5. CIMENTOS 5.1 Introdução Definição Composição da matéria prima Fabrico Considerações gerais

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3 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 1.1 Generalidades Materiais e engenharia Ciência e engenharia de materiais Tipos de materiais Materiais metálicos Materiais poliméricos (Plásticos) Materiais cerâmicos Materiais compósitos Materiais electrónicos Comparação e variabilidade dos materiais Selecção de materiais Variabilidade Resumo Definições MATERIAIS EM ENGENHARIA CIVIL Considerações gerais Betão. Definição GESSO Introdução Presa e endurecimento Resistências mecânicas Outras propriedades Aplicações CAL AÉREA E CAL HIDRÁULICA Introdução Cal aérea Endurecimento da cal aérea Aplicações da cal aérea Cal hidráulica Presa e endurecimento da cal hidráulica Algumas propriedades e aplicações de cal hidráulica Fabrico de cal Comercialização de cais Normalização 38 I

4 5. CIMENTOS 5.1 Introdução Definição Composição da matéria prima Fabrico Considerações gerais Preparação do cru Cozedura em forno rotativo Arrefecimento do clinquer. Moagem Principais componentes do clinquer Portland Considerações gerais Componentes da matéria prima Notação abreviada Módulos Componentes principais do clinquer Cálculo dos componentes principais do cimento Portland Hidratação Presa, endurecimento hidratação Hidratação e microestrutura Calor de hidratação dos componentes Resistência dos componentes hidratados A água no cimento hidratado Resistência química Propriedades físicas, mecânicas e Químicas dos cimentos Massa volúmica dos cimentos Finura Introdução Métodos de determinação da finura de um cimento Resistências mecânicas Presa Falsa presa Expansibilidade Expansibilidade causada por óxido de cálcio livre Expansibilidade causada pelo óxido de magnésio Expansibilidade causada por sulfatos de cálcio Resíduo insolúvel Perda ao fogo Cloretos 102 II

5 6. AGREGADOS PARA ARGAMASSAS E BETÕES 6.1 Introdução Classificação dos agregados Classificação petrográfica e mineralógica Classificação segundo a densidade Classificação de acordo com a massa volúmica Classificação segundo a baridade Classificação segundo as dimensões das partículas Propriedades dos agregados Granulometria Análise granulométrica Peneiros e suas características Procedimento para obtenção de uma análise granulométrica Curva granulométrica Traçado da curva granulométrica Mistura de agregados Fraccionamento de um agregado Módulo de finura Designação do agregado Peneiros a utilizar futuramente Formas das partículas Generalidades Determinação do índice volumétrico A influência da forma na trabalhabilidade do betão Resistência mecânica Determinação da tensão de rotura da rocha originária Ensaios de compressão confinada-esmagamento Ensaio de desgaste Ensaios sobre partículas individuais Ensaios comparativos Resistência à humidificação e secagem Resistência à congelação 149 REFERÊNCIAS 152 III

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7 Ciência dos Materiais 1ª Parte 1. INTRODUÇÃO 1.1 Generalidades Como engenheiros o nosso trabalho é projectar mas qualquer projecto não é mais do que isso até se começar a usar materiais e convertê-los em artefactos que funcionam. Basicamente existem três questões que é necessário conhecer sobre os materiais: 1 - Como se comportam em serviço? 2 - Porque razão apresentam determinado comportamento? 3 - Que fazer para alterar esse comportamento? O conceito do estudo dos átomos não é novo. Os Gregos e em especial Democritus (cerca de 460 AC), idealizavam a partícula individual elementar mas os seus conhecimentos científicos não se estendiam à observação e experimentação. Para tal houve que esperar cerca de dois séculos até Dalton, Avogadro e Cannizzaro formularem a teoria atómica, tal como a conhecemos hoje. E muitos mistérios continuam por desvendar, um facto que é tão reconfortante como provocador. Assim, ao abordar o assunto desta forma, está-se a considerar a partir dos tempos antigos, a evolução do pensamento sobre o universo e o modo como funciona. Um outro conceito importante é mais recente. A Engenharia está muito preocupada com a mudança do estado descarregado para em carga (em serviço), as consequências da mudança de temperatura, do ambiente, etc.. Os primeiros estudos de mudança de estado são atribuídos a Sadi Carnot (1824), mais tarde desenvolvidos por cientistas como Clausius, Joule e outros, produzindo ideias tais como a conservação de energia, do trabalho, etc.. Desde os primeiros estudos realizados com motores movidos a calor que a respectiva ciência foi designada por termodinâmica, mas, se se generalizar esta ciência, de facto corresponde à arte e conhecimento de como gerir, controlar e utilizar a transferência de energia quer seja energia atómica, energia das marés ou mesmo, por exemplo, a energia de uma plataforma a ser içada. Em muitos cursos de engenharia, a termodinâmica é tratada como assunto à parte mas, porque as suas aplicações ditam regras que nenhum engenheiro pode ignorar, apresenta-se em seguida uma pequena discussão sobre o assunto: 1

8 Ciência dos Materiais 1ª Parte Que regras são estas que nenhum engenheiro pode ignorar? Em resumo (e de uma forma humorística) são as seguintes: 1 Não é possível ganhar, isto é, não é possível retirar de um sistema mais do que se lhe fornece. 2 Não é possível empatar em qualquer mudança alguma coisa se perde e mais precisamente, o que se perde é inútil para o fim que se tem em vista. Assim, qualquer engenheiro deverá lembrar-se que a engenharia tem tudo a ver com compromisso e negócio. Pode-se fazer variar algumas propriedades como por exemplo a resistência, mas não outras, tais como a densidade. Se pretendesse projectar aviões poderia, em princípio, decidir entre resistência máxima e peso mínimo. Claro que é necessário chegar a um compromisso e a engenharia tem a ver justamente com encontrar soluções óptimas (Biggs, 1994). No passado a informação sobre o comportamento dos materiais tem tido como origem três fontes diferentes. Em primeiro lugar (fonte empírica) a partir de ensaios mecânicos de provetes que tem fornecido valores tais como a resistência ou módulo de elasticidade com o intuito específico de fornecer dados para análise estrutural ou outro tipo de análise. Em segundo lugar, (fonte da prática), a não ser subestimado, encontramse as experiências combinadas de técnicos envolvidos no processamento, manuseamento e colocação de materiais. Em terceiro lugar (fonte científica) aparecem os estudos mais sofisticados de estruturas físicas e químicas dos materiais propriamente ditos no conjunto da Ciência de Materiais. Em engenharia civil as três fontes empírica, prática e científica, tem frequentemente estado pouco interligadas em detrimento quer do conhecimento dos materiais quer do seu tratamento na prática. Um dos objectivos da Ciência dos Materiais é apresentar uma panorâmica mais articulada em que o conhecimento dos materiais é desenvolvido a partir da informação sobre a sua estrutura estando subjacente um enquadramento lógico para a prática e empirismo (Illston, 1994). 1.2 Materiais e engenharia Materiais são substâncias com as quais se fazem objectos. Desde os primórdios da civilização, o Homem tem usado os materiais, conjuntamente com a energia, para 2

9 Ciência dos Materiais 1ª Parte melhorar os seus padrões de vida. Os materiais são parte integrante da nossa vida, uma vez que os produtos são feitos de materiais. Madeira, betão, tijolo, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel são alguns materiais frequentemente utilizados. No entanto, existem muitos mais tipos de materiais. Em resultado das actividades de investigação e desenvolvimento tecnológicos, novos materiais estão frequentemente a ser inventados. A produção de materiais e seu processamento de modo a obterem-se produtos acabados constituem uma fatia importante da economia moderna. Cabe aos engenheiros conceber a maioria dos produtos fabricados e definir as tecnologias necessárias para a sua produção. Uma vez que qualquer produto incorpora materiais, os engenheiros devem ser conhecedores da estrutura interna e das propriedades dos materiais, de modo a estarem aptos a seleccionar os mais adequados para cada aplicação e a serem capazes de desenvolver os melhores métodos de produção (Smith, 1998). 1.3 Ciência e engenharia de materiais A ciência de materiais visa fundamentalmente a descoberta de conhecimentos básicos nos domínios da estrutura interna, das propriedades e do processamento de materiais. A engenharia de materiais dedica-se essencialmente à aplicação desses conhecimentos científicos, de modo a que os materiais possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade. A designação ciência e engenharia de materiais combina ambos os aspectos referidos anteriormente. A ciência de materiais situa-se num dos extremos do espectro de conhecimentos sobre os materiais (do lado do conhecimento dito fundamental), enquanto a engenharia de materiais se situa no outro extremo (do lado do conhecimento dito aplicado), não existindo, no entanto, uma linha de demarcação entre os dois conceitos - Figura 1.1. Ciencia de materiais Ciencia e engenharia de materiais Engenharia de materiais Conhecimentos básicos sobre materiais Simbiose de conhecimentos sobre estrutura, propriedades, métodos de processamento e comportamento em serviço de materiais de engenharia Conhecimento aplicado sobre materiais Figura 1.1- Espectro do conhecimento sobre materiais. A combinação destes conhecimentos, que derivam da ciência e da engenharia de materiais, permite aos engenheiros converter os materiais em produtos necessários à sociedade (Smith, 1998). 3

10 Ciência dos Materiais 1ª Parte A Figura 1.2 mostra um diagrama com três regiões concêntricas, que indica as relações entre as ciências básicas, a ciência e a engenharia de materiais, e as outras especialidades de engenharia. As ciências básicas estão localizadas no núcleo do diagrama, enquanto que as várias especialidades de engenharia (mecânica, electrotécnica, civil, química, etc.) se localizam no anel mais exterior. Ciências aplicadas, como a metalurgia e as ciências de polímeros e de cerâmicos, situam-se no anel intermédio. Conforme mostra a figura, a ciência e engenharia de materiais forma uma ponte de conhecimentos no domínio dos materiais, que liga as ciências básicas às outras especialidades de engenharia (Smith, 1998). Figura Espectro do conhecimento sobre materiais. A combinação destes conhecimentos, que derivam da ciência e da engenharia de materiais, permite aos engenheiros converter os materiais em produtos necessários á sociedade (Smith, 1998). 1.4 Tipos de materiais Por razões de conveniência, a maioria dos materiais de engenharia são divididos em três classes: materiais metálicos, materiais poliméricos (ou plásticos) e materiais cerâmicos. Para além das três classes principais, consideraremos outros tipos de materiais, os materiais compósitos e os materiais electrónicos, devido à sua grande importância em engenharia (Smith, 1998). 4

11 Ciência dos Materiais 1ª Parte Materiais metálicos Estes materiais são substâncias inorgânicas que contêm um ou mais elementos metálicos e que podem também conter alguns elementos não metálicos. O ferro, o cobre, o alumínio, o níquel e o titânio são exemplos de elementos metálicos. Como exemplos de elementos não metálicos que podem fazer parte da composição de materiais metálicos citam-se o carbono, o azoto e o oxigénio. Os metais possuem uma estrutura cristalina, na qual os átomos se dispõem de um modo ordenado. Os metais são geralmente bons condutores térmicos e eléctricos. Muitos deles são relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente, e muitos mantêm uma boa resistência mecânica mesmo a temperaturas elevadas. Os materiais metálicos (metais e ligas metálicas) 1 são habitualmente divididos em duas classes: a dos metálicos ferrosos, que contêm uma percentagem elevada de ferro, tais como os aços e os ferros fundidos, e a dos materiais metálicos não ferrosos, que não contêm ferro ou em que o ferro surge apenas em pequena quantidade. O alumínio, o cobre, o zinco, o titânio, o níquel, assim como as respectivas ligas, são exemplos de materiais metálicos não ferrosos. A figura 1.3 apresenta a fotografia de um motor a jacto de um avião comercial feito essencialmente de ligas metálicas. As ligas metálicas usadas no interior do motor têm de ser capazes de suportar as elevadas temperaturas e pressões que se geram durante o seu funcionamento. Foram necessários muitos anos de investigação e desenvolvimento tecnológico, realizado por cientistas e engenheiros, para aperfeiçoar este motor de alto rendimento. A Figura 1.4 mostra como, nos anos mais recentes, os materiais e as tecnologias de fabrico têm estado associados ao aumento de eficiência dos motores de propulsão por turbina a gás, Num futuro próximo, a utilização de materiais compósitos de matriz metálica ou de matriz cerâmica pode mesmo conduzir a crescentes aumentos de eficiência (Smith, 1998). 1 1 Uma liga metálica consiste numa combinação de dois ou mais metais ou de um metal (ou metais) com um não metal (ou não metais). 5

12 Ciência dos Materiais 1ª Parte Figura 1.3 O motor de avião a jacto (PW2037) é feito essencialmente de ligas metálicas. Neste motor são utilizadas as mais recentes ligas de níquel, resistentes a altas temperaturas e com elevada resistência mecânica (Smith, 1998). Figura 1.4 Os materiais e tecnologias de fabrico tem estado associadas, ao longo dos últimos anos, ao aumento da eficiência dos motores de propulsão por turbina a gás (Smith, 1998). As ligas metálicas são muito usadas em engenharia civil e em conjunto com o betão constitui um dos materiais mais comuns na construção civil: o betão armado. Nas 6

13 Ciência dos Materiais 1ª Parte Figuras 1.5 a 1.8 apresentam-se obras realizadas com ligas metálicas e betão armado (material compósito). Figura 1.5 Torre Eiffel de 300m de altura em ferro forjado, concluída em 1889, com fundações realizadas em betão armado ( Collins, 2001). Figura 1.6 Ponte D. Luís, no Porto. 7

14 Ciência dos Materiais 1ª Parte Figura 1.7 Construção de um reservatório em betão armado (Oland e Baker, 2001). Figura 1.8 Golden Gate bridge com um vão de 1280m, concluída em 1937, é suportada por dois cordões de aço de pré-esforço com 0.924m 2 de área formados com cabos Materiais poliméricos (Plásticos) A maioria dos materiais poliméricos é constituída por cadeias longas ou redes de moléculas orgânicas (contendo carbono). No que respeita à estrutura, a maioria dos materiais poliméricos é não cristalina, embora alguns sejam constituídos por misturas de regiões cristalinas e não cristalinas. A resistência mecânica e a ductilidade dos materiais poliméricos variam bastante. Devido à natureza da sua estrutura interna, a maioria dos 8

15 Ciência dos Materiais 1ª Parte materiais poliméricos é má condutora de electricidade. Alguns destes materiais são mesmo bons isoladores e, por isso, são usados nas correspondentes aplicações eléctricas - Figura 1.9. Em geral, os materiais poliméricos possuem densidades baixas e amaciam ou decompõem-se a temperaturas relativamente baixas (Smith, 1998). Figura 1.9 A placa de circuito e as ligações aqui apresentadas utilizam o termoplástico de engenharia poliéter-etercetona, de modo a satisfazer as rigorosas exigências de resistência mecânica e estabilidade dimensional a altas temperaturas e a garantir a integridade do material sob condições de soldadura (Smith, 1998). Em construção civil utilizam-se muitos materiais poliméricos Figura 1.10 e Figura 1.10 Cabeça de ancoragem e bainhas (Dywidag). Figura 1.11 Esquema e fotografia de um sistema de pré-esforço (Dywidag). 9

16 Ciência dos Materiais 1ª Parte Materiais cerâmicos Os cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não metálicos ligados quimicamente entre si. Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos, não cristalinos, ou misturas dos dois tipos. A maioria dos materiais cerâmicos possui elevada dureza e grande resistência mecânica a altas temperaturas; mas têm tendência a ser frágeis. Nos últimos anos, desenvolveram-se novos materiais cerâmicos para aplicação em motores. As vantagens da utilização de materiais cerâmicos em motores derivam do seu baixo peso, grande resistência mecânica e dureza, boa resistência quer ao calor quer ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, e também das suas propriedades isolantes. O facto de serem isolantes, conjuntamente com a resistência ao calor e ao desgaste, faz com que muitos cerâmicos sejam utilizados no revestimento de fornos para fusão de metais tais como o aço. Uma aplicação importante dos cerâmicos na engenharia aeroespacial são os painéis do vaivém espacial (space shuttle). Ao painéis de ladrilhos cerâmicos protegem termicamente a estrutura interna de alumínio do vaivém, quer durante a subida quer na reentrada na atmosfera da Terra (Smith, 1998). Na construção civil os cerâmicos utilizam-se desde longa data Figura Figura 1.12 Exemplos de materiais cerâmicos usados na construção civil Materiais compósitos Os materiais compósitos são misturas de dois ou mais materiais. A maioria dos materiais compósitos consiste numa mistura de um material de reforço ou de enchimento, devidamente seleccionado, com um material compatível que serve de ligante (ou matriz), de modo a obterem-se determinadas características e propriedades. 10

17 Ciência dos Materiais 1ª Parte Geralmente, os componentes não se dissolvem uns nos outros e podem ser fisicamente identificados pelas interfaces que os separam. Existem muitos tipos de compósitos. Um grande número deles é do tipo fibroso (formados por fibras no seio de uma matriz) ou de partículas (formados por partículas no seio de uma matriz). Existem também muitas combinações diferentes de reforços e de matrizes. Dois tipos mais relevantes de materiais compósitos modernos, para aplicação em engenharia, são constituídos por fibras de vidro numa matriz de poliéster ou de resina epoxídica e por fibras de carbono numa matriz de resina epoxídica (Smith, 1998). Dão-se exemplos de materiais compósitos na Figura Betão Mantas de fibra de vidro (Smith, 1998) Fibra de vidro em pasta de cimento (Hollaway e Hannant, 1998) Figura 1.13 Exemplos de materiais compósitos. 11

18 Ciência dos Materiais 1ª Parte Materiais electrónicos Os materiais electrónicos não constituem um grupo importante em termos de volume de materiais, mas são um grupo extremamente importante em termos de tecnologias avançadas. O material electrónico mais importante é o silício puro, o qual é modificado de várias maneiras, a fim de se alterarem as suas características eléctricas. Um grande número de circuitos electrónicos complexos pode ser miniaturizado num chip de silício, isto é, num cristal de silício, com a forma de um quadrado com cerca de 0,635 cm (1/4 de polegada) de lado. Foram os sistemas de microelectrónica que tornaram possível o aparecimento de novos produtos e equipamentos, tais como os satélites de comunicação, os computadores, as calculadoras de bolso, os relógios digitais e os robots de soldadura (Smith, 1998). 1.5 Comparação e variabilidade dos materiais Selecção de materiais A variabilidade das composições física e química dos diversos materiais tem de ser considerada pelos utilizadores ligados ao projecto de estruturas que tem de estabelecer critérios formais para definir que materiais se devem utilizar. O engenheiro terá que considerar a aptidão do material escolhido para a estrutura projectada. O critério mais importante na selecção do material é justamente a aptidãopara-o-uso, pois é necessário garantir que o material apresente um desempenho satisfatório quer durante a fase construtiva, quer em serviço, quando a estrutura já estiver construída. Satisfazer este critério será, provavelmente, ter que considerar as propriedades principais do material: a) O material terá que ser suficientemente resistente de modo a resistir às cargas a que a estrutura estará sujeita. b) Os elementos fabricados com o material não poderão deformar-se demasiado. c) O material não poderá degradar-se significativamente durante o período de vida útil da estrutura. d) Outros aspectos poderão ser incluídos no critérios da aptidão-para-o-uso. Por exemplo, a impermeabilidade poderá ser essencial, ou o prazo de construção. Também a estética e os efeitos no ambiente não podem ser esquecidos. 12

19 Ciência dos Materiais 1ª Parte Em muitas situações práticas existe mais de um material que satisfaz os critérios de aptidão-para-o-uso. Por exemplo elementos em tracção poderão ser feitos de aço ou madeira, placas de revestimento de edifícios poderão ser executados com compósitos de fibras, metal, madeira ou alvenaria. Então a questão será resolvida pelo engenheiro que terá de decidir e julgar qual o material que é mais adequado entre os que satisfazem os critérios de aptidão-para-o-uso. Á primeira vista parecerá simples esta decisão mas mesmo com vastos conhecimentos e informações sobre cada material é muitas vezes necessário recorrer á ajuda de especialistas. Um outro critério que pode resolver e, em geral, resolve a questão de qual o material mais adequado dentro dos com aptidão-para-o-uso, é a questão do CUSTO. O custo estimado de uma obra não poderá exceder, evidentemente, o valor disponível, e muitas vezes a solução escolhida é a mais barata. Aparentemente esta solução é um critério simples em que se comparam valores de custos entre as várias soluções. Na prática, não é assim tão simples. Pois por exemplo poderá haver dificuldades em interpretar o balanço entre o primeiro investimento e custos de manutenção, ou, por exemplo, avaliar os custos dos efeitos de não cumprimento de prazos de construção causado por entregas tardias na obra, do material escolhido (prazos de entrega não garantidos). (Illston, 1998) Variabilidade O utilizador de materiais terá então de considerar os critérios de aptidão-para-ouso para decidir que material empregar. Uma questão importante reside na variabilidade das propriedades do material em si. Esta variabilidade depende claramente da homogeneidade do material na estrutura, que, por sua vez depende de como o dito material foi produzido. Num extremo da escala a produção de aço constitui um processo bem desenvolvido e controlado pelo que um determinado tipo de aço pode ser facilmente reproduzido e a variabilidade de propriedades como a resistência é reduzida; No extremo oposto a madeira natural que apresenta nós e defeitos que conduzem inevitavelmente a uma variação maior dos valores das propriedades. A maioria das propriedades varia de acordo com a Lei Normal ou de Gauss: 13

20 Ciência dos Materiais 1ª Parte y 1 ( x x) exp σ 2π 2σ = 2 2 em que: y é a função densidade de probabilidade x é a variável Consideremos que x representa por exemplo, a resistência. Então esta propriedade pode ser representada por dois números: A resistência média, x, para n amostras, é dada por: x x = n A variação da resistência, representada pelo desvio padrão σ, é dada por: 2 σ = ( x x) n 1 2 O desvio padrão apresenta as mesmas unidades que a variável e expressa a sua variabilidade. Para se compararem diferentes materiais ou diversos tipos do mesmo material, utiliza-se o coeficiente de variação que é uma grandeza adimensional: σ c. v. = x Como em principio a madeira natural tem maior variabilidade do que o aço, para propriedades comparáveis o coeficiente de variação será maior na madeira. É possível reduzir o coeficiente de variação quando o material é fabricado. Por exemplo, o coeficiente de variação de aglomerado de madeira é bastante menor do que de madeira natural. Apresentam-se valores típicos da resistência média e coeficientes de variação de alguns materiais no Quadro 1.1 obtidos em ensaios em provetes do mesmo lote ou amassadura dos material típico (Illston, 1998). 14

21 Ciência dos Materiais 1ª Parte Quadro 1.1 Resistências e coeficientes de variação de alguns materiais de construção (Illston, 1998) Material Resistência média c.v. comentário MPa % Aço 460 tracção 2 Aço macio de construção Betão 40 compressão 15 Betão de massa volúmica normal. Provetes cúbicos.28 dias. Madeira 30 tracção 35 Resinosas, não classificada 120 tracção 18 Sem nós,de resinosas, paralelamente ás fibras 11 tracção 10 Contraplacado estrutural Compósitos 18 tracção 10 Fibras contínuas de polipropileno com cimentícios com 6% (em volume) na direcção das tensões fibras alvenaria 20 compressão 10 Muros pequenos de tijolo com argamassa 1.6 Resumo A ciência de materiais e a engenharia de materiais (conjuntamente, ciência e engenharia de materiais) formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciências básicas às diversas especialidades de engenharia. A ciência de materiais visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais, enquanto a engenharia de materiais se dedica principalmente à aplicação desses conhecimentos. Os três tipos principais de materiais são: os materiais metálicos, os materiais poliméricos e os materiais cerâmicos. Existem, no entanto, outros dois tipos de materiais que são muito importantes nas tecnologias modernas: os materiais compósitos e os materiais electrónicos. Neste livro, serão tratados todos estes tipos de materiais. Os materiais competem uns com os outros na conquista dos mercados actuais e futuros, pelo que é frequente assistir-se, para determinadas aplicações, à substituição de um material por outro. A disponibilidade de matérias primas, os custos de produção, bem como o desenvolvimento de novos materiais e de novas técnicas de fabrico, são os principais factores que provocam mudanças no consumo dos materiais (Smith, 1998) 1.7 Definições Materiais: substâncias com as quais se fazem objectos. A designação materiais de engenharia é usada, por vezes, em referência específica aos materiais que se utilizam para o fabrico de produtos técnicos. Contudo, não há uma linha de separação clara entre as duas designações, pelo que ambas são usadas indistintamente. 15

22 Ciência dos Materiais 1ª Parte Ciência de materiais: disciplina científica que visa fundamentalmente a descoberta de conhecimentos básicos sobre a estrutura interna, as propriedades e o processamento de materiais. Engenharia de materiais: especialidade de engenharia que se dedica essencialmente à aplicação dos conhecimentos científicos sobre materiais, de modo a que estes possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade. Materiais metálicos (metais e ligas metálicas): materiais caracterizados por possuírem elevadas condutividades térmica e eléctrica. A título de exemplo, citam-se o ferro, o aço, o alumínio e o cobre. Materiais metálicos ferrosos: materiais metálicos que contêm uma percentagem elevada de ferro, tais como os aços e os ferros fundidos. Materiais metálicos não ferrosos: materiais metálicos que não contêm ferro ou em que o ferro surge apenas em pequena quantidade. O alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel, bem como as respectivas ligas, são exemplos de materiais não ferrosos. Materiais cerâmicos: materiais formados por compostos de metais com não metais. São geralmente duros e frágeis. Os materiais feitos de argila, o vidro e o óxido de alumínio, compactado e densificado a partir de pós, constituem exemplos de materiais cerâmicos (Smith, 1990). Materiais poliméricos: materiais formados por longas cadeias moleculares de elementos leves, tais como o carbono, o hidrogénio, o oxigénio e o azoto. A maioria dos materiais poliméricos tem uma condutividade eléctrica baixa. O polietileno e o cloreto de polivinilo (PVC) são exemplos de materiais poliméricos. Materiais compósitos: materiais que consistem em misturas de dois ou mais materiais. A título de exemplo, citam-se os materiais constituídos por fibras de vidro numa matriz de poliéster ou de resina epoxídica. (Smith, 1990). O betão, a madeira (celulose e lenhina) e os ossos, são exemplos de materiais compósitos. Materiais electrónicos: materiais usados em electrónica, e especialmente em microelectrónica. Citam-se, a título de exemplo, o silício e o arsenieto de gálio (Smith, 1998). 16

23 2. MATERIAIS EM ENGENHARIA CIVIL 2.1 Considerações gerais O betão e o aço são os materiais estruturais mais usados, por vezes completandose e noutras vezes competindo um com o outro de tal forma que estruturas de tipo e função semelhantes poderão ser construídas quer com um quer com o outro material de construção. No entanto, muitas vezes o engenheiro conhece pior o betão de uma estrutura do que o aço. De facto o aço é produzido sob condições cuidadosamente controladas e as suas propriedades são determinadas em Laboratório sendo referidas nos documentos de certificação emanados do produtor. Isto é, o projectista apenas terá que especificar o aço de acordo com as normas em vigor e o engenheiro da obra terá que verificar que as tarefas de ligação dos vários elementos de aço sejam bem realizadas. Numa obra em betão a situação é totalmente diferente, pois, embora a qualidade do cimento seja garantida pelo produtor de cimento de uma forma semelhante ao que acontece com o aço e se utilizem materiais cimentícios adequados, é o betão, e não o cimento, que constitui o material de construção. Os elementos estruturais numa obra em betão em geral são betonados in situ e utilizando-se os materiais adequados, a sua qualidade vai depender sobretudo da mão-de-obra que produz, coloca e cura o betão. Como a disparidade nos métodos de produção do aço e do betão é tão evidente torna-se muito importante o controlo de qualidade na obra quando é utilizado o material betão. Além disso a mão-de-obra ligada à produção do betão não é especializada como noutros tipos de tarefas, tornando-se essencial a fiscalização na obra. Estes factos devem estar presentes na mente do projectista na medida em que um projecto cuidado e detalhado pode ser facilmente viciado se as propriedades do betão efectivamente produzido em obra se desviarem muito das propriedades previstas no projecto. Do que foi dito não se deverá concluir que é difícil produzir bom betão, pois o betão de má qualidade que se caracteriza, por exemplo, por uma trabalhabilidade inadequada e que endurece transformando-se numa massa não homogénea e com ninhos de pedra, também provem da mistura de cimento, agregados e água. Isto é, os ingrediente de um bom betão são exactamente os mesmos de um mau betão e a diferença entre os dois reside na técnica e conhecimentos do como fazer (Neville, 1995). 17

24 De facto os processos envolvidos na produção de cimento e betão são complexos, como se verifica na Figura 2.1. matérias primas moagem do cru homogeneização alimentação do forno calcinação queima arrefecimento clinquer água adições minerais adjuvantes adições adições quimícas agregados moagem cimento armazenamento betão Figura 2.1 Fluxograma de materiais e processos na produção de cimento e betão (Johansen, 1999). As propriedades do betão endurecido são da maior importância e dependem da complexa estrutura interna deste material. Além disso o comportamento do betão fresco e enquanto plástico tem uma influência crucial na estrutura interna e, consequentemente nas propriedades do material endurecido. Acresce ainda que a estrutura interna e, portanto, as respectivas propriedades, vão evoluindo ao longo do tempo, interagindo com o ambiente em que o betão está inserido (Construction Materials, 1996). Assim, saber fazer betão de qualidade implica avaliar o ambiente onde a estrutura do betão vai ser inserida, procurando prever as interacções ambiente/betão; conhecer o comportamento dos constituintes; controlar as fases de produção, transporte, 18

