Ministério da Educação Setor de Tecnologia Materiais de Construção ( TC-030) DEFINIÇÃO São produtos capazes de provocar a aderência dos materiais. CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO MODO DE ENDURECER: Quimicamente inertes: Endurecem por simples secagem. Ex: argilas, betumes. Prof. Dr. Marcelo Medeiros Quimicamente ativos: Endurecem devido a reações química Ex: Cimento Portland 2 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A RELAÇÃO COM A ÁGUA: Quimicamente ativos: Aéreos Necessitam da presença do ar para endurecer. Hidráulicos Não necessitam da presença do ar para seu endurecimento. Quimicamente ativos: AÉREOS: Depois de endurecidos, não resistem bem a água. Devem ser usados apenas em contato com o ar. Ex.: Cal aérea, Gesso 3 4 Quimicamente ativos: Quimicamente Ativos Hidráulicos: HIDRÁULICOS: Depois de endurecidos, resistem bem a água. O endurecimento dos aglomerantes hidráulicos se dá por ação exclusiva da água (reação de hidratação). Ex.: Cal hidráulica, Cimento aluminoso, Cimento Portland. Hidráulicos simples Hidráulicos com adições Hidráulicos mistos 5 6 1
Quimicamente Ativos Hidráulicos: HIDRÁULICOS SIMPLES: Um único produto, não tendo mistura. Ex.: Cimento Portland Cimento aluminoso Cal hidráulica. Quimicamente Ativos Hidráulicos: HIDRÁULICOS MISTOS: Mistura de dois aglomerantes simples. Ex.: Mistura de CP c/ cimento aluminoso. Tem pega muito rápida. 7 8 Quimicamente Ativos Hidráulicos: HIDRÁULICOS COM ADICÕES: Aglomerantes hidráulicos simples + adições p/ modificar certas características. Diminuição: permeabilidade, calor de hidratação, retração ou preço. Aumento: resistência a agentes agressivos, plasticidade ou resistência a baixas temperaturas. Resumindo: ALOMERANTES Quim. Inertes Quim. Ativos Aéreos Hidráulicos Simples Mistos c/ adições 9 10 Tempos de início e final de pega Definições: Pega - período inicial de solidificação da pasta Início de pega Momento que a pasta começa a enrijecer Fim de pega - Momento que a pasta já está completamente sólida Endurecimento Ganho de resistência, mesmo após o final de pega. Tempos de início e final de pega APARELHO DE VICAT (Coutinho, J. S.; FEUP, 1988) 11 Luis J. Vicat, França, 1828 2
- TEMPOS DE INÍCIO E FINAL DE PEGA APARELHO DE VICAT O Aparelho de Vicat é composto por: Parafuso para ajuste da altura; Haste; Parafuso para ajuste da sonda; Agulha p/ início de pega; Agulha p/ final de pega; Base; Sonda de Tetmajer; Molde cônico e escala. Tempos de início e final de pega Escala graduada Sonda de Tetmajer Amostra de aglomerante APARELHO DE VICAT Sonda de Tetmajer Agulha de Vicat Ensaios (MB-3433) - Determinação da Água da Pasta de Consistência Normal (MB-3434) - Determinação dos Tempos de Pega 13 14 Tempos de início e final de pega Tempos de início e final de pega Escala graduada APARELHO DE VICAT Sonda de Tetmajer Agulha de Vicat Amostra de aglomerante Agulha de Vicat 15 agulha (José A. Freitas Jr.) escala amostra da pasta do aglomerante Agulha com arruela para verificação do final de pega APARELHO DE VICAT 16 Tempos de início e final de pega Classificação (AFNOR): Massa específica e unitária: Massa Específica: ME = Massa / volume real Massa Unitária: MU = Massa / volume aparente (inclui vazios entre grãos) O concreto ou argamassa deve estar aplicado e adensado dentro das formas antes do início da pega. 17 Massa Unitária Massa Específica 18 3
Massa específica e unitária: Massa Específica: ME = Massa / volume real Massa Unitária: MU = Massa / volume aparente (inclui vazios entre grãos) Quem é maior, ME ou MU? Superfície específica : SE = áreas dos grãos Área dos grãos: soma áreas todos os grãos contidos em uma unidade de massa. Área dos grãos calculada a partir do diâmetro médio das partículas determinado pelo permeabilímetro de Blaine. 19 20 Superfície específica : Caracteriza a finura; Quanto maior o valor do Blaine, mais fino é o pó do aglomerante, mais rápida é sua hidratação. K é a constante do aparelho; ε é a porosidade da camada; t é o tempo medido (s) ρ é a massa específica do cimento (g/cm³) η é a viscosidade do ar à temperatura do ensaio tabela da norma (Pa/s) Sé a superfície específica Superfície específica : Amostra Permebilímetro Blaine 3 K ε t S = ρ (1 ε ) 0, 1η ITAMBÉ 21 (F.Bauer) 22 AÉREOS Depois de endurecidos, não resistem bem a água!!! Devem ser usados apenas em contato com o ar. Em geral precisam de componentes do ar para endurecer. Exemplos principais: Cal aérea Gesso AÉREOS É um aglomerante aéreo É o produto resultante da calcinação de pedras calcárias a uma temperatura inferior ao do início de sua fusão (cerca de 900 o C). 23 24 4
