Tópico 1 - Ciências dos materiais

Prévia do material em texto

Ciências dos materiais
Apresentação
Nesta Unidade de Aprendizagem você vai estudar a Ciência dos Materiais. Toda e qualquer 
atividade da Engenharia estará sujeita a interferência das características e propriedades dos 
Materiais de Construção. Cabe ao futuro profissional buscar informação sobre os principais 
aspectos que invariavelmente estarão sempre sujeitos a constante atualização derivada das novas 
tecnologias.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Identificar a importância do estudo da Ciência dos Materiais.•
Descrever as responsabilidades do Engenheiro de Materiais.•
Diferenciar os principais tipos de Materiais de Construção.•
Desafio
Imaginando uma situação em que você estiver atuando na prática, cite ao menos dez 
responsabilidades do Engenheiro e a postura que deve ter diante de situações problemas.
Infográfico
Na ilustração a seguir, estão representados os assuntos desta unidade.
 
Conteúdo do livro
Acompanhe um trecho do livro Materiais de Construção Civil , capitulo Ciência dos Materiais.
Boa leitura.
MATERIAIS DE 
CONSTRUÇÃO
André Luis Abitante
Ederval de Souza Lisboa
Gustavo Alves G. de Melo
Catalogação na publicação: Poliana Sanchez de Araujo – CRB 10/2094
L769m Lisboa, Ederval de Souza.
Materiais de construção : concreto e argamassa 
[recurso eletrônico] / Ederval de Souza Lisboa, Edir dos 
Santos Alves, Gustavo Henrique Alves Gomes de Melo. 
– 2. ed. – Porto Alegre : SAGAH, 2017.
Editado como livro impresso em 2017.
ISBN 978-85-9502-013-9
1. Materiais de construção. 2. Concreto. 3. 
Argamassa. Engenharia. I. Alves, Edir dos Santos. II. Melo, 
Gustavo Henrique Alves Gomes de. III. Título. 
CDU 691.3:62
Ciência dos materiais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Identificar a importância do estudo da ciência dos materiais.
 � Descrever as responsabilidades do engenheiro de materiais.
 � Diferenciar os principais tipos de materiais de construção.
Introdução
Neste texto, você vai estudar a ciência dos materiais e aprender que 
toda e qualquer atividade da engenharia está sujeita à interferência 
das características e propriedades dos materiais de construção. Cabe 
ao futuro profissional buscar informação sobre os principais aspectos 
que invariavelmente estarão sempre sujeitos à constante atualização 
derivada das novas tecnologias.
Contextualização
Você deve levar em consideração que a questão ambiental estará presente em 
qualquer área de interesse no conteúdo de ciência dos materiais, pois os recursos 
do planeta são limitados. Há uma parcela da humanidade que detém a exploração 
econômica e, recentemente, considerou que o nível de qualidade de vida do pla-
neta depende de como vive a população que o habita. Do mesmo modo, você deve 
levar em conta a forte dependência dos recursos naturais, sendo fundamental in-
vestir na exploração dos conhecimentos desses recursos com o objetivo de trans-
formar, gerenciar e verificar os níveis de poluição durante todos os processos.
O melhor conceito de recursos naturais é trabalhar na manutenção dos 
organismos, populações e ecossistemas. Estas são as questões de interesse da 
conservação do meio ambiente:
 � Recursos renováveis: que obedecem ao ciclo natural e retornam depois
de usados.
 � Recursos não renováveis: aqueles que não se renovam por meios naturais 
após o uso. Podem ser subdivididos em duas classes:
 � Minerais energéticos (petróleo, carvão mineral, etc.)
 � Minerais não energéticos (ferro, argilas em geral, etc.)
Os materiais que o homem utiliza para a produção de bens são os recursos 
naturais compostos de matérias (fisicamente); que são substâncias com pro-
priedades que as tornam mais úteis na construção de máquinas, estruturas, 
dispositivos e produtos.
Em resumo, as propriedades e o processamento de materiais são objetivo 
principal da ciência dos materiais com a obtenção de conhecimentos básicos 
sobre a estrutura interna. A engenharia dos materiais é voltada principalmente 
para a utilização de conhecimentos básicos e aplicados sobre os materiais, de 
maneira que você pode transformar em produtos necessários ou desejados 
pela sociedade. Assim, a ciência dos materiais é voltada para o conhecimento 
básico (científico) e a engenharia dos materiais para o conhecimento aplicado 
(empírico).
As diferentes engenharias sempre vão precisar de conhecimentos sobre 
materiais, sendo capazes de ser selecionadas para uma determinada aplicação. 
