ANLISE DE IMAGENS: UM AVANO PARA A TECNOLOGIA DO CONCRETO

Epaminondas Luiz Ferreira Jnior (1); Gldis Camarini (2)

(1) Eng Civil; Mestrando em Engenharia Civil - UNICAMP

e-mail: epajr@fec.unicamp.br

(2) Professora Doutora, Departamento de Arquitetura e Construo,

Faculdade de Engenharia Civil - UNICAMP

email: camarini@fec.unicamp.br

Palavras Chaves: anlise de imagens, microestrutura, zona de transio, microfissurao.

Resumo

No estudo dos materiais de construo, sabe-se que h uma relao de dependncia

entre o processo de fabricao, sua microestrutura e suas propriedades. Dessa

forma, a anlise de imagens vem colaborar para melhorar o nvel de conhecimento

destes materiais, sendo uma ferramenta adequada para avaliar as mudanas

morfolgicas que ocorrem durante o seu processamento e seu uso. A anlise de

imagens exerce um papel importante, particularmente na tecnologia do concreto,

pois com ela h possibilidade de relacionar, de alguma forma, a microestrutura com

suas propriedades fsicas e mecnicas. O objetivo deste trabalho foi proporcionar um

levantamento das diferentes aplicaes da anlise de imagens na tecnologia do

concreto, cujos resultados tm proporcionado avanos significativos no entendimento

de suas propriedades em bases cientficas. Entre estes estudos encontram-se a

avaliao das dimenses dos gros das fases do concreto, disperso e orientao

das fases presentes, anlise da superfcie em 3D, caractersticas morfolgicas da

zona de transio e a microfissurao. As pesquisas existentes indicam que a

anlise de imagens uma ferramenta poderosa que proporciona resultados rpidos

e objetivos, permitindo avaliar o comportamento do material com a devida segurana.

1 Introduo

A anlise de imagens originou-se da necessidade de se obterem

solues especficas sobre os materiais, cujas tcnicas convencionais para avaliao

de suas propriedades no forneciam respostas adequadas. As tcnicas de anlise de

imagens se desenvolveram muito rapidamente graas ao progresso na aquisio das

imagens e tambm ao desenvolvimento de algoritmos e softwares para medir sua

interpretao. Historicamente, mtodos manuais ou semi-automticos medir as

caractersticas dos poros j tinham sido publicados em 1898 (Chermant, 2001). Com

o desenvolvimento dos computadores pessoais, e o progresso da aquisio,

armazenagem, apresentao de imagens, e dos novos algoritmos e softwares,

pesquisadores da rea da engenharia civil tambm passaram a usar a anlise

automtica de imagens para caracterizar seus materiais por um mtodo mais

acessvel e com bases estatsticas. Com isso, est sendo possvel atender as

expectativas quanto ao desenvolvimento de novos materiais, como os concretos de

alta e ultra-desempenho, novos concretos leves, ou concretos de ps reativos. A

anlise de imagens uma ferramenta para investigao da estrutura e morfologia de

um material em escala microscpica, seja ele concreto, argamassa, pasta de

cimento, metais ou polmeros. Essa investigao importante para assegurar que as

associaes entre as propriedades e a estrutura (e defeitos) do material estejam

suficientemente compreendidas e, estabelecidas estas relaes, prever o seu

comportamento.

2 Microscopia

Alguns elementos estruturais so de dimenso macroscpica podendo

ser observados a olho nu. No entanto, a maioria dos produtos internos desses

materiais, apresentam dimenses microscpicas e seus detalhes devem ser

observados em microscpios pticos ou eletrnicos. Estes microscpicos auxiliam na

investigao das feies microestruturais de todos os tipos de materiais.

2.1 Microscpios

No microscpio ptico a iluminao e o conjunto de lentes so seus

elementos bsicos. Para materiais opacos luz (clnquer, argamassas e concretos)

observa-se uma superfcie polida e utiliza-se a luz refletida na amostra. Essa

superfcie polida pode ou no sofrer ataque qumico para evidenciar a presena de

alguns cristais (Figura 1). O aumento mximo de um microscpio ptico da ordem

de 2000 vezes. Consequentemente, alguns elementos estruturais por serem muito

pequenos, tornam-se difceis de serem observados neste tipo de microscpio. Neste

caso, emprega-se o microscpio eletrnico de transmisso (MET) ou o microscpio

eletrnico de varredura (MEV).