AÉREOS AÉREOS Etapas da cal: NBR 6453/2003 Rocha Calcária a) Calcinação CaCO 3 + calor CaO + CO 2 (900 o C) CaCO 3 = Carbonato de Cálcio CaO = Cal, Cal Virgem ou Cal viva Alterações físicas: Perde ar 44 % do peso 12 a 20 % do volume Cal virgem: CV - E CV - C CV - P Anidrido Carbônico CO 2 Na fábrica 6 % 12 % 12 % Anidrido Carbônico CO 2 no depósito 8 % 15 % 15 % 25 26 AÉREOS AÉREOS NBR 6453/2003 NBR 6453/2003 Cal virgem: CV - E CaO + MgO na base de não voláteis 90 % Cal virgem: CV - E Finura (% retida) # 1,00 mm 2,0 % Finura (% retida) # 0,30 mm 15 % CV - C 88 % CV - C 5,0 % 30 % CV - P 88 % CV - P 85 % --- 27 28 AÉREOS AÉREOS Etapas da cal: Etapas da cal: b) Extinção da cal b) Extinção da cal CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + calor Muito CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + calor Muito Pode chegar a 360 o C a 400 o C Ca(OH) 2 = Cal extinta, Cal hidratada ou Hidróxido de Cálcio O Hidróxido de cálcio é o aglomerante. 29 Alteração física: Recupera a maior parte do peso e volumes perdidos. Cerca de 24% do peso do produto formado é H 2 O 30 5
AÉREOS O hidróxido de cálcio (cal extinta) é o aglomerante empregado nas argamassas de cal usadas principalmente na execução de alvenarias e revestimentos, fornecendo argamassas com excelente trabalhabilidade. 31 AÉREOS Etapas da cal: c) Endurecimento ou recarbonatação ar ar Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Ca(OH) 2 = hidróxido de cálcio CaCO 3 = carbonato de cálcio 32 DESIGNAÇÃO DOS PRODUTOS CAL VIRGEM ou CAL VIVA = Calcário calcinado CaO AÉREOS Cal virgem é classificada conforme o óxido predominante: CAL HIDRATADA = Cal Virgem depois da hidratação Ca(OH) 2 Cal virgem cálcica Cal virgem magnesiana 34 AÉREOS 95% de (CaO + MgO) No máximo: 5% de SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 Cal virgem cálcica: CaO - entre 100% e 90% dos óxidos totais AÉREOS Rendimento: Ganho de volume da cal virgem ao hidratar. (volume de pasta em metros cúbicos que se obtém com uma tonelada de cal viva) Cal virgem magnesiana: CaO - entre 90% e 65% dos óxidos totais Cal Gorda Cal Magra Cal virgem dolomítica: CaO - entre 65% e 58% dos óxidos totais 35 36 6
AÉREOS AÉREOS Cal gorda: Rendimento em pasta > 1,82 Calcários com impurezas < 5 % Geralmente Produz maior volume de pasta, mais plástica, homogênea e mais expansiva. Cal gorda: Cal Cálcica Cal magra: Rendimento em pasta < 1,82 Calcários com impurezas > 5 % Produz menor volume de pasta, mais seca, grumosa e menos expansiva. 37 Cal Magnesiana Cal magra: 38 CALCÁRIO Reservas no Brasil: AÉREOS Paraná PRODUÇÃO DA CAL Produção em Rio Branco do Sul-PR Mina de calcário C = Calcário - CaCO 3 D = Dolomito - CaCO 3.MgCO 3 Fotografias, alunos: C.Natucci, E. M. Araújo, F. Mitsuhasi; G. Balbinot, G. Lorenci e J.G.Yared 40 AÉREOS AÉREOS PRODUÇÃO DA CAL Produção em Rio Branco do Sul-PR PRODUÇÃO DA CAL Produção em Rio Branco do Sul-PR Mina de calcário Mina de calcário Britagem Fotografias, alunos: C.Natucci, E. M. Araújo, F. Mitsuhasi; G. Balbinot, G. Lorenci e J.G.Yared 41 Forno de barranco Fotografias, alunos: C.Natucci, E. M. Araújo, F. Mitsuhasi; G. Balbinot, G. Lorenci e J.G.Yared 42 7
AÉREOS Fornos para calcinação da cal PRODUÇÃO DA CAL Forno de barranco Produção em Rio Branco do Sul-PR Queima de serragem (alunos: J. de Camargo, J. Lima Neto, M. Costantin Filho, R. Scheidt, Silvio Almeida Cintra) (Freitas, J. A..) ABPC Forno intermitente simples a lenha Forno vertical contínuo 43 Peneiramento da cal Estoque AÉREOS Impurezas: Partículas de carvão - riscos pretos Contaminação por calcário Adulteração da cal: Partículas de sílica Núcleos duros de CV na CH = vesículas AÉREOS DESIGNAÇÃO DOS PRODUTOS CAL VIRGEM ou CAL VIVA = Calcário calcinado CaO (Aulas USP) (Prof. Mércia Barros) Dissolução em HCl (20%) CAL HIDRATADA = Cal Virgem depois da hidratação Ca(OH) 2 46 AÉREOS TEMPO PARA EXTINÇÃO Pasta obtida de cal em pedra - depois de 7 a 10 dias após a extinção. Pasta obtida de cal pulverizada - depois de 20 a 24 horas após a extinção. AÉREOS OS TANQUES (DEPÓSITOS) Geralmente revestidos de tijolos sendo separados por uma parede interna. Enquanto a cal de um dos tanques esfria e envelhece, enche-se o outro tanque com cal misturada a água. Pasta de cal magnesiana - 2 semanas no mínimo (a hidratação do óxido de magnésio é muito lenta). 47 Por que isso seria importante? Este processo permite se obter, sem interrupções, cal bem extinta, em condições de ser empregada para o fabrico diário de argamassas. 48 8
AÉREOS Ca(OH) 2 AÉREOS NBR 6453/2003 Cal hidratada: CH I Anidrido Carbônico CO 2 Na fábrica 5 % Anidrido Carbônico CO 2 no depósito 7 % CH II 5 % 7 % CH III 13 % 15 % Cal em final de hidratação em caixa de madeira, típica de obra. Equipamento industrial para hidratação de cal. 50 AÉREOS Cal hidratada: CH I CH II CaO + MgO não hidratados 10 % 15 % NBR 6453/2003 CaO + MgO na base de não voláteis 90 % 88 % AÉREOS APLICAÇÕES 1) No preparo de certas tintas e colas; 2) Como matéria prima na fabricação de tijolos sílicocalcários; Sílico-calcário CH III 15 % 88 % 51 52 AÉREOS 3) Confecção de argamassa; APLICAÇÕES 4) Como adição nos pavimentos betuminosos; 5) Na indústria química, indústria cerâmica, no tratamento de água, no preparo de adubos, na siderurgia, etc; 53 AÉREOS Reservas: Calcário: Impacto Ambiental: Muito amplas. Energia: Óleo combustível; Madeira; Bagaço de cana; Forno descontínuo: 2 kcal/g Forno contínuo: 0,9 kcal/g 54 9
