A Estrutura Do Concreto

CAPTULO

2A Estruturado Concreto

Traduo e adaptaoProfa. Ora. Maria Alba Cincotto

PREMBULO

As relaes estrutura-propriedade constituem a essncia da moderna cincia dosmateriais. O concreto tem uma estrutura muito hetergenea e complexa. Conse-quentemente, muito difcil estabelecer modelos exatos, a partir dos quais ocomportamento do material pode ser previsto com segurana. Todavia; um conhecimentoda estrutura e das propriedades de cada constituinte do concreto e a relao entre elas til para se exercer um certo controle sobre as propriedades do material. Neste captulo,so descritos trs constituintes da estrutura do concreto - a pasta, o agregado, e a zonade transio entre a pasta de cimento e o agregado. As relaes estrutura - propriedadeso discutidas sob o ponto de vista das caractersticas fundamentais do concreto, taiscomo resistncia, estabilidade dimensional e durabilidade.

DEFINiES

o tipo, a quantidade, o tamanho, a forma, e a distribuio das fases presentes emum slido constituem a sua estrutura. Os elementos grados da estrutura de ummaterial podem ser vistos facilmente, enquanto os mais finos so visualisadoscom auxlio de um microscpio. O termo macroestrutura geralmente emprega-do para a estrutura grosseira, visvel vista humana. O limite de resoluo a olhon aproximadamente 1/5 de milmetro (200 um). O termo microestrutura empregado para a poro aumentada microscopicamente de uma macroestrutura.A capacidade de aumento dos microscpios eletrnicos modernos da ordem de105 vezes; assim, a aplicao de tcnicas de microscopia eletrnica de transmissoe de varredura tomaram possvel analisar a estrutura de materiais at uma fraode micrometro

=--=---------- -

18 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais

IMPORTNCIA

o progresso no campo dos materiais resultou principalmente do reconhecimentodo princpio de que as propriedades de um material tm origem na sua estruturainterna; em outras palavras, as propriedades podem ser modificadas por mudanasadequadas na estrutura do material. Embora o concreto seja o material estruturalmais amplamente empregado, a sua estrutura heterognea e altamente comple-xa. As relaes estrutura-propriedade no concreto ainda no esto bem desenvol-vidas; todavia, essencial um entendimento de alguns dos elementos da estruturado concreto, antes de se discutir os fatores que influenciam as propriedades impor-tantes do concreto, tais como resistncia (Captulo 3), elasticidade, retrao, flu-ncia, fissurao (Captulo 4), e durabilidade (Captulo 5).

COMPLEXIDADES

No exame de uma seo transversal do concreto (Fig. 2-1), as duas fases que po-dem ser facilmente distinguidas so partculas de agregado de tamanho e formavariados, e o meio ligante, composto de uma massa contnua da pasta endurecida.A nvel macroscpico, consequentemente, o concreto pode ser considerado comoum material bifsico, consistindo de partculas de agregado dispersas em umamatriz de cimento.

A nvel microscpico, comeam a aparecer as complexidades da estrutura doconcreto. bvio que as duas fases da estrutura no esto distribudashomogeneamente, uma em relao outra, nem so em si mesmas homogneas.Por exemplo, em algumas reas a massa de pasta aparece to densa quanto o agre-gado enquanto em outras altamente porosa (Fig. 2-2). Do mesmo modo, se vri-os corpos-de-prova de concreto contendo a mesma quantidade de cimento, masdiferentes quantidades de gua, so examinados em diferentes intervalos de tem-po, ser observado que, em geral, o volume de vazios capilares na pasta decrescecom a diminuio da relao gua/cimento ou com a idade crescente de hidratao.Para uma pasta bem hidratada, a distribuio no homognea de slidos e vaziosisoladamente pode ser talvez ignorada quando se modela o comportamento domaterial. Todavia, os estudos de microestrutura mostraram que isto no pode seraplicado para a pasta presente no concreto. Na presena de agregado, a estruturada pasta, na vizinhana de partculas grandes de agregado, comumente muitodiferente da estrutura da matriz de pasta ou argamassa do sistema. De fato, muitosaspectos do comportamento do concreto sob tenso podem ser explicados somen-te quando a interface pasta cimento-agregado tratada como uma terceira fase daestrutura do concreto. Assim, os aspectos singulares da estrutura do concretopodem ser resumidos como segue.

Primeiro, h uma terceira fase, a zona de transio, que representa a regiointerfacial entre as partculas de agregado grado e a pasta. Sendo uma camadadelgada, tipicamente de 10 a 50 um de espessura ao redor do agregado grado, azona de transio geralmente mais fraca do que os outros dois componentesprincipais do concreto, e, consequentemente, exerce uma influncia muito maiorsobre o comportamento mecnico do concreto do que pode ser esperado pela suaespessura. Segundo, cada uma das fases de natureza multifsica. Por exemplo,'cada partcula de agregado pode conter vrios minerais, alm de microfissuras e

pA Estruturado Concreto 19

Figura 2-1 Seo polida de um corpo-de-prova de concreto

A macroestrutura a estrutura grosseira de um material que visvel a olho n. Na macroestrutura doconcreto so facilmente distinguidas duas fases: agregados de diferentes formas e tamanho, e o meioligante, o-qual consiste de uma massa incoerente de pasta endurecida ..vazios. Analogamente, tanto a matriz de pasta como a zona de transio contmgeralmente uma distribuio heterognea, de diferentes tipos e quantidades defases slidas, poros e microfissuras que sero descritas abaixo. Terceiro, diferen-temente de outros materiais de engenharia, a estrutura do concreto no permaneceestvel (i.e., no uma caracterstica intrnseca do material). Isto porque dois cons-tituintes da estrutura - a pasta e a zona de transio - esto sujeitas a modificaescom o tempo, umidade ambiente e temperatura.

A natureza altamente heterognea e dinmica do concreto a principal razoporque os modelos tericos de relao estrutura-propriedades, de modo geral toimportantes na previso do comportamento de materiais de engenharia, so depouco uso no caso do concreto. Um conhecimento amplo dos aspectos importan-tes da estrutura dos constituintes individuais do concreto, como apresentados emseguida, contudo essencial para o entendimento e controle das propriedades domaterial composto.


2,000 X

Figura 2-2 Microestrutura da pasta endurecida

A microestrutura a estrutura fina de um material, observvel com auxlio de um microscpio. Umamicrografia eletrnica de varredura de baixo aumento (200x) de uma pasta endurecida mostra que aestrutura no homognea; enquanto algumas reas so densas, outras so altamente porosas. Em reasporosas, possvel observar fases hidratadas individuais sob aumentos maiores. Por exemplo, podem servistos cristais grandes de hidroxido de clcio, agulhas finas e longas de etringita e agregaes de cristaisfibrosos pequenos de silicato de clcio hidratado, com aumentos de 2000x e 5000x. I

A Estrutura do Concreto 21

Figura 2-3 Forma e textura da su-perfcie de partculas de agregadogrado: (a) seixo, arrendondado eliso; (b) rocha britada, equidimen-sional; (c) rocha britada, alongada;(d) rocha britada chata; (e) agrega-do leve, anguloso e rugoso; (f)agregado leve, arredondado e liso.

.ESTRUTURA DA FASE AGREGADO

A composio e as propriedades de diferentes tipos de agregado para concretoesto descritas em detalhe no Captulo 7. Por isso, ser apresentada aqui somenteuma breve descrio dos elementos gerais da estrutura do agregado, os que exer-cem maior influncia sobre as propriedades do concreto.

