PATOLOGIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM PATOLOGIA DAS CONSTRUÇÕES PATOLOGIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Arthur Medeiros Eng. Civil, Prof. Dr. arthurmedeiros@utfpr.edu.br

2 Cronograma 29/04/ Cimento, concreto e reações deletérias - Prof. Arthur 06/05/ Patologia e tecnologia de materiais cerâmicos, revestimentos e agregados - Prof. Valter Ruy 13/05/ Patologia e tecnologia de materiais cerâmicos, revestimentos e agregados - Prof. Valter Ruy 20/05/ Materiais de reparo - Prof. Arthur 27/05/ Materiais de reparo - Prof. Arthur Sábados pelas manhãs : 7:30 às 12:00

3 Qual a relação entre materiais e patologia?

4 Qual a relação entre materiais e patologia? Grande parte dos defeitos que aparecem em argamassas e concretos são oriundos da falta de qualidade dos materiais empregados, emprego inadequado para o fim a que se destinam ou ao ambiente que serão expostos.

5 Concreto Materiais constituintes LIGANTES AGREGADOS ÁGUA ADIÇÕES MINERAIS ADITIVOS QUÍMICOS

6 Cimento Portland

7 Concreto Cimento Portland Pó fino que possui propriedades aglomerantes e/ou ligantes que não só endurecem pelas reações com a água como também formam um produto resistente à água.

8 Concreto Cimento Portland É a queima de uma mistura bem proporcionada de matériasprimas contendo quatro óxidos principais: CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, que produz o clínquer, o principal ingrediente do cimento Portland. O outro ingrediente é o sulfato de cálcio na forma de: gesso (CaSO 4. 2H 2 O) ou hemidrato (CaSO 4. 1/2H 2 O) ou anidrita ou sulfato de cálcio (CaSO 4 ) ou uma mistura de dois ou três deles.

9 Concreto Produção do cimento Portland ± 1,2 t Calcário ± 0,3 t Argila Adições CIMENTO PORTLAND moagem pré-aquecedor ± 0,05 t Gispsita moagem final combustível Forno >1450 ºC ± 0,95 t Clínquer

10 Concreto Produção do cimento Portland

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12 Concreto Produção do cimento Portland CO 2 CO 2 Calcário + Argila 850 kcal/kg Clínquer CaO SiO 2 Al 2 O 3 Coque 7951kcal/kg C 3 S C 2 S Fe 2 O 3 Carvão 5794kcal/kg C 3 A C 4 AF

13 Concreto Produção do cimento Portland

14 Concreto Reações de formação do clínquer Portland ºC Perda de água livre ºC Desidroxilação dos argilominerais Transformação do quartzo a em quartzo b ºC Descarbonatação dos carbonatos Primeiras reações em estado sólido com formação de aluminatos e ferroaluminatos cálcicos (C 12 A 7 e C 2 [A,F]) Primeiros cristais de belita (C 2 S) Formação de cristobalita a partir do quartzo

15 Concreto Reações de formação do clínquer Portland ºC Cristalização da belita Conversão do C 12 A 7 e C 2 [A,F] em C 3 A e C 4 AF (ocorrem apenas reações em estado sólido) ºC Fusão dos constituintes da fase intersticial (C 3 A e C 4 AF) Geração dos primeiros cristais de alita (C 3 S) a partir dos cristais pré-existentes de belita (C 2 S) e CaO ºC Desenvolvimento dos cristais de alita (C 3 S)

16 Concreto Produção do cimento Portland CP I ou CP V ARI

17 Concreto Adições minerais O que são adições minerais? Resíduos industriais Colocados no cimento Reduz impacto ambiental Reduz consumo de matéria-prima Efeitos no concreto: Emissão de CO 2 Reduz a porosidade Reduz o calor de hidratação Reduz o teor de álcalis

18 Concreto Adições minerais 1. Pozolanas 60% Cinza volante 95% Sílica ativa 50% Metacaulim resíduo de carvão de ind. termoelétrica resíduo de fabricação de componentes eletrônicos argila calcinada Cinza de casca de arroz 20% Elevado teor de SiO 2 reativo, quando finamente moído Este SiO 2 reage com Ca(OH) 2 formando C-S-H

19 Concreto Adições minerais 2. Material cimentante Escória de alto-forno Resíduo não metálico da produção do ferro-gusa Se forma pela fusão de: Impurezas do minério de ferro Fundentes (calcário e dolomita) Cinzas do coque (carvão mineral) resfriado rapidamente e moído SiO 2 30 a 40% Reativo (reação lenta) Não necessita de Ca(OH) 2 para formar C-S-H

