Direitos Reservados UFPR. Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná

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1 Prof. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior Materiais de Construção 1 Disciplina: TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I do Concreto GRUPO MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO ADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR A ESTRUTURA DO CONCRETO Complea Concreto Estrutura Heterogênea Composição depende de Inúmeros Fatores Micro Estrutura Macro Estrutura 1 2 Resistência Densidade e compacidade Estrutura interna Durabilidade permeabilidade Macro Estrutura Agregados Pasta Macro-poros Deformações... Fatores eternos e agentes agressivos 3 4 Micro Estrutura Agregados Pasta Água Micro-poros Zona de Transição Macro-poros Micro-poros > 50 nm < 50 nm Resistência Permeabilidade Retração por secagem Fluência 5 6 1

2 Retração Agregados Relação a/c Fluência Cimento (kg/m 3) a/c Retração (10-5 ) Aumento de deformação com o tempo, sob carregamento constante! Pasta , Argamassa 550 0,50 90 Concreto 450 0,30 20 Concreto 450 0,50 80 Concreto 450 0, Concreto 250 0,30 5 Concreto 250 0,50 20 Concreto 250 0, Fluência Relaação Em estruturas de concreto onde há restrição à deformação (deformação imposta), a fluência apresentará um decréscimo da tensão com o tempo! Relaação Tensão constante FLUÊNCIA tempo Deformação aumenta Deformação constante RELAXAÇÃO tempo σ t Ɛ Resistência diminui 9 10 Microestrutura Introdução Microestrutura Fluência e relaação efeitos Estudo através de microscopia ótica e eletrônica Perda de protensão ao longo do tempo em peças de concreto protendido ( previsão no cálculo ) Ocorrência de flechas provocam fissuração de elementos de vedação e revestimentos Transferência de tensões do concreto para o aço em peças comprimidas de concreto armado Microscópio Eletrônico de Varredura MEV Ruptura com cargas mais baias

3 Microestrutura Introdução Microestrutura Introdução Aumentos de até Imagens tridimensionais (Leica) Microestrutura Introdução Microestrutura Introdução Microscópio Eletrônico de Varredura MEV EDS - Espetroscopia por Energia Dispersiva por feies de raios X DRX Difração de raios X Permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de uma região da amostra Importância do estudo da microestrutura Microestrutura Introdução Microestrutura Introdução Auiliar na previsão e otimização das propriedades físicas e mecânicas do concreto; Ensaios não-destrutivos Prevenir manifestações patológicas nas estruturas; Ferramenta para análise de manifestações patológicas; Contribuir para a durabilidade das estruturas; Desenvolvimento de novos aditivos, adições e suas consequências;

4 Agregados Introdução Agregados Introdução Características físicas: FASE AGREGADO Efeitos da geometria dos grãos: Porosidade: absorvem água - altera a/c e ZT Pode faltar água na região de aderência do agregado com a pasta Agregados leves - argila epandida,... - Ocupam 80 a 90 % do volume - Influenciam: E - módulo de elasticidade Condutibilidade térmica Resistência mecânica 19 Agregados naturais como a areia e os seios tem superfície polida com pouca porosidade. 20 Agregados Introdução Agregados Introdução Efeitos da geometria dos grãos: Rugosidade: Aumenta aderência com a pasta, Altera a fluidez Efeitos da geometria dos grãos: Forma dos grãos: Grãos lamelares reduzem a fluidez Areia e os seio são menos rugosos. Britas tem superfície mais rugosa ± cúbico Alongados ou lamelares Agregados Introdução Agregados Introdução Forma ou geometria Classificação: Normais (cúbicos, esféricos ou tetraédricos): todas as dimensões aproimadamente iguais Lamelares: há grande variação na ordem de grandeza das dimensões Forma ou geometria Esféricas: melhores características Lamelares: < trabalhabilidade; portanto, > consumo de cimento Maiores superfícies de interface (superfícies preferenciais de ruptura) Créditos: Engº. Carlos Gustavo Marcondes Assessor Técnico Comercial Itambé