A fase agregado predominantemente responsvel pela massa unitria, mdulode elasticidade, e estabilidade dimensional do concreto. Estas propriedades doconcreto dependem em larga extenso da densidade e resistncia do agregado,que, por sua vez, so determinadas mais por caractersticas fsicas do que porcaractersticas qumicas da estrutura do agregado. Em outras palavras, a composi-o qumica ou mineralgica das fases slidas do agregado so comumente menosimportantes do que caractersticas fsicas tais como volume, tamanho, e distribui-o de poros.

Alm da poros idade, a forma e a textura do agregado grado tambm afetamas propriedades do concreto. Algumas partculas tpicas do agregado so mostra-das na Fig. 2-3. Geralmente, o seixo natural tem uma forma arredondada e umasuperfcie de textura lisa. Rochas britadas tm uma textura rugosa; dependendo dotipo de rocha e da escolha do britador, o agregado britado pode conter uma propor-o considervel de partculas chatas ou alongadas, que afetam negativamentemuitas propriedades do concreto. Partculas de agregado leve de pedra-pomes,que altamente celular, so tambm angulares e de textura rugosa, mas as deargila ou folhelho expandidos so geralmente arredondadas e lisas.


Sendo geralmente mais resistente do que as duas outras fases do concreto, afase agregado no tem influncia direta sobre a resistncia do concreto, exceto nocaso de alguns agregados altamente porosos e fracos, como o agregado de pedra-pomes descrito anteriormente. O tamanho e a forma do agregado grado podem,no entanto, afetar a resistncia do concreto de modo indireto. bvio que, comoindicado na Fig. 2-4, quanto maior o tamanho do agregado no concreto e maiselevada a proporo de partculas chatas e alongadas, maior ser a tendncia dofilme de gua se acumular prximo superfcie do agregado, enfraquecendo as-sim a zona de transio pasta-agregado. Este fenmeno, conhecido como exsudaointerna, ser discutido em detalhe no Captulo 10.

ESTRUTURA DA PASTA ENDURECIDA

Deve ser entendido que o termo pasta endurecida, como empregado neste texto,refere-se geralmente a pastas de cimento Portland. Embora a composio e aspropriedades do cimento Portland sejam discutidas em detalhe no Captulo 6, umresumo da composio ser dado aqui antes de se discutir como a estrutura dapasta evolui, resultante das reaes qumicas entre os minerais do cimento Portlande a 'gua.

Exsudaointerna dagua

(a) (b)Figura 2-4 (a) Representao esquemtica da exsudao em concreto recm-lanado;(b) Ruptura da aderncia por cisalhamento em corpo-de-prova de concreto ensaiado compresso uniaxiaL

A gua exsudada internamente tende a acumular-se na vizinhana de partculas de agregado, grandes,alongadas e chatas, Nestas regies, a zona de transio existente entre a pasta de cimento e o agregadotende a ser mais fraca e facilmente propensa fissurao. Este fenmeno responsvel pela ruptura daaderncia por cisalhamento na superficie da partcula do agregado, indicada na fotografia, I


o cimento Portland anidro um p cinza que consiste de partculas angulares detamanho comumente entre 1 e 50 um. produzido pela moagem do clnquer comuma pequena quantidade de sulfato de clcio, sendo o clnquer uma mistura hete-rognea de vrios minerais produzidos em reaes a alta temperatura, entre xidode clcio e slica, alumina e xido de ferro. A composio qumica dos minerais'principais do clnquer corresponde aproximadamente a C

3S, C2S, C3A e C4AF; no

cimento Portland comum as suas respectivas quantidades esto comumente entre45 e 60 %, 15 e 30 %, 6 e 12 %, e 6 e 8%.

Quando o cimento disperso em gua, o sulfato de clcio e os compostos declcio formados a alta-temperatura tendem a entrar em soluo, e a fase lquidatoma-se rapidamente saturada em vrias espcies inicas. Como resultado dascombinaes entre clcio, sulfato, aluminato e ons hidroxila, aps alguns minu-tos de hidratao do cimento Portland, aparecem os primeiros cristais acicularesde um sulfoaluminato de clcio hidratados chamado etringita; algumas horas maistarde, cristais prismticos grandes de hidrxido de clcio e pequenos cristaisfibrilares de silicatos de clcio hidratado comeam a preencher o espao vazioocupado inicialmente pela gua e as partculas de cimento em dissoluo. Apsalguns dias, dependendo da proporo alumina-sulfato do cimento Portland, aetringita pode tomar-se instvel e decompor-se para formar o monos sulfatohidratado, que tem a forma de placas hexagonais. A morfologia em placa hexago-nal tambem caracterstica dos aluminatos de clcio hidratados, os quais se for-mam em pastas hidratadas de cimentos Portland, tanto com baixo teor de sulfatocomo de elevado teor de C3A. Uma micrografia eletrnica de varredura ilustrandoa morfologia tpica de fases preparadas pela mistura de soluo de aluminato declcio com soluo de sulfato de clcio mostrada na Fig. 2-5. Um modelo dasfases essenciais presentes na microestrutura de uma pasta de cimento bem hidratada mostrada na Fig. 2-6.

Do modelo da microestrutura da pasta, mostrado na Fig. 2-6, pode-se notarque as vrias fases no esto uniformemente distribuidas nem so uniformes emtamanho e morfologia. Nos slidos, as heterogeneidades microestruturais podemlevar a efeitos negativos sobre a resistncia mecnica e outras propriedades mec-nicas relacionadas a ela, porque estas propriedades so controladas pelos extre-mos microestruturais e no pela microestrutura mdia. Assim, alm da evoluoda microestrutura, como resultado das transformaes qumicas, que ocorrem de-pois que o cimento entra em contacto com a gua, deve-se levar em conta certaspropriedades reolgicas da pasta fresca de cimento, as quais tambm influenciamdeterminantemente a microestrutura da pasta endurecida. Por exemplo, como serdiscutido adiante (ver Fig. 8.2c), as partculas anidras de cimento tm tendncia ase atrairem e formar flocos, os quais aprisionam grande quantidade da gua demistura. Obviamente, as variaes locais na relao gua-cimento so as princi-pais fontes de evoluo da estrutura porosa e heterognea. Em sistemas de pastade cimento altamente floculada no somente o tamanho e a forma dos poros, mastambm os produtos hidratados cristalinos so diferentes quando comparados aosformados em sistemas consideravelmente dispersos.

I conveniente manter as abreviaes empregadas em qumica do cimento: C = CaO; SI= Si02; A = AIP3; F = Fep3; S = S03; H = HP


Figura 2-5 Micrografia eletrnica devarredura de cristais hexagonais tpi-cos de monossulfato hidratado e cris-tais aciculares de etringita formadospela mistura de solues de aium inatode clcio e de sulfato de clcio (corte-sia de F.W. Locher, Research Institutefor Cement Industry, Dusseldorf, Re-pblica Federal Alem).

Slidos na Pasta de Cimento Hidratado

Os tipos, quantidades, e caractersticas das quatro fases slidas principais geral-mente presentes na pasta, que podem ser observadas ao microscpio eletrnico,so as seguintes.

