Esta publicação pretende abordar alguns conceitos sobre a química dos materiais, em termos do proporcionamento, dos mecanismos atuantes, dos protagonistas importantes na química dos materiais inorgânicos e sobretudo dos efeitos físicos e físico-químicos resultantes associados aos processos químicos, e das condições de cura e desenvolvimento dos produtos.
Uma das questões que se coloca é o quanto é benéfico
incrementar a porcentagem de determinada substância, em proporção; o quanto é
pouco ou é muito. Os materiais se combinam de acordo com proporções bem
definidas, tomadas com relação às suas massas. Os valores destas proporções
podem variar conforme o tipo de substâncias que estamos lidando, razão pela
qual não podemos reproduzir indiscriminadamente uma experiência. Estas
proporções em massa podem ser expressas por entes químicos, denominados por “átomo-grama”,
“mol”, ou “equivalente-gramas”. As fórmulas químicas são combinações destes
valores, multiplicados por coeficientes.
Compreende-se, então, que as reações químicas obedecerão a
proporções bem definidas, de modo que, valores que estiverem postos além dos
que são requeridos para a combinação se constituirão em excessos, não
participarão das reações químicas, e se depositarão na estrutura interna do
material, sem cumprir função, e normalmente favorecendo a heterogeneidade, com
possíveis consequências no comportamento mecânico ou hídrico.
Poderá influenciar na formação e vazios, induzindo à
comportamentos diferenciados, promovendo concentração de tensões, aumento da
fragilidade, ou aumento da permeabilidade.
Um teor ótimo de uma
substância incorporada à outra
Um teor ótimo para uma substância em adição pode ser
percebido. Partindo-se de valores reduzidos, um benefício crescente pode ser alcançado
com o aumento do teor desse com relação à massa do material de referência,
contudo, se por um lado o crescimento da incorporação pôde ser favorável até
determinado valor, a parir deste, efeitos colaterais podem afetar o material,
tornando agora decrescentes os resultados. Alcançou-se então o teor ótimo do
material. Certamente este teor ótimo pode depender das condições particulares
de reatividade, e anda de contingências físicas ou físico-química promovida
pelas condições da experiência, como se verá adiante.
Mecanismos
particulares de atuação
Mecanismo de atuação são importantes para o cumprimento das
funções químicas dos materiais. Por exemplo, o mecanismo de atuação para o caso
da cal é o da recarbonatação, quando o hidróxido de cálcio presente na
argamassa se combina com o gás carbônico da atmosfera, formando o carbonato de
cálcio, conforme ele era antes da queima; já para o caso do gesso, é o da
rehidratação, quando o sulfato de cálcio anidro se combina com a água para
formar o sulfato de cálcio hidratado como ele era antes da queima.
No caso do cimento Portland, este tem como principal
mecanismo a hidratação dos silicatos dicálcicos e tricálcicos, e a hidratação
dos aluminatos de cálcio, sendo que dos silicatos hidratados permitem alcançar
o ganho de resistência mecânica, enquanto que os aluminatos são os principais
fornecedores do calor de hidratação para o desenvolvimento das reações.
Os produtos formados apresentam peculiaridades em termos de
composição química estruturas químicas, podendo os estados de agregação, entrelaçamentos,
e colagem sofrer influências das condições de formação.
Um aglomerante pode conter impurezas, o que seria por
exemplo a presença da cal virgem em cimento Portland, a qual pode contribuir
para o aumento do calor de hidratação pela sua extinção, podendo tornar este
calor de hidratação excessivo. Também, as reações de hidratação dos componentes
do Portland, em particular os silicatos de cálcio, tem com subprodutos finais
de hidratação a cal hidratada. Da cal hidratada produzida pela extinção da cal
virgem e da liberação das reações de hidratação dos componentes do Portland se
obtém a possível formação de carbonatos de cálcio, sujeitos à dissolução pela
ação da água, à longo prazo.