5 Agregados Introdução Pasta Introdução Grãos lamelares Agregados mais rugosos FASES CONSTITUINTES DA PASTA Pasta = matriz contínua e porosa Maior quantidade de vazios Maior aderência c/ pasta Reduz a fluidez Não é homogênea nem imutável!!! Maior consumo de pasta de cimento Maior custo Aumenta retração Aumenta calor... Eige mais pasta Maior consumo de cimento 25 Idade da pasta ou grau de hidratação Quantidade de água ou a/c Proimidade com uma superfície 26 Pasta Introdução Pasta Introdução Estágios da hidratação do cimento: Estagio I: Em contato com a água ocorre uma rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis solúveis, Ca 2+, SO 4 2- e íons OH em solução, resultando em um ph de 12 a 13. Estagio II: Os íons Ca 2+, SO 4 2- e íons OH reagem com os silicatos e aluminatos para formar gel de C-S-H, etringita e portlandita, formando uma barreira em torno dos grãos de cimento não hidratados, retardando novas hidratações, permitindo um período de trabalhabilidade durante o qual o concreto deve ser lançado e assentado. Estágios da hidratação do cimento: Estagio III: Durante o Estágio II, a concentração de íons Ca 2+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira. Com a supersaturação de Ca 2+, seguida da precipitação de Ca(OH) 2, ocorre uma rápida hidratação dos grãos de cimento gerando gel de C-S-H e etringita. A formação de gel de C-S-H e o intertravamento das partículas promovem a pega e o endurecimento. ( K. Luke) 27 ( K. Luke) 28 Pasta Introdução Pasta Introdução FASES CONSTITUINTES DA PASTA Fase 1 - Sólidos 3 fases Fase 2 Vazios ou poros Fase 3 - Água 1: C-S-H 2: Ca(OH) 2 ou (C-H) 3: Vazio Capilar C-S-H C-H Vazio (Moranville, 1992)

6 FASE 1 -SÓLIDOS produtos da hidratação; C-S-H; Hidróido de cálcio; Sulfoaluminatos; FASE 1 - SÓLIDOS Etringita; Observação: eistem grãos anidros (não hidratados) principais produtos da hidratação do cimento Portland; Estruturas Fibrilares: C-S-H Cristais de C 3 S e C 2 S hidratados C-S-H; Hidróido de cálcio; C-H Etringita. Etringita 2C 3 S + 6H 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + 3CH cal/g C 3 S 2 H 3 +CH + 62 cal/g 50 % a 60% do volume da pasta Estruturas Fibrilares: C-S-H Estruturas Fibrilares: C-S-H São as estruturas C-S-H: C=CaO, S=SiO 2, H=H 2 O Estruturas unidas através de ligações de Van Der Waals Ecelente resistência mecânica e química 35 (Furnas Centrais Elétricas) 36 6

7 Estruturas Fibrilares: C-S-H Estruturas Prismáticas: C-H C-H Cristais de C-S-H crescendo depois de duas semanas de hidratação (a/c=0,8). A morfologia dos cristais depende das condições de cura. 2C 3 S + 6H 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + 3CH cal/g C 3 S 2 H 3 +CH + 62 cal/g Cristais de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) FONTE: ALIZADEH, % a 25% do volume da pasta Estruturas Prismáticas: C-H C-H Estruturas Prismáticas: C-H C-H Cristais de grande tamanho Formas heagonais Formados p/ hidróido de cálcio - Ca(OH) 2 ph elevado da pasta (ph 13) Cristais porosos, solúveis em água, muito reativos quimicamente Baia resistência mecânica Estruturas Prismáticas: C-H C-S-H C-H C-S-H C-H C-H Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos Cristais grandes e volumosos Formados por C 3 A + gesso hidratados C 3 A +3CSH + 32H C 3 A. 3CSH 32 Etringita Instáveis, com a redução na concentração de sulfato, a etringita se decompõe, formando monossulfato C 3 A + CSH + 12H C 3 A. CS.H 12 Monossulfato Micrografias (MEV) (Silva, F.J. da, IME) 41 (ocupa menor volume) 42 7

8 Etringita: Reação do C 3 A em solução de gesso. Concrete.cee.hiroshima-u.ac.ip/research e.html C 3 A + gesso hidratados C 3 A +3CSH + 32H C 3 A. 3CSH 32 Etringita primária Formam-se nas primeiras horas de hidratação; São os primeiros cristais da pasta a se formar Cristais em formato de agulhas; Agulhas se intertravam e prendem muita água; Cristais muito porosos com baia resistência mecânica _ C 6 AS 3 H 32 Etringita, A ft Etringita: Etringita: Cristais em formato de agulhas; Etringita secundária: Na presença de umidade no concreto já endurecido, a etringita recristaliza em cristais maiores dentro dos vazios. Etringita secundária em vazio de ar Etringita secundária em microfissuras (Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,) (Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002) Podem ocasionar uma hidratação inadequada (falsa pega) levando ao enrijecimento prematuro do concreto, prejudicam a trabalhabilidade (altera início e fim de pega) depende do sulfato adicionado ao clínquer. 45 (Maria Virginia Heumann e Fabiana Moares) (Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,) 46 Etringita secundária: Etringita secundária: Micrografia eletrônica (MEV) mostrando um vazio capilar com alguns cristais de estruturas crescendo para o seu interior. Etringita secundária em vazio de ar (Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,) 47 Depósitos secundários em um vazio de ar: Pequenas agulhas de etringita secundária. 48 8

