Cimento PROFº TALLES MELLO MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL I

Transcrição

1 Cimento PROFº TALLES MELLO ENGENHARIA CIVIL MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL I

2 Introdução A palavra cimento é originada do latim caementu, que na antiga Roma designava uma espécie de pedra natural de rochedos não esquadrejada (quebrada). O produto é o componente básico do concreto, que é hoje o segundo material mais utilizado pelo homem, ficando somente atrás do elemento água. O cimento Portland tem esse nome porque, depois de solidificado, esse cimento se assemelha às pedras e às rochas calcárias existentes na ilha de Portland, no sul da Inglaterra. O construtor inglês Joseph Aspdin é considerado o inventor do cimento Portland, pois, no ano de 1824, descobriu as propriedades do cimento e requereu a sua patente. Antes desse inventor, o engenheiro britânico John Semeaton (1726) e o francês Vicat (1818) já haviam obtido bons resultados em testes com calcários, dando origem ao cimento.

3 Introdução Após a invenção, o cimento passou por um período de desenvolvimento na Europa, iniciando a produção na Alemanha, em 1835 e, depois disso, houve muitos avanços tecnológicos, apesar do sistema de produção continuar basicamente o mesmo até hoje. No Brasil, os primeiros projetos de implantação de fábricas de cimento datam de 1888, com a iniciativa do engenheiro Louis Felipe Alves da Nóbrega, na Paraíba, e o comendador Antônio Proost Rodovalho, em São Paulo. Apesar dessa implantação, a Companhia Brasileira de Cimento Portland iniciou a sua produção industrial efetivamente apenas em 1924, no estado se São Paulo.

4 Definição Cimento portland é a denominação convencionada mundialmente para o material usualmente conhecido na construção civil como cimento. O cimento portland é um pó fino com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob ação da água. Depois de endurecido, mesmo que seja novamente submetido à ação da água, o cimento portland não se decompõe mais. Por definição, é um aglomerante hidráulico resultante da mistura homogênea de clínquer Portland, gesso e adições normatizadas finamente moídas. Aglomerante porque tem a propriedade de unir outros materiais. Hidráulico porque reage (hidrata) ao se misturar com água e depois de endurecido ganha características de rocha artificial, mantendo suas propriedades, principalmente se permanecer imerso em água por aproximadamente sete dias.

5 Composição O cimento Portland é o produto resultante de uma mistura de argila e de calcário. Os principais componentes químicos do cimento são a cal (CaO), a sílica (SiO 2 ), a alumina (Al 2 O 3 ) e o óxido de ferro (Fe 2 O 3 ),podendo ser encontradas também pequenas quantidades de magnésia (MgO), anidrido sulfúrico (SO 3 ) e os álcalis (K 2 O e Na 2 O). Da mistura e da queima desses componentes, origina-se o clínquer, que apresenta várias combinações químicas ocorridas no processo da queima, em que são formados quatro compostos.

6 Processo de Produção

7 Processo de produção O cimento Portland é produzido através a partir do clínquer, como resultado da calcinação de uma mistura de calcário e argila, mas pode sofrer adições de outros componentes na etapa de moagem para obtenção dos diversos tipos existentes no mercado. As indústrias produtoras de cimento são fábricas de grande porte situadas em locais próximos às grandes jazidas. A fabricação do cimento passa por várias etapas, iniciando na extração da matéria prima. Essa extração é feita em grandes jazidas de calcário, com explosivos responsáveis por realizar seu desmonte.

8 Processo de produção Após a obtenção dessa matéria prima, o material é transportado para outro local, onde passará pelo processo de britagem, no qual as grandes pedras passam por um britador que as transformam em pedaços menores. Uma vez transformado em pequenos pedaços, o calcário será transferido para o processo de moagem, transformando-se em um pó. Depois disso, o material é depositado em silos para passar pela homogeneização, para que possa ir direto ao forno, onde é realizada a calcinação, obtendo-se o clínquer. Esse clínquer passa por um processo de resfriamento e, em seguida, é transportado para a moagem final.

9 Processo de produção Durante esse processo de moagem, diversos tipos de aditivos são misturados (gipsita, escória de alto forno, materiais pozolânicos e materiais carbonáticos), dependendo do resultado que se deseja obter. Por fim, depois de todo esse processo, obtém-se o resultado final: o cimento. O cimento é acondicionado em silos e, posteriormente, embalado em sacos de 50 kg (forma comercial), como pode ser encontrado para compra nas lojas.

