A INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS DO CIMENTO BRANCO NO COMPORTAMENTO DE PASTAS E ARGAMASSAS DE PROJEÇÃO

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1 A INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS DO CIMENTO BRANCO NO COMPORTAMENTO DE PASTAS E ARGAMASSAS DE PROJEÇÃO Carlos E. Carbone (1), Roberto Cesar de Oliveira Romano(2), Vanderley Moacyr John(2), Rafael Giuliano Pileggi(2) (1) Artspray Engenharia Ltda. Rua Manoel Alves Garcia, 130 Jandira SP, carbone@artspray.com.br (2) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Avenida Professor Almeida Prado, trav.2, n.º 83, , São Paulo(SP) cesar.romano@poli.usp.br, vanderley.john@poli.usp.br, rafael.pileggi@poli.usp.br RESUMO As argamassas decorativas tradicionais executadas manualmente passaram recentemente a ser projetadas. O cimento branco é largamente utilizado em sua formulação devido, principalmente, à sua coloração. Além disso, esses cimentos apresentam papel preponderante no desempenho das argamassas tanto no estado fresco quanto no estado endurecido. Por isso, a seleção ou a substituição do cimento branco de um determinado fabricante por outro, pode afetar diretamente as propriedades do produto final, quer no estado fresco, particularmente na projeção, quer no estado endurecido. Assim, neste estudo foram analisadas três marcas de cimento Portland branco disponíveis no mercado brasileiro, sendo uma de fabricação nacional e os outros dois importados. Os dados obtidos nas caracterizações no pó, na pasta e na argamassa demonstraram forte correlação entre as propriedades, ajudando, desta forma, a previsão de desempenho dos produtos. Palavras-chave: propriedades físicas, químicas e mecânicas, cimento branco, reologia.

2 2 ABSTRACT THE INFLUENCE OF WHITE CEMENT PROPERTIES ON PROJECTION PLASTER BEHAVIOR White cement is one of the most important ingredients of decorative plaster for facades when the goal is the final color. Besides, those cements can influence the properties in fresh and hardened states. Thus, the right selection or a replacement of a cement brand for another might directly affect the final plaster properties. In this article, three different cements brands available in the Brazilian market were analyzed; one is locally produced and the other two are imported. Studies in powder, paste and plaster showed strong properties correlation, so it may help to predict and control the final plaster performance. Keywords: white cement, rheology, mechanical, physical and chemical properties. INTRODUÇÃO É amplamente conhecido que as características do cimento Portland exercem influência nas propriedades das argamassas de revestimento convencionais, tanto no estado fresco quanto endurecido. Da mesma forma, o cimento branco também o faz quando utilizado no preparo de argamassas de revestimento decorativas e de rejuntamento de placas cerâmicas. Quando são utilizados nas formulações, os cimentos são, sem dúvida, os materiais que mais interferem nas propriedades das argamassas no estado endurecido (1), como, resistência mecânica e módulo de elasticidade, devido à sua capacidade aglomerante. Todavia, suas características também podem influir nas propriedades no estado fresco das argamassas como viscosidade, tensão de escoamento, energia de mistura, entre outras. Além disso, na grande maioria dos casos, as alterações geradas nas propriedades reológicas se refletem diretamente no estado endurecido.

3 3 Assim, é indispensável a utilização de técnicas de caracterização reológica adequadas para se fazer uma correta avaliação das características no estado fresco e se relacionar com o estado endurecido, para se obter melhor aplicação e desempenho durante o uso do revestimento de argamassas. Muitas vezes, quando as argamassas apresentam adequado projeto granulométrico, as características observadas nas pastas, tanto no estado fresco quanto endurecido, podem ser refletidas nas propriedades das argamassas. É por isso que neste trabalho foram realizadas avaliações reológicas e no estado endurecido de três pastas e três argamassas, formuladas com diferentes marcas de cimentos brancos, disponíveis no mercado brasileiro, sendo um de fabricação nacional e dois importados, visando correlacionar as propriedades observadas nos cimentos, com as propriedades das pastas e das argamassas. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, três argamassas formuladas para aplicação como revestimento, aplicadas por projeção, foram avaliadas variando-se o cimento branco utilizado na formulação. Além disso, foram também caracterizadas as propriedades das pastas compostas pelos três cimentos. Os materiais e os métodos de ensaio utilizados são apresentados a seguir. Materiais As argamassas foram formuladas com três cimentos comercializados no Brasil, sendo um nacional e dois importados, com as densidades reais (obtidas por picnometria de gás He) e áreas superficiais específicas (obtidas pelo método de BET) descritas na Tabela 1. Tabela 1 Propriedades físicas dos cimentos utilizados no estudo. Cimento Densidade Real (g/cm³) Área Superficial Específica (m²/g) Cim A 2,99 ± 0,023 1,42 Cim B 2,96 ± 0,018 1,01 Cim C 3,03 ± 0,014 1,37