9 A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato. _ C 4 AS.H 18 Monossulfato A fm A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato. _ C 4 AS.H 18 Monossulfato A fm Monossulfato: (Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002) Com a redução na concentração de sulfato, a etringita se decompõe, em monossulfato, se o sulfato volta a estar disponível, forma-se novamente a etringita. 49 Cristais heagonais organizados em forma de rosas Vulnerável ao ataque de sulfatos 50 Grãos de clínquer não hidratados: Monossulfato C 3 A. CS.H 12 Grãos de clínquer não hidratados C-S-H Etringita C 3 A. 3CSH 32 (Mehta e Monteiro, 1984) Volumes Relativos Grau de hidratação em pasta com a/c=0,5 FASE PASTA MATRIZ (Weiss, J.; 2005) 53 (Weiss, J.; 2005) 54 9

10 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios na pasta endurecida: São de etrema importância Maior quantidade de vazios: > porosidade > permeabilidade < resistências mecânica < resistência química > retração > fluência Onde estão? Espaço interlamelar no C-S-H; Vazios capilares; Vazios de ar incorporado; Vazios de ar aprisionado; Que tamanho? Espaço interlamelar no C-S-H 1 a 4 nm Vazios capilares 0,01 a 1 µm Ar incorporado 0,05 a 1 mm Ar aprisionado 0,5 a 5 mm 1 nm 10-9 m Espaço interlamelar das estruturas C-S-H: Estruturas C-S-H formam lamelas muito próimas 5 a 25Å (1 Å= m) Poros muito pequenos - pouco afetam a resistência mecânica ou a permeabilidade. Intervalos dimensionais dos sólidos e poros na pasta endurecida Porém, quando a água sai destes espaços, podem ocasionar retração significativa

11 Poros formados pela parte da água de amassamento que não reage. 20 a 25% peso de CP em água reage quimicamente ( água estequeométrica ) Toda água além, sobra e fica dentro dos poros capilares Qual a faia comum de relação a/c? a/c comum: 0,40 a 0, Mas porque não usamos 0,20 a 0,22 que é a água necessária para reação química com o cimento? Resultado disso: Sobra 50 a 70% da água utilizada Fluidez 63 É isso que gera os poros capilares nos concretos e argamassas cm 3 + H 2 O cm g de cim. Densidade do cimento? ± 200 g de H 2 O 3,18 g/cm

12 318 g de cim. V t = ,7 = = 320 cm g de cim. V vaz. Cap. = = 120 cm 3 = 37%

13 Poros provocados pela água que sobra da relação a/c. (Hervé Neto, E.; 2008) Poros com diâmetros de 0,01 µm a 1,0 µm. 10 nm a 1000 nm Quanto > a/c, maior a quantidade de poros capilares e maiores os seus diâmetros. Poros com Ø < 50nm não afetam a resistência mecânica mas provocam forte retração com a saída da água. Poros com Ø > 50nm prejudicam a resistência mecânica mas não causam muita retração com a saída da água Ar Aprisionado: Bolhas de ar (± 5 mm) ficam aprisionadas devido a mistura na betoneira Representa (1 a 2 %) do volume total do concreto Ar incoporado: Aditivos Incorporadores de ar: Os aditivos incorporadores de ar (IAR) também são compostos tensoativos iônicos que reduzem a tensão superficial da água. Moléculas do aditivo 75 (Mehta/Monteiro) 76 Ar incoporado: Incorporador de ar Ar incoporado: 1. As bolhas de ar se repelem devido a cargas de igual polaridade atuando em suas superfícies. 2. O sistema de microbolhas é estável, não se desfazendo facilmente mediante vibração convencional. Contribuem para diminuir a esudação. Bolhas de 50 a 200 µm. Aumenta a fluidez; Incorporação de ar também é utilizada para resistência ao fenômeno gelo-degelo. (Mehta/Monteiro)