25 colocação, compactação - isto é, o seu comportamento no estado fresco, assim como garantir uma eficiente protecção e cura. Um betão de qualidade assim concebido e realizado terá uma estrutura interna que evolui ao longo do tempo mas cujas propriedades satisfazem os requisitos pretendidos durante o período de vida útil prevista para essa estrutura. Em resumo, poder-se-á dizer que o BETÃO é um material compósito cujas propriedades dependem: - da qualidade dos constituintes - da qualidade de mão-de-obra que o produz e coloca - das condições ambientais a que estará exposto durante a sua vida útil (Skalny, 1989). Repare-se que com a evolução dos conhecimentos actuais relacionados com o betão, torna-se fundamental que os engenheiros, empreiteiros e técnicos ligados à construção levem a sério o desafio proposto por Sitter e designado pela Lei dos cinco : «Uma libra (escudo, dólar, Euro,...) investido na fase A, corresponde a 5 libras na fase B, 25 na fase C e 125 na fase D, em que: A - Projecto, construção e cura do betão B - Processos de iniciação da corrosão em curso mas as fases de propagação e portanto de deterioração ainda não começados. C - Fase de propagação da corrosão iniciada D - Estado de propagação avançada» (Geiker, 1999). Isto é, é fundamental investir sobretudo na fase de concepção, construção (produção, transporte, colocação, COMPACTAÇÃO) protecção e cura do betão - a fase A. 2.2 Betão. Definição O betão é um material constituído pela mistura devidamente proporcionada de agregados (em geral brita ou godo e areia) com um ligante hidráulico, água e eventualmente adjuvantes e/ou adições. 19

26 Ligante hidráulico (cimento) BETÃO Agregados Água [Adjuvantes] [Adições] Grosso (brita ou godo) Fino (areia) 2.3 Ligantes Um ligante é um produto que ganha presa e endurece, podendo aglomerar outros materiais, tais como agregado grosso e areia. São portanto substâncias com propriedades AGLOMERANTES. LIGANTES HIDRÓFILOS Aplicação sobretudo em argamassas e betões aéreos Ex: cal aérea; gesso (não resiste à água) hidráulicos Ex: cal hidráulica; cimento (resistente à água) HIDRÓFOBOS aplicação sobretudo em impermeabilizações e pavimentos Ex: alcatrão betumes naturais e artificiais asfaltos (destilação de petróleo) resinas(materiais plásticos ou sintéticos) Um ligante hidrófilo é um ligante que tem afinidade com a água e misturado com ela forma uma pasta que endurece, podendo, como qualquer ligante, aglomerar outros materiais. É constituído por matéria sólida finamente pulverizada. Ex: cal aérea, gesso, cal hidráulica, cimento. Os ligantes hidrófilos podem-se classificar em aéreos ou hidráulicos. Um ligante hidrófilo aéreo é um ligante que misturado com a água forma uma pasta que endurece ao ar. 20

27 A pasta endurecida, com ou sem outros materiais incorporados, não é resistente à água. Ex: cal aérea, gesso. Um ligante hidrófilo hidráulico é um ligante que misturado com a água forma uma pasta que endurece ao ar ou dentro da água e a pasta endurecida, com ou sem outros materiais incorporados, resiste à água. Ex: cal hidráulica, cimento. Um ligante hidrófobo (repelente de água) é um ligante em que a água não tem qualquer papel na produção e endurecimento do aglomerante e que repele a água após endurecimento. É constituído por substâncias mais ou menos viscosas que endurecem por arrefecimento, por evaporação dos seus dissolventes ou por reacção química entre diferentes componentes. Apresentam-se, não sob a forma de pó como os ligantes hidrófilos, mas sob a forma de líquidos viscosos ou soluções resinosas e ao endurecer formam estruturas coloidais rígidas. Exs: alcatrão, proveniente de carvão, sobretudo de hulha), asfaltos (provenientes da destilação de petróleo), matérias plásticas ou sintéticas como resinas. 3 GESSO 3.1 Introdução A família dos gessos é um conjunto de ligantes simples constituídos basicamente por sulfatos mais ou menos hidratados de cálcio e sulfatos anidros de cálcio obtidos por desidratação e cozedura da Pedra de Gesso ou Gesso Bruto. O gesso encontra-se abundantemente na natureza, em terrenos sedimentares, apresentando-se sob a forma de Anidrite CaSO 4 ou Pedra de Gesso (CaSO 4. 2H 2 O) (Sampaio, 1978). A Pedra de Gesso ou Gesso Bruto é extraído das gesseiras e constituída essencialmente por sulfato de cálcio dihidratado (CaSO 4.2H 2 O) podendo conter impurezas como sílica, alumina, óxido de ferro, carbonatos de cálcio e magnésio. A Pedra de Gesso se submetida a tratamento térmico em fornos especiais dá origem a compostos diversos, mais ou menos hidratados e com propriedades diferentes, de acordo com a temperatura de cozedura: 21

28 Entre 130 e 160 o C o composto perde 1.5 moléculas de água dando origem ao gesso de Paris, gesso para estuque ou gesso calcinado CaSO 4.1/2 H 2 O. Este gesso é mais solúvel na água do que o Gesso Bruto. Entre 170 e 280 o C obtém-se a anidrite solúvel CaSO 4 de presa rápida (gesso rápido), transformando-se em CaSO 4.1/2 H 2 O em presença de água. Entre 400 e 600 o C forma-se uma anidrite insolúvel, que portanto não reage com a água, não ganhando presa. Cerca de 1100 o C forma-se o gesso para pavimentos que é uma anidrite de presa lenta. O gesso para pavimentos necessita de pouca água de amassadura e após endurecimento apresenta maior resistência e dureza e menor porosidade e sensibilidade à água do que o gesso de Paris. É pouco usado devido ao facto da sua produção exigir temperaturas elevadas de cozedura. Embora a presa demora cerca de 5 horas é possível reduzi-la para cerca de 30 minutos utilizando aceleradores, como por exemplo sulfato de alumínio (Duriez, 1950; NP 315, 1963; Sampaio, 1978; Bauer, 1992 e Moreira, 1999) º Gesso para Pavimentos (presa lenta, + resistente) CaSO 4.2H 2 O Pedra de Gesso ou Gesso Bruto 130 a 170º CaSO 4.1/2H 2 O Gesso de Paris, para estuque ou calcinado 170 a 280º CaSO 4 Anidrite Solúvel (gesso rápido) 400 a 600º Anidrite Insolúvel (sem presa) Figura 2.2 Produtos obtidos a partir da Pedra de Gesso, de acordo com as temperaturas (ºC). O gesso para construção ou gesso comercial é constituído por uma mistura de cerca de 60 a 70% de SO 4 Ca.1/2 H 2 O e o restante de anidrite (Bauer, 1992) também podendo conter impurezas e adjuvantes. Num estudo levado a cabo no LNEC o gesso de construção em Portugal demonstraram um teor de SO 4 Ca.1/2 H 2 O entre 77 e 97% (Oliveira e Rodrigues). 22

29 3.2 Presa e endurecimento Ciência de Materiais 1ª Parte Os sulfatos de cálcio hemi-hidratado e anidro, em presença de água reconstituem rapidamente o sulfato bi-hidratado original, isto é, o gesso bruto como reacção inversa ao seu fabrico: CaSO 4.1/2 H 2 O + 1.5H 2 O CaSO 4.2H 2 O Esta reacção é fortemente EXOTÉRMICA e expansiva, formando-se uma fina malha de cristais em forma de longas agulhas que se interpenetram dando coesão ao conjunto. De facto uma das características mais notáveis do gesso é que a presa se faz com aumento de volume, o que tem vantagens quando se trata de enchimento de moldes, porque deixam de haver falhas dentro dos moldes. Além deste facto há a salientar que o acabamento das superfícies de gesso é muito perfeito. Por estas razões o gesso foi e é muitas vezes usado em ornamentações delicadas de tectos e paredes. Depois da presa o gesso continua a endurecer num processo que pode durar semanas. A presa e endurecimento dependem dos seguintes factores: natureza dos compostos desidratados originados pela temperatura e tempo do tratamento térmico sofrido, como visto atrás. finura presença de impurezas presença de adjuvantes (por ex. retardadores de presa) quantidade de água de amassadura Relativamente à finura, quanto mais moído for o gesso, maior será a sua superfície específica e consequentemente a superfície do material exposto à hidratação, pelo que a presa será mais rápida (para a mesma quantidade de água de amassadura). A presa e o endurecimento do gesso tratado termicamente são também atrasados por impurezas que existam no Gesso Bruto (produto natural). 23

30 É possível também, obter gesso de presa mais lenta por incorporação de retardadores de presa tais como cola, serrim fino de madeira, etc., em proporções muito reduzidas (0.1 a 0,5%). A quantidade de água utilizada na amassadura de gesso, a água de amassadura, influencia muito a presa e o endurecimento, e, consequentemente a resistência e porosidade. De facto a presa é tanto mais rápida quanto mais se reduzir a quantidade de água no sentido de a aproximar da estritamente necessária à hidratação de dada quantidade de gesso (para o composto CaSO 4.1/2H 2 O é cerca de 25% em massa). Se se utilizar apenas a quantidade mínima, a presa é demasiado rápida e portanto não é manuseável, não é trabalhável, pelo que se utiliza sempre, na prática, uma quantidade de água maior. De facto o CaSO 4.1/2H 2 O é um produto muito solúvel na água. Então quando se mistura gesso com água, o CaSO 4.1/2H 2 O dissolve-se dando origem ao CaSO 4.2H 2 O, que não é tão solúvel e que ao fim de algum tempo precipita, por se ter dado a saturação da solução. Aquando da precipitação formam-se cristais que vão constituir um sistema rígido. Quanto mais água se emprega na amassadura maior é o tempo de presa, pois mais tempo leva a solução a ficar saturada, e portanto a cristalização faz-se mais tarde. Portanto: > t. presa e endurecimento > A/G < resistência mecânica > porosidade A massa de água de amassadura G massa de gesso Em geral para o gesso de construção a amassadura é feito com uma quantidade de água de cerca de 0.6 a 0.75, verificando-se o princípio de presa entre 2 a 6 minutos e o fim de presa (gesso já sólido, consistente) de 15 a 30 minutos (Duriez, 1952). 24

31 Como exposto anteriormente, para aumentar o tempo de presa, pode-se utilizar uma quantidade maior de água de amassadura com os inconvenientes de se obter resistência mecânica inferior e maior porosidade. É possível retardar a presa sem aumentar a água, utilizando um retardador de presa (por exemplo gelatina, cola forte, cal apagada, água quente) e portanto aumentar a resistência e diminuir a porosidade. 3.3 Resistências Mecânicas A resistência mecânica do gesso após presa depende da quantidade de água embebida, isto é, presente na rede porosa e que não foi necessária para a formação de CaSO 4.2H 2 O. Os cristais formados são solúveis na água pelo que se o gesso após presa é mantido num ambiente saturado praticamente não endurece. Se o gesso após presa é conservado num ambiente não saturado, vai endurecendo à medida que a água embebida se evapora e a resistência vai aumentando. Por exemplo ao ar livre para uma humidade relativa média, a resistência do gesso pode duplicar entre o 1º e o 7º dia após a amassadura. Mesmo depois de seco, a resistência à compressão pode reduzir a um quarto ou mesmo um sexto se for embebido em água (Duriez, 1952). Isto é, o gesso não resiste à humidade e acaba mesmo por apodrecer nessas condições, só se utilizando no exterior, em climas secos. Na Figura 2.3 apresentam-se os resultados médios de ensaios efectuados aos 28 dias em provetes secos e saturados da resistência à compressão e à tracção em função da água de amassadura. Figura 2.3 Resistências médias em provetes secos e saturados de gesso de construção, conservados 28 dias em ar seco. 25

32 As resistências aproximadas à compressão e tracção, de gesso de construção conservado 28 dias num ambiente com humidade relativa média são dadas no quadro seguinte (Duriez, 1952). Resistência (MPa) A/G à compressão à tracção Gesso de construção fino 75% Gesso de construção grosso 60% A massa de água de amassadura G massa de gesso Repare-se que a resistência à compressão é cerca de três a quatro vezes superior à resistência à tracção. No betão o factor correspondente é cerca de dez. Repare-se também que no gesso, a resistência mecânica depende não só da água de amassadura, mas também do estado de embebição, isto é, da quantidade de água contida na rede porosa, como exposto anteriormente. No betão a resistência mecânica depende sobretudo da água de amassadura e não diminui com o aumento da água de embebição, pelo contrário, irá aumentar com a continuação do processo de hidratação do cimento. 3.4 Outras propriedades Como apontado anteriormente a principal desvantagem deste material é não resistir à humidade, em virtude ser dissolvido pela água. É apenas utilizado em ambientes eventualmente húmidos se protegido com uma pintura impermeável. No entanto apresenta uma série de vantagens e desvantagens que se resumem seguidamente: Económico. O gesso é um material económico devendo substituir o cimento sempre que possível. De facto, para fabricar 1 tonelada de cimento Portland são necessários cerca de 300 kg de carvão e para 1 tonelada de gesso são necessários cerca de 80 a 90. Bom acabamento. Bom isolamento Térmico e Acústico. Resistência ao fogo. De facto a resistência ao fogo deste material é elevado pois no início, o calor é dispensado na desidratação do gesso. 26

33 Água Salgada. O gesso é cinco vezes mais solúvel em água do mar (ou água com cloreto de magnésio) do que em água doce. Corrosão do ferro e aço. O gesso corrói o ferro e o aço pelo que não se podem usar ferramentas e utensílios destes materiais, preferindo-se a utilização de ferramentas em latão, pregos ou parafusos com crómio, pregos ou parafusos e armaduras galvanizadas com zinco puro (por exemplo o zinco com 1 a 2% é atacado) e no caso de se aplicar gesso por exemplo em tectos, as armaduras têm de estar totalmente protegidas com argamassa (de cimento). Má aderência a superfícies lisas, sobretudo a madeira, pelo que se desenvolveram no passado, técnicas apropriadas para obviar este inconveniente: o estuque e o estafe. 3.5 Aplicações O estuque e o estafe são técnicas de aplicação de gesso que hoje não são utilizadas a não ser em obras de reabilitação. Estuque consiste no revestimento de paredes, tectos e outras superfícies rebocadas de estruturas de edifícios feito com pasta de gesso para estuque (gesso calcinado a cerca de 140 o C e misturada com cal ou outro retardador) e à qual se adicionaram outros materiais convenientes como por exemplo, gelatina ou cola forte. O estuque é colocado entre e sobre fasquias de madeira dispostas de modo a permitir melhor aderência Figura 2.4. gesso fasquio fasquio Figura 2.4 Aplicação de estuque (Sampaio, 1975). Esta técnica caiu em desuso em virtude da falta de mão de obra e também devido às deformações sofridas pelas peças em madeira preferindo-se hoje o uso de gesso sob a forma de placas pré-fabricadas (NP 315 e Sampaio, 1975). 27

34 Estafe Placas pré-fabricadas de 1 a 2 cm de espessura, constituídas por gesso, armadas com fibras vegetais (estopa, sisal, linho, etc.), dispersas que conferem maior resistência à flexão. Estas placas são aparafusadas aos barrotes intervalados de cerca de 1 metro. Os parafusos não podem ser de aço, como dito. As juntas das placas e remates são colmatadas com linhada de gesso fabricada no local e que consiste numa pasta de gesso armada com fios de linho ou sisal. 1a2cm PARAFUSOS PLACAS DE GESSO BARROTE Figura 2.5 Placas pré-fabricadas formando o estafe (Sampaio, 1975). Hoje em dia, existem vários tipos e marcas de gesso de construção Figura 2.6, para executar trabalhos moldados em obra, pré-fabricados ou mesmo para base na formulação de colas ou massas. Figura 2.6 Gesso para construção vendido a saco. Além do gesso de construção existe uma série de produtos aplicáveis na construção obtidos a partir do gesso tais como: peças pré-fabricadas para decoração Figura

35 Figura 2.7 Produtos pré-fabricados de gesso, para decoração. Gesso Cartonado placas de gesso prensado entre duas folhas de cartão. Exs: Pladur Figura 2.8 Placoplatre Figura 2.9 Figura 2.8 Gesso cartonado Pladur. 29

36 Figura 2.9 Aplicação de gesso cartonado Placoplatre. Gesso prensado placas de gesso prensado Ex: Knauff Figuras 10 e 11. Figura Placas perfuradas Knauff entre as vigas de aço visíveis. Restaurantes no piso superior do Parlamento de Berlim (Reichstag). Figura Tecto em gesso. Entrada principal da Embaixada alemã em Washington (proj. Arq. O.M. Ungers) Préfabricação e montagem na Alemanha. Existem hoje um sem número de outros produtos aplicáveis na construção civil e que englobam o material gesso, tais como placas mistas, placas reforçadas com fibras celulósicas, etc.. 30

37 4 CAL AÉREA E CAL HIDRÁULICA 4.1 Introdução Um dos ligantes artificiais mais antigos é o ligante que resulta da cozedura dos calcários, constituídos sobretudo por CaCO 3, mais abundantes na natureza. Associada a estes existe sempre a argila, em maior ou menor quantidade, porque a precipitação do carbonato de cálcio em águas de grande tranquilidade arrasta consigo a argila que porventura esteja em suspensão. Obtém-se então o calcário margoso; quando a argila é em quantidade superior ao carbonato forma-se uma marga calcária. Assim, os calcários podem ser muito puros ou conterem quantidades variáveis de argila (Coutinho, 1988). Calcário CaCO 3 ~ 100% Calcário margoso CaCO 3 + argila (<50%) Marga calcária argila + CaCO 3 (<50%) A cozedura do calcário puro dá origem ao óxido de cálcio, que constitui a cal aérea; a cozedura do calcário margoso dá origem às cais mais ou menos hidráulicas, conforme o teor de argila, e também aos cimentos naturais. CaCO 3 (quase puro) 800/900 o C OCa + CO 2 42,5 calorias Cozedura em forno Óxido de cálcio r. endotérmica (cal viva) CaCO 3 com impurezas até 5% 850 o C cal viva cal aérea (argila, etc.) CaCO 3 + argila 1000 o C cal ± hidráulica (8-20%) CaCO 3 + argila o C cimento natural (20-40%) 4.2 Cal aérea Quanto ao teor de impurezas, as cais aéreas dividem-se em gordas e magras. As cais aéreas gordas derivam de calcários quase puros com teores de carbonato não inferiores a 99% e são brancas. As cais aéreas magras (acinzentadas) derivam de 31

38 calcários com teores de argila e de outras impurezas compreendidos entre 1 e 5% (Coutinho, 1988). Chamam-se gordas às primeiras devido às suas propriedades plásticas, pois tratase de cais facilmente trabalháveis e bastante macias. As cais magras não são tão fáceis de trabalhar nem tão macias. A reacção de presa é a mesma para qualquer delas (Sampaio, 1975). Como o magnésio aparece muitas vezes associado ao cálcio, são frequentes na natureza calcários com maior ou menor percentagem de dolomite (MgCO 3 ) (Coutinho, 1988). Assim a cal aérea pode ser cálcica quando é sobretudo constituída por óxido de cálcio (CaO) ou dolomítica constituída sobretudo por óxido de cálcio e óxido de magnésio. Segundo a normalização europeia uma cal aérea cálcica designa-se por uma sigla que contém as letras CL e uma cal aérea dolomítica designa-se por uma sigla que contém as letras DL. O produto obtido pela cozedura dos calcários designa-se por cal viva (quicklime) que é sobretudo óxido de cálcio e que, por reacção com a água (extinção), fornece a cal apagada ou extinta (hidrated lime) que é sobretudo hidróxido de cálcio - Ca(OH) 2. Segundo a normalização europeia uma cal viva designa-se por uma sigla que contém a letra Q e uma cal apagada designa-se por uma sigla que contém a letra S.. A cal viva apresenta-se sob a forma de grãos de grandes dimensões com 10, 15 ou 20 cm são as pedras (ou blocos) de cal viva (Bauer, 1992) ou sob a forma de pó. A cal viva é um produto sólido, de cor branca com grande avidez pela água. Isto é, para a obtenção e posterior aplicação do hidróxido de cálcio, Ca(OH) 2, é necessário proceder à hidratação da cal viva. A esta operação chama-se extinção da cal: CaO + H 2 O Ca(OH) cal. r. exotérmica cal viva cal apagada com expansão ou extinta A extinção pode fazer-se por dois processos: por imersão ou por aspersão. A imersão corresponde à extinção da cal viva com excesso de água e é feita mergulhando os blocos de cal viva em água obtendo-se uma pasta pasta de cal ou pasta de cal apagada que endurece lentamente. De facto é um produto muito pouco poroso, permeável, com difícil e lenta recarbonatação que pode durar mais de 6 semanas, por vezes. Existem argamassas romanas que ainda se encontram moles no seu 32

39 interior, devido a camada exterior de carbonato de cálcio não deixar penetrar o CO 2, impedindo assim a recarbonatação em zonas mais profundas (Sampaio, 1978). A aspersão consiste na extinção da cal viva com aspersão de água estritamente necessária à hidratação. Como se verifica expansão à medida que a cal se vai hidratando, o produto pulveriza-se (Sampaio, 1978). As cais extintas são portanto cais aéreas, principalmente constituídas por hidróxido de cálcio e, eventualmente, de magnésio que resultam da extinção da cal viva. As cais extintas não têm reacção exotérmica quando em contacto com a água. São produtos sob a forma de pó seco ou mistura aquosa (EN 459-1, 2001) (pasta de cal lime putty, ou leitada de cal). Portanto, uma cal aérea é um ligante constituído sobretudo por óxidos de cálcio, CaO ou hidróxidos de cálcio, Ca(OH) 2 que endurece lentamente ao ar por reacção com o dióxido de carbono. Em geral não endurece na água pois não possuem propriedades hidráulicas. Pode-se tratar de uma cal viva ou de uma cal apagada (EN 459-1, 2001). 4.3 Endurecimento da cal aérea Depois de aplicada, o endurecimento da cal aérea faz-se em duas fases. Numa primeira fase (presa inicial) dá-se a evaporação da humidade em excesso, ao fim da qual a cal está firme ao tacto mas ainda é marcável com a unha. Na segunda fase, a fase de recarbonatação, dá-se uma reacção química muito lenta, ao ar, (daí o nome de aérea), em que o hidróxido se reconverte em carbonato de cálcio por recombinação com o dióxido de carbono (CO 2 ). A velocidade desta fase de recarbonatação depende da temperatura, da estrutura porosa e da humidade da pasta podendo demorar anos a completar-se: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O + 42,5 cal. r. exotérmica e expansiva A pasta de cal ao secar retrai e fissura. Para evitar a retracção de secagem emprega-se areia nas argamassas de cal. Os grãos de areia dividem o material em pequenas fracções localizadas que arejam a argamassa, permitindo a sua carbonatação ao mesmo tempo que se dá a secagem. A areia utilizada deve ser siliciosa ou calcária, bem limpa, isenta de matérias húmicas e de argila. 33

40 4.4 Aplicações da cal aérea Ciência de Materiais 1ª Parte Repare-se que o hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ) é solúvel na água (1,3g/l) e ainda mais na água salgada. Portanto, além de não ganhar presa nem endurecer em água, é ainda mais solúvel em água salgada, pelo que não pode ser usado em obras hidráulicas nem marítimas. Até há cerca de 200 anos (quando apareceu a cal hidráulica) o ligante usado em todas as construções era a cal. Hoje ainda é utilizada por exemplo no fabrico de blocos sílico-calcários, misturada com gesso, no fabrico de estuques, misturada com pozolanas constituindo ligantes hidráulicos, misturada com cimento ou cal hidráulica em argamassas para reboco e ainda sob a forma de leitada na caiação de muros. (Note-se que terá vantagem na caiação utilizar areia, para que não se verifique microfissuração e também tornar o produto mais económico). (Sampaio 1975; Coutinho, 1988; Bauer, 1992; Moreira, 1998). 4.5 Cal hidráulica Como indicado anteriormente a pedra calcária (CaCO 3 ) que contenha de 8 a 20% de argila, se tratada termicamente a cerca de 1000 o C, dá origem a cal hidráulica que é um produto que endurece tanto na água como no ar. A cal hidráulica é constituída por silicatos (SiO 2. 2CaO) e aluminatos de cálcio (Al 2 O 3. CaO) que hidratando-se endurecem na água ou ao ar e também por óxido de cálcio (CaO) pelo menos 3%, que continua livre e que vai endurecer por carbonatação. CaCO 3 + argila 1000/1100 o C cal hidráulica (8-20%) A preparação da cal hidráulica é feita em fornos, verificando-se as seguintes fases: 500 a 700 o C desidratação da argila 850 o C decomposição do calcário CaCO 3 CaO + CO o C Reacção da sílica e alumina da argila com o óxido de cálcio, originando silicatos e aluminatos SiO 2 + CaO silicato de cálcio (SiO 2. 2CaO) Al 2 O 3 + CaO aluminato de cálcio (Al 2 O 3. 3CaO) 34

41 Repare-se que se a temperatura de cozedura for mais alta (até 1500 o C) e a percentagem de argila (sílica e alumina) for maior a reacção é mais completa, isto é a quantidade de silicatos e aluminatos de cálcio é maior, diminuindo a quantidade de óxido de cálcio livre e no extremo as reacções serão semelhantes às que se passam no fabrico do cimento. Portanto, a cerca de 1000 o C a reacção é parcial e os produtos formados são uma mistura de silicatos e aluminatos de cálcio com óxido de cálcio livre. Depois da saída do forno obtém-se pedaços de várias dimensões constituídos pela mistura de silicatos e aluminatos de cálcio e cal livre (mais de 3%, em regra cerca de 10%) e ainda um pó inerte que é silicato bicálcico formado por pulverização durante o arrefecimento (657 o C). Este pó amassado com água não aquece nem ganha presa. A cal retirada do forno deve ser extinta, não só com o fim de eliminar a cal viva, mas muito especialmente para provocar a pulverização de toda a cal hidráulica. É este fenómeno que distingue a cal hidráulica do cimento Portland: a finura da cal hidráulica é obtida por extinção da cal viva e não por moedura. A extinção deve ser feita com certa precaução pois só se deve adicionar apenas a água estritamente necessária para hidratar a cal viva; é a reacção expansiva desta (dobra de volume, sensivelmente) que se aproveita para pulverizar os grãos que contêm os aluminatos e silicatos; a água em excesso iria hidratá-los. A cal viva precisa ser completamente extinta, antes de se utilizar a cal hidráulica na construção. A extinção é realizada lentamente a temperaturas entre 130 e 400 o C e após a extinção obtém-se: Pó silicatos e aluminatos de cálcio hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ) cal apagada, extinta Grappiers Os grappiers são grãos de material sobreaquecido com verdadeiras características de cimento, mais escuros e duros e ricos em silicatos bicálcicos. Assim, após a extinção é necessário separar os grappiers do pó e proceder à sua moagem. 35

42 Em geral a separação é feita em peneiros circulares rotativos constituídos por tambores perfurados concêntricos sendo o tambor interior de malha com mais abertura para permitir a passagem dos grappiers Figura 4.1. Figura Peneiração da cal hidráulica para separação dos grappiers (Sampaio, 1975) Finalmente, após a moagem dos grappiers o pó resultante é adicionado ao pó de silicatos e aluminatos de cálcio e hidróxido de cálcio formando cal hidráulica. Pode ser conveniente juntar ainda materiais pozolânicos moídos. (Sampaio, 1975; Coutinho, 1988). 4.6 Presa e endurecimento da cal hidráulica O endurecimento da cal hidráulica compreende duas reacções. Na primeira reacção dá-se a hidratação dos silicatos e aluminatos de cálcio, quer na água quer no ar. Na segunda reacção dá-se a recarbonatação da cal apagada, só ao ar e em presença do dióxido de carbono. 4.7 Algumas propriedades e aplicações de cal hidráulica A massa volúmica média da cal hidráulica é cerca de 2,75 g/cm 3, mais baixa do que a do cimento e a sua baridade toma valores entre 0,6 e 0,8 g/cm 3. A sua cor é a cor parda do cimento. Como a cal hidráulica é muito semelhante ao cimento (cor), pode prestar-se a falsificações, o que muitas vezes tem consequências desastrosas, porque a cal hidráulica tem menor resistência que o cimento. Utiliza-se a cal hidráulica em aplicações idênticas às do cimento, que não exijam resistências mecânicas elevadas como em argamassas (pobres): 36

43 Argamassa de revestimento Argamassas para reboco de paredes Argamassas para alvenaria etc. Note-se que a existência de cal nestas argamassas (pobres) pode ser um problema, já que existe sempre uma parte de CaO que não desaparece completamente e que ao extinguir-se dá origem a expansões. (Sampaio, 1978; Coutinho, 1988; Moreira, 1998). 4.8 Fabrico de cal As cais aérea e hidráulica podem ser produzidas em vários tipos diferentes de fornos. Dão-se exemplos nas Figuras 4.2 e 4.3. Figura 4.2 Forno vertical, a carvão, para cal. A Figura 4.2 apresenta o esquema de um forno contínuo vertical, que utiliza combustível de chama curta carvão. Consta de duas câmaras sobrepostas, sendo o calcário alimentado por uma abertura junto à chaminé superior e o combustível introduzido no estrangulamento entre as duas câmaras onde se processa a combustão. O arrefecimento do material dá-se na câmara inferior, onde o ar necessário à combustão é 37

