MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL. Cimento

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1 Curso Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL Cimento Prof. Leandro Candido de Lemos Pinheiro

2 CIMENTO A humanidade descobriu, há muito tempo, que algumas rochas naturais, depois de uma simples calcinação, geravam um produto que endurecia com a simples adição de água. A calcinação é o nome dado a reação química de decomposição térmica, usada para transformar o calcário (CaCO 3 ) em cal virgem (CaO), liberando gás carbônico (CO 2 ).

3 CIMENTO Na prática, o conceito calcinação é empregado de maneira ampla e descreve o tratamento térmico aplicado a quaisquer substâncias sólidas (por exemplo minérios) visando os seguintes objetivos: a remoção de uma fase volátil quimicamente ligada a um determinado sólido a decomposição térmica (de uma ligação química) a produção de um óxido (quimicamente semelhante ao cal) a mudança de uma estrutura em substâncias cristalinas

4 CIMENTO A partir do século II a.c., os arquitetos da antiga Roma, além dos materiais tradicionalmente conhecidos (pedra, madeira, barro, metais e outros) dispunham do opus cementicium (uma mistura de areia vulcânica com calcário e tijolos quebrados, um ancestral do concreto). Com essa massa, eles conseguiram construir estruturas monumentais, como a cúpula do Panteão, que tem 43,2 m de altura e nenhum pilar de sustentação

5 CIMENTO Em 1756 o engenheiro inglês Jonh Smeaton verificou que uma mistura composta de calcário e argila tornava-se, depois de seca, tão resistente quanto as pedras de construção. Ele usou o material em questão para a reconstrução do farol de Edystone na Inglaterra.

6 CIMENTO Em 1824, o construtor Joseph Aspdin com suas experiências envolvendo processos de mistura, queima e moagem de argila e pó de pedra calcária retirado das ruas, conseguiu um material pulverulento, no qual ele misturava uma certa quantidade de água, produzindo uma argamassa. Depois, deixava-a secar, conseguindo um material de dureza parecida com as pedras utilizadas nas edificações. Ele patenteou este pó com o nome de cimento Portland, devido às semelhanças de seu produto final com rochas da ilha britânica de Portland, as quais apresentavam características próprias como cor, durabilidade e resistência.

7 CIMENTO O Cimento Portland é um aglomerante hidráulico proveniente da moagem do chamado Clínquer Portland. O clínquer é obtido pela mistura e moagem de calcário e argila em proporções adequadas. Esta mistura é aquecida em fornos (em geral rotativos) até temperaturas próximas da fusão completa do material, sofrendo um rápido resfriamento. O clínquer Portland é moído juntamente com gesso, resultando no Cimento Portland; um material em pó, fino e de cor acinzentada.

8 CIMENTO Aglomerante hidráulico Aglomerante aéreo (gesso)

9 PRODUÇÃO DO CIMENTO Calcário (> 80%) + Argila Candiota RS

10 PRODUÇÃO DO CIMENTO Clínquer Portland Forno de clinquerização A adição do gesso (gipsita) é realizada na moagem final do cimento com o intuito de regular o tempo de pega, permitindo que o cimento permaneça trabalhável por um período de, pelo menos, uma hora.

11 PRODUÇÃO DO CIMENTO Candiota - RS Pinheiro Machado - RS

12 PRODUÇÃO DO CIMENTO

13 PRODUÇÃO DO CIMENTO

14 CIMENTO Os principais óxidos que compõem o cimento e suas representações de forma simplificada são: Os últimos 3 são provenientes da argila.

15 CIMENTO Durante o processo de hidratação do cimento, são gerados alguns compostos que proporcionam as seguintes características:

16 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland Comum (CP I) Sem qualquer adição além do gesso, conforme estabelecido na NBR 5732 Cimento Portland comum. Sua utilização é indicada em construções de concreto nas quais a estrutura não fique exposta a ambientes agressivos, com presença de sulfatos. Também se pode encontrar no mercado o Cimento Portland comum com adições (CP I-S), cuja composição apresenta a adição de material pozolânico em massa, ao ter de 5 %.

