Potencial zeta

Com o intuito de verificar a interferência das adições minerais no desenvolvimento da hidratação das misturas, foram realizados ensaios de determinação do potencial zeta. Estes ensaios foram realizados sem a incorporação de aditivos químicos, no intuito de ser um elemento de caracterização das adições e das combinações entre os finos. Os ensaios foram realizados no Departamento de Engenharia de Minas da UFPE e o equipamento utilizado consiste em um Medidor de potencial eletroacústico modelo ESA 9800, o qual emprega a técnica de eletrocinética.

Para a realização do ensaio a amostra foi constituída por uma pequena quantidade de material sólido, de modo a garantir que os eletrodos não fossem obstruídos e, consequentemente, danificados. Para isto, utilizou-se uma concentração de 1% de sólidos (cimento + adições) em massa, em relação ao volume total da solução, que foi de 220 ml. As leituras foram realizadas após 5 minutos de contato dos sólidos com a água, de modo que já tivesse sido iniciada a hidratação do cimento e, portanto, a dissolução dos íons. De acordo com Zampiere (1989 apud KIHARA; CENTURIONE, 2005), a dissolução e precipitação dos hidratos iniciais (etringita e hidróxido de cálcio) se dá nos 10 minutos iniciais da hidratação do cimento, chamado de Estágio inicial, sendo que nos primeiros minutos deste estágio há um aumento significativo da disponibilidade de íons de cálcio na solução.

A seguir, tem-se uma descrição da técnica, bem como são apresentados alguns resultados obtidos na literatura para compostos cimentícios.

Quando se tem uma solução de partículas sólidas em meio aquoso, estas adquirem uma carga elétrica na superfície e seus efeitos eletrocinéticos dão um indicativo dos fenômenos que acontecem na interface sólido-líquido. A partícula carregada está sujeita a uma força direcionada para o lado do campo eletrostático cuja carga é oposta à da partícula. Esta força é diretamente proporcional ao potencial zeta e o sinal assumido por ele indica a direção do movimento da partícula (POWERS, 1968; LUZ et al., 2004).

Um dos modelos que descrevem a estrutura do campo eletrostático ao redor de uma partícula carregada em suspensão é o modelo da Dupla Camada Elétrica, ilustrado na Figura 3.

Conforme a descrição deste modelo, a camada de fluido adjacente à superfície da partícula é chamada de Camada de Stern. Nesta camada há um número de íons de carga contrária (contra-íons) atraídos ao redor da partícula. Em seguida tem-se a Camada Difusa, na qual há uma concentração de íons repelidos da Camada de Stern e cujas cargas têm o mesmo sinal da superfície das partículas. A interface entre estas duas camadas é conhecida como plano de cisalhamento e o potencial medido neste plano é chamado de potencial zeta (ζ), o qual é determinado a partir da mobilidade das partículas (YANG et al., 1997).

Figura 3 – Modelo da Dupla Camada Elétrica (Adaptado de HASPARYK, 2005)

Estudos citados por Powers (1968) apontam alguns indicativos com relação aos resultados obtidos a partir da medida do potencial zeta:

§ Na dissolução de um composto, o potencial zeta é menor (considerando o sinal) quanto maior a valência do contra-íon;

§ Partículas de cimento normalmente assumem uma carga positiva, que pode ser alterada em função da sua combinação com outro material, como um aditivo químico;

§ Em pastas de cimento, o principal íon atuante na determinação da carga é o íon de cálcio

§ Nas pastas de cimento, os íons negativos (ânions) são principalmente a hidroxila (OH-) e os íons de sulfato (SO42-);

§ Os ânions são responsáveis pela neutralização da carga positiva e promoção da floculação; § Alterações no potencial zeta são acompanhadas por mudanças nas forças inter-partícula, que propiciam variações que vão desde um estado de floculação até um estado de dispersão.

Algumas destas observações foram aprimoradas em estudos recentes, citados abaixo.

Yang et al. (1997) indicam que o potencial zeta do cimento apresenta alterações em função do tempo de hidratação. Segundo Mehta e Monteiro (2008), nos estágios iniciais da hidratação do cimento o mecanismo predominante é o de dissolução-precipitação, no qual há dissolução dos compostos em seus constituintes iônicos, seguida da formação e precipitação de hidratos. Yang et al. (1997) observaram ainda que com o tempo as suspensões de cimento estão sempre coaguladas ou floculadas, de modo que o grau de floculação não varia para a faixa de valores de potencial medido para este tipo de mistura (< 20 mV – valor absoluto).

Conforme observado por Uchikawa et al. (1997), o potencial zeta não está diretamente relacionado com a fluidez de pastas de cimento.

Segundo Luz et al. (2004), o sinal e o valor assumidos pelo potencial zeta influenciam significativamente no processo de adsorção de surfactantes, como os aditivos químicos, pelas partículas. Por outro lado, a adsorção de moléculas ionizadas, presentes nos aditivos que atuam por meio de efeito eletroestérico, altera o potencial zeta (OLIVEIRA et al., 2000). No caso dos aditivos cujo mecanismo de ação se dá por repulsão estérica, as cadeias poliméricas se estendem na vizinhança da superfície do grão impedindo a aproximação dentro da faixa de atuação da força de atração de van der Waals (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

Medidas de potencial zeta realizadas por Hodne e Saasen (2000) em pastas de cimento apontaram valores negativos que tendem a aumentar com a absorção de íons Ca²+ presentes na água da mistura.

Viallis-Terrisse et al. (2001) verificaram o comportamento de compostos de C-S-H (Silicato de cálcio hidratado) na presença de cátions alcalinos e identificaram que são os íons de cálcio que determinam o potencial zeta. Quando a concentração de cálcio é elevada (< 2 mmol/l) sua adsorção compensa a carga negativa do C-S-H levando a um aumento (considerando-se o sinal negativo) do potencial zeta e do pH do meio. A Figura 4 ilustra a curva de variação do potencial zeta e do pH em função da concentração de Ca²+, encontrada pelos autores.

Figura 4 – Evolução do potencial zeta do C-S-H e pH em função da concentração de cálcio (VIALLIS- TERRISSE et al., 2001)

Segundo Oliveira et al. (2000) na superfície das partículas sólidas há ligações atômicas incompletas que levam a reações de hidrolixação ou hidratação superficial em óxidos colocados em contato com a água. Os autores afirmam que quando o pH do meio aquoso é básico (pH > 7) as reações predominantes são entre os grupos –OH da superfície dos óxidos e os íons hidroxila (OH-), levando a partícula a assumir uma carga total negativa. Por outro lado, em meio ácido, as reações ocorrem com os íons hidroxônio (H3O+), o que gera uma

carga positiva na partícula.

Partículas carregadas eletricamente em um meio líquido estão submetidas a uma força de repulsão que impede a aglomeração das partículas. A extensão de atuação desta força de repulsão é definida pela espessura da Camada Difusa, na qual há um decaimento gradativo do potencial elétrico com conseqüente redução da força de repulsão e da distância de separação entre as partículas. Caso estas partículas se aproximem de tal modo que passem a sofrer a atuação das forças atrativas de van der Waals, ocorre sua aglomeração (YANG et al., 1997; OLIVEIRA et al., 2000). Isto demonstra que o potencial zeta interfere também no grau de aglomeração ou dispersão das partículas, que, por sua vez, influencia diretamente nas propriedades de misturas frescas.

12 11 10 9 8 7 30 20 10 0 -10 -20 -30 0,001 0,01 0,1 1 10 100