MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO II -...

Prof. Eng. Civil Mayara Custódio, Msc.

MATERIAIS DE

CONSTRUÇÃO IIA Estrutura Interna do Concreto

Professora: Eng. Civil Mayara Custódio, Msc.


Definições

Macroestrutura:

Estruturas visíveis à vista humana;

Olho humano – 1/5 de milésimo (200µm).

Microestrutura:

Estruturas vistas com auxílio de microscópios;

Microscópio eletrônico: Concreto – Aumento da ordem de 100 a 150 vezes.


Estrutura de Concretos

Concreto

Estrutura Heterogênea

Complexa

Composição depende de Inúmeros Fatores

Macroestrutura

Agregados

Pasta

MicroestruturaAgregados

Pasta

Vazios + Água

Zona de Transição


Macroestrutura:

Agregados

Pasta de cimento

Microestrutura:

Espessura = ± 1 / 20 mm

Interface agregados / pasta =

“ZONA DE TRANSIÇÃO”




Microestrutura:

Estudo através de microscopia ótica e eletrônica.

Aumentos de até 900.000 x em imagens tridimensionais.

Espetroscopia por energia dispersiva por feixes de raios X (permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de uma região da amostra).


Estrutura do Concreto

Importância do estudo da microestrutura:

Entendimento do comportamento do concreto:

Previsão e otimização das propriedades.

Análise de patologias do concreto:

Possível prevenção de patologias;

Contribuições para durabilidade de estruturas.

Desenvolvimento de novos materiais e estudo

das consequências nas propriedades do concreto;

A análise microscópica pode ser considerada um

ensaio não-destrutivo e eficiente.



Âmbito Macroscópico:

Considerado um material bifásico.

Agregados;

Pasta endurecida (matriz de cimento porosa).



Âmbito Microscópico: Estrutura bastante complexa.

Heterogeneidade relacionada a: Porosidade;

Quantidade de água;

Tempo de hidratação (idade)...

Zona de transição: Região entre as partículas de agregado graúdo e a pasta;

Considerada como a terceira fase do concreto;

É a fase mais fraca do concreto e mais complexa.



Três fases: Agregado;

Pasta;

Zona de transição;

OBS.: Cada fase é de natureza multifásica:Agregado: Composição mineralógica, microfissuras,

vazios;

Pasta e Zona de transição: diferentes fases sólidas, poros, microfissuras... Estão sujeitas a modificações com o tempo, umidade e

temperatura.


Fase 1 - Agregado

Representam 80 a 90 % do volume do concreto.

É responsável pelas seguintes propriedades do concreto:

Massa unitária;

Módulo de elasticidade;

Estabilidade dimensional.


Fase 1 - Agregado

Fatores relacionados aos agregados que

influenciam as propriedades do concreto:

Porosidade;

Forma

Arredondada, chatas, alongadas, angulares...

Textura

Lisa ou rugosa.

OBS.: Têm influência na resistência e na

durabilidade de concretos.


Fase 1 - Agregado

Porosidade:Se o grão do agregado absorve muita água, pode faltar

água na região de aderência com a pasta.


Fase 1 - Agregado

Rugosidade:Aumenta superfície específica (SE) e a aderência com a

pasta, mas dificulta a trabalhabilidade do concreto.


Fase 1 - Agregado

Forma dos grãos:Grãos lamelares ou em formato de agulha prejudicam a

trabalhabilidade do concreto.


Agregados

mais rugososGrãos

lamelares

Maior quantidade de vazios

Maior consumo de

pasta de cimento

Custo elevado

Alta retração térmica

Alto calor de hidratação

Maior S.E.

Maior aderência com

a pasta (dificulta a

trabalhabilidade)

Exige mais água

Maior consumo de cimento

(para manter a mesma a/c)


Fase II – Pasta endurecida

Estágios da hidratação do cimento:

Estágio I: Em contato com a água, ocorre uma rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis solúveis, Ca2+, SO4

2- e íons OH em solução, resultando em um pH de 12 a 13.

SÓLIDOS VAZIOS / POROS ÁGUA

Composição:



Estágios da hidratação do cimento:

Estagio II: Os íons Ca2+, SO42- e íons OH reagem com os

silicatos e aluminatos para formar gel de C-S-H e etringita, formando com o gesso uma barreira em torno dos grãos de cimento não hidratados, retardando novas hidratações, permitindo um período de trabalhabilidade durante o qual o concreto deve ser lançado e assentado.

Estágio III:A concentração de íons Ca2+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira. Com a supersaturação de Ca2+, seguida da precipitação de Ca(OH)2 ocorre uma rápida hidratação dos grãos de cimento gerando gel de C-S-H e etringita. A formação de gel de C-S-H e o intertravamento das partículas promovem a pega e o endurecimento.


SÓLIDOS

Silicato de cálcio hidratado (C-S-H)Estrutura fibrilar

Hidróxido de cálcio ou Portlandita (CH)Estrutura prismática

Sulfoaluminatos de cálcio ou EtringitaEstrutura acular

Grãos anidros;


Fase II – Pasta endurecida 1. Estruturas Fibrilares: C-S-H Cristais de C3S e C2S hidratados:

50 % a 60% do volume da pasta.

São as estruturas C-S-H.Obs.: C=CaO, S=SiO2, H=H2O.

Uniões através de ligações de van der Waals.

Excelente resistência mecânica e química.

Não tem forma física bem definida.

É o composto mais importante para a resistência da pasta.



A morfologia dos

cristais depende

das condições de

cura do concreto.



