Universidade Federal do Ceará. Curso de Engenharia Civil. Aulas 1 e 2: Aglomerantes Cal, Gesso e Cimento. Prof. Eduardo Cabral

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1 Universidade Federal do Ceará Curso de Engenharia Civil Aulas 1 e 2: Aglomerantes Cal, Gesso e Cimento Prof. Eduardo Cabral Definições Aglomerantes É o material ligante, ativo, geralmente pulverulento, cuja a principal função é unir os agregados inertes. 1

2 Tipos Hidráulicos cimento cal hidráulica Aéreos cal aérea gesso Poliméricos polímeros asfalto Cal A cal é um aglomerante inorgânico ou mineral, isto é, com constituintes minerais, produzido a partir de rochas calcárias, composto basicamente de cálcio e magnésio, que para a sua aplicação, apresenta-se sob forma pulverulenta; em mistura com a água, forma uma pasta com propriedades aglomerantes, como resultado da reação com o anidrido carbônico (CO 2 ) presente na atmosfera; após endurecimento, não resiste satisfatoriamente quando submetida à ação da água. O endurecimento da cal ocorre por reação com o CO 2. 2

3 Tipos de cal Quanto à extinção Cal virgem constituída predominantemente de óxidos de cálcio e magnésio. Cal hidratada constituída de principalmente de hidróxidos de cálcio e magnésio, além de uma pequena fração de óxidos não hidratados. além dessas fases principais, carbonatos de cálcio e magnésio também estão presentes. Cal hidráulica produto industrial oriundo do calcário argiloso (marga) e se hidrata de maneira semelhante ao cimento Tipos de cal Quanto ao teor de óxido de cálcio (cal virgem) Cal cálcica teor de CaO 90% Cal magnesiana 65% teor de CaO < 90% Cal dolomítica teor de CaO < 65% 3

4 Tipos de cal Quanto ao grau de hidratação (cal hidratada) CH I Cal hidratada especial óxidos totais (na base não volátil) > 96,8% e CO 2 no máximo 5% CH II Cal hidratada comum óxidos totais (na base não volátil) > 88% e CO 2 no máximo 5% CH III Cal hidratada comum com carbonatos óxidos totais (na base não volátil) > 88% e CO 2 no máximo 13% Processo de fabricação CaCO 3 CaO+CO 2 CaCO 3.MgCO 3 CaO + MgO + 2CO 2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + CALOR 4

5 Requisitos e critérios de qualidade da cal hidratada Retenção de água (NBR 9290) resultado da elevada área superficial da cal importante para argamassas auxilia na hidratação do cimento auxilia na retenção de água quando a argamassa é aplicada sobre uma base absorvente consequência melhor resistência de aderência Cal residual da produção de acetileno Cal de carbureto resíduo da produção do gás acetileno a partir do carbureto de cálcio processo eletrotérmico produção elevada pode ser utilizada na construção civil contém elevado teor de hidróxido de cálcio - Ca(OH) 2 reatividade mais baixa que a cal industrial 5

6 Cal hidráulica Endurecimento análogo ao do cimento Aplicações Tinta à base de cal 6

7 Aplicações Bloco sílico-calcário Aplicações Adição ao concreto uso de pozolanas redução do Ca(OH) 2 do concreto redução do ph adição de cal hidratada manter o ph durabilidade 7