20 Concreto Adições minerais 3. Fíler Calcário Pó de quartzo Pó de pedra Sem reatividade química Efeito físico Preenchimento de vazios Refinamento da estrutura de poros Material finalmente dividido Diâmetro cimento Restringe espaço Muitos produtos hidratados pequenos ao invés de poucos prod. hidr. grandes

21 Concreto Adições minerais

22 Concreto Produção do cimento Portland no Brasil CP I - No nordeste, feito sob encomenda por uma indústria petroquímica CP III e CP II-E - Região sudeste - próximo das indústrias siderúrgicas CP IV e CP II-Z - Pozolanas quando falta pozolana CP II-F Fíler calcário O CP II-F-40 entrou no mercado em 2015, depois que um player do mercado entrou com um CP V mais puro, mais barato R$ / MPa E a durabilidade?????

23 CP IV Pozolana (calcinação da argila) CP II F (fíler calcário) CP III (escória de siderúrgicas) CP IV (pozolana das termoelétricas)

24 Cimento Cimento Portland Composição do cimento Portland Sigla Clinquer + gipsita Escória (E) Pozolana (Z) Filer (F) Norma Brasileira CP I 100% 0 Comum NBR 5732 CP I - S 99 95% 1 5 % CP II - E % 6 34% % Composto CP II - Z % % 0 10% CP II - F % % NBR Alto forno CP III % 35 70% 0 0 5% NBR 5735 Pozolânico CP IV % % 0 5% NBR 5736 ARI CPV % % NBR 5733 Branco Estrutural CPB % % NBR 12989

25 Cimento Composição do cimento Portland Principais Secundários C 3 S 40 a 70% C 2 S 10 a 40% C 3 A 2 a 15% C 4 AF 3* a 15% Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) * 0 para o cimento branco Em menores proporções: MnO, P 2 O 5, TiO 2, BaO F, Cl, Cr 2 O 3, SrO

26 Cimento Composição do cimento Portland C 3 S 40 a 70% Silicato tricálcico (ALITA) Ca 3 SiO 5 3CaO. SiO 2 Forma impura com pequenas quantidades de Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Endurecimento rápido altas resistências iniciais Moderada geração de calor

27 Cimento Composição do cimento Portland C 2 S 10 a 40% Silicato dicálcico (BELITA) Ca 2 SiO 4 2CaO. SiO 2 Forma impura com pequenas quantidades de Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Endurecimento lento altas resistências finais Baixa geração de calor Estrutura mais compacta reação de hidratação mais lenta

28 Cimento Composição do cimento Portland C 3 A 2 a 15% Aluminato tricálcico CaO. Al 2 O 3 Forma impura com GRANDES quantidades de Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Sílica (SiO 2 ) Reação muito rápida BAIXAS resistências ELEVADA geração de calor Estrutura mais aberta e porosa facilita reação com a água Responsável pela pega do cimento

29 Cimento Composição do cimento Portland C 3 A 2 a 15% Aluminato tricálcico CaO. Al 2 O 3 Forma impura com GRANDES quantidades de Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Sílica (SiO 2 ) O C 3 A reage rapidamente com a água para formar aluminato de cálcio hidratado, gerando uma pega instantânea. O sulfato de cálcio (gesso) é misturado no cimento, pois reage com o C 3 A, formando um envoltório ± impermeável de etringita, que inibe a reação do C 3 A com a água.

30 Cimento Composição do cimento Portland C 4 AF 3 a 15% Ferro Aluminato tetracálcico 4CaO. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 Forma impura com GRANDES quantidades de Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Sílica (SiO 2 ) Reação rápida resistência desprezível ELEVADA geração de calor Alta resistência química Ataque por sulfatos Forma produtos hidratados semelhantes ao C 3 A, em menor velocidade e com substituição parcial do Al pelo Fe

31 Cimento Composição do cimento Portland Secundários Componente indesejável originado em falhas no processo de fabricação Pouco presente nos cimentos modernos Reage lentamente podendo causar deterioração expansão e fissuração Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Não tem limitação por norma de seu teor

32 Cimento Composição do cimento Portland Componente indesejável, periclásio Dolomita = impureza presente na maioria dos calcários Reage lentamente podendo causar deterioração expansão e fissuração MgO + H 2 O Mg(OH) 2 Brucita Secundários Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Limitação por norma 6,5%

33 Cimento Composição do cimento Portland Secundários Ataque por sulfatos Cal livre (CaO) Magnésio Livre (MgO) Sulfatos (SO 3 ) Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Reação Álcali Agregado

