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TEMA: Estrutura Interna

1 TC030 – Materiais de Construção I Material de aula: Grupo de docentes – Materiais de Construção Prof. Dr. Marcelo Medeiros

DCC Departamento de Construção Civil

ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO

PROF. JOSÉ FREITAS E PROF. MARCELO MEDEIROS




• Estrutura Heterogênea

• Complexa

• Composição depende de Inúmeros Fatores

Concreto

A ESTRUTURA DO CONCRETO

Micro

Estrutura Macro

Estrutura



DCC Departamento de Construção Civil Resistência

Deformações

Durabilidade Densidade e

compacidade

Fatores

externos e

agentes

agressivos

Estrutura

interna permeabilidade

.....





• Agregados

• Pasta

• Macro-poros

Macro

Estrutura





Micro

Estrutura

• Agregados

• Pasta

• Água

• Micro-poros

• Zona de Transição






Macro-poros Micro-poros

> 50 nm < 50 nm

• Resistência

• Permeabilidade • Retração p/ secagem

• Fluência




Zona de Transição = ± 1/20 mm


Zona de

Transição



DCC Departamento de Construção Civil Microestrutura

Estudo através de microscopia ótica e eletrônica

Microscópio Eletrônico de Varredura MEV





(Leica)





Aumentos de até 900.000 x

Imagens tridimensionais






Microscópio Eletrônico de Varredura MEV

EDS - Espetroscopia por Energia

Dispersiva por feixes de raios X

Permite identificar qualitativa e

quantitativamente a composição

de uma região da amostra




Auxiliar na previsão e otimização das propriedades

físicas e mecânicas do concreto;

Prevenir manifestações patológicas nas estruturas;

Ferramenta para análise de manifestações

patológicas;

“Contribuir” para a durabilidade das estruturas;

MICRO-ESTRUTURA: IMPORTÂNCIA DO ESTUDO




Ferramenta de análise da durabilidade do concreto;

Permite entender o comportamento do concreto;

Desenvolvimento de novos aditivos, adições e suas

conseqüências;

Ensaio não-destrutivo eficiente.

MICRO-ESTRUTURA: IMPORTÂNCIA DO ESTUDO




Características físicas:

- Ocupam 80 a 90 % do volume

- Determinam: E - módulo de elasticidade

Condutibilidade térmica

FASE AGREGADO



DCC Departamento de Construção Civil Efeitos da geometria dos grãos:

Porosidade: absorvem água - altera a/c e ZT

Pode faltar água na região de aderência do agregado com a pasta

Agregados leves - argila

expandida, ...

Agregados naturais como

a areia e os seixos tem

superfície polida com

pouca porosidade.

FASE AGREGADO




Rugosidade: Aumenta SE e aderência c/ pasta,

Altera a fluidez

Britas tem

superfície

mais rugosa

Areia e os seixo

são menos

rugosos.

FASE AGREGADO




Forma dos grãos: Grãos lamelares reduzem a

fluidez

Alongados

ou lamelares ± cúbico

FASE AGREGADO




Créditos: Engº. Carlos Gustavo Marcondes

– Assessor Técnico Comercial Itambé



Grãos lamelares

Maior

quantidade

de vazios

Maior consumo de

pasta de cimento

Aumenta retração

Aumenta calor ....

Agregados mais rugosos

tem maior SE

Maior aderência

c/ pasta

Reduz a fluidez

Exige mais água Maior custo

Maior consumo de

cimento p/ manter a/c

FASE AGREGADO




Pasta = matriz contínua e porosa

• Idade da pasta ou grau de hidratação

• Quantidade de água ou a/c

• Proximidade com uma superfície

Não é homogênea nem imutável!!!

FASES CONSTITUINTES DA PASTA




3 fases

Fase 1 - Sólidos

Fase 2 – Vazios ou poros

Fase 3 - Água





1: C-S-H

2: Ca(OH)2 ou (C-H)

3: Vazio Capilar

(Moranville, 1992)

C-S-H

C-H

Vazio





FASE 1 - SÓLIDOS




• SÓLIDOS

– produtos da hidratação;

• C-S-H;

• Hidróxido de cálcio;

• Sulfoaluminatos;

• Etringita.

Observação: existem grãos anidros.

FASE 1 –SÓLIDOS




3 principais produtos da hidratação

do cimento Portland

• C-S-H;

• Hidróxido de cálcio;

• Etringita.

