Grupo de Materiais de Construção Departamento de ...mica_e_propriedades_da... · Ciência que...

Direitos Reservados UFPR

1

Grupo de Materiais de Construção

Departamento de Construção Civil

Universidade Federal do Paraná

Prof. Marcelo Medeiros

1



Química dos materiais

E

Propriedades da água

Materiais I - (TC-030)


2



DEFINIÇÕES

Química:

Ciência que estuda as substâncias, suas propriedades,

suas composições e suas transformações.

Matéria:

É tudo que tem massa e ocupa espaço.

Constituída por partículas muito pequenas chamadas moléculas,

cuja ordem de grandeza é de 1 Â (10-10 cm).

1 cm3 de água (H2O) contém 33 X 1021 moléculas


3



A estrutura de um material pode ser dividida em 4

níveis:

• Estrutura atômica

• Arranjo atômico

• Microestrutura

• Macroestrutura

No âmbito da engenharia, os estudos em níveis micro

e macroestruturais (propriedades) são os mais

importantes.


4



Porém, é importante retroceder à estrutura dos

átomos e seus arranjos, pois estas influenciam de

maneira significativa as propriedades físicas e o

comportamento mecânico dos materiais.

Estrutura

eletrônica

do átomo

Natureza da

ligação

atômica

Características

micro e

macroestruturais

(Propriedades)


5



Átomo:

Menor elemento das moléculas.

Partículas submicroscópicas de que toda a matéria é

composta.

92 elementos naturais + elementos artificiais (criados

pela física nuclear)


6



Modelo simplificado do átomo: modelo planetário, com núcleo no centro e elétrons orbitando a seu

redor

Elétrons: partículas carregadas

negativamente, com carga igual a 1,6x10-19 C.

Prótons: partículas carregadas

positivamente, com carga

numericamente igual à do

elétron, porém de sinal contrário.

Núcleo: prótons + nêutrons

Os elétrons se mantêm ligados

ao núcleo por atração

eletrostática, já que estes têm

cargas de sinais opostos.


2





7



Átomo:

Elétrons - satélites negativos.

Distribuídos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta do

núcleo, definindo níveis decrescentes de energia.


8



Átomo:

O núcleo contém prótons.

Todos os núcleos mais pesados que o hidrogênio

possuem nêutrons.

• Prótons e nêutrons = maior parte da massa do átomo.

• Prótons e nêutrons = partículas de mesma massa.

• Próton possui carga positiva e o nêutron é eletricamente

neutro.

• Elétron é mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa do

próton.


9



Átomo:

O número de cargas positivas no núcleo de um

átomo é sempre igual ao número de elétrons

circundantes = número atômico do elemento.


10



Átomo:

Hidrogênio (H) é o mais simples dos elementos.

Núcleo de 1 próton e 1 elétron.


11



Átomo:

Segundo mais simples: hélio (He)

2 prótons e 2 elétrons.


12



Átomo:


3





13



Átomo:

O núcleo = prótons positivos e nêutrons.

Estes últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons.

Constantes do núcleo:

Número de prótons Z

Determina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio),Indica igualmente a carga e o número de elétrons.

Número de massa A

Indica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica.

Cada elemento tem um número atômico específico.


14



Átomo:

Simbolizadas da seguinte maneira:

• Núcleo de urânio

composto de 238

partículas

• 92 prótons e (238 - 92)

= 146 nêutrons.

Número de prótons Z

Número de massa A


15



A valência do átomo está relacionada com a

habilidade do átomo para entrar em combinação

química com outros elementos, sendo frequentemente

determinada pelo número de elétrons na camada mais

externa, chamada de camada de valência.

Determina o tipo de ligação química que o

átomo desenvolverá


16



São os elétrons da camada de valência que

influenciam a maioria das propriedades dos

materiais de interesse para a engenharia:

• Estabelecem a natureza das ligações

interatômicas;

• Resistência;

• Condutividade elétrica;

• Propriedades óticas.


17



Grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16 e 17 possuem, respectivamente,

1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 elétrons na última camada.