8 Gesso - Definições Evaporito É uma rocha sedimentar formada pela precipitação química dos sais dissolvidos em um meio aquoso, devido a um processo de evaporação. Seu precipitado gera depósitos de carbonatos, sulfatos, boratos e cloretos. Gipso Éo minério mais comum dos sulfatos, encontrado extensivamente em muitos lugares do mundo, contendo gipsita (CaSO 4.2H 2 O), anidrita (CaSO 4 ) e algumas impurezas. É a matéria-prima de produção do gesso de construção. Gipsita Éo mineral composto de CaSO 4.2H 2 O, mineral essencial do gipso. Hemidrato β Produzido a partir da calcinação do gipso, com fórmula química CaSO 4.0,5H 2 O. Gesso - Definições Anidrita III Também chamada de anidrita solúvel; é a fase intermediária ao hemidrato e à anidrita II, de fórmula química CaSO 4.εH 2 O. Sua fórmula indica que esse produto pode conter um teor de água de cristalização variável. Reage rapidamente com a água. Anidrita II Produzida a 350ºC, é também chamada de anidrita insolúvel ou supercalcinada. Reage lentamente com a água. Anidrita I Obtida pela calcinação da gipsita à ºC, também é chamada de anidrita de alta temperatura. A presença de CaO a diferencia da anidrita II. Tem pega e endurecimento lentos. 8

9 Gesso - Definições Gesso de construção É o material conhecido na literatura como gypsum calcined ou plâtre de Paris, produzido por calcinação do minério natural gipso, constituído essencialmente por sulfatos de cálcio (hemidrato, anidritas solúvel e insolúvel) e a gipsita procedente da matéria-prima. Processo de fabricação extração da matéria-prima britagem, moagem grossa e estocagem com homogeneização secagem 10% de umidade calcinação 1 forno produz hemidrato puro ou contendo também gipsita ou anidrita 2 fornos produzem hemidrato e anidrita em separado moagem e seleção da granulometria armazenamento em silos e estabilização ensacamento e comercialização 9

10 Processo de fabricação 0 140a160 C CaSO4.2H2O CaSO4.0,5H2O + 1, 5H 2O Gipsita Hemidrato a190 C CaSO.0,5H O CaSO ε H O + δh O 2 2 Hemidrato Anidrita III Processo de fabricação a 400 C CaSO. 0,5H O CaSO 4 Hemidrato Anidrita II CaSO.0,5H O a1200 C CaSO + SO + CaO Hemidrato Anidrita I Cal livre 10

11 Processo de fabricação Matéria-prima O gesso pode ser produzido a partir da matéira-prima natural (gipso ou sulfatos naturais) ou de sulfatos de cálcio oriundo de resíduos industriais. 11

12 Matéria-prima Matéria-prima 12

13 Hidratação, pega e endurecimento Hidratação Fenômeno químico no qual o material anidro em pó é transormado em dihidrato. As reações de hidratação são inversas às da formação dos produtos. Mecanismos de hidratação Hidratação, pega e endurecimento Mecanismos de hidratação 13

14 Hidratação, pega e endurecimento Mecanismos de hidratação Hidratação, pega e endurecimento Mecanismos de hidratação Velocidade de reação: - Anidrita III -Hemidrato - Anidrita II - Anidrita I decrescente O início de pega depende o constituinte de pega mais rápida, e o endurecimento, do mais lento. Do ponto de vista prático, a pega do gesso se encerra em até 45 minutos mas o mesmo continua ganhando resistência por até 20 horas. 14

15 Hidratação, pega e endurecimento Com o crescimento dos cristais e seu devido rearranjo geométrico, há uma expansão do volume do gesso durante sua hidratação, em torno de 0,2%, caindo para 0,1% após a evaporação da água excedente. Hidratação, pega e endurecimento 15

16 Propriedades físicas e mecânicas Especificações físicas do gesso em pó NBR 13207/94 - gesso de revestimento - gesso para componentes de construção Propriedades físicas e mecânicas Propriedades químicas do pó (NBR 13207) 16

17 Propriedades físicas e mecânicas Propriedades físicas do pó (NBR 13207) Granulometria (NBR 12127/91) - Peneiramento na série padrão de peneiras sob água corrente: 0,840mm; 0,420mm; 0,210mm; 0,105mm Massa unitária (NBR 12127/91) Propriedades físicas e mecânicas Propriedades da pasta Teor de água para consistência normal (não normalizado) 35g Penetração de 30mm 17