(a) (b)

Figura 1 - Sistema de Aquisio de imagens por microscopia ptica (a) (JOURLAN et

al., 2001) e Seo polida do clnquer (b) (STUTZMAN & LEIGH, 2001).

A imagem obtida no MET formada por um feixe de eltrons que

atravessa a amostra. Para isso, a amostra uma pelcula extrada do material a ser

observado. O aumento chega a 1.000.000 de vezes. Algumas pesquisas esto

empregando o MET para estudos de pastas de cimento; no entanto, como uma

tcnica muito mais sofisticada do que as outras, e sua aplicao , no momento,

mais restrita, no ser abordada neste levantamento.

Os cristais presentes nos compostos do cimento hidratado so

demasiadamente pequenos para serem observados pelo microscpio ptico, sendo

necessria a utilizao do MEV. A alta resoluo do MEV pode atingir at 30

ngstrons e grandes profundidades de foco (a distncia de penetrao depende da

voltagem de acelerao do aparelho). Os aumentos empregados podem variar entre

100 e 100 mil vezes (SCRIVENER, 1989). O MEV consiste basicamente de uma

coluna ptico-eletrnica, de uma cmara para a amostra, sistema de vcuo, controle

eletrnico e sistema de obteno de imagem. Quando um ponto da superfcie da

amostra alcanado por um feixe de eltrons, originam-se diferentes sinais que

podem ser detectados independentemente. Destes sinais, um deles a emisso de

eltrons secundrios (SE) (Figura 2a), e o outro a emisso de eltrons

retroespalhados (BSE) (Figura 2b). O emprego do MEV permite evidenciar a

morfologia dos compostos hidratados em funo das condies de hidratao.

Imagens obtidas por meio de eltrons secundrios (em amostras fraturadas)

evidenciam a morfologia e a textura, muito comum para avaliao morfolgica dos

compostos formados durante o processo de hidratao. Imagens obtidas por meio de

eltrons retroespalhados (em superfcies polidas) permitem visualizar a

heterogeneidade no interior da amostra. Neste caso, usada para verificao do grau

de hidratao, da formao de microfissuras e da zona de transio.

(a) (b)

Figura 2 - Imagem de produtos de hidratao do cimento obtida por MEV:

(a) Imagem por Eltrons Retroespalhados (DIAMOND, 1999) e (b) Imagem por Eltrons

Secundrios (ANDRADE & VEIGA, 1998).

Em conjunto com a anlise de imagens possvel realizar a espectrometria de

disperso de energia - EDS, determinando a composio qumica aproximada de

partculas, de regies ou pontos de interesse. A funo do EDS detectar, contar e

distribuir, em classes de energia, os raios-x produzidos por uma pequena regio da

amostra selecionada para anlise. O aparelho de raios-x conectado a um medidor

automtico dos ngulos de refrao (?) e suas correspondentes intensidades.

Usando-se raios-x de comprimento de onda (?) conhecido, e medindo-se ?, pode-se

perfeitamente calcular o espao interplanar d (Lei de Bragg) (MEHTA &

MONTEIRO, 1994). Como a distncia interplanar uma caracterstica prpria de

cada cristal, consegue-se identific-lo quando se comparam os valores com registros

pr-obtidos de substncias conhecidas. Os equipamentos modernos permitem gravar

os dados em microprocessadores, resultando numa listagem dos elementos

presentes no ponto analisado.

(a) (b)

Figura 3 Imagem por eltrons retroespalhados de agregado reativo (a) e a anlise por

EDS da regio indicada pela seta (b) (BAKHAREV et al., 2001).