Nas considerações ambientais, você deve levar em conta a escolha do mate-
rial, o conhecimento técnico-científico, a viabilidade econômica, além das 
questões ambientais ligadas ao consumo de energia, à poluição e ao descarte.
Ciência dos materiais
A ciência dos materiais é um conjunto de conhecimentos sistematizados, 
adquiridos por meio da observação, identificação, pesquisa e explicação de 
determinadas categorias de fenômenos e fatos, os quais são formulados de 
forma metódica e racional.
O saber científico é um conjunto de conhecimentos adquiridos, produ-
zidos e acumulados durante o tempo histórico, que evolui em escala geomé-
trica, interage entre os diversos segmentos das ciências afins, e esclarece, 
demonstra, comprova e produz mais perguntas do que respostas. Tais conhe-
cimentos foram conquistados devido a diversos avanços tecnológicos que 
explicam melhor os fenômenos relacionados com a estrutura dos materiais, 
por meio de pesquisas que progrediram no uso de materiais nos campos das 
ciências básicas, como física, química e matemática.
Materiais de construção: concreto e argamassa14
A partir do início do século XX, no campo das propriedades dos materiais, 
aconteceram diversas descobertas científicas que geraram uma base comum, 
permitindo um maior conhecimento sobre os principais materiais empre-
gados, em especial, os ferrosos, cerâmicos e orgânicos. Com a evolução da 
ciência, muitas respostas empíricas foram atendidas, ajudando na descoberta 
de novos materiais, junto com projetos para suprir necessidades.
Para você entender o interesse científico e técnico, veja a classificação dos 
materiais sólidos divididos em três grupos, de acordo com a sua microestru-
tura: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos.
Destacamos os metais mais tradicionais: o cobre, ouro e o ferro, que an-
tigamente eram usados em utensílios domésticos, armas e meios de trans-
portes. Vem da antiguidade o domínio de fronteiras pela fusão de metais, por 
exemplo, na história, os romanos expandiram suas transações comerciais a 
partir da exploração e aplicação de ferro.
Para garantir a boa qualidade na fabricação do aço é importante controlar 
a concentração dos seus elementos de liga, em especial o carbono, assim 
como das impurezas. No período inicial da chamada Revolução Industrial 
não se tinha capacidade de controlar de forma eficiente a produção do aço em 
larga escala até que fosse inventado em tempo para o período de fabricação 
que permitiu a aplicação do aço para várias finalidades.
Os materiais metálicos são composições de metais que possuem uma 
grande quantidade de elétrons livres, o que possibilita a chamada ligação me-
tálica devido aos elétrons que são compartilhados. Isso atribui propriedades 
aos materiais metálicos de serem bons condutores de calor e eletricidade, 
além de boa resistência e conformação que os torna mais empregados para 
aplicações estruturais, tendo o ferro e o alumínio um maior destaque desde 
muitos anos até os nossos dias. 
O aço continua sendo a fonte de riqueza que destaca muitos países econo-
micamente, como China, Japão e os Estados Unidos, sendo eles os maiores 
produtores de peças usadas na montagem de automóveis e aviões. Vale des-
tacar o interesse do aço para fins de da construção civil.
Os materiais cerâmicos têm a argila como o seu representante mais antigo 
da humanidade, usado na fabricação de muitos utensílios. O vidro também 
merece destaque,tendo Veneza no domínio de sua fabricação. Os materiais 
cerâmicos têm propriedades opostas aos metálicos, ou seja, não resistem a 
deformações, são bons isolantes, operam em altas temperaturas, resistem aos 
ataques químicos, entre outros. 
Ciência dos materiais 15
A sílica, a alumina e o cal são a base principal da composição dos mate-
riais cerâmicos. Dessa forma, essas substâncias são muito utilizadas na cons-
trução civil por constituir como agregados em materiais como cimento, vidro, 
concreto, argamassas, tijolos, louça sanitária, entre outros. A maioria das ce-
râmicas é cristalina e algumas são amorfas, como é o caso do vidro.
Os materiais poliméricos são obtidos a partir de substâncias simples cha-
madas monômeros e podem ser de origem natural ou sintética. Também são 
maus condutores de eletricidade e por isso não conduzem calor com efici-
ência, sendo empregados para fins de isolamento. 
Os polímeros naturais têm origem vegetal (madeira, algodão, borracha 
natural) ou animal (crina, ossos, couro) sendo empregados desde início da 
humanidade. 