18 Propriedades físicas e mecânicas Propriedades da pasta Tempo de pega (NBR 12128/91) 300g Ø1,13mm T início : 1mm da base T fim : não penetra mais Propriedades físicas e mecânicas Propriedades da pasta Tempo de pega (DIN 1168) 18

19 Propriedades físicas e mecânicas Propriedades da pasta Resistência à compressão Propriedades físicas e mecânicas Propriedades da pasta Porosidade e densidade 19

20 Aditivos retardadores de pega Aditivos retardadores de pega 20

21 Aplicação Revestimento em gesso Aplicação Gesso acartonado Bom desempenho na proteção de estruturas diante de incêndios. 21

22 Aplicação Gesso acartonado Aplicação Gesso acartonado Absorção de água por superfície protegida por papel em chapas de gesso 22

23 Aplicação Placas e outras utilizações Cimento - Definições Clínquer Material sinterizado e peletizado resultante da calcinação a aproximadamente 1450 ºC de uma mistura de calcário (75 a 80%) e argila (20 a 25%) e eventuais corretivos químicos de natureza silicosa, aluminosa ou ferrífera, empregados de modo a garantir o quimismo da mistura dentro de limites específicos. Sulfato de cálcio Empregado em porções que variam em massa de 3% a 5%, aproximadamente, com o objetivo principal de regular o tempo de pega ou endurecimento inicial da mistura. 23

24 Processo de fabricação extração da matéria-prima (argila e calcário) britagem, pré-homogeneização, moagem, homogeneização farinha calcinação processo de clinquerização via úmida moagem e homogeneização com água, gerando uma pasta via seca conjunto de pré-aquecedores, pré-calcinador, forno propriamente dito e resfriador clínquer + gesso moagem armazenamento em silos ensacamento e comercialização Processo de fabricação 24

25 Processo de fabricação Processo de fabricação 25

26 Processo de fabricação Processo de fabricação Para a produção de 1 tonelada de cimento (20 sacos), são utilizados, em média: kg de calcário 300 kg de argila 14 kg de minério de ferro 40 kg de gesso 26

27 Mineralogia do clínquer Portland Pedra calcária CaO + CO 2 Argila SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 + H 2 O 1450 ºC 3CaO.SiO 2 2CaO.SiO 2 3CaO.Al 2 O 3 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 Mineralogia do clínquer Portland Ca 3 SiO 5 (C 3 S) - alita principal constituinte 40% a 70% do clínquer importante papel no endurecimento e na resistência nas primeiras idades Ca 2 SiO 5 (C 2 S) - belita 10% a 20% do clínquer importante papel na resistência para idades mais avançadas Ca 3 Al 2 O 6 (C 3 A) aluminato tricálcico componente mais reativo responsável pela pega alto calor de hidratação Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 (C 4 AF) ferro aluminato tetracálcico importante papel na resistência química do cimento juntamente com o C 3 A correspondem de 15% a 20% do clínquer CaO cal livre teor máximo de 2% 27

28 Outros constituintes do cimento Portland Adições minerais escórias de alto forno pozolanas fíler calcário Razões para uso das adições técnicas - melhora propriedades específicas econômicas - redução de custos - diminuição de resíduos poluidores ecológicas - aproveitamento de resíduos - preservação das jazidas naturais Outros constituintes do cimento Portland RAZÕES TÉCNICAS Diminuição da permeabilidade Diminuição da porosidade capilar Maior resistência a sulfatos Redução do calor de hidratação Inibição da reação álcali-agregado MAIOR DURABILIDADE 28

29 Hidratação do cimento Quanto mais fino o cimento, mais reativo este é. Hidratação do cimento Quanto mais fino o cimento, mais reativo este é. 29

30 Hidratação do cimento Hidratação do cimento [ AlO4 ] + 3[ SO4 ] + 6[ Ca] + água C 6 AS3H32 etringita [ AlO4 ] + 3[ SO4 ] + 4[ Ca] + água C 4 AS3H18 monossulfato 30

