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Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Aula 5: Aglomerantes aéreos e hidráulicos Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental Disciplina: Materiais de construção (CET 115) 1. Definição de aglomerantes �Aglomerante é o material ativo, ligante, em geral pulverulento, cuja principal função é formar uma pasta, que promove a união entre os grãos do agregado. �São utilizados na obtenção das argamassas e concretos, na forma da própria pasta e também na confecção de natas. 2. Classificação dos aglomerantes � aéreos: são os aglomerantes que endurecem pela ação química do CO2 no ar, como por exemplo a cal aérea. � hidráulicos: são os aglomerantes que endurecem pela ação exclusiva da água, como por exemplo o cal hidráulica e cimento Portland, etc. Este fenômeno recebe o nome de hidratação. � poliméricos: são os aglomerantes que tem reação devido a polimerização de uma matriz. Ca CO3 Ca O + CO2 aquecimento até o início da fusão perda de 44% do volume e 12 a 20% do peso. CALCINAÇÃO calcário puro calor de 900 oC cal viva ou cal virgem Produção 2.1. Cales Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Processo de hidratação (extinção) CaO + H2 O Ca (OH)2 + CALOR Cal Hidratada (extinta)Cal virgem aumento de volume. � a reação é lenta (o teor de CO2 do ar é 0,04%) � reação se dá do exterior para o interior � necessita da presença de água para a reação. Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Processo de endurecimento Classificação �Quanto a composição química, temos a cal cálcica e a cal magnesiana. �A primeira com um mínimo de 75% de CaO e a segunda com no mínimo de 20% de MgO, devendo sempre a soma de CaO e MgO ser superior a 95%. Os componentes argilosos devem somar no máximo 5% 1 m de cal virgem fornece menos de 1,82 m de pasta Rendimento Cal Gorda 1 m de cal virgem fornece mais de 1,82 m de pasta Cal Magra �Extinção Rápida - até 5 min �Média - 5 a 30 min �Lenta - mais de 30 min Rapidez de extinção Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Propriedades �Plasticidade: é a maior ou menor facilidade de deformação. �Retração: a carbonatação do hidróxido de cálcio realiza-se com perdas de volume, podendo ocorrer a retração, fazendo surgir trincas no revestimento. � Para argamassas de revestimentos e assentamentos de alvenarias. APLICAÇÃO � Indústrias químicas, cerâmicas, siderúrgicas, vidros, tintas, colas. � No tratamento de água, como adubos, na refino do açúcar, em pinturas (caiação). � Em adições a pavimentos Betuminosos Uso na produção de argamassas – NBR 7175 CH I CH IIICH II Sacos de 20 kg fabricante, tipo da cal, massa líquida, massa unitária, selo de conformidade - ABPC Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva �Em depósitos protegidos �Evitar depósistos de madeira no caso de cal virgem ARMAZENAGEM 900 a 1100 kg/m3 - em torrões MASSA UNITÁRIA Cx: 25x40x20 cm CH I e CH II ≤≤≤≤ 600 kg/m3 CH III ≤≤≤≤ 800 Kg/m3 500 a 590 kg/m3 - em pó 2.2 Gesso �Dos aglomerantes utilizados na construção civil, o gesso é o menos utilizado no Brasil. No entanto, ele apresenta características e propriedades bastante interessantes, dentre as quais, pode-se citar: �O endurecimento rápido, que permite a produção de componentes sem tratamento de aceleração de endurecimento. �A plasticidade da pasta fresca e a lisura da superfície endurecida são outras propriedades importantes. Sulfato de Cálcio com 2 moléculas de água Produto resultante da desidratação total ou parcial da GIPSITA Utilizado a mais de 4500 anos (Egito) CaSO4.2H2O CaSO.2H2 O Ca SO4 . ½ H 2 O + 1 ½ H2 O Calor Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva HIDRATAÇÃO CaSO.½ H2O + ½ H2O Ca SO4. 2 H2O 2(CaSO4.