O primeiro polímero sintético desenvolvido que teve grandes aplicações foi o baque-
lite. Após um momento evolutivo, chegou-se à era dos polímeros projetados, com des-
taque para o neoprene, que é uma borracha sintética.
As principais matérias-primas para a produção de polímeros são: o pe-
tróleo e o gás natural. A nafta, que é o derivado do petróleo, é a principal 
matéria-prima da indústria petroquímica tendo como finalidade viabilizar a 
produção de polímeros.
Dessa forma, a ciência deu início à sua contribuição para o desenvolvimento 
de materiais de interesse para a modernidade da humanidade que exige novas 
aplicações. É fundamental que você compreenda o ciclo de vida dos materiais 
empregados na fabricação de produtos que atendam a tais necessidades e, assim, 
elaborar projetos baseados no descarte e em suas consequências ambientais.
Engenharia de materiais
A evolução dos novos materiais associada com novas necessidades e evoluídos 
sistemas de controle de processos de fabricação vêm possibilitando a substi-
tuição de materiais convencionais por novos materiais, que superam também 
na qualidade. Portanto, é exigido das soluções de engenharia a elaboração de 
projetos de elevada confiabilidade em relação ao uso desses novos materiais.
Materiais de construção: concreto e argamassa16
Conheça o exemplo de aplicação atual de materiais poliméricos: os 
DVDs, que são as mídias para a produção de discos de vídeos digitais. Eles 
são conhecidos como materiais plásticos e, em geral, têm baixa densidade e 
se decompõem ou amolecem sob temperaturas relativamente altas. Para as 
diversas aplicações em componentes de máquinas são desenvolvidos os cha-
mados plásticos de engenharia.
Para viabilidade tecnoeconômica do emprego de materiais poliméricos, você deve in-
vestir em misturas de polímero com polímero, denominadas ligas poliméricas, mais 
conhecidas como elastômero.
Essas misturas são muito usadas em para-choques de automóveis, no acon-
dicionamento de ferramentas de corte, em materiais esportivos e nos compo-
nentes sintéticos de muitas instalações cobertas de atletismo, que são geral-
mente feitas de uma combinação de borracha e poliuretano. Revestimentos de 
acrílico em cores brilhantes, com adição de várias fibras e materiais de enchi-
mento, são usados para revestir o piso de quadras de tênis e parques infantis. 
Para proteção contra corrosão, ambientes quimicamente agressivos, choque tér-
mico, impacto, desgaste e abrasão são utilizados outros materiais poliméricos 
de revestimento. A busca por novos polímeros e ligas poliméricas é em virtude 
de seu baixo custo e de suas propriedades adequadas a várias aplicações.
Os metais podem ser empregados em diversas áreas industriais para finalidades impor-
tantes da vida moderna, como aeroespacial, biomédica, semicondutores, eletrônica, 
energia, construção civil e transportes.
Exemplo
Engenheiros e cientistas de materiais estão cada vez mais engajados em 
desenvolver novas ligas metálicas e trabalhando para aprimorar as proprie-
dades das ligas já existentes com maiores resistências para missões críticas, 
como alta temperatura e suportar vibrações elevadas.
Ciência dos materiais 17
Nessa evolução dos materiais, fábricas buscam diversas técnicas para o 
controle dos processos, buscando a ajuda da engenharia química para a evo-
lução dos materiais.
O uso de próteses e sistemas de apoio para revitalização de órgãos hu-
manos tem se tornando mais acessível para a maioria da população graças à 
biomedicina, que tem trabalhado para desenvolver materiais biologicamente 
compatíveis com os tecidos humanos. As ligas de maior destaque são de ti-
tânio, aço inoxidável e outras à base de cobalto. Todas elas precisam ser ca-
pazes de suportar a corrosividade do interior do corpo humano. Assim, graças 
aos avanços dos materiais, válvulas e parafusos vem melhorando cada vez 
mais a qualidade de vida de muitas pessoas. 
O custo é uma forma de incentivo no desenvolvimento científico, e dessa 
forma requer a presença das engenharias para auxiliar na análise dos pro-
cessos de fabricação e das adequações nas aplicações.
As cerâmicas avançadas (também chamadas de cerâmicas para engenharia 
ou cerâmicas industriais) têm essa denominação porque em suas propriedades de 
destaque estão elevar a resistência mecânica e continuar com resistência ao des-
gaste e à corrosão em situação de variações súbitas e extremas de temperatura. 
Entre os materiais cerâmicos avançados estão alumina (oxido), nitreto de silício (nitreto) 
e carboneto de silício (carboneto).
