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Unidade I MATERIAIS NATURAIS E ARTIFICIAIS Prof. Barbieri Introdução à disciplina Materiais Naturais e Artificiais A disciplina Materiais Naturais e Artificiais tem a sua importância na formação e no exercício profissional por ser um pré-requisito a ser aplicado em Técnicas Construtivas que, posteriormente, serão aplicadas nos diversos órgãos de uma obra de construção civil. Não adianta saber apenas calcular uma viga, é preciso saber também dosar o concreto, analisar a granulometria de um agregado de modo a obter a resistência prevista e depois saber controlar sua preparação durante a obra toda. Classificação de materiais naturais e artificiais Classificação dos materiais de construção quanto à origem ou obtenção Naturais: são encontrados na natureza e não exigem tratamentos especiais para poderem ser usados. Exemplos: areia, madeira, pedra etc. Artificiais: são obtidos por processos industriais. Exemplos: tijolos, telhas etc. Combinados: são resultantes da combinação de materiais naturais e artificiais. Exemplos: argamassa, concreto etc. Classificação de materiais naturais e artificiais Classificação dos materiais quanto à função Materiais de vedação: não têm função resistente na estrutura. Exemplos: vidros, tijolos em certos casos etc. Materiais de proteção: servem de proteção aos materiais propriamente ditos. Exemplos: tintas, vernizes etc. Materiais com função estrutural: resistem aos esforços atuantes na estrutura. Exemplos: madeira, aço, concreto etc. Classificação de materiais naturais e artificiais Classificação dos materiais quanto à composição Simples ou básicos: são aplicados isoladamente. Exemplos: telha, tijolo etc. Produzidos ou compostos: são empregados conjuntamente. Exemplos: concreto, argamassa etc. Classificação de materiais naturais e artificiais Classificação dos materiais quanto à estrutura interna Lamelar – exemplo: argila. Fibrosa – exemplo: amianto. Vítrea – exemplo: vidro. Cristalina – exemplo: metais. Agregados complexos – exemplo: concreto. Fibrosos com estruturas complexas – exemplo: madeira. Tipos de materiais: metais Fonte: (Callister, 2008 ) Elementos com valência 1, 2 ou 3 Bons condutores de calor e eletricidade Ligação metálica (compartilhamento dos elétrons livres) Temperáveis (mais de uma fase alotrópica) Microestrutura cristalina Ligas endurecíveis por precipitação Dúcteis (alta plasticidade) Ativos quimicamente Rígidos (alto módulo de elasticidade) Propagação de discordâncias muito mais fácil Tenazes (resistentes a trincas) Bons condutores de calor e eletricidade Exemplos: aços, ligas de alumínios, ligas de zinco etc. Tipos de materiais: polímeros Fonte: (Callister, 2008) Longas cadeias de moléculas repetidas Maus condutores de calor Ligações covalentes nas cadeias Viscoelásticos e dúcteis acima da temperatura de transição vítrea Termoplásticos e covalente nos termofixos Pouco densos Baixa temperatura de fusão ou de decomposição Bons isolantes elétricos Microestrutura amorfa ou pouco cristalina Podem ter boa resistência química Pouco rígidos Ótima fabricabilidade Exemplos: termoplásticos, termoelásticos, elastômeros etc. Tipos de materiais: cerâmica Fonte: (Callister, 2008) Combinação de metais e não metais (valência 5, 6 ou 7) Não encruáveis nem maleáveis Ligação iônica ou covalente Quimicamente estáveis Microestrutura cristalina (complexa) Propagação de discordâncias quase impossível Alta rigidez Alto ponto de fusão Alta dureza Isolantes elétricos Frágeis Maus condutores de calor Exemplos: vidro, cimento, argila etc. Tipos de materiais: madeira Fonte: (Callister, 2008) Material complexo Higrocospicidade (absorve e devolve umidade) Baixa massa específica Combustibilidade Boa elasticidade Anisotropia (estrutura