AÉREOS AÉREOS Impacto Ambiental: CO 2 Efeito estufa: Descarbonatação: Produto da desidratação parcial da gipsita - (CaSO 4. 2H 2 0) p/ uma tonelada de CaCO 3 560 kg CaO 440 kg CO 2 - Reabsorvido na recarbonatação Combustível: 1 tonelada de CaO gera 300 Kg de CO 2 - Forno contínuo 640 kg de CO 2 Forno descontínuo 55 É um aglomerante aéreo, não suporta contato com a água após endurecido. 56 AÉREOS Reação de produção: GESSO ou GESSO DE PARIS Gipsita CaSO 4. 2H 2 O 2(CaSO 4. 2H 2 O) + calor 190 o C 2(CaSO 4.1/2 H 2 O) + 3H 2 O hemidrato Uso na medicina CaSO 4 CaSO 4 H 2 O Gesso de Estucador Gesso Rápido Gesso de Paris www.caer.uky.ed Estrutura cristalina Construção civil 57 AÉREOS Prosseguindo o aquecimento além dos 200 0 C: 200 0 C - anidrita solúvel - muito higroscópica, (absorve umidade ao ar e reage rapidamente). 600 0 C - anidrita insolúvel - praticamente inerte (endurece lentamente quando em contato com água). 1.000 a 1.200 0 C - GESSO DE PAVIMENTACAO endurece em 12 a 14 h, também chamado GESSO LENTO ou GESSO HIDRÁULICO resistência 100% superior ao gesso de Paris. AÉREOS Produtos obtidos da gipsita, de acordo com as temperaturas. 59 (Coutinho, J. S.; FEUP, 2002) 60 10
AÉREOS AÉREOS Reação de pega: 2(CaSO 4.1/2+ H 2 O) + 3H 2 O 2(CaSO 4.2H 2 O) gipsita Tem pega rápida. Início: 2 a 3 minutos Término: 15 a 20 minutos do amassamento com água 61 62 AÉREOS AÉREOS Pega: Cristais 15 µm (AULAS USP Prof. Antônio Figueiredo et al.) 63 Resistências médias em corpos de prova secos e saturados de gesso de paris, conservados 28 dias em ar seco. (Coutinho, J. S.; FEUP, 2002) 64 GESSO ou GESSO DE PARIS Calor de hidratação AÉREOS Jazidas de Gipsita Pólo gesseiro PE: 94% da produção 3.500 km frete p/ regiões Sul (Aulas USP) 66 11
AÉREOS AÉREOS Britagem da gipsita 67 Propriedades: - Pega rápida minutos - Solúvel em água após endurecido - Atacado por fungos e bactérias sulfatófagos - Resistência mecânica diminui com o teor de umidade - Baixa condutibilidade térmica (isolante) - Grande coeficiente de dilatação térmica (2 x concreto) - Corrosivo ao aço Imagem MEV(5000x) de pasta de gesso 68 AÉREOS Chapas de gesso acartonado = DRYWALL GESSO ou GESSO DE PARIS Chapas de gesso acartonado Drywall Chapas fabricadas por processo de laminação contínua de uma mistura de gesso, água e aditivos entre duas lâminas de cartão. NBR 14715:2001, NBR 14716:2001 e NBR 14717:2001. www.drywall.org.br 69 AÉREOS AÉREOS Chapas de gesso acartonado = DRYWALL Chapas de gesso acartonado = DRYWALL (Coutinho,J. S.) 71 12
AÉREOS AÉREOS Chapas de gesso acartonado = DRYWALL Chapas de gesso acartonado = DRYWALL Tipos de Chapas Standard (ST) Chapa Branca (áreas secas) Resistente à Umidade (RU) Chapa Verde Resistente ao Fogo (RF) Chapa Rosa 73 Chapas acartonadas - dimensões: L= 60,0 ou 120,0 cm C = 240,0 ou 360,0 cm 74 AÉREOS AÉREOS Placas de gesso Divisórias em blocos (Aluno: Bruno H. R. Mortari) (Aluno: Bruno H. R. Mortari) Forro executado com placas em gesso de 60 X 60 cm. As placas têm encaixe "macho e fêmea" e são chumbadas e fixadas ao teto com arame galvanizado. 75 76 AÉREOS AÉREOS Peças decorativas Camada única de pasta sobre superfícies de interiores. Revestimento com pasta de gesso Confere aspecto liso, bem acabado. (Coutinho, J. S.; FEUP, 2002) 77 (Fotografias, alunos: A.Monteiro, A. R. Pontes, C. P. Serpa, C. Vasco, F. Silva e I. Dalmagro) 78 13
AÉREOS Reservas: Muito amplas; Duração... Consumo de Energia: O menor dentre os aglomerantes; CO 2 Efeito estufa : Impacto Ambiental: Queima de Combustíveis - 0,15 a 0,20 kcal/g gesso; 1 tonelada de gesso gera 45 Kg de CO 2 Desidratação parcial libera H 2 O. HIDRÁULICOS Depois de endurecidos, resistem bem a água. O endurecimento dos aglomerantes hidráulicos se dá por ação exclusiva da água. (reação de hidratação) 80 HIDRÁULICOS Exemplos principais: Cimento Portland, Cimento aluminoso Cal hidráulica HIDRÁULICOS CAL HIDRÁULICA = Calcário argiloso calcinado. Temperatura de calcinação 900 a 1.000ºC É um aglomerante hidráulico Características inferiores, em geral, que o Cimento Portland 81 82 HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS CAL HIDRÁULICA Grau de hidraulicidade: Componentesargilosos CaO CAL HIDRÁULICA Grau de hidraulicidade: SiO2 Al2O3+ Fe2O CaO+ MgO + 3 ou SiO2 + Al2O3+ Fe2O3 CaO Eminentemente hidráulica Hidráulica propriamente dita 83 84 14