4 4 As pastas foram misturadas com relação a/c de 0,40, e curadas por sete dias ao ambiente para avaliação da resistência mecânica. Todas as argamassas foram formuladas com a mesma distribuição granulométrica de agregados e processadas com relação água/sólidos, visando avaliar somente os efeitos da variação do cimento na composição. A distribuição granulométrica das argamassas são apresentadas na Figura 1. 7 Distribuição Discreta Cim A Cim B Cim C Distribuição Acumulada (%) ,01 0, Diâmetro (μm) Cim A 80 Cim B 70 Cim C ,01 0, Diâmetro (μm) Figura 1 Distribuições granulométricas dos cimentos brancos.

5 5 Métodos de Ensaio Os pós secos, as pastas e as argamassas, nos estados fresco e endurecido, foram caracterizados tanto com ensaios descritos em norma técnica (NBR (2) ) quanto com ensaios não normalizados. Os métodos de ensaio utilizados, bem como os equipamentos, são descritos na Tabela 2. Tabela 2 Ensaios utilizados na caracterização dos pós, pastas e argamassas. Parâmetro Ensaio Equipamento Norma Brasileira Brancura Brancura Colorímetro NBR Tempo de Pega Tempo de Pega Agulha de Vicat, ELE NBR CO 2 / CaCO 3 * R CD Viscosidade aparente Tensão de Escoamento Termogravimetria Resistência à tração na compressão diametral Reometria de pastas Reometria de pastas Energia de Mistura e Reometria de argamassas Ciclo de cisalhamento * Ensaio facultativo segundo a norma técnica NBR Termobalança, Netzsch STA 409PG Instron 5569 Reômetro AR 550, TA Instruments Reômetro AR 550, TA Instruments Reômetro para argamassas e concretos NBR Não normalizado Não normalizado Não Normalizado Não Normalizado RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterizações do Pó e da Pasta Brancura e Resíduo na peneira # 325 Os ensaios realizados de colorimetria e granulometria mostraram que os três cimentos atenderam aos limites da Norma Brasileira, conforme mostra a Tabela 3. O cimento representado por Cim C, apesar de estar dentro dos limites permitidos por norma, apresentou brancura menor que os demais. Esse fato pode alterar a coloração final dos revestimentos e rejuntamentos. Tempo de Início de Pega Os ensaios realizados com o Aparelho de Vicat mostraram que todos os cimentos atenderam aos limites estabelecidos na Norma Brasileira, conforme

6 6 apresentado na Tabela 3. Cabe ressaltar que as amostras Cim A e Cim C estão excessivamente acima do limite de 1:00 hora, o que para argamassas de revestimento em fachadas não é recomendável, haja vista as severas condições de aplicação e secagem (substrato quente, ventos, chuvas, etc). CO 2 Anidrido Carbônico A análise termogravimétrica (TG) foi aplicada às três amostras de cimento, onde foi dada atenção especial à perda de massa a partir dos 600º C, por representar, nesta faixa de temperatura, a perda de massa referente à decomposição do carbonato de cálcio, conforme mostram os dados da Tabela 3 (2). Tabela 3 Resultados de Brancura, Resíduo # 325, Início de Pega e CO 2, com os limites estabelecidos na NBR Amostras Brancura Resíduo # 325 Início de Pega CO 2 L (%) (%) (h:min) (%) Cim A 93,36 6,63 02:45 1,64 Cim B 92,68 2,42 01:45 0,55 Cim C 90,74 0,75 03:00 8,71 Limites da Norma 78,00 12,00 01:00 11,00 A perda de massa de CO 2 representa a decomposição do carbonato de cálcio conforme a equação A. CaCO3 = M CaCO3 / M CO2 x CO 2 = 100/44 x CO 2 = 2,27 CO 2 (A) onde: CaCO 3 é o teor de carbonato de cálcio (%); M CaCO3 é a massa molecular do carbonato de cálcio (100 g/mol); M CO2 é a massa molecular do anidrido carbônico (44 g/mol); CO 2 é a perda de massa referente a decomposição do anidrido carbônico (%). O fator de transformação 2,27 aplicado aos resultados da Tabela 3 resulta nos teores de carbonato de cálcio ilustrados na Figura 2.