2. Estruturas Prismáticas: C-H (Portlandita)

Hidróxido de cálcio – Ca(OH)2

Tende a formar cristais grandes, sob a forma de

prismas hexagonais

Representa 20 a 25% do volume de sólidos

Responsáveis pelo pH elevado da pasta (pH ≅ 13)

Reduzem a acidez do concreto!

Cristais porosos com baixa resistência mecânica

É bastante solúvel em água

É quimicamente muito reativo



Estruturas Prismáticas: C-H (Portlandita)



3. Estruturas Aculares: Etringitas

Sulfoaluminatos de cálcio

Produto da hidratação dos aluminatos

Cristais grandes e volumosos formados por C3A + gesso hidratados

São os primeiros cristais da pasta a se formar

Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica

Representam 15 a 20 % do volume de sólidos



- Formam-se nas primeiras

horas de hidratação;

- Agulhas se intertravam e

prendem muita água;

- Prejudicam a trabalhabilidade



4. Vazios ou poros

Espaço interlamelar no C-S-H

5 a 25 Angstrons

Vazios capilares

10nm – 5 µm

Ar aprisionado / incorporado

3 a 200 µm



4. Vazios ou poros

Espaço interlamelar no C-S-H

5 a 25 Angstrons

Vazios capilares

10nm – 5 µm

Ar aprisionado / incorporado

3 a 200 µm

Maior quantidade de vazios e

maiores diâmetros médios:

- Maior porosidade;

- Maior permeabilidade;

- Menor resistências mecânica;

- Menor resistência química;

- Maior retração;

- Maior fluência.



4. Vazios ou poros

Espaço interlamelar das estruturas C-S-H:

Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas 5 a

25Å (1 Å= 10-10m)

28% da porosidade capilar no C-S-H;

Poros muito pequenos para afetar a resistência mecânica

ou a permeabilidade.

Água é retida por pontes de hidrogênio;

Quando a água sai destes espaços, a retração é

significativa.

1Å=10-10m

1µm=10-6m



4. Vazios ou poros

Vazios Capilares:

Poros onde a água de amassamento fica aprisionada.

20 a 22% do peso de cimento em água reage quimicamente (“água estequeométrica”). Toda a água além disto é utilizada apenas para garantir a trabalhabilidade do concreto.

A água excedente sobra e fica aprisionada dentro dos poros capilares.

Em concretos comuns (a/c entre 0,40 a 0,65 – boa plasticidade), sobra cerca de 50 a 70% da água utilizada.

Vazios > 50 nm = macroporos – prejudiciais à resistência e à impermeabilidade do concreto;

Vazios < 50 nm = microporos – importantes para a retração e fluência das peças de concreto.



4. Vazios ou poros

Ar aprisionado / Incorporado:

Ar aprisionado: Pequenas bolhas de ar (±5mm) que

ficam aprisionadas durante a mistura na betoneira.

Ar incorporado: Bolhas de 50 a 200 µm (1µm=10-6m),

que favorecem a trabalhabilidade, aumentam o

abatimento sem adição extra de água (não altera a

relação a/c).

Incorporadas através de aditivos IAR (incorporadores de ar).

Pode ser utilizada para melhorar a resistência do concreto ao

fenômeno gelo-degelo.



4. Água

Na pasta recém endurecida, existe muita água,

tanto livre (líquida) quanto quimicamente

combinada.

Estas “águas” são mais ou menos fáceis de sair do

concreto, a pasta, que é inicialmente saturada, sofre uma

perda contínua da água até o equilíbrio com a umidade

do meio ambiente.

Sob forte calor, 100 % da água da pasta endurecida pode

sair.


Fase II – Pasta endurecida 4. Água

Água capilar: Presente no interior dos poros capilares.

Pode ser dividida em água retida: em grandes capilares (> 500Å) – água livre (sua saída causa pouca

retração do concreto)

em pequenos capilares (< 500Å) – retida por tensão capilar (sua saída pode causar retração significativa)

Água adsorvida: Aderida às superfícies sólidas, sob atração elétrica (pontes de

hidrogênio).

A sua saída acontece sob umidades relativas < 30%.

A sua saída é a principal causa da retração.


Fase II – Pasta endurecida 4. Água

Água interlamelar:

Presente entre as lâminas de C-S-H

Saída causa forte retração, mas só acontece sob umidades do ar inferior a 11%

Água quimicamente combinada:

Moléculas de H2O combinadas aos silicatos e aluminatos formando cristais sólidos

Parte integrante de vários produtos hidratados do cimento.

Varia de 200 a 250g/kg cimento anidro (para 100 % de hidratação)

Não é perdida na secagem

A 500ºC, se inicia a saída da água dos cristais Ca(OH)2

A 900ºC, sai a água das estruturas C-S-H



4. Água


Fase III – Zona de Transição

A ZT é a interface entre o agregado e a pasta.Tem espessura de aproximadamente 1/20 mm.

É o “elo” mais frágil do concreto.

As rupturas em concretos comuns se iniciam na zona de transição.

Baixa resistência mecânica da ZT: Concentração de “etringita” - cristais grandes, porosos c/

baixa resistência mecânica.

Filme de água - aumenta a/c (exsudação interna).

Os cristais de hidróxido de cálcio se posicionam paralelamente à superfície do agregado, favorecendo a existência de planos de clivagem. (Paulon, V.; 1991)



Exsudação é a tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém lançado, devido ao sua densidade (1g/cm³) ser menor que a dos agregados (≈2,4g/cm³) e a do cimento (≈3,1g/cm³).

Este fenômeno faz com que o fator a/c da superfície fique maior, reduzindo a resistência mecânica na região.



Exsudação interna:



Zona de transição em CARs:

Baixas relações a/c e a utilização de algumas

adições pozolânicas podem melhorar a ZT.

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