HIDRÁULICOS CAL HIDRÁULICA Utilizações: - Argamassas de assentamento ou revestimento - Para a produção de blocos - Substituto do filer em pavimentos betuminosos HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL Resulta do cozimento de calcários argilosos (teor argila + - 25%), não apresenta cal livre. A cal hidráulica apresenta cal livre. 85 86 HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL Tipos: De pega rápida - (cimento Romano) - Cozimento temper. < 1000 o C; De pega lenta - Cozimento a 1450 o C; HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL A rapidez da pega dos cimentos Romanos é atribuída a presença do teor mais elevado de aluminato de cálcio. Resistência dos cimentos naturais é baixa, (50% do CP), devido a composição do calcário não uniforme. De pega semi-lenta - intermediário entre os 2 anteriores. 87 88 HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL Romanos desenvolveram um cimento altamente durável. Combinação de cal com "pozolana", (cinza vulcânica na zona de Pozzuoli, junto a Nápoles e ao Monte Vesúvio), permitia obter um cimento que oferecia maior resistência à ação da água. 89 Alvenaria de pedras ou tijolos cerâmicos assentados com argamassa de cimento pozolânico. 90 15
HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL Pantheon (Roma) - 110-125 d.c Paredes cilíndricas e cúpula (43,3 m diâmetro) em concreto maciço 10 MPa. HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL Na França e na Alemanha é empregado em condutos (esgotos, água, vedação de fugas e veios de água); nos EUA é empregado em pavimentação de estradas de rodagem. No Brasil não é empregado e nem fabricado. Sofre pequena retração, bom para argamassas e pastas. Concreto maciço com cimento pozolânico. Na cúpula foram utilizados agregados leves (pedra pome). 91 www.rosendalecement.net 92 HIDRÁULICOS CIMENTO NATURAL x Cimento Portland HIDRÁULICOS CIMENTO ALUMINOSO (R. W. Lesley; J. B. Lober, and G. S. Bartlett, History of the Portland Cement Industry, International Trade Press, Chicago, 1924.) www.cement.org Produção É um aglomerante hidráulico!!! Fundição de calcário (CaCO 3 ) e bauxita (Al 2 O 3 ), (teor bauxíta > 30%) moída misturadas, em fornos de alta temperatura, resfriado, britado e moído. 93 94 HIDRÁULICOS CIMENTO ALUMINOSO Características: Cura rápida - em 24 h resistência superiores a 45 MPa; Aglomerante de preço elevado; Emprego delicado - elevadíssimo calor de hidratação; Não desprende cal livre, (CP desprende ± 20%); Alta resistência ao calor dos concretos/argamassas até 1200ºC; Alta resistência a abrasão e corrosão; Endurecimento normal em temperaturas baixas. 95 APLICAÇÕES: Concretos refratários; CIMENTO ALUMINOSO Rápida cura e altas resistências iniciais e finais; Pisos p/ usar após 6 horas; Chumbamentos; Reparo em cabeça de protenção, 24 h pode protender, (CP=7 dias); Concretagens junto ao mar p/ aproveitar maré baixa; Pré-moldados para uso imediato; Rejuntamento e assentamento de tijolos refratários. 96 16
CIMENTO ALUMINOSO CIMENTO ALUMINOSO Alta resistência química p/ proteção de tubos para esgoto Endurece em baixas temperaturas. Concreto em fundações de base francesa na Antártida www.cimentfondu.com www.cimentfondu.com Pisos industriais Rápido endurecimento e cura (6 h) www.cimentfondu.com www.cimentfondu.com Suporta altas temperaturas. Concreto em instalações de siderurgia 97 98 HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS É um aglomerante hidráulico!!! Material obtido pela cozedura até a fusão incipiente de uma mistura calcário-argilosa argilosa que dá origem ao clinquer. 99 Engenheiro John Smeaton, 1756, procurava aglomerante que endurecesse na presença de água, p/ facilitar o trabalho de reconstrução do farol de Eddystone, na Inglaterra. Verificou que mistura calcinada de calcário e argila tornava-se, depois de seca, tão resistente quanto as pedras utilizadas nas construções. www.cimentoitambe.com.br 100 HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS Um pedreiro, Joseph Aspdin, 1824, patenteou a descoberta, batizando de cimento Portland, referência a um tipo de pedra muito usada em construções na região de Portland, Inglaterra. www.cimentoitambe.com.br Produção nacional 101 www.cimentoitambe.com.br 102 17
HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS Produção nacional Produção mundial www.cimentoitambe.com.br 103 www.cimentoitambe.com.br 104 HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS Dados de 2005 Maiores produtores É um aglomerante hidráulico!!! FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND Matérias Primas: Ex. Cia Cimento Rio Branco (Votorantin) 90,0 % de Calcário 9,50 % de Argila 0,50 % de Minério de Ferro www.cimentoitambe.com.br 105 106 HIDRÁULICOS - PRODUÇÃO PRODUÇÃO: (1,5 a 3%) CP V RS 107 PUC - RJ 108 18