Um cuidado especial deve ser dado no preparo da amostra. No caso de

amostras no condutoras de eltrons como polmeros, cermicas, pastas,

argamassas e concretos, preciso que a superfcie a ser observada seja recoberta

por uma camada com material condutor de eltrons (metais ou ligas metlicas), cujo

processo denominado metalizao de amostras. Isto necessrio para evitar um

efeito chamado carregamento, que impede a obteno de imagens satisfatrias

durante a anlise (ANDRADE & VEIGA, 1998).

3 Microscopia do clnquer

A anlise microscpica do clnquer proporciona informaes teis sobre

a sua estrutura e seu processo de produo. A avaliao microscpica de sees

polidas (Figura 4) proporciona uma inspeo visual sobre o tamanho dos cristais, sua

morfologia, distribuio dos cristais e quantidade presente. O emprego do

microscpio ptico mais difundido e menos oneroso e necessita da anlise de

imagens para separar suas fases. As sees podem ser ou no atacadas por

compostos qumicos para evidenciar a presena de determinada fase (Figura 4).

Figura 4 - Seo polida do clnquer, com ataque de HF por 30 s

(STUTZMAN & LEIGH, 2000)

Mais recentemente desenvolvem-se pesquisas para a obteno de

dados do clnquer por anlise semi-automtica, cujas imagens so obtidas em

diferentes tons de cinza e p rocessadas por computador.

3 Microscopia dos Materiais Base de Cimento

Para entender a relao entre as propriedades fsicas e a

microestrutura, necessrio ter acesso: (i) diversidade da morfologia e suas

caractersticas, (ii) sua heterogeneidade principalmente aps a modelagem da

microestrutura, (iii) sua evoluo a partir de modelos probabilsticos, e (iv)

qualidade da interface entre gros ou fases dos pontos a partir da estrutura qumica

ou fsica visualizada. A anlise das imagens obtidas pela microscopia ptica

adequada para investigar o primeiro aspecto, a microscopia eletrnica de varredura

adequada para investigar os primeiros trs aspectos, e a microscopia de transmisso

de eltrons a quarta (Chermant, 2001).

3.1 Hidratao da Pasta de Cimento

Vrios mtodos tm sido utilizados para o estudo da hidratao da

pasta de cimento, como a difrao de raios-X e a anlise termogravimtrica, cada

qual com suas dificuldades e limitaes. Assim, tcnicas de microscopia para o

estudo da hidratao do cimento vm sendo aprimoradas constantemente. Uma

tcnica para analisar o grau de hidratao do concreto, consiste em preparar a

amostra e observ-la por eltrons retroespalhados. As vrias fases presentes so

diferenciadas atravs de tons de cinza. Essas imagens so analisadas em um

software de computador que calcula as reas em uma escala escolhida, que vai de

escura brilhante. Escolhendo-se um determinado brilho, os pontos que contm

aquele nvel de cinza so vistos na tela com um contraste de cor apropriado, sendo

mostrada a porcentagem daquele nvel de brilho na imagem (Ash et al., 1993). A

pasta de cimento Portland endurecida constituda essencialmente de trs nveis de

cinza: os produtos de hidratao, os gros anidros e os poros. Para a anlise das

imagens em argamassas e concretos h um nvel a mais e os gros de agregados

so facilmente identificados na imagem, e ento removidos pelo computador pois o

que interessa a pasta de cimento hidratado. Na rea da imagem observada

elimina-se a rea correspondente aos agregados, as reas ocupadas pelos poros e

pelos gros anidros (identificados pelos tons de cinza). O resultado de cada imagem

a rea ocupada pela pasta de cimento hidratado. O resultado final a mdia da

rea ocupada pela pasta de cimento hidratado obtida em dez imagens feitas de

maneira aleatria na amostra. A ampliao empregada pode ser de at 450 vezes

(ASH et al., 1993).

