Reometria de Concretos

Reômetros são equipamentos utilizados na avaliação de propriedades reológicas de fluidos e suspensões, que permitem estudar o comportamento da viscosidade e da tensão de escoamento em função de outras variáveis, como temperatura, tempo, etc.

De uma maneira geral, os reômetros comerciais de precisão não se adequam a materiais com granulometria extensa, como concretos e argamassas. Isto porque os mesmos atuam em faixas restritas de torque, sendo limitados a sistemas compostos por partículas menores que 100 µm. Adicionalmente, as geometrias de ensaio usualmente empregadas (cilindros concêntricos, placa-placa, cone-placa, capilar, Vane, etc.) tendem a não serem adequadas para a avaliação de sistemas concentrados ou com adição de macro partículas. O primeiro reômetro especificamente desenvolvido para caracterização reológica de concretos data da década de 1960. O modelo de Powers (ALFANI, 2005, apud PILLEGI et al., 2006) baseava-se no modelo de cilindros concêntricos para aplicação de cisalhamento ao material. Nesta concepção, o concreto previamente misturado é colocado em um recipiente cilíndrico no qual um elemento rotativo, também cilíndrico é introduzido no centro da massa, sendo registrados os esforços para movimentar o cilindro central. Baseados nessa arquitetura, novos modelos foram desenvolvidos: Wallevik e Gjorv (“Con Tec BML viscometer”); Coussot (“Cemagref-IMG”); Tattersall e Bloomer (“Two-Point rheometer”) (FERRARIS, 2001 apud PILEGGI et al., 2006). Além desses, a evolução tecnológica dos reômetros resultou em equipamentos que utilizam outros conceitos para o cisalhamento do material, como o sistema placa-placa desenvolvido por Larrard e colaboradores (“BTRHEOM”) e o planetário proposto por Beaupré (“IBB rheometer”) (FERRARIS, 2001 apud PILEGGI et al., 2006). Uma característica comum destes equipamentos é somente o fato de serem utilizados na caracterização de materiais previamente preparados com consistência fluida.

A utilização de reômetros vem ganhando espaço na comunidade internacional de concretos, podendo-se destacar o trabalho publicado em 1998, pelo Instituto Norte Americano de Tecnologia e Normas (NIST) (FERRARIS, 2001 apud PILEGGI et al., 2006). Neste, em seqüência a uma revisão bibliográfica sobre caracterização reológica de concretos de construção, propõe-se a utilização de reômetros na caracterização de concretos auto-escoantes de alto desempenho.

Os equipamentos que medem as propriedades viscoelásticas de sólidos, semi-sólidos e fluidos são chamados “reômetros”. Os equipamentos limitados apenas à medida do comportamento de fluxo viscoso são descritos como “viscosímetros”.

Os princípios básicos de funcionamento são: reômetro em que o torque (proporcional à tensão) aplicado ao fluido é controlado, sendo avaliado o cisalhamento resultante (indicados para

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avaliações onde a tensão de escoamento é a principal propriedade a ser determinada); reômetro em que o cisalhamento aplicado ao material é controlado, sendo registrada a força necessária para tal (indicados para avaliações do comportamento da viscosidade do material em diversas taxas de solicitação).

3.4.1. Princípios de funcionamento de Reômetros

Para melhor entendimento do funcionamento desses sofisticados aparelhos, segue uma breve descrição das características dos reômetros CS (Controlled Stress Rheometers) tipo Searle e tipo Couette, (MOTHÉ et al., 2006).

Reômetros CS com sistema de medida tipo Searle combinados com sistema de medição tipo cilindros coaxiais, cone - placa ou placas paralelas (figura 3.4). O cilindro externo (copo) é fixo o que permite um fácil controle da temperatura através de um trocador de calor externo, composto por um fluído térmico, um banho com temperatura constante e um circulador. O cilindro interno (rotor) é movimentado por um motor especial “M”, onde estão presentes valores de torque definidos, em que um sistema input elétrico lineariza os valores de torque na haste do motor. A resistência da amostra, colocada dentro do sistema de sensores, atua com força contrária ao torque aplicado (ou a tensão de cisalhamento), permitindo que o rotor gire somente com velocidade (taxa de cisalhamento) que é inversamente proporcional à viscosidade da amostra.

