ÁREA DE CONTATO INTERFACIAL: ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO PROPORCIONAMENTO DA ARGAMASSA E DA TENSÃO SUPERFICIAL DO SUBSTRATO ATRAVÉS DE DIGITALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL A LASER

ÁREA DE CONTATO INTERFACIAL: ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO PROPORCIONAMENTO DA ARGAMASSA E DA TENSÃO SUPERFICIAL DO SUBSTRATO ATRAVÉS DE DIGITALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL A LASER CARINA MARIANE STOLZ (1); ANGELA BORGES MASUERO (2) (1) NORIE/UFRGS- Universidade Federal do Rio Grande do Sul –[email protected]; (2) NORIE/UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul –[email protected]. RESUMO O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência do proporcionamento das argamassas e da tensão superficial dos substratos no desenvolvimento da área de contato na interface argamassa/substrato. Para tal, foram dosadas argamassas de proporcionamentos 1:0:3, 1:1:6 e 1:2:9 (cimento:cal:areia, materiais secos, em volume). Estas foram lançadas através de energia controlada sobre substratos não porosos e não rugosos com duas diferentes tensões superficiais: o vidro e o polietileno. Após curadas e separadas dos substratos, as interfaces das argamassas foram digitalizadas através de scanner tridimensional a laser, de forma que a imagem resultante da nuvem de pontos permitiu a quantificação da área de contato real. Os resultados mostram que a tensão superficial e o proporcionamento das argamassas exercem influência significativa sobre a área de contato e que a digitalização tridimensional a laser é uma ferramenta adequada para a quantificação desta propriedade. Palavras-chave: argamassa, área de contato, tensão superficial, scanner tridimensional a laser. argamassa.

INTERFACIAL CONTACT AREA: ANALYSIS OF MORTAR PROPORTIONING AND SURFACE TENSION INFLUENCE THROUGH 3D SCANNING LASER ABSTRACT This paper aims to evaluate the influence of mortar proportioning and the surface tension on contact area the at the interface mortar / substrate development. Mortars were prepared with compositions 1:0: 3, 1: 1: 6 and 1: 2: 9 (cement: hydrated lime: dry sand). Mortars were applied, with controlled energy, on two non-absorbent substrates with different wettability ratings were chosen: glass and polypropylene. After applied on substrates and cured, manual separation of the mortar/substrates was performed. The mortar interface was then digitalized with a Tecnodrill tridimensional laser scanner. The results were treated with the Geomagic Studio 10 software to generate a tridimensional image and contact area was quantified on Photoshop CS5 Software. Results showed that the surface tension and mortar proportioning had significant influence on the contact area development and the three-dimensional laser scan is an appropriate tool for this property quantification. Keywords: mortar, contact area, superficial tension, tridimensional laser scanner, mortar.

1. INTRODUÇÃO “O fenômeno do molhamento consiste na expansão espontânea de uma fase sobre a superfície de outra” (1). Em contato com um sólido, o líquido pode se espalhar total ou parcialmente ao longo da superfície sólida, ou mesmo não se espalhar. De acordo com o princípio da minimização de energia em processos espontâneos, o líquido se espalhará com maior facilidade quanto menor a tensão superficial na interface líquido/sólido(1). O termo molhamento é aplicado quando nos referimos ao deslocamento do ar em uma superfície sólida ou líquida pela água ou outra solução aquosa. Os tipos de molhamento podem ser divididos em três, quais sejam(2): a. molhamento por espalhamento: um líquido em contato com um substrato se espalha e expulsa outro fluido, como o ar, da superfície. Para este molhamento acontecer espontaneamente, a energia livre do substrato deve diminuir durante o espalhamento (figura 1a); b. molhamento por adesão: um líquido que originalmente não estava em contato com o substrato passa a fazer contato e adere a ele pela ação de uma “força propulsora” dependente das tensões sólido/ar, líquido/ar e sólido/líquido (figura 1b); c. molhamento por imersão: um substrato que inicialmente não estava em contato com um líquido é imerso completamente pelo líquido (figura 1c). ƔLA

Ar (A)

