ESTUDO DO EFEITO DE MODIFICADORES DE PEGA NO PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO E NA MICROESTRUTURA DO GESSO

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1 Evolvere Scientia, V. 3, N. 1, 2014 ARTIGO ESTUDO DO EFEITO DE MODIFICADORES DE PEGA NO PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO E NA MICROESTRUTURA DO GESSO Guilherme M. Farias 1*, Andréa de V. Ferraz 1, Ana L. M. de Souza 1 e Pollyana G. da Costa 1 1 Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro, BA, Brasil. * guilhermemoreirafarias@gmail.com Resumo: O presente trabalho trata do estudo do efeito provocado por modificadores de pega no processo de cristalização do gesso e em sua microestrutura. Para realizar a caracterização da hidratação do hemidrato, foi utilizada uma metodologia proposta por Ferraz et al. (2009), que se baseia na medição de transmitância óptica de uma amostra de gesso ao longo do tempo. Os resultados obtidos permitiram constatar que o aumento da razão água/gesso utilizada no preparo das amostras gera cristais maiores e reduz a resistência mecânica do material, enquanto a adição de sulfato de potássio ao hemidrato, além de acelerar a reação de hidratação, aumenta o entrelaçamento dos cristais de gesso e, consequentemente, a resistência mecânica da rede cristalina. Palavras-chave: gesso, cristalização, transmitância óptica, resistência mecânica. Abstract: The present piece is about the effect caused by setting time modifiers in the crystallization process of the plaster and in its microstructure. To perform the characterization of the hemihydrate hydration, it was used a methodology proposed by Ferraz et al. (2009), which is based on the optical transmittance measurement of a plaster sample over time. The results showed that the increase of water/plaster ratio used at the preparation of the samples create bigger crystals and decreases the strength of the material, while the addition of potassium sulfate to the hemihydrate accelerate the hydration reaction and increase the interlacing of the plaster crystals and, consequently, the strength of the crystalline network. Keywords: plaster, crystallization, optical transmittance, strength. 107

2 INTRODUÇÃO O gesso, hemidrato ou sulfato de cálcio hemidratado (CaSO 4.0,5H 2 O) é obtido a partir da gipsita, também conhecida como dihidrato ou sulfato de cálcio dihidratado (CaSO 4.2H 2 O). O processo usual pelo qual a gipsita é transformada em gesso é chamado de calcinação, e consiste em submeter esse mineral a uma temperatura na faixa de 125 C a 180 C (BALTAR et al., 2005). Após a calcinação, o sulfato de cálcio dihidratado perde água e se transforma em hemidrato, um material extremamente higroscópico, que quando colocado em contato com água reage quimicamente dando origem novamente ao dihidrato, como mostra Equação (1): CaSO 4.0,5H 2 O 1,5H 2 O CaSO 4.2H 2 O (1) A Equação (1) representa a reação de hidratação do hemidrato (SINGH e MIDDENDORF, 2007); ela mostra que esse é um processo exotérmico, pois nele ocorre liberação de calor. Segundo Hincapie e Cincotto em trabalho desenvolvido em 1997, o mecanismo de hidratação pode ser explicado pela teoria da cristalização, que divide a reação em três etapas: Fenômeno químico da dissolução: ao serem misturados à água os cristais de hemidrato se dissolvem dando origem a uma solução saturada de íons Ca 2+ e SO 2-4 ; Fenômeno físico da cristalização: depois que a solução fica supersaturada em relação ao dihidrato os cristais desse sal precipitam na forma de agulhas; Fenômeno mecânico do endurecimento: com o aumento da concentração dos cristais de dihidrato ocorre o endurecimento da pasta. O processo de cristalização do gesso pode ser caracterizado quanto ao início e final de pega. Nesta divisão, o início de pega ocorre no instante em que a mistura água/gesso (pasta de gesso) adquire consistência plástica a ponto de ser trabalhada/moldada, e o final de pega é o momento em que a pasta atinge sua máxima resistência mecânica (ANTUNES e JOHN, 2000), não podendo mais ser trabalhada ou moldada. A diferença entre o início e o final de pega, ou seja, o intervalo de tempo em que a pasta de gesso possui consistência adequada para sua utilização, é chamado de tempo de trabalhabilidade (SCHMITZ e TAVARES, 2009). Os tempos de pega e o de trabalhabilidade da pasta de gesso dependem de vários fatores, tais como, relação água/gesso, temperatura e tempo de calcinação da gipsita, temperatura da água utilizada na preparação da pasta, temperatura do ambiente no momento da preparação da pasta, tamanho das partículas de hemidrato, procedimento de mistura e presença e concentração de aditivos e impurezas. Atualmente existem diversas técnicas utilizadas para caracterizar o processo de cristalização do gesso, sendo que as mais 108