34 Cimento Composição potencial do cimento Portland Equações de Bogue: % C 3 S = 4,07 (CaO) 7,60 (SiO 2 ) 6,72 (Al 2 O 3 ) 1,42 (Fe 2 O 3 ) 2,85 (SO 3 ) % C 2 S = 2,87 (SiO 2 ) 0,75 (3.CaO.SiO 2 ) % C 3 A = 2,65 (Al 2 O 3 ) 1,69 (Fe 2 O 3 ) 2,85 (SO 3 ) % C 4 AF = 3,04 (Fe 2 O 3 ) Previsão teórica dos compostos do cimento Portland Ignora a presença de impurezas imprecisão nas quantidades de C 3 A e C 4 AF Serve como uma primeira estimativa a partir da análise química das rochas

35 f c (kgf/cm²) Cimento Resistência mecânica dos componentes C 3 S C 2 S Temperatura, finura e água constantes C 3 A C 4 AF Dias

36 Cimento Exigências químicas Tipos Resíduo insolúvel (%) Perda ao fogo (%) Teores de óxidos (%) MgO SO 3 CO 2 CPI 1,0 2,0 6,5 4,0 1,0 CPI S 5,0 4,5 6,5 4,0 3,0 CP II E 2,5 6,5 6,5 4,0 5,0 CP II Z 16,0 6,5 6,5 4,0 5,0 CP II F 2,5 6,5 6,5 4,0 5,0 CP III 1,5 4,5 6,5 4,0 3,0 CP IV -- 4,5 6,5 4,0 3,0 CP V ARI 1,0 4,5 6,5 (*) 1,0 CPB não estrutural 7,0 27,0 10,0 4,0 25,0 CPB estrutural 3,5 12,0 6,5 4,0 11,0 (*) SO 3 3,5% para C 3 A 8,0% e SO 3 4,5% para C 3 A > 8,0%

37 Cimento Análises químicas de diferentes cimentos Composição química (%) CPB 40 CP II-F-32 CP IV -32- RS CP V SiO 2 20,29 18,39 29,01 18,72 Al 2 O 3 3,66 4,18 9,64 4,24 Fe 2 O 3 0,17 2,63 3,81 2,62 CaO 63,86 60,81 45,63 60,24 MgO 1,02 4,23 3,12 4,29 SO 3 3,16 2,78 2,24 2,95 Na 2 O 0, K 2 O 0, Resíduo insolúvel 1,29 1,31 2,52 0,72 CO 2 5, Cal livre - 0,53 0,5 0,56 PF 7,01 4,85 3,32 3,23 Equivalente alcalino - 0,72 1,1 0,71

38 Cimento Resistência mecânica dos componentes Finura Tempo de pega (h) Resistência à compressão (MPa) Tipos Classe Resíduo peneira 75 µm (%) Superfície específica (m²/kg) Inicio Fim 1 dia 3 dias 7 dias 28 dias ,0 CPI CPI S , CP II E ,0 CP II Z CP II F 40 10, CP III 32 8, CPIV , CP V ARI 6, CPB não estrutural CPB estrutural 12, ,

39 Cimento Hidratação do cimento Portland

40 Cimento C CaO A Al 2 O 3 S SiO 2 Š SO 3 Hidratação do cimento Portland Aluminatos de cálcio e gipsita Tempo ou Trissulfoaluminato de cálcio hidratado 1º : C 3 A + 3C ŠH H C 6 A Š 3 H 32 Minutos ETRINGITA 2º : C 3 A + C ŠH H C 4 A ŠH 18 Horas MONOSSULTATO 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Dias MONOSSULTATO Notação simplificada C CaO A Al 2 O 3 S SiO 2 Š SO 3

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42 Cimento C CaO A Al 2 O 3 S SiO 2 Š SO 3 Hidratação do cimento Portland Aluminatos de cálcio e gipsita Tempo ou Trissulfoaluminato de cálcio hidratado 1º : C 3 A + 3C ŠH H C 6 A Š 3 H 32 Minutos ETRINGITA 2º : C 3 A + C ŠH H C 4 A ŠH 18 Horas MONOSSULTATO 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Dias MONOSSULTATO Silicatos de cálcio 1º : 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 2 + 3CH Horas, dias fck ou Cal hidratada ou Portlandita C-S-H e Ca(OH) 2 2º : 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 2 + CH Sem., mês, anos... C-S-H e Ca(OH) 2

43 Cimento C CaO A Al 2 O 3 S SiO 2 Š SO 3 Hidratação do cimento Portland Aluminatos de cálcio e gipsita Tempo ou Trissulfoaluminato de cálcio hidratado 1º : C 3 A + 3C ŠH H C 6 A Š 3 H 32 2º : C 3 A + C ŠH H C 4 A ŠH 18 Minutos Horas ETRINGITA ENRIJECIMENTO PERDA DE CONSISTÊNCIA MONOSSULTATO 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Dias MONOSSULTATO Silicatos de cálcio 1º : 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 2 + 3CH 2º : 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 2 + CH PEGA SOLIDIFICAÇÃO ENDURECIMENTO Horas, dias DESENVOLVIMENTO DE RESISTÊNCIA Sem., mês, anos... ou Cal hidratada ou Portlandita C-S-H e Ca(OH) 2 C-S-H e Ca(OH) 2

