 2.5: h h h KA Q=− ( 2 − 1) (2.5)
, onde “Q” é o volume total de fluido que atravessa o filtro por unidade de tempo “[L3T-1]” e “K[LT-1]” é uma constante que depende das propriedades do fluido e do meio poroso. O sinal negativo na expressão para “Q” indica que o escoamento é na direção oposta de pressão crescente.