fibrosa, propriedade direcional) Baixa condutibilidade térmica Retratilidade (alteração dimensional de acordo com a umidade e a temperatura) Isolante elétrico e acústico Deterioração Baixo custo Material natural de fácil obtenção e renovável Exemplos: jatobá, angico, araucária etc. Rochas: definição Rochas ou pedras naturais: associações compatíveis e estáveis de um ou mais minerais. São definidas como substâncias sólidas, naturais, inorgânicas e homogêneas, que possuem composição química definida e estrutura atômica característica. São compostos químicos resultantes da associação de átomos de dois ou mais elementos. Exemplo: Al2O3 – bauxita. Rochas: definição Um dos mais antigos materiais de construção, assim como a madeira. Uso decrescente em função do desenvolvimento tecnológico de outros materiais. Na crosta terrestre, 95% de rochas ígneas e metamórficas e 5% de rochas sedimentares. Grande parte de materiais como a cal, o gesso, o aço e o cimento são extraídos de rochas em forma de minério. Rochas: finalidade na engenharia Local de instalações de obras: as rochas podem ser utilizadas como fundações de obras, como material de base para túneis, galerias, entre outros. Material de construção: materiais como pedras brita, areia, componentes de misturas cerâmicas, pedras para revestimento, matérias-primas da cal e do cimento são originários de rochas estudadas pela geologia. Rochas: classificação – ígneas ou magmáticas Resultam da solidificação do magma. Quando formadas em profundidade (dentro da crosta), são chamadas de rochas plutônicas ou intrusivas, nesse caso são formadas por uma estrutura cristalina e apresentam textura de graduação grossa. Rochas plutônicas ou intrusivas. Exemplo: granito. Fonte: (Wincabder, 2009 ) Rochas: classificação – ígneas ou magmáticas Caso sejam formadas na superfície terrestre pelo extravasamento de lava por condutos vulcânicos, são chamadas de rochas vulcânicas ou extrusivas e são caracterizadas por uma estrutura que pode ser vítrea ou cristalina e apresentam textura com graduação fina. Rochas vulcânicas ou extrusivas. Exemplo: basalto. Fonte: (Wincabder, 2009 ) Rochas: classificação – sedimentares São o resultado de uma cadeia de processos que ocorrem na superfície do planeta e se iniciam pelo intemperismo das rochas expostas à atmosfera. As rochas intemperisadas perdem sua coesão e passam a ser erodidas e transportadas por diferentes agentes (água, gelo, vento, gravidade) até sua sedimentação em depressões da crosta terrestre, denominadas bacias sedimentares. Rochas sedimentares: calcário. Fonte: (Wincabder, 2009) Rochas: classificação – metamórficas Resultam de outras rochas pré-existentes, como as sedimentares ou ígneas que, no decorrer dos processos geológicos, sofreram mudanças mineralógicas, químicas e estruturais que provocaram a instabilidade dos minerais, os quais tendem a se transformar e rearranjar sob novas condições. Rochas metamórficas: gnaisse. Fonte: (Wincabder, 2009) Interatividade O granito é exemplo de rocha: a) magmática vulcânica. b) magmática extrusiva. c) magmática plutônica. d) metamórfica. e) sedimentar detrítica. Resposta O granito é exemplo de rocha: a) magmática vulcânica. b) magmática extrusiva. c) magmática plutônica. d) metamórfica. e) sedimentar detrítica. Agregados: definição Agregados para construção civil são materiais minerais, sólidos inertes que, de acordo com granulometrias adequadas, são utilizados para fabricação de produtos artificiais resistentes, mediante a mistura com materiais aglomerantes de ativação hidráulica ou com ligantes betuminosos. São geralmente granulares, sem forma e volume definidos, com dimensões características e propriedades adequadas para a preparação de argamassas e concretos (NBR 9935/05). Agregados: classificação Os agregados podem ser classificados quanto à origem: naturais, artificiais e industrializados às dimensões das partículas: miúdos e graúdos àmassa unitária: leves, médios e pesados composição mineralógica: sedimentares, metamórficos e ígneos Agregados: dimensões das partículas – miúdos Areia natural: considerada como material de construção e como agregado miúdo. A areia pode originar-se de rios, de cavas ou de praias e dunas. Granulometria: Imagem: Areia de brita ou areia artificial: agregado obtido dos finos resultantes da produção da brita, dos quais se retira a fração inferior a 0,15 mm. Sua graduação é 0,15 /4,8mm. Tipo de areia Granulometria (mm) Fina entre 0,06 mm e 0,2 mm Média entre 0,2 mm e 0,6 mm Grossa entre 0,6 mm e 2,0 mm Fonte: NBR 7211/83 Fonte: (Queiroz, 2009 ) Fonte: (Bauer, 2000) MINERAÇÃO DE AREIA ROCHA / SEDIMENTO DESMONTE DRAGAGEM CLASSIFICAÇÃO ESTOCAGEM EXPEDIÇÃO Tirar areia do rio Lavagem / Separação Peneiramento Pilhas de estoque PRODUTOS Agregados: dimensões das partículas – graúdos Pedra britada: agregado obtido a partir de rochas compactas que ocorrem em jazidas pelo processo industrial da cominuição (fragmentação) controlada da rocha maciça. Os produtos finais enquadram-se em diversas categorias. Granulometria: Imagem: Fonte: NBR 7211/83 Fonte: (Bauer, 2000 ) Agregados: dimensões das partículas – graúdos Fonte: (Bauer, 2000) MINERAÇÃO DE ROCHA MACIÇO ROCHOSO DESMONTE BRITAGEM CLASSIFICAÇÃO ESTOCAGEM EXPEDIÇÃO Primário Secundário Peneiramento Lavagem Pilhas de estoque PRODUTOS Explosivos Rompedor Hidráulico Agregados: granulometria – NBR 7211 Granulometria É a ciência cujo objetivo é medir e determinar a forma do grão do agregado. Ela é feita numa série de peneiras normalizadas, com aberturas de malhas quadradas, conforme especificações da ABNT. O procedimento do ensaio consiste no peneiramento do agregado e na determinação das porcentagens retidas em cada peneira. A granulometria dos agregados é característica essencial para o estudo das dosagens do concreto. Agregados: granulometria – NBR 7211 Quanto à continuidade da curva de distribuição granulométrica, os agregados podem ser classificados como sendo de granulometria: Contínua (A) = S suave e alongado na horizontal Descontínua (B) = patamar horizontal Uniforme (C) = S alongado na vertical Imagem Fonte: (Ambrozewicz, 2012 ) Fonte: (Bauer, 2000) Agregados: granulometria – módulo de finura O módulo de finura é muito importante para saber as dimensões dos grãos (superfície específica). Sua definição serve para determinar: a quantidade de cimento necessária para envolver os grãos; necessidade de água de molhagem; está relacionada com a área superficial, alterando a água de amassamento para uma certa consistência. Característica importante para a dosagem em concretos. Agregados: granulometria – módulo de finura Módulo de finura (Mf): é a soma das porcentagens acumuladas em massa de um agregado nas peneiras da série normal, dividida por 100. Peneiras (mm) Material retido (g) % Simples % Acumulada 4,8 2,4 1,2 0,6 0,3 0,15 Fundo ∑ = 1000 g Fonte: (Autor, 2017) Fonte: (Autor, 2017 ) PENEIRAS (mm) 4,8 2,4 1,2 0,6 0,3 0,15 Fundo MATERIAL RETIDO (g) % SIMPLES % ACUMULADO Agregados: granulometria – dimensão máxima A dimensão máxima (Dm): é uma grandeza associada à distribuição granulométrica do agregado correspondente à abertura de malha quadrada, em mm, à qual corresponde uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa. Fonte: (Autor, 2017) Agregados: forma dos grãos Os grãos dos agregados não têm forma geometricamente definida. Quanto às dimensões: cúbicos, lamelares e discoides Quanto à conformação da superfície: angulosos e arredondados Quanto à forma das faces: conchoidais e defeituosos Interatividade Na Classificação