31 Hidratação do cimento C S + 6H C S H 3CH alita água silicato de cálcio hidratado hidróxido de cálcio 2C S H C S H + CH água belita C-S-H portlandita Hidratação do cimento 31

32 Hidratação do cimento Propriedades do cimento Portland Finura A finura do cimento pode ser determinada através da peneira malha nº 200 (0,075 mm), permeabilímetro ao ar de Blaine e granulômetro a laser. Cimentos finos geralmente aceleram o desenvolvimento da resistência. NBR NM 76/98 Método de Blaine NBR 11579/91 finura pela peneira 200 Expansibilidade A expansibilidade pode ocorrer após o final de pega, ao longo do tempo, provocando fissuras, quando da queima do clínquer, o teor de Magnésio ou CaO livre é elevado. NBR 11582/91 expansibilidade de Le Chatelier 32

33 Propriedades do cimento Portland Finura A finura do cimento pode ser determinada através da peneira malha nº 200 (0,075 mm), permeabilímetro ao ar de Blaine e granulômetro a laser. Cimentos finos geralmente aceleram o desenvolvimento da resistência. NBR NM 76/98 Método de Blaine NBR 11579/91 finura pela peneira 200 Expansibilidade A expansibilidade pode ocorrer após o final de pega, ao longo do tempo, provocando fissuras, quando da queima do clínquer, o teor de Magnésio ou CaO livre é elevado. NBR 11582/91 expansibilidade de Le Chatelier Propriedades do cimento Portland Tempo de pega Pasta de consistência normal (NM 43/03) 33

34 Propriedades do cimento Portland Tempo de pega O tempo de pega do cimento é importante para permitir a aplicação adequada das pastas, argamassas ou concretos, isto é, sem perda de plasticidade e trabalhabilidade. Para controlar o tempo de pega, é adicionado o gesso (CaSO 4.2H 2 O) na moagem do cimento. Cujo controle é feito através do teor de SO 3. NBR NM 65/05 determinação do tempo de pega FALSA PEGA- A falsa pega é um fenômeno que ocorre quando a mistura, em que está sendo empregado o cimento (pasta, argamassa ou concreto), perde a plasticidade com um tempo menor que o previsto, e com uma nova remistura na betoneira, sua plasticidade inicial é recuperada. Isto ocorre quando, na moagem do cimento, a temperatura deste ultrapassa a 128 C, provocando uma dissociação do sulfato de cálcio do gesso interferindo nas características do seu efeito retardador de pega. Propriedades do cimento Portland Tempo de pega O tempo de pega do cimento é importante para permitir a aplicação adequada das pastas, argamassas ou concretos, isto é, sem perda de plasticidade e trabalhabilidade. Para controlar o tempo de pega, é adicionado o gesso (CaSO 4.2H 2 O) na moagem do cimento. Cujo controle é feito através do teor de SO 3. NBR NM 65/05 determinação do tempo de pega FALSA PEGA- A falsa pega é um fenômeno que ocorre quando a mistura, em que está sendo empregado o cimento (pasta, argamassa ou concreto), perde a plasticidade com um tempo menor que o previsto, e com uma nova remistura na betoneira, sua plasticidade inicial é recuperada. Isto ocorre quando, na moagem do cimento, a temperatura deste ultrapassa a 128 C, provocando uma dissociação do sulfato de cálcio do gesso interferindo nas características do seu efeito retardador de pega. 34

35 Propriedades do cimento Portland Calor de hidratação No preparo do concreto, quando a água e o cimento reagem, ocorre o calor de hidratação. Esse efeito poderá acontecer durante meses, em função do volume concretado. A quantidade de calor gerado depende da composição química do cimento, quantidade e tipo de adições, finura, etc. NBR 12006/90 determinação do calor de hidratação pelo método da garrafa de Langavant Propriedades do cimento Portland Calor de hidratação No preparo do concreto, quando a água e o cimento reagem, ocorre o calor de hidratação. Esse efeito poderá acontecer durante meses, em função do volume concretado. A quantidade de calor gerado depende da composição química do cimento, quantidade e tipo de adições, finura, etc. NBR 12006/90 determinação do calor de hidratação pelo método da garrafa de Langavant 35

