DCC ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO. TEMA: Estrutura Interna PROF. JOSÉ FREITAS E PROF. MARCELO MEDEIROS

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1 PROF. JOSÉ FREITAS E PROF. MARCELO MEDEIROS TEMA: Estrutura Interna ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO 1

2 Concreto A ESTRUTURA DO CONCRETO Estrutura Heterogênea Complexa Composição depende de Inúmeros Fatores Micro Estrutura Macro Estrutura 2

3 A ESTRUTURA DO CONCRETO Resistência Densidade e compacidade Estrutura interna Durabilidade permeabilidade Deformações... Fatores externos e agentes agressivos 3

4 A ESTRUTURA DO CONCRETO Macro Estrutura Agregados Pasta Macro-poros 4

5 A ESTRUTURA DO CONCRETO Agregados Micro Estrutura Pasta Água Micro-poros Zona de Transição 5

6 A ESTRUTURA DO CONCRETO Macro-poros Micro-poros > 50 nm < 50 nm Resistência Permeabilidade Retração p/ secagem Fluência 6

7 A ESTRUTURA DO CONCRETO Zona de Transição = ± 1/20 mm Zona de Transição 7

8 A ESTRUTURA DO CONCRETO Microestrutura Estudo através de microscopia ótica e eletrônica Microscópio Eletrônico de Varredura MEV 8

9 A ESTRUTURA DO CONCRETO (Leica) 9

10 A ESTRUTURA DO CONCRETO Aumentos de até x Imagens tridimensionais 10

11 A ESTRUTURA DO CONCRETO Microscópio Eletrônico de Varredura MEV EDS - Espetroscopia por Energia Dispersiva por feixes de raios X Permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de uma região da amostra 11

12 MICRO-ESTRUTURA: IMPORTÂNCIA DO ESTUDO Auxiliar na previsão e otimização das propriedades físicas e mecânicas do concreto; Prevenir manifestações patológicas nas estruturas; Ferramenta para análise de manifestações patológicas; Contribuir para a durabilidade das estruturas; 12

13 MICRO-ESTRUTURA: IMPORTÂNCIA DO ESTUDO Ferramenta de análise da durabilidade do concreto; Permite entender o comportamento do concreto; Desenvolvimento de novos aditivos, adições e suas conseqüências; Ensaio não-destrutivo eficiente. 13

14 FASE AGREGADO Características físicas: - Ocupam 80 a 90 % do volume - Determinam: E - módulo de elasticidade Condutibilidade térmica 14

15 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 expandida,... Agregados naturais como a areia e os seixos tem superfície polida com pouca porosidade. 15

16 FASE AGREGADO Efeitos da geometria dos grãos: Rugosidade: Aumenta SE e aderência c/ pasta, Altera a fluidez Areia e os seixo são menos rugosos. Britas tem superfície mais rugosa 16

17 FASE AGREGADO Efeitos da geometria dos grãos: Forma dos grãos: Grãos lamelares reduzem a fluidez ± cúbico Alongados ou lamelares 17

18 Créditos: Engº. Carlos Gustavo Marcondes Assessor Técnico Comercial Itambé 18

19 Grãos lamelares Maior quantidade de vazios Maior consumo de pasta de cimento Maior custo FASE AGREGADO Agregados mais rugosos tem maior SE Maior aderência c/ pasta Reduz a fluidez Exige mais água Aumenta retração Aumenta calor... Maior consumo de cimento p/ manter a/c 19

20 FASES CONSTITUINTES DA PASTA Pasta = matriz contínua e porosa Não é homogênea nem imutável!!! Idade da pasta ou grau de hidratação Quantidade de água ou a/c Proximidade com uma superfície 20

