EFEITO DO SUPERPLASTIFICANTE, SÍLICA ATIVA E POLÍMERO SB NA
POROSIDADE DAS PASTAS DE CIMENTO PORTLAND
J. A. Rossignolo1 e M. V. C. Agnesini2
EESC/USP - Dep. Arquitetura. Av. Trabalhador Sãocarlense, 400. CEP 13566 -590 São Carlos S.P.
1
Ciências e Engenh aria de Materiais. INTERUNIDADES. USP. São Carlos.(jarossig@hotmail.com)
2
Dep. de Arquitetura e Urbanismo EESC. USP. São Carlos.
Palavras-Chaves: Porosimetria por Intrusão de Mercúrio, Cimento Portland, Sílica Ativa, Polímero SB.
As propriedades relacionadas à resistência mecânica e durabilidade dos concretos estão diretamente relacionadas com a porosidade da matriz de cimento, que tem como origem principal os poros capilares formados pela água livre. Atualmente, a forma mais eficiente de reduzir a porosidade da matriz de cimento é por meio da utilização de materiais que reduzem a quantidade de água livre, como os superplastificantes, e preenchem os poros capilares, como as adições minerais e os polímeros. Para melhor compreender a atuação desses mater iais na matriz de cimento, este trabalho apresenta uma análise do efeito do polímero SB e sílica ativa na porosidade total e no tamanho dos poros das pastas de cimento Portland, utilizando a técnica de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM). Foram avaliados os poros com diâmetro variando entre 0,005 e 10 µm, aproximadamente. Nos resultados obtidos observou-se que além da redução da porosidade total, a utilização de sílica ativa e polímero SB provocou a redução do tamanho dos poros capilares das pastas.
INTRODUÇÃO
Desde a invenção do concreto moderno, em meados do século XIX, até o início da década de 80, o concreto continuou sendo uma mistura de agregados, cimento e água, sem grandes inovações que alterassem significativamente o desempenho de suas propriedades. Mas nas duas últimas décadas, principalmente nos últimos dez anos, a tecnologia do concreto sofreu um grande desenvolvimento, que segundo diversos autores(1-4) ocorreu devido à evolução das técnicas e equipamentos para estudo dos concretos e ao uso de novos materiais. Estes novos materiais, dos quais os mais importantes são os aditivos redutores de água, as adições minerais e os polímeros, possibilitaram obter melhorias significativas nas propriedades relacionadas à resistência mecânica e à dur abilidade dos concretos.
Estudos realizados a partir de 1998 no Laboratório de Construção Civil da Escola de Engenharia de São Carlos – USP, demonstram que há um grande potencial da utilização conjunta de polímero SB, sílica ativa e superplastificante na produção dos concretos leves de alto desempenho (CLAD)(5-7). A utilização conjunta desses materiais tem como objetivo principal otimizar o desempenho das propriedades dos concretos de alto desempenho, como durabilidade e resistência mecânica, conseqüência direta da redução da porosidade da matriz de cimento.
Para melhor compreender a atuação do polímero SB, sílica ativa e superplastificante na matriz de cimento, este trabalho apresenta uma análise do efeito desses materiais na porosidade total e no tamanho dos poros das pastas de cimento Portland, utilizando a técnica de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM). Foram avaliados os poros com diâmetro variando entre 0,005 e 10 µm, aproximadamente.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados na produção das pastas foram cimento Portland de alta resistência inicial (CPV ARI), sílica ativa (SA) com 94,3% de SiO2, superplastificante acelerador do tipo SPA (melamina sulfonato formaldeído) e látex de polímero estireno-butadieno (SB) com teor de sólidos de
50%. Mais informações sobre os materiais utilizados podem ser obtidos no trabalho publicado por ROSSIGNOLO e AGNESINI (2001) (8).
Foram preparados 13 tipos de pastas de cimento com relação água/aglomerante fixa de 0,40, conforme descrito na Tabela 1. Os valores dos teores de sílica ativa, polímero SB e superplastificante apresentados na Tabela 1 estão em % em relação à massa de cimento. A quantidade de água da relação a/agl refere- se a água total presente na pasta, inclusive no superplastificante e no látex. A pasta número 1 foi preparada apenas com cimento e água para ser utilizada como referência em relação às demais pastas.
TABELA 1. Pastas utilizadas nos estudos de porosimetria. Pasta Sílica Ativa
(SA) 1 Polímero (SB) 1,2 Superplastificante (SPA) 1 1 - - - 2 5,0 - 1,5 3 10,0 - 1,5 4 15,0 - 1,5 5 - 2,5 - 6 - 5,0 - 7 - 7,5 - 8 - 10,0 - 9 - 15,0 - 10 10,0 2,5 1,5 11 10,0 5,0 1,5 12 10,0 7,5 1,5 13 10,0 10,0 1,5 1
% em relação à massa de cimento; 2
Teor de polímero SB presente no látex; *
Relação água / aglomerante = 0,40 (fixa).
