Microssílica no UHPC: empacotamento, reologia e aderência das fibras

Entenda como a microssílica altera o empacotamento, a reologia, a hidratação e a interface fibra–matriz do UHPC e quais ensaios evitam excesso de dosagem.

Use as faixas como triagem inicial e valide o tipo e a dosagem com os materiais, a sequência de mistura e as condições reais do projeto.

1. Efeito de rolamento e lubrificação das partículas esféricas submicrométricas

A microsílice é composta principalmente por partículas esféricas amorfas de dióxido de silício extremamente finas, cujo tamanho original é muito menor do que o das partículas do cimento comum.

Quando a microsílice consegue se desagregar completamente e se dispersar uniformemente na pasta de UHPC, as minúsculas partículas esféricas podem penetrar entre as partículas de cimento, reduzindo parcialmente a resistência ao atrito entre as partículas durante os processos de cisalhamento e fluidez, formando um efeito lubrificante semelhante ao de “esferas rolantes”.

Esse efeito contribui para:

• reduzir o atrito interno entre as partículas;
• Melhorar a fluidez da pasta com baixa relação água/cimento;
• reduzir a floculação local e a formação de pontes entre as partículas;
• aumentar a capacidade da pasta de envolver areia de quartzo e fibras de aço.

No entanto, o efeito de esferas rolantes não é produzido automaticamente por todas as micropólvores de sílica.

Ao estudar o impacto de diferentes tipos de microsílice na fluidez do UHPC, Wang et al. descobriram que uma menor porosidade das partículas, uma maior densidade de empilhamento, uma distribuição granulométrica ampla e razoável, bem como um baixo teor de carbono, são fatores mais favoráveis para aumentar a fluidez do UHPC por meio dos efeitos de rolamento de esferas e de plastificação.

Isso significa que, no caso do UHPC, o valor reológico do microssílica não é determinado apenas pelo diâmetro médio das partículas, mas também é influenciado conjuntamente pela morfologia das partículas, pelo grau de aglomeração, pela amplitude do diâmetro das partículas e pelo nível de impurezas.

Se houver aglomeração severa do pó de microsílice, as partículas submicrométricas originais podem participar da mistura na forma de aglomerados maiores. Nesse caso, não só fica difícil exercer os efeitos de microenchimento e de esferas rolantes, como também pode aumentar a demanda de água da pasta, elevar a viscosidade plástica e enfraquecer a eficiência de dispersão do redutor de água policarboxílico.

Portanto, uma afirmação mais rigorosa não seria “quanto mais fina a pó de sílica micro, mais forte é o efeito de esferas rolantes”, mas sim:

em condições de dispersão adequada e granulometria razoável, as partículas ultrafinas esféricas são capazes de exercer um efeito de esferas rolantes — lubrificação — mais eficaz.

2. Preenchimento das lacunas micrométricas e submicrométricas na granulometria

A alta resistência e a alta durabilidade do UHPC derivam, essencialmente, de uma estrutura de empilhamento de partículas multiescalar altamente densa.

Em um sistema típico de UHPC, diferentes materiais assumem diferentes faixas de granulometria:

a areia de quartzo forma a estrutura dos agregados finos; o cimento e o pó de quartzo preenchem as lacunas maiores dessa estrutura; e a microsílice penetra ainda mais nos poros micrométricos e submicrométricos entre as partículas de cimento.

A microsílice, neste contexto, não é simplesmente “mais um pó”, mas preenche as faixas de granulometria ausentes entre o cimento, o pó de quartzo e a areia fina, tornando a distribuição real das partículas mais próxima da curva de empilhamento contínuo.

Ao projetar o UHPC utilizando métodos de empilhamento de partículas, como o modelo Modificado de Andreasen e Andersen, uma das funções importantes da microsílice é melhorar o grau de ajuste do sistema de pós à curva de granulometria alvo, reduzindo os espaços vazios remanescentes após o empilhamento das partículas. Estudos relacionados já utilizaram esse modelo para projetar sistemas de UHPC e UHPFRC com matrizes altamente densas.

A otimização da granulometria traz vários resultados diretos:

Primeiro, a redução dos poros iniciais que precisam ser preenchidos por água e pasta.

Em segundo lugar, a formação de uma estrutura sólida mais contínua com a mesma relação água/cimento.

Em terceiro lugar, a redução de poros locais de grande dimensão e de áreas frágeis.

Em quarto lugar, proporciona um espaço de crescimento mais uniforme para os produtos de hidratação subsequentes.

No entanto, é importante observar que uma alta densidade teórica de empilhamento a seco não significa necessariamente que o desempenho real do UHPC seja melhor.