14 Ar incoporado: Esféricos FASE 3 ÁGUA Micrografia MEV mostrando uma bolha de ar incorporado de 1 mm A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA: Na pasta recém endurecida eiste muita água, tanto livre (líquida) ou quimicamente combinada. Estas águas são mais ou menos fáceis de sair do concreto, a pasta que é inicialmente saturada sofre uma perda contínua da água até o equilíbrio com a umidade do meio ambiente. Sob calor 100 % da água pode sair. 81 A água presente na pasta é classificada em função da dificuldade com que pode ser removida. Quimicamente combinada Interlamelar Adsorvida Capilar ou livre Água quimicamente combinada de cristalização Integra a estrutura física do C-S-H e CH Varia de 0,20 a 0,25 kg/kg cimento anidro (para 100 % de hidratação) 500ºC inicia a saída da água nos cristais Ca(OH) 2 2. Água interlamelar ou água de gel monomolecular, fiada ao C-S-H por pontes de H (presa entre as lâminas das estruturas C-S-H) apenas se movimenta p/ U.R. < 11% e temp. > 100 ºC; Pode causar fluência e forte retração Lamela de C-S-H 900ºC sai a água das estruturas C-S-H

15 3. Água adsorvida aderida às superfícies sólidas, sob atração elétrica (pontes de hidrogênio) Lamela de C-S-H apenas se movimenta p/ U.R. < 30%; Sua saída é o principal causador da retração por secagem. 6 camadas de água Água capilar No interior dos vazios; (nos poros entre 5 nm e 50 nm) sob efeitos de tensão capilar retração hidráulica ou de secagem (nos poros acima de 50 nm) água livre, sua saída não causa retração (José Freitas Jr.) 88 Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado plástico. Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido

16 Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido. Quais as águas da pasta hidrata? A ZONA DE TRANSIÇÃO: A ESTRUTURA DO CONCRETO Zona de Transição Onde ocorre preferencialmente a ruptura no concreto Zona de Transição Concreto 1 Concreto 2 Zona de transição

17 A ZONA DE TRANSIÇÃO: A ZT é a interface entre o agregado e a pasta Espessura de aproimadamente 1/20 mm Baia resistência mecânica da ZT: Zona de transição Pasta de Cimento É o elo mais frágil do concreto agregado As rupturas em concretos comuns iniciam na zona de transição 97 (Mehta e Monteiro, 1994) 98 Baia resistência mecânica da ZT: A ZONA DE TRANSIÇÃO: Concentração de etringita - cristais grandes, porosos com baia resistência mecânica Filme de água - aumenta a/c (esudação interna) Os cristais de hidróido de cálcio se posicionam paralelamente à superfície do agregado, favorecendo a eistência de planos de clivagem. (Paulon, V.; 1991) Zona de transição agregado Pasta de Cimento 99 (Mehta e Monteiro, 1994) 100 Corante azul indicando a maior porosidade da zona de transição no entorno dos grãos dos agregados graúdos. Zona de Transição (Mehta e Monteiro,2006)

18 A ZONA DE TRANSIÇÃO: Esudação Esudação é a tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém lançado, devido ao sua densidade (1g/cm 3 ) ser menor que a dos agregados ( 2,4g/cm 3 ) e a do cimento ( 3,1g/cm 3 ). Fenômeno faz com que o fator a/c da superfície fique enorme, reduzindo a resistência mecânica na região. Esudação interna Esudação interna é a não visível. É a água que ao subir fica presa sob os agregados e vergalhões de aço. 21:33 A esudação interna prejudica a aderência da pasta de cimento aos agregados e vergalhões de aço. (Granato, Basf) 103 (Mehta e Monteiro,2006) 104 Esudação interna A ZONA DE TRANSIÇÃO: Concreto convencional Concreto de alta resistência - CAR Silia Fume Association CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO - CAD MICROESTRUTURA Estrutura Introdução Interna Materiais de Construção A ESTRUTURA DO CONCRETO REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS: FASE AGREGADO Rocha com alta resistência. Lamelaridade prejudica. FASE PASTA MATRIZ Baias relações A/A - minimizam vazios. Sílica ativa, mais C-S-H e efeito microfiler. ZONA DE TRANSIÇÃO Baias relações A/A e a SA melhoram ZT. ZT perfeita (Aïtcin, 2000) 107 CONCRETO: Estrutura, Propriedades e Materiais, P. Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro, São Paulo: Pini, CONCRETE, Microstucture,Properties and Materials,, P. Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro, McGraw-Hill, 2006 Aulas Prof. José Marques Filho A microestrutura do concreto convencional Concreto Ensino, Pesquisa e Realizações IBRACON, Capítulo 19, Vladimir A. Paulon. Considerações sobre a microestrutura do concreto, Luis Fernando Kaefer