Materiais de Construção I

Prof. Luís Gustavo Figueiredo França

Concreto

Concreto

• Argamassa

• Agregados Graúdo

• Aglomerante • Agregado Miúdo • Água

Estrutura da fase agregado • Características físicas: • Agregados representam 80 a 90 % do volume do concreto, eles

determinam: • Massa Específica (ME) do concreto; • E - Módulo de elasticidade; • Condutibilidade térmica.

Agregados miúdos e graúdos

Efeitos da geometria dos grãos: Rugosidade: Aumenta superfície específica (SE) e

aderência c/ pasta, altera a trabalhabilidade do concreto

Superfícies de agregados naturais como a areia e os seixos são menos rugosas.

Britas têm superfície mais rugosa

Estrutura da fase agregado

Efeitos da geometria dos grãos (forma):

Grãos lamelares ou em formato de agulha prejudicam a

trabalhabilidade do concreto.

Formato de agulha

Alongados ou lamelares

Estrutura da fase agregado

Aglomerantes hidráulicos

Cimentos hidráulicos são definidos como os aglomerantes que não só endurecem através de reações com a água, mas também formam um produto resistente à água. Aglomerante derivados da calcinação da gipsita,

ou de carbonatos como a rocha calcária, são não-hidráulicos. Pois seus produtos de hidratação não resistem a água.

A estrutura do concreto

Estrutura é o tipo, a quantidade, o tamanho, a forma e a distribuição das fases presentes em um sólido.

Como é a estrutura do concreto?

Concreto Estrutura heterogênea complexa Composição depende de inúmeros fatores

A estrutura do concreto

Agregados Pasta Macro Estrutura

Micro Estrutura

Agregados Pasta Vazios + Água Zona de Transição

Porque o conhecimento das macro e microestrutura é importante???

Na seção transversal do concreto, duas fases podem ser facilmente distinguidas: Agregados Meio ligante

O concreto pode ser considerado como um meio bifásico.

Complexidades

• Na visão microscópica, é possível perceber que as duas fases não estão distribuídas homogeneamente uma em relação a outro, nem em relação a si mesas.

Zona de transição: representa a região interfacial entre as partículas de agregado graúdo e a pasta (camada delgada de 10 a 50 micrometro) Geralmente mais fraca do que os outros dois componentes

Cada uma das fases é de natureza multifásica. Por exemplo,

cada partícula de agregado pode conter vários minerais, além de microfissuras e vazios. Diferente de outros materiais de engenharia, a estrutura do

concreto não permanece estável. Isto porque dois constituintes da estrutura (a pasta e a zona de transição) estão sujeitas a modificações com o tempo, umidade ambiente e temperatura.

Complexidades

Microestrutura Estudo através de microscopia ótica

e eletrônica de varredura

EDS - Espetroscopia por Energia Dispersiva por feixes de raios X, permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de

uma região da amostra

Microscópio Eletrônico de Varredura MEV Aumentos de até 900.000 x

Imagens tridimensionais

Microestrutura

O estudo da Microestrutura permite entender o comportamento do concreto; Ferramenta para análise de patologias do concreto e

análise de durabilidade; Desenvolvimento de novos aditivos e suas

consequências; Ensaio não-destrutivo e eficiente.

Importância

Aglomerantes Definição: Material ligante, geralmente pulverulento, que promove a união

entre os grãos dos agregados. Os aglomerantes são utilizados na obtenção de pastas, argamassas, e concretos.

Principais aglomerantes: Cimento Portland Asfalto Cal Gesso Aglomerantes especiais

Aglomerantes hidráulicos O cimento Portland e suas várias modificações

são os principais cimentos usados hoje em dia para a produção de concreto estrutural. Isto porque o cimento Portland é verdadeiramente hidráulico, não necessitando de adição de materiais pozolânicos para desenvolver as propriedades de resistência a água.

Cimento Portland O Cimento Portland é um aglomerante hidráulico

produzido pela moagem do clínquer, que consiste essencialmente de silicatos de cálcio hidráulicos, usualmente com uma ou mais formas de sulfato de cálcio como um produto de adição. Principais constituintes

• Cálcio

• Sílica

• Rochas calcárias • Giz • Mármore • Conchas do mar

• Argilas • Xistos

Cimento Portland

Cimento Portland As argilas contem alumia (Al2O3), e frequentemente

óxidos de ferro (Fe2O3) e álcalis (óxidos de potássio e sódio), os quais tem um efeito mineralizante na formação de silicatos de cálcio, isto é, ajudam na formação de silicatos de cálcio a temperaturas consideravelmente mais baixas. Para a formação dos compostos desejados no clínquer

de cimento Portland é necessário que a mistura de matérias-primas esteja bem homogeneizada antes do tratamento térmico. As matérias extraídas têm quer ser submetidas a uma

série de operações de britagem, moagem e mistura. As proporções individuais de cada material é determinada pela composição desejada no produto final.