21 FASES CONSTITUINTES DA PASTA Fase 1 - Sólidos 3 fases Fase 2 Vazios ou poros Fase 3 - Água 21

22 FASES CONSTITUINTES DA PASTA 1: C-S-H 2: Ca(OH) 2 ou (C-H) 3: Vazio Capilar C-H Vazio C-S-H (Moranville, 1992) 22

23 FASE 1 - SÓLIDOS 23

24 SÓLIDOS FASE 1 SÓLIDOS produtos da hidratação; C-S-H; Hidróxido de cálcio; Sulfoaluminatos; Etringita. Observação: existem grãos anidros. 24

25 3 principais produtos da hidratação do cimento Portland FASE 1 SÓLIDOS C-S-H; C-S-H C-H Hidróxido de cálcio; Etringita. Etringita C-S-H C-H Etringita 25

26 Estruturas Fibrilares: C-S-H FASE 1 SÓLIDOS Cristais de C S e C S hidratados 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 3 + 3CH cal/g 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 +CH + 62 cal/g 50 % a 60% do volume da pasta 26

27 Estruturas Fibrilares: C-S-H FASE 1 SÓLIDOS São as estruturas C-S-H: C=CaO, S=SiO 2, H=H O Estruturas unidas através de ligações de Van Der Waals Excelente resistência mecânica e química 27

28 Estruturas Fibrilares: C-S-H FASE 1 SÓLIDOS 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. Cristais de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) FONTE: ALIZADEH,

29 FASE 1 SÓLIDOS C-S-H Estruturas Prismáticas: C-H C-H E Cristais de grande tamanho Formas hexagonais Formados p/ hidróxido de cálcio - Ca(OH) 29

30 FASE 1 SÓLIDOS C-S-H C-H E Estruturas Prismáticas: C-H 30

31 FASE 1 SÓLIDOS C-S-H Estruturas Prismáticas: C-H C-H E 20 a 25% do volume de sólidos ph elevado da pasta (ph 13) Cristais porosos, solúveis em água, muito reativos quimicamente Baixa resistência mecânica. 31

32 FASE 1 SÓLIDOS C-S-H Estruturas Prismáticas: C-H C-S-H C-H C-S-H C-H C-H E Micrografias (MEV) (Silva, F.J. da, IME) 32

33 FASE 1 SÓLIDOS Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos Cristais grandes e volumosos Formados por C A + gesso hidratados C 3 A +3CSH x + 32H C 3 A. 3CSH 32 Etringita Instáveis, c/ tempo se decompõem, formando monossulfato C 3 A + CSH x + 12H C 3 A. CS.H 12 Monossulfato 33

34 FASE 1 SÓLIDOS Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos Reação do C 3 A em solução de gesso. C A + gesso hidratados C 3 A +3CSH x + 32H C 3 A. 3CSH 32 Concrete.cee.hiroshima-u.ac.ip/research e.html 34

35 FASE 1 SÓLIDOS Formam-se nas primeiras horas de hidratação; Cristais em formato de agulhas; Agulhas se intertravam e prendem muita água. _ C 6 AS 3 H 32 Etringita, A ft 35

36 FASE 1 SÓLIDOS Cristais em formato de agulhas (Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,) (Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002) 36

37 FASE 1 SÓLIDOS Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica São os primeiros cristais da pasta a se formar Podem causar falsa pega Representam 15 a 20 % do volume de sólidos 37

38 Falsa pega Etringita: FASE 1 SÓLIDOS Cimento parcialmente hidratado Cimento carbonatado C 3 A baixa reatividade Sulfato alta disponibilidade 1,5 a 3,0% 38

39 Etringita: FASE 1 SÓLIDOS Monossulfato C 3 A. CS.H 12 C-S-H Etringita C 3 A. 3CSH 32 (Mehta e Monteiro, 2008) 39

40 FASE 1 SÓLIDOS Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos Hidróxido de cálcio Ca(OH) 2 Etringita C 3 A. 3CSH 32 40

41 Monossulfato: FASE 1 SÓLIDOS A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato. _ C 4 AS.H 18 Monossulfato A fm 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. 41

42 (Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002) TEMA: Estrutura Interna Monossulfato: FASE 1 SÓLIDOS A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato. 42