C-S-H EtringitaC-H

C-S-H EtringitaC-H

FASE 1 –SÓLIDOS




Estruturas Fibrilares: C-S-H

Cristais de CS e CS hidratados

2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120 cal/g

2C2S + 4H C3S2H3 +CH + 62 cal/g

50 % a 60% do

volume da pasta

FASE 1 –SÓLIDOS




• São as estruturas C-S-H:

C=CaO, S=SiO2, H=HO

• Estruturas unidas através de ligações de

Van Der Waals

• Excelente resistência mecânica e química


FASE 1 –SÓLIDOS




Cristais de C-S-H crescendo

depois de duas semanas de

hidratação (a/c=0,8).

A morfologia dos cristais

depende das condições de cura.

www.cementlab.com

Cristais de silicato de cálcio

hidratado (C-S-H)

FONTE: ALIZADEH, 2011


FASE 1 –SÓLIDOS



DCC Departamento de Construção Civil Estruturas Prismáticas: C-H

• Cristais de grande tamanho

• Formas hexagonais

• Formados p/ hidróxido de

cálcio - Ca(OH)

C-S-H EtringitaC-H

FASE 1 –SÓLIDOS



DCC Departamento de Construção Civil C-S-H EtringitaC-H

FASE 1 –SÓLIDOS

Estruturas Prismáticas: C-H




• 20 a 25% do volume de sólidos

• pH elevado da pasta (pH 13)

• Cristais porosos, solúveis em água, muito reativos

quimicamente

• Baixa resistência mecânica.

C-S-H EtringitaC-H

FASE 1 –SÓLIDOS





Micrografias (MEV) (Silva , F.J. da, IME)

C-H C-S-H C-H C-S-H

C-S-H EtringitaC-H

FASE 1 –SÓLIDOS





Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos

Cristais grandes e volumosos

Formados por CA + gesso hidratados

C3A +3CSHx + 32H C3A . 3CSH32 Etringita

C3A + CSHx + 12H C3A . CS.H12 Monossulfato

Instáveis, c/ tempo se decompõem, formando monossulfato

FASE 1 –SÓLIDOS




Reação do C3A em solução de gesso.

Concrete.cee.hiroshima-u.ac.ip/research e.html

C3A +3CSHx + 32H C3A . 3CSH32

CA + gesso hidratados

FASE 1 –SÓLIDOS

Etringita: Produto da hidratação dos

Aluminatos



DCC Departamento de Construção Civil • Formam-se nas primeiras horas de hidratação;

• Cristais em formato de agulhas;

• Agulhas se intertravam e prendem muita água.

C6AS3H32

Etringita, Aft

_

FASE 1 –SÓLIDOS




(Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002) (Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,)

Cristais em formato de agulhas

FASE 1 –SÓLIDOS




Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos

• Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica

• São os primeiros cristais da pasta a se formar

• Podem causar falsa pega

• Representam 15 a 20 % do volume de sólidos

FASE 1 –SÓLIDOS




Falsa pega

C3A – baixa reatividade

Sulfato – alta disponibilidade

• Cimento parcialmente hidratado

• Cimento carbonatado

1,5 a 3,0%

Etringita:

FASE 1 –SÓLIDOS




Etringita

Monossulfato

(Mehta e Monteiro, 2008)

C3A . 3CSH32

C3A . CS.H12

C-S-H

FASE 1 –SÓLIDOS

Etringita:



DCC Departamento de Construção Civil Etringita: Produto da hidratação dos

Aluminatos

Hidróxido de cálcio

Ca(OH)2

Etringita

C3A . 3CSH32

FASE 1 –SÓLIDOS



A etringita é instável e se

transforma em cristais de

monossulfato.

Com a redução na concentração de sulfato, a etringita se decompõe,

em monossulfato, se o sulfato volta a estar disponível, forma-se

novamente a etringita.

C4AS.H18 _

Monossulfato

Afm

Monossulfato: FASE 1 –SÓLIDOS



DCC Departamento de Construção Civil Monossulfato:

A etringita é instável e se

transforma em cristais de

monossulfato.