Grupo de Materiais de Construção PRODUÇÃO CALCÁRIO HIDRÁULICOS MOINHO DE ROLOS VAI P/ FORNO CaCO3 MgO SiO2 Para moagem da farinha crua. ARGILAS Cia Cim. Rio Branco Votorantin MIN. FERRO Fe2O3 109 110 ESQUEMA DA SECAGEM E MOAGEM DA FARINHA E DO FORNO Vista de dentro do forno VEM DO MOINHO DE FARINHA HIDRÁULICOS ITAMBÉ ITAMBÉ Al2O3 Fe2O3 Si O2 FORNO Cia Cim. Rio Branco Votorantin CLINQUER VAI P/ MOINHO DE BOLAS Cia Cim. Rio Branco Votorantin 111 Cia Cim. Rio Branco Votorantin VEM DOFORNO (Coutinho, J. S.; FEUP, 1988) ITAMBÉ 112 HIDRÁULICOS Interior do moinho de bolas - RESUMINDO Cia Cim. Rio Branco Votorantin Cia Cim. Rio Branco Votorantin ITAMBÉ 113 114 19
HIDRÁULICOS HIDRÁULICOS COMPOSTOS DO CLINQUER Clinquer -> quatro compostos anidros principais 2 silicatos e 2 aluminatos Notação: C3S -3CaOSiO2 - Silicato tri-cálcico C - CaO C2S - 2CaOSiO2 - Silicato di-cálcico S - SiO2 C3A - 3CaOAl2O3 A - - Aluminato tri-cálcico Al2O3 COMPOSTOS DO CLINQUER Estrutura de um clínquer de cimento Portland relativamente comum observado ao microscópio ótico: C 2 S C 3 S F - Fe2O3 C4AF - 4CaOAl2O3Fe2O3 - Ferro Aluminato tetro-cálcico 115 116 HIDRÁULICOS COMPOSTOS DO CLINQUER Belita, C 2 S ou silicato bicálcico Forma arredondada. Alita ou C 3 S ou silicato tricálcico Forma aproximadamente hexagonal. 117 HIDRÁULICOS COMPOSIÇÃO TÍPICA DO CLINQUER DE CIMENTO PORTLAND 67% CaO (C) 22% SiO 2 (S) 5% Al 2 O 3 (A) 3% Fe 2 O 3 (F) 3% de outros óxidos. 100 % - óxidos totais Outros compostos em menor quantidade Na 2 O, MnO, K 2 O, magnésio, enxofre, fósforo 118 HIDRÁULICOS COMPOSIÇÃO TÍPICA DO CLINQUER DE CIMENTO PORTLAND Fases cristalinas anidras metaestáveis na temperatura ambiente e estáveis ao serem hidratados Alita (C 3 S): 50-70% Belita (C 2 S): 15-30% Aluminato tricálcico (C 3 A): 5-10% Ferroaluminato tetracálcico (C 4 AF): 5-10% 119 HIDRÁULICOS CARACTERIZAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND Difração de Raios X: Técnica utilizada para a identificação das fases constituintes do clínquer. Microscopia Ótica e Eletrônica de Varredura: Observação morfológica das amostras. 120 20
HIDRÁULICOS CARACTERIZAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND Ensaio de Lixiviação: Visa simular as condições de exposição do cimento ao meio ambiente. Ensaio de solubilização: Visa complementar o ensaio de lixiviação, se o resíduo é inerte (Classe III) ou não. HIDRÁULICOS CARACTERIZAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND Ensaio de Resistência Mecânica à Compressão: É o controle de qualidade fundamental do produto. Limites mínimos de resistência à compressão exigidos para 3, 7 e 28 dias. NBR 7215/96 121 122 50 mm Capeamento com pasta de enxofre HIDRÁULICOS ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND CP moldado com proporção determinada por norma 100 mm Capeador 123 Reações Químicas: Notação: 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 3 + 3CH + 120 cal/g C - CaO 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + CH + 62 cal/g S - SiO 2 A - Al 2 O 3 C 3 A + CSH 2 Etringita + 300 cal/g F - Fe 2 O 3 H - H 2 O Pega: é o começo do endurecimento S - SO 3 Endurecimento: resulta da hidratação progressiva dos compostos anidros do cimento 124 HIDRÁULICOS ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND Teoria 1: Dissolução-precipitação HIDRÁULICOS ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND Teoria 2: Hidratação no estado sólido Reações ocorrem diretamente na superfície dos grãos do cimento anidro sem entrarem em solução 125 126 21
HIDRÁULICOS ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND HIDRÁULICOS ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND Estudos sobre microscopia de pastas de cimento demostraram que a teoria 1 prevalece nos estágios iniciais e a teoria 2 passa a prevalecer no estágio posterior, quando a mobilidade iônica na solução fica restrita. 127 CRESCIMENTO DOS CRISTAIS 128 HIDRÁULICOS Alita (C 3 S) Belita (C 2 S) ENDURECIMENTO DO CIMENTO PORTLAND Silicatos ± 70 % do cimento Taxa de desenvolvimento de resistência C 3 S HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer Alita: 50 a 70% Responsável pela resistência nos primeiros dias de idade da pasta. Enrijecimento inicial da massa Aluminatos Aluminato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico Os cimentos ricos em C 3 S tem resistência inicial mais alta. Hidrata com velocidade mediana e libera não muito calor 129 130 HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer C 2 S Belita: 15 a 30% Reage com a água lentamente até os primeiros 28 dias. Apenas em pouco mais de 1 ano atinge a resistência do C 3 S. Como reage lentamente, apresenta pequeno calor de hidratação (USP) C 3 A Aluminato Tricálcico: 5 a 10% Pega quase instantânea. Pela intensidade de reação em curto espaço de tempo, desenvolve alto calor de hidratação. Resulta em composto de pouca resistência mecânica e baixa resistência a ação de águas agressivas. (USP) 131 132 22
HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer C 4 AF Ferroaluminato tetracálcico: 5 a 10% Apresenta pega em poucos minutos, mas não instantânea como o C 3 A. Os compostos formados apresentam resistência ligeiramente inferior aos formados pelo C 3 A. Porém, sua resistência a águas agressivas é maior. Como a hidratação é mais lenta, desenvolve menor calor do que o C 3 A. (USP) Resistência mecânica X efeitos da hidratação dos compostos anidros. (Zampieri, 1989) 133 134 PROPRIEDADES DOS COMPOSTOS DO CLINQUER HIDRÁULICOS + C 2 S + C 2 S + C 3 S Taxa de hidratação dos compostos: 100 - + C 3 S (Aulas USP) 135 Tempo (dias) 136 HIDRÁULICOS Propriedades dos compostos do clínquer Teor (%) TABELA RESUMO: Taxa de Hidratação Resistência inicial Contribuição para Resistência final Calor de Hidratação C 3 S 50-70 Alta Alta Baixa Alta C 2 S 15-30 Baixa Baixa Alta Baixa C 3 A 5-10 Alta Alta Baixa Alta HIDRÁULICOS PEGA DO CIMENTO PORTLAND Fatores que afetam: Aluminatos: Pega inicial (C 3 A cristaliza rápido) Finura: Mais fino, final de pega e endurecimento mais rápido Gesso (SO 3 ): (<3%) adicionado ao clinquer p/ retardar pega inicial do C 3 A C 4 AF 5-10 Moderada Baixa Alta Baixa 137 138 23
HIDRÁULICOS PEGA DO CIMENTO PORTLAND Aditivos: Fatores que afetam: Cloreto de cálcio: 1 % retarda pega, em quantidades superiores acelera Cloreto de sódio: varia, em alguns CP retarda em outros acelera Carbonatos alcalinos: forte aceleração (1 a 2%, início de pega em poucos minutos) 139 HIDRÁULICOS PEGA DO CIMENTO PORTLAND Aditivos: Fatores que afetam: Hidróxidos de sódio, de potássio ou silicato de sódio: notável aceleração Açúcar: solução de 1 % impede a pega 140 HIDRÁULICOS CALOR DE HIDRATAÇÃO Fatores que afetam: HIDRÁULICOS CALOR DE HIDRATAÇÃO Finura X Calor de Hidratação - Composição química C 3 S mais calor que C 2 S - Finura do cimento mais fino, mais rápido hidrata - Adições pozolanas menos calor (Aulas USP) 141 142 HIDRÁULICOS EXPANSIBILIDADE Agulha de Le Chatelier, Usada para avaliar a expansibilidade: e 0,5 cm 30 mm HIDRÁULICOS EXPANSIBILIDADE 165 mm 30 mm (Neville, A.; 1995) Agulha de Le Chatelier 143 144 24
HIDRÁULICOS EXPANSIBILIDADE Problemas do cimento que causam expansão: HIDRÁULICOS EXPANSIBILIDADE Problemas do cimento que causam expansão: Cal livre: CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 Origem: Falha no processo de dosagem e fabricação (Excesso de CaO no clínquer carência de argila) Teor não limitado por norma: Determinado indiretamente pelo ensaio de expansibilidade de Le Chatelier Periclásio: MgO + H 2 O = Mg(OH) 2 Menos reativa do que a Cal livre Origem: Calcário magnesiano Limitação por norma 6,5% 145 146 HIDRÁULICOS EXPANSIBILIDADE Problemas do cimento que causam expansão: - Excesso de gesso adicionado < 3% HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Pasta - pseudo-sólidos Aparência de sólidos - rede de poros muito finos contendo ar ou água. 147 148 HIDRÁULICOS Pasta - pseudo-sólidos RETRAÇÃO Propriedades diferentes das de muitos sólidos devido à presença de tensões capilares de água no interior dos poros. HIDRÁULICOS Teor de umidade ao ar Teor de umidade saturado Tem tanta água assim em uma pasta, argamassa ou concreto? ± 3% ± 6% RETRAÇÃO ± 75 l/m 3 ± 150 l/m 3 Densidade do concreto 2500 kg/m 3 149 150 25
HIDRÁULICOS RETRAÇÃO HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Não é só isso que causa retração!!! Retração química 151 152 HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Quantidades de retração muito variável : Pasta pura - 1,5 a 2,0 mm/m HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Por que? Argamassas - 0,6 a 1,5 mm/m Concretos -0,2 a 0,7 mm/m 153 HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Fatores que influenciam: Cimento: + fino > retração nas primeiras horas Traço: > quantidade de agregados < retração Água de amassamento: + água > retração HIDRÁULICOS RETRAÇÃO Fatores que influenciam: Aditivos retardadores de pega: aumentam Dimensões das peças: + volumosas > retração Área de contato das peças: > área > retração Cura: > tempo < retração Umidade média do ar: > seco > retração 155 156 26
HIDRÁULICOS SÓLIDOS NA PASTA DE CIMENTO HIDRÁULICOS SÓLIDOS NA PASTA DE CIMENTO Cristais de hidróxido de cálcio hidratado CH Etringita Sulfoaluminato de cálcio hidratado Volume: 15 a 20 % Início: etringita Depois: monosulfato hidratado Cristais grandes hexagonais de Ca(OH) 2 Volume: 20 a 25% ph elevado da pasta (ph 13) (Andión et al., 2001) (Mehta e Monteiro,1994) 157 158 HIDRÁULICOS SÓLIDOS NA PASTA DE CIMENTO Cristais de hidróxido de cálcio hidratado CH Porosos Baixa resistência mecânica ADIÇÕES PARA CIMENTO PORTLAND Solúveis em água Muito reativos quimicamente (Andión et al., 2001) 159 160 ADIÇÕES PARA RAZÕES PARA O USO DAS ADIÇÕES TÉCNICAS: Melhoria de propriedades específicas ECONÔMICAS: Diminuição do consumo energético ECOLÓGICAS: Aproveitamento de resíduos poluidores ESTRATÉGICAS: Preservação das jazidas 161 ADIÇÕES PARA USO DE ADIÇÕES: RAZÕES TÉCNICAS Redução da difusividade Redução da permeabilidade Redução da capilaridade Maior resistência a sulfatos Redução do calor de hidratação Inibição da reação álcali-agregado > DURABILIDADE 162 27