17 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland composto com filer (CP II-F) Apresenta adição de material carbonático (fíler) à mistura clínquer e gesso, estabelecida pela NBR 11578, entre 6 e 10 %, em massa, em relação ao cimento comum. Sua utilização não é recomendada em ambientes agressivos. Materiais carbonáticos são rochas moídas compostas por carbonato de cálcio, como o calcário. Quando adicionados ao concreto são denominados fíler.

18 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland composto com pozolana (CP II-Z) Contém adição de material pozolânico no percentual de 6 a 14 %, em massa; admitindo até 10 % de fíler à composição. A característica de resistência a sulfatos torna o composto pozolânico recomendado à aplicação em ambiente com sulfatos, tais como obras marítimas, subterrâneas ou industriais. Pozolana é um material composto em grande parte por silicatos que reagem com o hidróxido de cálcio liberado na hidratação do cimento, produzindo uma pasta compacta com resistência a certos agentes agressivos.

19 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland composto com escória (CP II-E) Apresenta adição de escória granulada de alto-forno estabelecido pela NBR com valores entre 6 e 34 %; com a possibilidade de adição de fíler ao teor máximo de 10 %. É recomendado para estruturas com necessidade de calor de hidratação moderado, tais como grandes maciços de concreto, como obras de barragens. A escória de alto-forno é obtida pelo processo de fusão do subproduto da produção de aço ou ferro, conhecido como escória de ferro. Esta fusão gera um material vítreo, capaz de ser moído. Esta escória é composta por silicatos inertes que se comportam como aglomerantes hidráulicos, auxiliando no endurecimento da pasta.

20 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland de alto-forno (CP III) Especificado pela NBR 5735 Cimento Portland de alto-forno. Apresenta adição de escória em um percentual superior ao utilizado no cimento composto CP II-E; fato que proporciona a este cimento características como: baixo calor de hidratação e maior resistência a agentes agressivos. Sua utilização é indicada para os mesmos casos do cimento composto por escória, porém com vantagens em relação ao CP II.

21 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland pozolânico (CP IV) Especificado pela NBR 5736 Cimento Portland pozolânico. Apresenta adição de material pozolânico na proporção de 15 a 50 % em massa. O alto teor pozolânico proporciona ao concreto uma maior impermeabilidade e consequente durabilidade.

22 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland de alta resistência inicial (CP V-ARI) Não apresenta nenhum tipo de adição, embora possa ser comercializado com teor de material carbonático de até 5 %. Diferente dosagem entre calcário e argila utilizada na produção do clínquer e processo mais aprimorado de moagem que proporciona um cimento de grãos mais finos. Amplamente utilizado em estruturas pré-moldadas de concreto e em estruturas que exijam resistências iniciais mais elevadas nas primeiras idades. A norma brasileira NBR Cimento Portland de alta resistência inicial - define os parâmetros de produção deste tipo de cimento.

23 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland resistente a sulfatos (CP RS) Este tipo de cimento busca proporcionar resistência a ambientes agressivos sulfatados que tendem a acarretar manifestações patológicas nas estruturas de concreto. Este tipo de cimento é indicado para regiões marítimas e industriais. A norma NBR 5737 Cimentos Portland resistentes a sulfatos apresenta as características inerentes ao cimento do tipo RS. Segundo esta norma, cinco tipos de cimentos podem apresentar resistência a sulfatos (CP I, CP II, CP III, CP IV e CP V-ARI), desde que satisfaçam as seguintes condições: - Teor de aluminato tricálcico (C3A) do clínquer e teor de adições carbonáticas de no máximo 8 % e 5 % em massa, respectivamente; - Cimentos do tipo alto-forno que contiverem entre 60 % e 70 % de escória granulada de alto-forno, em massa; - Cimentos do tipo pozolânico que contiverem entre 25 % e 40 % de material pozolânico, em massa; - Cimentos que tiverem antecedentes de resultados de ensaios de longa duração ou de obras que comprovem resistência aos sulfatos.

