AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ADITIVOS PLASTIFICANTES E SUPERPLASTIFICANTES NA MANUTENÇÃO DA FLUIDEZ

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AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ADITIVOS PLASTIFICANTES E SUPERPLASTIFICANTES NA MANUTENÇÃO DA FLUIDEZ

Evaluation of the performance of plasticizer and superplasticizer admixture in the maintenance of the fluidity

Narciso Gonçalves da Silva (1);Luciano Senff (2); Ricardo Bentes Kato (3); Wellington Longuini Repette (4)

(1) Professor Doutorando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFSC (2) Doutor, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFSC

(3) Doutorando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFSC (4) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, UFSC

Rua João Pio Duarte Silva, s/n, Córrego Grande, 88040-970, Caixa Postal 476, Florianópolis-SC

Resumo

Os aditivos plastificantes e superplastificantes são utilizados freqüentemente por reduzir a água na mistura e promover a melhora da trabalhabilidade do concreto. Este trabalho avalia o desempenho de três tipos de aditivos químicos em pasta de cimento: lignosulfonato, naftaleno e policarboxilato. Foram avaliados a eficiência e aspecto econômico. Pastas de cimento com a/c = 0,30 foram preparadas com cimento Portland CPII-Z 32. A fluidez foi determinada para todas as amostras através da mesa de consistência para os tempos de 0, 30 e 60 minutos. Os resultados mostraram que o tipo de aditivo e o tempo de redosagem influenciam significativamente para a redução da fluidez, porém não influenciam no ganho de fluidez. Além disso, o teor de sólidos de redosagem é influenciado mais significativamente pelo tipo de aditivo utilizado do que pelo tempo de redosagem. O custo final da dosagem está associado ao tipo de aditivo e ao tempo de redosagem.

Palavra-Chave: aditivo químico, plastificante, superplastificante, pasta de cimento

Abstract

The plasticizer and superplasticizer admixtures are often used to reduce the mixing water and improve the workability of concrete. This research evaluate the performance of three chemical admixtures: lignosulfonate, naphthalene and polycarboxylic in cement paste. Efficiency and economical aspect was evaluated. Cement pastes with w/c = 0,30 were prepared with Portland cement type CPII-Z 32. Fluidity were carry out in flow table test for all the samples with admixture for the times 0, 30 and 60 minutes. The results indicate that type of admixture and time of redosage influence the reducers of fluidity significantly, however they do not influence in the gained of the fluidity. Besides, the type of admixture influences more significantly than the time of dosage in the amounts of redosage solids. The final cost of the dosage is associated to the type of addictive and redosage time.

Keywords: admixture, plasticizer, superplasticizer, cement paste

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1 Introdução

O cimento Portland quando misturado com a água se apresenta como uma suspensão concentrada de íons com forte tendência a formar aglomerações com retenções de água, aumentando a tensão de escoamento e viscosidade plástica. O uso crescente dos aditivos químicos em materiais à base de cimento pode ser atribuído às vantagens de ordem econômica e à capacidade que esses produtos possuem em melhorar o desempenho do material.

O uso adequado dos aditivos requer uma compreensão mínima dos conceitos básicos de química do cimento e interações entre cimento-aditivo. As forças que atuam nas partículas incluem a força de van der Waals e a força repulsiva eletrostática gerada pela carga elétrica na superfície da partícula. Nesse contexto, para se obter suspensões dispersas, as forças repulsivas entre as partículas devem exceder as forças atrativas.

Quanto a reologia das suspensões, verifica-se que a redução da distância de separação entre as partículas finas provocada pelo aprisionamento de água no interior dos aglomerados, eleva o número de colisões entre elas e, com isso, a viscosidade da suspensão (PANDOLFELLI et al., 2000).

