Cimento conceitos basicos

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Cimento PortlandConceitos básicos, fabricação, tipos,

normalização, ensaios

Angelo Just da Costa e Silva (Dr.)Maio, 2009

CONCRETOComponentes

CONCRETOComponentes

ESTADO FRESCO

ESTADO ENDURECIDO

CONCRETOComponentes

CONCRETOComponentes

Fase contínua

Pasta de cimento endurecida

Fase descontínua

Agregados

Zona de transição

Interface entre a pasta e o agregado

CONCRETOComponentes

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Pasta com a/c = 0,60

Para fck de 20 MPa

Concreto de Cimento Portland

Conceitos fundamentais


Para fck de 30 MPa




Para fck de 40 MPa




Para fck de 60 MPa





Efeito do

Super plastificante (1%)



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AGLOMERANTES

• Componente cuja principal característica é endurecer quando misturado à água, aglutinando as partículas com coesão e capacidade de ser moldado (trabalhado)

• Apresentam-se sob a forma pulverulenta e, quando misturados à água, formam pasta capaz de endurecer por simples secagem ou conseqüência de reações químicas, aderindo às superfícies com as quais foram postos em contato.

AGLOMERANTESClassificação

• Quimicamente inertes - barro cru

• Quimicamente ativos:

▫ Aéreos - Após o endurecimento NÃO resistem satisfatoriamente quando submetidos à ação da água (gesso, cal aérea)

▫ Hidráulicos - Resistem satisfatoriamente à água após endurecimento (cimento, cal hidráulica)

AGLOMERANTESRequisitos importantes

• Resistência mecânica - Capacidade de resistir a esforços de compressão, tração, cisalhamento. Importante também conhecer o comportamento deste ganho de resistência.

• Durabilidade - Capacidade de manter as suas propriedades durante o uso. A degradação pode ser oriunda de agentes externos (águas ácidas, sulfatadas) ou internos (compostos no próprio aglomerante ou presentes na mistura na qual o mesmo está contido).

AGLOMERANTESPropriedades fundamentais

• Solubilidade - Determina a capacidade de dissolução em íons (ânions e cátions), efetuada em meio aquoso, influenciada pelo tamanho das partículas, reatividade, temperatura etc.

• Reatividade - Facilidade do material de interagir quimicamente, tendo influência significativa na cinética das reações.

• Área específica - Corresponde à superfície efetiva de contato do sólido com o meio externo, sendo relacionada com a finura.

CIMENTO

• Aglomerante hidráulico largamente utilizado para a composição de peças estruturais em concreto e revestimento devido à sua excelente capacidade resistente.

• Tipos: Cimento comum, Portland (comum, composto, de alta resistência, de moderada resistência a sulfatos, de alta resistência a sulfatos etc.)

CIMENTO PORTLANDCompostos básicos

MATÉRIA PRIMA

Pedra calcária

▫ CaCO3

Argila

▫ SiO2

▫ Al2O3

▫ Fe2O3

▫ Outros

CLÍNQUER

C3S - 3 CaO . SiO2

C2S - 2 CaO . SiO2

C3A - 3 CaO . Al2O3

C4AF - 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3

Outros – álcalis, CaO

~1.500ºC

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CIMENTO PORTLANDProcesso de fabricação

• Extração e preparo da matéria prima

• Dosagem da mistura

• Clinquerização (fornos rotativos)

• Adições finais (gesso), moagem, ensilagem

CIMENTO PORTLANDProcesso de fabricação

1. Extração damatéria prima

2. Britagem

3. Moagem da mistura crua

4. Homog. damistura crua

5. Calcinaçãodo clínquer

6. Moagem do clínquer com gesso

CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer

• C3S - 3 CaO . SiO2 (silicato tricálcico)

▫ Principal responsável pelas propriedades hidráulicas, tendo reação rápida com a água

• C2S - 2 CaO . SiO2 (silicato dicálcico)

▫ Reage lentamente com a água, apresentando pouca resistência mecânica inicial que tende a aumentar significativamente com o decorrer da hidratação.