ADIÇÕES PARA ADIÇÕES PARA Penetração de Cloretos Medeiros (2008) Fíler carbonático pó de calcário Inerte quimicamente; Não prejudica resistência mecânica; Melhora a trabalhabilidade e o acabamento; Redução de custos; 5 a 10 % do cimento; 164 ADIÇÕES PARA Fíler carbonático pó de calcário Preenche espaços, tornando a massa mais compacta. Efeito fíler ADIÇÕES PARA POZOLANA - definição - Definição inicial (restrita): Estava associado apenas a cinzas vulcânicas formadas naturalmente e argilas calcinadas que reagem com a cal na presença de água. - Definição atual (mais ampla): Refere-se a todo material sílico/aluminoso que finamente moído e na presença de água reage com o hidróxido de cálcio formando materiais com caráter cimentício (SABIR; BAI, 2001). 166 ADIÇÕES PARA POZOLANA - definição Origem: a melhor variedade de cinzas vulcânicas se encontravam em Pozzoli, Itália. Daí o nome pozolana, usado até hoje. ADIÇÕES PARA POZOLANA - reação Reação no cimento (rápida) C 3 S + H C-S-H + CH Reação pozolânica (lenta) Pozolana + CH + H C-S-H 167 168 28
ADIÇÕES PARA POZOLANA Cinza Volante (aumentada 5.500 X) ADIÇÕES PARA CIMENTO PORTLAND (CP) POZOLANA Cinza Volante Origem: Usinas de energia que queimam carvão. Inserir figura Aitcin p. 171 Fig 6.44. Chaminé Cinza volante Zona de combustão (MBinc.) 169 ADIÇÕES PARA POZOLANA Cinzas volantes Classe C Pó proveniente de fornos que queimam carvão mineral (termoelétricas) ADIÇÕES PARA POZOLANA Cinza Volante Retarda o ganho de resistência mecânica Reduz o calor de hidratação Minimiza a permeabilidade do concreto Diminui ocorrência da reação álcali-agregados 171 172 ADIÇÕES PARA POZOLANA REAÇÕES ÁLCALI-AGREGADO (RAA): Blocos de fundações de ed. no Recife-PE ADIÇÕES PARA POZOLANA REAÇÕES ÁLCALI-AGREGADO (RAA): Parapeito de estrutura de ponte (David Stark- SHRP,1991) www.portcement.org RAA em pavimento de concreto (M. Pechhio, Y. Kihara e T. de Andrade,2006) (David Stark- SHRP,1991) 29
ADIÇÕES PARA Escória de alto forno ADIÇÕES PARA Escória de alto forno Subproduto da manufatura do ferro-gusa num alto forno. Minério de ferro = Ferro Gusa + Escória Definição: material não metálico formado essencialmente por silicatos ou por aluminosilicatos de cálcio e outras bases. 0,5 toneladas de escória tonelada de minério de ferro 175 176 ADIÇÕES PARA Escória de alto forno Resíduo do alto-forno siderúrgico Presença de C 2 S e C 3 S Grãos c/ 45 µm e 500 m²/kg de finura Blaine Reduz custos e consome resíduo industrial nocivo ao meio ambiente ADIÇÕES PARA Escória de alto forno A escória de alto forno é autocimentante, porém em taxas insuficientes para viabilizar o seu uso para fins estruturais. NÃO É UMA POZOLANA!!! 177 178 ADIÇÕES PARA Escória de alto forno Não prejudica resistência mecânica TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Possível colocar altos % no cimento CPIII 65% Aumenta a resistência aos sulfatos 179 180 30
TIPOS DE CIMENTO PORTLAND NOMENCLATURA TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland Comum NBR 5732 TIPO CP XXX RR Cimento Portland Composto NBR 11578 Cimento Portland de Alto-Forno NBR 5735 Cimento Portland Composição ou qualificativo Resistência aos 28 dias (MPa) CLASSE Cimento Portland Pozolânico NBR 5736 Cim. Portland de Alta Resistência Inicial NBR 5733 SIGLA 181 182 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland Resistente a Sulfatos NBR 5737 Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação NBR 13116 Cimento Portland Branco NBR 12989 Cimento Portland para Poços Petrolíferos NBR 9831 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND PERFIL DA PRODUÇÃO EM 2002 COMUM (CP I) 1,2% COMPOSTO (CP II) 75,8% ALTO-FORNO (CP III) 8,1% POZOLÂNICO (CP IV) 7,6% BRANCO (CPB) <0,1% ARI (CP V-ARI) 7,3% TOTAL 100,0% FONTE : SNIC / 2003 183 184 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland Comum Composto Sigla CP I CP I-S CP II-E CP II-Z CP II-F Classe 25 32 40 25 32 40 25 32 40 25 32 40 25 32 40 Clínquer + Gesso Escória (E) Pozolana (Z) 100 % 0 99-95 1-5 Carbonato (F) 94-56 6-34 0 0-10 94-86 0 6-14 0-10 94-90 0 0 6-10 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland Alto Forno Pozolânico Sigla CP III CP IV Classe 25 32 40 25 32 Clínquer + Gesso Escória (E) Pozolana (Z) Carbonato (F) 65-25 35-70 0 0-5 85-45 0 15-50 0-5 Ari CP V --- 100-95 0 0 0-5 186 31