3.2 Zona de Transio e Formao de Microfissuras

A zona de transio do concreto a regio delimitada pela interface do

agregado e a pasta de cimento. Apresenta espessura de, aproximadamente, 30 mm

dentro da qual a porosidade aumenta medida que se aproxima da superfcie do

agregado (Diamond et al, 2001). Embora sejam constitudas dos mesmos elementos,

a estrutura e as propriedades da zona de transio diferem daqueles

correspondentes matriz da pasta. Somente com o desenvolvimento das tcnicas de

anlise de imagens foi possvel observar essa regio, cujas caractersticas so to

importantes para compreender os fenmenos que ocorrem na macroestrutura do

concreto. Vrios resultados de investigaes da zona de transio por anlise de

imagens tm sido divulgados, e o exame das amostras por MEV tem produzido

resultados que comprovam o comportamento do concreto em diversas situaes.

FIGURA 5 Anlise da imagem ao redor do gro de areia:

(a) rea da imagem, (b) nveis de cinza da zona de transio,

(b) (c) e (d) imagem binria segmentada mostrando os poros e o hidrxido de

clcio, respectivamente (DIAMOND & HUANG, 2001)

Alm da grande quantidade de cristais de hidrxido de clcio orientados

e de vazios capilares, uma caracterstica da zona de transio a formao de

microfissuras. Qualquer que seja a sua origem (mecnica, fsica, ou qumica), a

degradao dos materiais a base de cimento freqentemente resulta do inicio e da

propagao de microfissuras. Estudos indicam que a presena de microfissuras pode

influenciar de maneira significativa as propriedades mecnicas e de transporte de

massa do concreto. Por esse motivo, a otimizao e/ou a atribuio das

propriedades macroscpicas do material, requer o desenvolvimento de uma

ferramenta segura que capaz de quantificar as suas caractersticas

microestruturais (AMMOUCHE et al., 2000). Pesquisas empregando a microscopia

em materiais base de cimento tm avaliado as microfissuras do concreto. Neste

caso, tenta-se relacionar a influncia do estado de microfissuras do concreto (ou

argamassa) com as propriedades fsicas, ou avaliar a evoluo da microfissura com

aplicao de um carregamento (ao trmica, retrao, fissura ou carregamento

mecnico). Dois mtodos diferentes podem ser utilizados para anlise das

microfissuras: uma por observao e outra por anlise quantitativa (RINGOT &

BASCOUL, 2001) A primeira dificuldade em usar imagens para investigao de

modelo de fissuras, vem do fato de que as imagens fornecem uma informao local

do material. Na maioria das vezes, h uma desproporo entre o tamanho da

amostra extrada e as dimenses das imagens. As tcnicas baseadas em imagens,

fornecem uma quantidade de dados que so abundantes, mas parciais em apenas

um campo, devendo haver cuidado quando da anlise desses campos. A segunda

dificuldade est na segmentao das fissuras, que consiste em reconhec-las dentro

das imagens. No passado, essa operao era feita manualmente. Hoje se emprega a

anlise de imagens para esse fim, por meio de um processo automtico. Freitas

(2001) analisou imagens obtidas de amostras de concretos, relacionando a formao

de microfissuras ao grau de hidratao. As imagens foram obtidas pelo MEV, em

sees polidas, por imagens de eltrons retroespalhados. Das imagens originais

foram selecionadas apenas as regies mais escuras, que so vazios e microfissuras

e, com isso, pde-se calcular a rea dessa regio em relao rea total da

imagem. Na anlise das imagens, verificou-se que os poros menores apresentaram

dimenso aproximada de 0,1 mm e os maiores 20 mm, sendo todos caracterizados

como poros capilares. As microfissuras apresentaram espessura mxima

aproximada de 2,5 mm. Em todos os casos, observou-se que as microfissuras

tendem a contornar os agregados, confirmando que essa regio do concreto frgil

e com mais vazios. Ressalta-se que a preparao da amostra muito importante,

pois as etapas de corte e polimento podem criar e/ou aumentar as microfissuras.

(a) (b)

Figura 6 Anlise de microfissuras em concreto (FREITAS, 2001).

(a) (b)

Figura 7 - Microfissuras em concreto: (a) imagem real e (b) imagem processada

(Cherman, 2001).