Líquido (L) ƔSA

B

C Substrato (S) a)

ƔSL

Ar (A) ɸ

Líquido (L)

Substrato (S) b)

Líquido (L)

Substrato (S)

c)

Figura 1 - Tipos de molhamento: a) por espalhamento; b) por adesão; c) por imersão (adaptado de 2) A hidrofilicidade, ou facilidade de molhamento, de um determinado substrato pode ser medida através do ângulo que uma gota forma com a base e, através deste ângulo medido, pode-se calcular sua tensão superficial, pela Equação de Young-Laplace. No caso dos ângulos de contato, a interface líquido-vapor incide sobre a sólida. Este ângulo é único para cada sistema, pois

dependerá da interação entre as três interfaces (3). Com ângulo de contato como condições de contorno, a equação de Young-Laplace fica conforme a equação (A).

cos 

 SV   SL  LV

(A)

Onde ɣSV é a energia de interface entre o sólido e o vapor, ɣSL entre o sólido e o líquido, ɣLV entre o líquido e o vapor e o ângulo θ é obtido experimentalmente. Uma suspensão, ao molhar uma superfície, gera uma área de contato na interface entre as mesmas, de forma que pode-se dizer que existe uma área de contato potencial e uma área de contato real. A área de contato (real) não é igual a área da interface (potencial), uma vez que não há superfície perfeitamente plana, qualquer superfície em escala microscópica possui muitas rugosidades, de forma que a área de contato entre duas superfícies é muito menor do que a área de contato aparente (potencial), como mostra a figura 2 (4).

Figura 2 - Contatos reais formados na interface de duas superfícies (adaptado de 4) São diversas as características do substrato que irão influenciar no comportamento da argamassa aplicada sobre ele e no desenvolvimento do contato interfacial, como a rugosidade, a tensão superficial e a porosidade. Dentro deste contexto, o presente trabalho objetiva avaliar a influência da tensão superficial do substrato e do proporcionamento da argamassa no desenvolvimento da área de contato na interface argamassa/substrato. 2.

MATERIAIS E MÉTODOS

A figura 3 apresenta a matriz experimental executada neste trabalho. Foram produzidas três argamassas de proporcionamentos 1:0:3, 1:1:6 e 1:2:9 (cimento:cal:areia, materiais secos, em volume). Os materiais foram dosados em massa.

Figura 3 – Matriz experimental

2.1.

Produção das argamassas

As argamassas foram produzidas com cimento Portland CPIV-32, classificado segundo a ABNT NBR 5736:1991(5) como um cimento pozolânico, cuja caracterização está apresentada na Tabela 1. Tabela 1 – Caracterização do cimento

Ensaio Superfície específica Blaine*** Massa específica* Diâmetro médio** Finura peneira nº 200*** Início de pega*** Fim de pega*** Resistência à compressão*** Resíduo insolúvel*** Anidrido Sulfúrico (SO3)*** Óxido de Magnésio (MgO)*** Perda ao fogo***

Método NBR NM 76/98 NBR NM 23/01 Granulometria a laser NBR 11579/91 NBR NM 65/02 NBR NM 65/02 7 dias NBR 7215/96 28 dias NBR 7215/96 NBR NM 22/04 NBR NM 146/04 NBR NM 14/04

Resultados 4398,5cm²/g 2,76g/cm³ 16,95µm 0,27% 243,25min 284,80min 25,03MPa 36,20MPa 35,84% 2,28% 4,61% 3,64%

Exigências NBR 5736/91

≥1h ≤12h ≥20MPa ≥32MPa

≤ 6,5% ≤ 4,5%

*ensaio realizado no LAMTAC -NORIE - UFRGS **ensaios realizados no LACER - UFRGS ***dados fornecidos pelo fabricante

