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Determinação do comportamento físico-mecânico de pastas de gesso.

M. I.S.C. Lima, I. M. Rodrigues, C. P. Brandão, R. F. Carvalho

Rua Aristides Novis, 02, Federação, CEP 40210 – 630

Departamento de Construções e Estruturas, Escola politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador – Ba.

[email protected]

RESUMO

A utilização das pastas de gesso na construção civil implica em uma grande geração de resíduos. Isso ocorre devido ao reduzido tempo útil de aplicação do material, que solidifica-se rapidamente. Nesse contexto, tem-se o objetivo de desenvolver uma matriz de gesso com tempo de pega estendido, e que apresente também comportamento mecânico satisfatório. Para isso foram estudadas experimentalmente pastas de gesso com diferentes relações água/sólido (0,40, 0,45 e 0,50) com e sem aditivo superplastificante do tipo policarboxilato. Realizaram-se os ensaios de tempo de pega, mini-slump, dureza e compressão. Na pasta que apresentou melhor comportamento físico-mecânico fez-se a caracterização reológica usando o reômetro rotacional. O melhor resultado foi obtido com a pasta de a/g 0,40 com adição de 1% de superplastificante. O tempo de fim de pega para essa pasta foi de 35 minutos e sua resistência à compressão 9,91MPa.

Palavras-chaves: gesso, comportamento físico-mecânico, reologia.

INTRODUÇÃO

O gesso comercial ou sulfato de cálcio hemidrato (CaSO4.1/2H2O) é obtido pela

calcinação do mineral gipsita. Apresenta propriedades aglomerantes, adquirindo

características ligantes e resistência após contato com água. É um material de fácil

moldagem, bom acabamento, boa aderência à alvenaria e concreto, produtividade

elevada, boas propriedades térmicas e acústicas e isolamento contra a propagação

de fogo.

A avaliação da propriedade reológica dos materiais permite caracterizá-lo no

estado fresco e estabelecer o comportamento adequado para cada tipo de

59º Congresso Brasileiro de Cerâmica17 a 20 de maio de 2015, Barra dos Coqueiros, Aracaju, SE

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aplicação. O acompanhamento da reologia serve como ferramenta para controle de

qualidade e desenvolvimento de novos produtos(1) A viscosidade relaciona-se com a

velocidade de deformação e também está relacionado com a consistência das

pastas diretamente, então quanto maior a viscosidade, maior a consistência. A

consistência tem influência da superfície específica, da relação água/aglomerante e

qualidade do aglomerante(2).

Os fluidos podem ser classificados como Newtonianos ou não - Newtonianos.

Quando um fluido apresenta uma relação linear saindo da origem entre a tensão e a

taxa de cisalhamento este é classificado como Newtoniano, sua viscosidade é

constante da razão entre a tensão cisalhante e a taxa de cisalhamento. O fluxo de

um fluido está relacionado com movimento de camadas adjacentes quando uma

força cisalhante é aplicada sobre ele(2). As curvas de tensão de cisalhamento (τ) em

função da taxa de cisalhamento (γ), conhecidas como curvas de fluxo permitem

definir o comportamento de fluidos, apresentado na Figura 1.

Figura 1- Curvas de fluxo de fluidos

Fonte: Adapatado de Nascimento (2008)

Existem fluidos em que a relação entre a taxa de cisalhamento e a tensão de

cisalhamento dependem do tempo e estes são os chamados fluidos tempo-

dependentes. Fluidos pseudoplásticos têm redução da viscosidade em função da

taxa de cisalhamento, acontece em polímeros fundidos, emulsões, suspensões e

dispersões. Fluidos dilatantes tem acréscimo da viscosidade com a taxa de

cisalhamento. Os materiais reopéticos, tem recomposição da estrutura mais rápido

do que o processo de destruição, com aumento da viscosidade com o tempo quando

submetidos a uma taxa de cisalhamento constante(1)(2) .