44 aquecido, com melhoria evidente em termos de rendimento térmico. O material calcinado é extraído pela parte inferior da câmara de arrefecimento (Bauer, 1992). Figura Forno rotativo de eixo horizontal. Os fornos rotativos, constituídos por um cilindro metálico internamente revestido de material refractário, giram lentamente sobre um eixo ligeiramente inclinado, recebendo o calcário pela sua boca superior e tendo o maçarico de aquecimento na sua boca inferior, por onde também é retirado o material calcinado Figura Comercialização de cais Existem cais comercializadas fornecidas em saco, a granel ou ainda, no caso de misturas aquosas (cais aéreas extintas) em recipientes apropriados Figura 4.4. Figura Alguns exemplos de cais comercializadas Normalização Recentemente foi publicada a norma europeia EN 459 Building Lime Part 1 : Definitions, specifications and conformity criteria, da qual se transcreve o quadro e notas, em itálico, da Figura 4.5, relativamente á composição química. 38

45 Valores expressos em % de massa Cais de construção cal aérea L cal hidraúlica HL cal cálcica CL cal dolomítica DL cal viva cal hidratada cal viva cal hidratada Tipo CaO +MgO MgO CO 2 SO 3 Cal livre CL ) CL ) CL DL DL HL ) 8 HL 3, ) 6 HL ) 3 NHL ) 15 NHL 3, ) 9 NHL ) 3 1) Teores de SO 3 superiores a 3% e até 7% são tolerados, se a expansibilidade for confirmada aos 28 dias com cura em água seguindo o ensaio preconizado na EN 196-2; 2) Teores de MgO até 7% são tolerados, se a cal satisfizer o ensaio de expansibilidade indicado na EN Nota: Os valores aplicam-se a todos os tipo de cal. Para cal viva estes valores correspondem aos da condição como entregue ; para todos os outros tipos de cal (cal hidratada, pasta de cal e cais hidráulicas) os valores baseiam-se no produto isento não só da água livre como também de água combinada. Figura 4.5 Classificação das cais de construção de acordo com a normalização europeia. A classificação das cais de construção, preconizada na normalização europeia, baseia-se na composição química para as cais aéreas, cálcicas (CL) e dolomíticas (DL) e na resistência á compressão, para as cais hidráulicas (HL). Para as cais aéreas a sigla é constituída por CL ou DL, seguida de um número que indica a percentagem mínima de óxido de cálcio e óxido de magnésio que a cal contém, de acordo com o quadro da figura anterior. Nas cais hidráulicas a sigla é constituída por HL ou NHL, seguida do valor 2, 3,5 ou 5 conforme a classe de resistência e de acordo com o Quadro 4.1. Uma cal hidráulica (HL) é, segundo a normalização europeia, um ligante constituído sobretudo por hidróxido de cálcio, silicatos e aluminatos de cálcio, 39

46 produzido pela mistura de materiais adequados e que tem a propriedade de ganhar presa e endurecer em água. O dióxido de carbono atmosférico também contribui para o processo de endurecimento. Uma cal hidráulica natural (NHL) é uma cal produzida pela calcinação de calcários mais ou menos argilosos ou siliciosos e posterior redução a pó por extinção com ou sem moagem. Todos os tipos de cal hidráulica natural tem a propriedade de ganhar presa e endurecer em água e o dióxido de carbono atmosférico contribui também para o processo de endurecimento. Quadro 4.1 Resistência á compressão de cal hidráulica e cal hidráulica natural (EN 459-1) Tipos de cais de construção Resistência à compressão MPa 7 dias 28 dias HL e NHL2-2 a 7 HL 3,5 and NHL 3,5-3,5 a 10 HL 5 and NHL a 15ª HL 5 e NHL 5 com baridade inferior a 0,90kg/dm 3, é permitia uma resistência até 20 MPa. Nota: Sabe-se que argamassas com ligantes cálcicos adquirem resistência que aumenta lentamente com a carbonatação. Nas Figuras 4.6 e 4.7 apresentam-se fichas técnicas de cal hidráulica comercializada em Portugal. Constituintes Cal Hidráulica NHL 5 Calcário margoso cozido com extinção e moagem Sulfato de cálcio regularizador de presa Características Químicas Sulfatos (SO 3 ) <= 3,0% Cal livre <= 3% Físicas Início de presa (min) >= 60 Expansibilidade (mm) <= 20 Resíduo a 0,090 mm <= 15% Baridade (g/l) >= 600 Mecânicas Resistência à compressão valores mínimos 7 dias: 2,0 MPa 28 dias: 5,0 MPa 40

47 Propriedades especiais do betão fabricado com este cimento Grande plasticidade e elevada trabalhabilidade Forte aderência Grande poder de retenção de água, opondo-se à retracção inicial Fraca tendência para a fissuração e fendilhamento Boa impermeabilidade e durabilidade Utilizações recomendadas Argamassas de todos os tipos (de enchimento, reboco, assentamento e acabamento) Pré-fabricação (misturada com cimento) - Blocos de alvenaria e abobadilha. - Artefactos Pavimentos rodoviários - Na substituição do filer dos betuminosos. - No tratamento de solos húmidos e argilosos. Em trabalhos diversificados no meio rural. Precauções na aplicação Na dosificação e na relação água/ligante. No processo de cura da argamassa fresca, assegurar uma protecção cuidadosa contra a dessecação, principalmente em tempo quente. Preparar adequamente o suporte para receber a argamassa. Contra-indicações Trabalhos sob temperaturas muito baixas. Contacto com ambientes agressivos (águas e terrenos) Condições de Fornecimento e Recepção (NP EN 197-2) Saco 40Kg Palete - Entrepostos 30 Sacos 1200Kg Granel 25 toneladas Camião de 25 toneladas com meios de descarga (devidamente selado). Figura 4.6 Ficha técnica de cal hidráulica HL5 (Cimpor). 41

48 CAL HIDRÁULICA MARTINGANÇA - IDENTIFICAÇÃO Ligante hidráulico constituído maioritariamente por silicatos e aluminatos de cálcio e hidróxido de cálcio. Obtém-se por cozedura de calcário argiloso (marga), seguida de moagem e adição de sulfato de cálcio para regularização da presa. As suas características físicas e químicas colocam a Cal Hidráulica Martingança na classe de resistência superior (HL5) segundo a ENV 459:1994 do CEN (Bruxelas). - CAMPO DE UTILIZAÇÃO # Em argamassas de assentamento, enchimento, reboco e acabamento, sendo utilizada como único ligante ou em mistura com outros ligantes. # No fabrico de blocos de construção. # No tratamento de solos, para melhoria das características mecânicas e trabalhabilidade. # Como substituto do filler nos pavimentos betuminosos. - CARACTERÍSTICAS DO PRODUTO Características físicas e mecânicas Resíduo: 90 mícron % 200 mícron... 3 % Baridade 0,7 a 0,8 kg/dm 3 Água livre 1 % Início de presa... 3 horas Expansibilidade mm Resistências mecânicas à compressão: aos 7 dias...2,5 a 3,5 MPa aos 28 dias... 5 a 6 Mpa Características químicas Cal total 42 a 44 % Sulfatos... 3 a 3,5 % - PREPARAÇÃO DOS SUPORTES PARA ARGAMASSAS O suporte deve encontrar-se limpo de quaisquer poeiras, descofrantes ou partículas soltas (se necessário, deverá ser lavado e escovado). Os suportes muito absorventes ou expostos ao sol devem ser saturados com água antes da aplicação. Proceder ao enchimento de orifícios antes de iniciar a aplicação da argamassa. A aplicação das camadas sucessivas de argamassa requer que a camada anterior se encontre suficientemente resistente. - PREPARAÇÃO DAS ARGAMASSAS Traços Volumétricos (valores orientativos) Reboco Interior...Cal Hidráulica:Areia # 1:3 a 1:4 Reboco Exterior...Cimento/Cal Hid./Areia # 1:1:8 Esboço...Cal Hidráulica:Areia(*) # 1:3 a 1:4 (*) Areia de Esboço ou Areia crivada Estas dosagens são orientativas, pois o traço dependerá da qualidade da areia utilizada. Como regra, deverão ser utilizados sempre traços mais ricos em ligante nas camadas iniciais, diminuindo este teor ao longo das camadas seguintes. 42

49 Amassadura Misturar préviamente a Cal Hidráulica com o inerte e posteriormente adicionar água na quantidade necessária para obtenção de uma boa trabalhabilidade. Como valor orientativo, usar uma relação água/ligante de 1:1. Observações O excesso de água da amassadura é prejudicial às características físicas do reboco. Deve ser sempre utilizada a quantidade mínima de água que permita boa trabalhabilidade. A água de amassadura deve estar isenta de quaisquer impurezas (argilas, matéria orgânica). De preferência deve ser utilizada água potável. Não aplicar argamassas sob temperatura abaixo dos 5ºC e evitar a aplicação em situações de elevada exposição solar. Uma vez determinado o traço a utilizar para uma determinada argamassa, manter as dosagens constantes e o tempo de amassadura. Não utilizar argamassas amolentadas ou que tenham iniciado a sua presa. Tempo quente Evitar a secagem rápida das argamassas, regando o suporte 1 a 2 horas antes da aplicação e voltando a regar logo que a argamassa se apresente suficientemente resistente. Repetir a rega 1, 2 e 7 dias depois. - OUTRAS UTILIZAÇÕES Tratamento de Solos A adição de Cal Hidráulica a certos solos argilosos e húmidos permite a sua estabilização, melhorando a sua resistência às intempéries, pela diminuição do índice de plasticidade e duma maior compactação, a qual permite um aumento do CBR (California Bearing Ratio, índice de compactidade de suporte). A adição de Cal Hidráulica, devido ao seu teor de cal livre, reduz à humidade do solo (poder excicante), com ele reagindo, aglutinando as suas partículas e constituindo um aglomerado muito mais compacto. Processo de aplicação A quantidade de Cal Hidráulica a utilizar deve ser de 0,5 a 5% (sendo 3% o valor típico) da massa de solo a tratar, de onde devem ser retiradas as pedras de grandes dimensões. De seguida, espalhar a Cal Hidráulica, misturando-a e homogeneizando-a com o solo em tratamento. Depois, compactar o solo tratado, que ficará muito mais resistente à penetração das águas pluviais e mais apto a funcionar como base de fundações. A Cal Hidráulica com substituinte do filler A adição de Cal Hidráulica aos betuminosos provoca uma generalizada melhoria da qualidade nas características do filler, que se traduzem por: # maior consistência do betuminoso, devido à maior aderência entre este e os agregados; # maior resistência à penetração das águas, com o consequente aumento do tempo de envelhecimento acelerado; # maior resistência à fissuração. - HIGIENE E SEGURANÇA Nada a salientar, visto tratar-se de um produto não nocivo, nem inflamável. Contudo, não pode ser ingerido. Utilizar luvas e máscara no seu manuseamento, lavando bem as mãos no final. No caso de contacto com os olhos, lavá-los bem com água limpa. - TRANSPORTE E ARMAZENAGEM A Cal Hidráulica Martingança deve ser transportada, manuseada e armazenada dentro da embalagem original (a qual só deve ser aberta para utilização), ao abrigo de humidades e exposição ao calor. Nestas condições, a Cal Hidráulica Martingança poderá ser armazenada pelo período máximo de 6 (seis) meses. - EMBALAGEM A Cal Hidráulica Martingança é fornecida em sacos de 40 kg ou a granel. Figura 4.7 Ficha técnica de cal hidráulica HL5, Martingança (Secil). Revisto em:

50 5 CIMENTOS 5.1 Introdução Em geral são consideradas duas abordagens para classificar cimentos, uma em relação à composição e a outra relativa às propriedades correspondentes ao desempenho dos cimentos (Jackson, 1998). Na área de construção e engenharia civil tem sobretudo interesse os cimentos hidráulicos calcários - isto é, os cimentos hidráulicos em que os principais constituintes são compostos de cálcio. De facto estes cimentos são constituídos sobretudo por silicatos e aluminatos de cálcio e de um modo geral podem-se classificar em: - cimentos naturais - cimentos Portland - cimentos aluminosos (high-alumina) (Neville, 1995). Muitos países da Europa tais como Áustria, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Grécia, Islândia, Irlanda, Itália, Luxemburgo, Holanda, Noruega, Espanha, Suécia, Suíça, Reino Unido e Portugal tem desenvolvido normas relativas aos cimentos: EN (June 2000) Cement - Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements. NP EN (2001) Cimentos Part 1: Composição, especificações e critérios de comformidade. EN (June 2000) Cement - Part 2: Conformity evaluation. NP EN (2001) Cimentos Part 2: Critérios de conformidade. EN (June 2000) Cement - Part 3: Composition, specifications and conformity criteria for low heat common cements. Prevêm-se normas EN 197 relativamente a: cimentos resistentes aos sulfatos cimentos resistentes à água do mar cimentos de baixo teor de álcalis e cimentos de aluminato de cálcio. ENV 413-1, 1994 Masonry cements Part 1: Specifications (c. de alvenaria). 44

51 EN (pr EN 14216, DRAFT, June 2001) Cement Composition, specifications and conformity criteria for massive concrete low heat common cements. (Cimentos de baixo calor de hidratação para betão em massa). 6( EN (pr EN 14217, DRAFT, June 2001) Cement Composition, specifications and conformity criteria for high early strength low heat common cements (cimentos de baixo calor de hidratação para betão de elevada resistência aos primeiros dias). Em Portugal encontramo-nos numa fase de transição com a NP 2064 anulada e a NP 2065 a ser brevemente revista: [ NP 2064 (1991) Cimentos. Definições comportamento, especificações e critérios de conformidade.(acrescida da emenda 1, que contempla as casses 52.5)] NP 2065 (1991) Condições de fornecimento e recepção de cimentos. Existe ainda, em Portugal a norma relativa ao cimento branco: NP 4326 (1996) Cimentos brancos. Composição, tipos, características e verificação da conformidade, norma de acordo com a NP ENV 206, segundo a Emenda 2 de As normas europeias consideram os cimentos brancos incluídos na EN 197, isto é, não existem normas específicas para o cimento branco e presentemente, o cimento branco é garantido por marca de qualidade do IPQ. A ASTM - American Society for Testing and Materials também tem contribuído largamente para a classificação dos cimentos sobretudo através das normas: C Standard Specification for Portland Cement C 595 M Standard Specification for Blended Hydraulic Cements. 5.2 Definição Segundo a normalização europeia (EN 197-1): CIMENTO é um ligante hidráulico, isto é, um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água forma uma pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água. Um cimento que esteja de acordo com esta norma europeia é designado por cimento CEM e se for devidamente misturado com água e agregados, é possível obter-se betão ou argamassa: - que conserva trabalhabilidade adequada durante um período de tempo suficiente - que, a determinadas idades atinge níveis de resistência especificados -e que apresenta estabilidade volumétrica a longo prazo. 45

52 O endurecimento de cimentos CEM é sobretudo devido à hidratação de SILICATOS de CÁLCIO embora outros compostos, tais como os ALUMINATOS, possam intervir no endurecimento. Nestes cimentos, a soma da quantidade de ÓXIDO de CÁLCIO reactivo (CaO) e SILICA reactiva (SiO 2 ), em massa, é pelo menos 50% (NP EN 197-1). Fisicamente são constituídos por pequenos grãos de materiais diferentes mas a composição é estatisticamente homogénea. A uniformidade relativa a todas as propriedades destes cimentos é obtida por processos contínuos de produção em massa que incluem moagem e homogeneização adequadas. A qualidade do produto final nas fábricas modernas de cimentos CEM é conseguida por pessoal especializado e qualificado e laboratórios adequadamente equipados que contribuem para o controlo e ajuste contínuo nas linhas de produção. Isto é, o processo de fabrico e o controle de qualidade asseguram portanto que os cimentos apresentem uma composição dentro dos limites fixados pelas normas europeias (Jackson, 1998). 5.3 Composição da matéria prima O cimento Portland artificial é obtido a partir de uma mistura devidamente proporcionada de calcário ou cré (carbonato de cálcio), argila ou xisto argiloso (silicatos de alumínio e ferro) ou a partir de margas ou calcários margosos (margas - mistura de materiais calcários e argilosos) e, eventualmente, outra ou outras substâncias apropriadas ricas em sílica, alumina ou ferro, reduzida a pó muito fino, que se sujeita à acção de temperaturas da ordem de 1450 o C, obtidas geralmente em grandes fornos rotativos. A mistura é muito bem homogeneizada e bem dispersa, quer a seco (fabricação do cimento por via seca) quer por meio de água (fabricação por via húmida). Àquelas temperaturas as matérias - primas reagem entre si, no que são ajudadas pela fase líquida obtida pela fusão de cerca de 20% da matéria prima (clinquerização), originando novos compostos. Em virtude destes fenómenos químicos e físicos, os produtos da reacção, ao arrefecerem, aglomeram-se em pedaços com dimensões variáveis mas geralmente entre 2 mm e 20 mm, chamados clínquer (Sousa Coutinho, 1988, Neville, 1995). Os duros nódulos de clínquer são depois arrefecidos e moídos simultaneamente com uma pequena percentagem de gesso até se obter uma granulometria muito fina. 46

53 Assim, a definição de cimento Portland nas várias normas dos diferentes países é considerada, nestes termos, reconhecendo que o gesso é adicionado após a calcinação (Neville, 1995). Hoje em dia outros materiais podem ser adicionados em diferentes proporções quer nos Centros de Produção de Cimento (originando cimentos de várias designações como o cimento Portland composto, cimento de alto forno, etc.) quer na amassadura do próprio betão. 5.4 FABRICO Considerações Gerais Como cerca de 70 a 80% da matéria - prima é calcário em geral uma fábrica de cimento situa-se junto de uma formação calcária. As fases de fabrico são as seguintes: 1. Preparação do cru extracção do calcário (1,5 a 2 m) britagem (cm) pré-homogeneização - formação de pilha de armazenamento com argila e remoção por cortes verticais (±75% brita calcária + ±25%argila). moagem e homogeneização via seca via húmida correcção com aditivos (calcário, sílica, ferro ou alumina) 2. Cozedura armazenamento nos silos alimentadores do forno pré-aquecimento entrada no forno rotativo 3. Arrefecimento, adição de gesso e moagem 4. Ensilagem e Ensacagem Descreve-se em seguida cada uma destas fases Preparação do cru A pedreira é explorada em grandes massas: blocos com dimensão máxima de 1,5 a 2 m são extraídos e transportados para um britador que os reduz a pequenos blocos com alguns centímetros. 47

54 O material britado é transportado para uma pilha de armazenamento ao mesmo tempo que recebe já a adição da argila (sensivelmente 25% de argila e 75% de brita calcária). Enquanto a mistura é depositada em camadas horizontais, a sua remoção para os silos alimentadores dos moinhos de bolas é feita por meio de cortes verticais na pilha de armazenamento. Estes procedimentos consistem na Pré-homogeneização. Há dois processos de fabrico do cimento: um em que a matéria prima é moída e homogeneizada dentro de água (via húmida) e outro em que a moedura e homogeneização se realizam a seco (via seca). A primeira é a mais antiga e a mais eficaz para obter homogeneização de materiais sólidos. Hoje está caindo em desuso pois requer maior consumo de energia, por ser necessário eliminar a água do cru, por aquecimento. Devido à actual crise de energia está sendo substituída por via seca que se tornou possível graças às técnicas de fluidificação gasosa. As reacções químicas promovidas pela acção da temperatura entre os componentes da matéria - prima são essencialmente reacções no estado sólido. Para activar as reacções entre fases sólidas, devido à lenta difusão dos átomos e moléculas nos sólidos, é necessário elevar a temperatura e a área das superfícies dos reagentes. A velocidade da reacção entre fases sólidas é portanto função do grau de finura, da natureza química dos materiais e da duração do aquecimento. As reacções em fase líquida são muito mais rápidas e os produtos da reacção só dependem da temperatura e da composição química das fases líquidas. Daqui resulta a importância da preparação das matérias - primas para o cimento: finura da moagem, homogeneidade e proporção da fase líquida à temperatura de cozedura (cerca de 20%). A matéria - prima depois de moída é levada a silos ou tanques de homogeneização (respectivamente na via seca e na húmida) onde é sujeita a análise química - hoje automática e instantânea, por meio dos raios X, com ligação a um computador que calcula as correcções a fazer e comanda os silos de aditivos, correctores, em calcário, sílica, ferro ou alumina. Após esta correcção, o cru entra para os silos alimentadores do forno ( adaptado de Coutinho, 1988). 48

55 5.4.3 Cozedura em forno rotativo Antigamente - e ainda hoje (no estrangeiro) nas fábricas de pequena produção (Até 500 t/dia) - o forno é vertical (shaft kilns) mas após a invenção do forno rotativo este tem sido usado cada vez mais, com uma produção até 8000 t/dia e um produto final mais homogéneo (Coutinho, 1988; Jackson, 1998). O forno rotativo, constituído por um cilindro de chapa de aço com diâmetro que pode atingir 7,6 m e comprimento até 232 m (Alhandra) é revestido inteiramente com material refractário. O cilindro assenta sobre roletes que o fazem girar e tem uma inclinação de 2 a 6%. O movimento de rotação (1 3.5 rotações/min.) e a inclinação provocam o avanço dos materiais no interior do forno. No extremo inferior introduz-se o combustível e o respectivo ar comburente, depois de ter sido aquecido no arrefecedor do clínquer. Para obter a temperatura de clinquerização, temperatura de fusão das fases aluminatos e ferratos, é necessário recorrer à combustão de carvão ou de fuel - oil. Na década de 50 o carvão foi sendo gradualmente substituído pelo fuel, de tal modo que, por volta de 1970, os fornos eram aquecidos somente a fuel. A partir de 1973, com o início da crise do petróleo começou-se a voltar de novo ao carvão, ou pelo menos a empregar sistemas mistos de queima de carvão com fuel e a partir dos anos oitenta usase sobretudo carvão e coque de petróleo e também gás natural (Coutinho, 1988, Jackson, 1998). O carvão seco é reduzido a pó e injectado na parte inferior do forno com uma parte do ar (ar primário); o restante ar comburente (ar secundário) é introduzido no forno depois de ter sido aquecido no arrefecedor do clínquer (Coutinho, 1988). É possível utilizar resíduos como combustível, de forma limpa e eficaz em termos ambientais, como demonstrado em experiências efectuadas em vários pontos do mundo com diferentes produtos, tais como pneus usados, lixos domésticos e sedimentos de efluentes de esgoto (BCA, 1992). Quando se queima carvão há que ter em conta a composição química das suas cinzas, que vão modificar a do cru; a composição deste é portanto calculada para receber a sílica, alumina, ferro, etc., que as cinzas eventualmente possuem. O fuel - oil contém geralmente enxofre, assim como diversos carvões com altos teores de enxofre e 49

56 é este elemento, vai introduzir sulfuretos e especialmente sulfatos, no cimento. (Coutinho, 1988; BCA, 1992). Em termos ambientais os carvões com altos teores de enxofre não provocam emissões poluentes pois o enxofre fica retido no clínquer (BCA, 1992; Neville, 1995). Para se alcançar a temperatura de clinquerização ( o C) é necessário obter uma chama com temperatura da ordem de 1700 o C. Em termos de consumo de carvão utilizam-se cerca de 220 kg para produção de 1 tonelada de cimento e quando se utilizava fuel-oil, que caiu em desuso nos anos oitenta, eram necessários cerca de 125 litros (Neville, 1995). A alimentação do forno pode ser realizada de quatro formas: pela entrada directa da farinha (via seca), da pasta de cru (via húmida 35 a 50% de água), da farinha humedecida com água, até 13%, aglomerado em grânulos (via semi-seca) e em pasta dissecada por meio de uma compressão e filtragem (via semi-húmida que reduz a humidade a menos de 20%). O forno rotativo é adaptado a estes estados da matéria prima, e a sua construção visa sempre o aproveitamento do calor transportado nos fumos provenientes da cozedura ou clinquerização, para secar a aquecer a matéria - prima a caminho da cozedura. Assim, a clinquerização em via húmida emprega fornos rotativos longos, (230 m) equipados com por exemplo, grinaldas de cadeias internas, (correntes que absorvem o calor dos gases em movimento, e o transmitem por condução para a pasta) com o fim de reaproveitar energia e demorar o mais possível a progressão da pasta, obrigando-a primeiro a secar; a cozedura em via semi-húmida utiliza fornos mais curtos e precedidos de pré-aquecedores verticais, horizontais (tambores rotativos), etc., onde o teor de água da pasta desce para 10 a 15% (Coutinho, 1988, Jackson, 1998). Na via semi-seca empregam-se secadores de grelha móvel, onde os grânulos de cru (de farinha humedecida com água), aglomerados, se depositam e através dos quais circulam os gases quentes de combustão. Finalmente, na via seca empregam-se hoje nas fábricas de maior produção, préaquecedores de ciclones que foi talvez o maior desenvolvimento, em termos de redução 50

57 de consumo de energia na produção do cimento, dos quais o mais importante é o Dopol - Figura 5.1 (Coutinho, 1988; Jackson, 1998). Os gases provenientes do forno são aspirados, entrando pela parte inferior, enquanto o cru entra pela parte superior, descendo através dos ciclones, onde os gases provocam a sua agitação e dispersão, até entrar no forno. Figura Esquema de um pré-aquecedor Dopol. Os gases quentes provenientes do forno, A, são aspirados saindo por C, para captação e aproveitamento do pó. A alimentação do cru é feita em B; este desce até aos dois primeiros ciclones paralelos, 4, depois aos outros dois, 3, entrando em seguida na câmara de recolha, 2 donde passa para os dois primeiros ciclones paralelos, 1 (Coutinho,1988). A permuta de calor neste sistema é então obtida por fluidificação do cru no seio dos gases quentes, de modo que cada partícula fica em contacto com os gases, adquirindo a sua temperatura em uma fracção de segundo. Os gases saem a cerca de 50 a 70 o C (temperatura a que vai entrar a matéria prima) e o cru sai do recuperador entrando no forno a cerca de 800 a 900 o C. Com estes pré-aquecedores consegue-se 51

58 recuperar cerca de 82% do calor dos gases de combustão que saem do forno. O inconveniente deste sistema é, como veremos mais à frente, o enriquecimento do clínquer em álcalis e sulfatos (Coutinho, 1988). Na Figura 5.2 vê-se a fotografia de parte do forno e parte da Torre de Ciclones numa fábrica de produção de cimentos em Portugal. Figura 5.2 Parte do forno e parte de Torre de Ciclones (Cimpor) Arrefecimento do clínquer. Moagem À saída do forno o clínquer deve ser arrefecido rapidamente, pois o silicato tricálcico é instável a temperaturas inferiores a 1250 o C; há portanto que conservar a sua estrutura, arrefecendo-o rapidamente desde temperaturas superiores àquela até à ambiente. O silicato bicálcico apresenta as formas β e γ; a forma β é estável desde a temperatura de formação (1200 o C) até 675 o C. Abaixo desta temperatura o silicato bicálcico β transforma-se em γ, forma em que é praticamente inerte. Por isso também é necessário evitar a formação do silicato bicálcico γ, arrefecendo rapidamente o silicato desde 1200 o C até à temperatura ambiente. 52

59 Há também toda a vantagem em evitar que a fase líquida cristalize pois a reactividade do aluminato de cálcio diminui e o óxido de magnésio poderá cristalizar em grandes cristais (periclase), o que provoca a instabilidade e a expansibilidade do volume da pasta de cimento endurecido. Para efectuar o arrefecimento, há diferentes dispositivos dos quais o mais corrente é o planetário constituído por vários tubos arrefecedores que envolvem o forno. O clínquer é arrefecido pelo ar (comburente) que em contracorrente o atravessa, chegando quente à zona de combustão. Após a saída do arrefecedor, a cerca de o C o clínquer é armazenado, terminando o seu arrefecimento com aspecto negro e duro Figura 5.3, entrando depois nos moinhos de bolas, onde é moído, juntamente com adjuvantes, para facilitar a moagem, com aditivos gesso (3 a 5%) para lhe regular o tempo de presa, e outros, para lhe modificar as propriedades como a pozolana, a escória de alto-forno, etc. (Coutinho, 1988; Neville, 1998). Figura 5.3 Clínquer à saída do arrefecedor. Modernamente, e ainda como resultado da crise energética e por razões ambientais, os aditivos podem ser inertes, em proporção tal que não comprometam as propriedades do cimento (em geral até 10 ou 15%). A moagem efectua-se em moinho de bolas idêntico aos da preparação do cru, numa operação que consome cerca de 40% da energia total do fabrico do cimento. A característica que se obtém, a finura, é tão importante como a composição química. 53

60 Os elementos finos produzidos por moagem tendem a diminuir muito rapidamente o rendimento desta operação. O aparecimento de elementos finos, embora desejado, aumenta a compacidade da mistura do clínquer com as bolas, diminuindo a eficácia destas. É por isso necessário eliminá-los o mais rapidamente possível, à medida que se vão formando. Para a solução deste caso há dois tipos de moedura: em circuito aberto e em circuito fechado (Coutinho, 1988). Na moagem em circuito aberto o clínquer, juntamente com o gesso, é introduzido no moinho que tem três compartimentos com bolas de aço de diâmetro sucessivamente menor, desde 60 a 80 mm no primeiro compartimento (em 1/6 do comprimento do moinho) passando por um compartimento intermédio com bolas de 30 a 50 mm até diâmetros de 15 a 25 mm no último (com metade do comprimento); actualmente, no último compartimento usam-se corpos moentes cilíndricos (cylpebs) em vez de bolas, com 4 a 8 mm de diâmetro (Coutinho, 1988). Na moagem em circuito fechado, os finos vão sendo extraídos do moinho à medida que se vão produzindo. Uma corrente de ar atravessa o moinho, da entrada para a saída, arrastando as partículas mais finas, para um separador, onde são classificadas: as finas vão para os silos de armazenamento, e as mais grossas voltam ao moinho (Coutinho, 1988). Para ajudar a moagem usam-se adjuvantes que se adicionam ao clínquer durante esta operação promovendo a dispersão das partículas de cimento: 0,01 a 0,1% da massa do clínquer em aminas ou sais de aminas, poliois, linhossulfitos ou ácidos orgânicos fracos que não são decompostos às temperaturas de moagem. Estes adjuvantes diminuem o consumo de energia de 10% a 15% e não têm qualquer acção sobre a qualidade do cimento. Evitam o revestimento das bolas, das paredes do moinho e a formação de agregados de partículas grossas com finas, aumentando o rendimento do separador de fluxo de ar (Coutinho, 1988). Dos moinhos de bolas, o cimento passa para grandes silos, onde é homogeneizado e daí distribuído, a granel ou em sacos (Coutinho, 1988). A Figura representa o diagrama de produção (via seca) numa central moderna. 54