Valência do átomo


18



Para o restante dos elementos da tabela periódica, é

possível identificar o número de elétrons da camada de

valência através da representação da distribuição

eletrônica.

Valência do átomo

Diagrama de Linus

Pauling


4





19



EXEMPLO 1:

Fe: nº atômico 26

Distribuição eletrônica:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

A última camada representada: 4 (4s)

Assim, o elemento Ferro possui 2 elétrons

(4s2) em sua camada de valência.

Diagrama de Linus

Pauling


20



EXEMPLO 2:

Ag: nº atômico 47

Distribuição eletrônica:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10

A última camada representada: 5

Assim, o elemento Prata possui 1 (5s1) elétron

em sua camada de valência.

Diagrama de Linus

Pauling


21




22



As moléculas:

Em muitas substâncias, os átomos são agrupados de dois

átomos ou mais.

Tal agregado de átomos é chamado de molécula.

Em uma molécula, os átomos componentes permanecem

unidos por forças chamadas ligações químicas.

Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomos

quimicamente ligados um ao outro.

Gases, as moléculas estão afastadas.


23



As ligações atômicas:

Átomos com a camada periférica completa:

gases raros, gases nobres ou inertes.

São muito estáveis.

Estabilidade permanente - 8 elétrons na última

camada (2 no caso do hélio).


24



Maioria das substâncias é composta por diversos

elementos formando um composto químico estável.

As propriedades químicas dos átomos são função da

última camada de elétrons.

O tipo de ligação química entre os elementos é

determinado pelos elétrons do nível de valência, que

definem a afinidade química dos elementos.



5





25



Metais são elementos eletropositivos.

Liberam facilmente os elétrons da camada

periférica.

Metalóides são eletronegativos.

Têm tendência a completar a sua última

camada periférica.

O número de elétrons cedido pelos metais

define o número de ligações ou valências.

Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências.



26



Metalóides

Boro (B), Silício (Si), Germânio (Ge), Arsênico (As), Antimônio (Sb),

Telúrio (Te) e Polônio (Po)


27



As ligações entre os átomos, podem ocorrer por:

Abandono de elétrons, de um átomo em benefício

de outro. (metal para metalóide).

Utilização em comum de elétrons periféricos para

completar a última camada (metalóide para metalóide);

ligação por covalência, estável e freqüente nos

materiais plásticos.



28




Ligações primárias (fortes):

• Ligação iônica;

• Ligação covalente;

• Ligação metálica.

Ligações secundárias – forças de van der Walls:

• Moléculas polares;

• Dipolos induzidos;

• Pontes de hidrogênio.


29



Ligação iônica:

É a mais simples. Se explica pelo aparecimento de forças

coulombianas (recebendo e doando elétrons).


30



Ligação iônica:

Se tirarmos um elétron de um átomo, ele deixa de ser

neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e

de elétrons.

Composto iônico é uma substância composta cujos

componentes ou grupo de componentes apresentam

cargas elétricas.


6





31



Ligação iônica:

Quando um átomo forte (com grande eletronegatividade)

se liga a um átomo fraco (com baixa eletronegatividade),

há transferência definitiva de elétron do mais fraco para o

mais forte.Fracos

Forte


32



Ligação iônica:

Exemplo:

Na+ e o Cl- se unem, formando o NaCl, cloreto de

sódio ou sal de cozinha, sólido.


33



Al2O3 - metal com não-metal

(óxido de alumínio)

PbI - metal com não-metal

(iodeto de chumbo)

FeS - metal com não-metal

(sulfeto de ferro)

Ligação iônica:

Outros Exemplos:


34



Propriedades físicas dos compostos iônicos:

• Possuem, em geral, condutividade elétrica baixa: a

transferência de cargas elétricas é dada pelo

movimento de íons inteiros, os quais não se movem

tão facilmente como os elétrons;

• Solubilidade em água (maioria);

• Condutividade elétrica quando fundidos ou

dissolvidos em água;

• Quando submetidos a esforços mecânicos que

ultrapassam sua capacidade resistente,

normalmente apresentam comportamento frágil.


35



Ligação covalente:

Aproximação intensa entre dois elementos químicos que

vão se ligar (alguns elétrons da última camada de

valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro

átomo e vice-versa).