3.3 Estudo da Relao gua/cimento

A relao gua/cimento um parmetro importante para o concreto no s pela

relao direta com a sua resistncia, mas tambm pela sua influncia quanto

durabilidade do concreto. Isso ocorre devido estreita ligao entre a relao a/c e a

porosidade capilar da pasta de cimento. Uma porosidade capilar elevada, resulta em

permeabilidade a agentes agressivos, tais como lquidos nocivos e gases. Portanto,

a determinao da relao a/c de concretos endurecidos relevante para (a) (b) um

diagnstico da deteriorao, assim como para assegurar a qualidade do concreto em

geral. Mtodos pticos tm sido desenvolvidos para determinar a relao a/c do

concreto endurecido, usando sees delgadas. O mtodo baseado no princpio de

que a intensidade da fluorescncia do epxi em pastas de cimento proporcional

porosidade capilar. Quanto maior intensidade da fluorescncia, maior a porosidade

capilar e maior tambm a relao a/c. Neste caso, a intensidade de fluorescncia de

sees delgadas em amostras de concreto com uma relao a/c no conhecida,

comparada visualmente com uma srie referencial de sees delgadas de concreto

com relao a/c conhecida, cimento bem definido, e cura sob condies

padronizadas por 28 dias (ELSEN et al., 1995).

Os primeiros resultados de medidas quantitativas sobre a relao a/c do

concreto foram obtidos em amostras polidas usando um aparelho de foto-diodo.

Hoje, a anlise de imagens permite obter resultados quantitativos empregando o

mtodo da fluorescncia da pasta de cimento (ELSEN et al., 1995). Atualmente, trs

diferentes mtodos de anlise de imagens so utilizados: um mtodo interativo, um

mtodo semi-automtico com obteno de dados dos nveis de cores cinza da

imagem, e um mtodo completamente automtico. No mtodo interativo, as reas na

pasta de cimento para serem avaliadas so escolhidas pelo operador. A relao a/c

medida calculada como a mdia dos valores das reas selecionadas. A principal

desvantagem desse mtodo que as reas relevantes so definidas interativamente

pelo operador para cada imagem, consumindo muito tempo. Outra desvantagem

que esse mtodo no totalmente reprodutvel. As reas examinadas so definidas

e, assim, influenciadas pela subjetividade do operador que poder escolher as

mesmas reas; neste caso, o resultado pode no ser representativo da amostra. No

mtodo semi-automtico de entrada de dados, o operador define uma srie de

parmetros para o incio das medies, entre elas os tons de cinza para seleo da

pasta de cimento. Aps essa operao, as medidas so executadas

automaticamente. No mtodo totalmente automtico, uma seo delgada

escaneada e o nvel cinza do histograma para cada imagem acumulado e

armazenado.

3.4 Anlise da Superfcie da Fratura do Concreto em 3 Dimenses

A superfcie da fratura de concretos pode ser investigada com o auxlio de programas

que, por meio de imagens, reconstituem essa superfcie. A forma de como estudar a

natureza e as caractersticas da superfcie de fratura uma rea de pesquisa

importante que vem sendo desenvolvida na rea das cincias dos materiais e de

mecnica da fratura. Devido s limitaes de mtodos experimentais anteriores, a

superfcies de fratura em materiais como concreto, so apenas idealizadas como

planos 2D, o que condiciona a validade dos parmetros de medidas da fratura,

resultando em concluses incorretas. Assim, a maioria das informaes sobre a

micro e mesoestrutura, e os mecanismos de fadiga dos materiais so ignoradas, e

um problema a ser solucionado a maneira de medir e quantificar corretamente a

superfcie da fratura do concreto, (WU et al., 2000). Atualmente, tem-se utilizado uma

nova tcnica experimental baseada em triangulao a laser e reconstruo da fratura

superficial em 3-D. Os resultados da reconstruo de um objeto padro e da

superfcie de fratura de uma amostra de concreto indica que essa tcnica tem uma

preciso aceitvel. Comparado com os mtodos de anlises tradicionais, esse

mtodo adequado para determinar a dimenso da fratura e outros parmetros da

superfcie da fratura. A anlise quantitativa da rugosidade e a caracterstica da

fratura das superfcies de concreto so realizadas de acordo com o parmetro de

rugosidade Rs (que a razo da rea atual superficial com superfcie projetada).