24 TIPOS DE CIMENTO Cimento Portland branco (CPB) Produzido a partir de clínquer Portland branco. A cor é obtida a partir de matérias primas com baixos teores de óxido de ferro e manganês; além do fato de utilizar caulim ao invés de argila. A NBR Cimento Portland branco apresenta as especificações e exigências para este tipo de cimento. O caulim é um minério composto de silicatos hidratados de alumínio, como a caulinita e a haloisita. Apresenta coloração branca.

25 CIMENTO NA CONCRETEIRA

26 ARMAZENAMENTO DO CIMENTO É necessário evitar qualquer risco de hidratação do cimento durante o transporte e a estocagem. Não se recomenda o armazenamento de cimento por mais de três meses. Quando se inicia a hidratação, o que se percebe pela existência de nódulos que não se desmancham com a pressão dos dedos, o cimento torna-se suspeito para aplicação em concreto estrutural. Pode ser usado, após peneiramento, somente em serviços de menor risco, como argamassas, pavimentos secundários, etc...

27 RESISTÊNCIA DO CIMENTO A classe de resistência é estabelecida com base no resultado aos 28 dias de idade da resistência à compressão de uma pasta do cimento determinada de acordo com a norma brasileira NBR 7215 Cimento Portland Determinação da resistência à compressão. As designações das classes de cimento são 25, 32 e 40; referindo-se as resistências à compressão de 25, 32 e 40 MPa, respectivamente. CP IV-32, indica um cimento Portland pozolânico cuja resistência à compressão conforme a NBR 7215 é de, pelo menos, 32 MPa aos 28 dias de idade.

28 RESISTÊNCIA DO CIMENTO A argamassa a ser ensaiada deve ser produzida com uma areia normal, cujas especificações atendam a NBR 7214 Areia normal para ensaio de cimento Especificação. A NBR 7215 especifica todas as condições de ensaio, desde a temperatura ambiente do laboratório (24 ± 4 C) até os métodos de cura dos corpos de prova; passando pela dosagem dos materiais. A relação água/cimento da argamassa igual a 0,48.

29 RESISTÊNCIA DO CIMENTO A mistura dos materiais deve ser realizada com equipamento mecanizado e padronizado. Os corpos de prova de argamassa são moldados em formas cilíndricas com dimensões 5 x 10 cm e rompidos sob compressão.

30 RESISTÊNCIA DO CIMENTO Antes do rompimento os exemplares devem ser capeados com um mistura de enxofre a quente. Para cada idade, devem ser rompidos quatro CP s; sendo a resistência à compressão igual à média dos resultados, em MPa. Os quatro resultados individuais de resistência, bem como a média destes resultados e o desvio padrão máximo deverão compor o certificado de ensaio.

31 RESISTÊNCIA DO CIMENTO Quando o desvio padrão máximo for superior a 6 %, deve ser calculada uma nova média, desconsiderando o valor discrepante. Este valor descartado deve ser identificado no certificado de ensaio por um asterisco. A tabela abaixo apresenta os valores mínimos exigidos de resistência à compressão para cada idade de rompimento de todos os tipos de cimento comercializados no Brasil.

32 PEGA E ENDURECIMENTO Perda de plasticidade da pasta devido ao início das reações químicas nos compostos do cimento. Ao tempo transcorrido entre a mistura e o início das reações dá-se o nome de início de pega. O início de pega pode ser percebido através do aumento repentino da viscosidade da pasta, bem como pelo aumento de sua temperatura decorrência das reações exotérmicas da hidratação do cimento. Por convenção, dá-se o nome de fim de pega ao ponto em que a pasta de cimento atinge um estágio de indeformabilidade ao sofrer pequenas solicitações de cargas.

33 PEGA E ENDURECIMENTO Após o fim de pega, a pasta de cimento continua o processo de incremento de resistência mecânica e coesão; etapa conhecida como endurecimento. Determinar o início e o fim de pega do cimento é importante para se ter uma noção do período em que o concreto irá apresentar plasticidade, permitindo o transporte, lançamento e adensamento; bem como o instante a partir do qual se poderá transitar sobre ele e iniciar o procedimento de cura. Cura é o conjunto de procedimentos realizados para evitar a perda acelerada de água do maciço de concreto nos primeiros dias após o lançamento.