36




Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas

sim os compartilham.

Composto covalente:

Substância composta cujos componentes não

apresentam carga elétrica e interagem entre si

direcionalmente.


7





37




A força de ligação covalente é evidenciada no diamante,

constituído inteiramente por carbono.


38




Elevada dureza (10 na

escala Mohs) e elevada

temperatura (3.300ºC) para

sua dissociação atômica.


39




O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de

valência, que são compartilhados com 4 átomos

adjacentes, forma reticulado tridimensional todo ligado por

pares covalentes.


40




Molécula de oxigênio O2 Molécula de metano CH4


41



O2 - não-metal com não-metal

(oxigênio molecular)

CO2 - não-metal com não-metal

(dióxido de carbono)

H2O - não-metal com não-metal

(água)

CH4 - não-metal com não-metal

(metano)

Ligação Covalente:

Exemplos:


42



Propriedades físicas dos compostos

covalentes:

• Embora as ligações covalentes sejam muito fortes,

materiais ligados dessa maneira são, em geral,

pouco dúcteis;


8





43



Propriedades físicas dos compostos

covalentes:

• Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica.

Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar

a posição relativa entre os átomos, nem promover o

transporte de carga elétrica via movimento de elétrons

sem a ruptura das ligações covalentes.


44



Exemplo na engenharia:

• Vidros: se estilhaçam;

• Polímeros: não são bons condutores elétricos;

• Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície

das partículas de cimento.


45



Ligação metálica:

Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-

los com facilidade.

Os demais são firmemente ligados ao núcleo.

Fracos

Forte


46



Cu – 29 elétrons



47



Com a perda dos elétrons da última camada de

valência, os átomos metálicos remanescentes

tornam-se íons positivos.

Com a saída dos elétrons da última camada, há um

desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma

maior quantidade de cargas positivas do que a

eletrosfera de cargas negativas.



48



Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres”

que fazem o papel de íons negativos aparecendo

forças elétricas coulombianas de atração.



9





49



A ligação metálica pode ser considerada como uma

atração entre íons positivos e elétrons livres.



50



Os elétrons livres dão aos metais sua elevada

condutibilidade elétrica e térmica.

“Nuvem” de elétrons absorve a energia luminosa,

torna os metais opacos.



51



• Em geral, apresentam ductilidade

Aço para concreto armado: estricção

antes da ruptura



52



Metal: É uma substância simples, cujos constituintes

são os próprios componentes e interagem entre si

não-direcionalmente.

Ligas metálicas: materiais com propriedades

metálicas que contêm dois ou mais elementos

químicos sendo que pelo menos um deles é metal.



53




Aço para concreto armado.

Armadura de aço para concreto armado

O aço é uma liga

Metálica formada

essencialmente

por ferro e carbono,

com percentagens

deste último variando

entre 0,008 e 2,11%.


55



Forças de van der Waals:

É uma ligação secundária fraca, mas que também

contribui para a atração interatômica.

Em geral se originam de dipolos elétricos, são

conseqüência da assimetria da molécula.

+ - + -


10





56



O centro de carga positiva não coincide com o centro

de carga negativa, originando o dipolo.

São forças de atração que não envolvem cargas

individuais ou transferência de elétrons.

Existem entre todos os íons e átomos de um sólido,

mas podem estar obscurecidas pelas ligações fortes

presentes.



57



(a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico

denominado polarização.

(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma

extremidade positiva e outra negativa.

(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias

entre as moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída

pela negativa de outro.



58



Pontes de hidrogênio:

Caso particular de atração por moléculas polares, em que a

carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma

molécula é atraída pelos elétrons de valência de átomos de

moléculas adjacentes.

Exemplo: água Mais forte dentre as

ligações secundárias.

Comportamento da

água: tensão superficial,

viscosidade e

fenômenos de sorção.



59




Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.

Antes Depois

Aglomeração e dispersão das partículas de cimento em argamassas e concretos

Cadeias de aditivos envolvem as

partículas de cimento, conferindo a estas cargas -


60



Slump test: concreto convencional e concreto auto-adensável, CAA-

O uso de aditivo superplastificante faz com que os aglomerados de

partículas de cimento sejam separados, liberando a água presente em

seu interior. Esta água livre, fica então disponível para fluidificar o

concreto fresco.