(Griesse

r, A

.;S

wis

s F

ed

era

l In

stitu

te o

f Te

cn

olo

gy,

2

00

2)

FASE 1 –SÓLIDOS



DCC Departamento de Construção Civil Grãos de clínquer não hidratados:

Grãos de clínquer

não hidratados

FASE 1 –SÓLIDOS




(We

iss, J.;

20

05

)



FASE “PASTA MATRIZ” - CALOR DE HIDRATAÇÃO

(Do

mo

ne, 1

99

4)

Tempo de dormência depende da quantidade de gesso




FASE 2 – VAZIOS E

POROS



DCC Departamento de Construção Civil Vazios na pasta endurecida:

São de extrema importância

Maior quantidade de vazios e maiores

diâmetros médios:

> porosidade

> permeabilidade

< resistências mecânica

< resistência química

> retração

> fluência

FASE 2 – VAZIOS E POROS




Espaço interlamelar no C-S-H;

Vazios capilares;

Vazios de ar incorporado;

Vazios de ar aprisionado;

Onde estão?





Espaço interlamelar no C-S-H 1 a 4 nm

Vazios capilares 0,01 a 1 m

Ar incorporado 0,05 a 1 mm

Ar aprisionado 0,5 a 5 mm

1 nm 10-9 m

Que tamanho?





Intervalos dimensionais dos sólidos e poros na

pasta endurecida




DCC Departamento de Construção Civil Espaço interlamelar das estruturas C-S-H:

Poros muito pequenos - pouco afetam a resistência

mecânica ou a permeabilidade.

Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas

5 a 25Å (1 Å= 10-10m)

Quando a água sai destes

espaços a retração é

significativa.





Vazios Capilares:

Poros formados pela parte da água de amassamento

que não reage.

20 a 25% peso de CP em água reage quimicamente

(“água estequeométrica”)

Toda água além, sobra e fica dentro dos poros

capilares





Vazios Capilares:

Qual a faixa comum de relação a/c?

a/c comum: 0,40 a 0,65






Vazios Capilares:

Mas porque não usamos 0,20 a 0,22 que é a água

necessária para reação química com o cimento?

Fluidez




Sobra 50 a 70% da

água utilizada

Resultado disso:

É isso que gera os poros capilares

nos concretos e argamassas

FASE 2 – VAZIOS E POROS Vazios Capilares:




(Mehta e Monteiro,

2008)

100 cm3 + 200 cm3

Densidade do cimento?

3,18 g/cm3





318 g de cim.

± 200 g de H2O


(Mehta e Monteiro,

2008)





(Mehta e Monteiro,

2008)




318 g de cim.

Vt = 100 + 318x0,7 =

= 320 cm3


(Mehta e Monteiro,

2008)




318 g de cim.

Vvaz. Cap. = 320 – 200 =

120 cm3 = 37%


(Mehta e Monteiro,

2008)





(Mehta e Monteiro,

2008)




Micrografia eletrônica (MEV)

mostrando um vazio capilar

com alguns cristais de

estruturas C-S-H crescendo

para o seu interior.






Poros provocados pela

água que “sobra” da

relação a/c.

(He

rvé

Ne

to, E

.; 2

00

8)





Poros com diâmetros de 0,01 µm a 1,0 µm.

10 nm a 1000 nm

• Quanto > a/c, maior a quantidade de poros capilares e

maiores os seus diâmetros.

• Poros com Ø < 50nm não afetam a resistência mecânica mas

provocam forte retração com a saída da água.

• Poros com Ø > 50nm prejudicam a resistência mecânica mas

não causam muita retração com a saída da água.


1 Ångström [Å] = 1,0×10-7 mm

1 Ångström [Å] = 0,1 nm

1 µm = 1 000 nm



DCC Departamento de Construção Civil Ar Aprisionado:

Pequenas bolhas de ar (± 5 mm) ficam aprisionadas

devido a mistura na betoneira

Representa (1 a 2 %) do volume total do concreto




DCC Departamento de Construção Civil Ar incoporado:

• Bolhas de 50 a 200 m.

• Aumenta a fluidez;

• Aumenta abatimento sem água

- aditivos IAR (incorporadores de ar)

Incorporação de ar também é utilizada para resistência

ao fenômeno gelo-degelo.





Micrografia MEV mostrando uma bolha de ar incorporado de 1 mm.


Ar incoporado:

Esféricos





FASE 3 – ÁGUA




Na pasta recém endurecida existe muita água, tanto

livre (líquida) ou 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 calor 100 % da água pode sair.

A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA:




• A água presente na pasta é classificada em

função da dificuldade com que pode ser

removida.