Silicato de clcio hidratado. A fase silicato de clcio hidratado, abreviadapara C-S-H, constitui de 50 a 60 % do volume de slidos de uma pasta de cimentoPortland completamente hidratado e , consequentemente, a mais importante nadeterminao das propriedades da pasta. O fato do termo C-S-H ser hifenizadosignifica que o C-S-H no um composto bem definido; a relao CIS varia entre1,5 e 2,0 e o teor de gua estrutural varia ainda mais. A morfologia do C-S-H variade fibras pouco cristalinas a um reticulado cristalino. Devido s suas dimensescoloidais e tendncia a aglomerar, os cristais de C-S-H puderam ser observadossomente com o advento do microscpio eletrnico. O material frequentementecitado como C-S-H gel em literatura tradicional. A estrutura cristalina interna doC-S-H tambm permanece no totalmente distinguvel. Ela foi anteriormente as-sumida como semelhante do mineral natural tobermorita; por isto, foi s vezesdenominada gel de tobermorita.


I I fLm I

Figura 2-6 Modelo de uma pasta de cimento Portland bem hidratada. A representa a agre-gao de partculas de C-S-H pouco cristalinas, que tem pelo menos uma dimenso coloidal(1 a 100 nm). O espaamento entre as partculas em uma agregao de 0,5 a 3,0 nrn (1,5nm em mdia). H representa produtos cristalinos hexagonais tais como CH, C

4A SH

ls'

C4AH19' Formam cristais grandes, tipicamente de 1 um de comprimento. C representa cavi-dades capilares ou vazios que existem quando os espaos originalmente ocupados pela guano foram completamente preenchidos com produtos de hidratao do cimento. O tamanhodos vazios capilares varia entre 10 nrn e 1 um, mas em pastas consideravelmente hidrata-das, de baixa relao gua/cimento, eles so inferiores a 100 nrn.

Embora a estrutura exata do C-S-H no seja conhecida, alguns modelos forampropostos para se explicar as propriedades dos materiais. De acordo com o modelode Powers - Brunauer', o material tem uma estrutura em camada com uma reaespecfica elevada. Dependendo da tcnica de medida, tm sido propostas para oC-S-H, reas especficas de 100 a 700 m2/g. A resistncia do material principal-mente atribuda a foras de Van der Waals, sendo o tamanho dos poros do gelou adistncia' slido- slido ao redor de 18. O modelo Feldman - Sereda' represen-ta a estrutura do C-S-H como sendo composta de um arranjo irregular e dobradode camadas ao acaso, de modo a formar espaos interlamelares de forma e tama-nho diferentes (5 a 25).

Hidrxido de clcio. Cristais de hidrxido de clcio (tambm chamadoportlandita) constituem 20 a 25 % do volume de slidos na pasta hidratada. Em con-traste com o C-S-H, o hidrxido de clcio um composto com uma estequiometria

2 T.e. Powers, 1. Am. Ceram. Soe., vai 61, n 1, pp 1-5, 1958; e S. Brunauer, AmericanScientist, vol. 50, n 1, pp 210-29, 1962.3 Em literatura mais antiga, as distncias slido-slido entre camadas do C-S-H foramchamadas de poros do gel. Em literatura moderna hbito chamar de espaointerlamelar.4 R.F. Feldman e P.J. Sereda, Engineering Journal (Canad), VaI. 53, n? 8/9, pp 53-59,1970. I

Vazios na pasta endurecida

Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais

definida, Ca(OH)2. Ele tende a formar cristais grandes, sob a forma de prismashexagonais distintos. A morfologia dos cristais varia bastante, apresentando des-de formas no definidas at pilhas de placas geometricamente bem definidas. Amorfologia afetada pelo espao disponvel, temperatura de hidratao, e impure-zas presentes no sistema. Comparado ao C-S-H, o potencial de contribuio dohidrxido de clcio para a resistncia devido a foras de Van der Waals limitado,consequncia de uma rea especfica consideravelmente menor. Alm disso, a pre-sena de uma quantidade considervel de hidrxido de clcio no cimento Portlandhidratado tem um efeito desfavorvel sobre a resistncia qumica a solues ci-das, por ser a solubilidade do hidrxido de clcio maior do que a do C-S-H.

Sulfoaluminatos de clcio. Os sulfoaluminatos de clcio ocupam de 15 a20% do volume de slidos na pasta endurecida e, tonsequentemente, desempe-nham um papel menor nas relaes estrutura-propriedade. J foi estabelecido que,durante os primeiros estgios da hidratao a relao inica sulfato/alumina dasoluo geralmente favorece a formao de trissulfato hidratado, C6AS 3H32'tam-bm chamado etringita, o qual forma cristais prismticos aciculares. Em pastasde cimento Portland comuEl, a etringita transforma-se eventualmente emmonossulfato hidratado, C4AS H18'que cristaliza em placas hexagonais. A presen-a de monossulfato hidratado em concreto de cimento Portland toma o concretovulnervel ao ataque por sulfato. Deve-se notar que tanto a etringita como omonossulfato contm pequenas quantidades de xido de ferro, o qual pode substi-tuir o xido de alumnio na estrutura dos cristais.

Gros de clnquer no hidratado. Dependendo da distribuio do tamanhodas partculas de cimento anidro e do grau de hidratao, alguns gros de clnquerno hidratado podem ser encontrados na microestrutura de pastas de cimentohidratado, mesmo aps longo perodo de hidratao. Como citado anteriormente,as partculas de clnquer em cimentos Portland atuais situam-se geralmente nointervalo de tamanho de 1 a 50 um. Com a evoluo da hidratao, primeiro sodissolvidas as partculas menores (i.e., desaparecem do sistema) e as partculasmaiores tomam-se menores. Por causa do espao disponvel limitado entre as par-tculas, os produtos de hidratao tendem a cristalizar-se muito prximo das part-culas do clnquer em hidratao, o que d a aparncia de formao de um revesti-mento ao redor delas. Em idades posteriores, devido falta de espao disponvel,a hidratao in loco de partculas do clnquer resulta na formao de um produtode hidratao muito denso, cuja morfologia s vezes assemelha-se de uma part-cula do clnquer original.

Alm dos slidos descritos anteriormente, a pasta contem diferentes tipos de vazi-os, os quais tm uma influncia importante em suas propriedades. Os tamanhoscaractersticos das fases slidas e dos vazios na pasta so vistos na Fig. 2.7. Osvrios tipos de vazios e sua quantidade e significado so discutidos em seguida.

Espao interlamelar no C-S-H. Powers assumiu que a largura do espaointerlamelar na estrutura do C-S-H de 18 e determinou que ele responsvelpor 28 % da porosidade capilar no C-S-H slido, porm Feldman e Sereda suge-rem que o espao pode variar de 5 a 25 . I


f-IH--+-++-H+l+-+-+H-+++tt++--+-+-+-+-+--t+1+f---l-f-f-+-t+t+tt--+-t-IH-t+++++--++-+-++t Vazio de ar aprisionado~H--+-++~+-~H-+++tttt-+-+-+-+-t~+f---t-f-f-+-H+rrr-+-t-IH-rH~-++-r+~mrr,-~'t-HHTm

~~+t+m~t+=I=++m14=:H=+~Clist~i~l~exa~o~aiS ~e6~(6~),'t-r+-+~K) O O O ,-H-t-+*H-+-t-H-HtHoude monossulfato Bolhasde ar incorporadoHH--+-++-H+l+-+-+-++++++++--+-+-+--tna pasta de cimento ttt--t-t-H-t-ttit1

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1--r+H-++H+ft---+-+-++++++++-+-+--+--HAgregaodeI--I-+-+-+++++-ft---+-+-++++tt++-+-+-+-+-+particulas de C-S-H t-+H+ft---rT-++++++tt--t--t-+--H+H+r---t-i-t-t-HTttI

O.Oll'm10nm

O.ll'mlOOnm

ll'mlOOOnm

lmm

106nmlOmm

10' nm

Figura 2-7 Intervalo dimensional de slidos e poros em uma pasta endurecida.