Esses estudos mostram que a verdadeira rea superficial da fratura cerca de

45,4% maior do que a rea nominal da fratura (WU et al., 2000). Dois mtodos de

clculo da dimenso da fratura esto sendo empregados: a tcnica slit-island e a

anlise da seo vertical da superfcie. Essas novas tcnicas podem ser uma grande

avano para medir precisamente os parmetros da fratura e eventualmente aumentar

o nvel de conhecimento sobre os mecanismos de fadiga do concreto.

(a) (b)

Figura 8 - Reconstruo da superfcie de fratura do concreto:

(a) superfcie original e (b) perfil em 3D a superfcie da fratura (WU et al., 2000).

3.5 Anlise da Microfissura do Concreto em 3 Dimenses

A anlise de microfissuras em 3-D uma das mais novas tcnicas que

emprega a microscopia. Pode se ter acesso a parmetros 3D em medidas

executadas em 2D, usando uma relao estereolgica, que por meio de uma srie

de mtodos matemticos possvel definir os parmetros 3D com medidas obtidas

em 2D nas sees da estrutura (RINGOT & BASCOUL, 2001). A maior parte dos

mtodos para obter dados tridimensionais consiste em recuperar o desenho espacial

da fissura a partir de observaes feitas em diferentes tipos de planos. Se esses

planos so paralelos, ento essa tcnica se torna similar a tomografia usada em

cincias mdicas. Infelizmente, essa aproximao requer grande quantidade de

dados e isso no a realidade da cincia dos materiais, embora existam alguns

trabalhos publicados, so restritos a pequenas quantidades (RINGOT & BASCOUL,

2001). A simulao 3-D parece ser capaz de fornecer resultados precisos e uma

geometria realstica do modelo de fissuras em quantidades razoveis de dados em

curto prazo. Entretanto, modelos estatsticos para simular o modelo da fissura podem

ser usados para obter resultados importantes, em particular sobre as propriedades

de percolao de lquidos e gases nos concretos, atribudo relatado conectividade

das fissuras (RINGOT & BASCOUL, 2001).

3.6 Reatividade lcali-Agregado

Grandes construes tm sido afetadas pela reao lcali-agregado: barragens,

pontes, torres e pavimentos de aeroportos. A possibilidade de ocorrncia da

reatividade lcali-agregado est sendo investigada com o auxlio da microscopia. Em

alguns estudos, a microscopia usada como uma ferramenta de auxlio para

verificao da formao do gel expansivo em concretos produzidos com agregados

potencialmente reativos. Neste caso, mesmo os concretos que no apresentam

expanso, podem apresentar a formao do gel, verificado por meio de microscopia

eletrnica (VALDUGA, 2002). da microscopia.

Figura 9 - Presena de gel expansivo em agregados analisados em um MEV

(VALDUGA, 2002)

4 CONCLUSES

Os mtodos de anlise de imagens esto sendo cada vez mais usados para avaliar e

entender, de forma mais pertinente, o comportamento de concretos, argamassas e

pastas de cimento. Assim, permite assegurar que a associao entre as

propriedades e a estrutura do material seja suficientemente compreendida, e que o

seu comportamento seja previsto. As mudanas morfolgicas ocorridas durante o

processo de fabricao e de uso, e a estreita ligao entre a microestrutura e as

propriedades fsicas e mecnicas dos materiais podem ser melhor analisadas com o

uso destas tcnicas. Neste intuito, vrias tcnicas de observao microestrutural

esto sendo desenvolvidas e graas ao desenvolvimento de microscpios cada vez

mais potentes, e o rpido progresso da tecnologia de computadores e softwares, os

recursos para analisar os materiais base de cimento tm melhorado. Os trabalhos

baseados em anlise de imagem esto sendo publicados, o permite tornar a anlise

de imagem um recurso imprescindvel para o desenvolvimento da tecnologia do

concreto.

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