Granulométrica NBR 5734, qual é a peneira que retém um agregado graúdo? a) 5,0 mm b) 2,8 mm c) 4,8 mm d) 14,8 mm e) 9,5 mm Resposta Na Classificação Granulométrica NBR 5734, qual é a peneira que retém um agregado graúdo? a) 5,0 mm b) 2,8 mm c) 4,8 mm d) 14,8 mm e) 9,5 mm Cimento Portland: histórico A denominação “cimento Portland” foi dada em 1824 por Joseph Aspdin, um químico e construtor britânico. No mesmo ano ele queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. A mistura não se dissolvia em água e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano com o nome de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às das rochas da ilha britânica de Portland. Cimento Portland: introdução É um aglomerante hidráulico resultante da moagem do clínquer obtido pelo cozimento até a fusão parcial de mistura de calcário e argila convenientemente dosada e homogeneizada de tal forma que, após o cozimento, não resulte cal livre em proporções prejudiciais. Clínquer: é a base do cimento, originalmente uma mistura de calcário e argila, que é queimado (1.400 ºC) e triturado até virar um pó fino. O clínquer possui um diâmetro médio entre 5 e 25 mm. Fonte: autor, 2017 Cimento Portland: fabricação A figura abaixo mostra o processo de fabricação, desde a extração até a distribuição. Fonte: (Ambrozewicz, 2012) Cimento Portland: clinquerização A farinha crua entra no forno rotativo de clinquerização formando o clínquer, conforme esquema abaixo. Fonte: (autor, 2017) Cimento Portland: hidratação A figura abaixo mostra o desenvolvimento microestrutural de um grão de cimento durante a hidratação. Fonte: (Ramachandram, 2001) Cimento Portland: hidratação A tabela abaixo mostra a influência dos elementos clínquer quando hidratados. Fonte: (Ambrozewicz, 2012) Composto Fórmula química Abrev. % no clínquer Propriedade após hidratação Silicato tricálcico 3 CaO. SiO2 C3S 50-65 Endurecimento rápido Alto calor de hidratação Alta resistência inicial Silicato bicálcico 2 CaO. SiO2 C2S 15-25 Endurecimento lento Baixo calor de hidratação Baixa resistência inicial Aluminato tricálcico 3 CaO. Al2O3 C3A 6-10 Acelera a pega e alto calor de hidratação Aumenta a retração e reduz a resistência final Ferro aluminato tetracálcico 4 CaO. Al2O3 .Fe2O3 C4AF 3-8 Endurecimento lento Não contribui nada para a resistência Cal livre C CaO 3-8 Quantidades elevadas provoca expansibilidade e fissuração Cimento Portland: nomenclatura A figura a seguir mostra como identificar a sigla de um saco de cimento Portland. Fonte: (autor, 2012 ) Cimento Portland: tipos Hoje o cimento Portland é normalizado e existem sete tipos principais no mercado CP I – cimento Portland comum CP II-E – cimento Portland composto com escória CP II-Z – cimento Portland composto com pozolana CP II-F – cimento Portland composto com fíler CP III – cimento Portland de alto forno CP IV – cimento Portland pozolânico CP V-ARI – cimento Portland de alta resistência inicial Interatividade O cimento Portland, que contém adição de escória no teor de 35% a 70% em massa, possui propriedades como baixo calor de hidratação, maior impermeabilidade e durabilidade. É recomendado tanto para obras de grande porte e agressividade (barragens, fundações de máquinas, obras em ambientes agressivos, concretos com agregados reativos, obras submersas, pavimentação de estradas, pistas de aeroportos etc.) como também para aplicação geral em argamassas, estruturas de concreto simples, armado ou protendido etc. A norma brasileira que trata desse tipo de cimento é a NBR 5735. Em uma obra estão estocados sacos de cimento com identificação CP III. Por tal identificação, verifica-se que se trata de cimento Portland: a) comum. b) escória de alto forno. c) pozolânico. d) composto. e) branco. RespostaO cimento