Este tamanho de vazio muito pequeno para ter um efeito desfavorvel sobre aresistncia e a permeabilidade da pasta. No entanto, como ser discutido em se-guida, a gua nestes pequenos vazios pode ser retida por pontes de hidrognio, e asua remoo sob determinadas condies pode contribuir para a retrao por seca-gem e para a fluncia.

Vazios capilares. Os vazios capilares representam o espao no preenchidopelos componentes slidos da pasta. O volume total de uma mistura cimento-guapermanece essencialmente inalterado durante o processo de hidratao. A densi-dade mdia dos produtos' de hidratao consideravelmente menor do que a den-sidade do cimento Portland anidro; estima-se que 1 em' de cimento, aps hidrataocompleta, requer ao redor de 2 em" de espao para acomodar os produtos dehidratao", Desse modo, a hidratao do cimento deve ser considerada como umprocesso durante o qual o espao inicialmente ocupado pelo cimento e a gua vaisendo gradativamente substitudo pelo espao preenchido pelos produtos dehidratao. O espao no ocupado pelo cimento ou pelos produtos de hidrataoconsiste de vazios capilares, sendo o volume e o tamanho dos capilares determina-do pela distncia inicial entre as partculas de cimento anidro na pasta de cimentorecm-misturada (i.e., relao gua/cimento) e o grau de hidratao do cimento.Um mtodo de clculo do volume total de vazios capilares, popularmente conhe-cido como porosidade, em pastas de cimento Portland, tendo diferentes relaesgua/cimento ou diferentes graus de hidratao, ser descrito mais tarde.

Em pastas bem hidratadas, de baixa relao gua/cimento, os vazios capilarespodem variar entre 10 e 50 um; em pastas de relao gua/cimento elevada, nasprimeiras idades de hidratao, os vazios capilares podem atingir de 3 a 5 um,Curvas tpicas de distribuio do tamanho dos poros de algumas amostras de pastaensaiadas por tcnica de intruso de mercrio so mostradas na Fig. 2-8.

5 Deve-se notar que o espao interlamelar na fase C-S-H considerado .como parte dosslidos na pasta.6 N.T. Trata-se de uma simplificao do modelo de Powers. Em geral no se conseguehidratar a 100 %;assim, caso isso fosse possvel, o volume final do "gel hidratado", ou ,seja, cimento + gua de cristalizao + gua de gel, superaria os 2 em",

28 Estruturasda Pasta Endurecida

28 dias0.5 ale

o 0.3C;; t;. 0.4

~ 0.4 00.5 0.6

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Figura 2-8 Distribuio do tamanho dos poros em pastas de cimento hidratado (de P.K.Mehta e D. Manmohan, Proc. Z'" Int. Cong. on the Chemistry of Cements, Paris, 1980)

No a poros idade total, mas a distribuio do tamanho dos poros que controla efetivamente a resistncia,a permeabilidade, e as variaes de volume em uma pasta de cimento endurecida. A distribuio dotamanho dos poros afetada pela relao gua/cimento, e pela idade (grau) de hidratao do cimento. Osporos grandes influenciam principalmente a resistncia compresso e a permeabilidade; os porospequenos influenciam mais a retrao por secagem e a fluncia.

Tem sido sugerido que a distribuio de tamanhos dos poros, e no a porosidadecapilar total, o melhor critrio para avaliao das caractersticas de vazios capi-lares maiores do que 50 nrn de uma pasta, referidos na literatura atual comomacroporos, so admitidos como prejudiciais resistncia e impermeabilidade,enquanto vazios menores do que 50 nrn, referidos como microporos so admitidoscomo mais importantes para a retrao por secagem e a fluncia.

Ar incorporado. Enquanto os vazios capilares tm forma irregular, os vaziosde ar incorporado so geralmente esfricos. Por vrias razes, discutidas no Cap-tulo 8, os aditivos podem ser adicionados propositadamente ao concreto com afinalidade de incorporar poros muito pequenos na pasta de cimento. O ar pode


ser aprisionado na pasta fresca de cimento durante a operao de mistura. Os vazi-os de ar aprisionado podem chegar a 3 nm; os vazios de ar incorporado variamcomumente de 50 a 200 11m.Consequentemente, tanto os vazios do ar aprisionadocomo do ar incorporado na pasta so muito maiores do que os vazios capilares,sendo capazes de afetar negativamente a sua resistncia e impermeabilidade.

A gua na pasta endurecida

Observados ao microscpio eletrnico, os poros na pasta parecem vazios. Istoresulta da tcnica de preparo das amostras, da qual consta a sua secagem sob v-cuo. Na realidade, dependendo da umidade ambiente e da sua porosidade, a pastade cimento no tratada capaz de reter uma grande quantidade de gua. Do mes-mo modo que as fases slido e vazios discutidas anteriormente, a gua pode estarpresente na pasta de vrias formas. A classificao da gua em diversos tipos estbaseada no grau de dificuldade ou de facilidade com a qual ela pode ser removida.Uma vez que existe uma perda contnua de gua de uma pasta de cimento saturada,com a diminuio da umidade relativa, a linha divisria entre os diferentes estadosda gua no rgida. Apesar disso, a classificao til na compreenso das pro-priedades da pasta. Alm do vapor nos poros vazios ou parcialmente preenchidos,a gua existe na pasta nos seguintes estados.

gua capilar. Esta a gua presente nos vazios maiores do que 50 . Podeser descrita como o volume de gua que est livre da influncia das foras deatrao exerci das pela superfcie slida. Na verdade, do ponto de vista do compor-tamento na pasta, aconselhvel dividir a gua capilar em duas categorias: a guaem vazios grandes, de dimetro> 50 nm (0,05 11m),a qual pode ser consideradacomo gua livre, uma vez que a sua remoo no causa qualquer variao devolume/e a gua retida por tenso capilar em capilares pequenos (5 a 50 nm), cujaremoo pode causar a retrao do sistema.

gua adsorvda". a gua que est prxima superfcie do slido; isto , soba influncia de foras de atrao, as molculas de gua esto fisicamente adsorvidasna superfcie dos slidos na pasta. Tem sido sugerido que podem ser fisicamenteretidas por pontes de hidrognio at seis camadas moleculares de gua (15 ).Desde que as energias de ligao de molculas individuais de gua diminuem coma distncia em relao superfcie do slido, uma poro maior da gua adsorvidapode ser perdida por secagem da pasta a 30 % de umidade relativa. A perda de guaadsorvida principalmente responsvel pela retrao da pasta na secagem.

7 N.T. Os autores podem ser considerados, neste caso, exageradamente dogmticos. Astenses capilares geradas a partir do movimento da gua nos poros capilares soresultado de uma funo contnua e portanto no razovel estabelecer um limite torgido entre poros que causam problemas de retrao e poros que no causam. Melhor considerar poros com dimetro acima do qual as conseqncias no so to graves.8 N.T. Neste caso pode ser confundida ou considerada como gua capilar, porm refere-se quela junto s paredes dos poros. I

30 Estruturas da Pasta Endurecida

gua interlamelar? . Esta a gua associada estrutura do C-S- H. Tem sidosugerido que uma camada monomolecular de gua presente entre as camadas deC-S-H est fortemente ligada por pontes de hidrognio. A gua interlamelar per-dida somente por secagem forte (i.e., abaixo de 11 % de umidade relativa). A estru-tura do C-S- H retrai consideravelmente quando a gua interlamelar perdida.

gua quimicamente combinada'". a gua que parte integrante da estru-tura de vrios produtos hidratados do cimento. Esta gua no perdida na seca-gem; liberada quando os produtos hidratados so decompostos por aquecimento.Com base no modelo de Feldman e Sereda, os diferentes tipos de gua associadosao C-S-H esto ilustrados na Fig. 2-9.