A cal utilizada na confecção das argamassas é classificada como hidratada CH-I conforme a ABNT NBR 7175:2003(6) e possui massa específica de 2,28 g/cm³ e diâmetro médio de partículas de 9,03mµ. A areia utilizada tem origem quartzosa e é proveniente do Rio Jacuí/RS. A mesma foi seca e passou por peneiramento em quatro frações, quais sejam: passante na malha 2,4 mm e retida

na malha 1,2 mm; passante na malha 1,2 mm e retida na malha 0,6 mm; passante na malha 0,6 mm e retida na malha 0,3mm e passante na malha 0,3 mm e retida na malha 0,15mm. Compôsse então um agregado miúdo com características semelhantes a de uma areia natural média, disponível na cidade de Porto Alegre/RS conforme mostra a Tabela 2. Tabela 2 – Composição e características físicas do agregado miúdo # 1,2

#0,6

#0,3

#0,15

Massa específica

Massa unitária

Coeficiente de uniformidade

10%

40%

40%

10%

2,62 g/cm³

1,48 g/cm³

2,48

Foram produzidas três argamassas, chamadas de A3, A6 e A9 com proporcionamentos de 1:0:3, 1:1:6 e 1:2:9 (cimento:cal:areia, materiais secos, em volume), respectivamente. A água para cada um destes proporcionamentos foi ajustada para se obter o índice de consistência de 240mm. As argamassas foram produzidas em conformidade com a ABNT NBR 13276:2005(7) em argamassadeira eletromecânica automática com controlador automático digital, movimento planetário e capacidade de 5 litros. Todas as argamassas foram produzidas com 1,5kg de material seco, para que a quantidade de material não exercesse influência sobre a mistura e, consequentemente, sobre o seu comportamento reológico. 2.2.

Escolha dos substratos

Visando isolar a variável tensão superficial, tomou-se a decisão de utilizar substratos lisos e não porosos com diferentes tensões superficiais. Mensurou-se o ângulo de contato de diversas superfícies lisas (oito valores de cada), obtendo-se os ângulos de contato médios (θm) para cada uma delas. Então, definiram-se como superfícies de estudo o vidro e o polietileno, visto que seus comportamentos foram diferentes entre si, podendo ser classificados como hidrofílico (θm90º), conforme classificação apresenta na Tabela 3. Com o valor do ângulo de contato médio, foi possível calcular, através da equação de Young-Laplace os valores de tensão superficial sólido/líquido (ƔSL) para cada um dos substratos.

Tabela 3 – Tensão superficial dos substratos de vidro e polietileno Material

Ângulo de contato

Tensão Superficial

ƔSL=935,13 dinas/cm

Vidro 𝜽m = 27º

ƔSL= -38 dinas/cm

Polietileno 𝜽m= 96º 2.3.

Lançamento das argamassas sobre os substratos

A aplicação das argamassas sobre os substratos foi realizada através da utilização de um dispositivo denominado caixa de queda (Figura 4a) com base nos dispositivos desenvolvidos por Carasek(8) e Paes(9), com altura de queda de 100cm. Para manter constante e facilitar o lançamento da quantidade de argamassa produzida nesta pesquisa, foi confeccionado um gabarito de madeira com uma guilhotina horizontal de acrílico adaptada (Figura 4b e c). O gabarito superior possui dimensões de 10cmx10cm e 5cm de altura, o qual é preenchido com argamassa até sua borda e submetido a cinco golpes com martelo de borracha em cada uma de suas arestas. Este adensamento é realizado para padronizar a quantidade de argamassa a ser lançada sobre os substratos e evitar possíveis efeitos de variações no adensamento das argamassas no desenvolvimento da área de contato das mesmas, eliminando-se assim um possível fator de ruído. Posteriormente, a guilhotina era aberta e a argamassa lançada sobre o gabarito inferior confeccionado em madeira, com dimensões internas de 10cmx10cm, sendo a espessura dos revestimentos fixada em dois centímetros. Visando evitar o efeito do “aperto” causado pelo sarrafeamento, o excesso de argamassa foi retirado através da utilização de régua metálica posicionada a 45°, no sentido oposto ao seu deslizamento.