61



Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento

Facilita o lançamento em elementos densamente armados




11





62



Liberdade em formas complexas com o CAASagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior




63



Liberdade em formas complexas com o CAAFira, Barcelona-Espanha: vista interior




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Resumindo...

Ligação Energia de ligação

(kJ/mol)

Iônica 625 – 1550

Covalente 520 – 1250

Metálica 100 – 800

Forças de Van der

Waals

< 40 Fonte: ASKELAND,

1990

Energia de ligação: energia mínima requerida para criar ou quebrar a

ligação.

A força que une um ou mais átomos, ou moléculas, depende do tipo de

ligação e dos elementos envolvidos, estando relacionada com o espaço

interatômico.

Ex. de propriedade dos materiais afetada: módulo de elasticidade.


65



Características dos principais materiais:

MateriaisTipo de ligação

predominanteInformações gerais

Metais Metálica

Metais apresentam elevada ductilidade e condutividade elétrica e térmica: os elétrons livres transferem com facilidade carga elétrica e energia térmica.

Cerâmicos

e vidros

Iônica, mas às vezes aparecem em conjunto com

ligações covalentes

Cerâmicas em geral são duras e frágeis, com baixa ductilidade e baixas condutividades elétrica e térmica: não existem elétrons livres, e ligações iônicas e covalentes têm alta energia

de ligação.

Polímeros

Covalente, mas às vezes existem

ligações secundárias entre

cadeias

Polímeros podem ser pouco dúcteis e, em geral, são pobres condutores elétricos. Se existirem ligações secundárias, podem ter sua ductilidade bastante aumentada, com quedas

de resistência e do ponto de fusão.


66



Microestrutura da matéria - Arranjos

atômicos:

Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a

microestrutura da matéria são diferentes a cada fase ou

estado.

Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantêm-se

no lugar pelas forças de atração e coesão.

Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela

diminuição das forças de atração ou de coesão.

Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das

forças de atração ou de coesão.


67



Material

Cristalino

Não-cristalino ou amorfo

Microestrutura da matéria - Arranjos

atômicos:


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Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos:

Cristalinos:

Arranjo dos átomos se repete ou que é periódico ao

longo de grandes distâncias.

Ex: metais; materiais cerâmicos

Não cristalino ou Amorfo:

Disposição irregular das moléculas, sem forma simétrica.

Ex: Vidro; materiais cerâmicos; cinza de casca de arroz;

sílica ativa; escória de alto forno


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Estrutura cristalina:

Muitos materiais de interesse à construção civil tem

arranjos atômicos com repetições nas três direções.

Exemplos:

- Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura

cristalina do NaCl.

- MgO tem estrutura cristalina cúbica.

- Ca(OH)2 forma placas hexagonais.


70



Sal de cozinha, esferas verdes são os átomos de

cloro (Cl-) e as esferas cinzas os átomos de sódio (Na+)

Cristais de produtos de cimento Portland hidratado



71



Micrografias de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH) (ou estruturas C-H)



72



Micrografia eletrônica (MEV) de cimento Portland hidratado

mostrando os cristais de etringita e monossulfato hidratado.

(Mehta e Monteiro, 1994)



73



A visualização e a identificação do reticulado

cristalino é possível através de microscopia

eletrônica.

MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura



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76



Os metais são compostos por aglomerados de cristais, formando

uma estrutura granular perfeitamente visível.

Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês

(esquerda) e liga zinco-níquel (direita).



77



O arranjo cristalino é a forma de organização da matéria

de mínima energia.

Estado cristalino é o mais estável p/ qual todo processo de

transformação tende.



78



Polimorfismo:

Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que uma

estrutura cristalina.

Exemplo: Carbono

• Grafita – condições ambientes

• Diamante – em condições extremamente elevadas de

pressão e temperatura


Grafita Diamante


79




Polimorfismo:

Exemplo: Carbono

• Grafita – condições ambientes

• Diamante – em condições extremamente elevadas de

pressão e temperatura


80



Sólidos amorfos (ou vítrea):

Não apresentam ordem estrutural em um

estado normal.

