Ciência e engenharia de materiais: tendências no desenvolvimento dos materiais de construção civil Prof. Maristela Gomes da Silva

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1 Ciência e engenharia de materiais: tendências no desenvolvimento dos materiais de construção civil Prof. Maristela Gomes da Silva Departamento de Engenharia Civil

2 Porque estudar materiais de construção? base da construção (técnica e disciplinas) seleção e especificação de materiais gestão de materiais em obra desconhecimento e suas conseqüências novos materiais

3 Construção civil execução administração estatística gestão de recursos humanos materiais química geologia ciência dos materiais projeto ciência da construção hidráulica mecânica estabilidade

4 Ciência x Eng. de Materiais A-D Ciência dos materiais C-G Eng. de materiais

5 Como estudar os materiais? empírico + científico

6 Histórico Industrialização Produção em massa Pré-fabricados Desempenho durabilidade Qualidade satisfação do usuário Construção sustentável energia reciclagem durabilidade

7 Histórico Pedra Madeira Solo reforços aditivos Cerâmica Gesso Cimento Romano cinzas vulcânicas cal Cal hidráulica Aço Cimento Portland Concreto armado/protendido

8 Histórico ~ rochas solos madeira aço cerâmica concreto reforçado cimento, gesso, cal vidro ~ plásticos isolantes revestimentos selantes reforçados com fibras Cimento Amianto GRC tecidos concretos especiais resíduos outros metais aglomerados de madeira

9 Crescimento populacional Bilhões de pessoas Peste Negra Tempo A.C. D.C 2-5 milhões de anos Revolução industrial Revolução agrícola Caça e coleta Fonte: Living in the Environment, Tenth Edition, G. Tyler Miller, Jr., 1998 Andrea Larson, Darden Graduate School of Business Administration, University of Virginia, Framing Innovation for Sustainability, Greening of Industry Conference, October 12-15, 2003, San Francisco, CA

10 Sacred lotus or waterlily (Nelumbo nucifera) (Source: Department of Botany at Bonn University Self-cleaning facade painted with Lotusan (Source: Department of Botany at Bonn University) Biomimética Nanotecnologia

11 Adesão

12 Claude Ouimet - Interface Claude Ouimet - Interface

13 Tendências e desafios Diminuição da massa específica Aumento da resistência mecânica Manutenção e durabilidade Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia Racionalização e Industrialização Materiais&Meio Ambiente Sustentabilidade (matériasprima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem) Capacidade de suportar temperaturas elevadas Especificação por desempenho flexibilidade + competição tecnológica customização

14 Tendências e desafios

15 Sustentabilidade

16 Durabilidade e vida útil Declarada pelo Fabricante Comunidade Européia + competição reserva de mercado + assistência técnica aos consumidores pesquisa Preservação ambiental Manutenção < custos > planejamento

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20 Resíduo de construção e demolição (em massa) Vanderley M. John - EPUSP Construção Manutenção Demolição SP ( ) = 1,16 (BRITO Fo. 1999)

21 Consumo de recursos naturais renováveis 1999 Vanderley M. John - EPUSP Renováveis (%) (MATOS & WAGNER, 1999)

22 Impacto Ambiental Todas as fases Matérias primas.. Descarte após o uso Recursos naturais Energia Poluição Saúde Saúde amianto metais pós alguns polímeros

23 Produção linear planejamento projeto Recursos Recursos Naturais naturais ilimitados produção Vanderley M. John - EPUSP extrativismo custo-desempenho uso Lixo Lixo

24 Produção Linear planejamento Recursos Naturais projeto produção Vanderley M. John - EPUSP extrativismo custo-desempenho uso Lixo Lixo

25 Reinventar o desenvolvimento...

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27 Materiais x ambiente Consomem recursos naturais matérias primas energia produção transporte Geram poluição do ar e água Produção, transporte, uso e operação, demolição Produzem resíduos Produção Média - 6% é útil e 94%, resíduo utilização (desperdício) demolição reciclável? Desempenho do edifício energia durabilidade qualidade do ar interno

28 Uso de materiais e sustentabilidade O que estamos usando? Toxicidade

29 Uso de materiais e sustentabilidade Gestão de recursos Quão bem estamos usando? Toxicidade

30 Uso de materiais e sustentabilidade Gestão de recursos Toxicidade Desempenho

31 O que torna um produto verde? Baixo impacto ambiental ao longo do ciclo de vida Matérias primas Manufatura Embalagem, transporte Instalação Uso: energia, qualidade do ar interno Vida útil esperada Fim de vida (disposição pós-uso) bom senso!

