Tensão de Escoamento e Viscosidade

Conforme citado anteriormente, segundo Tattersall e Banfill (1983), misturas à base de cimento devem ser descritas usando, no mínimo, dois parâmetros: tensão de escoamento e viscosidade. Desta forma, apesar de alguns aspectos já terem sido explanados nos tópicos anteriores, é importante um maior esclarecimento sobre esses parâmetros e seus fatores influentes.

A tensão de escoamento (τ0) e a viscosidade (η) são duas grandezas básicas que definem o comportamento dos fluidos. De forma geral, a primeira indica a tensão mínima para o início do escoamento, enquanto a segunda é a constante de proporcionalidade que relaciona a taxa (γ) com a tensão de cisalhamento (τ).

A despeito dessas definições, a tensão de escoamento e a viscosidade não são parâmetros intrínsecos e constantes do material, e sim valores matemáticos dependentes das condições às quais as misturas são solicitadas (taxa de cisalhamento, temperatura, pressão, tempo de aplicação, etc.).

A maioria das equações usadas para descrever o fluxo de suspensões, como o concreto, relaciona a concentração de uma suspensão com a sua viscosidade ou a tensão de cisalhamento com a taxa de cisalhamento, assumindo que exista apenas um valor de viscosidade para todo o sistema (FERRARIS, 1999), o que não ocorre na realidade (em fluidos não newtonianos).

Da mesma forma, a determinação da tensão de escoamento também pode ser questionada, pois pode-se dizer que existe fluxo tanto acima quanto abaixo dessa tensão. Historicamente, a ideia do ponto de fluxo surgiu pela incapacidade de os equipamentos disponíveis realizarem

medidas em taxas de cisalhamento muito pequenas, aparentando a existência de um esforço crítico, abaixo do qual a viscosidade era infinita. No entanto, dispondo da precisão adequada e do tempo suficiente, observa-se que, abaixo da chamada tensão de escoamento, a viscosidade pode aumentar muitas ordens de magnitude em um intervalo de esforço muito pequeno (BOTELLA, 2005).

Apesar disso, reconhece-se que a definição da tensão de escoamento é muito útil para uma grande variedade de aplicações, desde que definida com cautela. BOTELLA (2005) sugere que o ponto de fluxo de um líquido seja definido como o ponto em que, ao diminuir o esforço aplicado, o líquido parece mostrar um comportamento similar a um sólido, em que a deformação é muito sutil.

Também é possível estabelecer uma viscosidade geral para uma determinada variação da taxa de cisalhamento, que facilita a interpretação do comportamento reológico do material, denominado viscosidade plástica, obtida pelo modelo de Bingham (CASTRO; LIBORIO; PANDOLFELLI, 2011). Além desse parâmetro, outro termo utilizado é a viscosidade aparente, na qual se supõe que o comportamento de fluxo de um material não newtoniano se compara a um newtoniano, mas somente em um ponto singular da curva, não sendo capaz de descrever o comportamento a taxas de cisalhamentos distintas (BOTELLA, 2005).

Dito isso, pode-se explanar a tensão de escoamento e a viscosidade em termos práticos, para possibilitar o melhor entendimento do comportamento de misturas de concretos.

Segundo Tattersall (1991), Banfill (2003) e Roussel (2012), para uma ampla variação de consistência, o concreto fresco se comporta como um fluido plástico ou binghamiano (conforme explanado no item 2.7.1), resultando em uma reta com um coeficiente linear diferente de zero, sendo que, em um gráfico tensão de cisalhamento por taxa de cisalhamento, a intersecção da reta com o eixo da tensão de cisalhamento corresponde à tensão de escoamento, e a inclinação da reta à viscosidade plástica.

O concreto possui uma resistência inicial ao movimento, ou seja, o material fluirá tanto mais quanto menor for a sua tensão de escoamento. Já o valor da viscosidade está associado à velocidade e à dissipação de energia no fluxo. Quanto menor for a viscosidade, menor a dissipação de energia e mais rápido o sistema se movimentará, o que, em tese, resultará em melhores características de moldagem. Contudo, essa propriedade também está relacionada à resistência à segregação, uma vez que, se a viscosidade da pasta for muito reduzida, o concreto poderá apresentar separação de fases (ROMANO; CARDOSO; PILEGGI, 2011).

Como a concentração de sólidos em um concreto é muito alta e estes possuem tamanhos e morfologias muito variáveis, a tensão de escoamento poderá originar-se, principalmente, em três fontes: intertravamento dos agregados; forças de atração entre o cimento e outras pequenas partículas, provocando floculação; ou reações de hidratação do cimento (PETROU et al., 2000 apud CASTRO; LIBORIO; PANDOLFELLI, 2011).