Alguns materiais podem mudar de estrutura

cristalina para amorfa e vice-versa.


81



Pode ser obtido pelo resfriamento rápido, não

dando tempo para a ordenação dos cristais e

formação da estrutura simétrica.

Ex: Argila + Calcário + calor = Cimento

(amorfo e reativo)



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82



Erupções vulcânicas produzem

condições ideais para a

formação de cinzas com

estrutura amorfa

Adições minerais de origem

vulcânica: resultante das erupções


83



Nos materiais amorfos, na solidificação, reduz-se a

capacidade de mobilidade das moléculas, antes

que elas se arranjem em posições mais cristalinas.



84



Sílica ativa ou microssílica (adição p/ obter Concreto de

Alto Desempenho - CAD)



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Estrutura

cristalina

Estrutura

amorfa

• Estrutura cristalina → material estável

• Estrutura amorfa → material reativo


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Estado cristalino: Disposição geométrica regular das

moléculas.

Corpo cristalizado é anisotrópico.


87



Substâncias e misturas

Substâncias:

Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.

Substância simples constituída por um único tipo de

átomo.

Exemplos:

Metal ferro - Fe2

Gás oxigênio - O2.

Substância composta constituída por mais de um tipo de

átomo.

Exemplos:

Água pura - H2O

Sal comum - NaCl


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88



Substâncias e misturasMisturas:

Consiste em duas ou mais substâncias misturadas.

Algumas podem ser identificadas visualmente.

Exemplo:

Granito - grãos de quartzo (branco), mica (preta) e feldspato (rosa) e

outros minérios.

Outras misturas requerem outros métodos de verificação.

Exemplos:

Leite – a olho nu só se vê um líquido branco.

Com microscópio observa-se partículas brancas e constata-se que é

uma mistura.

Água salgada – Não se vê o sal (íons) dissolvido.

É necessário evaporar a água para observar o sal.


89



Estados da matéria:

A matéria pode existir em três estados:

• Sólido - Mantém volume e forma.

• Líquido - Mantém volume, adquire a forma do

recipiente.

• Gás - Não mantém volume nem forma, varia c/ o

recipiente.


90




Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são

chamados de fluídos.

Sólidos – moléculas, muito próximas, mantém

posição por atração e coesão.


91




Sólidos

- Líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela

diminuição das forças de atração ou de coesão.

- Gás é obtido pela supressão das forças de atração

ou de coesão.


92



Misturas homogêneas e heterogêneas:


93




Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase =

SOLUÇÃO

Exemplos: água salgada, gasolina, ar, etc.

Os componentes de uma solução podem ser separados por

processos físicos, sem o uso de reações químicas.


16





94




Qual a diferença entre uma solução homogênea e

uma substância pura?


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Substância pura = água = ferve a temperatura constante.

Pto. de ebulição de solução varia c/ a concentração dos

componentes:

Exemplo 1: (água salgada) - quanto maior a % de sal

dissolvido, maior será o ponto de ebulição.

(Mistura de líquidos) - apresenta diferentes temperaturas de

ebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los pela

destilação.

Exemplo 2: Petróleo.


96



Misturas homogêneas e heterogêneas

As substâncias e misturas apresentam-se em qualquer dos três

estados: sólido, líquido ou gasoso.

Misturas líquidas homogênea (solução) e heterogênea

Mistura heterogênea em estado sólido: Granito, grãos de quartzo (branco), mica (preta) e feldspato

(rosa) e outros minérios


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Soluções e misturas:


98



Dos átomos a matéria:


99



As transformações da matéria:

Podem ser físicas ou químicas.

Transformações físicas não alteram a identidade das

substâncias.

Exemplos:

• Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo.

• Água gelada, gelo, continua sendo água.

• Um pedaço de ferro pode ser retorcido e continua sendo

ferro.


17





100



As transformações da matéria:

Transformações químicas:

Substâncias são destruídas e novas são formadas.