44 Cimento Microestrutura do concreto 1 C-H-S (silicato de cálcio hidratado) : cristais pequenos e fibrilares 2 Ca(OH) 2 ou (C-H) : hidróxido de cálcio grandes cristais prismáticos 3 vazio capilar

45 Cimento Microestrutura do concreto

46 Cimento Hidratação do cimento Portland C 3 S produz 61 % de C-S-H e 39 % de Ca(OH) 2 C 2 S produz 82 % de C-S-H e 18 % de Ca(OH) 2

47 Cimento Hidratação do cimento Portland

48 Calor (J/g por 1%) Cimento Calor de hidratação dos compostos C 3 A Temperatura, finura e água constantes 5 4 C 3 S 3 2 C 4 AF 1 0 C 2 S Dias

49 Fluxo de calor (W/kg) Cimento Calor de hidratação x tipos de cimento 5 4,5 4 CP V + 10% fíler CP V 3,5 3 2,5 2 CP IV CP III 1,5 1 0, Tempo (h)

50 Calor acumulado (J/g) Cimento Calor de hidratação x tipos de cimento CP V + 10% fíler 250 CP V 200 CP IV 150 CP III Tempo (h)

51 Cimento Velocidade de hidratação Composição química C 3 S rápido Matérias-primas Finura (m 2 /g) Grau de moagem Desejável: 60 a 70% 3 f 30 mm f 2 mm pouco contribui para fck demanda de água mesmo slump f 50 mm praticamente inerte Área superficial para reação de hidratação Temperatura alta rápido Uso de vapor garante a umidade Autoclave é possível

52 Cimento Finura e calor de hidratação 400 Calor desenvolvido (kj/kg) m 2 /kg 400 m 2 /kg 300 m 2 /kg Tempo (dias)

53 f c (MPa) Cimento Finura x resistência à compressão dia dias 28 dias Finura (m²/kg)

54 Qual o melhor cimento? Qual cimento deve ser usado para determinada finalidade?

55 Nenhum cimento é melhor! A escolha dependerá: da disponibilidade: do cu$to da velocidade da construção das exigências da estrutura e do ambiente onde será construído

56 Qual a influência dos produtos hidratados na durabilidade dos materiais cimentícios?

57 Deterioração do concreto por reações químicas A Reação envolvendo hidrólise e lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida Ataque de água no hidróxido de cálcio e C-S-H Aumento na porosidade e permeabilidade

58 Deterioração do concreto por reações químicas B Reações de troca entre um fluido agressivo e componentes da pasta de cimento endurecida A Reação envolvendo hidrólise e lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida 1 Remoção de íons Ca++ como produtos solúveis Solução ácida formando 2 Remoção de íons Ca++ como produtos insolúveis não-expansivos componentes solúveis de cálcio: CaCl 2, CaSO 4, acetato de cálcio, 3 Reações de substituição de Ca++ no C-S-H bicarbonato de cálcio? Solução de ácido oxálico e seus sais, formando oxalato de cálcio Aumento na porosidade e permeabilidade Produto anti-tártaro Eliminação de ferrugem em metais e mármores Branqueamento de têxteis, papeis e couro

59 Deterioração do concreto por reações químicas B Reações de troca entre um fluido agressivo e componentes da pasta de cimento endurecida A Reação envolvendo hidrólise e lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida 1 Remoção de íons Ca++ como produtos solúveis Solução ácida formando 2 Remoção de íons Ca++ como produtos insolúveis não-expansivos componentes solúveis de cálcio: CaCl 2, CaSO 4, acetato de cálcio, 3 Reações de substituição de Ca++ no C-S-H bicarbonato de cálcio Solução de ácido oxálico e seus sais, formando oxalato de cálcio Aumento na porosidade e permeabilidade Ataque de longa duração de água do mar enfraquecendo o C-S-H pela substituição de Ca 2+ por Mg 2+

60 Deterioração do concreto por reações químicas B Reações de troca entre um fluido agressivo e componentes da pasta de cimento endurecida A Reação envolvendo hidrólise e lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida 1 Remoção de íons Ca++ como produtos solúveis 2 Remoção de íons Ca++ como produtos insolúveis não-expansivos 3 Reações de substituição de Ca++ no C-S-H Aumento na porosidade e permeabilidade Perda de alcalinidade Perda de massa Aumento nos processo de deterioração Perda de resistência e rigidez