Para a determinação do volume e da variação dimensional dos poros nas pastas de cimento foi utilizada a técnica de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM). A análise da PIM foi realizada para as 13 pastas descritas na Tabela 1 com 100 dias de idade. As análises foram realizadas pelo Grupo de Estudos de Rochas Ornamentais (GERO), no Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), Lisboa - Portugal, segundo as recomendações da ASTM D4404-84 (1992) e utilizando os equipamentos FILLING APPARATUS e AUTOSCAN50 da marca QUANTACHROME. Nas análises realizadas a pressão aplicada variou entre 0,2 e 350 MPa, o que possibilitou a análise dos poros com diâmetro entre 0,005 e 10 µm, aproximadamente. A porosidade total foi calculada para ao poros com diâmetro variando entre 0,005 e 10 µm.
RESULTADOS E DISCUS SÃO
Os valores da porosidade total e do volume de mercúrio introduzido nas amostras são apresentados na Tabela 2.
TABELA 2. Valores de porosidade e volume introduzido por PIM. Pasta Vol. Introduzido (ml/g) Porosidade total (%)
1 0,1363 24,2 2 0,1220 22,5 3 0,1038 18,6 4 0,1157 20,8 5 0,0958 16,8 6 0,1168 20,9 7 0,0937 16,3 8 0,1064 17,8
9 0,1049 17,8
1 0 0,0769 13,3
1 1 0,1061 18,7
1 2 0,0911 15,7
1 3 0,0985 16,0
As Figuras 1, 2 e 3 ilustram a relação entre o volume introduzido acumulado e o diâmetro do poro e as Figuras 4, 5 e 6 ilustram a distribuição do tamanho dos poros nas amostras analisadas.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,001 0,01 0,1 1 10 Diâmetro do Poro (µm)
Volume Introd. acum. (ml/g)
1 (Ref) 2 (5%SA) 3 (10%SA) 4 (15%SA)
FIGURA 1. Volume introduzido acumulado versus diâmetro do poro para as pastas 1, 2, 3 e 4.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,001 0,01 0,1 1 10 Diâmetro do Poro (µ m)
Volume Introd. acum. (ml/g)
1 (Ref) 5 (2,5%SB) 6 (5%SB) 7 (7,5%SB) 8 (10%SB) 9 (15%SB)
FIGURA 2. Volume introduzido acumulado versus diâmetro do poro para as pastas 1, 5, 6, 7, 8 e 9.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,001 0,01 0,1 1 10 Diâmetro do Poro (µ m)
Volume Introd. Acum. (ml/g)
1 (Ref)
10 (2,5%SB+10%SA) 11 (5%SB+10%SA) 12 (7,5%SB+10%SA) 13 (10%SB+10%SA)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,001 0,01 0,1 1 Diâmetro do Poro (µ m) Volume de Poros (%) 1 (Ref) 2 (5%SA) 3 (10%SA) 4 (15%SA)
FIGURA 4. Distribuição do diâmetro dos poros para as pastas 1, 2, 3 e 4.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0,001 0,01 0,1 1 Diâmetro do Poro (µ m) Volume de Poros (%) 1 (Ref) 5 (2,5%SB) 6 (5%SB) 7 (7,5%SB) 8 (10%SB) 9 (15%SB)
FIGURA 5. Distribuição do diâmetro dos por os para as pastas 1, 5, 6, 7, 8 9.
0 2 4 6 8 10 12 14 0,001 0,01 0,1 1 Diâmetro do Poro (µ m) Volume de Poros (%) 1 (Ref) 10 (2,5%SB+10%SA) 11 (5%SB+10%SA) 12 (7,5%SB+10%SA) 13 (10%SB+10%SA)
FIGURA 6. Distribuição do diâmetro dos poros para as pastas 1, 10, 11, 12 e 13.
Analisando os resultados apresentados na Tabela 2, observa- se que a pasta de referência (1) foi a que apresentou maior valor de porosidade. Nas demais pastas foi observado uma redução significativa da porosidade total, que não foi decrescente com o aumento dos teores de sílica ativa e polímero SB. Para as pastas com polímero SB, este efeito de não linearidade de redução da porosidade com o aumento do teor de polímero pode ser explicado pelo aumento do teor de ar
incorporado nestas pastas. Já no caso das pastas com sílica ativa, isto pode ser explicado pela eficiência da dispersão da adição durante a mistura, o au mento do teor de sílica ativa e o tipo de superplastificante utilizado podem ter prejudicado a eficiência de dispersão desta adição na pasta.