A espessura da película de água no UHPC, a adsorção do redutor de água, a aglomeração do pó, o teor de ar e a perturbação causada pelas fibras de aço podem fazer com que o estado de empilhamento úmido real se desvie dos cálculos teóricos. Portanto, o modelo de empilhamento de partículas deve ser utilizado em conjunto com ensaios reológicos, testes de teor de ar e verificações das propriedades mecânicas.

3. O microenchimento, a nucleação e a reação pozolânica não são o mesmo processo

A contribuição da microsílice para a microestrutura do UHPC pode ser dividida em três efeitos inter-relacionados, mas que ocorrem em momentos diferentes.

Efeito de preenchimento físico

Nas etapas de mistura e moldagem, a microsílice preenche inicialmente os poros minúsculos entre o cimento e o pó de quartzo, reduzindo os defeitos iniciais e o espaço para a formação de poros capilares.

Essa ação já ocorre antes que a reação de hidratação se desenvolva em grande escala.

Efeito de nucleação

As partículas de pó de microsílice uniformemente dispersas proporcionam mais locais de nucleação para os produtos de hidratação do cimento, promovendo a precipitação de produtos como o C-S-H na superfície das partículas.

Estudos indicam que o efeito de nucleação do pó de microsílice, bem como sua adsorção preferencial por redutores de água policarboxílicos, pode encurtar o período de indução da pasta de UHPC e promover a hidratação precoce do cimento e a liberação de calor.

Reação pozolânica

Nas fases subsequentes da hidratação, o SiO₂ amorfo ativo presente no microssílica reage com o Ca(OH)₂ gerado pela hidratação do cimento, formando gel adicional de C-S-H.

Esse processo reduz os cristais relativamente frágeis de hidróxido de cálcio, refina ainda mais os poros e melhora a matriz e as zonas de transição entre as interfaces.

Um estudo de 2024, que utilizou dióxido de titânio inerte como material de controle, separou os efeitos de preenchimento físico e de reação química da microsílice. Os resultados demonstraram que a microsílice no UHPC não atua apenas por meio da reação pozolânica. seus efeitos de preenchimento, nucleação, adsorção de redutores de água e reações posteriores apresentam contribuições diferentes em diferentes estágios de maturação.

Isso também explica por que, no UHPC com relação água/cimento ultrabaixa, “aumentar a dosagem de microsílice” não necessariamente resulta em um aumento contínuo da resistência.

Quando há insuficiência de umidade efetiva no sistema, a hidratação do cimento é restringida ou ocorre aglomeração significativa da microsílice, o excesso de microsílice pode atuar mais como um enchimento de alta área superficial, sem conseguir realizar plenamente a reação de poeira vulcânica esperada.

4. O microsílice também afeta a dispersão e a aderência interfacial das fibras de aço

A resistência à flexão, à tração e à capacidade de suporte pós-fissuração do UHPC não depende apenas da dosagem de fibras de aço, mas também da distribuição uniforme dessas fibras e da formação de uma resistência de aderência adequada entre as fibras e a matriz.

A microsílice, ao refinar os poros ao redor das fibras, aumentar a densidade da matriz e melhorar a estrutura da interface, pode reforçar a aderência, o atrito e a interligação mecânica entre as fibras de aço e a pasta.

No entanto, ao mesmo tempo, a microsílice também altera a tensão de escoamento e a viscosidade plástica da pasta.

Se a viscosidade da pasta for muito baixa, as fibras de aço podem sofrer sedimentação ou perda de orientação; se for muito alta, pode ocorrer aglomeração das fibras, dificuldade na eliminação de bolhas de ar e redução da fluidez.

Em um estudo de 2019, Wu, Khayat e Shi estabeleceram a dosagem de microssílica entre 0% e 25% da massa do cimento. Os resultados dos ensaios mostraram que, nas condições de formulação e materiais desse estudo, o UHPC com dosagem de microssílica entre 10% e 15% apresentou melhor desempenho na aderência fibra-matriz, resistência à flexão e resistência à tração.

O estudo concluiu que essa faixa de dosagem permitiu que a pasta mantivesse uma viscosidade relativamente baixa e que as fibras de aço fossem distribuídas de maneira mais uniforme.

Outro estudo constatou que, em seu sistema específico de UHPC, a adição de 20% de microssílica foi capaz de melhorar as propriedades mecânicas e reduzir o coeficiente de difusão de íons cloreto, ao mesmo tempo em que reforçou a sinergia entre as fibras de aço e a matriz.

Esses dois resultados não são contraditórios; pelo contrário, ilustram uma questão importante:

não existe, no UHPC, uma “dosagem ideal única de microsílice” independente das matérias-primas e da formulação específicas.