32 Alternativas tecnológicas Tijolos cerâmicos maciços Tijolos prensados de de solo-cimento Tijolos prensados de de co-produtos siderúrgicos Lenha considerada como energia neutra dispensa queima, material natural??

33 Apresentação dos resultados: índice ambiental 0,388 Pt 0,317 Pt NOx Metano 2,01 Pt 0,22 Pt

34 Apresentação dos resultados: índice ambiental

35 Materiais e sustentabilidade Não existe material ideal Sempre existem impactos ambientais Empregar os materiais em funções onde ele é o mais eficiente! Custo deve ser considerado

36 Item RESÍDUOS GERADOS ORIGEM GERAÇÃO MÉDIA (t/mês) DESTINO 1 Areia de fundição FUNDIÇÃO ,00 CASP Classe II 2 Cal Dolomítica Fina CALCINAÇÃO 720,00 Reciclagem Sinterização Classe II 3 Cal Calcitica fina CALCINAÇÃO 2.700,00 Reciclagem Sinterização Classe II 4 Pré cal Calcítica CALCINAÇÃO 1.700,00 Reutilização na Sinterização Classe II 5 Calcareo calcitico CALCINAÇÃO Classe III 6 Pré cal Dolomítica fina CALCINAÇÃO 520,00 Reutilização na Sinterização Classe II 7 Fino Calcário Calcítico CALCINAÇÃO 2.900,00 Reciclagem Sinterização / ETB 8 Fino Calcário Dolomítico CALCINAÇÃO 1.140,00 Reciclagem Sinterização CLASSIFICAÇÃO 9 Dolomita fina CALCINAÇÃO Reciclagem Sinterização Classe III 10 Escória de Dry-pit (Bruta) ALTO FORNO 435,00 CASP 11 Escória Granulada (AF) ALTO FORNO ,00 Venda Classe II 12 Escória de Cobre JATEAMENTO PEÇAS 250,00 Disposição Temporária Classe II 13 Escória Aciaria(LD) ACIARIA 250,00 Doação / Venda Classe II 14 Escória Lixo(LX) ACIARIA 250,00 Doação Classe II Como transformar 15 Esc. Res. Benefic Gusa LIMPEZA CARRO TORPEDO 250,00 CASP 16 Escória Residual Sucata PLANTA BENEF. 250,00 Reutilização Sinterização / Briquetagem 17 Escória Skimmer PLANTA PÁTIO ESC. 250,00 Reutilização na Aciaria Classe II 18 Escoria aciaria FINO ACIARIA doação resíduos em produtos? 19 Fino da escória da aciaria in natura CANTEIRO 8 20 Lama de Aciaria (Fina) ACIARIA 250,00 Reutilização na Sinterização Classe II 21 Lama de Aciaria (Grossa) ACIARIA 250,00 Reutilização na Briquetagem Classe II 22 Lama de Alto Forno ALTOS FORNOS 1 E 2 250,00 Venda / CASP Classe II 23 Lama da ETB EST. TRAT. BIOL 250,00 Reutilização Sinterização Classe II 24 Lama da ETA(Lodo) ETA 1.500,00 CASP 25 Lama do Apag. Umido(CWQ) COQUERIA Reutilização na Sinterização Classe III 26 Lama da bacia de dec. Pátio de carvão COQUERIA Reutilização no pátio de carvão Classe II 27 Refratario (Lança de Argônio) ACIARIA 10,00 CASP Classe II 28 Lama da limpeza decant do pátio de escória PATIO DE ESCORIA Reutilização na Sinterização 29 Lama da lavagem de calcario CALCINAÇÃO Reutilização na Sinterização 30 Pó do Desp.Stock House ALTOS FORNOS ETL 31 Pó Balão Altos Fornos ALTOS FORNOS 2.100,00 Reutilização na Sinterização Classe II 32 Pó Carbonoso Coqueria COQUERIA 750,00 Venda Classe III 33 Pó do Desp. Dessulfuração ACIARIA 580,00 Reultilização na Sinterização Classe II 34 Pó do desp.secundário Aciaria ACIARIA (?) Reultilização na Sinterização Classe II 35 Pó do desp. Secund. Sinter SINTERIZAÇÃO Reultilização na Sinterização 36 Pó de carbureto ACIARIA Reultilização na Sinterização 37 Res. Ind. Sinter SINTERIZAÇÃO 4.500,00 Reutilização na Sinterização 38 Refrátario (Fino e isolante) ACIARIA (?) CASP Classe II 39 Snorkel (Sucata) ACIARIA 6,00 Reutilização na Aciaria