A melhoria de desempenho das propriedades dos concretos com a utilização de sílica ativa e polímero SB, relacionadas à redução da porosidade das pastas, pode ser entendida analisando os resultados da quantidade de mercúrio introduzida e a distribuição do tamanho dos poros nas pastas, apresentados nas Figuras 1 a 6. Além da redução da porosidade total, a adição de sílica ativa e de polímero SB provocou a redução do tamanho dos poros, com conseqüente benefícios das propriedades relacionadas à permeabilidade do material.
Nas Figuras 1 e 4 observa- se que a sílica ativa utilizada isoladamente, em comparação com a pasta de referência, provoca a redução da quantidade de poros com diâmetro entre 0,25 e 0,05 µm e o aumento dos poros com diâmetro entre 0,025 e 0,005 µm. Este efeito foi crescente com o aumento do teor de sílica ativa na pasta.
Nos resultados obtidos para as pastas com polímero SB, apresentados nas Figuras 2 e 5, observa-se que o efeito de redução do tamanho dos poros foi ainda mais acentuado do que o observado nas pastas com sílica ativa e que a melhoria de desempenho foi crescente com o aumento do teor de polímero, com exceção da pasta 9 (15% SB), que apresentou desempenho semelhante à pasta 8 (10% SB). Em comparação à pasta de referência, nas pastas com polímero SB observou- se a redução significativa da quantidade de poros com diâmetro abaixo de 0,05 µm. Nas pastas 5, 6 e 7 observou-se um aumento expressivo do aumento da quantidade de poros com diâmetro entre 0,012 e 0,05 µm. Já nas pastas 8 e 9, que apresentaram comportamento semelhante, houve um aumento da quantidade de poros com diâmetro entre 0,005 e 0,025 µm.
As pastas com sílica ativa e polímero SB foram as que apresentaram maior eficiência na redução do tamanho dos poros (Figuras 3 e 6). As quatro pastas com sílica ativa e polímero SB apresentaram, em relação à pasta de referência, redução significativa da quantidade de poros com diâmetro entre 0,025 e 0,25 µm e aumento da quantidade de poros com diâmetro entre 0,005 e 0,025 µm.
A redução do diâmetro dos poros nas pastas com sílica ativa pode ser atribuída aos efeitos de preenchimento (efeito filler) e pozolânico desta adição na matriz de cimento. Já nas pastas com polímero SB, pode-se explicar este efeito pelo aumento da plasticidade da pasta e pelo preenchimento dos vazios pelo filme polimérico.
CONCLUSÕES
Os resultados da análise da porosidade das pastas por PIM possibilitaram observar que a sílica ativa e o polímero SB melhoram significativamente as características de permeabilidade dos concretos leves pela redução da porosidade total da pasta e pela redução da quantidade de poros com diâmetro acima de 0,05 µm e aumento da quantidade de poros com diâmetro abaixo de 0,025 µm. Os melhores resultados relacionados à redução da porosidade total e distribuição do diâmetro dos poros foram obtidos para o uso conjunto de sílica ativa e polímero SB.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP – Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo, o suporte financeiro desta pesquisa e ao LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil (Lisboa, PT), o apoio na realização das análises experimentais .
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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8. ROSSIGNOLO, J.A.; AGNESINI, M.V.C. Retração por secagem dos concretos leves de alto desempenho modificados com polímero. Anais do 43º Congresso Brasileiro do Concreto, Foz do Iguaçu, 2001, em CD- ROM.
EFFECT OF SUPERPLASTICISER, SB POLYMER AND SILICA FUME IN
POROSITY OF PORTLAND CEMENT PASTES
J. A. Rossignolo1 e M. V. C. Agnesini2
EESC/USP - Dep. Arquitetura. Av. Trabalhador Sãocarlense, 400. CEP 13566 -590 São Carlos S.P.
1
Ciências e Engenharia de Materiais. INTERUNIDADES. USP. São Carlos.(jarossig@hotmail.com)
2
Dep. de Arqui tetura e Urbanismo EESC. USP. São Carlos.
Mechanical properties and durability of the concretes are directly related with the porosity, that has as main origin the capillary pores formed by the free water. Nowadays, the most efficient form of reducing the porosity is through the use of materials that reduce the amount of free water (as the superplasticisers), mineral additions and polymers ones. For understand the performance of those materials in the cement-based systems, this work presents an analy sis of the effect of SB polymer and silica fume in the porosity and pore size distribution of the Portland cement pastes. Was used the technique of Mercury Intrusion Porosimetry (MIP). Were appraised the pores with diameter varying between 0,005 and 10 mm, approximately. MIP measurements should that silica fume and SB polymer reduced of the pore size and total porosity of pastes.