61 Deterioração do concreto por reações químicas B Reações de troca entre um fluido agressivo e componentes da pasta de cimento endurecida A Reação envolvendo hidrólise e lixiviação dos componentes da pasta de cimento endurecida C Reação envolvendo formação de produtos expansivos 1 2 Remoção de íons Ca++ como produtos solúveis 3 Remoção de íons Ca++ como produtos insolúveis não-expansivos Reações de substituição de Ca++ no C-S-H Ataque por sulfato formando etringita tardia, RAA, corrosão das armaduras, hidratação de MgO e CaO EFEITO NOCIVO DAS REAÇÕES QUÍMICAS Aumento na porosidade e permeabilidade Aumento da tensão interna Perda de alcalinidade Perda de massa Aumento nos processo de deterioração Perda de resistência e rigidez Fissuração, lascamento, pipocamento Deformação

62 Concreto Principais reações deletérias 1. Lixiviação 2. Ataque por sulfatos Fonte externa Fonte interna 3. RAA 4. Carbonatação 5. Corrosão do aço no concreto

63 Concreto Lixiviação 1. Permeabilidade Sais solúveis levam embora o hidróxido de cálcio 2. Dissolução por água pura Barragem do Voçoroca

64 Lixiviação Barragem do Voçoroca

65 Concreto Lixiviação 1. Permeabilidade Sais solúveis levam embora o hidróxido de cálcio 2. Dissolução por água pura Barragem do Voçoroca 3. Eflorescências

66 Lixiviação em muro de pedras

67 Lixiviação em blocos cerâmicos

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69 Lixiviação em revestimentos cerâmicos

70 E como evitar esta lixiviação de sais solúveis?

71 Concreto Fonte externa Ataque por sulfatos Origem dos sulfatos: Solos e águas agrícolas Efluentes de fornos e da indústria química Na 2 SO 4 MgSO 4 K 2 SO 4 Decomposição de matéria orgânica pântanos lagos rasos poços de mineração tubulação de esgoto Formação do gás H 2 S que se transformará em ácido sulfúrico pela ação bacteriana

72 Concreto Ataque por sulfatos Fonte externa Hidróxido de cálcio na pasta de cimento, entra em contato com íon sulfatado e converte os hidratos que contém alumina em formas altamente sulfatadas (ETRINGITA). Lembrando da hidratação dos aluminatos: 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 No ataque por sulfatos: C 4 A ŠH CH + 3Š + 11H C 6 A Š 3 H 32 MONOSSULTATO Produto expansivo Tensões de tração FISSURAÇÃO

73 Concreto Microestrutura do concreto

74 Concreto Ataque por sulfatos

75 Concreto Ataque por sulfatos

76 Concreto Ataque por sulfatos

77 Concreto Ataque por sulfatos Fonte externa Dependendo do cátion associado à solução de sulfato (Na +, K + ou Mg 2+ ), tanto o hidróxido de cálcio como o C-S-H podem se converter em gesso. Na 2 SO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 0 CaSO 4.2H 2 O + 2NaOH MgSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 0 CaSO 4.2H 2 O + Mg(OH) 2 Mantem alcalinidade do concreto (ph) Insolúvel reduz ph 3MgSO 4 + 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + 8H 2 0 3(CaSO 4.2H 2 O) + 3[Mg(OH) 2 ] + 2SiO 2.H 2 O

78 Concreto Ataque por sulfatos Fonte interna ETRINGITA TARDIA Origem dos sulfatos: Agregado contaminado com gipsita, ou pirita FeS 2 ou Quando a temperatura do concreto supera 65ºC Concretos produzidos com cimentos com elevado teor de C 3 A Lembrando de novo: 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Produz um monosulfato instável

79 Concreto Ataque por sulfatos Fonte interna ETRINGITA TARDIA Monosulfato instável Lembrando de novo: 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Quando a hidratação do concreto ocorre em temperaturas acima de 65ºC, os íons sulfatos liberados pela decomposição de etringita são adsorvidos pelo C-S-H.?

80 Adsorção: processo pelo qual átomos, moléculas ou íons são retidos na superfície de sólidos através de interações de natureza química ou física.

81 Concreto Ataque por sulfatos Fonte interna ETRINGITA TARDIA Monosulfato instável Lembrando de novo: 3º : C 6 A Š 3 H C 3 A + 22H 3C 4 A ŠH 18 Quando a hidratação do concreto ocorre em temperaturas acima de 65 ºC, os íons sulfatos liberados pela decomposição de etringita são adsorvidos pelo C-S-H. Posteriormente, durante a utilização da estrutura, quando os íons sulfatos são dessorvidos, a formação de nova etringita causa expansão e fissuração.