10 Composição - clínquer Uma das melhores maneiras de conhecer as características e propriedades dos diversos tipos de cimento portland é estudar sua composição. O cimento portland é composto de clínquer e de adições. O clínquer é o principal componente e está presente em todos os tipos de cimento portland. Tem como matérias-primas o calcário e a argila. É fonte de Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 e Silicato dicálcico (CaO)2SiO2. Estes compostos trazem acentuada característica de ligante hidráulico e estão diretamente relacionados com a resistência mecânica do material após a hidratação.

11 Composição - clínquer O clínquer em pó tem a peculiaridade de desenvolver uma reação química em presença de água, na qual ele, primeiramente, torna-se pastoso e, em seguida, endurece, adquirindo elevada resistência e durabilidade. As adições podem variar de um tipo de cimento para outro e são principalmente elas que definem os diferentes tipos de cimento. As adições são outras matérias-primas que, misturadas ao clínquer na fase de moagem, permitem a fabricação dos diversos tipos de cimento portland hoje disponíveis no mercado. Essas outras matérias-primas são o gesso, as escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos.

12 Composição - gesso A gipsita, sulfato de cálcio di-hidratado, é comumente chamada de gesso e é adicionada na moagem final do cimento. O gesso tem como função básica controlar o tempo de pega, isto é, o início do endurecimento do clínquer moído quando este é misturado com água. Caso não se adicionasse o gesso à moagem do clínquer, o cimento, quando entrasse em contato com a água, endureceria quase que instantaneamente, o que inviabilizaria seu uso nas obras. Por isso, o gesso é uma adição presente em todos os tipos de cimento portland. O gesso (CaSO4 2 H2O) é adicionado em quantidades geralmente inferiores a 3% da massa de clínquer. É uma adição obrigatória, presente desde os primeiros tipos de cimento Portland.

13 Composição escória de alto forno A escória de alto-forno é subproduto da produção de ferro em alto-forno, obtida sob forma granulada por resfriamento brusco. São obtidas durante a produção de ferro-gusa nas indústrias siderúrgicas e se assemelham aos grãos de areia. Antigamente, as escórias de alto-forno eram consideradas como um material sem maior utilidade, até ser descoberto que elas também tinham a propriedade de ligante hidráulico muito resistente, ou seja, que reagem em presença de água, desenvolvendo características aglomerantes de forma muito semelhante à do clínquer. Essa descoberta tornou possível adicionar a escória de alto-forno à moagem do clínquer com gesso, guardadas certas proporções, e obter como resultado um tipo de cimento que, além de atender plenamente aos usos mais comuns, apresenta melhoria de algumas propriedades, como maior durabilidade e maior resistência final.

14 Composição materiais pozolânicos Os materiais pozolânicos são rochas vulcânicas ou matérias orgânicas fossilizadas encontradas na natureza, certos tipos de argilas queimadas em elevadas temperaturas (550ºC a 900ºC) e derivados da queima de carvão mineral nas usinas termelétricas, entre outros. Também há possibilidade de se produzir pozolana artificial queimando-se argilas ricas em alumínio a temperaturas próximas de 700ºC. A adição de pozolana propicia ao cimento maior resistência a meios agressivos como esgotos, água do mar, solos sulfurosos e a agregados reativos. Diminui também o calor de hidratação, permeabilidade, segregação de agregados e proporciona maior trabalhabilidade e estabilidade de volume, tornando o cimento pozolânico adequado a aplicações que exijam baixo calor de hidratação, como concretagens de grandes volumes.

15 Composição materiais pozolânicos Outros materiais pozolânicos têm sido estudados, tais como as cinzas resultantes da queima de cascas de arroz e a sílica ativa, um pó finíssimo que sai das chaminés das fundições de ferro-silício e que, embora em caráter regional, já têm seu uso consagrado no Brasil, a exemplo de outros países tecnologicamente mais avançados.

16 Composição materiais carbonáticos São rochas moídas, que apresentam carbonato de cálcio em sua constituição tais como o próprio calcário. A adição de fíler calcário finamente moído é efetuada para diminuir a porcentagem de vazios, porque os grãos ou partículas desses materiais têm dimensões adequadas para se alojar entre os grãos ou partículas dos demais componentes do cimento, assim como para melhorar a trabalhabilidade, o acabamento e até elevar a resistência inicial do cimento.