34 PEGA E ENDURECIMENTO Diversos são os fatores que influenciam nos tempos de início e fim de pega: Composição de cimento rica em aluminato tricálcico (C3A) acarreta períodos curtos de início de pega, pois provoca um rápido endurecimento da pasta. A adição de gesso ao composto corrige este tempo. Quanto mais aprimorada for a moagem do clínquer, ou seja, mais fino forem os grãos do cimento, mais rápido o início de pega. Isto ocorre devido a maior área de hidratação dos grãos no caso de moagem mais fina. O aumento da temperatura culmina em redução do início de pega pela aceleração das reações químicas.

35 PEGA E ENDURECIMENTO A medição do tempo de pega do cimento é feita com a utilização de uma agulha acoplada ao Aparelho de Vicat. A norma NBR NM 65 Cimento Portland Determinação do tempo de pega, estabelece as condições e metodologias de ensaio. O ensaio consiste em produzir uma pasta de cimento de consistência normal e penetrar uma agulha de forma padronizada à mesma.

36 PEGA E ENDURECIMENTO O tempo de início de pega é, em condições normalizadas, o intervalo de tempo decorrido desde a adição de água ao cimento até o momento em que a agulha de Vicat penetra na pasta até uma distância de (4 ± 1) mm da placa base. O tempo de fim de pega é, em condições normalizadas, o intervalo de tempo decorrido desde a adição de água ao cimento até o momento em que a agulha de Vicat penetra 0,5 mm na pasta.

37 CALOR DE HIDRATAÇÃO As reações que ocorrem na pasta de cimento durante o período de pega e endurecimento são exotérmicas. Os efeitos do calor da hidratação do cimento são mais sensíveis nos concretos-massa, uma vez que a dissipação térmica ocorre pela superfície da peça e este calor é proporcional ao volume, provocando efeitos desfavoráveis. Os efeitos da elevação da temperatura dos concretos e argamassas em decorrência da energia térmica liberada podem ser muito nocivos às estruturas. Em algumas situações o calor de hidratação pode ser favorável, como por exemplo, nas concretagens que são realizadas em situações de baixa temperatura, uma vez que este calor tende a oferecer energia de ativação para as reações de hidratação.

38 FINURA A medida da finura do cimento Portland busca verificar a granulometria dos grãos deste material. Como a hidratação do cimento se dá através da superfície dos grãos, a finura (grau de moagem) irá influenciar na rapidez da hidratação e em propriedades como calor de hidratação, retração, incremento de resistência com a idade, entre outras. Cimentos mais finos terão maiores resistências nas primeiras idades, bem como, tenderão a ser mais homogêneos (resistentes à penetração de água). Esta finura, no entanto, aumenta a possibilidade de fissuração e retração, através da quantidade de calor liberada.

39 FINURA NBR Cimento Portland - Determinação da finura por meio da peneira 75 µm (n 200). Consiste em determinar a percentagem retida de uma amostra de cimento em uma peneira com abertura de malha de 0,075 mm (peneira de n 200). Utiliza-se uma amostra de cimento de 20 gramas, coloca-se esta sobre a peneira n 200 e se inicia peneiramento mecanizado por um período de 3 minutos. Exemplo: Cimentos portland comum da classe CP I 32 apresentam resíduo retido na peneira de n 200 inferior a 12 %.

40 MASSA ESPECÍFICA A determinação da massa específica do cimento é realizada com base na norma NBR NM 23 Cimento Portland e outros materiais em pó Determinação da massa específica. O Frasco de Le Chatelier é utilizado para a determinação desta propriedade através da diferença de volume. Um determinado líquido (em geral querosene) é introduzido no frasco e tem seu volume medido. Após, uma massa previamente conhecida de cimento é colocada neste frasco e a variação de volume da mistura é determinada.

41 Curso Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL Cimento Prof. Leandro Candido de Lemos Pinheiro