• C3A - 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico)▫ Reage instantaneamente com a água (elevada

liberação de calor de hidratação), sendo, por isso, necessária adição de sulfato (gesso) para geração de produtos insolúveis na água.

• C4AF - 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 (ferro aluminatotetracálcico)▫ Apresenta pega muito rápida.

• Outros - óxido de cálcio livre (CaO), periclásio(MgO), álcalis (Na2O, K2O), outros compostos

Propriedades dos compostos fundamentaisCompostos fundamentais do Cimento

Portland Propriedades

C3S C2S C3A C4AF

Resistência

boa boa+ fraca fraca

Intensidade

de reação

média lenta rápida rápida-

Calor de

hidratação

médio pequeno grande pequeno

Estabilidade

química

grande- grande baixa baixa


CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer - distribuição

75%

8%

8%

9%

silicatos combinados C3A C4AF Outros

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CIMENTO PORTLANDReações de hidratação

• Silicatos de cálcio (C3S, C2S)

▫ 2 C3S + 6 H2O C-S-H + 3 Ca(OH)2

▫ 2 C2S + 4 H2O C-S-H + Ca(OH)2

• Principal componente formado:

▫ C-S-H - 3 CaO . 2 SiO2 . 3 H2O

silicato cálcico hidratado - gel de tobermorita

CIMENTO PORTLANDReações de hidratação

• Aluminatos de cálcio (C3A, C4AF)

▫ Devido à adição do sulfato para regulação da pega, os aluminatos são analisados já combinados com este componente:

▫ C3A + CaSO4 . 2H2O etringita (C3A.3CS.32H) C3A CS H + C4AH

▫ C4AF C3(A,F).3CS.32H C3(A,F) CS H + C4(A,F) H

• reação imediata reação lenta

CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas

DENOMINAÇÃO SIGLA NORMA

Portland comum CPI/CPI-S NBR5732

Portland compostoCPII-Z

CPII-E

CPII-F

NBR1157

Portland de alto forno CPIII NBR5735

Portland Pozolânico CPIV NBR5736

Portland de alta

Resistência InicialCPV-ARI NBR5733

Portland Resistente a

SulfatoCP – RS NBR5737


TIPOS DE

CIMENTO

CLÍNQUER +

SULFATO

ESCÓRIA DE

ALTO-FORNO

MATERIAL

POZOLÂNICO

MATERIAL

CARBONÁTICO

CPI 100 0

CPI-S 99-95 1-5

CPII-E 94-56 6-34 0-10

CPII-Z 97-76 6-14 0-10

CPII-F 94-90 6-10

CPIII

Alto forno65-25 35-70 0-5

CPIV

Pozolânico85-45 15-50 0-5

CPV – ARI 100-95 0-5

• CP I e CP II

• São empregados em obras de concreto, em geral, não apresentando propriedades específicas para um determinado uso.

• CP III e CP IV

• São empregados em obras de concreto massa e em ambientes agressivos.

• CP V ARI

• São empregados, especificamente, em situações que se desejam resistências iniciais elevadas, possuindo o inconveniente de gerar elevado calor de hidratação.

CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas - Tipos

• RS são Cimentos Portland resistentes à sulfatos, devendo ser designados pela sigla original de seu tipo, acrescido de RS.

• Condições:•C3A, no clínquer, inferior ou igual a 8 % e não possuir mais de 5% de CaCO3 e/ou

•Cimento Portland Pozolânico com percentual de pozolana entre 25% e 40% e/ou

•Cimento Portland de alto forno com percentual de escória entre 60% e 70%


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• BC são Cimentos Portland de baixo calor de hidratação, devendo ser designados pela sigla original de seu tipo, acrescido de BC.

• Condições:Valores máximos de calor de hidratação em

Joules por grama (J.g-1) 3 dias 2607 dias 300


Cimentos com finura elevada e ricos em C3S apresentam rápidas velocidades de hidratação,

sendo empregados em situações que requerem o desenvolvimento de resistências iniciais elevadas.