As reações químicas que ocorrem no sistema de fornos de cimento podem aproximadamente ser representadas como as seguintes: Pedra calcária → CaO+CO2

Argila→SiO2+Al2O3+Fe2O3+H2O

Cimento Portland

→ 3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 3CaO.Al2O3. Fe2O3

• A operação final no processo de produção do cimento Portland consiste na moagem do clínquer (75µm). Aproximadamente 5% de gipsita ou de sulfato de cálcio é moído juntamente com o clínquer para controlar as reações iniciais de pega e endurecimento do cimento.

Vídeo

Composição química

Óxidos Abreviações Compostos Abreviações CaO C 3CaO.SiO2 C3S SiO2 S 2CaO.SiO2 C2S Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C3A Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF MgO M 4CaO.3Al2O3.SO3 C4A3S SO3 S 3CaO.2SiO2.3H2O C3S2H3 H2O H CaSO4.2H2O CSH2

¯ ¯

Embora o cimento Portland consista essencialmente de vários compostos de cálcio, os resultados de análises químicas de rotina são expressos em termos de óxidos dos elementos presentes.

Considerando-se que as propriedades do cimento Portland são relacionadas ao teor dos compostos, é difícil extrair quaisquer conclusões a partir da análise do cimento expressa em óxidos (%) como as mostradas na tabela a seguir. É pratica comum na indústria do cimento, calcular o teor dos compostos do cimento Portland a partir da análise dos óxidos usando uma série de equações.

Composição química

Óxidos Cimento nº 1 Cimento nº 2 Cimento nº 3 Cimento n º4 Cimento nº 5 S 21,1 21,1 21,1 20,1 21,1 A 6,2 5,2 4,2 7,2 7,2 F 2,9 3,9 4,9 2,9 2,9 C 65,0 65,0 65,0 65,0 64,0 S 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Outros 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8

¯

Determinação da composição a partir da Análise Química As equações de Bogue para estimar a composição

potencial ou teórica dos compostos do cimento Portland são as seguintes: % C2S = 4,071C - 7,600A - 1,430F - 2,850S % C3S = 2,867S - 0,7544C3S % C3A = 2,650A - 1,692F % C3AF = 3,043F

_

As equações são aplicáveis aos cimentos Portland com um relação A/F maior ou igual a 0,64, casos a proporção seja menor, outro conjunto de equações é aplicável. As equações de BOGUE admitem que as reações químicas de formação dos compostos do clínquer esteja completas, e que a presença de impurezas tais como MgO e os álcalis possa ser ignorada. Assim em alguns casos a composição calculada, especialmente dos teores de C3A e C4AF nos cimentos, se desviam consideravelmente da composição real determinada diretamente. Por isso a composição calculada é referida como composição potencial do cimento.

Determinação da composição a partir da Análise Química

A composição potencial dos cimentos esta representada a seguir. Considerando que as propriedades dos cimentos são

influenciadas pela proporção e tipo de compostos presentes, as equações de BOGUE atem a um propósito útil fornecendo uma maneira simples de determinar a composição de um cimento a partir de sua análise química.

Determinação da composição a partir da Análise Química

Compostos Cimento nº 1 Cimento nº 2 Cimento nº 3 Cimento n º4 Cimento nº 5 C2S 53,7 58,0 62,3 53,6 42,0 C3S 19,9 16,2 12,5 17,2 28,8 C3A 11,4 7,1 2,8 14,0 14,0

C3AF 8,8 11,9 14,9 8,8 8,8

Estruturas cristalina e reatividade dos compostos A composição química dos compostos presentes no cimento

não é exatamente o que é expressas pelas fórmulas comumente utilizadas. Isto ocorre porque nas altas temperaturas, os elementos presentes no sistema, inclusive as impurezas, possuem a capacidade de entrar em soluções sólidas com cada um dos principais compostos do clínquer.

Silicato tricálcico (C3S) e beta-silicato dicálcico (βC2S) são os dois silicatos hidráulicos comumente encontrados nos clínqueres de cimento. C3S → 3CaO.SiO2 βC2S → 2CaO.SiO2

Ambos contem invariavelmente pequenas quantidades de íons de magnésio, alumínio, ferro, potássio, sódio e enxofre.