Relaes estrutura-propriedade na pasta endurecida

As caractersticas de engenharia desejveis para o concreto - resistncia, estabili-dade dimensional, e durabilidade - so influenciadas no somente pela proporo,mas tambm pelas propriedades da pasta, as quais, por sua vez, dependem de as-pectos microestruturais (i.e., tipo, quantidade, e distribuio de slidos e vazios).As relaes estrutura - propriedade da pasta sero discutidas brevemente a seguir.

Resistncia. Deve-se notar que a fonte principal de resistncia nos produtosslidos da pasta a existncia de foras de atrao de Van der Waals. A adesoentre duas superfcies slidas pode ser atribuda a estas foras de natureza fsica,sendo o grau de ao aderente dependente da extenso e natureza das superfciesenvolvidas. Os pequenos cristais de C-S-H, de sulfoaluminatos de clcio hidratados,e de aluminatos de clcio hidratados hexagonais possuem rea especfica e capaci-dade de adeso elevadas. Estes produtos de hidratao do cimento Portland ten-dem a aderir fortemente, no somente uns aos outros, mas tambm a slidos derea especfica baixa,tais como o hidrxido de clcio, gros de clnquer anidro, epartculas de agregado mido e grado.-j> fato conhecido que em slidos h uma relao inversa entre porosidade e

resistncia. A resistncia est baseada na parte slida de um material;"consequentemente, os vazios so prejudiciais resistncia. Na pasta, o espaointerlamelar interno da estrutura do C-S-H e os pequenos vazios que se acham soba influncia das foras de atrao de Van der Waals no podem ser consideradascomo prejudiciais resistncia, porque a concentrao de tenses e rupturasubsequente sob a ao de carga comea nos grandes vazios capilares e nasmicrofissuras invariavelmente presentes. Como citado anteriormente, o-volume.devazios capilares na pasta depende da quantidade de gua misturada com o cimentono incio da hidratao e do grau de hidratao do cimento. Quando se d a pega, apasta adquire um volume estvel, aproximadamente igual ao volume de cimentomais o volume de gua. Admitindo que 1 em' de cimento produz 2 em! de produtode hidratao, Powers efetuou um clculo simples para demonstrar as variaes naporosidade capilar com vrios graus de hidratao em pastas de cimento com dife-rentes relaes gua/cimento. Com base neste trabalho, so mostradas na Fig. 2-10

9 N.T. Tambm conhecida por gua de gel.

10 N.T. Tambm conhecida por gua de cristalizao.


duas ilustraes sobre o processo de reduo progressiva na porosidade capilar,tanto em graus de hidratao crescentes (caso A) como em relaes gua/cimentodescrescentes (caso B). Sendo a relao gua/cimento geralmente dada em massa, necessrio saber a massa especfica do cimento Portland (aproximadamente 3,14)a fim de se calcular o volume de gua e o espao total disponvel, o qual igual soma dos volumes de gua e de cimento.

gua Capilar

Figura 2-9 Tipos de gua associadosao silicato de clcio hidratado (Basea-do em R.F. Feldman e P.J. Sereda, Eng.J. (Canad), VoI. 53, n 8/9, 1970).

gua interlamelar

gua fisicamente

adsorvida

Na pasta de cimento hidratado, a gua pode estar presente sob muitas formas: estas podem ser classificadasdependendo do grau de facilidade com que podem ser removidas. Esta classificao til na compreensodas variaes de volume da pasta de cimento que esto associadas gua retida nos poros pequenos.

No caso A, uma pasta com relao gua/cimento 0,63, contendo 100 em? decimento requer 200 em? de gua; isto resulta em 300 em" de volume de pasta ou deespao total disponvel. O grau de hidratao do cimento depender das condiesde cura (durao da hidratao, temperatura, e umidade). Assumindo que, sob ascondies padres de cura da ASTMl1, o volume de cimento hidratado a 7, 28 e365 dias 50, 75 e 100 %, respectivamente, o volume calculado de slidos (ci-mento anidro mais produtos de hidratao) de 150,175 e 200 em'. O volume de -vazios capilares pode ser obtido pela diferena entre o volume total disponvel e ovolume total de slidos. Este de 50, 42 e 33 %, respectivamente aos 7, 28 e 365dias de hidratao.

No caso B, admitido o grau de 100 % de hidratao para quatro pastas decimento preparadas com gua correspondente s relaes gua/cimento 0.7, 0.6,0.5 ou 0.4. Para um volume dado de cimento, a pasta com a maior quantidade degua ter o maior volume de espao total disponvel. No entanto, aps hidrataocompleta, todas as pastas devem conter a mesma quantidade de produto slido dehidratao. Conseqentemente, a pasta com o maior espao total terminar comum volume de vazios capilares correspondentemente maior. Assim, 100 em" decimento por hidratao completa produziriam 200 em" de produtos slidos

II A ASTM C 31 - Standard Method of Curing Concrete Test Specimens in the Fieldespecifica cura mida a 23,0 1,7 DC(at idade do ensaio). No Brasil a Norma NBR5738/83 (MB2/83) - Moldagem e cura de corpos-de-prova de concreto cilndricos ou Iprismticos.

hidratados em cada caso; porm, dado que o espao total em pastas de relaogua/cimento 0.7, 0.6, 0.5, ou 0.4 era de 320, 288, 257, e 225 em", os vazioscapilares calculados so de 37, 30, 22 e 11 %, respectivamente. Com o que foi aquiadmitido, uma pasta com relao gua/cimento 0,32 no teria porosidade capilarquando o cimento estivesse completamente hidratado.

Para argamassas de cimento normalmente hidratadas, Powers mostrou que huma relao exponencial do tipo S = kx' entre a resistncia compresso (S) e arelao slidos/espao (x), onde k uma constante igual a 235MPa. Assumindoum dado grau de hidratao, por exemplo, 25, 50, 75 e 100 %, possvel calcular

32 Estruturas da Pasta Endurecida

...,

CASO A: 100 em" de cimento, a/c = constante = 0,63, diferentes graus de hidratao comomostrado

300M' E~E 250 ~~ oN

E~ 00 lD"C1l o OlD N :::li o o o io :::l ~ oC1l 200 ~0U) ~ oo.. 8~~QJ"O 150 M " oC1l

: 100QJ

E 50:JgO

o;::Ro o oNOMg~~('I') II o D Poroscapilares

Em ~~:~~to11~i:~~~~~:e

Tempo de7d 28 d 1 anohidratao

ZeroGrau dehidratao 50 % 75 % 100%

CASO B: 100 em! de cimento, 100 % de hidratao, diferentes relaes a/c como mostrado

57 em-300 8E# ou 22 %E N . 26 em''o'" ou 11 %~. 250 N:JC1l

~T"""O ME ME ME ME"i o o oC1l 200 o OC> o.... coo.. N OC> io NQJ M N N N"O 150 " " " "ro r-; U) co ": _o o _o -o100 ~ x lii x ~ x ~ xQJ 2" " 2" 2"- ~E Q)e;; Q)M ~~ QJ~:J 50 E + E + EMg .20 .20 :::l + :::l +-o gO g~ g~ g~

etc; 0.7 0.6 0.5 0.4

Figura 2-10 Variao na porosidade capilar com relaes gua/cimento e graus de hi-dratao diferentes.