As adições de aditivos superplastificantes em solução facilitam as dispersões das partículas devido ao mecanismo da repulsão eletrostática e repulsão estérica, modificando o grau de floculação do sistema, o que aumenta a fluidez da pasta de cimento (UCHIKAWA et al., 1997; NEUBAUER et al., 1998). Os compostos adsorvidos modificam as propriedades da superfície do cimento e suas interações com a fase líquida, como também com outras partículas sólidas (JOLICOEUR; SIMARD, 1998; EDMEADES;

HEWLETT, 1998). Em suspensões dispersas as partículas encontram-se individualizadas e, por isso, são pouco influenciadas pela força da gravidade, permitindo que as suspensões permaneçam homogêneas e estáveis por um maior período (PANDOLFELLI et al., 2000). No entanto, a aglomeração das partículas provoca a sedimentação, dificultando a manutenção da homogeneidade da suspensão (REED, 1994). O período em que o concreto perde fluidez é durante a fase em que C3A reage com o gesso e é realçada pela presença maior de álcalis no cimento (RAMACHANDRAN, 1984). Ainda segundo o autor, a trabalhabilidade mais alta que o normal no concreto que contém plastificante é mantida geralmente por aproximadamente 30-60 minutos e pode ser melhorada quando o aditivo é adicionado alguns minutos após a mistura.

A adição de superplastificante conduz alterações não só nas propriedades no estado fresco da pasta e concreto mas também no comportamento dos estágios subseqüentes da hidratação. Um desses efeitos é atraso no processo de pega, no qual aumenta com a dosagem empregada (RONCERO, 2000). Obviamente, outros fatores afetam a magnitude do atraso, tais como a finura e composição do cimento Portland, a natureza (especialmente do grupo funcional) e massa molecular do superplastificante, e temperatura (RONCERO, 2000).

Os aditivos plastificantes produzidos nas primeiras gerações constituídos por melanina sulfonada e naftaleno sulfonado condensado com formaldeído têm sua utilização contestada devido ao limitado período pelo qual mantém a fluidez do concreto (FREITAS JUNIOR et al., 2006). Com o avanço tecnológico, desenvolveram-se nos últimos anos novas gerações de aditivos superplastificantes como lignosulfonados, condensado

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formaldeído de ácido naftalenosulfônico, condensado formaldeído de melanina sulfonada e de éster policarboxílicos, sendo este último considerado de terceira geração (LIBÓRIO, 2004).

Quanto à eficiência e ao custo da manutenção da fluidez, os aditivos superplastificantes de terceira geração tem forte impacto no custo dos concretos de alta resistência (FREITAS JUNIOR et al., 2006). Porém, os fabricantes destes aditivos asseguram que a perda de fluidez é bem mais lenta, permitindo um maior período para a aplicação do concreto sem a necessidade de redosagem.

Diante do exposto, este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da adição dos aditivos plastificante e superplastificante na manutenção da fluidez da pasta de cimento Portland.

2 Materiais e programa experimental

Os materiais utilizados na preparação das pastas foram cimento CPII-Z 32, aditivo plastificante a base de lignosulfonato, aditivos superplastificantes a base de naftaleno sulfonado e a base de policarboxilato, e água da rede de distribuição pública da cidade de Florianópolis-SC. Todos os materiais foram colocados em sala climatizada com antecedência mínima de 24 horas. As características químicas e físicas dos materiais são apresentadas nas tabelas 1 e 2.

Tabela 1 – Caracterização do cimento CPII-Z 32 Análise química (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 CO2 Resíduo insolúvel Perda ao fogo 22,91 7,25 3,18 52,29 5,56 1,04 0,18 2,82 4,23 12,91 4,97

Análise física Massa unitária no estado solto (kg/m³) – NBR 7251

(ABNT, 1982)

Massa específica (kg/m³) – NBR NM 23 (ABNT, 2001)

1197 2946

Tabela 2 – Caracterização dos aditivos Aditivo Propriedades

Lignosulfonato Naftaleno Policarboxilato Função principal plastificante superplastificante superplastificante

Base química lignosulfonatos naftaleno

sulfonados policarboxilatos Aspecto líquido líquido líquido

Cor castanho castanho bege

Densidade

(g/cm³) 1,185 a 1,225 1,185 a 1,225 1,067 a 1,107

PH 7 a 9 9 a 11 5 a 7

Viscosidade - - 95 a 160 cps

Sólidos (%) 39,5 a 43,5 38 a 42 28,5 a 31,5

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O planejamento experimental adotado para avaliar o desempenho do aditivo foi baseado na perda da fluidez da pasta de cimento na mesa de consistência, também conhecida por Flow Table. Foram produzidas pastas de cimento com a/c = 0,30 e adição de aditivos à base de lignosulfonato, naftaleno e policarboxilato. Essas amostras foram submetidas ao ensaio de consistência, medindo-se o espalhamento (fluidez) da pasta com 0, 5 e 10 golpes no tempo de 0, 30 e 60 minutos, adotando procedimentos da norma NBR 13276/2005 (ABNT, 2005). A figura 1 mostra o espalhamento da pasta de cimento com redosagem de policarboxilato aos 60 minutos.