61 Figura 5.4 Produção de cimento (via seca) (Cimpor) 55

62 5.5 Principais componentes do cru e do clínquer Portland Considerações gerais Os componentes da matéria prima sujeitos à acção da temperatura vão sofrendo uma série de reacções químicas e vão-se transformando em compostos diversos como esquematizado no diagrama da Figura 5.5 (Jackson, 1998). CaCO 3 CALCÁRIO sílica SiO 2 Al 2 O 3 H 2 O óxidos de ferro Fe 2 O 3 ARGILA Figura 5.5 Esquema das transformações sofridas pelo cru até se transformar em clínquer (Jackson, 1998) Componentes da matéria prima Neste diagrama tem-se à esquerda a composição da matéria prima obtida pela mistura devidamente doseada de calcário e argila que compreende: Calcite CaCO 3 Sílica SiO 2 Minerais de argila SiO 2 Al 2 O 3 H 2 O Óxidos de ferro Fe 2 O 3 A composição da matéria prima deve ser tal que depois de perder a água e o dióxido de carbono devido à elevada temperatura atingida no forno, tenha uma composição química dentro dos limites seguintes: CaO - 60 a 67% SiO 2-17 a 25% 56

63 Al 2 O 3-3 a 8% Fe 2 O a 6% Além destes componentes principais, a matéria-prima contém ainda metais alcalinos, magnésio, magnésio, titânio, fósforo e, eventualmente, sulfatos: MgO a 4% K 2 O e Na 2 O a 1.2% SO % (Coutinho, 1988 ; Neville, 1995 ; Jackson, 1998) Notação abreviada Note-se que é costume na Química do cimento, considerar a notação abreviada seguinte: CaO - C SiO 2 - S Al 2 O 3 - A Fe 2 O 3 - F No que respeita ao cimento hidratado são usados também os seguintes símbolos: H 2 O - H SO 3 - S Módulos Com o fim de obter produtos com a necessária regularidade de composição e portanto de propriedades, é preciso que entre estes simples óxidos elementares existam certas relações antes da cozedura, denominadas módulos (Nota 1), dos quais o hidráulico foi pela primeira vez definido por Vicat: Módulo hidráulico (VICAT) SiO CaO + Al O Fe 2 O 3 de 1,7 a 2,3 Depois deste, outros se têm calculado, e hoje é costume considerar mais os seguintes: Módulo silícico SiO 2 Al O + Fe O de 2 a 3 Quanto mais baixo for este módulo mais baixo será a temperatura de clinquerização, pois Al 2 O 3 e Fe 2 O 3 são fundentes. 57

64 Módulo alumino-férrico ou de fundentes Al Fe 2 2 O O 3 3 de 1,5 a 2,5 Grau de saturação em cálcio CaO 2,8SiO + 1,18 Al O ,65 Fe 2 O 3 de 0,90 a 0,98 Este último módulo representa a relação entre o óxido de cálcio total e o que é susceptível de se combinar com sílica, alumina e ferro para dar os componentes indicados mais adiante. À alumina e aos óxidos de ferro chamam-se fundentes, pois os compostos em que intervêm fundem à temperatura mais elevada (denominada temperatura de clinquerização) ajudando assim à melhor combinação de todos os intervenientes nas reacções em que se formam os componentes do cimento. O Módulo de fundentes é particularmente importante na obtenção de cimentos com resistência química melhorada e calor de hidratação baixo. Para este efeito é necessário que não se forme aluminato tricálcico (Al 2 O 3. 3CaO) o que acontece quando o número de moléculas de sesquióxido de ferro é igual ou maior do que o número de moléculas de óxido de alumínio (Coutinho, 1988). Al Fe 2 2 O O 3 3 0,64 Se os módulos não respeitarem os limites apresentados, é necessário fazer correcções à matéria prima depois de moída e antes de entrar para os silos alimentadores do forno. Como foi dito anteriormente, (3.4.2) a matéria prima depois de moída, é sujeita a análise química automática por raios X. Esta informação é automaticamente processada pelo sistema informático instalado e as correcções a fazer, isto é, as quantidades necessárias de calcário, sílica, ferro e/ou alumina são adicionadas automaticamente a partir dos silos respectivos. Nota 1: Nas fórmulas dos módulos, os símbolos referem-se ás percentagens dos óxidos na totalidade do cimento e não aos seus pesos moleculares. 58

65 5.5.5 Componentes principais do clínquer Ciência de Materiais 1ª Parte As reacções químicas que ocorrem pela acção da temperatura, a partir da matéria prima constituída principalmente por cal, sílica, alumina e óxidos de ferro levam à formação dos componentes principais do clínquer Portland, os quais cristalizam em elementos mais ou menos individualizados, enumerados a seguir, com indicação da percentagem em que normalmente ocorrem nos cimentos Portland: Silicato tricálcico 3CaO.SiO 2 (de 20 a 65%) C 3 S (alite) Silicato bicálcico 2CaO.SiO 2 (de 10 a 55%) C 2 S (belite) Aluminato tricálcico 3CaO.Al 2 O 3 (de 0 a 15%) C 3 A(aparece c/ mat. vítrea) Aluminoferrato tetracálcico 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 (de 5 a 15%) C 4 AF (celite) Esquematicamente podem-se resumir assim as transformações sofridas pelas matérias primas pela acção da temperatura até à obtenção do clínquer: Até 100 o C evapora-se a água livre, secando a mistura de calcário e argila. Até 450 o C sai a água adsorvida nos componentes da matéria prima. Até 700 o C dá-se a activação dos silicatos por desidratação e alterações na rede cristalina. De 700 a 900 o C dá-se a decomposição dos carbonatos de cálcio (e de magnésio) com a formação de óxido de cálcio (e de magnésio). Começa a combinação da alumina, óxidos de ferro e sílica activada com o óxido de cálcio. Inicia-se a formação de belite (silicato bicálcico sílica+cal) e a formação de aluminato de cálcio 12CaO.7Al 2 O 3 (C 12 A 7 alumina+cal) e aluminoferrato bicálcico (C 2 AF). De 900 a 1200 o C prossegue em pleno a formação de belite (silicato bicálcico), começa-se a formar o aluminato tricálcico (C 3 A) e o aluminoferrato tetracálcico (C 4 AF). De facto, a cerca de 1200 o C a maior parte do aluminato tricálcico e aluminoferrato tetracálcico está constituído e o teor de silicato bicálcico (belite) atinge o máximo. A 1260 o C principia o aparecimento da fase líquida, constituída pela combinação de parte de óxido de cálcio com os óxidos de alumínio e de ferro, a qual promove a constituição do silicato tricálcico (alite), a partir do silicato bicálcico (belite) já formado. Mas parte do silicato bicálcico subsiste pois este não se pode transformar em tricálcico sem que haja ainda algum óxido de cálcio livre. Ver-se-á que este óxido de cálcio (livre) pode ser nocivo porque a sua hidratação se dá com expansão, a qual se pode tornar perigosa quando o seu teor exceda 2% e se encontre cristalizado (Coutinho, 1988). 59

66 Durante o arrefecimento a fase fundida não deve cristalizar. Se o arrefecimento for lento o C 3 A cristaliza e o óxido de magnésio poderá formar grandes cristais. No diagrama da Figura 23 não está representado o que se passa com os sulfatos alcalinos, que se individualizam durante o processo de arrefecimento (Jackson, 1998; Coutinho, 1988). Na realidade os componentes do clínquer do cimento não são tão simples como indicado anteriormente pois não aparecem puros: a sua rede cristalina contém outros metais, como os alcalinos, o ferro, o magnésio, etc. De facto, na sua estrutura, há átomos de cálcio que são substituídos por magnésio e pelos metais alcalinos, átomos de silício e de alumínio que são substituídos por átomos de ferro, etc. Existem no clínquer óxidos livres e outros componentes em solução sólida com estes e tudo isto cria influências recíprocas muito importantes na composição e estrutura de tais componentes (Coutinho, 1988). Le Châtelier foi dos primeiros a reconhecer que a análise química do clínquer pouco diria sobre a natureza dos componentes formados durante a fusão e a sua cristalização subsequente. Em 1882, observando ao microscópio, por transparência, secções delgadas do clínquer, descreveu os principais cristais que o compõem, bem como a massa vítrea isótropa que os rodeava e cerca de quinze anos depois o sueco Törnebohm sem conhecer o trabalho de Le Châtelier, descrevia os mesmos minerais, tendo designado os principais por alite, belite e celite. A alite é essencialmente constituída pelo silicato tricálcico com diferentes átomos estranhos, como o Mg, Al, Fe. Os cristais de alite são poligonais, de estrutura romboédrica, rectangulares ou hexagonais, com dimensões de 10 a 50 µm. A belite é constituída essencialmente por silicato bicálcico β, com átomos estranhos, como o potássio, o fósforo, o bário, etc. Os cristais apresentam maclas lisas ou estriadas; a sua dimensão é da ordem de 30 µm. Os grãos não têm forma cristalina definida, são arredondados, amarelados, mais ou menos escuros. A celite, que ocorre entre os cristais de alite e belite, reconhece-se pela sua cor amarelo-alaranjada, é constituída por soluções sólidas entre um ferrato bicálcico e um aluminato bicálcico e na qual o aluminoferrato tetracálcico (C 4 AF) é um ponto de especial importância. A esta solução sólida chama-se fase ferrítica (Coutinho, 1988). O conteúdo médio de celite nos cimentos Portland é cerca de 8% e é a celite (contém 60

67 ferro) que é responsável pela sua cor cinzenta pelo que o cimento branco não contém celite (Soroka, 1993). Existe também, entre outros, um material sem cor, como o vidro e que também aparece como material de enchimento entre os grãos de alite e de belite, constituído por aluminatos aluminato tricálcico(c 3 A) e por uma massa vítrea (Coutinho, 1988). Figura 5.6 (Glasser, 1998) Estrutura de um clínquer Portland relativamente comum observado ao microscópio óptico: alite (silicato tricálcio) cristais amarelados, de forma aproximadamente hexagonal. belite (essencialmente silicato bicálcico) cristais mais escuros, arredondados. A fase intersticial (celite, massa vítrea etc.) a temperaturas elevadas era material fundido encontrando-se agora cristalizado numa mistura de soluções sólidas entre ferrato de cálcio e aluminato de cálcio, que inclui o aluminoferrato tetracálcico (C4AF). (As manchas irregulares são resina de preparação para observação)(coutinho, 1988; Glasser 1998). Figura 5.7 Estrutura de um clínquer Portland idêntico ao anterior: alite cristais escuros azulados (com inclusões de belite) belite cristais arredondados, muitos em forma de maclas (Glasser, 1998). Figura 5.8 Aspecto esquemático dos principais componentes do clínquer de cimento Portland: cristais poligonais de alite com pequenas inclusões de belite, cristais arredondados de belite com estriação característica, e fase intersticial de aluminato, ferrite e massa vítrea (Coutinho, 1988). 61

68 As propriedades do cimento são dominadas pela natureza da estrutura do clínquer, a qual se pode dizer que varia de cimento para cimento devido às diferenças nas matérias-primas e no modo de fabrico. Com efeito, é importante voltar a assinalar que a formação do clínquer resulta de reacções no estado semi-sólido: apenas cerca de 20% da matéria-prima funde, e os outros 80% reagem no estado sólido. Por isso, enquanto os materiais obtidos inteiramente por fusão, como o ferro fundido, o aço, etc., não são influenciados pelo seu antigo estado, o mesmo não acontece com o clínquer, pois, porque não passou totalmente pelo estado fluído, a cristalização e sobretudo os defeitos da cristalização são influenciados pela constituição cristalográfica do calcário e da argila primitivos. Portanto os clínqueres, mesmo com composições químicas idênticas, podem ter características diferentes, segundo a natureza do material na pedreira de origem. Acresce ainda que factores como a história térmica do clínquer (tanto dentro do forno como durante o arrefecimento), as dimensões e forma das partículas que compõem o cru, as variações acidentais da composição química do cru tanto devidas a erros acidentais da dosagem como da natureza e concentração de impurezas tais como magnésio, compostos de flúor, fosfatos, óxidos de chumbo e zinco, álcalis e sulfuretos contribuem para alterar a estrutura do clínquer. Daqui resulta a enorme variabilidade nas propriedades do cimento que não pode ser explicada apenas pela análise química (Coutinho, 1988) Cálculo dos componentes principais do cimento Portland Viu-se portanto que a matéria prima submetida a temperaturas de clinquerização, é transformada em quatros tipos diferentes de compostos cálcicos (C 3 S, C 2 S, C 3 A e C 4 AF) que se encontram, àquelas temperaturas num estado de equilíbrio químico. Ora, o arrefecimento vai afectar o grau de cristalização daqueles compostos e a quantidade de matéria amorfa resultante e portanto o produto arrefecido terá uma composição química diferente. De qualquer modo para simplificar, é internacionalmente aceite considerar que o clínquer arrefecido corresponde à composição de um estado de equilíbrio total entre os componentes cristalizados como se se mantivessem àquelas temperaturas elevadas. Aliás é esta conversão que permite determinar a designada por 62

69 composição potencial ou composição de Bogue de um cimento a partir das quantidades de óxidos determinados por análise química (Neville, 1995). O método proposto por Bogue, hoje universalmente aceite como primeira aproximação através da norma americana ASTM C 150, pois presta muito bons serviços para rápidas apreciações da qualidade do cimento, consiste, em resumo, no seguinte: Parte-se da análise química do cimento, em óxidos elementares, tal como é fornecida directamente pelos métodos analíticos usuais. Note-se todavia que na análise deve figurar a determinação do óxido de cálcio livre, o qual se deve subtrair do óxido de cálcio total determinado, de modo a obter a parte deste óxido que está combinada. À percentagem de sílica deve também subtrair-se o chamado resíduo insolúvel, quase exclusivamente constituído por sílica no estado livre, não combinada. A análise química fornece as percentagens dos seguintes óxidos elementares: CaO combinado, SiO 2 combinado, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, MgO, CaO livre, SO 3, e ainda, eventualmente, TiO 2, Na 2 O e K 2 O (Coutinho, 1988). A análise química dos cimento terá de ser conduzida de acordo com a norma NP EN (1996): Métodos de ensaios de cimentos. Parte 2: Análise química dos cimentos. Com as percentagens dos óxidos elementares e utilizando as fórmulas seguintes calcula-se então a composição potencial ou de Bogue: C 3 S = 4.07 (CaO) 7.60(SiO 2 ) 6.72(Al 2 O 3 ) 1.43(Fe 2 O 3 ) 2.85(SO 3 ) C 2 S = 2.87(SiO 2 ) 0.75(3CaO. SiO 2 ) C 3 A = 2.65(Al 2 O 3 ) 1.69(Fe 2 O 3 ) C 4 AF = 3.04(Fe 2 O 3 ) No Quadro 5.1 apresentam-se a composição em óxidos de um cimento Portland habitual (anos sessenta), e a respectiva composição potencial ou de Bogue (Neville, 1995). 63

70 Quadro 5.1 Composição em óxidos, resultante de análise química e respectiva composição de Bogue (Neville, 1995) Composição em óxidos % Composição potencial % CaO (combinado) SiO 2 (combinado) Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO SO 3 K 2 O Na 2 O Outros Perda ao fogo Resíduo insolúvel (Bogue) C 3 A C 3 S C 2 S C 4 AF Compostos secundários _ Chama-se à composição assim calculada potencial, porque neste cálculo se supõe que não só todo o clínquer está cristalizado como já referido, não ficando nele nenhum material vítreo após o arrefecimento, mas também que os compostos formados são puros, sem inclusão de átomos estranhos. Nenhuma destas hipóteses é correcta, pois a experiência mostra que há sempre ma certa quantidade de massa vítrea no clínquer, que os componentes principais não são puros e que o composto ternário férrico tem uma composição geralmente distinta da do aluminoferrato tetracálcico (Coutinho, 1988). Hoje existem vários métodos para determinar a composição de cimento Portland tais como métodos de difracção de raio X, microscopia óptica, microscopia electrónica de varrimento, dissolução selectiva, análise termo-gravimétrica, o método de Bogue aperfeiçoado (ver Lea s Chemistry of Cement and Concrete, pg 197). De qualquer forma é importante ter sempre presente que as propriedades de um cimento dependem não só da composição da matéria prima, como também das condições de cozedura e de arrefecimento. 5.6 HIDRATAÇÃO O clínquer depois de arrefecido é então moído com uma pequena percentagem de gesso e é este produto que se designa por cimento e que em contacto com a água dá origem a um novo sistema de compostos hidratados estáveis que cristalizam com hábito acicular, emaranhando-se e colando-se uns aos outros, conferindo ao conjunto uma resistência elevada. 64

71 Ciencia de Materiais 1ª Parte Presa, endurecimento e hidratação Durante um período inicial designado por período dormente ou de indução, após a amassadura de água e cimento, a fluidez ou consistência da pasta mantém-se relativamente constante e embora se verifique uma perda gradual de fluidez, é possível recuperá-la se se reamassar a pasta. Em geral 2 a 4 horas depois da amassadura, a temperaturas normais, a mistura começa a ganhar rigidez muito mais rapidamente e considera-se que se atingiu o início de presa. No entanto a resistência é ainda muito baixa e o endurecimento só começa após o fim de presa que ocorre uma horas depois. O endurecimento é,depois, muito rápido nos primeiros um ou dois dias a seguir e, posteriormente, a resistência continua a aumentar mas a uma taxa cada vez menor, durante semanas, meses e anos. A pasta de cimento desenvolve calor, em particular durante a presa e início de endurecimento. As reacções de hidratação são exotérmicas e se se medir o calor de hidratação ao longo destas fases, a temperatura constante, obtém-se curvas do tipo da Figura 5.9 (Domone, 1994) Figura 5.9 Curva típica relativa ao desenvolvimento de calor de hidratação de cimento Portland, durante a hidratação e a temperatura constante (Domone, 1994). Pensa-se que o máximo (A) resulta da hidratação inicial à superfície das partículas de cimento, sobretudo do aluminato tricálcico (C 3 A) (Neville, 1995). Este máximo (A) dura apenas alguns minutos, e a curva de desenvolvimento de calor decresce rapidamente, mantendo-se com um valor reduzido durante o já referido 65

72 Ciencia de Materiais 1ª Parte período dormente em que praticamente não se verificam reacções, e cuja duração é de 2 a 3 horas. A seguir ao período dormente, aproximadamente na altura correspondente ao início de presa, a taxa de libertação de calor começa a aumentar rapidamente (Domone, 1994) enquanto os produtos de hidratação de cada grão de cimento começam a desenvolver-se e a entrelaçar-se (Neville, 1995). A taxa de libertação de calor continua a aumentar, com a estrutura dos produtos de hidratação a densificar, atingindo-se entretanto o fim de presa. Cerca de 10 horas depois da amassadura o endurecimento prossegue e a curva de libertação de calor atinge o pico (B) correspondente à reactividade máxima de hidratação. Posteriormente a curva decresce gradualmente e, por vezes, poderá verificar-se um novo máximo (C), um ou dois dias depois. Este comportamento é causado pela hidratação doas quatro componentes principais de cimento e pela interacção entre os produtos de hidratação Note-se que o processo de hidratação do cimento é extremamente complexo e ainda hoje não é totalmente compreendido, existindo várias teorias sobre alguns dos fenómenos envolvidos. Apresenta-se em seguida uma possível explicação simplificada da hidratação do cimento, procurando associá-la ao processo de libertação de calor nos primeiros dias, acabado de descrever: O aluminato tricálcico no estado puro (C 3 A), reage com a água muito rapidamente (ao fim de alguns minutos), conduzindo a uma presa rápida ou instantânea, acompanhada por desenvolvimento de calor (reacção 3, Quadro 5.2). C 3 A + 6H C 3 AH 6 3CaO.Al 2 O 3 +6H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.6H 2 O Para moderar ou retardar esta reacção é necessário juntar ao cimento um sulfato (cerca de 3 a 4%), o mais económico dos quais é o gesso natural. Este reage lentamente com a C 3 A formando-se etringite (sulfoaluminato de cálcio hidratado, reacção 6 do Quadro 5.2) isto é, o gesso protege o C 3 A da água (Coutinho, 1988; Domone, 1994, Neville, 1995, Odler, 1998): C 3 A + 3C S H H C 6 A S H 32 3CaO.Al 2 O 3 +3(CaSO 4.2H 2 O)+26H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O 66

73 Ciencia de Materiais 1ª Parte O período dormente (Fig. 5.9), caracterizado por uma reactividade baixa, é explicado por pelo menos 6 teorias diferentes e a mais vulgarmente aceite é a de que este período é causado pela formação de etringite (a partir de gesso) e sua precipitação sobre a superfície do C 3 A cuja solubilidade é baixa em presença de sulfatos (Odler, 1998). O fim do período dormente parece ser devido ao desaparecimento da camada de protecção que envolve o C 3 A, começando então a formação de produtos de hidratação CSH a partir do componentes do cimento. Cerca de 24 horas depois, o gesso já foi totalmente consumido e começa a transformação da etringite em monosulfoaluminato (3C 4 A S H 12 ou C 3 A.C S.. H 12 ) à custa de C 3 A assim como hidratação do C 3 A ainda não consumido (reacção 3, Quadro 5.2). São estas reacções que correspondem ao máximo (C) que por vezes aparece na cauda da curva de libertação de calor (Figura 5.9) mas isto só acontece com cimentos com teores elevados de C 3 A isto é, superiores a 12% (Domone, 1994). A formação de monosulfoaluminato resulta da combinação da etringite com aluminato tricálcico ainda existente (reacção 7, Quadro 5.2) (Odler, 1998): C 6 A S H C 3 A + 4H 3C 4 A S H 12 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O + 2(3CaO.Al 2 O 3 )+ 4H 2 O 3(4CaO.Al 2 O 3.CaSO 4.12H 2 O) À medida que a etringite é consumida também se forma aluminato hidratado de cálcio hexagonal C 4 AH 19 que pode formar uma solução sólida com o monosulfoaluminato C 4 A S H 12 ou individualizar-se em cristais (Odler, 1998). Repare-se que o facto de se juntar gesso não evita totalmente a reacção (3, Quadro 5.2) de hidratação directa do C 3 A, apenas a atrasa. A hidratação do aluminoferrato tetracálcico (C 4 AF) verifica-se durante o mesmo período da hidratação do C 3 A e também envolve um composto intermédio com gesso (Domone, 1994). Os produtos finais da hidratação de C 4 AF parecem ser aluminatos tricálcicos hidratados e uma fase amorfa ferrítica. É possível também que parte do óxido de ferro (Fe 2 O 3 ) esteja presente em solução sólida nos aluminatos tricálcicos hidratados (Neville, 1995). Segundo Coutinho (1988), de uma forma simplificada, poder-se-á dizer que o aluminoferrato tetracálcico (C 4 AF) reagindo com a água liberta aluminato tricálcico e ferrato monocálcico ( reacção 4, Quadro 5.2). Este, reagindo com o hidróxido de cálcio 67

74 Ciencia de Materiais 1ª Parte já presente transforma-se em ferrato tricálcico (C 3 FH m ) (reacção 5, Quadro 5.2), que forma soluções sólidas com o aluminato tricálcico hidratado (C 3 AH). Desta maneira o aluminato tricálcico (C 3 A) fica protegido da acção do ião sulfato, e por esta razão os cimentos resistentes à acção dos sulfatos devem conter uma proporção razoável de aluminoferrato tetracálcico (C 4 AF) (Coutinho,1988). Todas estas reacções são muito mais complexas envolvendo a formação de soluções sólidas, não se tendo ainda chegado a um consenso sobre o que efectivamente se passa. O silicato tricálcico C 3 S (ou mais precisamente, a alite) ao reagir com a água liberta hidróxido de cálcio, uma parte da qual fica em solução, outra cristaliza. O silicato ao perder cálcio origina o bissilicato tricálcico (C 3 S 2 H 3 ) hidratado como se pode observar no Quadro 3, reacção 1 (Coutinho, 1988). Esta reacção é a mais rápida a realizar-se e, de facto, a maior contribuição para o pico B (Figura 5.9) da curva de evolução de calor resulta desta reacção. O produto desta reacção (C 3 S 2 H 3 ) é muitas vezes referido simplesmente como silicato de cálcio hidratado CSH e é responsável pela resistência atingida no cimento endurecido (Domone, 1994). A hidratação da alite, como dito, leva à formação de hidróxido de cálcio, que corresponde a 40% do total dos produtos de hidratação da alite (18% na belite) (Soroka, 1993). 2 C 3 S +6 H C 3 S 2 H 3 +3CH 2(3CaO.SiO 2 )+6H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O+3Ca(OH) 2 Note-se desde já, o que é importante para o estudo das acções agressivas sobre o betão, que este silicato hidratado somente é estável quando em contacto com soluções saturadas de hidróxido de cálcio (que a 20 o C contenham de 1585 mg a 1450 mg deste hidróxido por litro de água, o que corresponde a um domínio do ph de 12,34 a 12,20) (Coutinho, 1988). O silicato bicálcico (C 2 S), ao reagir com a água também liberta hidróxido de cálcio, embora em menor quantidade (cerca de 1/3 do libertado pelo silicato tricálcico) e transforma-se num outro silicato de cálcio hidratado (reacção 2, Quadro 5.2). 2 C 2 S +4H C 3 S 2 H 3 + CH 2(2CaO.SiO 2 )+4H 2 O 3,3CaO.2SiO 2.3,3H 2 O+0,7Ca(OH) 2 O domínio de estabilidade deste composto hidratado é muito maior do que o correspondente ao da hidratação do silicato tricálcico, pois vai até soluções com 130 mg 68

75 Ciencia de Materiais 1ª Parte de hidróxido de cálcio por litro de água, com ph = 11,00 (Coutinho, 1988). O C 2 S ou, rigorosamente, a belite reage mais lentamente que o C 3 S mas os produtos da reacção são idênticos (CSH) como se pode observar no Quadro 5.2, reacção 2. A contribuição desta reacção para o calor de hidratação é reduzida (Domone, 1994). Quadro 5.2 Reacções de hidratação dos componentes principais do cimento Portland (com base em Coutinho, 1988; Domone, 1994; Neville, 1995 e Odler, 1998) Referência no texto Reacções Compostos principais formados C 3 S +6 H C 3 S 2 H 3 +3CH 2(3CaO.SiO 2 )+6H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O+3Ca(OH) 2 2 C 2 S +4H C 3 S 2 H 3 + CH 2(2CaO.SiO 2 )+4H 2 O 3,3CaO.2SiO 2.3,3H 2 O+0,7Ca(OH) 2 C 3 A +6H C 3 AH 6 3CaO.Al 2 O 3 +6H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.6H 2 O C 4 AF + 7H C 3 AH 6 + CFH 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 +7H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.6H 2 O +CaO.Fe 2 O 3.H 2 O CFH + 2Ca(OH) 2 +nh C 3 FH m CaO.Fe 2 O 3.H 2 O+2Ca(OH) 2 +nh 2 O 3CaO.Fe 2 O 3. mh 2 O sem gesso (ou já sem etringite) calor de hidratação elevado formam soluções sólidas silicatos cálcicos hidratados silicatos cálcicos hidratados Aluminatos tricálcicos hidratados Aluminoferratos cálcicos hidratados 6 C 3 A + 3C S H H C 6 A S H 32 3CaO.Al 2 O 3 +3(CaSO 4.2H 2 O)+26H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O etringite evita presa instantânea 7 C 6 A S H C 3 A + 4H 3C 4 A S H 12 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O + 2(3CaO.Al 2 O 3 ) + 4H 2 O 3(4CaO.Al 2 O 3.CaSO 4.12H 2 O)+... etringite monosulfoaluminato cálcico NOTA: notação abreviada a itálico As quantidades acumuladas de cada produto ao longo de alguns dias apresentam-se na Figura 5.10 e ao fim de um dia é aparente a preponderância de CSH acompanhada do crescimento de hidróxido de cálcio. Figura 5.10 Desenvolvimento típico dos produtos de hidratação em pasta de cimento Portland (Domone, 1994). 69

76 5.6.2 Hidratação e microestrutura O endurecimento do cimento é lento, sobretudo da belite, pelo que em geral nunca se considera que as reacções se completaram mas que se atingiu um determinado grau de hidratação. À semelhança da maioria dos processos químicos, a temperatura acelera as reacções de hidratação e com temperaturas baixas a velocidade de reacção diminui, chegando mesmo a anular-se quando a temperatura atinge os 10 o C negativos. Tem sido levados a cabo, por utilização de diversas técnicas tais como microscopia electrónica de varrimento e técnicas de difracção de raios X, muitos estudos relacionados com a hidratação do cimento e a microestrutura resultante e tornou-se claro que o processo se desenvolve na interface sólido/líquido tendo como resultado produtos de estrutura complexa e com elevada superfície específica como esquematizado na Figura 5.11(Domone, 1994). Na Figura 5.12 apresenta-se um esquema do desenvolvimento microestrutural, também durante a hidratação, mas de um grão de cimento. Figura 5.11 Esquema do desenvolvimento da microestrutura da pasta de cimento durante a hidratação 70