82 Concreto Ataque por sulfatos Fonte interna ETRINGITA TARDIA (DEF Delayed ettringite formation) Fenômeno rápido Carregamento severo durante uso Alta permeabilidade Mitigação: Qualidade do concreto Baixa permeabilidade Presença DEF Sulfato tardio Baixo teor de C 3 A de água liberado por Adições fonte interna

83 Concreto Reação álcali agregado Álcalis dissolvidos na pasta de cimento Álcalis (Na 2 O; K 2 O)

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85 Concreto Reação álcali agregado Álcalis dissolvidos na pasta de cimento Álcalis (Na 2 O; K 2 O) Vão atacar um sólido SiO 2 no agregado Gerando um produto gelatinoso Este gel na presença de água, captura água e expande

86 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

87 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

88 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

89 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

90 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

91 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA

92 Concreto Reação álcali agregado FISSURAÇÃO EM MAPA Processo caótico Rompe no ponto mais frágil Pontes Estradas Pavimentos Barragens Blocos de fundação Água

93 Concreto Reação Álcali Agregado RAA Fenômeno lento Álcalis do Medidas preventivas: Sílica reativa nos agregados cimento Troca do material reativo por um inócuo 1 ou Silicatos ou Carbonatos Presença de água RAA Agregado reativo Limitar o teor de álcalis do concreto 2 Adições químicas ADIÇÕES MINERAIS 1 Solução nem sempre viável técnica e economicamente 2 Pode haver aporte externo de álcalis

94 Concreto Reação álcali agregado A hidratação do cimento gera Ca(OH) 2 e C-S-H O hidróxido de cálcio é o catalizador da reação álcali agregado Pozolanas e sílica ativa reagem com o Ca(OH) 2 Impedindo a reação C-S-H absorve os álcalis Expansão não ocorre, mesmo com agregados reativos

95 Concreto Reação álcali agregado RAA = Aids A pozolana é a camisinha do concreto Se já tem RAA, corta e protende

96 Concreto Carbonatação O que é carbonatação do concreto? O dióxido de carbono da atmosfera reage com o hidróxido de cálcio nos poros do concreto formando carbonato de cálcio. Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 0 Concreto NaOH KOH Reações semelhantes e menos comuns podem acontecer Atmosfera SO 2 H 2 S Precipita dentro dos poros do concreto na forma de rocha

97 Concreto Carbonatação A presença de líquido intersticial, em quantidade suficiente na porosidade do concreto, permite ao CO 2 presente na atmosfera (sob a forma gasosa) dissolver-se para formar íons CO 2-3 Na sequência, esses íons carbonato combinam-se com íons Ca 2+ (oriundos da dissolução da portlandita) para formar calcita (CaCO 3 ) e água, resultando na diminuição do ph do meio.

98 Concreto DIFUSÃO DO CO 2 NO AR Carbonatação ATRAVÉS modelo DOS simplificado CO 2 POROS DO CONCRETO PROCESSO DE CARBONATAÇÃO DO CONCRETO MODELO: CO 2 POROS (SIMPLIFICADO) Ca(OH) 2 + CO 2? CaCO 3 + H 2 O DIFUSÃO CARBONATAÇÃO (NEUTRALIZAÇÃO) PROFUNDIDADE DIMINUIÇÃO DO ph DE 12,5 A 8

99 Concreto Carbonatação E qual a importância desta reação química dentro do concreto? Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 0 O hidróxido de cálcio regula o ph do concreto, bastante alcalino. Conforme o hidróxido de cálcio é consumido, o ph do concreto reduz.

100 ph do concreto

101 Concreto Carbonatação E qual a importância desta reação química dentro do concreto? Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 0 O hidróxido de cálcio regula o ph do concreto, bastante alcalino. Conforme o hidróxido de cálcio é consumido, o ph do concreto reduz. ph do concreto > 12 ph do concreto < 9 Imunidade das armaduras à corrosão Filme passivo que impede a corrosão A corrosão pode ser desencadeada Dependendo o potencial elétrico do aço

102 Potencial (mv, EH) Concreto Diagrama de Pourbaix do sistema Fe-H 2 O a 25 ºC a b PASSIVAÇÃO Fe++ Fe 2 O 3 CORROSÃO Fe IMUNIDADE Fe 3 O 4 HFeO 2 - (+ 100 mv) Faixa usual de potencial de corrosão do ferro no concreto (+ 400 mv) ph

103 Concreto Carbonatação Medida da profundidade de carbonatação ESPECTRO DA FENOLFTALEINA 0 7,0 8,3 Róseo 9,5 14 Incolor Vermelho carmim Vermelho carmim

104 Concreto Carbonatação

105 Concreto Carbonatação Medida da profundidade de carbonatação Então, na verdade a carbonatação do concreto se converte em um problema de corrosão das armaduras de aço.

