Considerações fundamentais para a combinação granulométrica ideal para os agregados dos materiais de engenharia.

 Considerações fundamentais para a combinação granulométrica ideal para os agregados dos materiais de engenharia.

Autor: Luís Mateus Genova, Ruan Larisson Toninatto Vilela e Denis bek Arruda.

 

            Compacidade é a qualidade daquilo que é compacto. Ou melhor dizendo, um valor que representa o quão o material está compacto, ou, também, a proporção de sólidos contidos em certo volume de material granuloso.

            Muitos materiais de engenharia como concreto e argamassa contém uma combinação de materiais granulosos minerais, geralmente brita e areia, que são colados uns nos outros com cimentos ou resinas, e que, quando melhor combinados seus tamanhos, geram uma melhor compacidade do material final. Tais materiais granulosos que são denominados agregados, e seus ligantes denominados aglomerantes.

            Os agregados tem seu tamanho máximo definido por questões de facilidade de trabalhar, e também caber em seus moldes, passando fácil pelas armaduras de aço, etc. e pelas formas estreitas sem muito atrito. Ou seja, para se moldar uma peça de 2cm de espessura, não posso utilizar um agregado com dimensão superior a tal, inclusive deve ser um tanto inferior para que se consiga preencher bem a forma.

            Algumas normas, em casos específicos, recomendam valores até bem menores que a dimensão total do produto para que o agregado possa atravessar pequenos espaços e obstáculos dentro do produto, e que faça isso com facilidade, sem ser retido, e, portanto, formando poros indesejados nas peças. É o caso do graute que se recomenda agregados muito inferiores ao espaço, por questões de ser lançado de uma grande altura, necessitando uma alta fluidez (Mohamad, 2020). Ou no caso da produção de peças de blocos de concreto que na norma limita ao valor máximo do agregado de metade da espessura das paredes do bloco (ABNT NBR 6136:2016).

            Se utilizássemos só um tamanho de agregado em um material sem ligante, sua compacidade seria a mesma em diferentes escalas. Tanto para 1 quanto para 10cm, por exemplo. Por isso ao definir uma boa combinação, com diferentes tipos, também podemos escalar isso quando necessário.

            É entendido que ao combinar diferentes tipos de tamanhos de agregados pode se gerar uma melhor compacidade, veja a Figura 1, abaixo.

Figura 1: Distribuição granulométrica e o volume de vazios (adaptado de PCA, 2003).

 

 

            Embora fosse o melhor possível, seria de baixo custo-benefício e improdutivo, portanto, inviável combinar muitos tipos diferentes de agregados. Portanto, se limita as combinações em 2 tipos ou um pouco mais para obter o melhor custo-benefício.

            Muitos fatores também interferem na melhor combinação possível, alguns exemplos são: a média do tamanho dos agregados a serem combinados; a distribuição granulométrica dessa média, ou seja, seu desvio padrão; a forma dos agregados ou índice de forma (Figura 3(b)), mais redondos ou achatados; seu comportamento e facilidade de misturar homogeneamente com seus ligantes, como materiais cimentícios ou resinas.

            Por isso a variação da distribuição granulométrica da faixa de agregados que se está utilizando pode interferir na melhor compacidade. Veja um exemplo de distribuição granulométrica na Figura 2, abaixo. A imagem de um ensaio para definir essa composição, junto com um exemplo de forma do agregado é apresentado na sequência, na Figura 3(a) e 3(b) respectivamente.

Figura 2: Distribuição granulométrica (a) discreta e (b) acumulada dos agregados (adaptado de Bauer, 2019).

Figura 3: (a) Sequência de peneiras no ensaio de peneiramento; (b) dimensão da partícula que fica retida na peneira (adaptado de Kwan et al., 1999).

 

            Uma distribuição granulométrica contínua das partículas pode atrapalhar a compacidade dificultando movimento entre umas e outras, causando o denominado “efeito parede”. Assim deve haver granulometrias descontínuas, com ausência de determinados tamanhos de partículas, facilitando a mobilidade do conjunto, que é alcançado quanto partículas de tamanho superior e inferior possuem uma razão de 10 entre elas (Oliveira, 2000). Nota-se na Figura 4, que a partir da razão de 10 já se garante a melhor compacidade e eliminado o efeito parede.

Figura 4: Influência do tamanho das partículas na densidade relativa de empacotamento (adaptado de Oliveira, 2000).

 

            Isso corrobora estudos antigos como de Feret (1892) que também obteve melhor compacidade quando utilizou combinações de areias com razão de 10.