3 comumente encontradas na literatura são, a NBR (ABNT, 1991), a norma alemã DIN 1168 (1975) (ANTUNES, 1999) e os testes calorimétricos e de monitoramento de resistividade e/ou condutividade (LEWRY; WILLIAMSON, 1994). Cada uma das técnicas citadas é detalhada logo abaixo: Norma alemã DIN 1168: após o preparo de uma amostra cilíndrica de gesso com 0,5 cm de espessura e 10 cm de diâmetro, são feitos cortes na pasta e observa-se o instante em que esses cortes não mais se fecham, momento que corresponde ao início de pega. Na sequência, o avaliador deve pressionar seu dedo sobre a amostra e, quando verificar que sua impressão digital não mais aparece no material, é marcado o final da pega (ANTUNES, 1999). Essa norma é largamente utilizada em indústrias de todo o mundo devido à sua facilidade de execução, entretanto ela apresenta uma grande imprecisão, pois é muito dependente da subjetividade do operador na interpretação dos resultados. Outra desvantagem é o fato de utilizar um procedimento invasivo para realizar a caracterização do material; NBR 12128: primeiramente, deve ser mensurada uma quantidade de, no mínimo, 3 kg de gesso, e passá-la por uma peneira de 2 mm com o auxílio de um pincel. Na sequência, deve ser realizado o teste de consistência normal (TCN) para determinar a relação água/gesso adequada a ser utilizada no teste do tempo de pega. Após a execução do TCN deve-se preparar uma nova amostra, utilizando a relação água/gesso encontrada, e seguindo o procedimento de preparo descrito pela norma, que consiste em: (i) pesar uma determinada massa de gesso; (ii) polvilhar esse pó em um recipiente com água por 1 minuto; (iii) deixar a pasta em repouso por 2 minutos e (iv) misturar por 1 minuto realizando movimentos circulares com duração de aproximadamente 1 segundo. Depois que a amostra for preparada, ela será colocada em um molde com formato de tronco de cone e o operador deverá deixar a agulha vicat penetrar na mesma. Quando a agulha estacionar a 1 mm da base do molde, é marcado o início de pega, e no instante em que a agulha não mais penetrar na pasta, deixando apenas uma leve impressão sobre ela, é caracterizado o final de pega (ABNT, 1991). Esta norma constitui uma metodologia trabalhosa, pois exige do operador o conhecimento prévio da norma NBR 5734 e necessita da realização de um teste de consistência normal antes do teste de pega. Ela também é uma técnica invasiva e, além disso, seus resultados diferem dos obtidos pelas técnicas DIN e de calorimetria, pois, por esta técnica, o início de pega é sempre marcado antes e o final de pega é sempre marcado depois em comparação com as outras duas (ANTUNES e JOHN, 2000); Testes calorimétricos: nesta técnica, a amostra, após o preparo, deve ser acomodada em um recipiente hermético (calorimetria adiabática) ou semi-hermético (calorimetria pseudoadiabática) (HINCAPIE; CINCOTTO, 1997), de modo que a variação d sua temperatura seja monitorada ao longo do 109