Exemplo de transformação ou reação química:

Ferro exposto à água e oxigênio:

- Reage com o oxigênio e a água formando “ferrugem”.

“ferrugem” = substância nova (óxidos e hidróxidos de

ferro).

Reagentes = substâncias iniciais. (ferro, oxigênio e água)

Produtos = novas substâncias formadas. (óxidos e hidróxidos

de ferro)


101



Leis das transformações químicas:

Primeira lei - A.L. Lavoisier, em 1774

Lei da conservação da massa:

A soma das massas dos produtos é igual a soma das

massas dos reagentes.

Não há destruição, nem criação de matéria, apenas

transformação.


102



Exemplo:

Queima de papel - decompõe em gases e cinzas.

Massa do papel = massa das cinzas + massa dos

gases produzidos na decomposição (queima).


103



Leis das transformações químicas:

Segunda:

Lei das proporções definidas:

Mais importante propriedade de um composto, sua

composição fixa em massa.

Exemplo:

Cloreto de sódio- 39,44% da massa total é sódio e 60,66%

é cloro.

Água - 11,19% de hidrogênio e 88,91% de oxigênio.


107



Propriedades físico-químicas da água:

Água – Conceitos gerais:

É o estado líquido do composto hidrogênio e oxigênio:

H2O.

1804, Gay-Lussac e A. Von Humboldt:


109



SOLVENTE UNIVERSAL


Água – Dados gerais:

• Componente principal da matéria viva.

• Constitui de 50% a 90% da massa dos organismos

vivos.


18





110




Água – Dados gerais:

Resumindo:

A água é muito importante para as propriedades químicas

e físicas dos materiais

Nem sempre

para o bem!!!Responsável por manifestações

patológicas no concreto


111



Nada disso ocorreria sem água

Fotos: M. Medeiros (2006) - SP


112





113




Fotos: M. Medeiros (2003) - RJ


114



Foto: M. Medeiros (2010) - SP



115




Calor específico:

Define a variação térmica de uma dada massa de uma substância ao

receber determinada quantidade de calor.

Unidade:

SI J/kg.K (Joule por Kilograma Kelvin).

cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).


19





116




Calor específico:

O calor específico da água é muito alto, fazendo com que a água

atue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas,

impedindo mudanças bruscas de temperatura.

Calor específico = c

Capacidade térmica de um corpo = C

Massa do corpo = m m

Cc


117




Calor específico:

É possível determinar a partir da quantidade de calor cedida a um

corpo, da variação térmica resultante e da massa desse corpo.

Quanto maior o calor específico de uma substância,

menores variações de temperatura ela experimenta.

Tm

Qc

Calor específico = c

Quantidade de energia = Q

Variação de temperatura = T

Massa do corpo = m


118




Calor específico:

O calor específico da água é o número de calorias necessárias

para elevar 1 grama de água de 14,5°C para 15,5°C.

É o valor mais alto entre os solventes comuns.

H2O – 1,0 cal/g oC

Álcool – 0,58 cal/g oC

Água atua como importante fator de termorregulação.


119




120



Calor específico - Aplicações na engenharia:

Grandes massas de concreto:

A hidratação do cimento Portland é exotérmica.


121




Grandes massas de concreto, como barragens geramenormes quantidades de calor.


A concentração e

dispersão deste calor

é lenta e complexa,

levando a formação

de gradientes de

temperaturas.

Itaipú Binacional: 12,7 milhões de m3 de concreto


20





122



Calor específico - Aplicações na engenharia:Grandes massas de concreto:

Modelo termo-

químico-mecânico da

fase construtiva de

barragem de usina

hidrelétrica.

(E. M. R. Fairbairn, F. L. B. Ribeiro, R. D. Tolêdo-F.)


123




O que ocorre quando o concreto aquece?



124




E quando esfria?



125




E se o concreto aquecer e depois esfriar?

Surgimento de

tensões internas!!!



126




Qual a conseqüência disso?

A estrutura pode

fissurar seriamente!!!



127




O que fazer?



21





128




Pré-resfriamento

Pós-resfriamento



129



Pós-resfriamento

Utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de

tubulações metálicas instaladas preliminarmente dentro das

estruturas, bombeia-se água resfriada.