Figura 4 – caixa de queda: a) representação gráfica do dispositivo, b) representação gráfica da vista inferior do gabarito de madeira com o sistema de guilhotina c) vista inferior do gabarito de madeira com o sistema de guilhotina d) vista geral do dispositivo e seus componentes.

b)

a) c) 2.4.

d)

Ensaios de caracterização das argamassas

Para a caracterização das argamassas no estado fresco foram realizados ensaios de densidade de massa (ABNT NBR 13278:2005(10)), teor de ar incorporado (ABNT NBR NM 47:2002(11)), retenção de água (ABNT NBR 13277:2005(12)) e reometria rotacional. Para a realização da reometria rotacional foi utilizada palheta do tipo vane, V 30x15, com 30mm de altura e 15mm de diâmetro, em recipiente padrão para todas as argamassas. A rotina escolhida para a análise das argamassas consistiu em quatro patamares de leituras, sendo uma a cada 20 segundos, atingindo-se uma taxa de cisalhamento máxima de 1001/s. No estado endurecido foram realizados, aos 28 dias, os ensaios de resistência à compressão e resistência à tração na flexão (ABNT NBR 13279:2005(13)), absorção de água por capilaridade (ABNT NBR 15259:2005(14)), densidade de massa aparente no estado endurecido (ABNT NBR 13280:2005(15)) e módulo de elasticidade dinâmico (ABNT NBR 15630:2008(16)).

2.5.

Mensuração da área de contato através de Scanner tridimensional a laser

Para a realização das digitalizações foi utilizado um scanner tridimensional a laser da marca Tecnodrill, modelo Digimill (3D), disponível no Laboratório de Design e Seleção de materiais (LdSM) da UFRGS. As imagens foram digitalizadas com lentes de 50mm, com precisão entre pontos de 0,1mm, em seguida, a nuvem de pontos resultantes da digitalização foi tratada em dois softwares. No software Geomagic Studio 10 foi realizada transformação da nuvem de pontos resultante do scanner em uma malha de triângulos, gerando uma imagem tridimensional. Esta imagem gerada foi salva em formato PNG e exportada para o software Photoshop CS5, no qual é possível medir a quantidade de área de contato e de falhas, através dos pixels. A Figura 5 apresenta exemplos de imagens obtidas da digitalização tridimensional a laser tratadas no software Geomagic Studio 10 e no software Photoshop CS5, respectivamente. Na imagem “a” observa-se as falhas de contato em azul mais escuro, enquanto na imagem “b”, após o tratamento, as falhas de contato estão na cor preta, conforme indicado pelas setas. Figura 5 – Tratamento de imagens: a) Geomagic Studio 10 b) Photoshop CS5

a)

b)

3. RESULTADOS Os resultados obtidos para o programa experimental proposto estão apresentados nos subitens abaixo.

3.1.

Dosagem das argamassas

A tabela 4 apresenta a dosagem das argamassas A3 (1:0:3), A6 (1:1:6) e A9 (1:2:9). Tabela 4 – Dosagem das argamassas Composição Granulométrica - 10%, 40%, 40%, 10% Argamassa Água (g) Consistência média (mm) Relação a/c Relação a/ l A3 A6 A9

3.2.

237,5 250 1,04 1,04 229 240 1,94 1,21 261,3 247 3,29 1,48 * a/c= relação água/ cimento; a/ l= relação água/ ligantes

Caracterização das argamassas

Os ensaios de caracterização no estado fresco e endurecido das argamassas A3, A6 e A9 estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5- Caracterização das argamassas no estado fresco e endurecido A3 A6 A9 Ensaio Valor Class.* Valor Class.* Valor Class.* Densidade de massa (kg/m³) 1850 D6 1609 D6 1793 D6 Teor de ar incorporado (%) 2,20 NA 2,25 NA 2,00 NA Retenção de água (%) 93 U6 96 U6 95 U6 Resistência à compressão (MPa) 6,04 P5 1,85 P2 0,61 P1 Resistência à tração na flexão (MPa) 1,65 R3 0,27 R1 0,30 R1 Absorção de água por capilaridade 9,97 C5 18,64 C6 25,97 C6 (g/dm².min½) Módulo de elasticidade dinâmico 12,93 NA 6,72 NA 3,37 NA (GPa) *Classificação NBR 13281/05; NA: Não se aplica Os resultados obtidos na reometria rotacional estão apresentados através de gráficos de Viscosidade vs. Taxa de cisalhamento e Tensão de cisalhamento vs. Taxa de cisalhamento na Figura 6.