77 a cimento e água acabados de misturar. As partículas encontram-se dispersas na água de amassadura quer individualizadas quer em flocos. O espaçamento entre elas depende da razão água/cimento. Durante o período dormente forma-se etringite à superfície das partículas de cimento, sob a forma de agulhas. b presa inicial começo do emaranhamento de partículas de CSH a formarem-se e alguns cristais de Ca(OH 2 ). No final do período dormente, isto é, aproximadamente no início de presa, a etringite das partículas adjacentes começa a interferir e começam a formar-se partículas de CSH com aspecto de papel de prata encorrilhado e forma alongada. As camadas do papel de prata correspondem normalmente a 2 ou 3 camadas moleculares. c pasta de cimento com 2 ou 3 dias, já com maior resistência consequente da maior densidade de silicatos cálcicos hidratados a formarem-se entre o cimento não hidratado e os poros capilares. Na fase seguinte prossegue a formação de gel CSH entre as partículas e a resistência aumenta. Os cristais de hidróxido de cálcio vão-se desenvolvendo e alguns poros de maiores dimensões ainda permanecem vazios assim como o interior dos grãos de cimento permanece desidratado. d pasta amadurecida silicatos cálcicos hidratados de maior densidade a envolver cristais de Ca(OH) 2, resíduos de cimento não hidratado e poros capilares (Domone, 1994). 0 min. Grão não hidratado (a fase intersticial está ligeiramente exagerada) 10 min. Algum C 3 A reage com o sulfato de cálcio (gesso) em solução. À superfície do grão forma-se gel amorfo rico em aluminatos e também se desenvolvem a partir do gel e na solução, agulhas curtas de etringite (AF t ). 10 h Reacção de C 3 S que produz uma capa exterior de gel C-S-H a partir da rede de agulhas de etringite, deixando um espaço de 1 µm entre a superfície do grão e a capa hidratada. 18 h Hidratação secundária de C 3 A produzindo longas agulhas de etringite. Começa a formar-se gel C-S-H no interior da capa devido à continuação da hidratação de C 3 S. 1-3 dias C 3 A reage com etringite que exista no interior da capa, formando-se placas hexagonais de monossulfoaluminato Af m. A formação continuada de produtos no interior reduz a separação entre o grão anidro e a capa hidratada. 14 dias Já se formou uma quantidade suficiente de C-S-H no interior para encher o espaço entre o grão e a capa. O gel C-S-H exterior tornou-se mais fibroso. Anos O material não hidratado reage através de um mecanismo lento, no estado sólido, formando-se gel C-S-H adicional, no interior. A fase ferrítica parece permanecer sem reacção zona branca junto de C 3 A praticamente inalterada desde o início). 71

78 Figura Desenvolvimento microestrutural, durante a hidratação, de um grão de cimento(scrivener,1989) Poder-se-á dizer, finalmente que a pasta de cimento endurecida consiste em: 1. Resíduo de cimento ainda não hidratado no núcleo dos grãos originais 2. Os produtos hidratados, sobretudo silicatos de cálcio hidratados CSH mas também aluminatos de cálcio hidratados, sulfoaluminatos hidratados e ferrite. 3. Cristais de hidróxido de cálcio - Ca(OH) Poros capilares que correspondem aos espaços não preenchidos entre os grãos de cimento(domone,1994). Assim, a pasta de cimento endurecida é composta por hidratos pouco cristalizados de diversos compostos que constituem um material coloidal com superfície específica cerca de 500 a 1000 vezes a do cimento que lhe deu origem, designado por gel, por cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH) 2, por cimento não hidratado, por vazios cheios de água e por outros componentes. Estes vazios designam-se por poros capilares e tem diâmetros a partir das dezenas de nanómetros (mediana cerca de 1300 nanómetros) enquanto que os vazios existentes no próprio gel (microporos ou poros do gel) tem dimensões mais reduzidas e de poucos nanómetros (Sousa Coutinho, 1998). 72

79 C C C - poros capilares - microporos ou poros do gel - partículas de gel C C Figura Modelo simplificado da estrutura da pasta de cimento. A rede porosa da pasta de cimento de um betão é constituída pelos poros descritos anteriormente - os poros do gel e os poros capilares e ainda, os poros de maiores dimensões - os macroporos resultantes da granulometria e do ar emulsionado com os componentes durante a amassadura e que não se conseguiu libertar durante a fase de compactação. Na Figura 5.14 apresenta-se uma classificação dos poros de acordo com a sua origem e tamanho, segundo Setzer (Sousa Coutinho, 1998). 10 Raio do Poro (nanómetro) metros poros capilares poros de compactação microporos poros de ar macroporos poros capilares microporos ( 30 nm) poros com influência na durabilidade Distribuição de poros segundo Setzer (CEB) Figura Distribuição de poros segundo Setzer (Sousa Coutinho, 1998) Calor de hidratação dos componentes Foi analisado anteriormente o desenvolvimento do calor de hidratação ao longo dos primeiros dias de vida de pasta de cimento, isto é durante a presa e início de endurecimento. 73

80 Interessa agora analisar a contribuição de cada um dos quatro componentes principais. O calor libertado após hidratação completa é aproximadamente igual à soma dos calores de hidratação dos componentes principais quando hidratados separadamente. Apresentam-se no Quadro 5.3 valores típicos do calor de hidratação (completa) dos componentes principais do cimento (Neville, 1995). Quadro 5.3 Calor de hidratação (completa) dos componentes principais puros (Neville, 1995). Componentes Calor de hidratação J/g Cal/g C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Assim a partir das percentagens dos componentes principais (C 3 S, C 2 S, C 3 A e C 4 AF) é possível estimar com uma razoável precisão o calor de hidratação (completa) de um dado cimento (Neville, 1995). Para além do calor da hidratação completa do cimento, interessa considerar sobretudo o que se passa no período inicial. De facto a libertação do calor das reacções de hidratação assume particular importância quando se betonam, de uma só vez, peças em que qualquer das três dimensões é superior a 1 ou 2 metros (betão em massa), como por exemplo em barragens. Então, no período inicial, a velocidade da saída do calor para o exterior é inferior à taxa de libertação do calor de hidratação do cimento e a massa de betão vai aquecendo; à medida que o tempo passa, a libertação de calor atenua-se e a massa começa a arrefecer, criando-se então gradientes de temperatura tais, que podem originar fissuração devidas às tensões instaladas (Coutinho, 1988). Sabe-se que os componentes principais que se hidratam mais rapidamente são o C 3 A e o C 3 S, pelo que reduzindo a percentagem destes componentes no cimento, o calor de hidratação desenvolvido no período inicial é mais baixo. Repare-se também que num cimento de maior finura, na fase inicial, a superfície específica é maior, portanto as reacções são mais rápidas desenvolvendo-se mais calor de hidratação. 74

81 Numa fase mais avançada da hidratação a finura já não afecta o calor de hidratação. Nas Figuras 5.15 e 5.16 apresenta-se a influência dos componentes C 3 A e C 3 S na libertação do calor (nas primeiras horas) de hidratação do cimento (Neville, 1995). conteúdo em C 3 A Calor desenvolvido J/g Cal/g tempo - horas Figura 5.15 Influência do conteúdo em C 3 A na libertação de calor (Neville, 1995) Conteúdo em C 3 S Calor desenvolvido J/g Cal/g tempo - horas Figura Influência do conteúdo em C 3 S na libertação de calor (Neville, 1995) 75

82 Em conclusão pode-se, portanto, reduzir o calor de hidratação usando um cimento com quantidades mais baixas de C 3 A e C 3 S, um cimento menos moído e ainda uma menor dosagem de cimento na composição do betão. Repare-se que, em termos de normalização europeia os projectos de norma pr EN 197-3, pr EN e pren14217 referem-se a cimentos de baixo calor de hidratação. É de realçar ainda que o calor de hidratação pode ser vantajoso em tempo muito frio impedindo a congelação da água no betão fresco (Neville, 1994) Resistência dos componentes hidratados A contribuição dos compostos hidratados individualizados para o desenvolvimento da resistência do cimento apresenta-se na Figura Figura 5.17 Desenvolvimento da resistência nos compostos puros de cimento Portland. Como visto anteriormente, a hidratação do cimento leva à formação de um gel rígido constituído essencialmente por partículas de silicatos cálcicos hidratados (CSH). As partículas de gel são muito pequenas e portanto a superfície específica é muito elevada, cerca de m 2 /kg (medida com vapor de água) (de 500 a 1000 vezes superior à s.e. das partículas do cimento original Domone, 1994). As forças de coesão dependem das propriedades da superfície das partículas e portanto aumentam com o aumento de superfície específica. A resistência mecânica do cimento após presa é, portanto, sobretudo devida à elevada superfície específica do gel de cimento (Soroka, 1993). 76

83 5.6.5 A água no cimento hidratado Ciência de Materiais 1ª Parte A água é um constituinte essencial da pasta de cimento e o seu papel na coesão é muito importante. De facto é útil classificar a água segundo o grau de dificuldade com que se liberta para o exterior: 1) Água quimicamente combinada correspondente a água de hidratação do cimento nas reacções referidas anteriormente. No processo de secagem da pasta de cimento endurecida esta água não se liberta. Só é possível retirar esta água por aquecimento a temperaturas superiores a 1000 o C às quais o material se decompõe (Domone, 1994). Esta água é por vezes determinada para calcular o grau de hidratação do cimento (Soroka, 1993). 2) Água zeolítica ou intersticial Água ligada também à rede cristalina, mas que se interpõe nas lamelas do gel da pasta de cimento hidratada (nos poros de gel inferiores a cerca de 2,6 nm 1nm = 10-9 m), de modo que a sua saída, ou entrada, não modifica a sua estrutura; apenas é alterado o espaçamento entre as camadas cristalinas, ou lamelas. As propriedades cristalinas não sofrem alterações quando a água zeolítica é eliminada; pois o cristal mantém a sua estrutura. A água zeolítica pode ser retirada, por exemplo, por secagem intensa a temperaturas elevadas ou reduzindo a humidade relativa do ambiente a valores inferiores a 10%, embora a perda desta água leve a uma retracção considerável pois as forças de Van der Waals conseguem aproximar as camadas cristalinas ou lamelas (Domone, 1994). A saída desta água é reversível e se novamente em atmosfera húmida o gel retoma gradualmente a água, afastando as placas ou lamelas 3) Água (fisicamente) adsorvida A superfície dos produtos da hidratação do cimento é muito grande, dadas as pequenas dimensões dos cristais. A enorme quantidade de átomos à superfície de tais cristais, cujas forças não estão totalmente saturadas pelos átomos vizinhos, cria as chamadas forças de superfície, de adsorsão ou de Van der Waals, que atraem as moléculas dos fluidos da sua vizinhança. As moléculas de água são fortemente atraídas pela superfície dos cristais dos componentes hidratados do cimento (Coutinho, 1988) podendo constituir até 5 camadas moleculares correspondendo então a 77

84 uma espessura de 1,3 nm. Quando a humidade relativa baixa a cerca de 30% uma parte desta água pode ser perdida correspondendo a uma importante parcela da retracção por secagem (Domone, 1994) 4) Água capilar É a água que ocupa o espaço nos capilares e é livre da acção das forças de adsorsão: resulta da condensação do vapor de água nos capilares e nos poros de gel maiores (5 nm); a sua quantidade varia com a humidade relativa da atmosfera e com o raio capilar. A entrada e saída são reversíveis, dependendo da tensão de vapor e da temperatura (Coutinho, 1988; Soroka, 1993). 5) Vapor de água Os poros maiores podem estar parcialmente cheios com água e os restantes espaços contém vapor de água à pressão de equilíbrio com a humidade relativa e temperatura do ambiente circundante (Domone, 1994). 6) Água livre É toda a água que está na pasta de cimento, ou no betão, sem sujeição a quaisquer forças, ficando livre de se evaporar durante o endurecimento da pasta ou do betão. (Encontra-se nos poros de dimensão superior a cerca de 50 nm). Figura 5.18 Representação esquemática dos tipos de água no seio dos silicatos cálcicos hidratados CSH (Domone, 1994). Na prática é, por vezes, difícil classificar numa categoria ou noutra a água, pois as diferentes espécies não se excluem, pelo que, quando se trata de fenómenos da secagem do betão, é mais prático distinguir apenas duas espécies de água; a evaporável e a não evaporável. Como o nome indica trata-se de uma distinção feita a partir do conceito de evaporação, o qual depende das condições de tensão de vapor e temperatura a que se sujeita a pasta de cimento. 78

85 NOTA: Por exemplo, Powers e Brownyard, com o fim de praticamente poderem distinguir a água nos estados que acabámos de enunciar, determinam a quantidade de água que na pasta de cimento hidratado se evapora a 23ºC, num vácuo de 0,45 µm de mercúrio sob uma tensão de vapor obtida com uma mistura de perclorato de magnésio cristalizado com duas e com quatro moléculas de água, Mg (ClO 4) 2. 2H 2O + Mg (ClO 4) 2. 4H 2O, a que corresponde uma humidade relativa de 2, A água retida pela pasta de cimento nestas condições é a água não evaporável, que corresponde, aproximadamente, à água quimicamente combinada, pois os componentes hidratados do cimento, a esta tensão de vapor, perdem alguma água de cristalização. Em média é de 28 g por 100 g de cimento anidro, num cimento completamente hidratado. A água evaporável nas condições acima descritas é água livre, capilar, zeolítica e adsorvida (Coutinho, 1988) Resistência química A contribuição de cada componente para a resistência química do cimento também não é uniforme: há componentes, como o C 2 S e os que contém ferro, que conferem maior resistência química do que os outros, como o C 3 S e o C 3 A. No Quadro 5.4 indica-se a ordem de grandeza da contribuição de cada componente para as tensões de rotura, para o calor de hidratação, e para as resistências químicas. Daqui se deduz que o componente que mais contribui para a tensão de rotura é o C 3 S. É também ele que mais concorre para o calor de hidratação (se atendermos a que a sua proporção é sempre superior a duas, três ou quatro vezes a do C 3 A) e possui a menor resistência química pois necessita estar em contacto com soluções saturadas de hidróxido de cálcio que são condições propícias para a formação do sulfoaluminato tricálcico expansivo, e para a reacção expansiva da sílica reactiva dos agregados com os álcalis do cimento. Quadro 5.4 Propriedades principais dos componentes do cimento (Coutinho, 1988; Neville, 1995) Componentes Calor desenvolvido após hidratação total Tensão de rotura após hidratação Resistência química J/g Cal/g 7 dias 28 dias 1 ano C 3 S ,5 50,0 72,5 Pequena, por necessitar do contacto com soluções sobressaturadas de Ca(OH) 2 C 2 S ,0 6,7 70,0 Média, por necessitar do contacto com soluções de ph inferior a 12 C 3 A ,0 3,4 6,7 Fraca, por dar origem à formação do sulfoaluminato tricálcico C 4 AF ,0 3,6 3,8 Boa 79

86 Também vem a propósito referir que a presença do C 3 A no cimento é indesejável: contribui pouco ou nada para a tensão de rotura, excepto nas idades jovens; tem um desenvolvimento grande de calor ao reagir com a água, e, quando o cimento é atacado pelo ião sulfato, a expansão devida à formação do sulfoaluminato de cálcio a partir do aluminato pode levar à desintegração completa do betão, quando a reacção se dá num meio saturado de hidróxido de cálcio, como se disse. Mas a presença do aluminato (e também do ferrato) é necessária para se obter uma fase líquida durante a cozedura do clinquer, o que permite a combinação da cal com a sílica. Se se não formasse essa fase líquida no forno a reacção levaria muito mais tempo, e provavelmente nunca seria completa. Sob este aspecto a alumina é muito mais eficaz do que o óxido de ferro; se ao fundente falta alumina, o líquido formado é muito mais viscoso, e a cozedura mais difícil. Observa-se assim que a alumina, indesejável no cimento, é no entanto necessária para a sua fabricação económica (Coutinho, 1988). É costume apontar o C 3 A como o componente indesejável no cimento portland. Daí a existência de cimento portland com baixas percentagens de aluminato tricálcico, como os cimentos do tipo V nos EUA (norma C 150 as ASTM) e de exigências de percentagem deste componente em diversos países, quando se pretendem elevadas resistências químicas do cimento portland. Segundo A. Sousa Coutinho (Coutinho, 1988) o componente mais nefasto do cimento portland sob o ponto de vista químico é o C 3 S. De facto, o que distingue o cimento portland de todos os outros ligantes hidráulicos usados anteriormente à invenção do cimento portland é a presença de C 3 S, obtido por cozedura a temperaturas superiores a 1300ºC. É da sua existência que resultam as elevadas tensões de rotura que tornaram possível o emprego do betão como o material de construção do Século XX. É também devido a ele que é possível o betão armado e pré-esforçado pois, a elevada alcalinidade (ph = 12) permite a estabilidade do aço, sem corrosão e é precisamente devida ao facto de a hidratação do C 3 S produzir compostos que são estáveis em soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio, meio em que o aço é imune à corrosão. Mas este facto, existência de soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio no interior do cimento portland hidratado, pode ser a causa da sua destruição, porque é 80

87 devido à presença de tais soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio que se forma o sulfoaluminato de cálcio expansivo (tanto a partir da alumina do cimento como da alumina reactiva do agregado) e os silicatos alcalinos expansivos, a partir dos álcalis do cimento e da sílica reactiva do agregado. Vê-se assim, que o C 3 S causa da enorme aplicação do betão armado e préesforçado, é também a causa da sua deterioração. E este defeito pode ser eficazmente corrigido pela utilização de pozolana, escória granulada de alto-forno, etc., que diminuem o risco da expansão do betão pela acção da alumina do agregado ou do cimento, e da sílica do agregado (Coutinho, 1988). 5.7 PROPRIEDADES FÍSICAS, MECÂNICAS E QUÍMICAS DOS CIMENTOS Para serem aplicados com segurança, os cimentos têm de possuir determinadas características, algumas impostas por normas, entre as quais a massa volúmica, finura, resistência mecânica, características da presa, expansibilidade, perda ao fogo, resíduo insolúvel, teores de sulfatos e cloretos e pozolanicidade, que serão analisadas em seguida Massa volúmica dos cimentos Para calcular a composição de um betão, para determinar a superfície específica de um cimento e por vezes, para verificar se o cimento está já parcialmente hidratado é necessário determinar a sua massa volúmica. A massa volúmica é determinada pela maneira usual para qualquer sólido, conhecendo a massa e medindo o seu volume a partir do deslocamento de um líquido num volumenómetro apropriado, designado incorrectamente por densímetro, de Le Châtelier Figura O líquido que se emprega é a gasolina ou o petróleo. 81

88 Figura 5.19 Volumenómetro de Le Châtelier. O frasco, em banho-maria termo-regulado a 20ºC, enche-se com 250 ml de gasolina até determinada marca, deitando-se em seguida uma quantidade previamente pesada de cimento (em geral 65,0 g), com cuidado, de modo a evitar a aderência às paredes. Depois de se deitar todo o cimento, o volumenómetro é mantido em posição inclinada, rodando-o, a fim de que o ar se possa escapar. Logo que se termina esta operação tapa-se o frasco e coloca-se de novo no banho termo-regulador a 20ºC. Quando se atingiu o equilíbrio térmico lêse a nova posição do nível do líquido no gargalo do frasco, cuja diferença para a inicial dá o volume dos 65 g de cimento lá colocados. A massa volúmica é o quociente de 65 g pelo volume do líquido deslocado. O conhecimento desta grandeza também permite detectar a existência de material inerte no cimento pois, um valor da massa volúmica inferior a 3,05 indica um cimento adulterado, mal cozido, ou ainda parcialmente hidratado (Coutinho, 1988). Apresentam-se no Quadro 5.5 os valores das massas volúmicas dos componentes do cimento não hidratado e hidratado. 82

89 Quadro 5.5 Massas volúmicas do cimento antes e depois da hidratação (Coutinho, 1988) Massa volúmica dos componentes do cimento Massa volúmica dos componentes hidratados Silicato tricálcico, C 3 S...3,12 a 3,15 Hidróxido de cálcio, Ca(OH) ,23 Alite...3,14 a 3,25 Hidróxido de magnésio, Mg(OH) ,40 Silicato bicálcico, C 2 S...3,28 3CaO. 2SiO 2. 3H 2 O...2,24 Aluminato tricálcico...3,04 3CaO. Al 2 O 3. 6H 2 O ,52 Aluminoferrato tetracálcico...3,97 4CaO. Al 2 O 3. 13H 2 O...2,02 Material escuro intersticial...3,00 3CaO. Al 2 O 3. 19H 2 O,...1,80 Óxido de cálcio...3,32 3CaO. Al 2 O 3. 3CaSO 4. 32H 2 O ,73 Óxido de magnésio...3,58 3CaO. Al 2 O 3. CaSO 4. 12H 2 O...1,99 Cimento completamente hidratado...2,13 TODOS SUPERIORES a 3 g/cm 3 TODOS INFERIORES a 2,6 g/cm Finura Introdução Uma das últimas operações na produção de cimento e de resto, a que consome mais energia, é a que corresponde à moagem do clinquer misturado com gesso. Como as reacções de hidratação começam à superfície dos grãos de cimento, o material disponível para reagir corresponde a área total da superfície dos grãos de cimento. Assim, a velocidade de hidratação depende da finura do cimento pelo que, quando se pretende uma resistência elevada aos primeiros dias é necessário que o cimento tenha uma elevada finura este facto não afectando a resistência a longo prazo Figura O aumento da velocidade no início da hidratação, conseguido à custa de uma maior finura do cimento acarreta, evidentemente, uma taxa maior de desenvolvimento de calor no início. Note-se também que o custo de moagem já em si elevado torna-se consideravelmente mais elevado quando se pretende uma finura acrescida além de que são necessários cuidados acrescidos na medida em que o cimento muito fino deteriora-se mais facilmente quando exposto ao ar. 83

90 Figura 5.20 Relação entre resistência de betões a diferentes idades e finura do cimento (Neville, 1995). Uma finura elevada também conduz a uma reacção mais intensa com agregados com sílica reactiva e leva a que a pasta de cimento (não necessariamente o betão) apresente uma retracção mais elevada e fendilhe mais facilmente, mas apresente uma exsudação mais baixa. Note-se que um aumento da finura leva a que se aumente a quantidade de gesso a juntar ao clinquer em virtude de haver mais C 3 A disponível no início da hidratação (Neville, 1995). Sendo a finura uma propriedade importante do cimento é necessário que seja cuidadosamente controlada. Existem diversos métodos para determinação da finura de cimento Métodos de determinação da finura de um cimento 1) Resíduo de peneiração Um modo cómodo e rápido de determinar a finura foi utilizar peneiros; todavia os limites de finura determinados por este meio são incompletos pois a peneiração não é possível para dimensões inferiores a cerca de 50µm, e mesmo para dimensões inferiores a 75µm é já aconselhável utilizar a peneiração por via húmida. Antigamente e entre nós, o cimento não devia possuir um resíduo, no peneiro com malhas de 90µm de abertura, superior a 10,0%. 84

91 Hoje, a normalização actual não estabelece um limite para o resíduo de peneiração mas esta propriedade serve para verificação e controlo, detectando a presença de partículas grossas do cimento no processo de produção. O método de ensaio para determinação do resíduo de peneiração vem descrito na norma NP EN (1990) Métodos de ensaio de cimentos. Determinação da finura. O método de peneiração para determinação do respectivo resíduo consiste em peneirar a seco uma amostra de cerca de 10 g de cimento com um peneiro com malha de abertura de 90µm e determinar o resíduo no peneiro após peneiração manual (ou mecânica). O ensaio é repetido e o resultado corresponde à média nos dois ensaios. Note-se que o resíduo de peneiração não fornece informações sobre a dimensão dos grãos inferiores a 90µm e são as partículas mais finas que tem o papel mais importante nas reacções iniciais de hidratação. Assim as normas actuais preconizam a determinação da superfície específica. 2) Superfície específica A superfície específica de um cimento é a área superficial das partículas por unidade de massa do cimento (expresso por ex. em m 2 /kg). A determinação da superfície específica pode ser levada a cabo por vários processos: A A partir da curva granulométrica B A partir da permeabilidade de um fluido que atravessa um camada de partículas C A partir da quantidade de um gás inerte adsorvido à superfície das partículas. 2A ) Superfície específica a partir da determinação da curva granulométrica: No primeiro processo a determinação da curva granulométrica é feita por sedimentação ou elutriação das partículas a partir da dependência da velocidade de queda livre das partículas num fluído em função dos respectivos diâmetros, isto é, da Lei de Stokes. O cimento deve estar bem disperso no fluído e evidentemente este deverá ser inerte relativamente ao cimento (Neville, 1995). 85

92 Existem vários métodos (ver Coutinho 1988, págs. 200 a 211) baseados na Lei de Stokes entre os quais o método de Wagner. Neste método, descrito na especificação LNEC E65, determina-se a um dado nível, a concentração das partículas numa suspensão de cimento em petróleo, a partir do conhecimento da absorção luminosa de um feixe de luz que, a esse nível, passa através da suspensão Figura 39 (Coutinho, 1988). Figura 5.21 Turbidímetro de Wagner: câmara com a fonte luminosa F, suspensão do cimento S, e célula fotoeléctrica C; conjuntos de aparelhos com o amperímetro A, e bureta para medição dos tempos B (Coutinho, 1988). Na Figura 5.22 apresenta-se um exemplo de uma curva granulométrica de um cimento obtido pelo método de Wagner e a curva correspondente aos valores (acumulados) da superfície específica para 1 grama desse cimento. Note-se que para partículas inferiores a 7.5µm no método de Wagner assume-se que a granulometria é uniforme e que portanto o valor médio dessa fracção é 3,75µm, o 86

93 que leva a subestimar a verdadeira superfície destas partículas mais pequenas. Assim o resultado deste método terá que ser corrigido por um factor de conversão de 1,6 a 2,2, dependente da finura de cimento e do conteúdo em gesso, para ser comparável com resultados do método de Blaine que será visto em seguida (Neville, 1995). Figura 5.22 Curva granulométrica de um cimento (1 grama) obtida pelo método de Wagner e curva da superfície específica acumulada em função da dimensão dos grãos (Neville, 1995). Outros métodos baseados na Lei de Stokes são os métodos de elutriação tais como o método do fluorómetro. O processo de elutriação é inverso da sedimentação, mas a Lei de Stokes também se aplica quando a partícula é sujeita a uma corrente ascendente de um fluído desde que a velocidade seja suficientemente pequena. O fluído que se utiliza para a curva granulométrica é o ar seco. Figura 5.23 Fluorómetro (Coutinho,1988) 87

94 2B) Superfície específica a partir da permeabilidade de um fluído que atravessa uma camada de partículas: Estes métodos são baseados no facto de a resistência ao escoamento de um gás através de uma camada de pó compactado até um determinado volume, com uma porosidade conhecida, depender da superfície específica das partículas que compõem o pó. A primeira aplicação deste princípio deve-se a Lea e Nurse que, em 1939, realizaram a montagem experimental que tem o seu nome. Blaine, em 1943, simplificou a montagem, tornando o método extraordinariamente prático, transformando-o o mais popular de todos para a determinação da superfície especifica. No método de Blaine obriga-se um volume de ar a atravessar uma dada camada de pó, sob uma pressão variável, cuja variação é constante para todos os cimentos em estudo. Determina-se o tempo que tal volume de ar leva a percorrer a camada, o que permite o conhecimento do coeficiente de permeabilidade (Coutinho, 1988). O método de Blaine, normalizado pela norma NP EN (1990), consiste em fazer passar um determinado volume de ar a uma pressão média pré-definida em que o caudal de escoamento de ar através do cimento, vai diminuindo de uma forma constante. A massa de cimento utilizada é calculada conhecendo-se a sua massa volúmica e de tal maneira que corresponda, no contentor cilíndrico respectivo, uma camada de 10 mm de espessura e com porosidade normalizada de 0,500. O tempo que o ar demora a atravessar a referida camada no permeabilímetro de Blaine Figura 5.24, é medido e a superfície específica S, do cimento é dada por: S = K t K constante que depende do permeabilímetro (Coutinho, 1988, Neville, 1995). Na Figura 5.25 podem-se observar algumas etapas da determinação da superfície específica de um cimento pelo método de Blaine. 88

95 Figura 5.24 Pemeabilímetro de Blaine Figura 5.25 Determinação da permeabilidade 2C) Superfície específica a partir da quantidade de um gás inerte adsorvido à superfície das partículas: O método de Blaine não é aplicável a pós muito mais finos que o cimento Portland tais como sílica de fumo ou cinzas volantes e então utilizam-se métodos de adsorsão de gás, em geral de azoto (BET). 89

96 Pensa-se hoje que, para se obter uma elevada resistência aos primeiros dias com cimentos de determinada superfície específica, que a granulometria deve ser tal que pelo menos 50% dos grãos estejam contidos na fracção 3 a 30µm tendo portanto menos partículas muito finas ou muito grossas. Para se obter uma resistência inicial ainda mais elevada e uma resistência elevada a longo prazo parece que a gama de partículas na fracção 3 a 30µm deverá ultrapassar 95%, sendo então necessário cuidados especiais na moagem do clinquer. O facto de as partículas de 3 a 30µm serem benéficas parece resultar da heterogeneidade em termos de composição das partículas: Dimensão das partículas < 4 µm partículas muito ricas em SO 3 e álcalis Dimensão das partículas > 30 µm partículas muito ricas em C 2 S 4µm < dimensão das partículas < 30 µm partículas ricas em C 3 S É de referir ainda, que hoje a regulamentação não específica valores mínimos da finura, nem em termos de resíduo de peneiração nem em termos de superfície específica pois a finura é indirectamente controlada pela resistência inicial. De qualquer forma um cimento Portland terá uma superfície específica de m 2 /kg (Blaine) e de endurecimento rápido será ainda maior (Neville, 1995). No Quadro 5.6 apresentam-se valores da superfície específica de dois cimento diferentes avaliada por três métodos: Quadro 5.6 Superfície específica obtida por métodos diferentes (adaptado de Neville, 1995) Cimento Superfície específica (m 2 /kg) avaliada por: Método de Wagner M. de Lea and Nurse ( Blaine) Adsorsão de azoto (BET) A B Portland de endurecimento normal Portland de endurecimento rápido >