A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro doconcreto.




130



Instalações para resfriamento e

bombeamento da água

Tubulação para circulação de água gelada

Esquema de tubulações para

circulação de água

(José Marques Filho)

(José Marques Filho)




131



Pré-resfriamento – Com a finalidade de minimizar o aumento de

temperatura do concreto, utiliza-se resfriar os materiais dos quais ele

é produzido, imediatamente antes da mistura.

Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC.




132



Pré-resfriamento

Pode-se também refrigerar os agregados e o concreto com nitrogênio

líquido. As rochas tem menor calor específico do que a água.

Estas operações também geram um retardo nas reações de

hidratação do cimento.

Pré-resfriamento do concreto com

nitrogênio líquido



133



Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Tucuruí



22





134



Pré-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Itaipú



135




Solventes são substâncias capazes de dissolver coisas -

estado físico da dissolução.

Dissolução de água e sal de cozinha:- a água é o solvente porque dispersa no seu seio o sal

A água tem poder de dissolução muito grande.

Poder de dissolução:


136




Propriedade importante:

• Muitas reações químicas, como a hidratação do cimento

Portland, ocorrem em solução.

• A água é importante meio de transporte de substâncias dentro efora dos materiais sólidos.


H2O = SOLVENTE UNIVERSAL


137



A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos,

sulfatos e outros.

Com estes agentes dissolvidos, ela penetra nos poros do

concreto.

Degradação do concreto

O que acontece?




138



Meio de transporte:

Transporta substâncias para dentro ou para fora dos

materiais sólidos, levando agentes agressivos para dentro

dos materiais sólidos e arrastando os resíduos para fora.



139



Ca(OH)2 + Na2SO4 10H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH + 8H2O

Ataque de sulfatos:

Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.

Ataque por sulfato de sódio:

Gesso


23





140



Sulfato de cálcio:

4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2

Aluminato Gesso etringita

Ataque de sulfatos:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.



141



Deterioração do concreto por ataque de sulfatos:


Estrutura de concreto atacada por sulfatos

(Joana S. Coutinho)(Joana S. Coutinho)


142



Deterioração do concreto – dissolução por água pura:


Barragem do Voçoroca:

Barragem de gravidade com altura 21 m por 152 m de comprimento, encontrando-se com aproximadamente 40 anos de idade na época.

(José Marques Filho - COPEL)

Acúmulo de material percolado nas juntas de concretagem


143





Barragem do Voçoroca:


Detalhe da porosidade e junta de concretagem


144






Aparecimento do agregado do concreto


145




Prédio da FAU-USP

Marcelo Medeiros


24





146



Lixiviação de estruturas de concreto:

Água da chuva penetra dentro do concreto por seus poros.

No interior a água solubiliza o hidróxido de cálcio Ca(OH)2, que

corresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada.

O Ca(OH)2 vem p/ superfície carregado pela água.

Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gás carbônico CO2.



147




Eflorescências:

Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco úmido ou com infiltrações e/ou

vazamentos.

Eflorescências através de tinta

acrílica.

Aplicações na engenharia - Meio de transporte

Manchas esbranquiçadas

que surgem na superfície

devido ao carreamento de

materiais, dissolvidos do

substrato emboço/reboco, e

trazidos pela água para a

superfície.


148




Eflorescências:

Eflorescências

através de tijolos

cerâmicos



149




Eflorescências:


Pelas juntas de alvenarias

de blocos de concreto


150




Tensão superficial:

A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta comouma membrana tensa (esticada).

Entre as moléculas que constitui a matéria (sólidos e líquidos)

existem forças de interação de origem elétrica.

Tensão superficial surge graças à essas forças.

Essas forças adquirem valores altos quando a distância entre

as moléculas é cerca de 10-6 cm (líquidos e principalmente

nos sólidos).


151




No interior do líquido:

Cada uma é cercada e atraída por outras moléculas.

Se as forças que atuam nesta molécula forem somadas

vetorialmente, obteremos uma força resultante média nula.


Molécula na superfície

Molécula no interior

Gás

Líquido


25





152




Na superfície do líquido:

Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido.