Pela rápida liberação de calor, não são recomendáveis para uso em concreto massa,

devido aos problemas de fissuração de origem térmica



O Ca(OH)2 e os aluminatos hidratados são componentes do clínquer hidratado, mais instáveis

sob o ataque de sulfatos. Portanto, quanto à durabilidade em meio agressivo (sulfatos), clínquercom percentual elevado de C2S e baixos percentuais

de C3S e C3A são os mais recomendáveis. Estes clínqueres também possuem baixo calor de

hidratação.

CIMENTO PORTLANDAdições minerais

São produtos minerais adicionados em certos percentuais ao Cimento Portland (clínquer + gesso),

com a finalidade de melhorar determinadas propriedades, em empregos específicos, nos quais o

Cimento Portland, sozinho, não possui. Também podem ser consideradas adições minerais, produtos que entram apenas como carga no Cimento Portland

ADIÇÕES MINERAIS

•Ativas• Pozolanas (Z)

• Naturais • Artificiais

• Argilas calcinadas (Baixa reatividade)• Metacaulim (Elevada reatividade)

• Subprodutos• Sílica ativa (Elevada reatividade)

• Cimentante• Escória de alto forno (E)

• Inerte• Calcário moído (F)

CIMENTO PORTLANDAdições minerais

São produtos minerais que possuem certa quantidade de minerais reativos, os quais possuem a capacidade de reagir com o Ca(OH)2, liberado na hidratação do

clínquer, na presença da água, produzindo silicato de cálcio hidratado (CSH).

C3S+H20 CSH+Ca(OH)2

Poz+Ca(OH)2+H20 CSH

Cimento Portland

Reação Pozolânica

CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Pozolanas

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• A reação pozolânica é lenta, sendo liberado menos calor de hidratação, principalmente, nas idades iniciais;

• A reação pozolânica consome Ca(OH)2 em vez de produzí-lo;

• A reação pozolânica induz o refinamento dos poros, pela nucleação dos cristais de hidróxido de cálcio.

CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Pozolanas

•São adições minerais que, por si só, possuem atividade hidraúlica, necessitando apenas da presença de água para o endurecimento.

• Possuem propriedades semelhantes às pozolanas

CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Cimentantes

ESCÓRIA GRANULADA DE ALTO FÔRNO (E)

São adições que não reagem com nenhum dos compostos do clínquer hidratado, entrando apenas

como carga.

CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Inertes

FILLER CALCÁRIO (F)

CIMENTO PORTLANDPropriedades – Resistência mecânica

• Endurecimento - resistência mecânica

▫ Processo de preenchimento progressivo dos espaços vazios da pasta com os produtos, com redução na porosidade e permeabilidade

▫ Importância: Determina a capacidade resistente do material aos diversos

tipos de esforços (compressão, tração, cisalhamento).

• Determinação - NBR 7215: Resistência à compressão e tração na compressão diametral - cp

cilíndrico

Tração na flexão - cp prismático

CIMENTO PORTLANDPropriedades – Resistência mecânica

CP II E - 32

CP – Cimento Portland

II - Composto

E – Escória de Alto Fôrno

32 – Res. Mínima à compressão,

em MPa, nas condições:

•a/c=0,48

•Idade: 28 dias

•T.U.P.: 1:3 (cim:areia

padrão normalizada)

CIMENTO PORTLANDPropriedades - Finura

• Finura▫ Corresponde à área específica de contato dos

grãos de cimento com a água da mistura, tanto maior quanto mais eficiente for a moagem do clínquer com gesso

▫ Determinação:

Finura (NBR 11.579): peneiramento (nº 200 e nº 325)

Área específica (NM 76): Permeabilímetro de Blaine

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▫ Influência no comportamento do cimento:

▫ Aumento das resistências iniciais e finais;

▫ Aumento do calor de hidratação em um espaço de tempo menor;

▫ Aumento do consumo de água, isto é, necessita-se elevar relação água/materiais secos para manter a mesma trabalhabilidade;

▫ Melhora a estabilidade da mistura no estado fresco, reduzindo o fenômeno de exsudação.