1252

O comportamento dos fluidos pseudoplásticos e dilatantes pode ser descrito

pelo modelo da lei das potências, onde a constante K é denominada de consistência

e o índice n uma medida do grau de “pseudoplasticidade” do fluido. Os fluidos

pseudoplásticos possuem valores de n < 1, já os fluidos dilatantes possuem n >1. Os

modelos de Bingham, Herschel – Bulkley e Casson levam em consideração um valor

de tensão crítica ou tensão de escoamento ou tensão de cedênca (τ0), que é o valor

mínimo de tensão para que ocorra o escoamento do material e abaixo desta tensão

de cedência, considera-se que o material possua viscosidade infinita. Para o modelo

de Herschel – Bulkley, tem-se a Equação A.

(A)

Onde, K é a consistência para este modelo e np é o índice de potência.

Na produção de componentes para a construção civil, é necessária uma

consistência fluida, com espalhamento em torno de 70 a 80 mm. Inicialmente, isso

implica no aumento da quantidade da água de amassamento, elevando a relação

a/g. Entretanto, o aumento da relação a/g pode reduzir significativamente a

resistência.

O tempo de secagem do hemidrato é denominado como seu tempo de pega.

Em geral, o tempo de pega do gesso é muito rápido, o que implica na grande

geração de resíduos, que não tendo um destino adequado podem causar impactos

ambientais como a sulfurização dos solos e a contaminação dos lençóis freáticos

quando o material é solubilizado. A redução de resíduos é uma alternativa bastante

válida para a redução desses problemas. E produzir pastas com um tempo de pega

estendido reduziria significativamente a geração de resíduos de gesso por

endurecimento durante a aplicação.

Com isso, torna-se essencial a utilização de outro material que melhore a

consistência e aumente o tempo de início de pega do gesso(3). Em geral, aditivos

modificam o processo de hidratação e as propriedades das superfícies dos cristais,

alterando o processo de nucleação, a cinética das reações de hidratação e

proporcionando uma formação diferenciada na morfologia, no tamanho, e no arranjo

dos cristais na forma hidratada(4)(5).

A ação dos aditivos plastificantes nas pastas de gesso depende da interação

do tipo de aditivo com o aglomerante. Alguns tipos de aditivos superplastificantes, à


1253

base de carboxilatos, são utilizados para aumentar a fluidez das pastas de gesso(6) .

A adição desse tipo de aditivo nas pastas de gesso altera o mecanismo de

hidratação do material, sendo quimicamente adsorvido na superfície dos grãos de

sulfato de cálcio hemi-hidratado, tornando mais lentos o processo de dissolução, a

formação dos pontos de nucleação, o crescimento dos cristais e o endurecimento da

pasta. Funcionam, portanto, como retardadores do tempo de pega(7)(4). A

incorporação de aditivo na pasta de gesso também pode gerar redução das

propriedades mecânicas devido à alteração na microestrutura do material(7).

O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento físico-mecânico de

pastas de gesso com diferentes fatores água/gesso e incorporação de aditivo a fim

de obter uma pasta com desempenho satisfatório para aplicação na construção civil

e estudar suas propriedades reológicas.

MATERIAIS E MÉTODOS

O gesso – β fornecido por empresa da região de Araripe, Pernambuco, foi

utilizado para o desenvolvimento das pastas. As características físicas do

aglomerante empregado constam na Tabela 1(8).

Tabela 1 - Propriedades físicas do gesso em pó

Valor Unidade Limite NBR

Módulo de Finura

1,33 - >1,1 (grosso) 12.127

Massa unitária 712,87 kg/m³ > 700 12.127

Massa específica

2,63 g/cm³ - NM 23

Área superficial 1,4170 m²/g - B.E.T. Fonte: O autor, 2015.

Utilizou-se um aditivo superplastificante de terceira geração, um líquido branco

turvo, livre de cloretos, cuja densidade varia entre 1,067 g/cm³ e 1,107 g/cm³.

No preparo da pasta é importante o controle adequado das etapas a fim de

garantir a qualidade do corpo de prova. As etapas de preparo são(9): mistura do

aditivo à água; polvilhamento do gesso em pó sobre a água durante 1 min; descanso

da mistura por 2 min; mistura dos materiais por 1 min. As análises na pasta foram

feitas para diferentes composições, conforme Tabela 2.