Figura 1 – Fluidez da pasta na mesa de consistência após 10 golpes

Estabeleceu-se que as pastas de cimento após 10 golpes deveriam apresentar um diâmetro de abertura com aproximadamente 240 mm. Para os tempos de 30 e 60 minutos, executou-se a redosagem das pastas, empregando três amostras, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Planejamento experimental

A produção de três amostras por período tem por objetivo assegurar aberturas inferiores e superiores a 240 mm, o que possibilita a interpolação entre os pontos. Após 30 e 60 minutos, as pastas foram misturadas manualmente por 1 minuto, determinando-se o espalhamento na mesa. Em seguida, as pastas foram conduzidas à argamassadeira para a redosagem com 1 minuto de mistura e determinado o espalhamento na mesa de consistência.

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Avaliaram-se as influências do tipo de aditivo e do tempo de descanso nos resultados de perda e ganho de fluidez, teores de sólidos de redosagem e no custo de dosagem através de análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey ao nível de confiança de 95%.

3 Resultados e discussões 3.1 Dosagem

O resultado da média dos diâmetros de espalhamento medidos perpendicularmente entre si, para 0, 5 e 10 golpes são apresentados na tabela 3.

Tabela 3 – Abatimento (fluidez) na mesa de consistência em função do número de golpes Fluidez na mesa em função

do número de golpes (mm) Aditivo

Teor de sólidos

(%) 0 5 10

0,083 136,5 182,5 213,5 0,125 139,5 202,0 232,5 Lignosulfonato

0,166 149,5 217,5 246,0 0,100 136,0 194,5 223,0 0,132 141,0 204,5 235,0 Naftaleno

0,160 155,0 216,5 248,5 0,015 133,5 188,5 218,0 0,030 143,5 211,0 240,0 Policarboxilato

0,045 196,0 242,0 267,5

Os resultados da fluidez da pasta de cimento para cada aditivo após a aplicação de 10 golpes na mesa de consistência é apresentado na figura 3.

Figura 3 – Dosagens das pastas com 10 golpes na mesa de consistência

Com base nos resultados, constatou-se que a função que melhor representou o intervalo estudado foi a linear. De acordo com essas funções foi possível obter o teor de sólidos com espalhamento equivalente a 240 mm, isto é, 0,15% para o lignosulfonato; 0,14%

para o naftaleno e 0,03% para o policarboxilato.

214

232 246

223 235 249

218 240

268

y = 391,57x + 181,75 R² = 0,9937 y = 423,82x + 180,12

R² = 0,9948

y = 1650x + 192,33 R² = 0,9959

0 40 80 120 160 200 240 280 320

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 0,160 0,180

Teor de sólidos do aditivo (% )

Fluidez na mesa (mm)

Lignosulfonato Naftaleno Policarboxilato

(6)

7,29

8,61

5,50

6,91

3,41

4,74

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

30 60

Tempo (min)

Perda de fluidez (%)

A figura 4 apresenta o resultado médio da perda de fluidez na mesa de consistência para os tempos de 30 e 60 minutos após a dosagem.

Figura 4 – Perda de fluidez na mesa de consistência para os tempos de 30 e 60 minutos após a dosagem

Analisando os dados da figura 4, observa-se que após 30 minutos a perda da fluidez da pasta de cimento com lignosulfonato foi de 24,55% superior ao naftaleno e 53,22%

superior ao policarboxilato, além disso, a perda do naftaleno foi de 38% em relação ao policarboxilato. Para o tempo de 60 minutos a perda da fluidez com lignosulfonato foi de 19,74% superior ao naftaleno e 44,94% superior ao policarboxilato, além disso, a perda do naftaleno foi de 31,40% em relação ao policarboxilato. Em todos os casos o policarboxilato apresentou menor perda de fluidez quando comparado aos demais aditivos.

O estudo realizado por análise de variância mostrou que os resultados apresentam diferenças entre si e não são meramente casuais. Conforme mostra a tabela 4, ambos os fatores principais, tipo de aditivo e tempo de descanso contribuem significativamente para a perda de fluidez da pasta.