36 Propriedades do cimento Portland Resistência à compressão A resistência à compressão do cimento é medida através de corpos de prova cilíndricos 50mm x 100mm, com um traço normalizado, com areia padrão do IPT. Diversos tipos de cimentos, com suas características de finura e composição têm curvas de resistência x idade distinta, que normalmente definem o seu uso ou não, em determinadas aplicações. NBR 7215/96 resistência à compressão Propriedades do cimento Portland Perda ao fogo Este ensaio é determinado com uma amostra de cimento, levado a uma temperatura em torno de 950 C em uma mufla, em função da diferença do peso inicial. Através deste ensaio, controla-se o teor de adições de material carbonático. NBR NM 18/04 determinação da perda ao fogo Massa específica A massa especifica não é uma indicação de qualidade do cimento. Ela é utilizada para o cálculo de dosagens de concretos e argamassas. NBR NM 23/01 determinação da massa específica 36

37 Tipos de cimento Portland brasileiro CP XXX RR Cimento Portland Composição Adições Ex: CP II Z 32 Resistência (MPa) Tipos de cimento Portland brasileiro NORMALIZAÇÃO Cimento Potland Comum NBR 5732 CP I, CP I-S Cimento Portland Composto NBR CP II-E, CP II-Z, CP II-F Cimento Portland de Alto-Forno NBR 5735 CP III Cimento Portland Pozolânico NBR 5736 CP IV Cimento Portland de Alta NBR 5737 Alta Resistência Inicial (CP V-ARI) 37

38 Tipos de cimento Portland brasileiro OUTROS TIPOS DE CIMENTO Cimentos Resistentes a Sulfatos (RS) NBR 5733 Cimento com baixo calor de hidratação (BC) NBR Cimento Portland Branco (CPB) NBR Tipos de cimento Portland brasileiro Cimento Portland Sigla Classe Clinquer + Gesso Escória Pozolana Carbonato Norma Comum CP I CP I-S CP II- E Composto CP II- Z CP II-F

39 Tipos de cimento Portland brasileiro Cimento Portland Sigla Classe Clínquer + Gesso Escória Pozolana Carbonato Norma Alto-forno CP III Pozolânico CP IV Alta resistência inicial CP V- ARI Tipos de cimento Portland brasileiro Tipo x resist. compressão 39

40 Tipos de cimento Portland brasileiro Tipo x outras propriedades Propriedade Comum e Composto Alto-Forno Pozolânico Alta Resistência Inicial Resistência a compressão Padrão Menor nos primeiros dias e maior no final da cura Menor nos primeiros dias e maior no final da cura Muito maior nos primeiros dias Calor gerado na reação do cimento com a água Padrão Menor Menor Maior Permeabilidade Padrão Menor Menor Padrão Resistência aos agentes agressivos (água do mar e de esgotos) Padrão Maior Maior Menor Durabilidade Padrão Maior Maior Padrão Tipos de cimento Portland brasileiro Exigências físicas 40

41 Tipos de cimento Portland brasileiro Exigências químicas Fornecimento do cimento Sacos de papel tipo kraft (papel extensível) com 25kg e 50kg; Granel; Containers (big-bag). 41

42 Armazenamento do cimento 30 cm Altura máxima : 10 sacos; ou 15 sacos quando o período de armazenamento for inferior a 15 dias 30 cm Armazenamento do cimento O Cimento deve ser utilizado obedecendo-se a ordem de sua entrada no depósito; Caso o cimento seja pouco afetado pela umidade, ele ainda poderá ser aproveitado em serviços onde não sejam necessárias grandes resistências, devendo ser previamente peneirado em malha de pequena abertura. 42