MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO II A Estrutura Interna do Concreto Professora: Eng. Civil Mayara Custódio, Msc.
Definições Macroestrutura: Estruturas visíveis à vista humana; Olho humano 1/5 de milésimo (200µm). Microestrutura: Estruturas vistas com auxílio de microscópios; Microscópio eletrônico: Concreto Aumento da ordem de 100 a 150 vezes.
Estrutura de Concretos Concreto Estrutura Heterogênea Complexa Composição depende de Inúmeros Fatores Macroestrutura Agregados Pasta Microestrutura Agregados Pasta Vazios + Água Zona de Transição
Estrutura de Concretos Macroestrutura: Agregados Pasta de cimento Microestrutura: Interface agregados / pasta = ZONA DE TRANSIÇÃO Espessura = ± 1 / 20 mm
Estrutura de Concretos Microestrutura: Estudo através de microscopia ótica e eletrônica. Aumentos de até 900.000 x em imagens tridimensionais. Espetroscopia por energia dispersiva por feixes de raios X (permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de uma região da amostra).
Estrutura do Concreto Importância do estudo da microestrutura: Entendimento do comportamento do concreto: Previsão e otimização das propriedades. Análise de patologias do concreto: Possível prevenção de patologias; Contribuições para durabilidade de estruturas. Desenvolvimento de novos materiais e estudo das consequências nas propriedades do concreto; A análise microscópica pode ser considerada um ensaio não-destrutivo e eficiente.
Estrutura do Concreto Âmbito Macroscópico: Considerado um material bifásico. Agregados; Pasta endurecida (matriz de cimento porosa).
Estrutura do Concreto Âmbito Microscópico: Estrutura bastante complexa. Heterogeneidade relacionada a: Porosidade; Quantidade de água; Tempo de hidratação (idade)... Zona de transição: Região entre as partículas de agregado graúdo e a pasta; Considerada como a terceira fase do concreto; É a fase mais fraca do concreto e mais complexa.
Estrutura do Concreto Três fases: Agregado; Pasta; Zona de transição; OBS.: Cada fase é de natureza multifásica: Agregado: Composição mineralógica, microfissuras, vazios; Pasta e Zona de transição: diferentes fases sólidas, poros, microfissuras... Estão sujeitas a modificações com o tempo, umidade e temperatura.
Fase 1 - Agregado Representam 80 a 90 % do volume do concreto. É responsável pelas seguintes propriedades do concreto: Massa unitária; Módulo de elasticidade; Estabilidade dimensional.
Fase 1 - Agregado Fatores relacionados aos agregados que influenciam as propriedades do concreto: Porosidade; Forma Arredondada, chatas, alongadas, angulares... Textura Lisa ou rugosa. OBS.: Têm influência na resistência e na durabilidade de concretos.
Fase 1 - Agregado Porosidade: Se o grão do agregado absorve muita água, pode faltar água na região de aderência com a pasta.
Fase 1 - Agregado Rugosidade: Aumenta superfície específica (SE) e a aderência com a pasta, mas dificulta a trabalhabilidade do concreto.
Fase 1 - Agregado Forma dos grãos: Grãos lamelares ou em formato de agulha prejudicam a trabalhabilidade do concreto.
Grãos lamelares Maior quantidade de vazios Maior consumo de pasta de cimento Agregados mais rugosos Maior S.E. Maior aderência com a pasta (dificulta a trabalhabilidade) Custo elevado Alto calor de hidratação Exige mais água Maior consumo de cimento (para manter a mesma a/c) Alta retração térmica
Composição: SÓLIDOS VAZIOS / POROS ÁGUA Estágios da hidratação do cimento: Estágio I: Em contato com a água, ocorre uma rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis solúveis, Ca 2+, SO 4 2- e íons OH em solução, resultando em um ph de 12 a 13.
Estágios da hidratação do cimento: Estagio II: Os íons Ca 2+, SO 4 2- e íons OH reagem com os silicatos e aluminatos para formar gel de C-S-H e etringita, formando com o gesso uma barreira em torno dos grãos de cimento não hidratados, retardando novas hidratações, permitindo um período de trabalhabilidade durante o qual o concreto deve ser lançado e assentado. Estágio III:A concentração de íons Ca 2+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira. Com a supersaturação de Ca 2+, seguida da precipitação de Ca(OH) 2 ocorre uma rápida hidratação dos grãos de cimento gerando gel de C-S-H e etringita. A formação de gel de C-S-H e o intertravamento das partículas promovem a pega e o endurecimento.
SÓLIDOS Silicato de cálcio hidratado (C-S-H) Estrutura fibrilar Hidróxido de cálcio ou Portlandita (CH) Estrutura prismática Sulfoaluminatos de cálcio ou Etringita Estrutura acular Grãos anidros;
1. Estruturas Fibrilares: C-S-H Cristais de C 3 S e C 2 S hidratados: 50 % a 60% do volume da pasta. São as estruturas C-S-H. Obs.: C=CaO, S=SiO 2, H=H 2 O. Uniões através de ligações de van der Waals. Excelente resistência mecânica e química. Não tem forma física bem definida. É o composto mais importante para a resistência da pasta.
A morfologia dos cristais depende das condições de cura do concreto.