Fazendo-se certas hipteses simplicadoras, os clculos podem ser feitos de modo a mostrar, para uma dadarelao gua/cimento, como poderia variar a porosidade capilar de uma pasta de cimento hidratado emdiferentes graus de hidratao. Uma outra alternativa a de determinar, para um dado grau de hidrataoe diferentes relaes gua/cimento, as variaes na porosidade capilar.

ji


o efeito do valor crescente da relao gua/cimento, primeiro sobre a porosidade esubsequentemente, sobre a resistncia, empregando-se a frmula de Powers. Osresultados esto representados graficamente na Fig. 2-11 a. A curva depermeabilidade tambm indicada nessa figura ser discutida mais tarde.

Estabilidade dimensional. A pasta saturada no dimensionalmente est-vel. Enquanto mantida a 100 % de umidade relativa (UR), praticamente no ocor-rer variao dimensional. No entanto, quando exposta umidade ambiente, queest normalmente muito abaixo de 100 %, o material comear a perder gua e aretrair. O modo como a perda de gua pela pasta saturada est relacionada UR deum lado, e por outro lado, retrao por secagem, descrita por L'Hermite

N

r0- ao, ...~ 30 120 x.!!!o ErotJl ~tJl~ Qla. 20 'OE 80 !1lo ;g (a)o :c'ro !1lQlro E'(3 10c: 40 Q;


(Fig. 2-12). Assim que a UR cai abaixo de 100 %, a gua livre retida nas grandescavidades (por exemplo, > 50 nrn) comea a ser evaporada para o ambiente; Comoa gua livre no est presa estrutura dos produtos hidratados por ligaes fsico-qumicas fortes, a sua perda no seria acompanhada de retrao significativa. Isto mostrado pela curva "A-B" na Fig. 2-12. Assim, uma pasta saturada exposta a umaUR ligeiramente menor do que 100 % pode perder uma quantidade considervel degua total evaporvel antes de sofrer retrao intensa.

Quando a maior parte da gua livre foi perdida, prosseguindo a secagem,observa-se que uma perda adicional de gua passa a resultar em retrao conside-rvel. Este fenmeno, mostrado pela curva "B-C" na Fig. 2-12, atribudo princi-palmente perda de gua adsorvida e de gua retida em pequenos capilares(ver Fig. 2-9).

(o) ( b )

D--.lguacombinada ro

"C-r-r ro oro ~ .ro C::> o-Ol ro ~

0'1> 7ro ::> ., Ol"C . n:: ,,'li /ro ~0"C

0 10Q;D.. ,-o'li /,o'li

ro Q) - /ct-'I>::> ~.~,E B ./ ~

A A ~


Durabilidade. O termo durabilidade de um material refere-se ao seu tempode vida til sob condies ambientais dadas. A pasta alcalina; consequentemente,a exposio a guas cidas prejudicial ao material. Nestas condies, aimpermeabilidade do material, e a estanqueidade da estrutura, tornam-se osprincipais fatores detenninantes da durabilidade. A impenneabilidade da pasta uma caracterstica altamente apreciada porque se assume que uma pasta impenne-vel resultaria num concreto impermevel (o agregado no concreto assumidogeralmente como impermevel). A permeabilidade definida como facilidadecom que um fluido pode escoar atravs de um slido. bvio que o tamanho e acontinuidade dos poros na estrutura do slido determinam a sua penneabilidade.Resistncia e penneabilidade da pasta so duas faces da mesma moeda, com osentido de que ambas esto intimamente relacionadas porosidade capilar e relao slido-espao. Isto fica evidente na curva de penneabilidade da Fig. 2-11,a qual baseia-se em valores de penneabilidade determinados experimentalmentepor Powers.

A relao exponencial entre permeabilidade e porosidade, ilustrada naFig. 2-11 pode ser entendida a partir da influncia que vrios tipos de poros exer-cem obre a penneabilidade. Com o prosseguimento da hidratao, o espao vazioentre as partculas de cimento originalmente distintas comea a ser preenchidogradativamente pelos produtos de hidratao. Foi mostrado (Fig. 2-10) que a rela-o gua/cimento (i.e., espao capilar original entre partculas de cimento) e ograu de hidratao determinam a porosidade capilar total, a qual diminui com odecrscimo da relao gua/cimento ou aumento do grau de hidratao. Estudos

0.5

Distribuio do tamanho de poros menoresdo que 1320 A para corpos-de-prova comrelao gua/cimento de 0.6, 0.7. 0.8 e 0.9.aos 28 dias

28 dias0.600.7II 0.8o 0.9

l~ 0.4

~o: 03u .IDE 1320 A ). foi observado que uma nica curva podia representar a distribuio de tamanho de poros- depastas de 28 dias, preparadas com quatro relaes gua/cimento diferentes. Isto mostra que em pastas decimento endurecidas, o aumento na porosidade total, resultante de relaes gua/cimento crescentes,manifesta-se somente na forma de poros grandes. Esta observao tem grande significado quanto ao efeitoda relao gua/cimento sobre a resistncia e a permeabilidade, ambas controladas pelos poros grandes.

-----------


de poro simetria por intruso de mercrio em pastas de cimento hidratado, da Fig,2-8, com diferentes relaes gua/cimento e em vrias idades, mostraram quediminuio na porosidade capilar total estava associada reduo de poros gran-des na pasta (Fig. 2-13). Dos dados da Fig. 2-11 bvio que o coeficiente depermeabilidade registrou uma queda exponencial quando a frao de volume deporos capilares foi reduzida de 0,4 para 0,3. Conseqentemente, este intervalo deporosidade capilar parece corresponder ao ponto em que tanto o volume como otamanho dos poros capilares na pasta so to reduzidos que se tomam difceis asconexes entre eles. Como resultado, a permeabilidade de uma pasta completa-mente hidratada pode ser da ordem de 106 vezes menor do que uma pasta de baixaidade. Powers mostrou que mesmo uma pasta de relao a/c 0,6 com hidrataocompleta (100 %), pode tomar-se to impermevel quanto uma rocha, como obasalto ou o mrmore.

Deve-se notar que as porosidades representadas pelo espao interlamelar doC-S-H e pequenos capilares no contribuem para a permeabilidade da pasta. Aocontrrio, com o aumento do grau de hidratao, embora haja um aumento consi-dervel no volume de poros, devido ao espao interlamelar do C-S-H e pequenocapilares, a permeabilidade acentuadamente reduzida. Na pasta foi notada umarelao direta entre a permeabilidade e o volume de poros maiores do que cerca de100 nm", Isto ocorre provavelmente porque o sistema de poros, formado princi-palmente de pequenos poros, tende a tomar-se descontnuo.

A ZONA DE TRANSiO NO CONCRETO

Significado da zona de transioJ se perguntou porque:

O concreto frgil sob trao mas dtil em compresso? Os constituintes do concreto quando ensaiados separadamente com-

presso uniaxial permanecem elsticos, at ruptura, enquanto o con-creto mostra comportamento elasto-plstico?

A resistncia compresso de um concreto maior do que a sua resis-tncia trao de uma ordem de magnitude?

Para um dado teor de cimento, uma relao gua/cimento e idade dehidratao, a argamassa de cimento ser sempre mais resistente do que oconcreto correspondente?" E que tambm a resistncia do concreto di-minui com o aumento do tamanho do agregado grado?

A permeabilidade de um concreto, mesmo contendo um agregado muitodenso ser maior por uma ordem de magnitude do que a permeabilidadeda pasta de cimento correspondente?"