Portland, que contém adição de escória no teor de 35% a 70% em massa, possui propriedades como baixo calor de hidratação, maior impermeabilidade e durabilidade. É recomendado tanto para obras de grande porte e agressividade (barragens, fundações de máquinas, obras em ambientes agressivos, concretos com agregados reativos, obras submersas, pavimentação de estradas, pistas de aeroportos etc.) como também para aplicação geral em argamassas, estruturas de concreto simples, armado ou protendido etc. A norma brasileira que trata desse tipo de cimento é a NBR 5735. Em uma obra estão estocados sacos de cimento com identificação CP III. Por tal identificação, verifica-se que se trata de cimento Portland: a) comum. b) escória de alto forno. c) pozolânico. d) composto. e) branco. Gesso: definição Definição: é um aglomerante aéreo (endurece pela ação química do CO2 do ar), obtido pela desidratação total ou parcial da gipsita – aglomerante já utilizado pela humanidade há mais de 4.500 anos, no Egito. É a transformação da gipsita por um processo de queima que a transforma no gesso de pega rápida. Fonte: (Pinheiro, 2011) Gesso: definição A gipsita é o sulfato de cálcio mais ou menos impuro, hidratado com 2 moléculas de água. Sua fórmula química é CASO4+ 2 H2O e suas impurezas – que, no máximo, indicam 6% são: 79% de sulfato de cálcio e 21% de água. Silício (SiO2) Alumina (Al2O3) Óxido de ferro (Fe2O3) Carbonato de cálcio (CaCO3) Cal (CaO), Anidrito sulfúrico (SO3) Anidrido carbônico (CO2) Gesso: definição É um material que tem bom isolamento térmico e acústico. Auxilia no equilíbrio da umidade do ar em ambientes fechados por ser material higroscópico. Porém, em contato com a água, perde em muito sua resistência mecânica, sendo mais recomendado para ambientes fechados. No Brasil, a gipsita é encontrada em jazidas no Norte e Nordeste, cujas reservas são calculadas em 407 milhões de toneladas. Sua desidratação é feita através do cozimento industrial (fornos). Gesso: efeitos da queima As pedras de gipsita, depois da britagem e trituração, são queimadas na temperatura entre 130 a 160 ºC, realizada com pressão atmosférica, a gipsita perde ¾ partes de sua água, passando de diidrato (di-hidratado) para hemidrato, que é mais solúvel que o diidrato. Esse gesso hemidrato é conhecido como gesso rápido (quanto à pega) e endurece entre 15 e 20 minutos, apresentando uma dilatação linear de 0,3% e, após seu endurecimento, retrai bem menos do que sua dilatação inicial, sendo, portanto, muito usado em moldagem. Gesso: efeitos da queima Entre 170 a 300 0C, o gesso torna-se gesso anidro solúvel, também chamado de anidrita III, de fórmula química CaSO4.H2O (indica que esse produto pode conter um teor de água de cristalização variável). É a fase intermediária entre o hemidrato e a anidrita II. Instável e ávida por água, pode absorver umidade atmosférica e passar à forma de hemidrato (reversível). Fase muito reativa, age como acelerador de pega. Gesso: efeitos da queima Entre 400 a 600 ºC, é também chamada de anidrita II. É um produto totalmente desidratado, estável, com tempo de pega muito longo (retarda a pega). A anidrita II torna-se quase totalmente insolúvel e não é mais capaz de fazer pega, transformando-se num material inerte. Esse gesso é utilizado na composição química do cimento para retardar a pega. Gesso: efeitos da queima Entre 900 a 1100 ºC, também chamada de anidrita I. O gesso sofre a separação do SO3 e da CaO, com formação do CaO livre, formando um produto de pega lenta (pega entre 12 e 14 horas) chamado de gesso de pavimentação. Fonte: (Pinheiro, 2011) Gesso: propriedades Fonte: (Pinheiro, 2011) Gesso: propriedades Fonte: (Pinheiro, 2011) Cal: definição Cal aérea: aglomerante resultante da calcinação de rochas