Um sensor óptico mede a velocidade do rotor “n” e a deformação “φ” , e divide os giros por 360º em um milhão de partes, sendo possível detectar variações do rotor em ângulos extremamente pequenos. O termo “Searle” indica que o input do torque e a velocidade resultante do rotor atuam sobre o mesmo eixo. Os sensores são projetados de tal forma que os dados do torque possam ser transformados, matematicamente, em tensão de cisalhamento, e a velocidade do rotor em taxa de cisalhamento. Portanto, diante de um valor de torque, as velocidades resultantes do rotor são medidas, e possibilitam a obtenção de valores de viscosidade, já que essas medidas são transformadas em tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento.

Os sistemas de medição podem apresentar variações em relação ao sensor: o copo externo do sensor pode ser substituído por uma placa inferior e fixa, enquanto que o cilindro interno é substituído ou por um cone ou por uma placa superior, ambos apresentando rotação.

Figura 3.4 – Reômetros CS – Tipo Searle (MOTHÉ et al., 2006)

Reômetros CR, com sistema de medida tipo Searle, combinados com sistema de medição tipo cilindros coaxiais, cone - placa ou placas paralelas (figura 3.5). O cilindro interno (rotor) é movimentado por um motor “M1”. Esse motor possui velocidade programada, ou tem velocidade

constante, enquanto o outro cilindro (copo) é fixo e envolvido por um preciso controle de temperatura das amostras. O movimento do cilindro interno força o líquido, presente no espaçamento anular entre os cilindros (gap), a fluir. A resistência do líquido cisalhado, entre os limites estacionário e rotacional, resulta em um torque produzido pelo motor, de forma a manter sua velocidade. Um detector de torque, normalmente uma “mola” que se “curva” como resultado do torque aplicado, é colocado entre o motor e a haste do cilindro interno. A deformação “da mola de torque” é diretamente proporcional à medida da viscosidade da amostra.

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Reômetros CR, com sistema de medida tipo Couette, combinado com sistema de medição, tipo cilindros coaxiais, cone - placa ou placas paralelas (figura 3.6). O cilindro externo é movimentado por um motor “M1” a uma velocidade definida. O controle de temperatura, normalmente, apresenta dificuldades técnicas e problemas de custo. A rotação força a amostra líquida, presente no espaçamento anular entre os cilindros, a fluir. A resistência do líquido contra o cisalhamento transmite um torque relacionado à viscosidade sobre o cilindro interno, que o induziria à rotação. Esse torque é medido, determinando quanto torque é necessário para manter o cilindro externo em posição de repouso. O termo Couette significa que o rotor atua no copo externo, enquanto que o torque relacionado à viscosidade é medido na haste do cilindro interno.

Os sistemas de medição tipo Couette mantêm o fluxo laminar mesmo quando líquidos de baixa viscosidade são testados em altas taxas de cisalhamento, condições estas que não podem ser testadas em reômetros CR tipo Searle. Reômetros com um sistema de medição tipo Couette podem ser instrumentos versáteis que promovem o entendimento da natureza viscoelástica dos fluidos.

Para líquidos não tixotrópicos, ambos reômetros CS e CR com sistemas de medidas Searle e Couette fornecem curvas de fluxo e viscosidade idênticas.

Figura 3.6 – Reômetros CR – Tipo Couette (MOTHÉ et al., 2006)

O Instituto Norte Americano de Tecnologia e Normas (NIST) publicou em 1998 uma extensa revisão bibliográfica sobre a caracterização reológica de concretos de construção, em que apresenta a utilização de reômetros para a caracterização de concretos auto-escoantes (ou C.A.A.)

e de alto desempenho. Entretanto, a grande extensão granulométrica, com partículas que variam desde a faixa submicrométrica até a ordem dos milímetros, não permite que os concretos sejam considerados suspensões homogêneas (STEIN, 1986). Portanto não se aplicam os conceitos básicos de viscosidade e tensão de escoamento.

Pileggi (2001) cita estudo realizado por Beaupré, em que a abordagem utilizada relaciona os esforços (torque) resultantes no material decorrentes da aplicação de uma ampla faixa de cisalhamento (rotação), em que se observo que os materiais manifestaram pseudoplasticidade (viscosidade aparente (τ /  ) do fluido diminui com o aumento da taxa e/ou da tensão de cisalhamento) e comportamento de fluido de Bingham com tensão de escoamento, independentemente de terem sido avaliados em termos de torque vs. rotação. As características dos equipamentos desenvolvidos por Beaupré foram utilizadas por outros pesquisadores no desenvolvimento de reômetros para estudo de concretos.

Nesta pesquisa, os ensaios reométricos foram realizados no reômetro R/S Rheometer fabricado pela “Brookfield Engineering Laboratories”.