Empacotamento(4)- influencias

2 de janeiro de 2014


De uma forma geral, o empacotamento aleatório de monodispersões (partículas de um único tamanho) esféricas resulta sempre em um mesmo fator de empacotamento (≈ 0,60-0,64), porém uma série de fatores pode alterar o empacotamento de um determinado conjunto de partículas.

1-      O primeiro a ser considerado é a existência de partículas com distribuições granulométricas diversas alterando a condição de dispersão inicial. Com isso, podem-se obter sistemas com fatores de empacotamento elevados - próximos de 1 - até misturas onde esse fator se aproxima do nível das monodispersões.

2-      O outro fator que pode alterar a condição de empacotamento é a morfologia das partículas. Quanto menos esférica for a partícula, menor será a densidade de empacotamento de uma distribuição que a contenha, pois se verifica o atrito entre as partículas a partir do contato de suas superfícies irregulares. Quanto menor o tamanho das partículas irregulares, maior será esse efeito, devido à maior área superficial específica.

3-      A porosidade interna das partículas também altera a densidade de um material. As partículas podem ser totalmente densas, com porosidade interna fechada ou com porosidade aberta. Para se obter um empacotamento com densidade máxima, considerando uma determinada distribuição granulométrica, é necessário que se utilizem partículas não porosas; porém essas partículas não são as mais usuais. Para efeito de distribuição granulométrica, as partículas que apresentam porosidade fechada são semelhantes às densas, porém resultam em misturas com densidade superior. Já as partículas que apresentam porosidade aberta perturbam o empacotamento devido ao seu formato irregular e também resultam em misturas com menores densidades de empacotamento. Empacotamentos com menor porosidade podem ser obtidos se os vazios existentes entre as partículas de uma dispersão forem preenchidos por partículas menores que os mesmos. Porém, caso sejam introduzidas partículas maiores que os vazios existentes, essas promoverão o surgimento de novos vazios, levando a um aumento na porosidade e redução da eficiência do empacotamento. Assim, a sequência de preenchimento dos vazios existentes entre as partículas, ou melhor, a distribuição granulométrica do sistema determina o aumento ou não da densidade de empacotamento da monodispersão.
Aproximadamente metade das partículas de adições minerais e dos cimentos tem formato próximo ao de uma esfera, porém a porção relativa dessas partículas diminui durante o curso da hidratação de suspensões à base de cimento em decorrência da formação de partículas com forma irregular, o que é mais evidente em misturas contendo sílica ativa. Assim, as primeiras horas da hidratação de suspensões à base de cimento são caracterizadas por variações no diâmetro efetivo e na distribuição granulométrica das partículas. Diversos fatores contribuintes acontecem simultaneamente: por um lado, a dissolução das partículas de cimento e a diminuição do seu diâmetro efetivo; e, por outro lado, a aglomeração das partículas pequenas.

Analisando a influência da distribuição granulométrica sobre a densidade de empacotamento e o grau de hidratação de um sistema à base de cimento verifica-se que uma distribuição contínua de partículas é muito procurada para o estado de empacotamento, enquanto uma distribuição heterogênea é mais adequada para a taxa de hidratação. Assim, os dois efeitos são exatamente opostos; porém, para as propriedades dos materiais, eles devem ser considerados simultaneamente: por um lado, uma maior densidade de empacotamento é necessária, enquanto que, por outro lado, um maior grau de hidratação é desejável. Resumidamente, o material deve ter a menor porosidade possível Além disso, a dosagem de uma mistura depende da densidade de empacotamento: a menor porosidade é coincidente com a máxima densidade de empacotamento, onde o grau de hidratação é geralmente menor, definindo a dosagem ótima para uma mistura. Isso mostra que o efeito da densidade de empacotamento é o fator mais importante.

A distribuição granulométrica também pode influenciar na demanda de água necessária para produzir uma mistura com trabalhabilidade adequada aos processos de aplicação e adensamento. A demanda de água da mistura está relacionada com a área superficial e com densidade de empacotamento das partículas: quanto maior a área superficial e menor a densidade de empacotamento, maior a demanda de água. Assim, mantendo-se a área superficial constante, quanto mais estreita for a distribuição granulométrica das partículas, maior será a demanda de água para se obter uma mistura com trabalhabilidade adequada.

Quando a relação água/cimento é mantida constante, a área superficial aumenta com o aumento da densidade de empacotamento. Em outras palavras, pode-se dizer que a área superficial pode aumentar sem acréscimo da demanda de água por meio de ajuste na distribuição granulométrica das partículas. Porém, deve-se observar que esse efeito é muito limitado: como a densidade de empacotamento é menor que 1, deduz-se que a área superficial máxima seja igual a razão entre a relação água/cimento e espessura do filme d'água ao redor das partículas; quando a área superficial for maior que a área superficial máxima, o aumento desse parâmetro sempre será acompanhado de um aumento na demanda de água.

Além dos fatores relacionados com as características do sistema de partículas - distribuição granulométrica, morfologia, porosidade - a forma como essas partículas são colocadas em suas posições de equilíbrio deve ser considerada quando se deseja obter empacotamento máximo. No empacotamento de camadas sucessivas, cada camada monodispersa possui o mesmo fator de empacotamento e a mistura de diversos diâmetros não contribui para o preenchimento dos vazios existentes entre as partículas, resultando em um empacotamento global semelhante ao de uma monodispersão; porém, quando as partículas menores ocupam os interstícios entre as partículas maiores, o empacotamento é otimizado, diminuindo a porosidade do sistema. Assim, uma mesma distribuição granulométrica pode gerar empacotamentos distintos dependendo da técnica de compactação adotada.

O estado de dispersão das partículas também deve ser considerado quando se busca um empacotamento máximo. A dispersão inadequada de partículas (formação de aglomerados) pode alterar a curva de distribuição granulométrica inicialmente prevista, aumentando o diâmetro mínimo efetivo da composição e, assim, reduzindo a densidade de empacotamento. Além disso, os aglomerados formados equivalem a partículas vazias que originam poros na microestrutura, prejudicando o desempenho mecânico do produto gerado.



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