4 tempo, pois como visto anteriormente, a hidratação do gesso é um processo exotérmico. Após o término da reação uma curva calorimétrica é obtida, sendo que, por ela, o início de pega é o instante em que a velocidade de incremento de temperatura se torna maior que 0,1 C.min -1, e o final de pega é o momento em que a temperatura máxima é atingida (RIDGE, 1959). Essa técnica possui duas desvantagens principais: (i) necessita da utilização de um ambiente hermético ou pseudo-hermético (HINCAPIE; CINCOTTO, 1997) e (ii) também é uma técnica invasiva; Monitoramento de resistividade e/ou condutividade: essa metodologia usa equipamentos específicos para medição de resistência ou condutividade, como por exemplo, o condutivímetro Metrohm 660 usado por Badens et al. em trabalho realizado em Esta técnica também gera uma curva, mas não existe ainda uma definição de quais são os instantes correspondentes ao início e ao final de pega. Ela também é invasiva e costuma ser onerosa em comparação com as demais. Ferraz et al. em trabalho desenvolvido em 2009, propuseram uma metodologia inovadora para caracterizar a hidratação do hemidrato. Nessa nova técnica a amostra, após o preparo, deve ser colocada em um recipiente circular de vidro e, em seguida, inserida numa caixa de medição, na qual radiação óptica de intensidade constante incide sobre a mesma. Conforme a cristalização do gesso evolui, a intensidade do sinal óptico que atravessa a pasta, ou seja, sua transmitância óptica se altera. O acompanhamento desse fenômeno ao longo do tempo dá origem a uma curva característica de transmitância. Essa nova metodologia se mostrou reprodutível e facilmente utilizável, além de apresentar baixo custo de montagem, não ser invasiva e proporcionar um processo de coleta de dados automatizado. Diante de tantas boas qualidades, o presente trabalho trouxe a proposta de utilizar essa nova técnica, chamada de SATEG (Sistema de Avaliação do Tempo de Enrijecimento do Gesso), para estudar os efeitos provocados por modificadores de pega no processo de cristalização e na microestrutura do gesso. Para tanto, primeiramente foram estudados os efeitos causados pela variação da quantidade de água utilizada no preparo da amostra e, em seguida, foi observado o efeito da utilização de um aditivo acelerador de pega, o sulfato de potássio (K 2 SO 4 ), em diferentes concentrações. MATERIAIS E MÉTODOS O estudo da hidratação do hemidrato foi realizado utilizando o equipamento desenvolvido por Ferraz et al. (2009), o SATEG. Para ajudar a explicar os resultados obtidos pela análise de transmitância óptica, foram realizadas algumas micrografias, testes de resistência mecânica à compressão e cálculos de densidade e porosidade geométrica. Para obtenção das micrografias foi utilizado um Microscópio Eletrônico de Varredura JEOL JSM 5900, e para execução dos testes de resistência mecânica foi utilizada uma 110

5 Máquina Universal de Ensaios DL da EMIC. O procedimento utilizado no preparo de todas as amostras foi o sugerido pela NBR (ABNT, 1991). RESULTADOS E DISCUSSÕES Durante a realização dos primeiros testes foram observadas alterações nas curvas de transmitância óptica de amostras preparadas utilizando-se os mesmos parâmetros (razão água/gesso e concentração de aditivos). Através de observações experimentais foi constatado que tais alterações estavam sendo provocadas pela variação do teor de umidade no pó de hemidrato utilizado na preparação das pastas. Para mitigar os efeitos oriundos da absorção de umidade pelo gesso, um procedimento de desidratação foi adotado, consistindo em: Desidratar o gesso na estufa durante 8 horas a uma temperatura de 100 C; Armazenar o pó desidratado em dessecador sob vácuo até o momento da preparação da amostra. A eficácia do procedimento de desidratação pode ser verificada através da análise da Figura 1, que mostra os resultados obtidos para os monitoramentos de transmitância óptica de duas amostras de gesso, uma submetida ao procedimento de desidratação (curva vermelha) e a outra não (curva preta). Parâmetro de transmitância 5000 Curva A: gesso não desidratado Curva B: gesso desidratado 4500 Curva B Curva A Tempo (min) Figura 1 Comparação entre os resultados obtidos para análise de transmitância óptica antes e depois da adoção do procedimento de desidratação do hemidrato A análise da Figura 1 mostra que a absorção de humidade pelo hemidrato tanto acelera o processo de hidratação, quanto modifica a forma da curva de transmitância óptica. Essa mudança no formato da curva de transmitância óptica provavelmente está relacionada com alterações na morfologia/organização dos cristais de dihidrato e, consequentemente, nas propriedades mecânicas do material. A adoção do procedimento de desidratação tornou os resultados mais reprodutíveis, possibilitando a obtenção de curvas muito semelhantes para amostras preparadas com o mesmos parâmetros, como mostra a Figura 2, que traz três curvas de transmitância óptica obtidas para pastas de gesso preparadas utilizando razão água/gesso igual a 0,8. 111