106 Concreto Carbonatação Fatores que influenciam a velocidade do avanço da frente de carbonatação CO 2 carbonatação Concentração de CO 2 Condições de exposição Umidade relativa do ar 50% < u r < 75% u r < 20% u r > 95% carbonatação carbonatação Temperatura

107 Concreto Carbonatação Fatores que influenciam a velocidade do avanço da frente de carbonatação Adições efeito contraditório Pozolanas refinam poros Reserva alcalina Características do concreto Traço a/c Porosidade carbonatação Qualidade de execução cura fissuras Porosidade carbonatação

108 Concreto Corrosão do aço no concreto Vamos abordar este assunto com mais detalhes na disciplina de Terapia das Construções

109 Quem faz concreto sem aditivos químicos?

110 Aditivos químicos são produtos químicos adicionados ao cimento, à argamassa ou ao concreto, para modificar uma ou mais propriedades das misturas cimentícias. A dosagem varia entre 0,05% e 5% da massa de materiais cimentícios.

111 Aditivos Principais usos Melhorar trabalhabilidade Acelerar ou retardar tempo de pega Controlar desenvolvimento de resistência Intensificar a resistência à: Ação do congelamento Fissuração térmica Expansão álcali agregado Ataque por sulfato Resistência à corrosão da armadura

112 Aditivos Principais usos Aumentar plasticidade, sem aumentar a/c Reduzir a exsudação e segregação Acelerar desenvolvimento de resistência Reduzir taxa de evolução de calor Aumentar durabilidade

113 Aditivos Generalidades Disponível em pó ou líquido Adicionados na água de amassamento Os efeitos são influenciados pela temperatura Não são uma solução para a má qualidade dos componentes Nem para o uso de proporções incorretas na mistura Tampouco para mão de obra deficiente no transporte, lançamento e adensamento

114 Aditivos Tipos de aditivos Aceleradores Retardadores Redutores de água Incorporadores de ar Especiais

115 Aditivos ABNT NBR 11768:2011: Aceleradores Acelerador de pega: Diminui o tempo de transição entre o estado plástico e o endurecido. Deve adiantar a pega em, no mínimo, 30 min. A resistência aos 28 dias deve ser, no mínimo, 80% fck referência

116 Aditivos Aceleradores Aplicações: Baixas temperaturas -2 até 4ºC Produção de pré-moldados Serviços urgentes de reparo Concreto projetado Cuidados: Não são anticongelantes Em altas temperaturas Calor de hidratação Fissuração Durabilidade

117 Aditivos Aceleradores Cloreto de cálcio A NBR 6118:2014 proíbe o uso de aditivos a base de cloretos em estruturas de concreto A NBR 11768:2011 define que aditivos com teor de cloretos 0,15%, em massa, correspondem a aditivos isentos de cloretos Outros efeitos: Retração e fluência Resistência 3 dias até 100% Calor de hidratação 30% em 24h Durabilidade Álcali agregado Sufatos Corrosão

118 Aditivos Principais tipos: Aceleradores Nitrato e nitrito de cálcio Ação inibidora de corrosão Formiato de cálcio Em teores de 2 a 3% fck Silicato de sódio Aluminato de potássio Carbonato de sódio

119 Aditivos Retardadores ABNT NBR 11768:2011 Aumenta o tempo de transição do estado fresco para o estado endurecido do concreto O início de pega deve ser atrasado em, no mínimo, 90min. O fim de pega deve ocorrer em no máximo 360 min. Aplicações Concretagem em altas temperaturas Prevenção na formação de juntas frias ACABAMENTO DE SUPERFÍCIES

120 Aditivos retardadores de pega ACABAMENTO DE SUPERFÍCIES

121 Aditivos retardadores de pega ACABAMENTO DE SUPERFÍCIES

122 Aditivos retardadores de pega ACABAMENTO DE SUPERFÍCIES

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124 Aditivos Retardadores Tipos: Açúcar Derivados de carboidratos Sais solúveis de zinco Boratos solúveis Cuidados Tendem a aumentar a retração plástica Dosagem excessiva pode inibir completamente a pega Temperaturas acima de 60ºC perdem o efeito

125 Aditivos Redutores de água ABNT NBR 11768:2011 São aditivos que, sem modificar a consistência do concreto permite reduzir a quantidade de água, em no mínimo 5% ou que sem alterar a quantidade de água, modifica a consistência do concreto, aumentando o abatimento e a fluidez Podem ser neutros, retardadores ou aceleradores