17 Adições ao cimento Escória Aparência semelhante à areia grossa. Subproduto de alto fornos e produção de aço. Silicatos características de ligante hidráulico. Eleva a durabilidade do concreto.

18 Adições ao cimento Pozolana Elevado teor de sílica ativa SiO 2. Ligante hidráulico complementar ao clínquer (Reações Pozolânicas). Concretos mais impermeáveis. Originalmente: argilas contendo cinzas vulcânicas, encontradas na Itália. Atualmente: pozolanas ativadas artificialmente e subprodutos industriais como cinzas volantes, provenientes da queima de carvão mineral.

19 Adições ao cimento Fíler Calcário: composto basicamente de carbonato de cálcio (CaCO 3 ), encontrado abundantemente na natureza. Elemento de preenchimento, capaz de penetrar nos interstícios das demais partículas e agir como lubrificante, tornando o produto mais plástico e não prejudicando a atuação dos demais elementos.

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21 Características e propriedades Finura A finura está relacionada ao tamanho dos grãos. Quanto mais fino ele for, maior será sua resistência inicial, impermeabilidade, trabalhabilidade e coesão, e menor será sua exsudação. Tempo de pega O tempo de pega pode ser determinado por meio de ensaios. O conhecimento desse valor é importante, pois influencia no tempo disponível, para se trabalharem todas as etapas de fabricação de concreto ou outras aplicações. Em se tratando de concreto, há casos específicos, em que é necessário adicionar produtos aceleradores ou retardadores de pega (p. ex.: quando se deseja obstruir um vazamento, há necessidade de se aumentar a velocidade de relação, sendo indicado, para esse caso, o uso de um acelerador de pega).

22 Características e propriedades Resistência Os valores de resistência a compressão são obtidos em ensaios por meio de uma pasta de cimento, areia e água, que são moldados e rompidos, após 28 dias da realização do ensaio. O valor é dado em MPa (megapascal), que indica a resistência a compressão que a peça poderá suportar, sendo que 1 MPa corresponde a aproximadamente 10,2 kgf/cm². Calor de resistência Para que aconteça o endurecimento do concreto, o cimento reage com água e nesse processo ocorre a liberação de calor. Em peças muito grandes, a temperatura pode se tornar muito elevada e gerar trincas.

23 Nomenclatura

24 Tipos de cimento

25 Cimento Portland Comum CP I e CP I-S Sem quaisquer adições além do gesso, é muito adequado para o uso em construções de concreto em geral quando não há exposição a sulfatos do solo ou de águas subterrâneas. É usado em serviços de construção em geral, quando não são exigidas propriedades especiais do cimento. Também é oferecido pelo mercado o Cimento Portland Comum com Adições CP I-S, com 5% de material pozolânico em massa, recomendado para construções em geral, com as mesmas características. Edifício Copam

26 Cimento CP-I (NBR 5.732) ou Cimento Portland Comum: Recebe este nome porque não possui nenhum tipo de aditivo, apenas o gesso, que tem a função de retardar o início de pega do cimento para possibilitar mais tempo na aplicação. Tem alto custo e menos resistência. Sua produção é direcionada para a indústria. Este tipo já está quase ausente no mercado,

27 Cimento Portland Composto CP II Gera calor em uma velocidade menor do que o Cimento Portland Comum. Uso indicado em lançamentos maciços de concreto, onde o grande volume da concretagem e a superfície relativamente pequena reduzem a capacidade de resfriamento da massa. Apresenta melhor resistência ao ataque dos sulfatos contidos no solo. Hotel Unique Museu de Niterói

28 Cimento CP-II (NBR ) ou Cimento Portland Composto Assim conhecido porque tem a adição de outros materiais na sua mistura, que conferem a este cimento um menor calor de hidratação, ou seja, ele libera menos calor quando entra em contato com a água. O CP-II é apresentado em três opções: CP-II E cimento portland com adição de escória de alto-forno; CP-II Z cimento portland com adição de material pozolânico; e CP-II F cimento portland com adição de material carbonático fíler.