6 Parâmetro de transmitância Tempo (min) Figura 2 Curvas de transmitância óptica obtidas para três amostras de gesso puro contendo razão água/gesso 0,8 Uma vez que a interferência causada devido à absorção de umidade pelo hemidrato foi mitigada, deu-se início a etapa de caracterização do processo de cristalização do gesso. Primeiramente foram obtidas as curvas de transmitância óptica para pastas de gesso contendo diferentes razões água/gesso, como mostra a Figura 3. A análise da Figura 3 mostra que ocorreram alterações tanto na duração do processo quanto no formato da curva. Com o intuito de investigar se as mudanças na forma da curva estavam relacionadas com alterações na morfologia do material, foram realizadas micrografias em amostras de dihidrato preparadas com diferentes razões água/gesso. Além disso, foram feitos testes de resistência mecânica à compressão e cálculos de densidade e porosidade geométrica em corpos de prova confeccionados utilizando as mesmas razões água/gesso. Os resultados das micrografias podem ser observados nas Figuras 4, 5 e 6. Parâmetro de transmitância Razao AG = 0,9 Razao AG = 0,8 Razao AG = 0,7 Razao AG = 0,6 Razao AG = 0,5 Figura 4 Microscopia eletrônica de varredura realizada em amostra de gesso puro com relação água/gesso 0, Tempo (min) Figura 3 Curvas de transmitância óptica obtidas para amostras de gesso puro contendo diferentes razões água/gesso 112

7 observações foram comprovadas através da determinação da densidade e porosidade geométrica (Figuras 7 e 8). 1,25 1,20 1,15 Figura 5 Microscopia eletrônica de varredura realizada em amostra de gesso puro com razão água/gesso 0,5 Densidade (Kg/m³) 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Razão água/gesso Figura 7 Densidade de amostras de gesso preparadas com diferentes razões água/gesso 0,0070 0,0068 0,0066 Porosidade (%) 0,0064 0,0062 0,0060 0,0058 0,0056 Figura 6 Microscopia eletrônica de varredura realizada em amostra de gesso puro com razão água/gesso 0,9 0,0054 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Razão água/gesso Figura 8 Porosidade de amostras de gesso preparadas com diferentes razões água/gesso A análise das Figuras 4 a 6 mostra a estrutura cristalina, composta por cristais desorganizados, do dihidrato. Pode-se observar que o aumento da relação água/gesso torna os cristais mais largos. Consequentemente, os espaços vazios (poros) existentes no material também aumentam de dimensões, o que contribui para a elevação da porosidade e redução a densidade do material. Essas Da mesma forma, o aumento da razão água/gesso deve diminuir a resistência à compressão do material, pois o aumento dos poros facilita o deslizamento dos cristais quando estes são submetidos a uma carga mecânica. Este resultado pode ser observado no gráfico da Figura