Silicatos de cálcio

C3S βC2S Formas impuras Alita

Belita

Aluminato e Ferroaluminato de Cálcio O aluminato tricálcico (C3A) é o principal aluminato

do clínquer de cimento Portland. C3A → 3CaO.Al2O3

Também são formados os ferroaluminatos de cálcicos. C4AF → 4CaO.Al2O3.Fe2O3

Estes compostos também apresentam impurezas

como magnésio, sódio, potássio e sílica.

Hidratação do cimento Portland O cimento Portland não aglomera agregados, ele

só adquire a propriedade adesiva quando misturado à água. As reações que fazem com que o cimento se torne um agente ligante ocorrem na pasta de água e cimento. Os silicatos e os aluminatos formam produtos de hidratação que, com o transcorrer do tempo, dão origem a uma massa firme e resistente, a pasta de cimento endurecida.

Hidratação do cimento Portland

Uma vez que o cimento Portland é composto de uma mistura heterogênea de vários compostos, o processo de hidratação consiste na ocorrência de reações simultâneas dos compostos anidros com a água. Entretanto, todos os compostos não hidratam à mesma velocidade. Os aluminatos são conhecidos por hidratarem mito mais rapidamente do que os silicatos. O enrijecimento (perda de consistência) e a pega

(solidificação) são determinados por reações de hidratação envolvendo os aluminatos. Os silicatos, compões aproximadamente 75% do

cimento Portland, têm um importante papel na determinação do endurecimento.

Hidratação do cimento Portland

Estágios de hidratação do cimento:

Estagio I: Em contato com a água ocorre uma

rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis (sais iônicos) solúveis, Ca2

+, SO42- e íons OH- em solução,

resultando em um pH de 12 a 13.

Hidratação do cimento Portland

Estagio II: Os íons Ca2+, SO4

2- e íons OH- reagem com os silicatos e aluminatos para formar gel de Silicato de cálcio hidratado (C-S-H, constitui de 50 a 60% do volume de sólidos de uma pasta) e etringita, formando 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.

Hidratação do cimento Portland

• Estagio III: Durante o Estágio II a concentração de íons Ca2

+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira.

• Com a supersaturação de Ca2+, seguida da

precipitação de hidróxido de cálcio (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.

Hidratação do cimento Portland

Hidratação do cimento Portland

A hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) resulta na formação de etringitas que assumem formas de agulhas e começam minutos após o início da hidratação, sendo estas responsáveis pelo fenômeno da pega. A relação do C3A com a água é imediata. Formam-

se rapidamente hidratos cristalino, com liberação de uma grande quantidade de calor.

Hidratação dos Aluminatos

A menos que a reação rápida de hidratação do C3A seja de alguma forma desacelerada, o cimento Portland não terá utilidade para a maioria dos propósitos de construção. Para isto é geralmente adicionado gipsita.

Hidratação dos Aluminatos

A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o início da hidratação do cimento. A hidratação do C3S e C2S origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito variada e são representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio � Ca(OH)2, compostos que preenchem o espaço ocupado previamente pela água e pelas partículas de cimento em dissolução. Os cristais de C-S-H formados são pequenos e fibrilares e o

Ca(OH)2 forma grandes cristais prismáticos.

Hidratação dos silicatos

As fases dos silicatos e dos aluminatos hidratados começam a criar algumas ligações interpartículas, que resulta no endurecimento progressivo da pasta. Após algumas horas, ocorre a redução da velocidade à reação. Isto deve-se ao fato de alguns grãos de cimento que não reagiram estarem cobertos por uma camada de hidratos (que se torna cada vez mais espessa com o passar do tempo), camada esta que dificulta as moléculas de água chegarem às partes não hidratadas.

Hidratação dos silicatos

Após alguns dias, a etringita pode tornar-se instável e decompor-se para formar o monosulfato hidratado, que tem a forma de placas hexagonais.

Pode-se verificar que o tempo de início de pega (quando se inicia o endurecimento) deve ser visto e respeitado com muito rigor. A partir deste momento, tanto as agulhas formadas na reação com os aluminatos como os cristais gerados na reação com os silicatos serão prejudicados se o concreto for manuseado após este tempo.

Cuidados

José de A. Freitas Jr. | Materiais de Construção I

Estrutura Interna

FASE “PASTA MATRIZ” a = agregado, c = cimento residual, ch = hidróxido de

cálcio, ip = C-S-H dentro do gel , e op = C-S-H, externo ao gel

Arranjo geométrico dos componentes do concreto