Exemplo
Entre as várias aplicações que são bem conhecidas está o ônibus espacial. 
Outras não são mais conhecidas e de interesse, como ferramentas de corte, 
que em geral são usadas em máquinas que fabricam componentes mecânicos 
pelo processo de remoção de material ou brocas para perfuração de poços de 
petróleo; como, por exemplo, na exploração do pré-sal, em águas profundas.
Um dos grandes empecilhos para a engenharia é a necessidade de desen-
volver máquinas especiais para transformar novos produtos usando essas ce-
râmicas avançadas, pois esta ação eleva o custo desses produtos.
Outro material de aplicação para a engenharia são os materiais compó-
sitos. Um material compósito pode ser definido como dois ou mais materiais 
(fases ou constituintes) integrados de modo a formar um novo material. A 
maioria dos materiais compósitos consiste em um material de enchimento ou 
Materiais de construção: concreto e argamassa18
de reforço apropriado e uma resina aglutinadora adequada a fim de que se 
obtenham as características específicas e as propriedades desejadas.
Entre os diferentes tipos de materiais compósitos destacam-se os fibrosos 
e particulados, os quais são formados por uma matriz e um material de re-
forço. O material da matriz pode ser um metal, uma cerâmica ou um polímero. 
Dessa maneira os materiais compósitos são classificados em compósitos de 
base metálica, de base cerâmica ou de base polimérica.
Os compósitos mais avançados apresentam rigidez e resistência mecânica 
próxima dos metais aliados a uma baixa densidade tornando-se atrativos para 
aplicações em que o peso dos componentes é um fator decisivo para o projeto do 
produto, como, por exemplo, máquinas móveis, em especial as aeronaves. Para 
essas finalidades especialmente, os materiais compósitos modernos usados em 
aplicações de engenharia são reforços em fibra de vidro, em matriz de poliéster 
ou epóxi, e em fibras de carbono em matriz de epóxi, que apresentam maior 
tolerância a deformações, sendo assim, mais flexíveis mecanicamente.
As combinações de materiais utilizados no projeto de compósitos de-
pendem principalmente do tipo de aplicação e do ambiente no qual o material 
será́ utilizado. Isso requer a presença intensa do engenheiro para evitar que 
ocorram falhas nos componentes durante o seu uso, o que pode representar 
um problema de segurança grave.
Materiaisde construção
Os materiais mais empregados na construção civil são os cerâmicos e metá-
licos. Há uma informação que não é tão divulgada, mas que você deve saber, 
a respeito das roupas à prova de bala: elas são feitas por polímeros e sua resis-
tência é de até sete vezes maior que a do aço. Esse fato é importante pois esse 
material também pode ser utilizado em estruturas de concreto. 
Existem produtos mais comuns em obras civis nomeados de cerâmica ver-
melha, como telhas e azulejos, compostos à base de silicato de alumínio hi-
dratado e que apresentam coloração vermelha pela presença de óxido de ferro. 
Você também pode elaborar materiais mais simples e baratos, por exemplo, 
usar areia para fabricar telha e óxidos para os azulejos. 
É preciso ter consciência que com o aumento populacional, tanto a quan-
tidade de resíduos e poluição quanto o consumo dos recursos naturais aumen-
taram. Por isso, você deve discutir como será o processo de transformação 
para a diminuição no impacto ambiental e encontrar maneiras para trabalhar 
a sustentabilidade.
Ciência dos materiais 19
Além do crescimento do setor industrial também há o crescimento urbano, 
assim é exigido melhores condições de transporte (tanto de pessoas quanto de 
mercadorias). Você deve pensar em estratégias para diminuir a poluição, como, 
o uso de fontes alternativas de energia em construções habitacionais e indus-
triais. Além de planejamentos sustentáveis, por exemplo, numa população eco-
nomicamente não ativa, que requer demanda por água potável e ar limpo.
A humanidade vem utilizando várias espécies de materiais para a cons-
trução, mas sem sombra de dúvida, o concreto de cimento sempre foi o mate-
rial preferido para atender às necessidades de obras de infraestrutura, como 
pontes, edifícios, rodovias ou barragens. A indústria do concreto e da arga-
massa são os maiores consumidores de recursos naturais, e os de maior im-
pacto são água, areia e agregados graúdos. 
O concreto, no sentido mais amplo, é qualquer produto ou massa produzido a partir 
do uso de um meio cimentante. Geralmente, esse meio é o produto da reação entre 
um cimento hidráulico e água, mas atualmente mesmo essa definição pode cobrir uma 
grande escala de produtos.