2. Estruturas Prismáticas: C-H (Portlandita) Hidróxido de cálcio Ca(OH) 2 Tende a formar cristais grandes, sob a forma de prismas hexagonais Representa 20 a 25% do volume de sólidos Responsáveis pelo ph elevado da pasta (ph 13) Reduzem a acidez do concreto! Cristais porosos com baixa resistência mecânica É bastante solúvel em água É quimicamente muito reativo
Estruturas Prismáticas: C-H (Portlandita)
3. Estruturas Aculares: Etringitas Sulfoaluminatos de cálcio Produto da hidratação dos aluminatos Cristais grandes e volumosos formados por C 3 A + gesso hidratados São os primeiros cristais da pasta a se formar Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica Representam 15 a 20 % do volume de sólidos
- Formam-se nas primeiras horas de hidratação; - Agulhas se intertravam e prendem muita água; - Prejudicam a trabalhabilidade
4. Vazios ou poros Espaço interlamelar no C-S-H 5 a 25 Angstrons Vazios capilares 10nm 5 µm Ar aprisionado / incorporado 3 a 200 µm
4. Vazios ou poros Espaço interlamelar no C-S-H 5 a 25 Angstrons Vazios capilares 10nm 5 µm Ar aprisionado / incorporado 3 a 200 µm Maior quantidade de vazios e maiores diâmetros médios: - Maior porosidade; - Maior permeabilidade; - Menor resistências mecânica; - Menor resistência química; - Maior retração; - Maior fluência.
1Å=10-10 m 1µm=10-6 m 4. Vazios ou poros Espaço interlamelar das estruturas C-S-H: Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas 5 a 25Å (1 Å= 10-10m) 28% da porosidade capilar no C-S-H; Poros muito pequenos para afetar a resistência mecânica ou a permeabilidade. Água é retida por pontes de hidrogênio; Quando a água sai destes espaços, a retração é significativa.
4. Vazios ou poros Vazios Capilares: Poros onde a água de amassamento fica aprisionada. 20 a 22% do peso de cimento em água reage quimicamente ( água estequeométrica ). Toda a água além disto é utilizada apenas para garantir a trabalhabilidade do concreto. A água excedente sobra e fica aprisionada dentro dos poros capilares. Em concretos comuns (a/c entre 0,40 a 0,65 boa plasticidade), sobra cerca de 50 a 70% da água utilizada. Vazios > 50 nm = macroporos prejudiciais à resistência e à impermeabilidade do concreto; Vazios < 50 nm = microporos importantes para a retração e fluência das peças de concreto.
4. Vazios ou poros Ar aprisionado / Incorporado: Ar aprisionado: Pequenas bolhas de ar (±5mm) que ficam aprisionadas durante a mistura na betoneira. Ar incorporado: Bolhas de 50 a 200 µm (1µm=10-6 m), que favorecem a trabalhabilidade, aumentam o abatimento sem adição extra de água (não altera a relação a/c). Incorporadas através de aditivos IAR (incorporadores de ar). Pode ser utilizada para melhorar a resistência do concreto ao fenômeno gelo-degelo.
4. Vazios ou poros Ar aprisionado / Incorporado: Ar aprisionado: Pequenas bolhas de ar (±5mm) que ficam aprisionadas durante a mistura na betoneira. Ar incorporado: Bolhas de 50 a 200 µm (1µm=10-6 m), que favorecem a trabalhabilidade, aumentam o abatimento sem adição extra de água (não altera a relação a/c). Incorporadas através de aditivos IAR (incorporadores de ar). Pode ser utilizada para melhorar a resistência do concreto ao fenômeno gelo-degelo.
4. Água Na pasta recém endurecida, existe muita água, tanto livre (líquida) quanto quimicamente combinada. Estas águas são mais ou menos fáceis de sair do concreto, a pasta, que é inicialmente saturada, sofre uma perda contínua da água até o equilíbrio com a umidade do meio ambiente. Sob forte calor, 100 % da água da pasta endurecida pode sair.
4. Água Água capilar: Presente no interior dos poros capilares. Pode ser dividida em água retida: em grandes capilares (> 500Å) água livre (sua saída causa pouca retração do concreto) em pequenos capilares (< 500Å) retida por tensão capilar (sua saída pode causar retração significativa) Água adsorvida: Aderida às superfícies sólidas, sob atração elétrica (pontes de hidrogênio). A sua saída acontece sob umidades relativas < 30%. A sua saída é a principal causa da retração.
4. Água Água interlamelar: Presente entre as lâminas de C-S-H Saída causa forte retração, mas só acontece sob umidades do ar inferior a 11% Água quimicamente combinada: Moléculas de H 2 O combinadas aos silicatos e aluminatos formando cristais sólidos Parte integrante de vários produtos hidratados do cimento. Varia de 200 a 250g/kg cimento anidro (para 100 % de hidratação) Não é perdida na secagem A 500ºC, se inicia a saída da água dos cristais Ca(OH) 2 A 900ºC, sai a água das estruturas C-S-H
4. Água
Fase III Zona de Transição A ZT é a interface entre o agregado e a pasta. Tem espessura de aproximadamente 1/20 mm. É o elo mais frágil do concreto. As rupturas em concretos comuns se iniciam na zona de transição. Baixa resistência mecânica da ZT: Concentração de etringita - cristais grandes, porosos c/ baixa resistência mecânica. Filme de água - aumenta a/c (exsudação interna). Os cristais de hidróxido de cálcio se posicionam paralelamente à superfície do agregado, favorecendo a existência de planos de clivagem. (Paulon, V.; 1991)
Fase III Zona de Transição
Fase III Zona de Transição
Fase III Zona de Transição
Fase III Zona de Transição Exsudação é a tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém lançado, devido ao sua densidade (1g/cm³) ser menor que a dos agregados ( 2,4g/cm³) e a do cimento ( 3,1g/cm³). Este fenômeno faz com que o fator a/c da superfície fique maior, reduzindo a resistência mecânica na região.
Fase III Zona de Transição
Fase III Zona de Transição Exsudação interna:
Fase III Zona de Transição Zona de transição em CARs: Baixas relações a/c e a utilização de algumas adições pozolânicas podem melhorar a ZT.