126 Aditivos Redutores de água

127 Aditivos Redutores de água Composição Ácido lignossilfônico Ácido carboxílico hidroxilados Compostos polihidroxilados Sais e modificações destes compostos Efeitos colaterais Lignosulfonatos Incorporação de ar Diminuição da resistência Retardo do tempo de pega

128 Aditivos Evolução dos redutores de água Plastificante Super Polifuncional Hiper Lignosulfonato Melanina Nafaleno Polímeros vinílicos Policarboxilatos Redução de Redução de Redução de Redução de água de até água de até água de até água de até 10% 20% 30% 40%

129 Aditivos Superplastificantes Na ausência do dispersante as partículas cimentícias em meio aquoso são naturalmente aglomeradas

130 Aditivos Superplastificantes Na ausência do dispersante: sistema aglomerado Dificuldade de movimentação entre partículas Retenção de água nos aglomerados Viscosidade Fluidez CONSUMO DE ÁGUA

131 Aditivos Superplastificantes Na ausência do dispersante: sistema disperso mobilidade entre partículas liberação de água nos aglomerados Viscosidade Fluidez CONSUMO DE ÁGUA

132 Aditivos Dosagem de superplastificantes Deve ser feita em relação ao teor de sólidos A eficiência depende da relação a/c Deve haver compatibilidade entre o aditivo e o cimento, em especial no caso de dosagem excessiva

133 Aditivos Dosagem de superplastificantes Compatibilidade entre cimento e aditivo Perda de eficiência Fatores influentes Cimento Ter de C 3 A, C 4 AF, SO 3 finura Aditivo comprimento da cadeia posição do sulfonato tipo de íon associado Ca, Na

134 Aditivos Incorporadores de ar Climas frios sujeitas a gelo e degelo Modifica a tensão superficial da água

135 Aditivos Incorporadores de ar Climas frios sujeitas a gelo e degelo Pequenas bolhas 0,1 a 0,8 mm na massa de concreto espaço de escape para os cristais de gelo

136 Aditivos Incorporadores de ar Climas frios sujeitas a gelo e degelo Efeitos colaterais Trabalhabilidade Segregação Exsudação Resistência Durabilidade

137 Aditivos quadro resumo Tipos Efeitos Vantagens Desvantagens Plastificante Aumenta o índice de consistência e possibilita a redução de pelo menos 6% da água de amassamento. Maior trabalhabilidade para determinada resistência e menor consumo de cimento para determinada resistência e trabalhabilidade. Retarda o início de pega para dosagens elevadas do aditivo, com risco de segregação. Retardador de pega Aumenta o tempo de início de pega. Mantém a trabalhabilidade a temperaturas elevadas, retarda a elevação do calor de hidratação e amplia os tempos de aplicação. Pode promover exsudação e aumentar a retração plástica do concreto. Acelerador de pega Oferece pega mais rápida e resistência inicial mais elevada. Ganho de resistência em baixas temperaturas e redução do tempo de desfôrma. Possível fissuração devido ao calor de hidratação e risco de corrosão de armaduras. Plastificante e retardador Efeito combinado do plastificante e do retardador de pega. Reduz a perda de consistência em climas quentes e úmidos. Aumento da exsudação e retração plástica; risco de segregação. Plastificante e acelerador Efeito combinado do plastificante e do acelerador de pega. Reduz a quantidade de água e permite ganho mais rápido de resistência. Risco de corrosão de armadura. Incorporador de ar Incorpora pequenas bolhas de ar no concreto. Aumenta a durabilidade ao congelamento do concreto sem elevar o consumo de cimento e o consequente aumento do calor de hidratação; reduz o teor de água e a permeabilidade do concreto. Necessita de controle cuidadoso da porcentagem de ar incorporado e do tempo de mistura. Superplastificante Elevado aumento do índice de consistência. Possibilita a redução de, no mínimo, 12% da água de amassamento. Eficiente redutor de água. Proporciona ganhos de resistência para determinada trabalhabilidade e reduz o consumo de cimento. Riscos de segregação da mistura, efeito do fluidificante é num tempo menor que o plastificante; pode elevar a perda de consistência.

138 Aditivos Modificadores de viscosidade Anti-segregante Aplicações: Deve ser adicionado ao concreto já úmido Concretagens e reparo em presença de água Concreto submerso Impede que a água lave os finos Concreto para fundações estaca hélice contínua Concreto auto adensável Diminui a resistência Alto custo

139 Aditivos Especiais IMPERMEABILIZANTES INIBIDORES DE CORROSÃO INIBIDORES DE RETRAÇÃO AUTOCICATRIZANTES

140 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM PATOLOGIA DAS CONSTRUÇÕES PATOLOGIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Arthur Medeiros Eng. Civil, Prof. Dr. arthurmedeiros@utfpr.edu.br