1254

Tabela 2 - Relação de pastas avaliadas.

Aditivo (%)

0,50 1,0 0,50 1,0 0,50 1,0

Fator a/g 0,40 0,45 0,50 Fonte: O autor, 2015.

MINI SLUMP E TEMPO DE PEGA

A consistência das pastas é uma propriedade que pode ser obtida por meio do

ensaio do mini slump, que permite a análise das condições de trabalhabilidade do

material por meio da sua fluidez através da determinação da deformação causada

na pasta de gesso pelo seu próprio peso. Utilizando um molde tronco – cônico com

dimensões definidas (bases de 2 e 4 cm e altura 6 cm) e uma placa de vidro sobre

papel milimetrado, faz-se o cálculo da fluidez da pasta pela medida do diâmetro de

espalhamento do material sobre a placa.

O início do tempo de pega ocorre quando a agulha de Vicat estaciona a 1 mm

da placa de vidro. A partir deste momento são feitas leituras até o instante em que a

agulha não deixe impressões na superfície das pastas – fim de pega(9). O tempo útil

para utilização da pasta é o intervalo decorrido entre o instante em que se iniciou a

pega e o instante em que se constatou o fim de pega da pasta.

DUREZA E COMPRESSÃO

A dureza superficial e resistência à compressão foram determinadas em corpos

de prova cúbicos com 50 mm de aresta(10) utilizando uma máquina de ensaio marca

Pavitest, com capacidade de 5 toneladas força.

REOMETRIA

A partir do comportamento reológico de argamassas explicado pelo modelo

bighamiano na curva de fluxo(2), pode-se fazer uma analogia com os parâmetros de

ajuste da curva torque versus velocidade de rotação, que são as grandezas medidas

ou controladas durante um ensaio reológico em cisalhamento simples num reômetro

rotacional. O valor de tensão de cisalhamento é obtido através de uma relação com

o torque e a taxa de cisalhamento é obtida por uma relação com a velocidade de


1255

rotação. Para materiais pseudoplásticos com limite de tensão de escoamento utiliza-

se a lei das potências combinada com o valor de tensão de cedência.

A utilização de reômetro para avaliar as propriedades reológicas de pasta de

fator a/g de 0,40 com 1% de aditivo foi importante para obtenção mais precisa de

respostas dos parâmetros reológicos. O equipamento utilizado nesse trabalho foi o

reômetro rotacional da marca Rheotest Medingen GmbH - RN 4.1 com torque

máximo de reômetro (150 mN.m), ilustrado na Figura 2.

Figura 2 - Reômetro Rotacional Fonte: O autor, 2015.

A análise reológica foi realizada por dois perfis. O primeiro perfil é denominado

patamar, em que a velocidade de rotação permanece constante em 80 rpm e 100

rpm em intervalo de 2 minutos e apresenta descidas até a velocidade de 0 rpm em

intervalos de 2 em 2 minutos, evidenciando a variação instantânea de velocidade

com o tempo. A Figura 3 ilustra o procedimento.

Figura 3 - Velocidade versus tempo. Tipo patamar. Fonte: O autor, 2015.


1256

O segundo perfil, denominado escada, foi empregado no intervalo de 5 minutos

de subida e 5 minutos de descida de velocidade para avaliar a influência da adição

do superplastificante no teor de 1% na reologia do material, com esse método é

possível avaliar a viscosidade e tensão de cedência, apresentado na Figura 9.

Figura 4 - Velocidade versus tempo. Tipo escada. Fonte: O autor, 2015.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados das propriedades físico-mecânicas das pastas de gesso nos

estados fresco e endurecido foram determinadas realizando-se ensaios de mini

slump, tempo de pega, dureza e compressão. Os parâmetros de consistência

superior a 10 cm(3) e tempo de início pega entre 20 e 30 minutos foram adotados.