½ H2O) + 3 H2O 2(CaSO4.2H2O) Pega rápida PROPRIEDADES: PEGA início- 2 a 3 min término - 10 a 40 min Endurecimento rápido Depende de: � temperatura e tempo de calcinação. � finura � quantidade de água de amassamento (+ água>tempo) � impurezas e aditivos. Aceleradores: alúmen, potássio. Retardadores: álcool, açucar, bórax, fosfato. ISOLAMENTO Bom isolamento térmico e acústico ADERÊNCIA Boa : tijolo, pedra, concreto, ferro Ruim : madeira Ataca o aço RESISTÊNCIA MECÂNICA depende da quantidade de água + água < resistência Compressão - 5 a 15 MPa Tração - 0,7 a 3,5 MPa RESISÊNCIA AO FOGO 3 cm de recobrimento resiste a 1000 oC por 45 min. MASSA UNITÁRIA γγγγ = 0.65 a 0,80 kg/l MASSA ESPECÍFICA γγγγO = 2,57 kg/l placas para forro revestimento de paredes divisórias e ornamentos EMPREGO Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva 2.3 – História do Cimento Procurando segurança e durabilidade para as edificações o homem foi levado à experimentação de diversos materiais aglomerantes. •Babilônios: utilizavam argilas não cozidas com fibras vegetais; •Egípicios: usavam gesso impuro calcinado. •Gregos e romanos: recorriam ao calcário calcinado, porém, posteriormente, aprenderam a misturar cal, água, areia e pedra britada, combinação que pode ser considerada como o primeiro concreto da história. Cúpula do templo de Phanteon, feita em concreto 2.3 – História do Cimento Em 1756, John Smeaton (engenheiro), procurava um aglomerante que endurecesse mesmo em presença de água, de modo a facilitar o trabalho de reconstrução do farol de Edystone, na Inglaterra. Em suas tentativas, verificou que uma mistura calcinada de calcário e argila tornava-se, depois de seca, tão resistente quanto as pedras utilizadas nas construções. "caementum", termo que originou a palavra cimento, veio dos romanos. 2.3 – História do Cimento Joseph Aspdin (pedreiro) em 1824, patenteou a descoberta, batizando-a de cimento Portland, numa referência à Portlandstone, tipo de pedra arenosa muito usada em construções na região de Portland, Inglaterra. 2.3 – História do Cimento No Brasil A primeira tentativa de produzir Cimento Portland no Brasil, se deve ao Comendador Antonio Proost Rodovalho, que em 1888 instalou uma fábrica em sua fazenda, mas que não chegou a produzir regularmente. Houve também outras tentativas, na Paraíba e no Espírito Santo, mas sem sucesso. A primeira fábrica a produzir normalmente, no Brasil, foi a Cia Brasileira de Cimento Portland Perus, no ano de 1926. Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva É um aglomerante hidráulico, resultante da moagem do clinquer, obtido pelo cozimento até a fusão parcial, de mistura de calcário e argila Após o cozimento é feita a adição de sulfato de cálcio (gesso), em proporção adequada para regularizar a pega, e em seguida é feita moagem. convenientemente dosada e homogeneizada, de tal forma que, após o cozimento não resulte cal livre em proporções prejudiciais SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O K2OCaCO3 2.3.1 - Cimento OBTENÇÃO DO CIMENTO PORTLAND COMPOSTOS CÁLCICOS COMPOSTOS SILÍCICOS + SILICATOS DE CÁLCIO Obtenção do Clínquer Calcário + Argila calcinação a 1400oC fusão parcial Clínquer (silicatos, aluminatos, ferroaluminatos, cal livre, compostos alcalinos) OBTENÇÃO DO CIMENTO PORTLAND Obtenção do Cimento Portland Clínquer + Sulfato de cálcio Moagem em moinho de bolas Cimento Portland Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva PROCESSO DE FABRICAÇÃO I:\Aulas UFRB\ Materiais de Construção\Aul Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND ÓxidosÓxidos SimboloSimbolo CompostosCompostos SímboloSímbolo NomeNome CaOCaO CC 3CaO. SiO2 C3S SilicatoSilicato tricálcicotricálcicoSiOSiO22 SS 2CaO. SiO2 C2S Silicato Silicato dicálcicodicálcico AlAl22OO33 AA 3CaO. Al2O3 C3A AluminatoAluminato tricálcicotricálcico