Figura 6- Reometria Rotacional A62

A32

A92

VISCOSIDADE (PA.S)

10 8 6 4 2 0 0

50 100 TAXA DE CISALHAMENTO (1/S)

150

TENSÃO DE CISALHAMENTO (PA)

A32

A62

A92

400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

50

100

150

TAXA DE CISALHAMENTO (1/S)

A reometria rotacional mostrou que a A6 apresentou valores de viscosidade e tensão de cisalhamento superiores aos obtidos para a A3 e a A9. Este fato deve estar relacionado, muito provavelmente, ao empacotamento dos grãos nas argamassas com cal, de forma que esperavase que a argamassa A3, sem cal, resultasse em maiores valores de viscosidade, o que não ocorreu. O fenômeno que pode estar ocorrendo na A6, que possui cal em sua composição, no entanto apresentou alta viscosidade e resistência ao escoamento, também pode estar relacionado com o teor de finos ter chegado a um “valor crítico”. Esta teoria foi citada por alguns autores

(17, 18, 19)

que observaram que, para um mesmo teor de cimento (com relação a/c

constante), a adição de finos, reduz a viscosidade da pasta antes de causar um aumento desta propriedade. Isso ocorre, segundo os autores, quando o teor de finos excede um determinado valor crítico, que é dependente da relação água/cimento. Complementarmente, ao estudar pastas com e sem cal, Quarcioni (20) concluiu que a presença de cal torna o material cimentício mais aglomerado, promovendo um aumento da viscosidade e da tensão de cisalhamento. O autor justifica este fato, pela cal induzir uma maior coesão inicial das partículas, que se mantém durante a evolução da consolidação, quando comparada com a pasta do cimento.

3.3.

Medição da área de contato

Os valores referentes às medições de áreas de contato estão apresentados na tabela 6. A princípio, seriam realizadas três amostras para cada combinação de variáveis, mas nos casos que apresentaram maior variabilidade nos resultados, realizou-se maior número de amostras. Tabela 6 – Valores de área de contato medidos através de programas computacionais Argamassa

Substrato

Contato (%)

A3 A3 A3 A3 A3 A3 A3 A6 A6 A6 A6 A6 A6 A6 A6 A6 A9 A9 A9 A9 A9 A9 A9 A9

POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO VIDRO VIDRO VIDRO VIDRO POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO VIDRO VIDRO VIDRO VIDRO VIDRO POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO POLIETILENO VIDRO VIDRO VIDRO

82,64 77,37 77,95 90,40 84,15 90,86 92,69 76,04 88,27 79,00 72,72 76,90 83,70 61,90 81,70 87,35 82,85 91,26 78,49 86,11 84,58 93,96 90,48 92,00

A9

VIDRO

92,32

Média (%)

Desvio Padrão (%)

Coeficiente de variação (%)

79,32

2,89

4

89,53

3,72

4

79,01

6,69

8

78,31

9,92

12

84,66

4,66

6

92,19

1,42

2

Visando verificar a significância entre os valores medidos, realizou-se análise estatística através de análise de variância (ANOVA), com o Software Statistica 7.0. A tabela 7 apresenta os resultados obtidos, onde pode-se verificar que tanto o proporcionamento da argamassa quanto

a tensão superficial do substrato exerceram influência significativa no desenvolvimento da área de contato na interface argamassa/substrato. Tabela 7 – ANOVA das variáveis SQ

GDL

MQ

Fcalc

Fator p

Significativo

2 1 2

213,8 195,8 66,1

5,983 5,479 1,851

0,009655 0,030304 0,184340

Sim Sim Não

Argamassa 427,6 Substrato 195,8 Argamassa*Substrato 132,3

SQ: soma quadrática; GDL: graus de liberdade; MQ: média quadrática; Fcalc: valor calculado de F