7 7 Teor de CaCO 3 (%) ,8 3,7 1,2 Cim A Cim B Cim C Figura 2 CaCO 3 nas três amostras de cimentos Conforme os dados da Tabela 3, a norma brasileira para cimentos brancos admite até 11% de anidrido carbônico (CO 2 ). Apesar da amostra Cim C estar abaixo do limite da norma, seu valor de 8,7% indica a presença de 19,8% de carbonato de cálcio o que é muito mais alto que os 3,7% do Cim A e dos 1,2% do Cim B. Caracterização Reológica A caracterização reológica das pastas com diferentes cimentos foi realizada a partir de ensaios de fluxo contínuo, onde as amostras foram solicitadas em diferentes taxas de cisalhamento ( ) e, como respostas foram obtidas as tensões de cisalhamento e a viscosidade, conforme ilustrado na Figura 3.

8 8 Tensão de cisalhamento (Pa) Viscosidade (Pa.s) Cim A Cim B Cim C Taxa de cisalhamento (s -1 ) Cim A Cim B Cim C Taxa de cisalhamento (s -1 ) Figura 3 Avaliação das propriedades reológicas das pastas. Em (a) ilustram-se os resultados de tensão de cisalhamento e em (b), a viscosidade em função da variação da taxa de cisalhamento. Nos três casos, a taxa de desaglomeração das partículas de cimento foi mais rápida que a taxa de reaglomeração, conforme pode ser observado no gráfico de tensão de cisalhamento vs taxa de cisalhamento, a partir da área de histerese (diferença entre a curva de aceleração e desaceleração), cujos valores são ilustrados na Tabela 4.

9 9 O Cim A encontrava-se mais aglomerado que os demais e, por isso, em baixas taxas de cisalhamento apresentaram maiores viscosidades, mas após a desaglomeração, a viscosidade atingida foi tão baixa quanto à do Cim B. Já a pasta formulada com o Cim C, apresentou maior viscosidade aparente e tensão de escoamento que para as demais pastas de cimento avaliadas, conforme ilustrados na Tabela 4. Tabela 4 Viscosidade Aparente, Tensão de Escoamento e Área de Histerese Viscosidade Aparente (Pa.s) Tensão de escoamento (Pa) Área de Histerese (Pa.s -1 ) Cim A 2,90 105,3 828 Cim B 2,52 127,2 321 Cim C 5,69 197, A viscosidade aparente foi quantificada na maior taxa de cisalhamento utilizada no ensaio (150 s -1 ) e a tensão de escoamento foi quantificada após a desaceleração no ensaio de fluxo, na menor taxa de cisalhamento aplicada. Maiores viscosidades ou tensões de cisalhamento podem indicar que existe a necessidade de maiores energias de mistura para o processamento das pastas e, caso o cimento seja utilizado em argamassas com projetos granulométricos adequados (4), essas variações podem ser refletidas nas propriedades das argamassas no estado fresco. Resistência à tração na compressão diametral - R CD Cim Corpos-de-prova cilíndricos de (50x10)mm foram moldados e curados em temperatura ambiente por 7 dias e, após este tempo, realizou-se ensaios de compressão diametral. Optou-se por este ensaio, em detrimento do ensaio de resistência à compressão axial, previsto na NBR , por melhor representar o que se passa com um revestimento de paredes e também pelo que pode ocorrer durante uma aplicação. Os resultados dos ensaios mecânicos são apresentados na Figura 4, em função do teor de CaCO 3 de cada cimento.