CIMENTO PORTLAND

Propriedades - Finura

CIMENTO PORTLANDPropriedades – Tempo de pega

• Pega

▫ Termo usado para descrever a solidificação da pasta plástica de cimento

Início de pega: Marca o ponto no tempo em que a pasta torna-se não trabalhável

Fim de pega: Tempo necessário para a pasta se torne totalmente rígida

▫ Importância:

Determina o período de tempo que o concreto pode ser trabalhado após o seu lançamento.


• Pega

▫ Determinação: Aparelho de Vicat

NM 43: Água da pasta de consistência normal

NM 65: Tempo de pega

Início de pega: Agulha penetra 36mm na pasta

Fim de pega: Agulha faz uma impressão na superfície da pasta, sem penetrar

▫ Enrijecimento:

Perda de consistência da pasta plástica do cimento -está relacionada com a perda de abatimento do concreto.


CIMENTO PORTLANDPropriedades - Expansibilidade

• Expansibilidade - sanidade - estabilidade volumétrica▫ Retrata a variação de volume do cimento após a

pega, por conta de hidratação lenta ou reação expansiva com algum composto presente no cimento endurecido CaO, MgO, gesso - sulfato de cálcio (formação de

etringita atrasada)

▫ Determinação (MB3435): Ensaios em auto clave.

CIMENTO PORTLANDPropriedades - Expansibilidade

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CIMENTO PORTLANDPropriedades – Calor de hidratação

• Calor de hidratação▫ Representa o calor gerado pela reação

exotérmica de hidratação do cimento▫ Importância: Execução de peças com grande volume de concreto

(concreto massa) - barragens, blocos de fundação Regiões com baixa temperatura ambiente

▫ Determinação: Calorímetro (difícil avaliação precisa - encontrado

apenas em grandes laboratórios)

LimitesEnsaios und

CP V RS CP II F 32 CP II Z 32 RS CP IV 32 RS

Adição de material carbonático % 0 - 5 6 -10 0- 10 0- 5

Adição de pozolana % 6 -14 15-50

Res. na peneira Nº 200 % 6 12 12 8

FinuraÁrea especifica m2/kg 300 260 260

Tempo de início de pega h 1 >1 >1 >1

Tempo de fim de pega h <10 <10 <10 <10

Resíduo insolúvel % <1 <2,5 <16

1 dia MPa 14

3 dias MPa 24 10 10 10

7 dias MPa 34 20 20 20

Resistência à

compressão

28 dias MPa 32 32 32

Cimentos comercializados na RMR

CIMENTO PORTLANDPropriedades - ensaios

CIMENTO PORTLANDÁgua presente na pasta endurecida

• Água capilar - água presente nos poros de

grande dimensão (> 50Å), livre das forças de atração exercidas pela superfície sólida (água livre ou retida por tensão capilar)

• Água adsorvida - refere-se àquela água próxima

da superfície do sólido, sob influência das suas forças de atração

CIMENTO PORTLANDÁgua presente na pasta endurecida

• Água intramolecular (água de gel) -camada molecular de água presente ente as camadas de C-S-H, sendo perdida somente por secagem com umidade inferior a 11% (retração autógena)

• Água quimicamente combinada - é a água integrante da estrutura dos produtos hidratados do cimento (C-S-H, Ca(OH)2, sulfoaluminatos de cálcio hidratados)

CIMENTO PORTLANDVazios presentes na pasta endurecida

• Espaço intramolecular do C-S-H - vazio existente entre as camadas de C-S-H, não tendo influência quanto à resistência e permeablidade

• Vazios capilares - espaço não preenchido pelos componentes sólidos da pasta (cimento anidro + água = produtos de hidratação + vazios) - porosidade▫ macroporos (>50nm) - resistência e permeabilidade

▫ microporos (<50nm) - retração por secagem e fluência

• Ar incorporado - vazios obtidos por meio de aditivos (50 a 200m), a fim de incrementar a trabalhabilidade, ou durante a operação de mistura (até 3mm) - resistência e permeabilidade

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