As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante da

massa, pelas forças de interação elétrica.


Molécula na superfície

Molécula no interior

Gás

Líquido


153





Água tem grande tensão

superficial.


154





Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de

água, o que permite a estabilidade coloidal das pastas de

aglomerantes como a cal, gesso e cimento Portland.


163



Revisando:

Sólidos = moléculas muito próximas, mantêm-se no lugar

pelas forças de atração e coesão.

Líquidos = Moléculas um pouco mais próximas, forças de

atração e coesão um pouco menores.

Gás = Quase não tem força de atração e coesão entre as

moléculas.


Capilaridade:


164




Capilaridade:

Líquidos podem fluir, suas partículas se movem independentemente,

mas não tanto como as de um gás.

Forças de coesão, agem entre as partículas do líquido.

Entre partículas do líquido e do material em que estão encostados

existe uma força de adesão.


165




Capilaridade:

O efeito das forças de adesão e coesão = capilaridade (conseqüência

da tensão superficial).

Capilaridade: é a propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos

muito finos.

A capilaridade atua no sentido de puxar o líquido para cima, a altura

alcançada depende da tensão superficial e do raio do tubo capilar.


26





166




Capilaridade:

Forças coesivas mais

fortes que as adesivas.

Água subindo em tubo capilar

Forças adesivas

líquido/vidro mais fortes que as

forças coesivas

dentro do líquido

Mercúrio

Água


167




Capilaridade:

rh

2

Lei de Jurin

Onde:

h = altura

V = tensão superficial do líquido

r = raios do capilar

= massa específica da água


168




Aplicações na engenharia - Capilaridade:

A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilização

da viga de baldrame.

As eflorescências na parte inferior da parede causam a

decomposição da pintura e do emboço.


169





Difícil solução.

Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado

sobre o baldrame.

(José A. Freitas Jr.)


170





Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame,

antes do erguimento das elevações, veda a interface parede x

fundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e o

surgimento de manifestações patológicas.


171




Quando um concreto endurece e seca, a água presente nos poros sai

para a atmosfera.

Esta saída origina pressões capilares, originando tensão superficial

que “puxa” as paredes dos poros no sentido que estas se aproximem.

Retração em concreto


27





172




O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que

pode originar fissuras.

Procedimentos de cura p/ minimizar retração:

Manter o concreto saturado com água, nos primeiros

dias, p/ água não sair enquanto não alcança certa

resistência mecânica.

O que fazer?



174




Fissuras por retração



175




Sacos de aniagem encharcados


Procedimentos de Cura:


176




Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno




177




Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco.




178





28





180




Pressão de vapor:

A pressão de vapor pode atuar de forma importante no

âmbito das edificações.

Argamassas de cimento e concreto são materiais que

contém muita água


181




Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:

A pressão de vapor surge dentro de argamassas ou concreto,

decorrente da variação da temperatura ou da pressão atmosférica.

Pequenas quantidades de água contidas no interior destes materiais se

transformam em vapor.

Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:

Bolhas em pinturas


182




Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:


Bolhas em

pinturas


183




Lascamento de concreto devido ao calor:

Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura.

A água nos poros do concreto forma vapor, que cria tensões internas

elevadas dentro das argamassas e do concreto.

A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” ou

lascamento.


Sequência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002)


184






Eurotúnel após incêndio

Lascamento (C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)


185






Eurotúnel após

incêndio


29





186






Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)


187






Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)


189



Referências bibliográficas:

www.wikipedia.org

www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br/quimicainorganica/formulasquimicas.htm

CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear

MATERIAIS, A. Rermy, M. Gray e R. Gonthier, São Paulo – SP, Ed.

Hemus, 1993.

Apostila AÇOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene – USP- SP.

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL e Princípios de Ciência e

Engenharia de Materiais, Capítulo 6 – Estrutura Atômica e Molecular dos

Materiais, Oswaldo Cascudo, IBRACON, 2007.

http://www.wikipedia.org/

http://www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br/quimicainorganica/formulasquimicas.htm

Grupo de Materiais de Construção Departamento de ...mica_e_propriedades_da... · Ciência que...

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