Quanto à consistência, a quantidade de água nas pastas com adição de 0,5%

influenciou mais na fluidez da pasta que o aditivo. Já ao se aplicar 1% de aditivo, os

espalhamentos para os diferentes fatores água/gesso (a/g) foram similares,

podendo-se inferir que neste teor o aditivo apresentou maior influência no processo

de hidratação. Conforme dados apresentados na Tabela 3, apenas as pastas de

fator a/g 0,40 e 0,50 com 1% de aditivo atenderam à consistência mínima

estabelecida.

Observa-se que o aumento da quantidade de água e de aditivo provocam

proporcionalmente o aumento do tempo de endurecimento da pasta. Apenas as

pastas com 1% de aditivo atenderam ao tempo de pega determinado.


1257

Tabela 3- Dados dos ensaios com as pastas

Fator a/g

Aditivo (%)

Estado Fresco Estado Endurecido

Tempo de Pega Inicial

(min)

Tempo de Pega Final

(min)

Mini Slump (cm)

Dureza (N/mm²)

Compressão (MPa)

0,40

Ref. 6,30 11,30 0,00 93,40 18,97

0,5 8,43 10,50 3,90 31,02 8,89

1,0 27,92 35,00 11,70 39,76 9,91

0,45

Ref. 7,15 13,29 0,00 53,05 8,81

0,5 13,00 20,00 9,60 10,93 8,98

1 25,00 50,00 9,10 14,03 10,73

0,5

Ref. 7,12 15,56 0,00 38,1 9,03

0,5 20,00 30,00 13,77 7,60 6,64

1 35,00 47,00 11,10 10,33 7,41 Fonte: O autor, 2015.

O aditivo provocou uma significativa redução da dureza e da resistência à

compressão do material. Como pode-se observar na Figura 5, somente as pastas

referência e as de fator a/g 0,40 com aditivo atenderam à dureza mínima de

30N/mm²(10). Quanto à compressão mínima, apenas as pastas de fator a/g 0,50 com

aditivo não alcançaram o valor mínimo de 8,4MPa(10).

(a) (b) Figura 5 - Dureza versus % Aditivo Resistência à compressão versus % aditvo

Fonte: O autor (2015)

Dentre as pastas com fluidez e tempo de pega satisfatórios, a composição

selecionada foi a pasta de fator a/g 0,40 e 1,0% de aditivo por apresentar o melhor

desempenho físico-mecânico, apresentando 39,76N/mm² de dureza e 9,91MPa de

resistência à compressão. Após essa definição, para melhor compreender o

0

15

30

45

60

75

90

105

0 0,5 1,0

Du

reza

(N

/mm

²)

%Aditivo

0,4

0,45

0,5

0

4

8

12

16

20

0 0,5 1,0

Resis

tên

cia

à

co

mp

ressão

(M

Pa)

% Aditivo

0,4

0,45

0,5


1258

comportamento reológico dessa pasta selecionada realizou-se o ensaio de

reometria, obtendo-se as análises conforme Figura 6.

Figura 6 - Curvas Torque versus tempo Fonte: O autor, 2015.

É possível observar que no início de cada ciclo para as velocidades de 80 rpm

e 100 rpm houve um pico inicial no torque em 35 mN.m e 25 mN.m, e em seguida,

esse torque foi levemente reduzido a cada ciclo. Esse comportamento indica uma

energia maior para desorganizar os pontos de nucleação que iniciaram formação

nas velocidades mais baixas, próximas a zero. É possível inferir que existe uma

rápida formação de cristais durante o tempo de repouso do sistema, já que em

velocidade de 100 rpm a energia para quebra da inércia é inferior à obtida na

velocidade de 80 rpm, em que a rotação baixa, há mais dificuldade de iniciar o ciclo.

Na Figura 7, é possível verificar que a área formada pela curva de histerese

indica a energia necessária para destruição da estrutura dos cristais da pasta e uma

maior velocidade de rotação gera menor área encerrada pela curva(2) . Essa região

tende a diminuir com o aumento da velocidade, pode-se observar a ocorrência do

comportamento oposto, a região de histerese indica maior viscosidade. A curva de

subida da velocidade de 80 rpm apresentou torque superior à curva de subida de

100 rpm, o que pode indicar a maior resistência para destruição da estrutura. A

curva de retorno da velocidade máxima até zero foi superior a curva de crescimento

de velocidade em ambas as pastas que tiveram comportamento semelhante.


