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 –carimstolz@yahoo.com.br; (2) NORIE/UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul –angela.masuero@ufrgs.br.

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).

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

Ar (A) ƔLA

ƔSL ƔSA B C

Substrato (S)

Líquido (L)

a)

ɸ Líquido (L)

Substrato (S)

b)

Ar (A)

Líquido (L)Substrato (S)

c)

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).

LV

SLSV

cos

(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

Método ResultadosExigências NBR

5736/91

Superfície específica Blaine*** NBR NM 76/98 4398,5cm²/g

Massa específica* NBR NM 23/01 2,76g/cm³

Diâmetro médio** Granulometria a laser 16,95µm

Finura peneira nº 200*** NBR 11579/91 0,27%

Início de pega*** NBR NM 65/02 243,25min ≥1h

Fim de pega*** NBR NM 65/02 284,80min ≤12h

7 dias NBR 7215/96 25,03MPa ≥20MPa

28 dias NBR 7215/96 36,20MPa ≥32MPa

Resíduo insolúvel*** NBR NM 22/04 35,84%

Anidrido Sulfúrico (SO3)*** NBR NM 146/04 2,28%

Óxido de Magnésio (MgO)*** NBR NM 14/04 4,61% ≤ 6,5%

Perda ao fogo*** 3,64% ≤ 4,5%*ensaio realizado no LAMTAC -NORIE - UFRGS

**ensaios realizados no LACER - UFRGS

***dados fornecidos pelo fabricante

Ensaio

Resistência à compressão***

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. Compôs-

se 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 (θm<30º)

e hidrofóbico (θm>90º), 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

Vidro

𝜽m = 27º

ƔSL=935,13 dinas/cm

Polietileno

𝜽m= 96º

ƔSL= -38 dinas/cm

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.

a)

b)

c)

d)

2.4. 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 237,5 250 1,04 1,04

A6 229 240 1,94 1,21

A9 261,3 247 3,29 1,48

* a/c= relação água/ cimento; a/ l= relação água/ ligantes

3.2. 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

Ensaio A3 A6 A9

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 (g/dm².min½)

9,97 C5 18,64 C6 25,97 C6

Módulo de elasticidade dinâmico (GPa)

12,93 NA 6,72 NA 3,37 NA

*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

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 esperava-

se 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.

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150

VIS

CO

SID

AD

E (P

A.S

)

TAXA DE CISALHAMENTO (1/S)

A32 A62 A92

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150TEN

SÃO

DE

CIS

ALH

AM

ENTO

(P

A)

TAXA DE CISALHAMENTO (1/S)

A32 A62 A92

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 (%) Média (%) Desvio Padrão

(%) Coeficiente de variação (%)

A3 POLIETILENO 82,64

79,32 2,89 4 A3 POLIETILENO 77,37

A3 POLIETILENO 77,95

A3 VIDRO 90,40

89,53 3,72 4 A3 VIDRO 84,15

A3 VIDRO 90,86

A3 VIDRO 92,69

A6 POLIETILENO 76,04

79,01 6,69 8 A6 POLIETILENO 88,27

A6 POLIETILENO 79,00

A6 POLIETILENO 72,72

A6 VIDRO 76,90

78,31 9,92 12

A6 VIDRO 83,70

A6 VIDRO 61,90

A6 VIDRO 81,70

A6 VIDRO 87,35

A9 POLIETILENO 82,85

84,66 4,66 6

A9 POLIETILENO 91,26

A9 POLIETILENO 78,49

A9 POLIETILENO 86,11

A9 POLIETILENO 84,58

A9 VIDRO 93,96

92,19 1,42 2 A9 VIDRO 90,48

A9 VIDRO 92,00

A9 VIDRO 92,32

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

Argamassa 427,6 2 213,8 5,983 0,009655 Sim

Substrato 195,8 1 195,8 5,479 0,030304 Sim

Argamassa*Substrato 132,3 2 66,1 1,851 0,184340 Não 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

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.

A3 A6 A9

Argamassa

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

Co

nta

to (

%)

POLIETILENO VIDRO

Substrato

76

78

80

82

84

86

88

90

92

Co

nta

to (

%)

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

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.

Argamassa A3 Argamassa A6 Argamassa A9

POLIETILENO VIDRO

Substrato

65

70

75

80

85

90

95

100

Co

nta

to (

%)

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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.