97 5.7.3 Resistências mecânicas Ciência de Materiais 1ª Parte A resistência mecânica do cimento é a propriedade mais importante em termos de utilização estrutural pelo que todas as normas fixam valores mínimos desta característica (Neville, 1995). Como a resistência depende, em elevado grau, das condições da amassadura, da preparação dos provetes, da natureza do ensaio escolhido, etc., é necessário prescrever a maneira exacta de ensaiar o cimento, de modo a obter resultados comparáveis (Coutinho, 1988). A nível europeu e portanto em Portugal, a resistência mecânica de um cimento é avaliada segundo a norma (NP) EN (1990) Métodos de ensaio de cimentos. Determinação da resistência mecânica. Os ensaios preconizados são de flexão e compressão, embora seja a resistência à compressão a que é considerada de maior importância. Os ensaios são realizados em provetes de argamassa normalizada ao traço, em peso, de 1 parte de cimento, para 3 partes, de areia e com uma relação água/cimento de 0,5. A resistência à compressão é obtida em provetes equivalentes a cubos de 40 mm de aresta que provêm de prismas mm (três para cada idade para a qual se pretende determinar a resistência mecânica) que são inicialmente ensaiados à flexão de modo a obter-se meios prismas. Portanto é possível como opção, determinar a resistência à flexão com carga a meio vão e vão de 100 mm. (Coutinho, 1988; Neville, 1995; NP EN 196-1, 1990). A argamassa normalizada, como referido ao traço 1:3:0,5, é fabricada à temperatura de 20 ± 2 o C e com pelo menos 65% de humidade relativa. A areia utilizada é uma areia normalizada CEN (Comité Europeu de Normalização) e consiste numa areia natural, siliciosa de grão arredondado com uma determinada curva granulométrica correspondente aos valores apresentados no Quadro 5.7. Quadro 5.7 Granulometria da areia Normal. Abertura do peneiro (mm) Retidos acumulados (%) ± ± ± ± ± 1 91

98 A água deve ser destilada, embora para ensaios correntes seja admitida a utilização de água da distribuição pública. O cimento a ensaiar é passado por um funil com peneiro de malha 60 µm para evitar aglomerados de partículas. A amassadura é realizada mecanicamente, num misturador Figura 5.26, com dimensões e características especificadas na norma e segundo um procedimento determinado, esquematizado na Figura Figura 5.26 Esquema do misturador para fabrico da argamassa normal para posterior determinação da resistência de um cimento. Figura 5.27 Procedimento de fabrico da argamassa normal para posterior determinação da resistência mecânica. Após a amassadura a argamassa é colocada em moldes de prismas com cm 3 onde é compactada em duas camadas num compactador Figura 5.28 no qual, por cada camada, o molde de três prismas cai de uma altura de 10 mm com a frequência de uma queda por segundo durante 1 minuto. 92

99 Figura 5.28 Molde e aparelho compactador para provetes de cm 3 de argamassa normal. Depois de alisada a superfície, o molde é tapado com uma placa que pode ser de vidro e é identificado. O molde é então conservado a uma temperatura de 20 o ± 1 o C e humidade relativa superior a 90%. A desmoldagem é efectuada, no máximo, 20 minutos antes do ensaio se este for às 24 horas. Para idades superiores, a desmoldagem pode ser feita 20 a 24 h após a moldagem. Neste caso são conservados em água a 20 ± 1 o C de tal modo que a espessura de água sobre os provetes não seja menor do que 5 mm. Os provetes serão retirados da água no máximo 15 minutos antes de serem ensaiados e cobertos com um pano húmido até ao momento do ensaio. A idade exacta dos provetes a partir do momento da amassadura do cimento com a água até ao início do ensaio de flexão e compressão deve estar entre os limites referidos no Quadro 5.8. Quadro 5.8 Limites de idade dos provetes para ensaios de resistência. Idade Idade exacta 48 h 48 h ± 30 m 72 h 72 h ± 45 m 7 d 7 d ± 2 h 28 dias 28 d ± 8 h O ensaio propriamente dito consiste em, com equipamento normalizado, a meio vão, aplicar uma carga vertical que cresce gradualmente ao ritmo de 50 ± 10 N/S, sem choques, até à rotura, registando-se a força máxima de rotura por flexão Figura

100 F f h l =100mm b Figura 5.29 Determinação da resistência à flexão de um cimento em provetes de argamassa. Fazendo a determinação da carga máxima de rotura por flexão para cada provete e calculando a média dos três valores, a resistência à flexão do cimento é dada por R f (MPa), pois: F f l M máximo = = 2 2 F f 4 l R f = F f l / 4 1,5 F f l = 2 3 bh / 6 b Em que: F f carga aplicada ao centro do prisma, na rotura (N) l distância entre os apoios (mm) b lado da secção quadrada do prisma (mm) Os meios prismas obtidos são então ensaiados à compressão em equipamento apropriado, normalizado. Depois de centrado em relação aos pratos da máquina Figura 5.30, a cada provete é aplicada uma carga de uma forma gradualmente crescente, de modo contínuo, sem choques ao ritmo de 2400 ± 200 N/S até à rotura do provete, registando-se a força máxima de rotura por compressão. Calculando a média dos resultados da força máxima de rotura por compressão dos seis meios prismas é possível então determinar a resistência à compressão R c (MPa) do cimento: R c Fc = Em que: F c carga máxima de rotura por compressão (N). 94

101 Figura 5.30 Determinação da resistência à compressão do cimento. Como referido anteriormente a resistência à compressão do cimento é a propriedade mais importante tendo que obedecer a valores mínimos especificados. Entre nós as normas NP EN e NP 4326 classificam os cimentos em termos de resistência, em cimentos de endurecimento normal e rápido. Os de endurecimento rápido, como é evidente, dizem respeito a cimentos cuja resistência é elevada aos primeiros dias e estes cimentos terão que respeitar valores especificados aos 2 dias de idade. Apresentam-se no Quadro 5.9 os valores mínimos característicos (95% de probabilidade de serem ultrapassados) segundo aquelas normas. Repare-se que a norma recente NP EN 197-1, relativamente à ex NP 2064, no que respeita à resistência dos cimentos, apenas introduz a letra N na sigla referente à classe de resistência para indicar um cimento de endurecimento normal. Quadro 5.9 Valores característicos resultantes do autocontrole efectuado pelo fabricante (NP EN 197-1) Resistência à compressão Classe de resistência MPa Resistência aos primeiros dias Resistência de referência 2 dias 7 dias 28 dias 32,5 N - 16,0 32,5 R 10,0-32,5 52,5 42,5 N 10,0-42,5 R 20,0-42,5 62,5 52,5 N 20,0-52,5 R 30,0-52,5-95

102 Repare-se que a designação da classe diz respeito também à resistência chamada de referência, que corresponde à resistência à compressão aos 28 dias determinada de acordo com a NP EN Presa Já foi referido (em 5.6.1) o fenómeno de presa a propósito da hidratação do cimento pelo que se passará em seguida a descrever os métodos de ensaios relacionados com a presa, isto é, à passagem do estado líquido ao sólido, ou melhor, à rigidificação da pasta de cimento. É difícil determinar o instante em que se dá esta alteração no estado da pasta, pois esta sofre diversas gradações até atingir o estado sólido. Tem-se tentado definir o princípio da presa por diferentes métodos, como através da variação da condutibilidade eléctrica, da viscosidade e do desenvolvimento de calor, etc. Mas as dificuldades experimentais são bastante maiores do que o método imaginado há mais de um século pelo inventor do cimento Portland, Louis Vicat. Neste ensaio, normalizado pela norma NP EN (1990) Métodos de ensaio de cimento. Determinação do tempo de presa e expansibilidade, mede-se a resistência de uma pasta de cimento à penetração de uma agulha com 1 mm 2 de secção, sob a acção de um peso de 300 g Figura Distinguem-se em geral dois períodos para o tempo de presa: início e fim. O primeiro é o tempo decorrido entre a amassadura e a perda da plasticidade, e o fim de presa é o tempo necessário para que a pasta adquira a firmeza suficiente para resistir a uma certa pressão. O primeiro passo deste ensaio consiste em fabricar uma pasta de consistência normalizada e designada por pasta normal. Por tentativas, vai-se juntando diferentes quantidades de água até a pasta colocada no molde tronco-cónico oferecer uma determinada resistência à penetração de uma sonda normalizada (com 10 mm de diâmetro) aplicada no aparelho de Vicat. Considera-se que a pasta é de consistência normal se a sonda penetra na pasta até uma distância de 6 ± 1 mm da base. Segue-se então a determinação do início de presa em que se vão fazendo leituras em intervalos de tempo sucessivos, com o aparelho de Vicat munido da agulha de Vicat até ao momento em que a agulha já não atravessa a pasta até ao fundo, ficando a 4 ± 1 mm da base. 96

103 Figura 5.31 Aparelho de Vicat para a determinação da consistência da pasta normal e do tempo de presa (Coutinho, 1988). O fim de presa é determinado com uma agulha semelhante provida de um anel com 5 mm de diâmetro Figura 5.32, de modo que a extremidade da agulha se projecta 0,5 mm para além da aresta deste acessório. Atinge-se o fim de presa quando a agulha, poisada na superfície do bloco de ensaio, deixa a sua marca, sem que o acessório circular imprima qualquer sinal, isto é, a agulha penetra menos de 0,5 mm. Figura 5.32 Extremidade inferior da agulha para a determinação do fim de presa (cotas em milímetros). A agulha de 1 mm 2 de secção é substituída por esta no aparelho de Vicat (Coutinho, 1988). 97

104 A regulamentação em vigor (NP EN 197-1) limita inferiormente o tempo de início de presa de acordo com a classe de resistência do cimento, de acordo com os valores do Quadro Quadro 5.10 Tempo de início de persa de acordo com a classe de resistência dos cimentos Classe de Tempo de início de presa (minutos) de acordo com: resistência NP EN (ex NP 2064) NP 4326 (c. brancos) 32,5 N 32,5 R 75 42,5 N ,5 R 60 52,5 N 52,5 R Falsa Presa Como referido anteriormente a presa Rápida ou Instantânea resulta da reacção de hidratação exotérmica de C 3 A na ausência de gesso. A Falsa Presa corresponde à rigidificação prematura da amassadura alguns minutos após o fabrico, em que não se verifica libertação de calor apreciável, sendo possível restabelecer a plasticidade com uma reamassadura, sem consequências em termos de perdas de resistência. A Falsa Presa parece ser causada sobretudo pela desidratação do gesso (CaSO 4.2H 2 O) durante o processo de moagem, formando-se sulfato de cálcio hemi-hidratado (CaSO 4. 1/2H 2 O) e/ou anidrite (CaSO 4 ) que, em contacto com água formam cristais aciculados de gesso enrijecendo a pasta (Neville, 1995) Expansibilidade É essencial que a pasta de cimento, após presa não sofra grandes variações de volume, em particular expansões que, se impedidas podem causar a destruição do material. Esse tipo de expansões podem ser causadas por hidratação retardada ou lenta (ou outras reacções) de alguns compostos presentes tais como: - óxido de cálcio livre - óxido de magnésio - sulfato de cálcio 98

105 Expansibilidade causada por óxido de cálcio livre Se a matéria prima com que o forno é alimentado contém um pouco mais de óxido de cálcio do que o necessário para se combinar com os silicatos e aluminatos ou se a queima ou arrefecimento são insatisfatórios, o óxido de cálcio em excesso continuará livre. A sua posterior hidratação será muito lenta e acompanhada por expansões, na medida em que corresponde à extinção dessa cal livre. Repare-se que o facto de se misturar cal ao cimento (usual no fabrico de determinadas argamassas) não causa problemas de expansibilidade pois a cal hidrata antes da presa do cimento. Na realidade a cal livre do clinquer e que provoca expansibilidade, está cristalizada com outros compostos e portanto só parcialmente é que entra em contacto com a água antes da presa do cimento. Como a expansibilidade apenas se manifesta alguns meses ou mesmo anos depois do fabrico, é importante verificar esta característica através de um ensaio acelerado, criado por Le Chatelier e regulamentado pela norma NP EN Métodos de ensaio de cimento. Determinação da presa e expansibilidade. Este ensaio consiste em começar por fabricar pasta de consistência normal, já referida em e utilizada para determinar os tempos de presa. A pasta é colocada em dois aparelhos de Le Chatelier Figura O aparelho de Le Chatelier consiste num pequeno cilindro com 30 mm de diâmetro interno e 30 mm de altura, feito de chapa de latão com 0,5 mm de espessura. O cilindro é fendido de alto a baixo ao longo de uma geratriz, estando-lhe soldadas duas agulhas, com 150 mm de comprimento, de um lado e outro da fenda. Depois de cheio com pasta de cimento, o molde é coberto com duas placas de vidro e comprimido por um pequeno peso de 150 g de encontro à pasta, sendo o conjunto mantido dentro de água a 20±1ºC durante 24 horas. Ao fim deste intervalo de tempo mede-se o afastamento entre as duas agulhas (e), e eleva-se a temperatura da água até 100ºC em 1 hora, mantendo-se depois esta temperatura durante 3 horas. Deixase arrefecer e torna-se a medir a distância entre as agulhas. A diferença entre as duas medições representa a expansibilidade da pasta de cimento a qual não deve exceder, no caso das normas portuguesas NP EN e NP 4326 o valor de 10 mm (Coutinho, 1988; Neville, 1995; NP EN (1996)). 99

106 Figura 5.33 Aparelho de Le Chatelier. Medidas em milímetros (Neville, 1995). No caso de a expansibilidade ultrapassar o valor de 10 mm é possível repetir o ensaio depois de espalhar e arejar o cimento durante 7 dias em que poderá ocorrer a hidratação ou mesmo a carbonatação do óxido de cálcio. No fim deste período o ensaio de expansibilidade é repetido. O ensaio com o aparelho de Le Chatelier apenas detecta a expansibilidade provocada por óxido de cálcio livre (Neville, 1995) Expansibilidade causada pelo óxido de magnésio Como referido a propósito do arrefecimento do clinquer (5.4.4) há toda a vantagem em evitar que a fase líquida cristalize pois, para além de outras desvantagens, o óxido de magnésio poderá cristalizar em cristais grandes (periclase) o que provoca a instabilidade e expansibilidade do volume da pasta de cimento endurecido. De facto o óxido de magnésio é reactivo apenas sob a forma cristalina de periclase (em quantidade superior a 2% do cimento, em massa, pois até 2% combina-se com os componentes principais do cimento). Por exemplo o óxido de magnésio presente na fase vítrea é inofensivo. O óxido de magnésio (periclase) combina-se com a água de modo semelhante ao óxido de cálcio livre. Na Europa e em Portugal a regulamentação não prevê ensaios para verificar a expansibilidade do óxido de magnésio pois não é costume a presença de grandes quantidades de magnésio na matéria prima usada. 100

107 Nos Estados Unidos é utilizado um ensaio que detecta simultaneamente a presença de óxido de cálcio livre e óxido de magnésio regulamentado pela norma ASTM C151 93a e que consiste no fabrico de barras de pasta de cimento colocadas em autoclave (pressão e temperatura elevadas) durante três horas. A expansão resultante tem de ser inferior a 0,8% (Neville, 1995) Expansibilidade causada por sulfatos de cálcio Foi referido anteriormente que para evitar a presa instantânea causada por hidratação do C 3 A é necessário adicionar ao clinquer, uma certa quantidade de gesso sulfato de cálcio bi-hidratado. Quanto mais rico é o cimento em C 3 A tanto maior a quantidade de gesso que se lhe tem de juntar. Não se pode todavia aumentar muito o teor de gesso que se adiciona ao clinquer, pois uma quantidade exagerada de sulfato pode dar origem à formação de sulfoaluminato de cálcio expansivo, em condições de fazer perigar a estrutura do cimento hidratado. Por isso o teor máximo do sulfato, expresso em trióxido de enxofre, SO 3 é fixado em 3,5 e 4% dependendo do tipo de cimento, segundo a NP EN e em 4 e 4,5% nos cimentos brancos, segundo a NP Resíduo insolúvel O resíduo insolúvel é a parte do cimento que não é solúvel a quente e em determinadas condições em ácido clorídrico e é determinado por procedimento descrito na NP EN Métodos de ensaio de cimentos. Análise química. Dos componentes das matérias primas (em princípio calcário e argila) apenas o calcário é dissolvido no ácido clorídrico, pois a sílica, a alumina e os óxidos de ferro da argila não o são. Todavia depois da obtenção do cimento, estes compostos combinados são solúveis no ácido. Se a combinação das matérias primas fosse perfeita todo o clínquer seria solúvel no ácido e de facto, em cimentos bem cozidos a percentagem de resíduo insolúvel não excede 1% (Coutinho,1988). Assim, para garantir que a combinação dos componentes da matéria prima tenha sido a melhor possível e para impedir que o gesso adicionado na produção seja de má qualidade (Jackson, 1998), com impurezas que provoquem a adulteração do cimento 101

108 (Neville, 1995), as normas limitam o resíduo insolúvel. Nas normas em vigor em Portugal o resíduo insolúvel é limitado a 5% para os cimentos CEMI e CEMIII, segundo a norma NP EN (Se o cimento contém cinzas volantes a quantidade correspondente pode não ser solúvel em ácido clorídrico. De facto a parte siliciosa das cinzas não é solúvel, assim como alguns dos materiais usados como constituintes adicionais minoritários). Para cimentos dos outros tipos a regulamentação não impõe valores limites Perda ao fogo Esta característica é determinada pela perda de massa do cimento a 1000ºC e demonstra o grau de carbonatação e hidratação do óxido de cálcio e de magnésio livres devido a exposição atmosférica (Neville, 1995). De facto os requisitos em termos de perda ao fogo estão associados à deterioração durante o armazenamento do cimento ou utilização de clínquer demasiado alterado por armazenamento prolongado no exterior. Um cimento com perda ao fogo elevada, normalmente apresenta baixa resistência (Jackson, 1998) Um cimento bem cozido e bem conservado deve apresentar uma perda ao fogo de 3 a 4% mas como os cimentos hoje contém muitas vezes a adição de calcário (filer) a perda ao fogo é limitada, nas normas, por um valor mais elevado, de 5 %, para cimentos do tipo CEMI e CEMIII segundo a NP EN e sem limite para cimentos em que as percentagens de calcário (filer) podem ser elevadas Cloretos A acção dos cloretos em betão armado ou pré-esforçado é sobejamente conhecida. Os cloretos alteram o tempo de presa do cimento e a velocidade do endurecimento, mas não são perigosos para o betão simples pois não formam compostos indesejáveis com os componentes do cimento, mesmo em doses muito elevadas. Mas no caso do betão armado ou pré-esforçado, isto é, com armaduras, então já é importante a presença do ião cloro que promove a sua oxidação sob a forma de ferrugem - Figura A oxidação das armaduras provoca não só a diminuição da secção como também 102

109 expansões, pois a ferrugem forma-se com um notável aumento de volume, como se pode verificar na Figura 5.35 (Sousa Coutinho, 1999). Figura 5.34 Corrosão da armadura por "picadas" causada por cloretos. Figura 5.35 Volume relativo dos produtos de corrosão. 103

110 Este aumento de volume acaba por romper o revestimento do betão Figura 5.36, o que acelera mais ainda o processo de corrosão (Sousa Coutinho, 1999). Figura 5.36 Efeitos da corrosão da armadura: (a)-fendilhação, (b)-descamação, (c)- delaminação e (d)-efeito nos cantos Assim é necessário garantir que no caso de betão armado ou pré-esforçado, não se produza, à partida, betão com cloretos pelo que se procede a ensaios para verificar a quantidade de cloretos existentes. No que se refere ao cimento a quantidade de cloretos é determinada pela NP EN Métodos de ensaios de cimentos Determinação do teor em cloretos, dióxido de carbono e álcalis nos cimentos. (Esta norma será futuramente integrada na NP EN 196-2). Em termos de limites do teor em cloretos no cimento, segundo a NP EN deverá ser, em geral, inferior a 0,1% da massa do cimento. Segundo a especificação do LNEC E 373, "INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES. Características e verificação de conformidade", o teor de cloretos dos agregados deve ser somado ao teor de cloretos dos outros constituintes do betão de forma que o teor por massa de cimento seja inferior a 1%, 0,4% e 0,2% no caso de betão simples, armado e pré-esforçado, respectivamente. No entanto refere-se que em relação ao betão armado e betão pré-esforçado, consideram-se os mesmos valores de 0,4% e 0,2%, em relação à massa de cimento, respectivamente, para valores do "limite crítico do teor de cloretos no betão", limite a partir do qual haverá risco de corrosão das armaduras (Sousa Coutinho, 1999). 104

111 6. AGREGADOS PARA ARGAMASSAS E BETÕES 6.1. INTRODUÇÃO O betão é um material constituído pela mistura, devidamente proporcionada, de pedras e areia, com um ligante hidráulico, água, e, eventualmente, adjuvantes. O ligante reage com a água endurecendo e a mistura adquire coesão e resistência que lhe permite servir como material de construção. O betão é um material de construção de custo comparativamente reduzido cuja produção e uso tem vindo a crescer em todos os tipos de obras, a nível mundial. Mesmo em estruturas onde outros materiais de construção são usados como materiais estruturais, tais como o aço ou a madeira, o betão também pode ser imprescindível, por exemplo, nas fundações. As propriedades do betão endurecido são muito importantes e dependem de variadíssimos factores. No entanto, ao contrário da maioria dos materiais estruturais, que são fornecidos pela fábrica já prontos a serem utilizados nas construções, a produção, transporte, colocação e compactação do betão são da responsabilidade dos técnicos de engenharia civil. Também é de referir que as propriedades do betão endurecido não são estáticas e vão evoluindo ao longo do tempo. Por exemplo, cerca de 50 a 60% da resistência final desenvolve-se nos primeiros 7 dias, 80 a 85% em 28 dias e mesmo ao fim de 30 anos de idade do betão, têm-se verificado aumentos mensuráveis de resistência Figura 6.1. Resistência à compressão MPa A 2A 3A 4A 5A 10A Idade (Anos) Figura 6.1 Variação da resistência à compressão de cubos de 20 cm de aresta (usados até a NP ENV 206 entrar em vigor), de betão com razão água/cimento igual a 0.50 e agregado rolado com dimensão máxima de 50 mm, conservados em ambiente húmido a 20ºC ±2ºC (adaptado de Coutinho, 1974). 105

112 Os constituintes do betão são: - ligante (cimento ou cimento e adições) - água - agregados e, eventualmente, - adjuvantes Os agregados ocupam em geral 70-80% do volume do betão isto é, cerca de ¾ do volume total! Por exemplo, 1 metro cúbico de betão poderá ter a seguinte composição: kg de cimento (corresponde a cerca de 100 litros do volume do betão), litros de água e, portanto, ter-se-á cerca de litros de agregado. A presa e o endurecimento do betão ocorrem devido a uma série de reacções químicas entre o ligante e a água a que se dá o nome de hidratação. Figura Central de betão: a importância dos agregados que ocupam 70 a 80% do volume do betão. O uso de, apenas, da pasta de cimento (cimento e água) endurecida como material de construção, seria possível devido à sua resistência mas, com duas grandes desvantagens: - instabilidade dimensional (fluência elevada e retracção elevada); 106

113 - custo elevado (o cimento é um material caro cerca de 0,1 /kg (2002), pois a sua produção envolve consumos elevados de energia). Estas desvantagens podem ser ultrapassadas, ou, pelo menos minimizadas acrescentando agregados à pasta de cimento isto é, usando BETÃO. O objectivo deve ser o uso da maior quantidade possível de agregados tal que as suas partículas sejam aglomeradas pela pasta de cimento, ou seja, deve ser utilizado agregado com partículas da maior dimensão possível compatível com as condições da obra, com granulometria desde a areia fina ao agregado grosso de modo a minimizar o conteúdo de vazios na mistura de agregados como também a quantidade de pasta de cimento necessária. Assim, a mistura de agregados deve ter a maior compacidade possível o que, em geral, conduz a um volume de 70 a 80% do volume total do betão. O agregado é constituído por partículas, sobretudo de rochas, ou por partículas provenientes de depósitos arenosos ou ainda, por partículas artificiais especificamente fabricadas para o emprego em betão ou ainda por partículas obtidas por reciclagem de determinados materiais, de dimensões que variam geralmente entre cerca de 0,1 mm e 20 cm e estão dispersas pela pasta de cimento, sendo necessário tomar em conta que as características do agregado afectam profundamente o comportamento do betão. Até há pouco tempo utilizava-se entre nós o termo "inerte", mas as partículas de rochas que o constituem não são realmente inactivos, na medida em que as suas propriedades físicas, térmicas e por vezes químicas afectam o desempenho do betão com elas fabricadas (Neville, 1995), isto é, as partículas de agregado podem, em certas condições, reagir com a matriz cimentícia do betão (Bertolini et Pedefferi, 1995). Aliás na NP ENV 206 (1990), "Betão, comportamento, produção, colocação e critérios de conformidade" - NP ENV 206 (1993), ainda é utilizado o termo inerte em vez de AGREGADO que é definido como sendo: Material constituído por substâncias naturais ou artificiais, britadas ou não, com partículas de tamanho e forma adequados para o fabrico de betão. As propriedades mais importantes exigidas a um agregado para produzir betão são de natureza geométrica, física e química tais que apresentem: 1 adequada forma e dimensões proporcionadas (granulometria), segundo determinadas regras; 2 adequada resistência às forças; 3 adequadas propriedades térmicas; 107

114 4 adequadas propriedades químicas relativamente ao ligante e às acções exteriores; 5 isenção de substâncias prejudiciais. A melhor informação que se pode obter sobre a qualidade de um agregado é a observação do comportamento do betão produzido com esse agregado e, em última análise ou casos de dúvida, os agregados devem ser julgados a partir das propriedades do betão que com eles se confecciona e não exclusivamente a partir de resultados de diversos ensaios que dão indicações sobre a qualidade do agregado permitindo apenas prever o seu comportamento no betão. De facto, se um dado agregado submetido aos diversos ensaios apresenta todas as propriedades adequadas então é sempre possível produzir um betão de qualidade com esse agregado. É de referir que se tem verificado que um agregado aparentemente inadequado relativamente a uma ou outra propriedade poderá conduzir a um betão de boa qualidade. Por exemplo o agregado proveniente de uma rocha que resiste mal a ciclos de gelo/degelo (rocha geladiça) poderá ter um comportamento satisfatório no betão sobretudo se as partículas desse agregado estiverem bem envolvidas por pasta de cimento hidratada de baixa permeabilidade. No entanto é pouco provável que um agregado considerado inadequado relativamente a mais do que uma propriedade venha a constituir um betão de qualidade satisfatória pelo que se justifica proceder a ensaios apenas ao agregado no sentido de prever a possibilidade do seu emprego em betão (Neville, 1995) CLASSIFICAÇÃO DOS AGREGADOS Os agregados podem ser de origem natural, como os agregados naturais (por exemplo as areias, os godos) ou os agregados obtidos por britagem de materiais naturais (por exemplo as britas, areias britadas). Existem também agregados artificiais que são obtidos industrialmente com vista à produção do betão com determinadas propriedades, por exemplo a argila ou xisto expandidos (betão leve). Outros constituintes empregues no fabrico de betão são subprodutos industriais, tais como as cinzas volantes, obtidas por combustão do carvão nas centrais térmicas, as escórias de alto forno, subproduto do 108

115 fabrico do aço, subprodutos da indústria corticeira e ainda outros produtos como poliestireno expandido. Mais recentemente tem-se utilizado agregados obtidos por reciclagem de materiais, como materiais obtidos por trituração de betão endurecido, por exemplo escombros ( Sampaio, ; Sampaio, ) Classificação petrográfica e mineralógica Relativamente aos agregados de origem natural podem ser classificados sob o ponto de vista petrográfico de acordo com a rocha que lhes deu origem e assim ter-se-á agregados ígneos, sedimentares e metamórficos. Rochas ígneas ou magmáticas são aquelas que se formaram por arrefecimento de massas em fusão ígnea provenientes das regiões profundas da terra. O seu componente principal é em geral a sílica e são constituídas por matéria cristalina e/ou amorfa de acordo com a velocidade de arrefecimento. Quimicamente são as rochas mais reactivas. Exemplo: granito, basalto. Rochas sedimentares são rochas resultantes de acumulação de detritos provenientes de rochas pré-existentes que sofreram, em geral, um processo de desagregação, transporte, sedimentação e diagénese. As rochas sedimentares aparecem estratificadas em camadas resultantes da sedimentação dos detritos transportados, em geral, por água (oceanos, rios, torrentes, etc.) e por vezes por ventos ou glaciares. Exemplo: areia, silte, xisto argiloso. Rochas metamórficas são rochas resultantes de rochas pré-existentes que sofreram modificações na sua textura, estrutura e composição devido à variação das condições físicas (temperatura e pressão) e químicas. Exemplo: mármore, xisto metamórfico, gneisse. Como em todos estes grupos existem agregados inadequados para o uso no betão, a classificação petrográfica não permite distinguir as suas qualidades. Todavia poder-seá, quase sempre, prever que muitas rochas metamórficas xistosas não dão agregados apropriados pois devido à xistosidade, mostram resistências muito díspares conforme a direcção, produzindo agregados lamelares e com acentuadas propriedades direccionais e também poderão ser eventualmente reactivos com os álcalis. 109