Esta interação entre os parâmetros analisados pode ser melhor analisada nas figuras 7 e 8, onde observa-se que a argamassa que apresentou maior área de contato média foi a A9, seguida da A3 e da A6. Observa-se ainda que, diferentemente do que se imaginava, a A3 e a A9 apresentaram comportamento semelhantes, enquanto a A6 e a A9 apresentaram comportamentos significativamente diferentes. Este comportamento parece estar diretamente ligado aos valores de viscosidade apresentados por estas argamassas, sendo que a viscosidade parece ser inversamente proporcional à área de contato na interface, para as argamassas e substratos estudados nesta pesquisa. Figura 7 –influência da argamassa na área de contato

Figura 8 –influência do substrato na área de contato

96

92

94

90

92 90

88

Contato (%)

Contato (%)

88 86 84 82 80 78

84 82 80

76

78

74 72

86

A3

A6 Argamassa

A9

76

POLIETILENO

VIDRO Substrato

Quanto à tensão superficial do substrato, a figura 8 mostra que quanto mais hidrófuga a superfície, maior a dificuldade de molhamento do substrato pela argamassa, de forma que aumenta as falhas de contato. O substrato hidrofílico (vidro) apresentou maior porcentagem de área de contato.

Na figura 9 é possível observar que a argamassa A6 não foi influenciada significativamente pela tensão superficial do substrato, enquanto as argamassas A3 e A9 obtiveram um incremento de área de contato em substrato hidrofílico. Talvez, a maior viscosidade da A6 tenha mascarado a influência da tensão superficial nesta argamassa. Figura 9 – Interação da argamassa vs. substrato na área de contato 100

95

Contato (%)

90

85

80

75

70

65

POLIETILENO

Argamassa A3 Argamassa A6 Argamassa A9

VIDRO Substrato

4.

CONCLUSÕES

Com o presente trabalho conclui-se que, para as variáveis aqui analisadas, tanto o proporcionamento das argamassas quanto à tensão superficial dos substratos exercem influência

significativa

no

desenvolvimento

na

área

de

contato

na

interface

argamassa/substrato. A reologia, medida através da viscosidade também parece ser um parâmetro que exerce grande influência no desenvolvimento da área de contato, sendo que há uma tendência de a viscosidade e a área de contato interfacial serem inversamente proporcionais. Além disso, verificou-se que o scanner tridimensional a laser é uma ferramenta adequada para a medição da área de contato, bem como os softwares Geomagic Studo e Photoshop são adequados para a quantificação das áreas de contato.

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14. ______. NBR 15259: Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos – Determinação da absorção de água por capilaridade e do coeficiente de capilaridade. Rio de Janeiro: ABNT, 2005. 15. ______. NBR 13280: Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos - Determinação da densidade de massa aparente no estado endurecido. Rio de Janeiro: ABNT, 2005. 16. ______. NBR 15630: Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos – Determinação do módulo de elasticidade dinâmico através da propagação de onda ultrassônica. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. 17. ZHANG, X.; HAN, J., The effect of ultra-fine admixture on the rheological property of cement paste. Cement and Concrete Research, 30 (5), 2000, p. 827–830 18. YAHIA, A.; TANIMURA, M.; SHIMOYAMA, Y. Rheological properties of highly flowable mortar containing limestone filler-effect of powder content and W/C ratio. The effect of fine mineral admixtures on water requirement of cement pastes. In: Cement and Concrete Research, 35 (3), 2005, p. 532–539. 19. BENABED, B.; KADRI, E.; AZZOUZ, L.; KENAI, S. Properties of self-compacting mortar made with various types of sand. In: Cement & Concrete Composites, 34, 2012, p. 11671173. 20. QUARCIONI, V. A. Influência da cal hidratada nas idades iniciais da hidratação do cimento Portland: estudo em pasta. Tese (Doutorado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Ed. Ver. São Paulo, 2008. 172 p. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à UFRGS/PPGEC e ao NORIE/LAMTAC por proporcionar o desenvolvimento do programa experimental, ao LdSM/UFRGS e ao LACER/UFRGS pelo auxílio na execução de ensaios e ao CNPQ pela bolsa de fomento à pesquisa.