Exemplo
Para a construção de máquinas geralmente são empregados aços, cuja 
qualidade vem certificada pelo fabricante, e a partir desse material os compo-
nentes são fabricados.
Para o caso da construção civil a garantia da qualidade do concreto é de 
quem o faz, o fabricante do cimento oferece a qualidade como garantia, mas 
apenas isso não basta para a estrutura do concreto, o que pode gerar falhas. O 
clássico exemplo é do confeiteiro que faz o bolo cuja qualidade da farinha (ci-
mento) não garante a boa qualidade. Entenda que no caso do concreto, existe 
uma qualidade específica e outra realizada, ou seja, o projetista e o respon-
sável pela especificação que determinam a qualidade potencial, e a compe-
tência de quem executou e do fornecedor que controlam a qualidade efetiva 
na estrutura acabada. 
Materiais de construção: concreto e argamassa20
O problema central é que após o consumo de água, o concreto e seus deri-
vados cimentícios são os materiais mais consumidos pelo homem. O controle 
na produção e, em especial, a redução de desperdícios durante o processo de 
construção de obras passa a ser de grande importância, pois:
 � a construção civil está presente em todas as regiões do planeta (conforme 
contexto local);
 � a produtividade e a atividade econômica têm boa atuação no PIB das nações;
 � está diretamente relacionada ao avanço social da humanidade com o im-
pacto da construção civil; e
 � a construção civil é responsável pela produção de bens de maior dimensão 
física, tornando-se assim o maior consumidor de recursos naturais.
O grande desafio de atingir o “zero descarte” na indústria da construção 
civil é quase uma utopia. O conceito de sistemas de produção como sendo 
um ciclo aberto é dado quando existe descarte ou geração de resíduos. Por 
outro lado, está o sistema de ciclo fechado que representa uma evolução, cujas 
perdas devem ser mínimas e o descarte deve ser o mais próximo de zero. Isso 
reflete diretamente na redução de consumos de materiais e de matéria-prima 
para a produção, desde que: 
 � na fase de projeto seja previsto o consumo mínimo de materiais; 
 � haja substituição de materiais de alto conteúdo energético ou descarte para 
outros cuja eficiência seja melhor na relação energia/massa;
 � haja emprego de materiais com maior ciclo de vida útil;
 � haja redução de resíduos e a sua reutilização através de reciclagem.
No exposto anterior fica denominado o conceito dos 4Rs: Reciclagem 
(minimizar materiais), Reúso (minimizar desperdício), Redução (minimizar 
poluição) e Resíduo (consumir menos energia).
Ciência dos materiais 21
ISAIA, G. C. Materiais de construção civil e princípios de ciência e engenharia de material. 2. 
ed. São Paulo: IBRACON, 2011.
NEVILLE, A. M.; BROOKS, J. J. Tecnologia do concreto. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto 
Alegre: AMGH, 2012. 
Leituras recomendadas
Materiais de construção: concreto e argamassa22
 
Dica do professor
O vídeo aborda uma introdução sobre os Materiais de Construção e sua Importância.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/75729252db2b0c572e714a14988822af
Exercícios
1) 
Quais dos itens abaixo não fazem parte da filosofia dos 4R?
A) Refazer.
B) Reciclar.
C) Reutilizar.
D) Reduzir.
E) Resíduo.
2) 
Qual das propriedades abaixo não é característica dos metais?
A) Condutores de eletricidade.
B) Condutores de calor.
C) Boa resistência mecânica.
D) Deformáveis.
E) Resistentes a temperaturas elevadas.
3) 
Qual das propriedades abaixo não são características das cerâmicas?
A) Resistentes.
B) Rígidos.
C) Densos.
D) Deformáveis.
E) Isolantes.
4) 
Qual das propriedades abaixo não são características dos polímeros:
A) Baixa resistência mecânica.
B) Baixo custo.
C) Alta resistência aos raios UV.
D) Facilidade de conformação.
E) Baixa densidade.
5) 
Qual dos materiais abaixo não pode ser classificado como compósito:
A) Concreto armado.
B) Tijolo maciço.
C) Piso industrial reforçado com fibra.
D) Argamassa armada.
E) Ligas de aço reforçadas com carbeto de silício.
Na prática
Saiba +
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:
Como Construir um Edifício em Concreto Armado.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
Materiais de Construção
Abitante, André Luís; Lisboa, Ederval de Souza
Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
https://www.youtube.com/embed/jjHbQtWyzlU?rel=0