Do efeito desfavorável da presença da cal hidratada no
cimento Portland, recorre-se então ao uso de substâncias que gozem de
“atividade pozolânica”, a qual consiste na capacidade de fixa a cal hidratada
com a formação de compostos cimentantes, mesmo quando submersos, e que
apresentem resistência à ação de dissolução da água, à longo prazo. Desta
forma, a cal hidratada não ficará livre, e se previne quanto à possível
dissolução dos carbonatos que seriam formados, e que conduziriam ao aumento da
porosidade e da permeabilidade do concreto.
Além de pozolanas, outras substâncias podem ser aliadas na
mitigação com relação ao efeito da presença da cal, são as escórias de alto
forno. Estas podem ter o comportamento hidráulico despertado pelo ambiente
alcalino, sendo isto denominado de “ativação alcalina”.
A química e a física
dos materiais
Cabe considerar que associados aos processos químicos
existem os fenômenos físicos e físico-químicos que acompanham os materiais; por
exemplo, a dispersão ou a floculação das partículas. Isto pode acontecer nos processos
de tecnologia do concreto, ou da estabilização química de solos. No caso dos
concretos existem os aditivos superplastificantes, que atuam por ação estérica
e eletrostática, e no caso da estabilização de solos pela interferência na
“dupla camada difusa”, presente em torno das partículas carregadas.
Dentro do campo da estabilização de solos pode-se distinguir
dois casos que podem ser considerados como referência: o de estabilização de
solos com cimento e o de estabilização de solos com cal. Para o caso do
solo-cimento o processo se desenvolve mediante as reações de hidratação do
cimento nos interior dos vazios do solo, proporcionando a formação de uma
matriz cimentante que aglomera as partículas do solo; já para o caso do
solo-cal o processo se dá de modo diferenciado no interior do solo compactado,
pois, o processo de recarbonatação é inviabilizado neste caso, em face das
dificuldades de acesso do gás carbônico no interior dos vazios do solo, e na
verdade existe um processo mais nobre para a estabilização, que são as reações
pozolânicas que ocorre entre a cal e os elementos solubilizados do solo.
Em termos de estabilização e solos, como visto, os aditivos
põem reagir com as substâncias minerais, de maneira que diferentes tipos de
aditivos poderão apresentar diferentes desempenho frente à diferentes tipos e
solos. No caso da estabilização de solos com cal as reações pozolânicas são
realizadas mediante a presença de íons de cálcio no solo; já para os casos de
estabilização de solos por ativação alcalina, como nos casos do hidróxido de
sódio e do hidróxido de potássio, as reações se dão mediante a presença de
alumínio e sódio e potássio, constituindo-se em um outro domínio de
estabilização.
As condições de
energia e condições de cura
Os materiais requerem energia para que possam ter lugar os
processos químicos desejados, da mesma forma que eles podem liberar energia.
Esta energia liberada pode ser a necessária para a sustentação do processo, ou
pode ser excessiva, conduzindo a efeitos indesejáveis, tais como a aceleração
da evaporação e da retração não bem conduzida.
A termodinâmica química pode dar um indicativo de que
determinada reação química poderá ocorrer, com base no valor total da entalpia
dos produtos finais e dos reagentes, de modo que se diminua a energia livre do
sistema, mas não diz o tempo em que elas deverão ocorrer.
Em decorrências, determinadas reações químicas poderão
ocorrer de imediato, ou levarão um tempo maior para que elas ocorram. Muitas
vezes se recorre à banhos térmicos para que o processo possa ser acelerado.
O tempo de cura é então importante para os processos
químicos.
A cura pode ser influenciada pela temperatura, e pela
presença de substâncias catalizadoras. Um teor ótimo de um aditivo em mistura
poderá variar, quando considerado o tempo de cura. Quanto maior for o tempo de
cura, maior poderá ser o teor ótimo do aditivo, sujeito à um valor máximo
limitante. Isto em decorrência da maior quantidade de reações de cimentação,
favorecidas pela difusão interna de substâncias ativas.
Com o decorrer do tempo de cura se pode ter então o material
no estado final para a determinada idade de cura, e com as propriedades
adquiridas com base no grau de cimentação e estruturação interna.
