03 – PROPRIEDADES MECÂNICAS E ABSORÇÃO DE ÁGUA DE UM COMPÓSITO CIMENTÍCIO COM ADIÇÃO DE POLÍMEROS SUPERABSORVENTES

Ano 10 (2023) – Número 3 - Obsidiana de Açores Artigos

10.31419/ISSN.2594-942X.v102023i3a3SRSQ

MECHANICAL PROPERTIES AND WATER ABSORPTION OF A CEMENTITIOUS COMPOSITE WITH THE ADDITION OF SUPERABSORBENT POLYMERS

Leandro Mendonça da Silva Junior², Lidia Aira Kubota², Syme Regina Souza Queiroz^1*, Evaristo Rezende²

 

¹ Instituto Federal do Pará – IFPA

² Wyden Educacional do Brasil – FACI

leandro@live.co.kr, lidiaaira@hotmail.com, *syme.souza@ifpa.edu.br, evaristo.rezende@faculdadeideal.edu.br

*To whom should be the correspondences

 

ABSTRACT

Mortars are versatile cementitious composites used by the civil construction industry, the study of their pathologies and the search for technologies to improve their mechanical performance is in evolution. With this purpose, superabsorbent polymers – PSA are being added in mortars to optimize these composites in an attempt to provide humidity to the cement, improve its hydration, and minimize phenomena such as shrinkage, which usually cause cracking. Therefore, this preliminary study characterized superabsorbent polymers in terms of their granulometry, absorption capacity and produced six mixes of mortars divided into two reference mixtures, with a water/cement ratio of w/c=0.55 and w/c =0.6. For each mixture, PSA contents of 0.2% and 0.3% were added in relation to the cement mass. Mortar test specimens were subjected to mechanical tests, water absorption, and scanning electron microscopy. Mortar test specimens with a PSA content of 0.2% obtained better mechanical performance in traction by diametral compression concerning the reference mortar at more advanced ages. The water absorption in mortar test specimens with the addition of PSA was higher than in the reference mortars. The micrographs show that there was no PSA agglomeration, so the pores formed by the decrease in PSA size were not connected. The results indicate the possibility of using PSA in mortars and point to the need for studies with different techniques and contents that prove its performance as an internal curing agent of the cement to contain cracks.

 Keywords: Composite. Mortar. Superabsorbent Polymer. Properties.

 

INTRODUÇÃO

Argamassas são misturas homogêneas de agregado(s) miúdo(s), aglomerante(s) inorgânico(s) e água, contendo ou não aditivos, com propriedades de aderência e endurecimento. As argamassas podem ser modificadas com a adição de materiais naturais ou aditivos químicos com intuito de melhorar suas propriedades mecânicas, reduzir seu custo e evitar o surgimento de patologias (ABNT NBR 13281, 2005; Westphal et al., 2013; Snoeck et al., 2020). Para eliminar patologias encontradas em argamassas, como fissuras, materiais como Polímero Superabsorvente (PSA) estão sendo adicionados nessa mistura como alternativa de otimização desse material. Os Polímeros Superabsorventes são materiais produzidos sinteticamente capazes de absorver e reter enormes quantidades de água e/ou solução aquosa em até 1500 vezes o seu próprio peso, mesmo sob pressão, e são uma alternativa para a otimização da hidratação do aglomerante cimento, por ser um hidrogel (ABNT NBR 13279, 2005; ABNT NBR 13281, 2005; ABNT NBR 13529, 2013; Mannheimer, 2002; Isaia, 2010).

Com o propósito de melhorar a cura interna de argamassas, por meio da hidratação do cimento, e suas patologias como fissurações, este estudo preliminar caracterizou materiais utilizados em argamassas e polímeros superabsorventes para produzir corpos de prova de argamassa referência e, com adição de polímeros superabsorventes na tentativa de instalar depósitos de água em seu interior para que seja consumida pelo cimento durante o processo de cura dos corpos de prova. Desse modo, corpos de prova de argamassa de referência (REF) e com adições de polímeros superabsorvente (PSA) foram produzidos e submetidos a ensaios mecânicos de tração por compressão diametral e compressão axial, absorção de água por capilaridade e microscopia eletrônica de varredura (MEV) para análise do desempenho mecânico e absorção de água nas idades de 7 e 28 dias.