10 10 Figura 4 Resistência à tração na compressão diametral da pasta aos 7 dias de cura ao ambiente, em função do teor de CaCO 3 no cimento. Quando se utilizam cimentos em argamassas deseja-se que a quantidade do carbonato seja a menor possível, por ser um material inerte, e que a quantidade de material reativo seja a máxima possível, já que as reações de hidratação conferem resistência mecânica ao material. Esta avaliação se faz importante porque a presença de maior teor de material inerte na composição do cimento reduz a quantidade de material reativo e, assim, reduz o desenvolvimento da resistência mecânica. Até este ponto pode-se dizer que os limites de aceitação estabelecida NBR , para brancura, resíduo na peneira #325, teor de anidrido carbônico (CO 2 ) e resistências à tração na compressão diametral foram atendidos pelas três amostras de cimento. Todavia o valor de 8,71% de CO 2 do Cim C resultou em perda de resistência bastante significativa, isto é, a R CD Cim da amostra Cim C só atingiu 68,6% ( 2,88 / 4,11 ) da R CD Cim da amostra Cim A. Ensaios na Argamassa Energia de Mistura O pó seco das argamassas foi homogeneizado e colocado em um reômetro para argamassas e concretos e, em seguida foi adicionada a água (16%-p) numa vazão de 45g/s. A mistura foi mantida sob rotação de 500 rpm por 5 minutos e as variações no torque foram medidas. O gráfico apresentado na Figura 5 ilustra as diferenças

11 11 obtidas nas misturas das argamassas somente em função da alteração do cimento na formulação. Energia de Mistura (N.m.s) 941 Figura 5 Ilustração das curvas de mistura das argamassas. Em destaque são apresentadas as energias de mistura. Como se sabe, a energia e o tempo de mistura são fatores determinantes na qualidade e homogeneidade das argamassas (5) e, por isso, a escolha dos insumos a serem utilizados na formulação deve ser levada em consideração para facilitar o processamento. Como pode ser notada, a energia necessária para o processamento da Arg C foi maior que para a Arg A e Arg B. Nota-se também que existe correlação entre a viscosidade e a tensão de escoamento medidas na pasta (Figura 3) e a energia de mistura nas argamassas (Figura 5), ou seja, a menor viscosidade da pasta produz argamassas mais fáceis de misturar. Ciclo de Cisalhamento Após a mistura, as três argamassas foram submetidas a um ciclo de cisalhamento e os resultados são apresentados na Figura 6. Neste ensaio, foi possível quantificar a variação do torque em função da rotação.

12 12 3,5 Torque efetivo (N.m) 3,0 2,5 Arg A 2,0 Arg B Arg C 1, Rotação (rpm) Figura 6 Ciclos de Cisalhamento As três argamassas apresentam comportamento reológico semelhante (pseudoplástico com tensão de escoamento), porém a Arg C apresentou maiores níveis de torque que as demais. A argamassa Arg B é a que apresenta menores valores de torque no início e valor similar a Arg A no final. Vale ressaltar que estes resultados obtidos nas argamassas estão em alinhamento com os resultados obtidos nas pastas. Este ensaio mostra como as argamassas se comportam em diferentes solicitações e, com isso pode melhor simular as condições reais de aplicação, tais como aplicação manual (desempenado) ou mecânica (spray) (6). No caso das argamassas avaliadas, pode-se dizer que o tipo de comportamento é adequado para aplicação dos revestimentos por projeção e que a Arg C exige maior energia para ser aplicada, podendo gerar menor produtividade. Resistência à tração na compressão diametral R CD Arg Os dados apresentados na Figura 7 ilustram os valores de resistência à tração na compressão diametral, onde a amostra Arg C apresentou resultado muito abaixo dos resultados da Arg A e Arg B.

13 13 1,0 0,8 0,82 R CD Arg (MPa) 0,6 0,4 0,2 0,59 0,30 0,0 Cim A Cim B Cim C Figura 7 Resistência a tração na compressão diametral das argamassas formuladas com diferentes cimentos A Arg C, formulada com o Cim C, apresentou menores níveis de resistência mecânica, conforme já observado na análise das pastas. Essa redução ocorreu devido à menor quantidade de material reativo presente no cimento, já que havia cerca de 20% de material carbonatado. Esses resultados estão em conformidade com os dados levantados em literatura, onde é salientado que o maior responsável pelo desenvolvimento da resistência na argamassa é o cimento. Relação entre as propriedades da Pasta e da Argamassa Propriedades Reológicas A Figura 8 mostra as viscosidades medidas nas pastas e nas argamassas.