Tabela 4 – Análise de variância para a perda de fluidez da pasta

SS GL MS F p

Tipo de aditivo 15,0650 2 7,5325 6191,1 0,000161 Tempo 2,7473 1 2,7473 2258,0 0,000443

Error 0,0024 2 0,0012

A figura 5 evidencia que o tempo de 60 minutos apresentou a maior perda de fluidez. A figura 6 mostra que o aditivo lignosulfonato, favoreceu a maior perda de fluidez entre os aditivos. Por outro lado, o policarboxilato manteve por mais tempo a fluidez da pasta.

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Figura 5 – Perda de fluidez em função do tempo Figura 6 – Perda de fluidez em função do tipo de aditivo

As ausências de repetições dos ensaios não permitiram avaliar eventuais efeitos de interações entre o aditivo e tempo de descanso.

3.2 Redosagem

O teor de sólidos da redosagem para os tempos de 30 e 60 minutos são apresentados nas figuras 7 e 8, respectivamente.

Figura 7 – Redosagens das pastas após 30 minutos Figura 8 – Redosagens das pastas após 60 minutos

Com base nas funções lineares das figuras 7 e 8, determinou-se o teor de sólidos de redosagem de cada aditivo para um espalhamento de 240 mm, os quais são apresentados na tabela 5.

30 60

Tempo (min) 5,0

5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0

Lignosulfonato Nafataleno Policarboxilato

Aditivo 3,5

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5

y = 370,19x + 229,45 R² = 0,84

y = 397,59x + 221,08 R² = 0,99 y = 3826,92x + 228,38

R² = 1,00

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090

Fuidez na mesa (mm)

y = 337,50x + 227,33 R² = 0,99

y = 590,36x + 214,42 R² = 0,98 y = 3153,85x + 221,77

R² = 1,00

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090

Fuidez na mesa (mm)

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Tabela 5 – Teor de sólidos de redosagem para um espalhamento de 240 mm após 30 e 60 minutos Teor de sólidos de

redosagem (%) Aditivo

30 minutos 60 minutos Lignosulfonato 0,0476 0,0433

Naftaleno 0,0285 0,0375 Policarboxilato 0,0030 0,0058

Constata-se que os aditivos policarboxilato e naftaleno apresentaram para 30 minutos menores teores de sólidos de redosagem que para 60 minutos, enquanto que para o lignosulfonato ocorreu o contrário.

A análise de variância mostrou que há evidências da influência significativa do tipo de aditivo sobre o teor de sólidos de redosagem, conforme é apresentado na tabela 6. No caso do tempo de redosagem, este não mostrou evidências significativas que influenciasse no teor de sólidos.

Tabela 6 – Análise de variância para o teor de sólidos de redosagem

SS GL MS F p

Error 0,000044 2 0,000022

A figura 9, mostra uma diferença entre o policarboxilato e os outros aditivos no teor de sólidos de redosagem. No entanto, dentre os aditivos naftaleno e o lignosulfonato não é possível estabelecer uma diferença devido a sobreposição do intervalo. Para os tempos de redosagem apresentados na figura 10 não foi possível constatar uma diferença em virtude da sobreposição dos intervalos.

Figura 9 – Teor de sólidos de redosagem em função do tipo de aditivo

Figura 10 – Teor de sólidos de redosagem em função do tempo de redosagem

As figuras 11 e 12 apresentam o ganho de fluidez para três redosagens de cada aditivo após 30 e 60 minutos de descanso, respectivamente.

lignosullfonato naftaleno policarboxilato

Tipo de aditivo -0,02

-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Teor de sólidos de redosagem (%)

30 60

Tempo (min) 0,010

0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

Teor de sólidos de redosagem (%)

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Figura 11 – Ganho de fluidez após 30 minutos Figura 12 – Ganho de fluidez após 60 minutos

Considerando que o ganho de fluidez ocorreu de forma linear, a substituição dos teores da tabela 5 nas funções lineares das figuras 11 e 12 representam o ganho de fluidez nos tempos de 30 e 60 minutos para um espalhamento de 240 mm. Esses resultados são apresentados na figura 13.

Figura 13 – Ganho de fluidez na mesa de consistência após a redosagem

Analisando os resultados apresentados na tabela 7, conclui-se que o tipo de aditivo e o tempo não influenciaram no ganho de fluidez ao nível de confiança de 95%.