FASE 3 - ÁGUA




FASE 3 - ÁGUA

Quimicamente combinada

Interlamelar

Adsorvida

Capilar ou livre




FASE 3 - ÁGUA

Água quimicamente combinada de cristalização

• Integra a estrutura física do C-S-H e CH

• Varia de 0,20 a 0,25 kg/kg cimento anidro (para

100 % de hidratação)

• 500ºC inicia a saída da água nos cristais Ca(OH)2

• 900ºC sai a água das estruturas C-S-H




FASE 3 - ÁGUA

Água interlamelar ou água de gel

• “monomolecular”, fixada ao C-S-H por pontes de H

(presa entre as lâminas das estruturas C-S-H)

• apenas se movimenta p/ U.R. < 11% e temp. > 100 ºC;

• Pode causar fluência e forte retração




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x

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Lamela de

C-S-H

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FASE 3 - ÁGUA

Água interlamelar ou água de gel




FASE 3 - ÁGUA

Água adsorvida

• fixada ao C-S-H por pontes de H

• apenas se movimenta p/ U.R. < 30%;

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x

• Sua saída é o principal

causador da retração por

secagem.

Lamela de

C-S-H

6 camadas

de água




FASE 3 - ÁGUA

Água capilar

• No interior dos vazios > 5 nm;

• (nos poros entre 5 nm e 50 nm) sob efeitos de

tensão capilar retração hidráulica ou de

secagem

• (nos poros acima de 50 nm) – “água livre”, sua

saída não causa retração





FASE 3 - ÁGUA




Só 20 a 22 % do peso do cimento em água reage

com os silicatos e aluminatos do cimento.

P/ a/c = 0,40 sobra ±50 % da água na forma líquida

P/ a/c = 0,60 sobra ±60 % da água na forma líquida

FASE 3 - ÁGUA




FASE 3 – ÁGUA

(José Freitas Jr.)





www.concrete.org

Fissuras decorrentes da retração do

concreto no estado plástico.




www.concrete.org


concreto no estado endurecido.






http://propriedadesdoconcreto.blogspot.com.br/


concreto no estado endurecido.




FASE 3 – ÁGUA

Quais as águas da pasta hidrata?




FASE 3 – ÁGUA




A ZONA DE TRANSIÇÃO:




A ZT é a interface entre o agregado e a pasta

Espessura de aproximadamente 1/20 mm

É o “elo” mais frágil do concreto

As rupturas em concretos comuns 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)




agregado

Zona de transição Pasta de Cimento





Zona de

Transição

ZT

(Mehta e Monteiro,2006)





Tendência da água de

amassamento vir à

superfície do concreto

recém lançado.

Exsudação interna


Densidade (1g/cm3) ser menor que a dos agregados

(≈2,4g/cm3) e a do cimento (≈ 3,1g/cm3).




Faz com que a relação a/c da superfície fique enorme,

reduzindo a resistência mecânica na região.

(Granato, Basf)

Exsudação interna





Exsudação interna

(Mehta e Monteiro,2008)





Silia Fume Association

Exsudação interna





(José Freitas Jr.)


Exsudação interna




ZT “perfeita”

(Aïtcin, 2000)

CONCRETO DE ALTO

DESEMPENHO - CAD

MICROESTRUTURA

FASE AGREGADO

Rocha c/ alta resistência

Lamelaridade prejudica

FASE PASTA MATRIZ

Baixas relações A/A minimizam vazios

Sílica ativa, mais C-S-H e efeito microfiler

ZONA DE TRANSIÇÃO

Baixas relações A/A e a SA melhoram ZT




Materiais de Construção


REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:

• CONCRETO: Estrutura, Propriedades e Materiais, P. Kumar Metha e

Paulo J. M. Monteiro, São Paulo: Pini, 1994.

• CONCRETE, Microstucture, Properties and Materials, , P. Kumar

Metha e Paulo J. M. Monteiro, McGraw-Hill, 2006

• Aulas Prof. José Marques Filho

• A microestrutura do concreto convencional – Concreto Ensino,

Pesquisa e Realizações – IBRACON, Capítulo 19, Vladimir A. Paulon.




Materiais de Construção


REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:

• Considerações sobre a microestrutura do concreto, Luis Fernando

Kaefer

• ALIZADEH, R. Cement and Art. Ottawa: INSTITUTE FOR

RESEARCH IN CONSTRUCTION. Disponível em:

<http://www.cementlab.com/cement-art.htm>. Acesso

em:26/05/2011.

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