14 14 Viscosidade da Argamassa 0,150 0,145 R² = 0,99 C 0,140 0,135 B A 0,130 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Viscosidade da Pasta (Pa.s) Figura 8 Relação entre as viscosidades das pastas e das argamassas Os efeitos observados nas pastas se refletiram diretamente nas características das argamassas, com altíssima correlação (R²=0,99), ou seja, o estudo das propriedades reológicas nas pastas pode predizer o comportamento reológico das argamassas, desde que o projeto granulométrico dos agregados seja adequado. Estado Endurecido A Figura 9 mostra as resistências à tração na compressão diametral, novamente com altíssima correlação (R²=0,96). R CD Arg (MPa) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 C R² = 0,96 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 R CD Cim (MPa) Figura 9 Relação entre resistências à compressão diametral nas pastas de cimento e nas argamassas. B A

15 15 Semelhante ao que foi visto nas propriedades reológicas, as variações notadas na resistência das argamassas também refletem proporcionalmente as alterações observadas nas resistências mecânicas das pastas, como pode ser notado na Figura 9. Na pratica, estas correlações de comportamento entre pastas e argamassas tanto no estado fresco como no estado endurecido podem ser utilizadas como eficiente controle de qualidade. CONCLUSÕES A Norma Brasileira para Cimento Portland Branco, NBR , estabelece limites de aceitação para resíduo na peneira #325, teor de anidrido carbônico (CO 2 ) e resistências à compressão, mas o comportamento das pastas e das argamassas pode variar muito, principalmente com relação ao teor de CaCO 3. Além disso, a NBR não menciona limites e parâmetros para as propriedades reológicas, haja vista ser uma norma de cimento Portland Branco e não uma norma de aplicação do cimento como argamassa. Poderia ser proposta uma norma para argamassas onde possa ser incluída a determinação das propriedades reológicas, tais como: energia de mistura, tensão de escoamento e viscosidade. Conforme foi mostrado esses são parâmetros de grande interesse durante o controle de qualidade dos revestimentos. Desta forma, foi possível constatar que apesar de todas as amostras de cimento atenderem aos limites estabelecidos por norma, existe uma enorme variação do desempenho das argamassas tanto no estado fresco, isto é, durante a molhagem, mistura e aplicação (propriedades reológicas), bem como no estado endurecido (propriedades mecânicas). Além do estudo das propriedades mecânicas, o estudo da reologia das pastas e das argamassas adicionaram elementos que auxiliam o formulador a melhor compreender os fenômenos e desta forma otimizar as composições. De acordo com os dados observados conclui-se que é possível, prever e controlar as propriedades que as argamassas apresentam, a partir do estudo das propriedades das pastas, tais como, composição química, distribuição

16 16 granulométrica, área superficial específica, capacidade de molhamento e energia necessária para mistura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cimento Portland Branco NBR Rio de Janeiro, Julho CINCOTTO, M. A. Aglomerantes de Argamassas e Concretos. PCC PCC-Poli USP DUARTE, J. B., GAGLIARDO, D. P. Resistência ou Desempenho: qual o aspecto mais relevante para construções em concreto. In: Anais VIII ENAIC, dezembro de OLIVEIRA, I. R., Studart, A. R., Pileggi, R. G., Pandolfelli, V. C. Dispersão e Empacotamento de Partículas: princípios e aplicações em processamento cerâmico. 18 ed. Fazendo Arte Editorial, 195 p, PILEGGI, R. G. Reologia de Suspensões Reativas Aplicadas à Construção Civil. PCC PCC- Poli USP. ROMANO, R. C. O., Schreurs, H., Silva, F. B., Cardoso, F. A., Barros, M. M. S. B., Pileggi, R. G., John, V. M. Sensibilidade de argamassas de revestimento ao procedimento de mistura. In: Anais do VIII SBTA, Curitiba PR, 2009.