43 Grãos de clínquer não hidratados: FASE 1 SÓLIDOS Grãos de clínquer não hidratados 43

44 (Weiss, J.; 2005) TEMA: Estrutura Interna 44

45 (Domone, 1994) TEMA: Estrutura Interna FASE PASTA MATRIZ - CALOR DE HIDRATAÇÃO Tempo de dormência depende da quantidade de gesso 45

46 FASE 2 VAZIOS E POROS 46

47 Vazios na pasta endurecida: São de extrema importância FASE 2 VAZIOS E POROS Maior quantidade de vazios e maiores diâmetros médios: > porosidade > permeabilidade < resistências mecânica < resistência química > retração > fluência 47

48 Onde estão? FASE 2 VAZIOS E POROS Espaço interlamelar no C-S-H; Vazios capilares; Vazios de ar incorporado; Vazios de ar aprisionado; 48

49 Que tamanho? FASE 2 VAZIOS E POROS Espaço interlamelar no C-S-H Vazios capilares Ar incorporado Ar aprisionado 1 a 4 nm 0,01 a 1 m 0,05 a 1 mm 0,5 a 5 mm 1 nm 10-9 m 49

50 FASE 2 VAZIOS E POROS Intervalos dimensionais dos sólidos e poros na pasta endurecida 50

51 FASE 2 VAZIOS E POROS Espaço interlamelar das estruturas C-S-H: Poros muito pequenos - pouco afetam a resistência mecânica ou a permeabilidade. Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas 5 a 25Å (1 Å= m) Quando a água sai destes espaços a retração é significativa. 51

52 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 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 52

53 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: Qual a faixa comum de relação a/c? a/c comum: 0,40 a 0,65 53

54 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: Mas porque não usamos 0,20 a 0,22 que é a água necessária para reação química com o cimento? Fluidez 54

55 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: Resultado disso: Sobra 50 a 70% da água utilizada É isso que gera os poros capilares nos concretos e argamassas 55

56 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 100 cm cm 3 (Mehta e Monteiro, 2008) Densidade do cimento? 3,18 g/cm 3 56

57 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 318 g de cim. (Mehta e Monteiro, 2008) ± 200 g de H 2 O 57

58 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: (Mehta e Monteiro, 2008) 58

59 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 318 g de cim. (Mehta e Monteiro, 2008) V t = x0,7 = = 320 cm 3 59

60 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 318 g de cim. (Mehta e Monteiro, 2008) V vaz. Cap. = = 120 cm 3 = 37% 60

64 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: Micrografia eletrônica (MEV) mostrando um vazio capilar com alguns cristais de estruturas C-S-H crescendo para o seu interior. (Mehta e Monteiro, 2008) 64

65 (Hervé Neto, E.; 2008) TEMA: Estrutura Interna FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: Poros provocados pela água que sobra da relação a/c. 65

66 FASE 2 VAZIOS E POROS Vazios Capilares: 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. 1 Ångström [Å] = 1, mm 1 Ångström [Å] = 0,1 nm 1 µm = nm 66

67 FASE 2 VAZIOS E POROS Ar Aprisionado: Pequenas bolhas de ar (± 5 mm) ficam aprisionadas devido a mistura na betoneira Representa (1 a 2 %) do volume total do concreto 67

68 FASE 2 VAZIOS E POROS Ar incoporado: Bolhas de 50 a 200 m. Aumenta a fluidez; Aumenta abatimento sem água - aditivos IAR (incorporadores de ar) Incorporação de ar também é utilizada para resistência ao fenômeno gelo-degelo. 68

69 Esféricos FASE 2 VAZIOS E POROS Ar incoporado: (Mehta e Monteiro, 2006) Micrografia MEV mostrando uma bolha de ar incorporado de 1 mm. 69

70 FASE 3 ÁGUA 70

71 A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA: Na pasta recém endurecida existe 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. 71