29 Cimento Portland Composto CP II Represa de Imbiúna Maracanã

30 Cimento Portland de Alto forno CP III Maior impermeabilidade e durabilidade, baixo calor de hidratação, resistente a sulfatos. Pode ter aplicação geral, mas é particularmente vantajoso em obras de concreto-massa. Ponte Rio-Niterói

31 Cimento CP-III (NBR 5.735) ou Cimento Portland de Alto-forno Tem em sua composição de 35% a 70% de escória de alto-forno. Apresenta maior impermeabilidade e durabilidade, além de baixo calor de hidratação, assim como alta resistência à expansão devido à reação álcali-agregado, além de ser resistente a sulfatos. É menos poroso e mais durável. Classe de resistência: 25, 32 e 40 MPa.

32 Principais usos CP III Alto forno Obras de concreto-massa como barragens e peças e grandes dimensões, fundações de máquinas, pilares, etc. Obras em contato com ambientes agressivos (sulfatos, terrenos salinos, etc.). Pilares de pontes ou obras submersas em contato com águas puras. Obras de zonas costeiras ou em água do mar. Pavimentação de estradas e pistas de aeroportos, etc.

33 Principais usos CP III Alto forno Elevador Lacerda

34 Principais usos CP IV Pozolânico Previne fissuras devido a reações álcalis-agregados na presença de umidade elevada.

35 Cimento CP-IV (NBR 5.736) ou Cimento Portland Pozolânico Tem em sua composição de 15% a 50% de material pozolânico. Por isso, proporciona estabilidade no uso com agregados reativos e em ambientes de ataque ácido, em especial de ataque por sulfatos. Possui baixo calor de hidratação, o que o torna bastante recomendável na concretagem de grandes volumes e sob temperaturas elevadas. É pouco poroso, sendo resistente à ação da água do mar e de esgotos. Classe de resistência: 25 e 32 MPa.

36 Cimento CP-V ARI (NBR 5.733) ou Cimento Portland de Alta Resistência Inicial Possui valores aproximados de resistência à compressão de 26MPa a um dia de idade e de 53 MPa aos 28 dias. É recomendado no preparo de concreto e argamassa para produção de artefatos de cimento, além de elementos arquitetônicos pré-moldados e préfabricados. Pode ser utilizado em todas as aplicações que necessitem de resistência inicial elevada de forma rápida. O desenvolvimento dessa propriedade é conseguido pela utilização de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer, mas principalmente pela moagem mais fina do cimento.

37 Cimento Portland CP V-ARI Obras em que o requisito de elevada resistência às primeiras idades é fundamental. Indústria de pré-fabricados. Concreto protendido. Concreto projetado. Pisos industriais. Obras em climas de baixa temperatura Precauções: retração hidráulica e fissuração térmica

38 CP V-ARI Pré-moldados Protendidos - MASP

39 Cimento Branco (NBR ) ou Cimento Portland Branco (CPB) Tipos: estrutural e não estrutural. Cor: seu índice de brancura deve ser maior que 78%. Classes: Cimento estrutural: classes de resistência = 25,32 e 40MPa. Cimento não estrutural: não possui classe. A cor branca é obtida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxido de ferro e manganês e, principalmente, utilizando o caulim no lugar da argila.

40 Principais usos Cimento Portland Branco Pode ser usado na cor branca ou em diversas cores, com adição de pigmentos coloridos. O cimento branco estrutural é aplicado em concretos pré-moldados para fins arquitetônicos, monumentos, fachadas, etc. Já o não estrutural é utilizados para rejuntamento de azulejos, rebocos, fabricação de artefatos de cimento, etc.

41 Concreto de cimento branco estrutural Aeroporto Dulles,, Virginia-USA.

42 Concreto de cimento branco estrutural Torre do Tombo - Lisboa Comparação entre concreto branco e cinza

43 Outros Cimento RS (NBR 5.737) ou Cimento Portland Resistente a Sulfatos: Os materiais sulfatados estão presentes em redes de esgoto, ambientes industriais e água do mar. Sendo assim, seu uso é indicado para construções nesses ambientes. Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC) / (NBR ): este tipo de cimento tem a propriedade de retardar o desprendimento de calor em peças de grande massa de concreto, evitando o aparecimento de fissuras de origem térmica, devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do cimento.

44 RESUMO Indicações dos principais tipos de cimento Tipo de cimento CP I, CP II CP III CP IV CP V RS Branco Branco estrutural Baixo calor Usos indicados Geral Geral, concreto-massa, água do mar e meios agressivos Geral, concreto-massa, água do mar, meios agressivos e com agregados reativos Pré-moldados, túneis e concretos protendidos Ambientes agressivos e água do mar Estético e rejuntes Pisos, monumentos e fins arquitetônicos Obras de concreto-massa