            Feret (1892) que estudou uma mistura de agregados de areia grossa (5 a 2mm), média (2 a 0.5mm) e fina (inferior a 0.5mm) para argamassas, e obteve o melhor resultado de compacidade de 0,734 com a quantidade de 80% de areia grossa e 20% de areias fina, sendo dispensado o uso da areia média para melhor compacidade dessa combinação.

            Estudos recentes com três combinações diferentes de tamanhos de partículas foram feitos por Ramos et al. (2015) para um material aglomerado com resina, que obteve experimentalmente em seu material a melhor compactação com tamanhos grande (7 a 12mm), médio (2 a 4mm), e fino (0.3 a 1.2mm) utilizando, de 30%, 20% e 50% respectivamente.

            Também, para um compósito com resina Lovo et al. (2018) traçou um diagrama da melhor compactação com 3 faixas de valores, grande (1.2 a 2mm), médio (0.3 a 0.6mm) e fino (0.1 a 0.2mm) utilizando teores dos mesmos, de 50%, 15% e 35% respectivamente. O resultado foi obtido realizando 66 misturas, seguindo as ABNT NBR 12173 e ABNT NBR 248, o resultado de diferentes misturas pode ser visualizado no diagrama ternário na Figura 5.

Figura 5: Diagrama ternário da relação da densidade e as 3 combinações de granulometria (adaptado de Lovo et al. 2018).

 

            É interessante perceber que nos dois últimos estudos citados, ambos pesquisadores deram uma folga entre uma faixa de tamanho e outro para melhor movimentação das partículas.

            Por fim, para diversos materiais de engenharia, tanto quanto utilizados aglomerantes poliméricos ou cimentícios, em geral os agregados possuem resistência superior ao da cola, seja de cimento ou resina. Portanto, em geral é importante a melhor compacidade possível para a maior quantidade possível de agregado no compósito.

 

CONCLUSÃO

            Como discutido, encontrar a melhor combinação granulométrica para os materiais de engenharia não é uma tarefa fácil. Porque inclusive não depende só da combinação dos mesmos para garantir melhor compacidade do compósito, mas também de como ele se movimenta com os aglomerantes adicionados. Para o próprio concreto, um dos materiais mais utilizados na construção existem vários métodos de sua dosagem, não havendo consenso em qual seria mais apropriada já que depende de inúmeros fatores.

            Contudo, alguns princípios e parâmetros importantes foram discutidos acima que podem dar dicas em materiais de situações similares. Mas se recomenda que para cada compósito específico se aprofunde na literatura específica do mesmo para identificar os principais fatores que interferem em cada caso.

 

Referências bibliográficas

 

ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12173: “Fine-grained refractory materials -determination bulk specific gravity”. Rio de Janeiro, 2012.

 

ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 248: “aggregate materials -determination bulk composition”. Rio de Janeiro, 2003.

 

ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6136: “Blocos vazados de concreto simples para alvernaria - Requisitos”. Rio de Janeiro, 2016.

 

FALCÃO BAUER, L. A. Materiais de Construção. ed. 6. vol 1. LTC: Rio de janeiro, 2019.

 

FERET, R. Sur la compacité des mortiers hydrauliques. Anmales Ponts et Chaussées, 7. Serie, IV, n. 21, 1892.

 

KWAN, A. K. H. et al. Particle shape analysis of coarse aggregate using Digital Image Processing. Cement and Concrete Research, v. 29, 1999.

 

LOVO, F. P. et al. Synthetic granite composite for precision equipment structures. Matéria (Rio de Janeiro), v. 23, n. 4, 2018.

 

MOHAMAD, G. Construções em alvenaria estrutural: Materiais, projeto e desempenho. 2. ed. Ampliada e revisada conforme a NBR 16868/2020. São Paulo: Blucher, 2020.

 

OLIVEIRA, I. R.; STUDART, A. R.; PILEGGI, R. G.; PANDOLFELLI, V.C. Dispersão e empacotamento de partículas: princípios e aplicações em processamento cerâmico. São Pualo: Fazendo Arte Editorial, 2000.

 

PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA), 2003. Aggregates for concrete. In: Design and control of concrete mixes. 14. Ed. Illinois: PCA, 2003, p. 79-103.

 

RAMOS, D. T. L., PALLONE, E. M. J. A., PURQUERIO, B. M. et al, “Design and construction of a pin-on-disc bench for wear testing”, Cerâmica, v. 60, n. 355, pp. 443-448, Jul. 2014.