12 P.K. Mehta e D. Manrnohan, Proceedings 01 the Seventh International Congress 0Ifthe Chernistry 01 Cernents, Editions Septima, Vol III, Paris, 1980.13 N.T. Na maioria das vezes essa diferena imperceptvel e fica dentro da varia-bilidade de ensaio. Mantido um mesmo consumo de cimento o concreto ter sempreresistncia maior que o da pasta e da argamassa de mesma relao a/c.14 N.T. Em geral o concreto ter um coeficiente de permeabilidade menor do que o dapasta correspondente, amassada com a mesma relao a/c.


Por exposio ao fogo, o mdulo de elasticidade de um concreto caimais rapidamente do que a sua resistncia compresso?

As respostas a estas e outras questes enigmticas sobre o comportamento doconcreto encontram-se na zona de transio que existe entre as partculas grandesde agregado e a pasta. Embora constituda dos mesmos elementos que a pasta, aestrutura e as propriedades da zona de transio diferem das da matriz de pasta.Consequentemente, desejvel tratar a zona de transio como uma fase distintada estrutura do concreto.

Estrutura da Zona de Transio

Devido a dificuldades experimentais, h pouca informao sobre a zona detransio no concreto; todavia, com base em uma descrio dada por Maso",pode-se ter algum entendimento das suas caractersticas estruturais acompa-nhando-se a sequncia do seu desenvolvimento a partir do momento em que oconcreto lanado.

Primeiro, em concreto recentemente compactado, um filme de gua forma-se ao redor daspartculas grandes de agregado. Isto pode levar a uma relao gua/cimento mais elevadana proximidade do agregado grado do que longe dele (i.e., na matriz de argamassa). Emseguida, analogamente matriz, os ons de clcio, sulfato, hidroxila, e aluminato formadospela dissoluo dos compostos de sulfato de clcio e de aluminato de clcio, combinam-separa formar etringita e hidrxido de clcio. Devido relao gua/cimento elevada, estesprodutos cristalinos vizinhos ao agregado grado consistem de cristais relativamentegrandes, e consequentemente, formam uma estrutura mais porosa do que na matriz depasta de cimento ou na matriz de argamassa. Os cristais em placa de hidrxido de clciotendem a formar-se em camadas orientadas, por exemplo, com o eixo c perpendicular superfcie do agregado. Finalmente, com o progresso da hidratao, o C-S-H poucocristalizado e uma segunda gerao de cristais menores de etringita e de hidrxido declcio comeam a preencher os espaos vazios entre o reticulado criado pelos cristaisgrandes de etringita e de hidrxido de clcio. Isto ajuda a aumentar a densidade e,consequentemente, a resistncia da zona de transio.

Uma representao diagramtica e uma micrografia eletrnica de varredura,da zona de transio do concreto, so apresentados na Fig. 2-14.

Resistncia da zona de transio

Como no caso da pasta, a causa da adeso entre os produtos de hidratao e apartcula de agregado so as foras de atrao de Van der Waals; portanto, a resis-tncia da zona de transio em qualquer ponto depende do volume e do tamanhodos vazios presentes. Mesmo para concreto de baixa relao gua/cimento, nasprimeiras idades, o volume e tamanho de vazios na zona de transio sero maio-res do que na matriz de argamassa; consequentemente, a zona de transio maisfraca em resistncia (Fig. 2-15). Contudo, com o aumento da idade, a resistnciada zona de transio pode tomar-se igualou mesmo maior do que a resistncia da

15 I.C. Maso, Proceedings of the Seventh International Congress on the Chemistry ofCements, Vol. I, Editions Septima, Paris, 1980.


Agregado E Zona de Transio

... :-Matriz de pasta de cimento

(a)

C-S-HC-A- S-H(Etringita )CH

=O

(b)

Figura 2-14 (a) Micrografia eletrnica de varredura, de cristais de hidrxido de clciona zona de transio. (b) Representao diagramtica da zona de transio e da matrizde pasta de cimento no concreto.

Nas primeiras idades, especialmente quando ocorreu uma exsudao interna considervel, o tamanho e ovolume de vazios da zona de transio so maiores do que no interior da pasta ou da argamassa. Otamanho e a concentrao dos compostos cristalinos, tais como o hidrxido de clcio e a etringita sotambm maiores na zona de transio. Asfissurasformam-sefacilmente na direo ortogonal ao eixo c. Taisefeitos so responsveis pela resistncia da zona-de transio, em geral mais baixa do que a da matriz depasta no concreto.

A Estrutura do Concreto . 39

15,0,1-----+---+---+--+-----1

(ij'c,~~ 10,01----j~----i.I=___t--+__---i:Jli2Q)"Oo 5,0~--,~-__t-__t--+__---i"S"O'o~

Figura 2_1516 Efeito da idade na resis-tncia de aderncia (zona de transio)e na resistncia da matriz de pasta decimento (De K.M.Alexander, J. War-dlaw, e DJ. Gilbert, The Structure ofConcrete, Cement and Concrete Asso-ciation, Londres, 1968, p. 65).

o PastaO Zona de transioO~----~--~--~--~--~7 28 3 meses 1 ano 4 anos1 dia

Idade (escala log)

Corno resultado da interao qumica lenta entre a pasta de cimento e o agregado, a maiores idades aresistncia da zona de transio aumenta mais do que a resistncia da matriz de pasta de cimento.

matriz de argamassa. Isto poderia acontecer como resultado da cristalizao denovos produtos nos vazios da zona de transio atravs reaes qumicas lentasentre constituintes da pasta de cimento e o agregado, formando silicatos de clciohidratado no caso de agregados silicosos, ou carboaluminatos hidratados em casode calcrio. Tais interaes contribuem para a resistncia porque tendem tambma reduzir a concentrao de hidrxido de clcio na zona de transio. Os cristaisgrandes de hidrxido de clcio possuem menor capacidade de adeso, no somen-te. pela rea especfica menor e foras de atrao de Van der Waals correspon-dentemente mais fracas, mas tambm porque servem como pontos de clivagempreferencial, devido sua estrutura orientada.

Alm do grande volume de vazios capilares e de cristais orientados de hidrxidode clcio, um importante fator responsvel pela baixa resistncia da zona de tran-sio no concreto a presena de microfissuras. A quantidade de microfissurasdepende de inmeros parmetros, incluindo a distribuio granulomtrica e tama-nho do agregado, teor de cimento, relao gua/cimento, grau de adensamento doconcreto fresco, condies de cura, umidade ambiente, e histria trmica do con-creto. Por exemplo, uma mistura de concreto contendo agregado com m distri-buio granulomtrica mais suscetvel segregao durante o adensamento; as-sim, podem formar-se filmes espessos de gua ao redor do agregado grado, espe-cialmente embaixo da partcula. Em idnticas condies, quanto maior o tamanhodo agregado, mais espesso ser o filme de gua. A zona de transio formadanestas condies ser suscetvel fissurao quando sujeita influncia de ten-ses de trao induzidas por movimentos diferenciais entre o agregado e a pasta.Tais movimentos diferenciais surgem comumente tanto na secagem como noesfriamento do concreto.

16 N.T. O mdulo de ruptura equivalente resistncia trao por flexo.

Em outras palavras, o concreto tem microfissuras na zona de transio mesmoantes da estrutura ser carregada. Obviamente, cargas de impacto de curta durao,retrao por secagem, e cargas mantidas a nveis elevados de tenso tero comoefeito o aumento do tamanho e nmero de microfissuras (Fig. 2-16).