8 aumentarem a solubilidade do hemidrato, Tensão máxima (MPa) ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Razão água/gesso Figura 9 Resistência à compressão de amostras de gesso preparadas com diferentes razões água/gesso antecipando o início da hidratação e elevando a taxa de formação dos cristais (ANTUNES e JOHN, 2000). Neste caso, porém, o formato da curva praticamente não se alterou, tendo sido observado apenas o aceleramento do processo com o aumento da quantidade de sulfato. Logo, a morfologia do material não deve ter sido alterada consideravelmente, o que é comprovado pela Figura 11, que mostra a microscopia de uma amostra de gesso preparada com razão água/gesso 0,7 e relação sulfato de potássio/gesso de 0,005. Após a conclusão da primeira etapa do trabalho, partiu-se para o estudo dos efeitos da adição de aceleradores de pega ao gesso. A Figura 10 mostra os resultados para amostra preparadas com cinco diferentes concentrações de sulfato de potássio Parâmetro de transmitância Puro 0,1% 0,3% 0,5% 1% Tempo (min) Figura 10 Curvas de transmitância óptica obtidas para amostras de gesso contendo diferentes concentrações de sulfato de potássio Como era esperado, o aumento da concentração de sulfato de potássio acelerou a reação de hidratação do gesso. Isso se deve ao fato dos aditivos aceleradores de pega Figura 11 Microscopia eletrônica de varredura realizada em amostra de gesso com razão água/gesso 0,7 e concentração de sulfato de potássio de 0,5% A Figura 11 mostra que a adição de 0,5% de sulfato de potássio ao gesso praticamente não modificou sua morfologia, sendo que a principal alteração observada foi o aumento no entrelaçamento dos cristais, provocado pela elevação da velocidade de hidratação, o que contribui para o aumento da resistência 114

9 mecânica do material, como mostra a Figura K 2 SO 4 ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas: Gesso para construção civil: determinação das propriedades físicas da pasta - NBR Rio de Janeiro, Tensão máxima (MPa) Nenhum GESSO PURO Aditivo utilizado K2SO4 Figura 12 Resistência à compressão de amostras com razão água/gesso 0,7 e diferentes concentrações de sulfato de potássio CONSIDERAÇÕES FINAIS ANTUNES, R. P. N.: Estudo da influência da cal hidratada nas pastas de gesso f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Construção Civil) - Departamento de Engenharia de Construção Civil, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, ANTUNES, R. P. N.; JOHN, V. M. O conceito de tempo útil das pastas de gesso. São Paulo: (Boletim técnico) ISBN Diante do que foi apresentado, pode-se concluir que o aumento da razão água/gesso utilizada no preparo das amostras gerou uma rede cristalina com cristais maiores e menos resistente mecanicamente, devido ao aumento da porosidade do material. Por outro lado, a adição de sulfato de potássio (acelerador de pega), além de acelerar a reação de hidratação aumentou o entrelaçamento dos cristais de gesso e, consequentemente, a resistência mecânica da rede cristalina. Portanto, tanto a razão água/gesso, quanto a concentração de aditivos modificadores de pega, podem ser variados, com o intuito de modificar o tempo de pega da pasta, às custas de alterações nas propriedades físicas e mecânicas do dihidrato. BADENS, E.; VEESLER, S; BOISTELLE, R: Crystallization of gypsum form hemihydrate in presence of additives. Journal of Crystal Growth, Marseille, v. 198/199, p , BALTAR, C. A. M.; BASTOS, F. F.; LUZ, A. B. Gipsita. In: BALTAR, C. A. M.; BASTOS, F. F.; LUZ, A. B.: Rochas e Minerais Industriais: usos e especificações. Rio de Janeiro: p , FERRAZ, A. V.; COÊLHO, I. J. S.; RAMOS, R. P.; PRATES, R. M.; FARIAS, G. M: An optical setup for monitoring the gypsum hardening-time. In: XI International REFERÊNCIAS 115

10 Conference on Advanced Materials, Rio de Janeiro, HINCAPIE, A. M.; CINCOTTO, M. A.: Efeito de retardadores de pega no mecanismo de hidratação do gesso de construção. Ambient. Constr., São Paulo, v. 1, n. 2, p , JUL/DEZ LEWRY, A. J.; WILLIAMSON, J.: The setting of gypsum plaster - Part I: The hydration of calcium sulfhate hemidrate. Journal of Materials Science, v. 29, p , RIDGE, M. J.: Effect of temperature on the rate of setting of gypsum plaster. Nature, v. 184, p , SCHMITZ, I. B. T. A.; TAVARES, Y. V. P.: Estudo do desempenho da pasta de gesso com adição de seu resíduo como revestimento interno de paredes. In: VIII Simpósio Brasileiro de Tecnologia das Argamassas, Curitiba, SINGH, N. B.; MIDDENDORF, B.: Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization. Progress in Crystal and Characterization of Materials, v. 53, p ,