A dosagem ideal é influenciada por fatores como a composição do cimento, a finura do pó de quartzo, a granulometria da areia, a relação água/cimento, o tipo de redutor de água, as especificações das fibras de aço, a energia de mistura e o regime de cura.

5. A escolha da microsílice para o UHPC não deve se basear apenas no teor de SiO₂

Normas como a ASTM C1240 podem servir como um limite mínimo de qualidade para a aplicação de microsílice em materiais à base de cimento, mas, no caso do UHPC, a simples conformidade com normas gerais geralmente não é suficiente.

Na seleção prática, também se deve dar ênfase aos seguintes aspectos:

Distribuição granulométrica e porosidade: se é capaz de preencher os intervalos ausentes na granulometria do cimento e do pó de quartzo existentes.

Morfologia das partículas primárias e estado de aglomeração: se é possível desaglomerá-las efetivamente nos equipamentos de mistura existentes.

Grau de compactação: se o grau de compactação é compatível com o modo de alimentação, a energia de mistura e o ritmo de produção.

Perda por calcinação e teor de carbono: um teor residual de carbono excessivo pode aumentar a adsorção de aditivos e afetar a fluidez e o sistema de retenção de ar.

Compatibilidade com redutores de água policarboxílicos: o mesmo tipo de microssílica pode apresentar fluidez e retenção de colapso significativamente diferentes em diversos sistemas de PCE.

Consistência entre lotes: O UHPC, com baixa relação água/cimento e alto teor de pó, é extremamente sensível a variações nas matérias-primas; mesmo pequenas alterações podem se traduzir em flutuações na reologia e na resistência.

Efeito sobre a retração e a extermia: O efeito de nucleação da microsílice pode acelerar a hidratação inicial, aumentando simultaneamente o risco de extermia precoce e de autorretração. Estudos relevantes indicam que melhorar a dispersão da microsílice e regular sua atividade inicial pode alterar significativamente o processo de hidratação e o desempenho inicial do UHPC.

6. Métodos mais confiáveis para avaliação da microsílice em UHPC

Para as empresas produtoras de UHPC, a avaliação da microsílice não deve se limitar apenas a relatórios de análises químicas, mas deve ser validada em sistemas de formulação reais.

Recomenda-se a realização de testes em, no mínimo, os quatro níveis a seguir:

Verificação da distribuição granulométrica

Inserir a distribuição granulométrica real do cimento, da microsílice, do pó de quartzo e da areia de quartzo no modelo de empilhamento de partículas, analisando o grau de ajuste da distribuição granulométrica e a porosidade teórica antes e depois da adição da microsílice.

Verificação das propriedades reológicas

Além do grau de expansão, deve-se prestar atenção à tensão de escoamento da pasta, à viscosidade plástica, à retenção de fluidez e à capacidade de recuperação da estrutura após a mistura.

Duas formulações com o mesmo grau de expansão podem apresentar viscosidades e estados de dispersão das fibras completamente diferentes.

Verificação da distribuição das fibras de aço

Por meio de cortes transversais, análise de imagens ou amostragem em diferentes partes do elemento, avaliar se as fibras de aço apresentam aglomeração, sedimentação ou orientação evidente.

Verificação de desempenho integral

Testem-se simultaneamente a resistência à compressão, as propriedades de resistência à flexão ou à tração, o comportamento de arrancamento das fibras, a autocontração, o teor de ar e os indicadores de durabilidade, em vez de se basear apenas na resistência à compressão aos 28 dias.

Conclusão

O valor do microssílica no UHPC não se resume simplesmente a “aumentar o SiO₂ ativo”, nem se limita vagamente a “potenciar o efeito de esferas nanométricas”.

Ela participa, na verdade, de um processo de projeto de materiais em múltiplas escalas:

regula a reologia por meio da ação de rolamento e lubrificação de partículas esféricas submicrométricas; otimiza o empilhamento de partículas por meio da compensação do diâmetro; reduz defeitos iniciais por meio do microenchimento; reestrutura os produtos de hidratação por meio da nucleação e da reação pozolânica; e melhora a interface entre as fibras de aço e a matriz por meio da densificação.

Portanto, a microsílice de alta qualidade para UHPC não deve buscar apenas maior pureza ou maior área superficial específica, mas deve apresentar:

distribuição razoável de partículas, estado de aglomeração controlável, boa compatibilidade com redutores de água, desempenho estável entre lotes e capacidade de dispersão adequada ao processo de produção do UHPC alvo.

O UHPC não necessita da microsílice com os indicadores mais elevados, mas sim de uma microsílice capaz de alcançar o equilíbrio entre granulometria, reologia, hidratação e distribuição das fibras na formulação específica.