Pressão Capilar

Segundo WITTMANN (1976), quando a água da superfície do concreto que sobe por exsudação seca devido à evaporação, e sendo a taxa de evaporação maior do que a taxa de transporte da água livre para a superfície por exsudação, o concreto passa a uma condição de superfície seca. Esse fator leva à formação de um complexo sistema de meniscos da água dos poros onde atua a pressão do ar (atmosférica).

Diz-se ser um complexo sistema de meniscos uma vez que o concreto é formado por um sistema de capilares desordenados do ponto de vista de sentido e direção.

Pode-se definir a pressão capilar como sendo a diferença entre a pressão atmosférica que atua acima do menisco formado entre as paredes num poro capilar, devido à tensão superficial entre o líquido e a parede sólida, e a pressão abaixo do menisco do mesmo poro capilar.

Buscando avançar mais eficazmente na definição e monitoramento da pressão capilar, RADOCEA (1992) propõe uma explicação do fenômeno que é aceita hoje pelo meio científico. Ao estudar uma pasta de cimento Portland, o autor afirma que, imediatamente após a moldagem da pasta, as partículas de cimento são mantidas inteiramente no líquido, e a pressão hidráulica1 P1, conforme figura 10, ultrapassa a pressão hidrostática normal P2, na mesma profundidade.

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Forças agindo na estrutura: gravidade forças capilares

Tempo Pressão atmosférica P re ss ã o na á g ua do po ro

Figura 10: Mudanças na pressão de água de poro numa pasta de cimento fresca moldada (adaptado de RADOCEA, 1992)

Devido à sedimentação dos grãos de cimento, a pressão de água no poro diminui de P1 para P2

durante certo período de tempo 0-t1. A pressão inicial P1 depende da densidade da pasta e da

profundidade do instrumento de medição (RADOCEA, 1992). O tempo total de exsudação é uma função da relação água/cimento e do tipo de cimento Portland. Já a taxa de progresso da pressão durante o período 0-t1 é uma função da velocidade de adensamento das partículas, da qual

depende a densidade da mistura (POWERS, 1960; RADOCEA, 1992).

Durante o período t1-t2, quando a superfície da pasta é coberta por uma camada plana de água,

nenhuma mudança na pressão capilar ocorre. Atingindo o tempo t2, quando a superfície da água

perde sua planicidade, a pressão capilar inicia a redução novamente. Os principais fatores que determinam t2 são a quantidade de exsudação, a taxa de evaporação e as propriedades químicas

do cimento (RADOCEA, 1991).

Assim, o aumento na pressão capilar após t2 é efetivamente a resposta da estrutura quando certa

quantidade de água é removida do material. Assim, uma possível aproximação, proposta por RADOCEA, para resolver o problema do mecanismo da retração plástica, é determinar simultaneamente a mudança de volume, a quantidade de água evaporada e a pressão capilar.

47 No concreto, a água dos meniscos possui, dessa forma, uma curvatura entre as partículas mais próximas da superfície ou do ponto onde a pressão do ar alcance internamente a mistura (figura 11).

Ar

Água Partícula

Figura 11: Ilustração da formação dos meniscos entre as partículas próximas da superfície do concreto devido à evaporação (adaptado de ESPING, 2007)

Se a pressão do fluido é menor do lado convexo do menisco, pressão do ar, do que no lado côncavo, pressão da água, então há um surgimento de uma pressão negativa na água do poro. Assim, surgem forças resultantes de contração entre as partículas (POWERS 1960). Conseqüentemente, a distância média entre as partículas tende a ser reduzida e a pasta de cimento contrai, levando à contração todo o elemento de concreto (WITTMANN, 1976). Essas forças capilares de contração são inversamente proporcionais ao raio de curvatura do menisco, e, portanto, o esforço de tensão capilar gerado aumenta com a diminuição do diâmetro dos poros e o espaço entre as partículas (ESPING, 2007). Essas forças resultantes de contração ou forças capilares são também conhecidas como pressão capilar.

Os parâmetros mais significativos que podem levar à diminuição do diâmetro dos poros do concreto e do espaço entre as partículas da mistura e, por conseguinte, a um aumento da pressão capilar são: 1) a redução da relação água/cimento, pois o material se torna mais denso e menos permeável e o transporte interno de água para a superfície é menos eficaz; 2) o aumento do consumo de cimento; 3) o aumento da finura das partículas, também com incorporação de finos (inertes ou não); 4) entre outros.