 

MATERIAIS E MÉTODOS

Os materiais utilizados nessa pesquisa foram o Cimento Portland (aglomerante) composto com fíler, CP II-F adquirido na cidade de Belém do Pará, Areia (agregado miúdo) proveniente do areal Magalhães, situada a 21km da cidade de Belém, Água potável da concessionária local, distribuidora Companhia de Saneamento do Pará (COSANPA) e Polímeros superabsorventes (PSA), poliacrilato de sódio com aplicação em produtos de higiene, gentilmente fornecido pela empresa Rofer Inovações e Tecnologia de Minas Gerais. Os corpos de prova de argamassa foram produzidos por meio da mistura (cimento, areia, água) com e sem adição de PSA, definidas após ensaios de trabalhabilidade de acordo com a NBR 65 (ABNT, 2003) e o índice de consistência, seguindo a NBR 7215 (ABNT, 1996). As relações água/cimento (a/c), a/c=0,55 e a/c=0,6, percentuais de PSA, 0,2% e 0,3% em relação à massa de cimento, foram adotadas com base no trabalho de Suarez (2015). As caracterizações granulométricas da areia e do PSA foram realizadas conforme as especificações da NBR 7217 (ABNT, 1987). O PSA também foi caracterizado quanto sua capacidade de absorção de líquidos utilizando o método indicado por Jensen (2011). O traço utilizado para produção dos corpos de prova de argamassa foi 1:3 (cimento:areia). Optou-se por não utilizar aditivos plastificantes para evitar alterações nos resultados. Os corpos de prova de argamassa foram produzidos de acordo com a norma da NBR 7215 (ABNT, 1996). Foram produzidos 158 corpos de prova cilíndricos de argamassa, 5cm x 10cm, 20 corpos de prova de referência e 138 com adição de PSA, sendo 120 para os ensaios mecânicos e 18 para absorção de água por capilaridade.  O processo de cura dos corpos de prova foi ao ar livre, os corpos de prova foram armazenados em laboratórios reservados de intempéries em temperatura ambiente constante de 24ºC. Os ensaios mecânicos de resistência à tração por compressão diametral foram conduzidos de acordo com a norma da NBR 7222 (ABNT, 2011), 30 corpos de prova foram rompidos nas idades de 7 dias e 30 aos 28 dias). Os ensaios mecânicos de resistência à compressão axial foram conduzidos pelas especificações da norma da NBR 7215 (ABNT, 1996), 30 corpos de prova foram rompidos nas idades de 7 dias e 30 aos 28 dias. Para os corpos de prova de referência foram utilizados 10 corpos de prova para cada ensaio, rompidos nas idades de 7 e 28 dias. Os ensaios de absorção de água por capilaridade foram conduzidos de acordo com a norma da NBR 9779 (ABNT, 1995), as massas foram obtidas nos tempos de 3h, 6h, 24h, 48h e 72h. A Tabela 1 apresenta o quantitativo de materiais, obtidos nos ensaios de trabalhabilidade, utilizados na produção dos corpos de prova de argamassas de referência e com adições de PSA para os fatores de água/cimento (a/c) e percentuais de PSA adotados.

 

Tabela 1 – Quantitativo de materiais utilizados na produção dos corpos de prova.