116 No Quadro 6.1 apresentam-se algumas características físicas e mecânicas das rochas mais utilizadas como agregados em betão. Quadro Algumas características físicas e mecânicas de algumas rochas (adaptado de Bertolini e Pedefferi, 1995) Rocha Densidade aparente Porosidade aparente Resist. à compressão Módulo de elasticidade Resist. à abrasão g(cm 3 ) -1 % vol. MPa GPa * Rochas ígneas: Granito e sienito Diorito e gabro Pórfiro ácido Basalto Pedra-pomes Tufo vulcânico Rochas sedimentares: Calcário mole Calcário compacto Dolomite Travertino Rochas metamórficas Gneisse Xisto metamórfico Mármore Quartzito * - Volume de material gasto por abrasão em relação ao volume gasto no granito Já a classificação dos minerais constituintes das rochas poderá dar indicações sobre as propriedades do agregado, mas não permite prever o seu comportamento no betão pois a presença de dado mineral no agregado pode não ser sempre desejável e apenas existem alguns minerais que decididamente são sempre indesejáveis tais como: - sulfuretos, gesso, anidrite - óxidos de ferro - minerais argilosos. De um modo geral são indesejáveis: - sílica, em forma de opala, calcedónia, tridimite ou cristalobite - certos calcários dolomíticos - feldspatos potássicos, sódicos ou calco-sódicos alterados (caulinos) ou em vias de alteração (caulinizados). Mas estes 3 grupos de minerais poderão ser adequados se o cimento não contiver álcalis e se não houver contacto com sulfatos. Os minerais que não causam problemas são a calcite e os minerais siliciosos (excluindo os feldspatos alterados ou em vias de alteração). Estes minerais benéficos originam aderências à pasta de cimento através de ligações químicas de carácter primário devido à reactividade entre as suas superfícies e

117 os componentes hidratados do cimento. Outros minerais conduzem a ligações de carácter secundário como calcários, dolomites, ortose, quartzo (por ordem decrescente) e até à ausência de ligações como no caso da anidrite e da mica (Coutinho, 1988) Classificação segundo a densidade Classificação de acordo com a massa volúmica Conforme a massa volúmica ( γ ) do agregado a classificação é feita da seguinte forma: Agregados leves < 2000 kg/m 3 Agregados com γ normal 2000 a 3000 kg/m 3 Agregados pesados > 3000 kg/m 3 Nota: Massa volúmica, γ: massa por unidade de volume real do agregado. Agregados de massa volúmica normal Os agregados mais utilizados são de massa volúmica normal como as areias, os obtidos de rochas ígneas tais como os granitos ou basaltos ou de rochas sedimentares mais resistentes tais como arenitos e calcários. Os betões, obtidos com estes agregados para razões de água/ligante usuais, terão massas volúmicas semelhantes dependendo da composição de cada um ( kg/m 3 ) e correspondem a betões comuns. Agregados leves Os agregados leves são usados para fabrico do betão leve com o fim de diminuir o peso próprio em determinadas estruturas e com a vantagem de permitir um melhor isolamento térmico relativamente a um betão comum. A redução da massa volúmica é devida à existência de vacúolos no próprio agregado. Estes vacúolos aparecem naturalmente, por exemplo, na pedra-pomes que corresponde a uma rocha vulcânica (utilizada como agregado leve desde o tempo dos Romanos). Hoje fabricam-se agregados leves por diversos processos tais como, por exemplo: - argilas ou xistos expandidos, obtidos por aquecimento de determinados rochas destes tipos. 111

118 - escória de alto forno expandida, obtida por injecção de água, vapor de água e ar comprimido na escória fundida de alto forno (a escória é um subproduto do fabrico do aço de alto forno). - granulado de cortiça. A maior desvantagem da utilização de agregados leves é conduzirem a betões de menor resistência. A qualidade e propriedades de cada agregado leve são muito variáveis pelo que tem como efeito relações diferentes de resistência com a massa volúmica como se observa na Figura 6.3. Cinzas volantes sinterizadas Xisto expandido Argila expandida Pedra pomes Escórias expandidas Figura 6.3 Variação da resistência à compressão de betões em função da massa volúmica de agregados leves (adaptado de Construction Materials,1994). Agregados pesados Quando é necessário utilizar betão de massa volúmica elevada, por exemplo para protecção de radiações, utilizam-se agregados pesados, por exemplo obtido da barite (sulfato de bário), magnetite ou escórias, com os quais é possível produzir betões de massa volúmica na gama dos kg/m Classificação segundo a baridade A baridade ( δ ) de um agregado é definida como a massa por unidade de volume do agregado contida num recipiente, isto é, o volume inclui os espaços entre as partículas do agregado e entre as partículas e o recipiente (é um volume "aparente" maior que o volume real que as partículas ocupam). É evidente que o intervalo granulométrico que compõe o agregado, a forma das partículas e o seu arranjo no recipiente (compacidade) contribuem para o valor da 112

119 baridade e a classificação segundo a baridade é equivalente à classificação segundo a massa volúmica, como se verifica no Quadro 6.2. Quadro 6.2 Classificação do agregado quanto à baridade e principais aplicações do betão com ele fabricado (adaptado e actualizado de Coutinho, 1988) Classificação do agregado Baridade, δ Kg/m 3 Exemplos de agregados Aplicação e designação do betão Ultraleve <300 Polistireno expandido Polistireno expandido peletizado(d=4-5 mm) Vermiculite Com funções estritamente de isolamento térmico e sem funções de resistência Perlite expandida Vidro expandido Leve 300 a 1200 Argila expandida (d=5-20 mm) Xisto expandido Escória de alto forno expandida Cinzas volantes sinterizadas Pedra-pomes Granulado de cortiça (d=5-20 mm) Granulado de cortiça com banho de calda de cimento(d=5-20 mm) Com funções de isolamento térmico, com funções de resistência (betão estrutural) e diminuição do peso próprio Denso (normal) 1200 a a Areia Normal, com função de a 1500 Godo resistência (betão estrutural) Rocha britada Extradenso > 1700 Limonite Magnetite Barite Com funções de protecção contra as radiações atómicas e com funções resistentes Classificação segundo a dimensão das partículas Na classificação segundo o ponto de vista das dimensões, o agregado que fica retido no peneiro com malha de 5 mm de abertura é designado por agregado grosso, que pode ser godo quando é de origem sedimentar, rolado (calhau ou seixo) ou por brita quando é partido artificialmente (britado). O agregado com dimensões inferiores a 5 mm é designado por areia, rolada quando natural de origem sedimentar e britada quando obtida por fractura artificial. # 5 mm areia britada por britagem BRITA Areia AGREGADO GROSSO Areia rolada natural GODO #<5 mm # 5 mm #> 5 mm Abertura da malha (#) A combinação mais usada no fabrico do betão é a brita e areia rolada. 113

120 6.3. PROPRIEDADES DOS AGREGADOS Ciência de Materiais 1ª Parte Para além da massa volúmica dos agregados que influencia, como referido, a do betão, as propriedades dos agregados com maior repercussão no comportamento do betão fresco ou endurecido são: - granulometria - formas das partículas - porosidade - absorção - elasticidade - resistência mecânica e - características da superfície das partículas que afectam a aderência à pasta de cimento endurecida. É importante que o betão fresco seja trabalhável, isto é, que possa ser rápida mas eficientemente amassado para que se obtenha uma distribuição uniforme dos vários constituintes na mistura e que seguidamente o betão seja colocado, compactado e acabado sem demasiadas bolhas de ar ou água, nem outras cavidades. Por outro lado, o betão fresco deve ser suficientemente coeso de tal modo que a amassadura, colocação, compactação e acabamento decorram sem segregação dos constituintes tal como exsudação de água. Os agregados tem a maior influência sobre a trabalhabilidade do betão segundo dois principais aspectos: 1 - Modificação das propriedades reológicas, sobretudo relacionada com a granulometria e forma das partículas do agregado. 2 - Influência do conteúdo de água lubrificante necessária para se obter a trabalhabilidade desejada, que é função das características das partículas assim como da capacidade de absorção destas Granulometria A distribuição das partículas de um dado agregado segundo as dimensões dessas partículas é designado por granulometria e tem uma enorme influência sobre as propriedades do betão, particularmente no que se refere à compacidade e à trabalhabilidade (maior ou menor facilidade com que o betão é amassado, transportado, 114

121 colocado, compactado e acabado e a menor ou maior facilidade de segregação durante essas operações). Se a granulometria é contínua (partículas distribuídas uniformemente por todas as dimensões da mais pequena à maior) e se as partículas tem uma forma adequada, é possível obter-se betão muito compacto e resistente para uma dosagem mínima de cimento reduzindo, paralelamente, o risco de segregação (Lea, 1998). De facto variações de: - dimensão máxima (D) do agregado; - razão entre agregado grosso e fino (areia) e - conteúdo de finos influenciam a quantidade de água necessária e, portanto, a trabalhabilidade. Em geral, é a superfície específica (a razão entre a superfície total e o volume das partículas) de um agregado que determina a quantidade de água necessária para molhar e lubrificar a mistura. (Quanto maior a dimensão das partículas menor a superfície específica). De facto, para agregados de dimensão entre 150 microns e cerca de 40 milímetros, se a dimensão máxima do agregado aumenta será necessário menos água para a mesma trabalhabilidade, (aumento da resistência do betão) ou então, se se mantiver a quantidade de água, a trabalhabilidade será maior. Para agregados de dimensão superior a cerca de 40 milímetros aquela relação simples não se traduz da mesma forma. Na realidade estudos experimentais demonstram que o emprego de um agregado grosso com dimensão máxima maior reduz a resistência do betão em betões com as mesmas quantidades dos restantes componentes. Esta redução é mais significativa em betões com razão água/cimento reduzida e para agregados de dimensão superior a cerca de 40 milímetros Figura 6.4. De facto, o agregado de maior dimensão, embora tenha uma superfície de aderência menor relativamente ao agregado mais pequeno em betões com as mesmas quantidades dos restantes componentes, leva a que se forme uma zona de transição muito menos resistente, sendo este efeito ainda mais evidente em betões de baixa razão água/cimento (Construction Materials, 1994). Portanto nestes casos, para 115

122 uma dada razão água/cimento a resistência diminui com o aumento da dimensão máxima do agregado. Para partículas finas, isto é, de dimensão inferior a 150 microns em que a superfície específica é grande, não é necessário uma quantidade de água proporcionalmente grande, na medida em que estas partículas parecem exibir efeitos de lubrificação sem estarem completamente molhadas. A influência da granulometria e conteúdo de finos na trabalhabilidade, varia com a dosagem de cimento. Em geral a influência da granulometria diminui com o aumento da dosagem de cimento enquanto que o aumento de finos pode afectar a coesão da mistura, isto é, pode haver perigo de segregação (Lea, 1998). Em relação à quantidade de agregado usado num betão, se esta for aumentada mantendo a razão água/ligante constante, então a resistência será ligeiramente superior - Figura 6.5. Este efeito é considerado válido apenas se a quantidade de pasta é ainda suficiente para preencher os vazios do conjunto agregado grosso/fino permitindo uma consolidação completa do betão. Isto é, na prática, verifica-se um limite máximo da quantidade de agregado a utilizar no betão (Construction Materials, 1994). Figura O efeito de D-máxima dimensão do agregado grosso e da razão água/cimento na resistência do betão (Construction Materials, 1994). 116

123 Figura O efeito da quantidade de agregado e da razão água/cimento na resistência do betão (Construction Materials, 1994) Análise granulométrica A análise granulométrica de um agregado consiste simplesmente em separar uma amostra desse agregado em fracções, cada uma contendo partículas com dimensões entre limites correspondentes às aberturas dos correspondentes peneiros (Neville, 1995). Ora uma partícula tem várias dimensões que dependem da sua forma, pelo que do ponto de vista granulométrico, a dimensão de uma partícula é definida pela abertura da malha, com forma determinada, através da qual ela passa, ficando retida numa malha idêntica de menor abertura. A dimensão assim determinada exige que se definam dois parâmetros: a) forma de abertura da malha (quadrada, circular, etc.). b) diferença entre as aberturas de duas malhas consecutivas. Qualquer destas condições leva à normalização da forma da abertura e da série a que devem obedecer. Na prática, a análise granulométrica é realizada agitando o agregado através de uma série de peneiros, arranjados por ordem tal que os de malha mais larga estejam na parte superior e os de malha mais apertada na inferior, pesando-se o material retido em cada peneiro - Figuras 6.6 e

124 Figura Colocação do agregado num conjunto de peneiros (ACI, 1978). Conhecendo a massa inicial da amostra, facilmente se calcula a percentagem da massa dos resíduos em cada peneiro, que são partículas com a mesma dimensão granulométrica. Figura Resultado da operação de peneiração (ACI, 1978). Este modo de proceder pressupõe que todas as partículas têm a mesma massa volúmica. Se não tiverem, as proporções terão de ser calculadas em volume, calculando o quociente do volume de cada fracção pelo volume total das partículas da amostra. A 118

125 massa volúmica que aqui intervém é, a massa volúmica, γ i, correspondente à superfície envolvente da partícula (Coutinho, 1988) Peneiros e suas características A malha dos peneiros que se usam para agregados para argamassas e betões é geralmente de forma quadrada (Neville, 1995), sendo as aberturas das malhas dos peneiros normalizadas em cada país. No EUA a série total de aberturas, usada sobretudo em trabalhos de investigação, tem malha quadrada e as aberturas de malha consecutivas estão em progressão geométrica de razão 4 2 = começando na malha de mm (nº 400) e terminando na de mm. Na prática, tanto na norma americana (ASTM E11-87), como na inglesa (BS410: 1986) e para efeitos de análise granulométrica dos agregados para fabrico de argamassa e betões apenas foram consideradas parte das aberturas daquela série genericamente de acordo com a série de peneiros R40/3 da ISO. Portanto nem todas as aberturas assim consideradas constituem uma progressão geométrica e por exemplo a norma inglesa BS 410:1986 ainda acrescenta alguns peneiros da série R20/3 da ISO. Nota: ASTM American Society for Testing Materials BS British Standard ISO International Standards Organization Na norma americana (ASTM E11-87) os peneiros mais grossos até à abertura de 5 mm são designados pelo dimensão da abertura em polegadas (por exemplo: 3/8"; ½") e os peneiros de abertura inferior a 5 mm já são designados pelo número de malhas por polegada linear. Assim o peneiro nº 30 tem 30 aberturas por polegada linear ou 30 x 30 por polegada quadrada. Sabendo-se o diâmetro do fio que compõe a rede do peneiro é possível determinar a abertura. O peneiro nº 4 (4,76 mm de abertura) é o peneiro que convencionalmente separa o agregado grosso do agregado fino (areia). Da série completa dos peneiros da norma americana podem-se destacar os peneiros cujas aberturas formam uma série geométrica de razão 2, começando no peneiro nº 200 (0.075 mm de abertura) e que constituem a designada por série principal. Para maior precisão nas análises granulométricas de agregados grossos intercalam-se os peneiros de 4", 2", 1", ½", e ¼", conjunto de peneiros a que se designa por série secundária. É o conjunto de peneiros: 119

126 - da série principal da série ASTM até ao peneiro de 3 polegadas, - da série secundária da série ASTM e ainda - os peneiros de abertura nominais de 200 mm e 150 mm (que não figuram na norma americana ASTM E11-87) escolhidos na série R40 dos Números Normais de acordo com a Norma Internacional ISO 3 (R40/3) e a Norma Portuguesa NP 1458, que formam a série referida na NP 1379, INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES. Análise granulométrica, Quadro 6.3. Note-se que os peneiros da série ASTM são designados por aberturas (nominais) ligeiramente diferentes das reais. Por exemplo o peneiro designado na NP 1379 por 75.0 mm, de facto, corresponde a uma abertura real de 76.1 mm (3 polegadas). 3/16"= Quadro 6.3 Série de peneiros ASTM e NP ASTM NP 1379 Série principal Série secundária Abertura Designação polegada mm polegada mm mm mm 3" 1 ½" ¾" 3/8" nº 4 nº 8 nº 16 nº 30 nº 50 nº 100 nº " 2" 1" ½" ¼" *200 * *200 * Agregado grosso Agregado fino (Areia) * Escolhido da série R40/3 (ISO) e NP

127 Procedimento para obtenção de uma análise granulométrica Ciência de Materiais 1ª Parte A análise granulométrica de um agregado, assim como outras determinações a fazer, devem ser realizadas, cada uma, sobre uma amostra representativa das propriedades do lote de agregado. A amostra em bruto, constituída a partir de porções recolhidas segundo determinadas regras (plano de amostragem) a partir de um lote de agregado, deverá ser seca e, se necessário, reduzida a uma amostra mais pequena, de modo a se obter uma quantidade adequada para peneiração, de acordo com a sua dimensão máxima e baridade. Os métodos usados para redução do tamanho da amostra são a utilização de um separador, o método do esquartelamento ou o método do fraccionamento com pá. Segundo a normalização portuguesa actual, NP 1379, a análise granulométrica deverá ser: a) realizada sobre uma amostra representativa. b) O provete deve ser seco a 105 o C 110 o C até massa constante, isto é, segundo a NP 1379, considera-se atingida a massa constante quando a diferença entre as massas obtidas entre duas pesagens consecutivas, intervalando de pelo menos 4 horas, é inferior a 0,1% da massa determinada. Esta secagem tem o objectivo de evitar agregação das partículas finas e a obturação fácil dos peneiros cuja malha é mais apertada. c) A massa do provete deve ser proporcional à máxima dimensão do agregado (D) a ensaiar e portanto de acordo com as quantidades referidas no Quadro 6.4. Quadro Ordem de grandeza da massa do provete em função da máxima dimensão do agregado (NP- 1379). Máxima dimensão do agregado mm ,5 ; 25 19; 12,5; 9,5; 6,3 < 4,75 Massa do provete kg

128 d) A peneiração pode ser feita mecânica ou manualmente do peneiro de malha maior para a mais baixa. Todas as partículas num peneiro devem ter a possibilidade de entrar em contacto com a rede e deve-se procurar que não haja perda de partículas, pelo que se deve limitar a quantidade que cada peneiro pode conter, como se verifica no Quadro 6.5, transcrito da NP Note-se que segundo a NP-1379 o provete deve resultar directamente das operações de esquartelamento, não se efectuando posteriormente qualquer ajustamento da sua massa. Quadro Quantidade máxima que cada peneiro pode conter (NP 1379). Peneiros de 40 cm Recomendados para provetes > 1 kg Abertura da malha mm Material retido kg Peneiros de 20 cm Recomendados para provetes de 1 kg Abertura da malha mm Material retido g Durante a peneiração para aberturas superiores a 25.0 mm a posição das partículas pode ser ajeitada manualmente para favorecer a sua passagem. A peneiração é dada como concluída quando durante 1 minuto não passa mais de 1% do material retido nesse peneiro. Os resultados da peneiração registam-se sob a forma de tabela (exemplo no Quadro 6), sendo os elementos registados os seguintes: 1) massa retida em cada peneiro. 2) percentagem retida em cada peneiro. 3) percentagem total do que passa através do peneiro (PASSADOS ACUMULADOS). 4) percentagem total do que fica retido no peneiro (RETIDOS ACUMULADOS) que corresponde ao complemento para 100 de cada valor anterior. 122

129 Quadro 6.6 Exemplo de uma análise granulométrica (considerando apenas os peneiros da série principal - ASTM). Abertura Resíduo no peneiro da malha mm g % PASSADOS ACUMULADOS Percentagem total de agregado que passa através do peneiro % RETIDOS ACUMULADOS Percentagem total de agregado retido no peneiro % 19, ,0 0 9,51 18,8 1,9 98,1 1,9 4,76 41,9 4,2 93,9 6,1 2,38 195,8 19,6 74,3 25,7 1,19 337,5 33,8 40,5 59,5 0, ,4 31,9 8,6 91,4 0,297 75,2 7,5 1,1 98,9 0,149 10,0 1,0 0,1 99,9 Resto 1,4 0,1 - - Total 1000,0 383,4 Em termos de normalização europeia foi aprovada em Agosto 1997 a norma EN 933-1, "Tests for geometrical properties of aggregates - Part 1: Determination of particle size distribution - sieving method" em que o procedimento é, sensivelmente, o descrito na actual norma portuguesa NP Curva granulométrica Traçado de uma curva granulométrica Os valores calculados na coluna dos PASSADOS ACUMULADOS são utilizados para o traçado gráfico da curva granulométrica. Figura 6.8 Exemplo de uma curva granulométrica considerando apenas os peneiros da série principal - ASTM (Coutinho, 1988). 123

130 Na Figura 6.8 a tracejado representa-se a área que é proporcional ao módulo de finura e a escala das abcissas proporcional ao logaritmo da abertura da malha. (Coutinho, 1988). No traçado desta curva escolhem-se para ordenadas as percentagens de material que passa através de cada peneiro, graduando-se o eixo respectivo de 0 a 100 de baixo para cima, numa escala aritmética, e para abcissas as aberturas dos peneiros, marcadas geralmente em escala logarítmica, o que dá no caso das aberturas em progressão geométrica de razão 2 (série principal da série ASTM), distâncias iguais de abertura em abertura. Outras vezes a escala das abcissas é diferente da logarítmica, como por exemplo, proporcional à raiz quadrada, à raiz quinta, etc., conforme as conveniências das curvas granulométricas de referência. Na representação logarítmica, em abcissas, as aberturas dos peneiros intermédios estão distanciadas dos principais pela relação das diferenças dos logaritmos. A abertura de 25,4 mm (1 polegada) é representada por uma linha a meia distância (rigorosamente a 0,6 da linha de 19,0 mm e a 0,4 da de 38,1 mm) (Coutinho, 1988). Chama-se curva granulométrica à linha contínua que une os pontos que representam o resultado da análise granulométrica, isto é, os pontos em que as abcissas correspondem às aberturas das malhas dos peneiros e as ordenadas dos passados acumulados. As curvas granulométricas são fundamentais para apreciar rapidamente a granulometria do agregado e as deficiências que possa ter a nível de certas fracções granulométricas, por exemplo a falta de partículas de dada dimensão. As curvas granulométricas são também um elemento de cálculo fundamental para certos métodos usados na composição de betão (métodos que permitem definir as quantidades dos componentes do betão). É também importante referir que é possível obter a curva granulométrica de uma mistura de agregados diferentes a partir das curvas de cada um deles. No LEMC Laboratório de Ensaio de Materiais de Construção da FEUP, para traçar curvas granulométricas é utilizada uma escala de abcissas proporcional à raiz quinta da abertura da malha dos peneiros. 124

131 mm 0,1 0, Peneiro (ASTM) /4" 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1.1/2" 2" 3" 5 d 125

132 Como referido anteriormente a granulometria e, portanto, a curva granulométrica do agregado, tem uma enorme importância a nível da compacidade do betão. Em geral a maior compacidade é obtida à custa da mistura de agregados, pelo menos de uma areia e um agregado grosso, de tal forma que a curva da mistura seja aproximadamente contínua (sem falta de partículas de dada fracção granulométrica). Como exemplo, na Figura 6.9 apresenta-se a curva granulométrica de uma areia, a curva granulométrica de uma brita e a curva granulométrica de uma mistura de 45% dessa areia e 55% da brita. Apresenta-se ainda, na referida figura, os valores do volume de vazios da areia (35%), da brita (44%) e finalmente da mistura de agregados que apresenta apenas um volume de vazios de 24% areia (vazios 35%) Passados Acumulados % areia + 55% brita (vazios 24%) brita (44% vazios) microns mm Abertura dos peneiros Figura Exemplos de curvas granulométricas de uma areia, de uma brita e de uma mistura desses agregados e a variação respectiva da compacidade (Construction Materials, 1994) Mistura de agregados A curva granulométrica da mistura de dois ou mais (n) agregados pode ser facilmente obtida a partir das curvas de cada um deles. Para tal basta multiplicar cada ordenada (y i ) pela percentagem com que o agregado entre na mistura (p i ) e somar as ordenadas correspondentes à mesma abcissa. Veja-se o exemplo (Figura 6.10 e Quadro 6.7): Para cada # : n Y = p y, com p 100% M i= 1 i i n i= 1 i = 126

133 100 mm 0,1 0, I 1 I M 1 M I3 I Peneiro (ASTM) /4" 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1.1/2" 2" 3" 5 d Figura 6.10 Exemplo da curva granulométrica da mistura de 4 agregados. Quadro 6.7 Cálculos para determinação da curva granulométrica da mistura de agregados. RETIDOS ACUMULADOS PENEIRO I 1 I 2 I 3 I 4 Mistura M 1 Mistura M 2 1 ½" 1" ¾" ½" 3/8" 1/4" Resto Mistura M 1 20% de I 1 ; 30% I 2 ; 20% I 3 ; 30% I Para cada # Y M 1 = 20% I % I % I % I 4 Mistura M 2 5% de I 1 ; 45% I 2 ; 5% I 3 ; 45% I 4 Para cada # Y M 2 = 5% I % I 2 + 5% I % I Fraccionamento de um agregado É possível a partir da curva granulométrica de um agregado determinar as curvas dos dois agregados resultantes da separação do primeiro em duas fracções, realizada através do peneiro X Figura

134 100 mm 0,1 0, r i R x P x 10 p i 0 Peneiro (ASTM) /4" 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1.1/2" 2" 3" 5 d Figura 6.11 Fraccionamento de um agregado. P x passados acumulados do agregado a fraccionar, no peneiro X. p i passados acumulados do agregado a fraccionar, na abcissa i. R x retidos acumulados do agregado a fraccionar, no peneiro X. r i retidos acumulados do agregado a fraccionar, na abcissa i. Fracção com partículas de dimensão inferior a X: p' i - passados acumulados do novo agregado com partículas inferiores a X, na abcissa i. p' i =? P x passa a ser 100% deste novo agregado. p i passa a ser um determinado p' i, logo p p ' i = P Fracção com partículas de dimensão superior a X: r' i retidos acumulados do novo agregado com partículas superiores a X, na abcissa i. r' i =? R x passa a ser 100% deste novo agregado: r i passa a ser um determinado r' i, logo i x ri r ' i = R x 128

135 Módulo de Finura µ Ciência de Materiais 1ª Parte Os elementos calculados no ponto 4) de , isto é, os RETIDOS ACUMULADOS, permitem determinar o parâmetro designado por módulo de finura que corresponde à soma das percentagens de "RETIDOS ACUMULADOS" da série principal de peneiros ASTM, até ao peneiro nº 100, dividida por 100. Como vimos a série principal começa no peneiro nº 200 (abertura 0,075 mm) e é constituída pelos peneiros cuja abertura aumenta segundo uma progressão geométrica de razão 2. RETIDOS ACUMULADOS da s.principal até ao peneiro 100 (inclusivé) µ = 100 Um modo de interpretar o valor do módulo de finura é considerar que representa a dimensão média ponderada dessa areia numa escala em que a dimensão 1 corresponde ao peneiro nº100 (0,149 mm de abertura), a dimensão 2 ao peneiro nº50, a dimensão 3 ao peneiro nº30, etc., etc., considerando apenas os peneiros da série principal. Assim, por exemplo uma areia com µ=3, significa que a sua dimensão média corresponde ao 3º peneiro, isto é, ao peneiro nº30 com abertura de 0,595 mm. Além desta interpretação, existe outra muito útil em termos do cálculo da composição do betão que é o facto do módulo de finura ser um número proporcional à área compreendida entre o eixo das ordenadas, a abcissa no ponto de ordenada 100 e a curva granulométrica (Figura 6.8) Designação do agregado Em geral o agregado é designado por dois números separados por um traço, em que um representa a máxima dimensão do agregado e o outro a mínima dimensão. Note-se ainda que a chamada máxima dimensão do agregado tem uma dada tolerância, isto é, define-se (segundo a NP-1379, 1976, INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES. Análise granulométrica ), por: D Máxima dimensão do Inerte menor abertura do peneiro de uma série de peneiros de referência através do qual passa pelo menos 90% da massa do inerte. Figura Máxima dimensão D, do agregado. Tolerância de 10% (Coutinho, 1988). 129

136 Portanto um agregado com máxima dimensão D pode conter até um máximo de 10% de partículas com dimensão superior a D - Figura Segundo a especificação do LNEC "E355 INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES. CLASSES GRANULOMÉTRICAS, 1990" a designação de um agregado é feita mediante dois números separados por uma barra que indicam o primeiro, a abertura do peneiro onde passam 90% a 100% de inerte e o segundo, 0% a 15%, mas relativamente a uma série de peneiros de referência com aberturas nominais indicadas na primeira coluna do Quadro 6.8 pertencentes à gama de aberturas nominais estabelecido na NP 1458 para a gama suplementar R20, diferente da série preconizada na NP-1379 e referida em Note-se que as normas europeias, futuramente em vigor em Portugal, preconizam o uso de peneiros da gama suplementar R20, como se pode verificar em Quadro 6.8 Classes granulométricas dos agregados para o fabrico de argamassas e betões (E 335, 1990). Abertura Designação das classes nominal 100/50 80/40 50/25 40/20 25/12,5 20/10 12,5/5 10/2,5 5/1,25 5/0,3 2,5/0,16 1,25/0,16 dos peneiros Percentagem, em massa, que passa através dos peneiros indicados na primeira mm coluna , , , , , , Assim, por exemplo o agregado da classe 10/2,5 terá uma granulometria tal que 10% ou menos ficam retidos no peneiro de 10 mm (série NP 1458, R20) e 15% ou 130