1259

Figura 7 - Curva de fluxo com histerese da pasta gesso 1% Fonte: O autor, 2015.

Mediante o modelo de fluidos pseudoplásticos com tensão de cedência

conforme método de Herschel – Bulkley aplicado aos fluxos nos momentos de

desaceleração do reômetro, apresentado na Figura 8, foi possível determinar por

analogia os parâmetros proporcionais à tensão de escoamento de 7mN.m e 18

mN.m para as velocidades de 80 e 100 rpm respectivamente, a partir do início da

curva , e o parâmetro de consistência K aumentou com a velocidade, este parâmetro

é relacionado à viscosidade, obtido a partir do coeficiente da curva de ajuste por

potência com np < 1, que confirma o índice pseudoplástico do material.

Figura 8 - Curva Torque versus Velocidade de retorno da pasta de gesso 1%. Fonte: O autor, 2015.


1260

CONCLUSÕES

O aditivo adotado serviu como retardador do tempo de pega das pastas de

gesso estudadas e aumentou a fluidez das mesmas. Este comportamento ocorreu

proporcionalmente com a quantidade de aditivo usada. No entanto, sua presença

reduziu a dureza e resistência à compressão das mesmas.

Dentre as pastas que tiveram tempo de pega e consistência dentro dos

parâmetros definidos, a que apresentou dureza e resistência à compressão

satisfatórias foi a composição com fator a/g 0,40 e 1% de aditivo. A resistência de

9,91MPa dessa pasta se deve em grande parte pela menor quantidade de água

presente na mistura e a maior fluidez e tempo de trabalho ocorreram em função da

utilização do superplastificante.

Com a análise da curva de fluxo da pasta fator a/g 0,40 e 1% de aditivo, fez-

se analogia com o modelo de Herschel – Bulkley aplicado aos fluxos nos momentos

de desaceleração do reômetro e foi possível confirmar a pseudoplasticidade com

limite de tensão de cedência do gesso, que tem aumento da viscosidade

dependente do tempo em regime reopético.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CAPES, CNPQ, PNAES (Plano Nacional de Assistência Estudantil) - UFBA pelas bolsas dos pesquisadores e às empresas BASF S/A e MAxGesso do Brasil pelo fornecimento de materiais utilizados na pesquisa.

REFERÊNCIAS

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(4) SONG, K.M.; MITCHELL, J.; JAFFEL, H.; GLADDEN, L.F. Simultaneous monitoring of hydration kinetics, microstructural evolution, and surface interactions in hydrating gypsum plaster in the presence of additives. J Mater Sci, vol. 45, 2010. p. 5282–5290. DOI 10.1007/s10853-010-4572-7


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(7) SINGH N. B.; MIDDENDORF, B. Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization. Progress in crystal growth and characterization of material. Ed. 53, 57 -77p, 2007

(8) ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12127 (MB-3468): Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas do pó. Rio de Janeiro. 1991a.

(9) ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12128 (MB-3469): Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas da pasta. Rio de Janeiro. 1991.

(10) ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12129 (MB-3470): Gesso Para Construção - Determinação das propriedades mecânicas. Rio de Janeiro. 1991.

Determination of physical and mechanical behavior of plaster folders

ABSTRACT

The use of gypsum binders in construction implies a great waste generation. In this context, it has been the aim to develop a gypsum matrix having extended setting time, and which also present satisfactory mechanical behavior. For that were studied experimentally plaster folders with different relationships water / solid (0.40, 0.45 and 0.50) with and without superplasticizer polycarboxylate type. There were the setting time tests, mini-slump, hardness and compression. In the folder that showed better physical and mechanical behavior became the rheological characterization using the rheometer. O melhor resultado foi obtido com a pasta de a/g 0,40 com adição de 1% de superplastificante. O tempo de fim de pega para essa pasta foi de 35 minutos e sua resistência à compressão 9,91MPa. Keywords: plaster, physical-mechanical behavior, rheology.


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