calcárias, pode ser hidratado e endurece sob ação do CO2 do ar. No caso da hidratação, a água só atua como catalisador. A cal hidratada é muito utilizada na construção civil. Cal hidráulica: aglomerante que endurece pela ação da água e foi muito utilizado nas construções antigas, sendo posteriormente substituído pelo cimento Portland. Cal hidráulica Cal hidráulica: aglomerante resultante da calcinação a 1100ºC de rochas calcárias e argila que dá origem à cal hidráulica que é um produto que endurece pela ação da água. A cal hidráulica é constituída por silicatos (SiO2.2CaO) e aluminatos de cálcio (Al2O3.CaO) que, hidratando-se na água, endurecem por carbonatação. Não é mais usada como aglomerante devido a características inferiores, em geral, às do cimento Portland e por apresentar muita cal livre. Cal aérea Definição: a cal é um aglomerante aéreo, ou seja, é um produto que reage em contato com o CO2 do ar. Produzida a partir de rochas calcárias, composta basicamente de cálcio (CaCO3 – calcita) e magnésio (CaCO3.MgCO3 – dolomita) que, para a sua aplicação, apresenta-se sob forma pulverulenta. Pode conter algumas impurezas tais como: quartzo, silicatos argilosos, óxidos metálicos de ferro e manganês, matéria orgânica, sulfatos, sulfetos, fosfatos etc. Cal aérea: fabricação Após a britagem e classificação da matéria-prima, ela passa por uma moagem e é conduzida ao forno de calcinação (cozimento do calcário), sendo realizado o ciclo de obtenção da cal. Cal virgem ou cal viva (calcinação): o CaCO3 é cozido a uma temperatura inferior à fusão, cerca de 900ºC, suficiente para separar (por decomposição) o CaCO3, a cal (CaO) e o CO2 (gás carbônico): Cal aérea: fabricação Cal hidratado ou extinta (hidratação): o processo de hidratação da cal virgem, também conhecido como extinção da cal, pode ser expresso pela seguinte equação: Da hidratação da cal virgem obtém-se a cal hidratada (hidróxido de cálcio), que é utilizada como aglomerante em argamassas para assentamento de blocos ou revestimento de paredes. Cal aérea: fabricação Endurecimento da cal hidratada com o ar (carbonatação) O CO2 transforma lentamente a superfície da argamassa formada por carbonato de cálcio e penetra lentamente na massa que assim vai se consolidando. Essa reação de carbonatação só é possível em presença da água que, dissolvendo ao mesmo tempo a cal e o CO2, possibilita essa combinação, funcionando a água como catalisador. Cal aérea: ciclo Fonte: (Breitenbach, 2013) Interatividade A cal é um aglomerante cujo constituinte principal é o óxido de cálcio ou o óxido de cálcio em presença natural com o óxido de magnésio, hidratados ou não. Após a britagem e classificação da matéria-prima, ela passa por uma moagem e é conduzida ao forno de calcinação (cozimento do calcário), sendo realizado o ciclo de obtenção da cal. Quais são as etapas do ciclo da cal, respectivamente? a) Calcinação => Hidratação => Carbonatação b) Calcinação => Carbonatação => Hidratação c) Carbonatação=> Calcinação => Hidratação d) Carbonatação=> Hidratação => Calcinação e) Hidratação=> Calcinação => Carbonatação Resposta A cal é um aglomerante cujo constituinte principal é o óxido de cálcio ou o óxido de cálcio em presença natural com o óxido de magnésio, hidratados ou não. Após a britagem e classificação da matéria-prima, ela passa por uma moagem e é conduzida ao forno de calcinação (cozimento do calcário), sendo realizado o ciclo de obtenção da cal. Quais são as etapas do ciclo da cal, respectivamente? a) Calcinação => Hidratação => Carbonatação b) Calcinação => Carbonatação => Hidratação c) Carbonatação=> Calcinação => Hidratação d) Carbonatação=> Hidratação => Calcinação e) Hidratação=> Calcinação => Carbonatação ATÉ A PRÓXIMA!
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