Materiais	a/c=0,55 REF	a/c=0,6 REF	a/c=0,55 PSA 0,20%	a/c=0,55 PSA 0,30%	a/c=0,60 PSA 0,20%	a/c=0,60 PSA 0,30%
Cimento (kg)	0,624	0,624	0,624	0,624	0,624	0,624
Areia (kg)	1,872	1,872	1,872	1,872	1,872	1,872
Água (l)	0,340	0,375	0,340	0,375	0,340	0,375
PSA (kg)	0	0	0,00125	0,00187	0,00125	0,00187

 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A figura 1(a,b) mostra imagens fotográficas da dimensão, em milímetros, do polímero superabsorvente. Em (a) no seu tamanho natural, em (b) após contato com água e em 1(c) uma micrografia da morfologia do PSA obtida por microscopia eletrônica de varredura – MEV em seu estado seco.

 

A figura 2 mostra a curva granulométrica do agregado miúdo (areia) e a tabela 2 apresenta a média dos resultados da caracterização da areia (módulo de finura, dimensão máxima característica, massa unitária e massa específica). A figura 3 mostra o gráfico com a curva granulométrica dos polímeros superabsorventes (PSA). Para este estudo, foram utilizados PSA passantes na peneira 300µm e retidos na peneira 150µm, embora outras literaturas tenham utilizado polímeros superabsorventes com dimensões entre 125 e 250µm (Lura et al., 2012).

 

Tabela 2 – Caracterização do agregado miúdo – areia.

Módulo de Finura	2,19
Dimensão máxima característica (mm)	<4,8
Massa Unitária (kg/dcm³)	1,61
Massa Específica (g/cm³)	2,63

 

 

Na figura 4(a), temos a relação entre volume e massa das partículas de PSA seco. Em 4(b), temos uma pequena quantidade do PSA seco e em 4(c), o cilindro graduado preenchido com água destilada. A leitura do volume tomado pelas partículas de PSA foi obtida após decantação. A absorção de água do PSA (A) foi obtida pela relação envolvendo as densidades do PSA seco (ρ PSA) e da água (ρ água), volumes de PSA seco (V₁) e PSA em gel inchado (V₂) e as massas de PSA seco (M₂) e em gel inchado (M₁) de acordo com a equação 1. A tabela 3 apresenta os valores do ensaio utilizando o método dos cilindros graduados.

 

 

Tabela 3 – Valores do ensaio dos cilindros graduados.

m1 (g)	176,03
m2 (g)	1,0
V1 (ml)	180
V2 (ml)	250
ρPSA	0,704
ρágua	1,0
Capacidade de absorção (g/g)	178,61

 

Os valores do índice de consistência das argamassas obtidos no seu estado fresco, figura 5, mostra que houve uma melhora proporcional na trabalhabilidade da argamassa com relação a/c de 0,6 a medida em que aumentou o teor PSA. No entanto, para a relação a/c de 0,55 houve uma diminuição de quase 1cm na trabalhabilidade para o teor de PSA de 0,2% e de quase 0,3 cm para o teor de PSA de 0,3% quando comparadas com a argamassa referência (Mechtcherine e Reinhard, 2012; Jensen, 2014; Snoeck et al., 2020; Boshoff et al., 2020).

A média dos valores dos ensaios de resistência à tração por compressão diametral dos corpos de prova de argamassa referência e com adições de PSA nas idades de 7 e 28 dias (figura 6), mostra uma diminuição no desempenho mecânico em tração das argamassas com adição de PSA em relação a argamassa de referência aos 7 dias de idade. Entretanto, nas argamassas com adição de 0,2% de PSA aos 28 dias houve um aumento no desempenho em tração de 2,27% para a relação a/c=0,55 e 3,97% para a relação a/c=0,60. A adição de PSA não melhorou significantemente o desempenho das argamassas em tração por compressão diametral, contrariando os resultados das literaturas (Chung, 2004; Suarez, 2015; Zhu et al., 2014; Liu et al., 2019).