FeFe22OO33 FF 4CaO. Al2O. Fe2O3 C4AF FerroFerro--aluminatoaluminato tetracálcicotetracálcico SOSO33 SS 3CaO.2SiO2.3H2O C3S2H3 -- HH22OO HH CaSO4.2H2O CS H2 -- MgOMgO MM 4CaO. Al2O3SO3 C4A3S3 -- COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND Fusão e Temperatura de resfriamento má formação de cristais facilita a moagem MgOMgO estabilidade de volume CC33AA ataque de sulfatos menor tamanho dos cristais melhora a durabilidade Resfriamento rápido Clinquer: 96% silicato tricálcico: 20 a 70% silicato bicálcico: 10 a 50 % aluminato tricálcico: 5 a 20 % ferro-aluminato tretracálcico: 5 a 15% -- cal livre: cal livre: 0 a 2%0 a 2% Impurezas -- magnésia:magnésia: 0 a 7 %0 a 7 % -- álcalis:álcalis: 0 a 2 %0 a 2 % -- outros óxidos (TiOoutros óxidos (TiO22, P, P22OO55, Mn, Mn22OO33): 0 a 3 %): 0 a 3 % Sulfato de Cálcio: 4% Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva % C3S = 4,071. %C - 7,600.%S - 6,716.%A - 1,430.%F - 2,850.%S % C2S = 2,867.%S - 0,7544.% C3S % C3A = 2,650.% A - 1,692.% F % C4AF = 3,042.%F % CaSO4 = 1,7. % S Previsão dos compostos do cimento (Bogue, 1955) Hidratação do Cimento Reação química com a água Reação exotérmica Ocorre da superfície externa para a parte interna aluminatos enrijecimento (perda de consistência plástica) e a pega (solidificação) silicatos endurecimento (velocidade de desenvolvimento da resistência). Retração autógena Mistura : cimento + água Instantes iniciais : hidratação externa Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Prosseguimento da hidratação externa Coalescência entre os produtos de hidratação Avanço da hidratação externa: Encapsulamento dos agregados Hidratação interna do cimento Idades avançadas a. Seção de um grão polimineral anidro b. 10 minutos - Parte do C3A reage com sulfato de cálcio em solução. Forma-se um gel amorfo sobre a superfície rico em aluminato ocorrendo nucleação de pequenas agulhas de AFt c. 10 horas - Reação do C3S produzindo C-S-H externo à superfície do grão ocorrendo nucleação a partir das agulhas de AFt d. 18 horas - Hidratação secundária do C3A produzindo longas agulhas de AFt. Constata-se o início da formação de C-S-H interno através da continuidade da hidratação do C3S e. 1 a 3 dias – C3A reage com algum AFt da região interna formando placas hexagonais de AFm. A contínua formação dos produtos internos reduz a separação entre a região anidra e a camada externa hidratada f. 14 dias - Suficiente C-S-H interno foi formado para preencher o espaço entre o grão e a camada externa. O C-S-H externo torna-se mais fibroso 3 C-S-H EXTERNO GEL AFt AFt AFm C-S-H INTERNO C A C S3 3 C-S-H EXTERNO C-S-H EXTERNO GEL AFt GEL AFt AFt AFmAFm C-S-H INTERNO C-S-H INTERNO C A C S3 3 C A C S3 3 Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Hidratação do cimento CIMENTO + AGUA => compostos hidratados + Ca(OH)2 PH basico e Reações pozolanicas CSH – Resistências mecânicas do concreto Hidratação do cimento � C3S+H2O => C2Saq+Ca(OH)2 => C2S2H3 Resistência em todas as idades, especialmente nas primeiras, libera calor de hidratação � C2S+H2O => C2Saq => C2S2H3 Crescimento da resistência a idades mais prolongadas � C3A – contribui na resistência ao primeiro dia e calor de hidratação � C4AF – não contribui com resistência EVOLUÇÃO DO GRAU DE HIDRATAÇÃO Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Atualmente, a maioria dos cimentos, tanto nacionais como estrangeiros, são produzidos com adições minerais com maiores ou menores propriedades pozolânicas ADIÇÕES MINERAIS São materiais mais ou menos silicosos finamente moídos com propriedades pozolânicas, adicionados ao cimento em substituição ao clínquer ou ao concreto em quantidades relativamente grandes, com o objetivo de modificar algumas de suas propriedades. A substituição de clínquer