A tensão de escoamento pode ser estática ou dinâmica. A tensão de escoamento estática é a tensão necessária para iniciar o fluxo, quando a microestrutura está bem conectada (QIAN, KAWASHIMA, 2016). A tensão de escoamento estática é uma propriedade importante para definição da pressão lateral nas fôrmas, e é função do grau de floculação das partículas presentes na mistura. Quando o concreto é deixado em repouso, desenvolve uma resistência ao cisalhamento, que aumenta com o tempo. Consiste em uma evolução reversível do comportamento reológico do material durante o período de dormência da reação de hidratação, que evolui continuamente. Como esse comportamento pode ser revertido por imposição de tensão de cisalhamento elevada, esse estado é muitas vezes descrito como tixotropia (BILLBERG, 2012).

Em contrapartida, a tensão de escoamento dinâmica é obtida a partir da curva de fluxo em estado estacionário, de acordo com o modelo de Bingham, por exemplo. A tensão de escoamento dinâmica determina até que ponto um material pode fluir, antes que as tensões na mistura se tornem menores do que a referida tensão de escoamento dinâmica, passando de um estado de movimento para um estado de repouso (OVARLEZ, 2012), ou seja, é a tensão necessária para terminar o fluxo, medido após o material ter sido cisalhado (QIAN, KAWASHIMA, 2016). A viscosidade, por sua vez, consiste na percepção macroscópica do escoamento da água nos poros de um sistema granular (DE LARRARD; SEDRAN, 2002), sendo dependente da quantidade de água livre (que também está relacionada aos finos presentes), podendo ser manipulada através de aditivos redutores de água (PIEKARCZYK, 2013).

No CAA, a tensão de escoamento deve ser baixa, garantindo o aumento da fluidez, e a viscosidade deve ser moderada, para promover a estabilidade necessária. Níelsson e Wallevik (2003) indicam que a tensão de escoamento e a viscosidade podem atuar juntas na garantia da resistência à segregação, de forma que, quando a viscosidade for muito baixa, a tensão de escoamento deve ser alta, sendo o contrário válido.

Segundo Shah et al. (2009), na segregação estática a viscosidade tem um papel pequeno em comparação à tensão de escoamento. No entanto, para a segregação dinâmica, na qual o fluído se encontra em

movimento, a viscosidade tem um papel importante. Durante o movimento, a estrutura do fluido pode quebrar e não ser mais capaz de sustentar os agregados caso a tensão de escoamento seja muito reduzida. Neste caso, a viscosidade mais elevada da mistura manterá o concreto coeso até a paralização do movimento, quando a estrutura do fluido é reconstruída, restaurando a tensão de escoamento e aumentado o impedimento à segregação.

Nota-se na Figura 15a que, durante o movimento, as partículas estão submetidas a diversos esforços tais como o arrasto devido ao lançamento, peso próprio e a flutuação (empuxo), podendo gerar segregação dinâmica. A segregação estática, por sua vez, se manifesta pelo afundamento dos agregados e/ou pela ascensão da fase líquida (exsudação), com o concreto em repouso. Na Figura 15b, pode-se observar que as partículas estão submetidas apenas ao peso próprio e a flutuação. A propriedade que se opõe ao início do fluxo, garantindo que o agregado permaneça estável, é a tensão de escoamento.

Figura 15: Ações nas partículas (a) durante o fluxo; (b) em repouso.

Fonte: Adaptada de Bonen e Shah (2005).

Como o uso de reômetros para a determinação dos parâmetros reológicos ainda é restrito, muito estudos foram realizados objetivando correlacionar os resultados dos testes em campo à tensão de escoamento e à viscosidade da mistura.

Wallevik (2006) realizou tentativas de encontrar uma relação entre a viscosidade plástica e o espalhamento do tronco de cone. No entanto, o autor não encontrou boas correlações para essas variáveis. Sabe-se, porém, que a viscosidade da mistura pode ser estimada em função do tempo de escoamento do concreto no funil V.

Alguns autores, entre eles Murata e Kikukawa (1992), De Larrard (1999) e Wallevik (2006), propuseram equações ou gráficos de correlação entre a tensão de escoamento do concreto e seu abatimento no tronco de cone, mostrando que, quanto maior é o abatimento do tronco de cone,

menor é a tensão de escoamento da mistura. Sua-iam e Makul (2013) afirmam que o espalhamento de um concreto convencional se correlaciona bem com a tensão de escoamento inicial. De acordo com Kovler e Roussel (2011), durante o slump teste, o fluxo estaciona quando a tensão de cisalhamento na amostra torna-se igual ou menor do que a tensão de escoamento. Consequentemente, a forma de paralisação está diretamente relacionada à tensão de escoamento do material.

Por outro lado, segundo Roussel (2006), no caso de CAA, o espalhamento medido pelo slump flow não pode ser correlacionado com a tensão de escoamento da mistura testada porque o teste do slump flow não proporciona um fluxo homogêneo da mistura, devido à baixa relação entre a espessura do concreto no final do teste e o diâmetro das partículas presentes. Segundo Coussot e Ancey (1999), a espessura da amostra quando o escoamento cessa deve ser, no mínimo, cinco vezes maior do que o diâmetro máximo dos agregados, para que seja considerado o fluxo homogêneo de uma mistura.