 

 

 

A média dos resultados dos ensaios de resistência à compressão axial dos corpos de prova de argamassa referência e com adições de PSA aos 7 e 28 dias (figura 7), mostra uma redução do desempenho mecânico em compressão das argamassas com adição de PSA quando comparadas com as argamassas de referência em ambas as idades. Entretanto, os valores encontrados sofrem reduções que, aos 7 dias de idade que não ultrapassam 1,97% para as argamassas com adição de 0,2 de PSA e fator a/c=0,55 e 0,19% para as argamassas com adição de 0,3% de PSA e fator a/c=0,6. Os valores encontrados estão de acordo com as literaturas consultadas e indicam que a adição de PSA nas argamassas não alteraram significantemente o comportamento mecânico em compressão axial (Lam, 2005; Mechtcherine e Reinhard, 2012; Baía e Sabatini, 2008; Jensen, 2014; Snoeck et al., 2015; Koppe, 2016).

 

 

Os valores obtidos nos ensaios de absorção de água por capilaridade dos corpos de prova de argamassa de referência e com adições de PSA (figura 8), mostra a quantidade de água absorvida pelos corpos de prova nos tempos entre 3 e 72 horas. Os valores mostram que a quantidade de água absorvida pelos corpos de prova de argamassa com adição de PSA foram maiores que os corpos de prova de referência. Os resultados obtidos contrariam as literaturas consultadas que afirmam que o uso do PSA contribui para a redução da absorção de água (Lura et al., 2012; Friedrich, 2012; Santos, 2016; Mechtcherine e Wyrzykowski, 2021).

 

 

Micrografias (figura 9 a, b e c), da zona de fratura de uma amostra dos ensaios de compressão axial, aos 7 dias de idade, mostram a boa adesão entre o agregado miúdo, a matriz cimentícia e o polímero superabsorvente. Nos pontos Pt1 e Pt2 é possível observar também as diferentes rugosidades nos agregados, diferentes coesões e o vazio causado com a diminuição do tamanho do PSA dentro da argamassa. A micrografia permitiu constatar que os polímeros inseridos na argamassa não estavam aglomerados, tal fato favorece a ideia de que os poros formados não estavam conectados. O PSA foi encontrado distribuído uniformemente na mistura, apresentando vazios isolados. Argamassas com adição de PSA tendem a gerar vazios em sua microestrutura, devido a diminuição do tamanho das partículas de PSA à medida em que perdem água ao longo do tempo. Em 9(d) observa-se, no mapa de elementos gerado em torno dos pontos Pt1 e Pt2, os elementos químicos típicos presentes na mistura, Fe, Ca, S, Al, Mg, Na, O e C conforme o esperado. Observa-se ainda em (d) a ausência de elementos considerados impurezas que podem contribuir para a fraca aderência entre os materiais componentes das argamassas.

 

 

CONCLUSÕES

• Os valores do índice de consistência mostraram o aumento a trabalhabilidade da argamassa com relação a/c de 0,6, com o aumento do teor de PSA. Entretanto, na argamassa com relação a/c de 0,55 houve diminuição da trabalhabilidade. Para os teores de PSA seco utilizados nas argamassas, os resultados indicam a possibilidade de seu uso como aditivo plastificante para pequenos percentuais de PSA em relação à massa de cimento.
• A adição de PSA pode ter provocado a redução do desempenho mecânico em compressão axial da argamassa, ou a redução pode ter ocorrido por alguma falha na produção dos corpos de prova. Contudo, o comportamento mecânico em tração por compressão diametral apresentou resultados satisfatórios nas idades de 28 dias para argamassas com adição de 0,2% de PSA.
• A análise de absorção de água mostrou que apesar de o PSA ser um material com capacidade de absorção alta, ele não apresentou influências significativas na absorção de água por capilaridade para os teores estudados, o que gera conforto quanto ao seu uso.
• Os resultados preliminares indicam a possibilidade de uso de polímeros superabsorventes em argamassas devido sua capacidade superabsorvente. No entanto, são necessários mais estudos com diferentes técnicas de caracterização, análises, percentuais e granulometrias para comprovar a atuação do polímero superabsorvente como agente de cura interna em argamassas para conter fissurações.

 

REFERÊNCIAS

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