por adições tem por objetivo: � Resolver problemas ambientais � Economia de energia � Redução de custo � Resolver problemas tecnológicos Reação básica do cimento portland C3S + H C - S - H + CH (rápida) Reação pozolânica SiO2 + CH + H C - S - H (lenta) Materiais Pozolânicos •Materiais naturais Geralmente derivados de rochas minerais vulcânicas � Cinzas vulcânicas � Tufos vulcânicos � Argilas calcinadas Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Subprodutos Industriais Escória granulada de alto forno � Subproduto de produção siderúrgica � A qualidade é função do resfriamento � Moída com finura de 400 a 500 m2/kg tem propriedades pozolânicas e cimentantes satisfatória � Pode ter elevado teor de cálcio o que lhe dá também propriedades cimentantes Microssílica (sílica ativa) • Subproduto de produção de silício metálico e ferro- silício. • Material com mais de 85% de sílica amorfa • Altamente fino: superfície específica com 20.000 m2/g • Altamente reativa • Utilizada em concreto de alto desempenho Cinza de casca de arroz � Subproduto do beneficiamento de arroz ou termoelétrica � Elevado teor de sílica amorfa ( > 80 %) � Necessita ser moída para melhorar atividade pozolânica � Em queima com temperatura controlada tem maior teor de sílica reativa Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Contaminação de rios por Cinza de casca de arroz Cinza volante � Gerada em usinas termoelétricas � Partículas esféricas lisas extremamente finas com elevado teor de sílica amorfa � Não necessita ser moída Temperatura de queima x pozolanicidade PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DO CIMENTO 1. Pega e Endurecimento Cimento + água Perda de plasticidade e possibilidade de manuseio após o inicio das reações de hidratação Pega Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Inicio de pega Tempo decorrido desde a adição de água até o inicio das reações com os compostos do cimento. Limita o tempo de trabalhabilidade dos concretos e argamassas Tempo de fim de pega Tempo decorrido desde a adição de água até a situação em que a pasta cessa de deformar sob a ação de cargas. A partir deste momento pode- se iniciar novos serviços sobre a superfície do concreto. Baixa resistência à tração e pouca deformabilidade Mistura do cimento e da água Início de pega Fim de pega ~2 horas 4 a 16 horas Crescimento da resistência Pega Endurecimento Falsa pega Provocada pela desidratação do gesso ou erro no proporcionamento no processo de moagem Fatores que influenciam a pega Teor de C3A , SO3 e Fe2O3 Finura Quanto mais fino o cimento mais rápida a pega Temperatura Aumento – reduz Diminuição – aumenta Quantidade de água quanto mais água menor o tempo de pega Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Aditivos Aceleradores (cloreto de cálcio, Cloreto de sódio, etc.) Retardores (Gesso, açúcar, álcool, óxido de zinco) Classificação quanto à pega Normal > 1 h Rápida < 1 h Pega de cimentos comerciais 2 h 30 min Determinação do tempo de pega: Aparelho de Vicat, com pasta de consistência normal) Tempo de pega 1.mp4 tempo de pega - vicat automatico.mp4 Determinação da Finura Peneiramento: índice de finura - % de massa que fica retida na peneira 200 com abertura de 0,075 mm. (NBR 57 33) Para os cimento normais: % retida < 12 % Permeabilímetro de Blaine - Superfície específica Baseado na velocidade de ar que passa por uma determinada amostra que é função do tamanho dos grãos. Blaine dos cimentos normais = 2500 a 4000 cm2/g Granulômetro a laser Prof.MSc Francisco Gabriel Santos Silva Massa específica A massa especifica do cimento γ0 = 3,10 a 3, 15 kg/l. A determinação é feita através do frasco de Le Chatelier, usando querosene como líquido. A massa unitária do cimento: γ = 1,5 Kg/l Resistência a esforços mecânicos (resistência