72 FASE 3 - ÁGUA A água presente na pasta é classificada em função da dificuldade com que pode ser removida. 72

73 FASE 3 - ÁGUA Quimicamente combinada Interlamelar Adsorvida Capilar ou livre 73

74 FASE 3 - ÁGUA 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 900ºC sai a água das estruturas C-S-H 74

75 FASE 3 - ÁGUA Água interlamelar ou água de gel monomolecular, fixada 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 75

76 Água interlamelar ou água de gel FASE 3 - ÁGUA Lamela de C-S-H x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 76

77 FASE 3 - ÁGUA Água adsorvida fixada ao C-S-H por pontes de H apenas se movimenta p/ U.R. < 30%; Sua saída é o principal causador da retração por secagem. 6 camadas de água Lamela de C-S-H x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 77

78 FASE 3 - ÁGUA Água capilar No interior dos vazios > 5 nm; (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 78

79 FASE 3 - ÁGUA (Mehta e Monteiro, 2008) 79

80 FASE 3 - ÁGUA Só 20 a 22 % do peso do cimento em água reage com os silicatos e aluminatos do cimento. P/ a/c = 0,40 sobra ±50 % da água na forma líquida P/ a/c = 0,60 sobra ±60 % da água na forma líquida 80

81 FASE 3 ÁGUA (José Freitas Jr.) 81

82 A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA: Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado plástico. 82

83 A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA: Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido. 83

84 A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA: Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido. 84

85 Quais as águas da FASE 3 ÁGUA pasta hidrata? 85

86 FASE 3 ÁGUA 86

87 A ZONA DE TRANSIÇÃO: 87

88 A ZONA DE TRANSIÇÃO: A ZT é a interface entre o agregado e a pasta Espessura de aproximadamente 1/20 mm É o elo mais frágil do concreto As rupturas em concretos comuns iniciam na zona de transição 88

89 A ZONA DE TRANSIÇÃO: Baixa resistência mecânica da ZT: Concentração de etringita - cristais grandes, porosos c/ baixa resistência mecânica Filme de água - aumenta a/c (exsudação interna) Os cristais de hidróxido de cálcio se posicionam paralelamente à superfície do agregado, favorecendo a existência de planos de clivagem. (Paulon, V.; 1991) 89

90 (Mehta e Monteiro, 1994) Zona de transição A ZONA DE TRANSIÇÃO: Pasta de Cimento agregado 90

91 A ZONA DE TRANSIÇÃO: Zona de Transição ZT (Mehta e Monteiro,2006) 91

92 Exsudação interna A ZONA DE TRANSIÇÃO: Tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém lançado. Densidade (1g/cm 3 ) ser menor que a dos agregados ( 2,4g/cm 3 ) e a do cimento ( 3,1g/cm 3 ). 92

93 Exsudação interna A ZONA DE TRANSIÇÃO: Faz com que a relação a/c da superfície fique enorme, reduzindo a resistência mecânica na região. (Granato, Basf) 93

94 A ZONA DE TRANSIÇÃO: Exsudação interna (Mehta e Monteiro,2008) 94

95 Exsudação interna A ZONA DE TRANSIÇÃO: Silia Fume Association 95

96 Exsudação interna A ZONA DE TRANSIÇÃO: (José Freitas Jr.) 96

97 CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO - CAD MICROESTRUTURA FASE AGREGADO Rocha c/ alta resistência Lamelaridade prejudica FASE PASTA MATRIZ Baixas relações A/A minimizam vazios Sílica ativa, mais C-S-H e efeito microfiler ZONA DE TRANSIÇÃO Baixas relações A/A e a SA melhoram ZT ZT perfeita (Aïtcin, 2000) 97

98 Materiais de Construção A ESTRUTURA DO CONCRETO REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS: 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. 98

99 Materiais de Construção A ESTRUTURA DO CONCRETO REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS: Considerações sobre a microestrutura do concreto, Luis Fernando Kaefer ALIZADEH, R. Cement and Art. Ottawa: INSTITUTE FOR RESEARCH IN CONSTRUCTION. Disponível em: < Acesso em:26/05/