Tabela 7 – Análise de variância para o ganho de fluidez

SS GL MS F p

Error 8,9236 2 4,4618

Os custos de dosagem e de redosagem por metro cúbico de pasta de cimento foi calculado através da densidade de massa no estado fresco, utilizando os teores de dosagem para espalhamento de 240 mm na mesa de consistência e os teores de redosagens da tabela 5. Os preços dos aditivos foram obtidos no comércio varejista da cidade de Florianópolis-SC no mês de dezembro de 2006. A figura 14 apresenta o custo

y = 151,16x + 2,08 R² = 0,82

y = 235,07x - 0,15 R² = 0,80 y = 1639,06x - 0,17

R² = 0,97

0 5 10 15 20 25 30

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

Ganho de fluidez (%)

Lignosulfonato Naftaleno Policarboxilato

y = 237,44x - 0,28 R² = 0,95

y = 262,79x + 2,36 R² = 0,99 y = 1752,75x - 5,14

R² = 0,99

0 5 10 15 20 25 30

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

9,28 10,00

6,55

12,21

4,75 5,03

0 2 4 6 8 10 12 14

30 60

Tempo (min)

(10)

de dosagem no tempo 0 e o custo de dosagem acrescido da redosagem depois de decorridos 30 e 60 minutos da dosagem inicial.

Figura 14 – Custo de dosagem (tempo 0) e de redosagem após 30 e 60 minutos

A análise de variância apresentada na tabela 8 mostra que o tipo de aditivo e tempo de redosagem são significativos para o custo de dosagem.

Tabela 8 – Análise de variância para o custo de dosagem do aditivo

SS GL MS F p

Error 2,782 4 0,695

A figura 15 evidencia que o lignosulfonato favorece a redução do custo de dosagem quando comparado aos demais aditivos. No entanto, essa diferença não é possível de ser constatada quando se compara o naftaleno e o policarboxilato devido a proximidades dos resultados. A figura 16 mostra que há uma diferença entre o tempo 0 e os demais 30 e 60 minutos para o custo da redosagem. No entanto, para os tempos de 30 e 60 minutos não se pode afirmar devido a sobreposição do intervalo de confiança.

Figura 15 – Custo de redosagem em função do tipo de aditivo adicionado

Figura 16 – Custo da adição do aditivo em função do tempo de redosagem

21,53

11,12 11,01

8,56

23,74 24,84

19,69

23,80

25,97

0 4 8 12 16 20 24 28 32

0 30 60

Tempo (min)

Custo (%)

lignosullfonato naftaleno policarboxilato

Tipo de aditivo 6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Custo (R$)

0 30 60

Tempo de dosagem (min) 14

15 16 17 18 19 20 21 22 23

Custo (R$)

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3 Conclusões

A perda de fluidez da pasta de cimento CPII-Z 32 é influenciada pelo tipo de aditivo adicionado e o tempo de redosagem. O aditivo lignosulfonato apresentou a maior perda, enquanto o policarboxilato favoreceu a manutenção da fluidez.

O teor de sólidos de redosagem é afetado principalmente pelo tipo de aditivo adicionado.

O tempo de redosagem não mostrou evidência suficiente para influenciar no teor de redosagem. Dentre os aditivos, o policarboxilato foi o que necessitou menor teor de sólidos para a redosagem após 30 e 60 minutos.

Apesar do lignosulfonato e o naftaleno apresentarem o maior ganho de fluidez após 30 e 60 minutos, respectivamente e o policarboxilato apresentar o pior desempenho, a análise de variância realizada não evidenciou a influência do tipo de aditivo no ganho de fluidez.

O custo de dosagem é influenciado pelo tipo de aditivo e tempo de redosagem. Em relação aos aditivos, o lignosulfonato apresentou um custo significativamente menor que o naftaleno e o policarboxilato, sendo este último o que apresentou mais custo de dosagem, devido principalmente ao alto preço do aditivo. Para os tempos de 30 e 60 minutos o custo de redosagem não ficou evidenciado no teste de Tukey em virtude da sobreposição dos intervalos de confiança.

4 Referências

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AGRADECIMENTOS

Os autores expressam sua gratidão a Votorantin Cimentos e a empresa Basf pela doação dos materiais utilizados nesse trabalho e ao Laboratório de Materiais de Construção Civil – LMCC da Universidade Federal de Santa Catarina pela disponibilização dos equipamentos para a realização dos ensaios.