à compressão) Fatores que influenciam na resistência à compressão: Direta Inversa direta Principalmente C3S e C2S Finura Quantidade de água Composição química Idade Determinação da resistência à compressão (NBR 7215) Corpos de prova cilindricos: 5 X 10 cm Argamassa Normal: 1 : 3 : 0,5 Areia Normal = Areia do rio Tietê Ruptura aos 3, 7 e 28 dias. CP 25 8 15 25 CP 32 10 20 32 CP 40 14 24 40 Classes de cimento (em MPa) 3d 7d 28d Exsudação é o fenômeno de segregação da água que ocorre na pasta de cimento antes do início da pega Quanto mais fino o cimento menor a exsudação É importante na tecnologia de concretos e argamassas Pode provocar fissuração na superficie Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva PROPRIEDADES QUÍMICAS DO CIMENTO 1. Estabilidade de volume A existência indesejável de cal livre (CaO) e óxido de magnésia (MgO), pode provocar expansão do concreto endurecido. Determinação: Agulha de Le Chatelier com pasta de consistência normal Ensaio a frio: evidencia a presença de MgO Ensaio a quente: evidencia a presença de CaO 2. Calor de hidratação É a quantidade de calor gerado pela hidratação completa dos compostos do cimento. 3 dias 41 a 90 cal/g - 50% 7 dias 46 a 97 cal/g 28 dias 61 a 109 cal/g - 90% 60 dias 72 a 114 cal/g 180 dias 74 a 116 cal/g 3. Resistência a Agentes Agressivos Influi diretamente na durabilidade e depende muito da porosidade (relação água/cimento) Em contato com a água: Retirada do Ca(OH)2 por dissolução Ataque de águas ácidas aos silicatos hidratados Ataque de águas sulfatadas ao C3A, formando etringita expansiva (sal de Candlot) Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Em contato com o ar: Carbonatação do Ca(OH)2 Em atmosferas marinhas Corrosão de armaduras Corrosão de armaduras Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva 4. Reação álcali-agregado Reação entre os álcalis do cimento e a silica ativa da areia (amorfa) Só ocorre em 3 condições: �Equivalente de Na2O: % Na2O + 0,658 (% K2O) > 0,6 �Ocorrência de sílica amorfa (Opala) �Umidade Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Como evitar: �Limitar o equivalente alcalino (Na e K) �Utilizar material pozolânico (consumo de C3A) �Evitar umidade Transporte armazenamento do cimento Em saco: Lugar limpo e seco Estrado de madeira a 30 cm do chão Cobertura Pilhas de, no máximo 10 sacos A granel: Transportado em carretas e containers Armazenagem em silos dotados de sistemas de abastecimento e dosados por gravidade, por parafuso sem fim ou elevadores de caneca Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva Tipos de cimento Sigla Clínquer + sulfato de cálcio Escória granulada de alto-forno Material pozolânico Material carbonático CP I 100 0 0 0 CP I-S 99-95 1-5 1-5 1-5 CP II-E 94-56 6-34 - 0-10 CP II-Z 94-76 - 6-14 0-10 CP II-F 94-90 - - 6-10 CP III 65-25 35-70 - 0-5 CP IV 85-45 - 15-50 0-5 CP V-ARI 100-95 - - 0-5 Resistência dos tipos de cimento (ABCP) Terminologia do cimento Cimento Portland (CP) : Tipo de cimento : Classe do cimento Exemplo: CP II F 32: •Cimento Portland •composto de Filler •com 32MPa de resistência aos 28 dias Prof. MSc Francisco Gabriel Santos Silva �Bauer, Elton. Notas de Aulas. Ciência dos materiais. UnB. 2009. �GUIMARÃES, J. E. P.; A cal – Fundamentos e aplicações na engenharia civil. São Paulo: PINI. 1998. �ISAIA, Geraldo Cechella; INO, Akemi (Coord.) Materiais de construção civil e princípios de ciência e engenharia de materiais. São Paulo: IBRACON, 2007. 2 v. ISBN 9788598576183 (v.1) �MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Ibracon, 2008. �Site: http://www.abcp.org.br (acessado em 15/09/2009). �Site: http://www.uff.br/matconst/historia_do_cimento1.htm (acessado em 15/09/2009) Bibliografia 97
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