Influncia da zona de transio nas propriedades do concreto

A zona de transio, geralmente o elo maisfraco da corrente, considerada a fasede resistncia limite no concreto. devido presena da zona de transio que o, concreto rompe a um nvel de tenso consideravelmente mais baixo do que a resis-tncia dos dois constituintes principais.

Figura 2-16 Mapas tpicos de fissurao em concreto comum (resistncia mdia): (a)aps retrao por secagem; (b) aps carregamento de curto prazo; (c) para carregamen-to mantido por 60 dias a 65 % da resistncia compresso aos 28 dias (De A.I. Ngab,F:O. S1ate,e A.M. Nilson, J. ACI, Proc. VoI.78, nQ 4, 1981).

A zona de transio contm microfissuras resultantes de carregamento a curto prazo, retrao por secagem,e fluncia.

No sendo necessrios nveis elevados de energia para estender as fissuras jexistentes na zona de transio, at com tenses de 40 a 70 % da resistncia lti-ma, j so obtidos maiores incrementos de deformao por unidade de fora apli-cada. Isto explica o fato de que os constituintes do concreto (i.e., agregado e pastaou argamassa) comumente permanecem elsticos at fratura num ensaio de com-presso uniaxial, enquanto o concreto mostra comportamento elasto-plstico.

A nveis de tenso maiores do que 70 % da resistncia ltima, as concentra-es de tenso nos poros grandes da matriz de argamassa tomam-se suficiente-mente grandes at iniciar novas fissuras.

Com tenses crescentes, essas novas fissuras da matriz propagam-segradativamente at se unirem s fissuras originadas na zona de transio. O siste-ma de fissuras toma-se ento contnuo e o material rompe. necessrio uma ener-gia considervel para a formao e propagao das fissuras na matriz sob carga decompresso. Por outro lado, sob carga de trao, as fissuras propagam-se rapida-mente a um nvel de tenso muito mais baixo. por isto que o concreto rmpedemodo frgil trao mas relativamente dctil compresso. Esta tambm a


razo porque a resistncia trao do concreto mais baixa do que a resistncia compresso. Este assunto discutido em maior profundidade nos Captulos 3 e 4.

A estrutura da zona de transio, especialmente o volume de vazios emicrofissuras presentes, tm grande influncia sobre a rigidez ou o mdulo deelasticidade do concreto. No material composto, a zona de transio serve de pon-te entre os dois constituintes: a argamassa matriz e as partculas de agregado grado.Mesmo nos casos em que os constituintes individuais tm rigidez elevada, a rigi-dez do material composto pode ser baixa por causa de pontes rompidas (i.e, vazi-os e microfissuras na zona de transio), as quais no permitem transferncia deenergia. Assim, devido microfissurao por exposio ao fogo, o mdulo deelasticidade do concreto cai mais rapidamente do que a resistncia compresso.

As caractersticas da zona de transio tambm influenciam a durabilidade doconcreto. Os elementos em concreto armado e protendido rompem frequentemen-te, devido corroso da armadura. A velocidade de corroso do ao enormemen-te influenciada pela permeabilidade do concreto. A existncia de microfissuras nazona de transio na interface com a armadura e o agregado grado a razoprincipal do concreto ser mais permevel do que a pasta ou a argamassa corres-pondente. Deve-se notar que a difuso do ar e da gua um pr-requisito necess-rio corroso do ao no concreto.

O efeito da relao gua/cimento sobre a permeabilidade/difusividade e aresistncia do concreto geralmente atribudo dependncia que existe entre arelao gua/cimento e a porosidade da pasta no concreto. A discussoprecedente sobre a influncia da estrutura e das propriedades da zona detransio sobre o concreto mostra que, de fato, mais adequado pensar emtermos de efeito da relao gua/cimento sobre a mistura de concreto como umtodo. Isto porque dependendo das caractersticas do agregado, tais comodistribuio granulomtrica e dimenso mxima, possvel ter grandesdiferenas na relao gua/cimento entre a matriz de argamassa e a zona detransio. Em geral, todos os outros fatores permanecendo os mesmos, quantomaior o agregado, maior ser a relao gua/cimento local na zona de transio,e, consequentemente, menos resistente e mais permevel" ser o concreto.

TESTE O SEU CONHECIMENTO

1. Qual o significado da estrutura de um material? Como voc define estrutura?2. Descreva alguns dos aspectos singulares da estrutura do concreto que dificultam a previso

do comportamento do material a partir de sua estrutura.3. Discuta as caractersticas fsico-qumicas do C-S-H, do hidrxido de clcio, e dos

sulfoaluminatos de clcio presentes em uma pasta de cimento bem hidratada.4. Quantos tipos de vazios esto presentes em uma pasta de cimento hidratado? Quais so as

suas dimenses tpicas? Discutir o significado do espao interlamelar com relao s propri-edades da pasta de cimento hidratado.

I7 N.T. Entendendo a permeabilidade como uma propriedade funo da existncia de umgradiente de presso, a vazo de gua que percola por unidade de rea, ou seja, ocoeficiente de permeabilidade da lei de Darcy, em geral diminui com o aumento dqdimetro e do teor de agregados grados.


s. Quantos tipos de gua esto associados pasta de cimento saturada? Discutir o significadode cada tipo. Por que desejvel fazer-se distino entre a gua livre em poros capilares e agua adsorvida s paredes desses capilares?

6. Qual seria o volume de vazios capilares em uma pasta de relao gua/cimento 0,2 que est

somente 50 % hidratada? Calcular tambm a relao gua/cimento necessria para obter-seporosidade zero em uma pasta de cimento completamente hidratada.

7. Quando a pasta de cimento saturada seca, a perda de gua no diretamente proporcional retrao por secagem. Explicar porqu.

8. Em uma pasta de cimento em hidratao a relao entre poros idade e impermeabilidade exponencial. Explicar porqu.

9. Desenhar um esboo tpico mostrando como a estrutura dos produtos de hidratao na zonade transio pasta de cimento-agregado diferente da estrutura da pasta de cimento no con-creto.

10. Discutir porqu a resistncia da zona de transio geralmente mais baixa do que a resistn-cia da matriz de pasta de cimento. Explicar porqu o concreto rompe de modo frgil traomas no em compresso.

11. Todos os outros fatores mantidos constantes, a resistncia de um concreto diminuir com aintroduo de agregado grado de tamanho crescente. Explicar porqu.

SUGESTES PARA ESTUDO COMPLEMENTAR

DIAMOND, S. Proceedings of the Conference on Hydraulic Cement Pastes, Cement andConcrete Association, Wexham Springs, Slough, U.K., pp 2-30, 1976.

LEA,EM., The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, Inc., NewYork, 1971, Capo 10, The Setting and Hardening of Portland Cement.

MINDESS, S. J.E YOUNG. Concrete, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1981, Capo 4,Hydration of Portland Cement.

POWERS, T.C., Properties of Fresh Concrete, John Wiley and Sons, Inc., 1968, Captulos 2, 9, e11. Proceedings of the Seventh International Congress on the Chemistry of Cement (Paris,1980), Eigth Congress (Rio de Janeiro, 1986), e Ninth Congress (New Delhi, 1992).

RAMACHANDRAN, V.S.R.E FELDMAN, and J.J. BEAUDOIN, Concrete Science, Heyden &Son Ltd., London, 1981, Caps. 1 a 3, Microstruture of Cement Paste.

SKALNY, J.P., Ed., Material Science of Concrete, VoI. 1, The American Ceramic Society Inc.,1989.

A Estrutura Do Concreto

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