37 Escória de alto-forno produção nacional 6,4 milhões t/ano

38 Escória de alto-forno Reciclagem no cimento Tipo Sigla Escória Pozolana Pó Calcário Comum CP I Composto CP II E CP II Z CP II F 0-5 Alto Forno CP III Pozolânico CP IV ARI CPV ARI 0-5

39 Poluição do ar % Total CO 2 2 emission 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 EFEITO ESTUFA CO 2 gerado pela indústria cimenteira 1000 kg CaCO kg CaO 440 kg CO Year 1,0

40 CO 2 de diferentes cimentos Total CO 2 (kg/ton) CPI CPIIE CPIV CPIII Brazilian cement types

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45 Estrutura tipo Bulky (MELBY et al., 1997)

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49 Ensaios

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51 Ensaios de difusão de cloretos Mistura A (50% CP III 32 RS + 50% bfs) 1136 Baixo Mistura D4 (4% Na 2 O sodium silicate) 941 Muito baixo

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53 Avaliação do impacto da estrutura em meio marinho monitoramento em laboratório - ph, - condutividade elétrica, - análise química da água; - oxigênio dissolvido. sistema de simulação de maré (bombas de aguário)! Criatividade na metodologia

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56 Revisão de literatura Metodologia Projeto de experimentos Caracterização dos materiais Dosagem e moldagem concretos Avaliação propriedades físicas e mecânicas Avaliação propriedade durabilidade Manual de transferência tecnológica

57 Durabilidade x escória de altoforno Dosagem C20 C30 C35 C40 CPII 30% bfs CPIII 66% bfs CPIII+E 83% bfs Propriedades Durabilidade

58 Avaliação da durabilidade Ataque sulfático ASTM C-1012 Variação dimensional

59 Avaliação da durabilidade Difusão de íons cloreto ASTM 1202

60 Avaliação da durabilidade Carbonatação Medida da profundidade de carbonatação Carbonatação acelerada 100% CO 2 10% CO 2 Carbonatação em ambiente controlado de laboratório

61 Avaliação da durabilidade Carbonatação Equipamento desenvolvido para realização dos ensaios! Criatividade e tecnologia de controle

62 Corrosão das armaduras

63 Avaliação da durabilidade Corrosão das armaduras Eficiência do cobrimento Ensaio cíclico Carbonatação - Névoa salina 7 dias Secagem 20 mm (NB1-1978) 30 mm (NBR ) Simulação íons cloreto - carbonatação Criatividade 7 dias na proposta de metodologia metodologia! 7 dias

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65 Tijolos com co-produtos siderúrgicos

66 Ensaios! Resultados melhores que tijolos do mercado

67 Caracterização ambiental

68 Pesquisa CONMAT (EUA) Novos materiais para construção civil US$ 2,1 bi 10 anos SHRP (EUA) Strategic Highway Research Program rodovias 150 milhões Resultados 150 novas tecnologias EUREKA (Europa) C. Civil > 10% dos projetos Wood Initiative

69 Tendências de materiais Concretos Resistência possibilidade de variações Consumo energético resíduos Durabilidade projetada Pigmentados Texturas Plásticos superou problemas durabilidade resist. Fogo resist. Mecânica Reforçados Novos polímeros Revestimentos uso generalizado Coberturas Estruturas

70 Tendências de materiais Compósitos pequenas espessuras resist. Impactos Matrizes poliméricas frágeis gesso novos cimentos Fibras vidro polímeros metais

71 Tendências de materiais sub-produtos industriais mercado verde imposição legal Holanda redução de custo alto custo de aterro materiais especiais cimento mistura no canteiro agregados alvenarias.

72 Novos materiais e componentes: Mecanismos de deterioração ataque químico das fibras densificação da interface

73 Tendências Novos materiais

74 Tendências Zona de transição x pesquisas em concreto

75 Tendências Teflon + fibra de vidro The Dome - Londres 320 m de diâmetro, 8ha US$24 milhões vida útil = 25 anos

76 Tendências

77 Tendências Fachadas leves Cimento reforçado com fibras de vidro Painéis com 4,9 m sobre estrutura de aço (Chicago)

78 Tendências Asfaltos coloridos Painéis Agriboard Reciclagem de palha

79 Tendências Tinta de silicato sem solvente Tendências Durável (20 a 30 anos) Baixa manutenção Anti-fungo Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003.

80 Tendências Placa modular carpete + 25% teor reciclado 5% energia alternativa (hidro, solar, vento) média 3% redução de consumo energético nos últimos 5 anos Em 14 meses reciclou >2000 t de carpete Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003.