137 menos ficam retidos no peneiro 2,5 mm (série NP 1458, R20), isto é, o agregado poderá ser constituído por até 10% de partículas maiores do que 10 mm e até 15% de partículas menores do que 2,5 mm. 10 / 2,5 10% tolerância 15% tolerância Peneiros a utilizar futuramente As Normas Europeias (EN...) que tem vindo a ser desenvolvidas e que no futuro passarão a vigorar no nosso País (NP EN...) contemplam uma série de peneiros de malha quadrada, para a análise granulométrica de um agregado em que as aberturas a considerar obrigatoriamente são: mm, mm, mm, mm, 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm e 16 mm. Quando fôr necessário a utilização de mais peneiros, as suas aberturas serão seleccionadas da série R20 referida no ISO 565 (1990). ISO Test sieves - Woven metal wire cloth, perforated plate and electro formed sheet - Nominal sizes of openings Note-se que a série R20 vai de mm a 125 mm sendo a razão geométrica igual a 10 1/ No Quadro 6.9 apresentam-se as aberturas actualmente em vigor para a análise granulométrica (NP 1379), as aberturas (também pertencentes à série R20) que se devem considerar, presentemente, para as classes granulométricas (ver ) e, nas colunas do lado direito as aberturas normalizadas para a Comunidade Europeia, a considerar futuramente em Portugal. 131

138 Quadro Aberturas de malhas segundo a legislação actual e futura. Análise granul. Classes Futuras normas europeia Análise granul. Classes Futuras normas europeia NP 1379 LNEC E EN 933-2:1995 NP 1379 LNEC E EN 933-2:1995 mm mm mm mm mm mm facultativas obrigatórias facultativas obrigatórias 0,063 0, ,071 4, , ,036 0,089 5,650 0,100 6,340 0, ,113 0, ,140 8, ,160 0, ,071 0,177 11,300 0, ,5 12,679 0,222 14,226 0,25 0, ,281 17, ,315 0, ,143 0,353 22,601 0, ,358 0,445 28,452 0,5 0,5 31,5 31,5 0,561 35, ,63 0, ,656 0,706 44,495 0, ,924 0, , ,122 70,687 1,25 1, ,312 1,413 88,990 1, ,848 1, , , ,5 2, ,825 0,000 3, ,000 3, , Forma das partículas Generalidades A forma das partículas do agregado afecta o comportamento do betão pois tem influência na trabalhabilidade, no ângulo de atrito interno, compacidade, etc, isto é, nas propriedades que dependem da quantidade de água de amassadura (Coutinho, 1988). A forma das partículas do agregado pode ser descrita pelo uso de dois parâmetros designados por "esfericidade" e "curvatura" que tem sido usados para caracterizar grãos de rochas sedimentares clásticas. Apresenta-se um exemplo nas Figuras 6.13 e 6.14 (Concrete Petrography, 1998). 132

139 ESFERICIDADE CURVATURA (Roundness) ESFERICIDADE = diâmetro equivalente / máxima dimensão da partícula CURVATURA (Roundness) = raio médio dos cantos e limites / raio de circunferência máxima inscrita Figura 6.13 Forma das partículas. Exemplo de uma classificação usada em petrografia (Concrete Petrography, 1998). ESFERICIDADE baixo elevado muito angular angular sub angular 133 sub arredondado arredondado bem arredondado Figura 6.14 Forma das partículas. Exemplo de uma classificação usada em petrografia (Concrete Petrography, 1998). Uma versão simplificada desta classificação é considerar as partículas de baixa esfericidade diferenciadas em partículas lamelares ou achatadas (relação espessura/outras dimensões, menor do que dado valor) e partículas alongadas ou aciculadas (relação comprimento/outras dimensões, superior a dado valor). De uma maneira geral considera-se que as partículas de elevada esfericidade mas angulosas (baixo valor do parâmetro "curvatura") são as mais desejáveis em termos de fabrico de betão. Isto é, as partículas mais indesejáveis são as que são simultaneamente lamelares e alongadas (Concrete Petrography, 1998) e portanto a

140 percentagem de partículas desta forma devem ser limitadas (Coutinho, 1988) Figura Existem vários modos de avaliar a forma das partículas que basicamente se poderão dividir em dois processos: a) Fazer medições geométricas sobre cada uma das partículas, daí determinar parâmetros (por exemplo a curvatura e esfericidade, referidas anteriormente, o índice de lamelação, o índice de alongamento, o índice de forma ou o índice volumétrico (presentemente considerado na regulamentação em Portugal) que permitam classificar a forma do agregado e inferindo então se agregados com essa forma devem ou não ser usados em betão. b) Determinar certas propriedades do conjunto de partículas do agregado, tais como a permeabilidade, baridade e o tempo de escoamento de um dado volume de agregado através de um orifício. Por exemplo a determinação da forma a partir da permeabilidade consiste em comparar a permeabilidade de uma camada de partículas de dimensão uniforme e uma camada de esferas de igual dimensão (ver Coutinho, 1988, pág. 39). Figura 6.15 Partícula alongada (indesejável), à esquerda e partícula de forma desejável para o fabrico de betão, à direita. 134

141 Relativamente a parâmetros determinados a partir de medições geométricas, o índice volumétrico é apresentado no ponto seguinte e definem-se seguidamente outros também utilizados: Índice de lamelação (BS 812 Section 105.1:1989 Flakiness index; EN Tests for geometrical properties of aggregates-part3: Determination of particle shape- Flakiness index) Uma partícula é considerada lamelar quando a sua espessura é menor que 0,6 da sua dimensão nominal (média das aberturas dos peneiros limites da fracção onde a partícula ocorre). O índice corresponde ao quociente da massa das partículas lamelares pela massa da amostra. Índice de alongamento (BS 812 Section 105.2:1990 Elongation index of coarse aggregate) Uma partícula é considerada alongada quando o comprimento (maior dimensão) é igual ou superior a 1.8 da sua dimensão nominal. O índice corresponde ao quociente da massa das partículas alongadas pela massa da amostra. Índice de forma (Final Draft pr:en Tests for geometrical properties of aggregates-part4: Determination of particle shape- Shape index) Uma particular é considerada não-cúbica se a razão entre o seu comprimento e largura (menor dimensão) é superior a 3. O índice corresponde ao quociente da massa das partículas não-cúbicas pela massa da amostra Determinação do índice volumétrico O processo mais apropriado para medir a forma á baseado na relação entre o volume da partícula e da esfera circunscrita ou o chamado índice volumétrico, I.V., quociente do volume da partícula, v, pelo volume da esfera de diâmetro igual à maior dimensão, N, da partícula: v I.V. (partícula) = 3 πn 6 O índice volumétrico médio de um agregado composto por partículas cujas maiores dimensões são N 1, N 2,...,N n com volumes v 1, v 2,..., v n, é I.V. médio n i= 1 = n i= 1 v i πn 6 3 i 135

142 O índice volumétrico é definido para o agregado grosso e não para a areia, dada a dificuldade da sua determinação neste caso. A dimensão N pode medir-se com uma craveira, partícula a partícula. O volume v mede-se facilmente introduzindo as partículas numa proveta graduada com água, por exemplo, e lendo o volume deslocado. Um baixo valor do índice indica partículas em que predominam uma ou duas dimensões sobre as outras (existência de partículas alongadas e achatadas) resultantes da clivagem da rocha originária ou do tipo de equipamento de britagem utilizado (Figura 6.16). I.V. ELEVADO ( 1) I.V. BAIXO Figura 6.16 Variação do índice volumétrico com a forma da partícula. As instalações modernas de produção de agregados, dotadas de britadores e granuladores adequados são capazes de fornecer materiais de forma conveniente, desde que a pedreira seja constituída por um material homogéneo, sem propriedades direccionais acusadas. Para dar ideia do valor deste parâmetro dir-se-á que o índice volumétrico de um ovo é 0,5, o de um cubo 0,37, o de uma partícula achatada 0,07 e o de uma partícula alongada 0,01 (Figura 6.17). I.V. 0.5 I.V I.V I.V Figura Alguns valores de I.V. O agregado excepcionalmente bom tem um índice volumétrico superior a 0,4, mas coeficientes de 0,3 a 0,4 já indicam agregados muito bons. 136

143 Segundo a especificação do LNEC E 223 "AGREGADOS. DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE VOLUMÉTRICO", o valor deste índice deve ser determinado para cada fracção granulométrica do agregado com máxima dimensão D entre cerca de 5 mm e 50 mm (peneiros número 4 e de 2 polegadas, respectivamente). O índice volumétrico de cada fracção calculado para 50 partículas ao acaso, é como visto determinado pela razão: I.V. = volume das partículas(det erminado por imersão em água ) volume de esferas com diâmetro igual ao comprimento das partículas Para determinar o índice volumétrico de um agregado (grosso) é necessário proceder a uma análise granulométrica, determinar o índice volumétrico para cada fracção granulométrica e então calcular a média dos índices volumétricos ponderada pelas percentagens de cada fracção granulométrica (p i ): I.V. inerte = i p ( I. V.) i i Segundo a NP ENV 206 "Betão. Comportamento, produção, colocação e critérios de conformidade" que remete para a especificação do LNEC E 373 "Inertes para argamassas e betões. Características e verificação de conformidade", o índice volumétrico de um godo tem de ser superior a 0,12 e de uma brita a 0, A influência da forma do agregado na trabalhabilidade do betão O valor do índice volumétrico em si não é suficiente para se avaliar a influência da forma das partículas na trabalhabilidade do betão, e daí a existência dos outros métodos referidos (alínea b), 6.3.2). Há, evidentemente, uma diferença nítida entre uma partícula cúbica britada e uma partícula cúbica rolada; enquanto a primeira tem faces planas e arestas vivas, a segunda tem as faces arredondadas e as arestas desaparecem. Assim o ângulo de atrito interno do betão confeccionado com o agregado rolado é mais pequeno, o que conduz a uma maior trabalhabilidade e melhor arranjo das partículas, obtendo-se portanto maior compacidade em igualdade de coeficientes volumétricos dos dois tipos de agregado (Coutinho, 1988). No entanto a rugosidade da superfície do agregado contribui para a aderência entre a pasta de cimento e o agregado no betão. Assim betões produzidos com 137

144 agregados britados apresentam uma resistência em cerca de 15% superior em betões com as mesmas quantidades dos constituintes, mas obtidos com agregados rolados (Construction Materials, 1994). Uma forma defeituosa afecta desfavoravelmente o betão. A areia fina, em placas ou lamelas diminui a trabalhabilidade, exigindo um acréscimo de água; o agregado grosso, acicular, cujas partículas podem fracturar durante a amassadura, produz um betão áspero, difícil de compactar e que apresenta um limiar na trabalhabilidade: o excesso ou falta de água, mesmo em pequena proporção, pode provocar uma variação brusca e sensível na trabalhabilidade. Este aspecto da existência de partículas lamelares é importante pois, como elas tendem a orientar-se num plano horizontal, passa a haver planos privilegiados visto que debaixo delas a exsudação ou a segregação da água do betão fresco após a sua colocação pode provocar a formação de uma película de água que impede a aderência da pasta de cimento. Daqui resulta um aumento considerável da permeabilidade e diminuição da tensão de rotura, sobretudo em tracção e nos casos, raríssimos em Portugal, em que o betão está sujeito a temperaturas negativas, a água da tal película pode congelar, começando a provocar a rotura nesses locais, mesmo que se tenham tomado outras medidas para evitar o efeito da congelação da água Resistência Mecânica A resistência à compressão do agregado raramente constitui um problema, excepto quando se pretende produzir betão de elevada resistência (classes superiores a C45/55) onde as tensões no betão são partilhadas pelo agregado e pela pasta de cimento. Em betões usuais é apenas a pasta de cimento a resistir às tensões instaladas, excepto quando os agregados são menos resistentes, concretamente, quando as rochas de que provêm apresentam tensões de rotura inferiores a cerca de 2 vezes a da pasta do cimento. Neste caso a resistência do betão dependerá da resistência do agregado como no caso de betão com agregados leves (Coutinho, 1988; Brown, 1998). Assim, para o fabrico de betões usuais é conveniente fixar um limite inferior para a tensão de rotura da rocha que constitui o agregado, sendo este valor fixado em 50 MPa (NP ENV 206, 1993 e E373, 1993). 138

145 Na produção de betões de alta resistência ou de alto desempenho (BAD; HPC em inglês) obtidos à custa de razões água/cimento muito reduzidas, conseguidas pelo uso de superplastificantes, obtêm-se betões com uma densidade da pasta de cimento muito elevada permitindo a transferência de tensões na interface da pasta de cimento/agregado e o betão funciona como verdadeiro material compósito, onde os agregados são componentes activos cujas propriedades mecânicas e elásticas influenciam as respectivas propriedades do betão (Aitcin, 1997). Assim, para o fabrico de betões de alta resistência ou desempenho (resistentes e duráveis) é necessário elevar o limite inferior da tensão de rotura da rocha originária e verificar se a resistência do agregado é suficiente procedendo a ensaios convenientes. Quando se utilizam agregados de origem até então nunca experimentada, ou ainda no caso de agregados leves, dispõe-se dos seguintes grupos de ensaios que permitem avaliar a resistência do agregado: - determinação da tensão de rotura da rocha originária; - ensaios de compressão confinada (sobre grupos de partículas) - resistência ao esmagamento; - ensaios sobre partículas individuais; - ensaios comparativos sobre betões idênticos confeccionados uns com agregado cujo comportamento é conhecido e outros com o agregado em estudo (Coutinho, 1988) Determinação da tensão de rotura da rocha originária Para determinar a tensão de rotura por compressão da rocha originária segue-se a norma portuguesa NP-1040 (1974) - PEDRAS NATURAIS. Determinação da tensão de rotura por compressão. O procedimento do ensaio consiste em colher na pedreira amostras representativas da qualidade média da rocha das quais se extraem, por serragem ou carotagem e por via húmida, cubos ou cilindros de altura igual ao diâmetro, cuja aresta (a) ou diâmetro (d) seja no mínimo 50 milímetros. No caso da rocha apresentar planos de xistosidade ou de estratificação, devem ser tomadas pelo menos 12 provetes, mas se a rocha não apresentar esses planos ou não forem aparentes, apenas é necessário considerar 6 provetes com qualquer orientação. No primeiro caso, 6 dos 12 provetes são ensaiados com as faces de carga paralelas aos planos referidos e os outros 6 com aquelas faces perpendiculares a esses planos. Em 139

146 ambos os casos, metade dos provetes ( 3) são ensaiados após secagem a 105ºC-110ºC durante 24 horas e a outra metade após imersão em água a 20ºC±5ºC durante 48 horas. Isto é: Rocha originária com planos de xistosidade ou estratificação visíveis Rocha aparentemente sem planos de xistosidade ou estratificação 6 com faces de carga paralelas aos planos 3 secagem ºC, 24h 12 6 com faces de carga perpendiculares aos planos 6 cubos ou cilindros (a ou d 50mm) 3 imersão em água a 20±5ºC, 48h ( obtêm-se 4 valores médios) ( obtêm-se 2 valores médios) Após a avaliação das dimensões que permitem calcular a área da secção de carga, cada provete é levado à rotura por aplicação de forças gradualmente crescentes - Figura 6.18, e a tensão de rotura por compressão pode então ser calculada para cada provete. Figura Determinação da tensão de rotura por compressão. A tensão de rotura que se toma para a rocha é a menor das 4 (ou 2) médias provenientes dos 4 (ou 2) grupos de provetes ensaiados. A menor das tensões é geralmente a dos provetes saturados, sujeitos a uma tensão de compressão paralela à 140

147 direcção do plano de estratificação ou xistosidade. Uma diferença grande entre as tensões de rotura da rocha saturada e da rocha seca pode indicar uma reduzida resistência à congelação da água (rocha geladiça); uma diferença grande entre as tensões de rotura da rocha determinadas nas 2 direcções, indica que na britagem, poderá haver planos preferenciais de fractura o que conduzirá à obtenção de agregado com forma lamelar (indesejável). Sobre espécimes deste tipo, talhados da rocha, também se podem fazer determinações das tensões de rotura em tracção pura, em flexão, e em choque, estes últimos tradicionalmente empregues na apreciação do agregado para estradas, nos quais se mede, por exemplo, a altura de queda dum determinado peso que provoca a rotura do espécime. (NP 1040, 1974; Coutinho, 1988) Ensaios de compressão confinada - esmagamento Muitas vezes, apenas se dispõe de partículas que compõem o agregado e então determina-se a resistência do conjunto das partículas por exemplo através do ensaio de compressão confinada designado por ensaio de esmagamento e normalizado entre nós pela norma portuguesa NP 1039 (1974). Embora não haja relação bem determinada entre o seu resultado e o de compressão da rocha, os valores obtidos pelos dois critérios são sensivelmente concordantes. O ensaio é realizado sobre as partículas que passaram através do peneiro de malha com 12,7 mm de abertura (# 1/2 polegada, designação 12,5 segundo a NP 1379) e ficaram retidas no de 9,51 mm (# 3/8 polegada, designação 9,50 segundo a NP 1379). A amostra deve ser seca a peso constante, numa estufa, a 105±3ºC, e em seguida definida a quantidade a utilizar no ensaio, pelo volume de agregado que enche um recipiente metálico cilíndrico de 115 mm de diâmetro e 180 mm de altura em determinadas condições de compactação e depois colocada num molde cilíndrico Figuras 6.19 e 6.20, com 154 mm de diâmetro interior, 140 mm de altura e paredes com 16 mm de espessura, onde é convenientemente compactada. Coloca-se um êmbolo com 152 mm de diâmetro na parte superior da amostra. 141

148 180mm 115mm recipiente Figura Corte transversal do recipiente e esmagador (adaptado NP-1039, 1974). C A D B Figura Equipamento utilizado no ensaio de esmagamento: C- êmbolo, A- manga de aço, B- varão de compactação, D- chapa de aço. 142

149 O conjunto molde cilíndrico e êmbolo é disposto entre os pratos de uma máquina de compressão aplicando-se forças gradualmente crescentes a velocidade tanto quanto possível constante, com um ritmo tal que se atinja 40x10 4 N (~40tf) em 10 minutos, após o que se descarrega (Figura 6.21). Figura 6.21 Ensaio de esmagamento do agregado (Coutinho, 1988). Finalmente, determina-se a percentagem de agregado que passa através do peneiro de malha com 2,38 mm de abertura (# nº8, designação 2,36 segundo a NP 1379). A relação, multiplicada por 100, entre a massa do material que passou neste peneiro e a massa inicial da amostra é a resistência do agregado ao esmagamento, isto é: R m 3 = m m esmagament o 2 1 sendo: m 1 - a massa do recipiente m 2 - a massa do recipiente cheio com o provete m 3 - a massa de material que passou no peneiro 2,38 mm de abertura. A resistência ao esmagamento deve ser determinado com dois provetes. Quando não há partículas com dimensões entre as designadas por 12,7 e 9,51 mm (respectivamente 1/2 e 3/8 polegadas) poderão usar-se outras, sendo o peneiro de abertura de 2,38 mm substituído por qualquer dos indicados no Quadro 6.10, de acordo com a granulometria da amostra

150 Quadro 10 Peneiros (ASTM, E11-70) utilizados na determinação da resistência do agregado ao esmagamento (NP 1039). Fracção de agregado Malha dos peneiros para determinação da usada no ensaio fracção fina, após o ensaio de esmagamento mm mm Esmagador referido no texto 25,0 / 19,0 19,0 / 12,5 4,75 3,35 Esmagador de dimensões menores (ver NP 1039) 9,5 / 6,3 6,3 / 4,75 4,75 / 3,35 3,35 / 2,36 1,70 1,18 0,850 0,600 Refira-se que este ensaio não é significativo para agregados leves. Em termos de regulamentação e segundo a NP ENV 206 que remete para a E 373- Inertes para argamassas e betões. Características e verificação da conformidade, o resultado do ensaio de esmagamento para agregados grossos terá de ser inferior a 45%. Em relação à resistência de agregados finos - as areias, dever-se-á ensaiá-la em argamassa, comparando a sua resistência com outra argamassa idêntica, obtida a partir de uma areia cujo comportamento é já bem conhecido (areia padrão), composta por grãos com granulometria rigorosamente igual à da areia em estudo. As tensões de rocha da argamassa com a areia em estudo não devem ser inferiores em mais de 10% às da argamassa com a areia padrão (Coutinho, 1988) Ensaios de desgaste Para avaliação da resistência do agregado também se usam ensaios de desgaste, quer sobre amostras da rocha originária, quer sobre amostras do próprio agregado. Um dos ensaios sobre amostras de rocha originária para determinação da resistência ao desgaste, consiste na utilização da máquina Amsler-Laffon -Figura 6.22 em que é determinada a resistência ao desgaste por abrasão. Este ensaio consiste em colocar um provete rectificado, neste caso de rocha originária, num suporte próprio da máquina Amsler-Laffon, de tal forma que a superfície cujo desgaste se pretende medir, fique sobre o disco rotativo da máquina, seguro por uma haste própria. Durante o ensaio, que em geral corresponde a um percurso de 200 metros, o desgaste é proporcionado por areia normalizada e água, que caiem de recipientes próprios sobre o 144

151 disco rotativo. O desgaste corresponde à diferença da espessura do provete antes e depois do ensaio (J. Sousa Coutinho, 1998). Este ensaio encontra-se descrito na especificação do LNEC "E BETÕES. Determinação da resistência à abrasão" e constitui o chamado "Processo A". O "Processo B" consiste na utilização de um equipamento diferente em que o disco rotativo de 200 milímetros de diâmetro e 70 mm de largura roda na posição vertical. Figura Máquina Amsler-Laffon. O ensaio de desgaste na máquina de Los Angeles (Figuras 6.23 e 6.24) permite avaliar a resistência de amostras do agregado à abrasão e choque e, indirectamente a resistência mecânica do agregado. Figura Máquina de ensaio de desgaste de Los Angeles (Coutinho, 1988). 145

152 Figura Corte transversal e longitudinal da máquina de Los Angeles (E 237). Este ensaio e o equipamento necessário encontra-se descrito na especificação do LNEC E Agregados. Ensaio de desgaste pela máquina de Los Angeles, O ensaio consiste em introduzir o agregado com uma granulometria especificada num tambor cilíndrico, com movimento de rotação em torno do seu eixo colocado na posição horizontal. Coloca-se juntamente um certo número de esferas com cerca de 47 mm de diâmetro e peso entre 390 e 445g cada. O número de esferas é função da granulometria do agregado. O conjunto dá 1000 rotações (no caso do agregado entre 76,1 e 25,4 mm) e 500 rotações (no caso do agregado entre 38,1 e 2,38 mm) à velocidade de 30 a 33 rotações por minuto medindo-se depois a perda de peso através de um peneiro, com malha de 1,68 mm de abertura (nº12 da série ASTM), isto é: m1 m 2 Perda por DESGASTE na máquina de Los Angeles = 100 m em que: m 1 - massa do provete m 2 - massa do agregado retido no peneiro de 1,68 mm (nº12). Em termos de regulamentação e quando se avalia a resistência mecânica de agregados grossos medidos através do desgaste de Los Angeles, a NP ENV 206 remete para a especificação LNEC E 373 que limita a perda por desgaste Los Angeles a 50%. Este ensaio não é significativo para agregados calcários. O ensaio de Los Angeles é muito utilizado devido aos bons resultados que com ele se obtêm; existe uma correlação muito boa não só com o desgaste do agregado 1 146

153 quando usado no betão mas também com as tensões de rotura de compressão e de flexão do betão fabricado com agregados em causa (LNEC E 237; Coutinho, 1988; LNEC E 373). A norma europeia EN "Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 2: Methods for determination of resistance to fragmentation" aprovada em Abril 1998, preconiza a utilização do ensaio de Los Angeles e em alternativa um outro método designado por ensaio de impacto. A norma europeia EN "Tests for mechanical and physical properties of aggregates -Part 1: Determination of the resistance to wear (micro-deval)" aprovada em Julho, 1996, prevê, para a determinação da resistência ao desgaste (micro Deval) de uma amostra de agregado natural ou artificial usado em construção civil, a determinação do coeficiente micro-deval. O ensaio consiste em medir o desgaste por abrasão e choque (fricção) das partículas do agregado (10/14 mm) e uma carga abrasiva num tambor rotativo, em dadas condições. O desgaste é medido pelo coeficiente micro-deval que corresponde à percentagem da amostra original de agregado que passa no peneiro de 1.6 mm. Assim quanto menor fôr o coeficiente micro-deval, maior será a resistência ao desgaste do agregado e, em princípio, maior será a sua resistência mecânica (Lea,, 1998). A máquina para ensaio micro-deval consiste num conjunto de 1 a 4 tambores em aço inoxidável, de 200 mm de diâmetro e cerca de 154 mm de comprimento. Os tambores estão colocados em dois suportes que rodam segundo um eixo horizontal a uma velocidade de 100 rpm. A carga abrasiva é constituída por esferas de aço de 10 mm de diâmetro. Na Figura 6.25 apresenta-se um diagrama de um aparelho tipo. Figura Diagrama de um aparelho-tipo para a determinação da resistência ao desgaste - micro-deval (EN , 1996). 147

154 Ensaios sobre partículas individuais: Caso dos agregados leves Relativamente aos ensaios sobre partículas individuais que se aplicam sobretudo a partículas de agregados leves (embora se possam realizar em partículas de agregados tradicionais) referem-se os seguintes: - ensaio de esmagamento que produz 10% de elementos finos que, muito resumidamente, consiste em determinar a carga que produz, com o equipamento descrito em 3.1.2, uma percentagem 10% de elementos finos em que esta fracção fina é separada por um peneiro proporcional à fracção granulométrica do agregado empregue no ensaio (Coutinho, 1998). Na realidade este ensaio destinado, sobretudo, para agregados leves é um ensaio realizado sobre um conjunto de partículas. Os ensaios sobre partículas individuais são: - ensaio de resistência à compressão, à tracção, ao corte e à pressão hidrostática (ver Coutinho, 1998, pgs.25 e 26) Ensaios comparativos Um critério seguro e objectivo para avaliar se a resistência do agregado é suficiente para produzir um betão com dada resistência à compressão, consiste em determinar a tensão de rotura do betão fabricado com esse agregado em comparação com a de um betão padrão amassado em condições rigorosamente idênticas. O betão padrão deve ser constituído por agregados com propriedades bem conhecidas, de resultados já comprovados e granulometria rigorosamente igual à do agregado em estudo; o cimento empregue nos dois betões deve ser da mesma amostra, em iguais quantidades e bem assim os volumes de água. Se as dosagens de água não forem iguais nos dois betões, estes deverão ter trabalhabilidades iguais. Este método é geralmente seguido na avaliação da resistência de areia, dada a dificuldade da apreciação do ensaio de esmagamento, e é preconizado pelas normas brasileiras MB-95 (ensaio de qualidade da areia). Como referido anteriormente, as tensões de rotura da argamassa com a areia em estudo não devem ser inferiores em mais de 10% relativamente às da argamassa com a areia padrão. 148

155 6.3.4 Resistência à humidificação e secagem Ciência de Materiais 1ª Parte Certas rochas podem sofrer grandes variações de volume devido à embebição e consequente secagem e podem até ser destruídas após um número suficientemente grande de ciclos de humidificação e secagem, como alguns xistos, margas calcárias, ou certos sílex microporosos, com pequena massa volúmica, ou rochas que contêm minerais argilosos dos grupos da montmorilonite ou da ilite, como acontece com certos calcários com lâminas intercaladas destas argilas expansivas. Os minerais argilosos, especialmente do grupo montmorilonite, não só apresentam variações de volume importantes mas têm também grande capacidade de absorção de água. Quando se puser a hipótese de o agregado poder variar de volume com alternâncias de secagem e de humidificação, poder-se-á utilizar um método que consiste em submeter amostras do agregado em causa a ciclos alternados de embebição em água e secagem em estufa, equivalente ao descrito a seguir (3.5), para avaliação da resistência do agregado à congelação (NP 1378) mas em vez de solução de sulfato se utiliza água Resistência à congelação Se os agregados não resistem à congelação a água que se encontra nos seus poros pode congelar e concomitantemente aumentar de volume (cerca de 9%) ao mudar de estado físico, pelo que se criam tensões que podem provocar escamação do betão, sobretudo acima das partículas de maiores dimensões Figura 6.26 (J. Sousa Coutinho, 1998). Na Figura 29 apresenta-se a fotografia de uma escama de betão, que consiste na separação de uma pequena porção de betão superficial causada por pressão interna, provocando o aparecimento de uma pequena depressão em geral de forma cónica (ACI E1-78,1978). Figura Escamação do betão provocada pela baixa resistência do agregado à congelação da água nos seus poros (CEB, 1992). 149

156 Figura Escama provocada por agregado geladiço (ACI E 1-78, 1978). Em Portugal, de um modo geral, não se verificam temperaturas negativas, pelo que este fenómeno não tem normalmente importância. Em geral os calcários e grés são rochas que suportam mal os ciclos gelo/degelo, isto é, constituem rochas geladiças. Um rocha geladiça é uma rocha que absorve água e não resiste ao aumento de volume devido à congelação desta nos seus poros; é portanto uma pedra porosa, higroscópica e de fraca resistência. A causa mais frequente que torna uma pedra geladiça é o facto do tipo de rede porosa se opor à saída de água dos poros, saída que se faz com uma velocidade inferior àquela com que a congelação se propaga na rocha. A resistência da rocha à congelação depende da relação entre o volume de poros de maior abertura e o dos de menor dimensão em que o acesso da água é mais difícil. A pedra é tanto mais geladiça quanto mais apertados forem os poros e quanto menor for o volume dos poros de maior dimensão. Supõe-se que são os capilares com dimensões inferiores a 4000 nanómetros (1 nanómetro igual a 10-9 metros) nos quais a água congela, que afectam a resistência à congelação e descongelação (Coutinho, 1978; Neville, 1995). Existem vários processos de verificação da gelividade dos agregados tais como submeter amostras de rochas a ciclos de imersão em água/congelação e avaliar, no final, as alterações aparentes nas amostras. Este é o ensaio descrito na norma francesa B aplicável a pedras calcárias. 150