Sobre a incorporação de finos ao concreto, inertes ou não, e os efeitos que resultam na análise da retração plástica, AL-AMOUDI et al. (2004) e AL-AMOUDI et al. (2007) comentam que, em relação aos finos, as variáveis consideradas em seus estudos para a influência na retração plástica foram:

48 quanto à adição: a superfície específica do fino, no caso a sílica ativa, seu estado de

densificação, parâmetro relevante nesse material, e o peso específico ou massa unitária; quanto a matriz cimentícia: a geometria dos poros entre os grãos de cimento Portland.

As análises dos autores mostraram que nos concretos onde foram utilizados os finos de sílica a retração plástica apresentou valores de até 70% de aumento, medidas em amostras planas tipo laje, em relação a concretos sem a presença de sílica ativa.

Os mesmos autores ao utilizar a configuração da sílica ativa com maior massa unitária e maior superfície específica, isto é, sílica ativa não densificada, a retração plástica foi maior do que o concreto sem sílica ativa e com sílica ativa tipo densificada.

Já RAVINA (1986), ao utilizar outro fino bastante corrente, a cinza volante, como substituição parcial do cimento Portland, observou que, mesmo com o retardo no início da pega dos concretos pela presença da cinza volante, não foi possível estabelecer uma tendência de elevação ou diminuição da retração plástica em relação ao concreto referência.

É provável que o autor acima tenha desprezado alguma consideração ou algum efeito nos seus ensaios realizados, pois se sabe que todo o retardo no tempo de início de pega possibilita um maior tempo para exsudação e conseqüentemente uma maior retração plástica.

Retomando a análise da figura 11, a pressão capilar é definida pela diferença das pressões no ar (Pa), do lado côncavo da superfície, e no lado convexo na água (Pw).

A pressão capilar pode ser descrita pela equação de Laplace (equação 4), que relaciona pressão e raio capilar, e pela equação de Kelvin (equação 5), que relaciona pressão e umidade relativa.

) 2 1 1 1 ( R R Pcap (4) Onde,

Pcap: pressão capilar, em Pa

: tensão superficial do líquido, em N/m

R1, R2: raios médios da curvatura da superfície do líquido, em m

ln . w w a w M RT P P (5)

49 Onde,

Pw: pressão da água, em Pa

Pa: pressão do ar, em Pa

R: constante universal dos gases, em J/(mol.K) T: temperatura, em K

Mw: peso molar de água, em kg/mol w: densidade da água, em kg/m3

: umidade relativa, em %

Pode-se considerar pela lei de Laplace, que R1=R2=r [m], e, na lei de Kelvin, que a pressão atmosférica do ar é igual a zero. Dessa forma, as equações (6) e (7), respectivamente de Laplace e de Kelvin, podem ser escritas como:

Equação de Laplace: r Pcap . 2 (6) Equação de Kelvin: .ln w w cap M RT P (7)

A equação de Kelvin mostra que uma pequena variação na umidade relativa interna do concreto, devido à saída de água por exsudação, por exemplo, leva a uma pressão capilar grande (figura 12).

É interessante citar, de acordo com RADOCEA (1992), que, antes da pega, a pressão capilar não consegue ser medida e assume-se valor zero, pois o concreto possui umidade relativa interna igual a 100% e não possui uma rede capilar formada. Porém, segundo ESPING e LÖFGREN (2005), que analisaram concretos de alto-desempenho, ao iniciar a fase de aceleração das reações de hidratação do cimento Portland, inicia-se igualmente uma fase de aceleração ou desenvolvimento acentuado da pressão capilar (pode ser considerada negativa, uma vez que há uma pressão de atração de partículas, ou seja, pressão negativa), para os concretos expostos à secagem. Isso ocorre somente porque há surgimento de poros vazios no sistema.

Por fim, pode-se afirmar que a ação da pressão capilar em concretos é a causa fundamental da retração plástica (WITTMANN, 1976).

50 Umidade relativa P re ssã o do p or o cap il a r ( KPa)

Figura 12: Relação entre umidade relativa e pressão de poro capilar (escala logarítmica), baseada na lei de Kelvin, a 20ºC (adaptado de YANG, 2004)

Ao afirmar que a pressão capilar é a causadora direta da retração plástica, faz-se necessário verificar o que pode causar efetivamente a pressão capilar.