81 Tendências Geotêxtil de PET reforço com geotêxtil não tecido PET Reciclagem de PET

82 Materiais renováveis com gestão sustentável Madeira de reflorestamento ou certificada Pinus Eucaliptos Cautela com tratamentos de madeira Aditivos Adesivos (VOC) Preservativos Pintura base solvente! Privilegiar detalhes de projeto para prevenir deterioração!

83 Existem alternativas! Manual Madeira: Uso sustentável na construção civil (IPT, SVMA-SP, SindusCon-SP, 2003)

84 Análise de ciclo de vida norma ISO Cradle-to-Grave limites Comparações reais Modelos econômicos Ciência e engenharia Projeto para sustentabilidade Indices impacto ambiental pegada equivalente CO2 Cálculos Interpretações Crescimento populacional Ralph Harris, Metals and Materials Engineering, McGill University, 14nov2003 Padrão de vida Complexidade Sustentabilidade Ciclo de materiais Complexidade Ferramentas/Tecnologias Eliminação na fonte Redução na fonte Disposição resíduos tratamento resíduos Reciclagem

85 Necessidades atuais Segurança estrutural Vida Útil Construtibilidade Economia Sustentabilidade

86 Centro Empresarial Nações Unidas Torre Norte São Paulo 1998 Altura 179 m f ck = 50MPa Vida útil=250 anos

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88 e-tower

89 e-tower Building São Paulo HPC colorido record mundial 125 MPa Feb. 2002

90 Ensaios de laboratório rio

91 Materiais

92 Central de concreto

93 Obra

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95 Obra

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101 Armadura Alta taxa de armadura Cobrimento de 3 cm

102 Construtibilidade

103 Produtividade 5.5 m lançamento nenhum defeito rapidez acabamento

104 Pilares em concreto de alto desempenho

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106 Controle tecnológico

107 Controle tecnológico Módulo de deformação Resistência à compressão

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109 Vida útil da e-tower estimada em 980 anos!!!!

110 Exercício 1 (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico?

111 Exercício 2 (entrega no dia 24/03, pesquisa individual) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico?

112 Síntese da aula de 17/03

113 Ciência x Eng. de Materiais A-D Ciência dos materiais C-G Eng. de materiais

114 Ciência dos Materiais Mecanismos de deterioração ataque químico das fibras densificação da interface

115 Ciência dos Materiais Defeitos e interfaces Zona de transição x pesquisas em concreto

116 Engenharia de Materiais Estudo de caso: e-tower Building fck=125 MPa Concreto auto-adensável (altura de lançamento, densidade de armadura) Concreto de alto desempenho (HPC colorido) Construtibilidade e elevada produtividade Vida útil de projeto=980 anos

117 Tendências e desafios Diminuição da massa específica Aumento da resistência mecânica Manutenção e durabilidade Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia Racionalização e Industrialização Materiais&Meio Ambiente Sustentabilidade (matériasprima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem) Capacidade de suportar temperaturas elevadas Especificação por desempenho flexibilidade + competição tecnológica customização

118 Sustentabilidade

119 Vidros e cerâmicas Cimento e concreto Tendências Aços e metais outros materiais Tintas e resinas

120 Conseqüências > Novos materiais novas possibilidades novos detalhes Projeto + informação + conhecimento seleção é crítica Gestão estoque modernização / adaptação > Riscos aprovação técnica certificação seguro Formação do Engenheiro ciências e engenharia de materiais continuada pós-graduação

121 Classificação dos materiais Ciência dos Materiais metais (ferrosos e não ferrosos) cerâmica (vidro, concreto e cerâmica) polímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas) compósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia) condutores e supercondutores biomateriais materiais especiais (alto desempenho)

122 Classificação dos materiais do ambiente construído Ciência e Engenharia de Materiais 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos

123 Classificação dos sistemas do ambiente construído Engenharia de Materiais Sistemas de vedações verticais Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção Sistemas de impermeabilização... Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais

124 Exercício 3 (entrega e apresentação em 10 a 15 minutos no dia 07/04, 14:00-18:00, até 02 alunos) Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

125 Materiais para sorteio 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos

126 Grupo de materiais para sorteio 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para Materiais concreto Metálicos armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal Materiais Cerâmicos 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) Materiais Cerâmicos 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes Materiais Poliméricos 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica Materiais Compósitos 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos

127 Exercício 4 (aula do dia 07/04, individual, 60minutos) Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

128 Sistemas Sistemas de vedações verticais Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção... Sistemas de impermeabilização Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais

129 Leitura Individual ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.

130 Exercício 5 Entregar no início da aula (07/04) resumo (máximo 5 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.