TIPOS DE CIMENTO PORTLAND TIPOS DE CIMENTO PORTLAND EVOLUÇÃO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO: 187 188 Tipo de cimento Portland CPI CPI-S CPII-E CPII-Z CPII-F CPIII CPIV Classe 25 32 40 25 32 40 25 32 40 25 32 Resíduo peneira 75 µm (%) 12,0 10,0 12,0 10,0 Finura Área específica (m 2 /kg) 240 260 280 240 260 280 Tempos de pega (h) Início Fim Expansibilidade (mm) A frio A quente Resistência à compressão (MPa) 1 dia 1 10 5 5 -- 1 10 5 5 -- 8,0 -- 1 12 5 5 -- 8,0 -- 1 12 5 5 -- 3 dias 8 10 15 8 10 15 8 10 12 8 10 7 dias 15 20 25 15 20 25 15 20 23 15 20 CPV-ARI 6,0 300 1 10 5 5 14 24 34 -- 28dias 25 32 40 25 32 40 25 32 40 25 32 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland CP (RS) (Resistente a sulfatos - NBR 5737) Cimentos - CP I, II, III, IV ou V-ARI podem ser resistentes aos sulfatos, atendendo pelo menos uma das condições: Teor de C 3 A do clínquer e teor de adições carbonáticas de no máximo 8% e 5% em massa, respectivamente; Garantem o desempenho 189 190 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland CP (RS) (Resistente a sulfatos - NBR 5737) Cimentos - CP I, II, III, IV ou V-ARI podem ser resistentes aos sulfatos, atendendo pelo menos uma das condições: Cimentos do tipo alto-forno que contiverem entre 60% e 70% de escória granulada de alto-forno, em massa; TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland CP (RS) (Resistente a sulfatos - NBR 5737) Cimentos - CP I, II, III, IV ou V-ARI podem ser resistentes aos sulfatos, atendendo pelo menos uma das condições: Cimentos do tipo pozolânico que contiverem entre 25% e 40% de material pozolânico, em massa; 191 192 32
TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland CP (RS) (Resistente a sulfatos - NBR 5737) Cimentos - CP I, II, III, IV ou V-ARI podem ser resistentes aos sulfatos, atendendo pelo menos uma das condições: Cimentos com antecedentes de resultados de ensaios de longa duração ou de obras que comprovem resistência aos sulfatos. 193 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND CP V ARI - RS CIMENTO de ALTA RESISTÊNCIA INICIAL RESISTENTE A SULFATOS NBR 5733 Resíduo na # 200 < 6 % Superfície específica Blaine > 300 (m²/kg) Tempo de pega mínimo 1h Expansibilidade a quente < 5 mm Resíduo insolúvel < 1,0 % Perda ao fogo < 4,5 % SO 3 < 3,5 Dióxido de carbono CO 2 < 3,0 % Óxido de magnésio MgO (%) < 6,5% Resistências 1d > 14 MPa 3d > 24 MPa 7d > 34 MPa 194 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC) (NBR 13116) Designado por siglas e classes de seu tipo, acrescidas de BC. Geram até 260 J/g aos 3 dias e até 300 J/g aos 7 dias de hidratação Podem ser qualquer um dos tipos básicos. Ex: CP III-32 BC ou CP IV-32 BC Ensaio NBR 12006 - Determinação do Calor de Hidratação pelo Método da Garrafa de Langavant. Cimento Portland Branco (CPB) Exigências físicas e mecânicas para o cimento Portland Branco NBR 12.989/93 Retarda o desprendimento de calor em peças de grande massa de concreto, evitando fissuras de origem térmica, devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do cimento. 195 196 Cimento Portland Branco (CPB) Difere do Portland comum pelo fato de apresentar reduzido teor de Fe 2 O 3. CPB - 0,2 a 0,80% de Fe 2 O 3 CP - 2 a 3,5% de Fe 2 O 3 Cimento Portland Branco (CPB) Aplicação: Fabricação do cimento Portland Colorido (branco + pigmentos) em rejuntamentos, em granilites e já como mármores artificiais. 197 198 33
Cimento Portland Branco (CPB) CIMENTO PORTLAND Impacto Ambiental: Reservas - Calcário: Muito amplas; Duração... Concreto de CPB fck 50 MPa - Ponte Irineu Bornhausen - Brusque - SC 199 200 CIMENTO PORTLAND CIMENTO PORTLAND Impacto Ambiental: Impacto Ambiental: Consumo de Energia: 90% - energia térmica gerada por combustível Secagem; Aquecimento; Calcinação das matérias primas. Representa 25% do custo de produção Consumo de Energia: 10% - energia elétrica 25% moagem das matérias-primas; 40 % do clínquer 20 % operações do forno e resfriador Representa 50% do custo de produção 201 202 CIMENTO PORTLAND CIMENTO PORTLAND Impacto Ambiental: CO 2 Efeito estufa: Queima de Combustíveis - 0,65 a 0,9 kcal/g clínquer; P/ 1 tonelada de clínquer gera 300 Kg de CO 2 Calcinação Calcário MUITO CO 2 (CaCO 3 + calor -> CaO + CO 2 ) P/ 1 tonelada de clínquer gera 600 kg de CO 2 ; Impacto Ambiental: CO 2 Total : 900 kg/tonelada de clínquer; Indústria do cimento mais de 7% da emissão de CO 2 mundial. 203 204 34
CIMENTO PORTLAND Impacto Ambiental: Adição para cimento: Adições reduzem % de clínquer; Minimizam emissões de CO 2 por kg de cimento; Resíduos industriais que iriam para aterros; Cinzas Volantes CP IV 40% Cinzas Volantes; Escórias de alto forno CP III 70% Escória; Substituição por materiais que emitem menos CO 2 Fíler carbonático CP II F 10 % Fíler. 205 CIMENTO PORTLAND Impacto Ambiental: Emissões de CO 2 por tipo de cimento: Tipo Adição kg CO 2 /tonelada CP II F 10 % Fíler 820 CP II Z 24 % Pozolana + Fíler 700 CP II E 40% Escória + Fíler 580 CP III 75 % Escória 290 CP IV Cinzas Volantes 530 CP V 5 % Fíler 900 206 Materiais de Construção Referências bibliográficas: Apostilas USP Aglomerantes CONCRETE, Microstucture,Properties and Materials,, P. Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro, McGraw-Hill, 2006 Cia. Cimento Itambé Cia. Cimento Rio Branco - Votorantim 207 35