mod 2 cimento portland

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CIMENTO PORTLAND 
1. Definição. 
 O cimento é um dos materiais de construção mais utilizados na construção civil, por conta da sua larga utilização em diversas fases da construção. 
2. Introdução. 
 O cimento pertence à classe dos materiais classificados como aglomerantes hidráulicos, esse tipo de material em contato com a água entra em processo físico-químico, através de uma reação exotérmica de cristalização tornando-se um elemento sólido com grande resistência a compressão e resistente a água e a sulfatos.  A história do cimento inicia-se no Egito antigo, Grécia e Roma, onde as grandes obras eram construídas com o uso de certas terras de origem vulcânicas, com propriedades de endurecimento sob a ação da água.  Os primeiros aglomerantes usados eram compostos de cal, areia e cinza vulcânica.  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 às 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 rochas da ilha britânica de Portland.  O cimento Portland é um aglomerante hidráulico fabricado pela moagem do clínquer, compostos de silicato e cálcio hidráulicos. Os silicatos de cálcio são os principais constituintes do cimento Portland, as matérias primas para a fabricação devem possuir cálcio e sílica em proporções adequadas de dosagem. 
3. Definição de cimento Portland. 
 É um aglomerante hidráulico, resultante da moagem do clínquer, obtido pelo cozimento até a fusão parcial, de mistura de CALCARIO e ARGILA 
 
 
convenientemente dosada e homogeneizada, de tal forma que, após o cozimento não resulte cal livre em proporções prejudiciais. 
Clínquer: é à base do cimento, originalmente uma mistura de calcário e argila, que é queimado (14000C) e triturado até virar um pó fino. O clínquer possui um diâmetro médio entre 5 a 25 mm. 
 
 
 
Figura 1 – Clínquer. 4. Obtenção do cimento Portland. 
 Figura 2 – Processo de obtenção do cimento Portland. 
 Figura 3 – Processo de obtenção do cimento Portland. 
5. Proporção dos constituintes do cimento Portland e reação de formação do clínquer. 
 Figura 4 – Proporção dos constituintes do cimento Portland. Após a entrada do cru nos fornos rotativos até à saída do clínquer, à medida que a temperatura no forno vai aumentando vão sendo observadas diversas reações, por exemplo:  A 100ºC, a água livre da mistura de calcário e argila evapora-se.  A 450ºC a água adsorvida é libertada dos componentes da matéria-prima.  A 800ºC dá-se a desidratação da argila e o início da decomposição dos carbonatos de cálcio e de magnésio com a formação dos óxidos de cálcio e de magnésio. Inicia-se a formação do aluminato monocálcico, do ferrato bicálcico iniciando-se o aparecimento do silicato bicálcico.  Acima dos 900ºC, ocorre a cristalização dos produtos amorfos da desidratação da argila e promovem-se as reações entre o óxido de cálcio e os componentes da argila, nomeadamente a sílica, alumina e o sesquióxido de ferro.  Entre os 900ºC e 1100ºC, forma-se e decompõe-se o sílico-aluminato bicálcico gerando-se o aluminato tricálcico e dá-se a formação do aluminoferrato tetracálcico. Atinge-se a concentração máxima em óxido de cálcio livre. 
 Entre os 1100ºC e os 1200ºC, todo o ALUMINATO TRICÁLCICO e todo o FERROALUMINATO TETRACALCICO estão completamente formados e o teor de SILICATO BICÁLCICO atinge o valor máximo.  A 1260ºC principia a formação da fase líquida, constituída pela combinação de parte de óxido de cálcio com os óxidos de alumínio e ferro e originando a formação do SILICATO TRICÁLCICO a partir do silicato bicálcico existente. 
 Figura 5 – Representação de uma seção de um grão de cimento. 6. Reação de hidratação do cimento Portland. 
  O cimento pertence à classe dos materiais classificados como aglomerantes hidráulicos.  Esse tipo de material em contato com a água entra em processo físico-químico, através de uma reação exotérmica de cristalização tornando-se um elemento sólido com grande resistência a compressão e resistente a água e a sulfatos.  Água e cimento reagem rapidamente e se forma solução supersaturada de aluminatos e silicatos hidratados, o qual o desencadeia a liberação de uma energia chamada calor de hidratação que influencia na velocidade de reação. Cimento + H2O ⇒ reação ⇒ fase líquida saturada em espécies iônicas nas seguintes porcentagens:  Silicato de Cálcio Hidratado (tobermorita - CSH-gel) => 50 a 60% do sólido;  Hidróxido de Cálcio (portlandita CaOH2) => 20 a 25% do sólido;  Sulfoaluminatos de Cálcio (etringita) => 15 a 20% do sólido; 
As propriedades do cimento são diretamente relacionadas com as proporções dos silicatos e aluminatos, causam: 
 O silicato tricálcico (C3S) é o maior responsável pela resistência em todas as idades, especialmente até o fim do primeiro mês de cura.  O silicato bicálcico (C2S) adquire maior importância no processo de endurecimento em idades mais avançadas, sendo largamente responsável pelo ganho de resistência a um ano ou mais.  O aluminato tricálcico (C3A) também contribui para a resistência, especialmente no primeiro dia.  O ferro aluminato de cálcio (C4AF) em nada contribui para a resistência.  O aluminato tricálcico (C3A) muito contribui para o calor de hidratação, especialmente no início do período de cura.  O silicato tricálcico (C3S) é o segundo componente em importância no processo de liberação de calor. Os dois outros componentes contribuem pouco para a liberação de calor.  O aluminato tricálcico (C3A), quando presente em forma cristalina, é o responsável pela rapidez de pega. Com a adição de proporção conveniente de gesso, o tempo de hidratação é controlado.  O silicato tricálcico (C3S) é o segundo componente com responsabilidade pelo tempo de pega do cimento. Os outros componentes se hidratam lentamente, não tendo efeito sobre o tempo de pega. 
A hidratação ocorre da superfície para a parte interna. 
 
Figura 6 – Reação de hidratação de um grão de cimento. 
Desenvolvimento microestrutura de um grão de cimento quando hidratado. 
 
 
 
Figura 7 – Desenvolvimento microestrutura de um grão de cimento quando hidratado. 
7. Controle do calor de hidratação: 
 Aumento de H: ↑ quantidade de C3S e C3A e cimento mais fino (quanto mais fino maior é a superfície específica e maior a reatividade).  Diminuição de H:  adição de escórias, pozolanas e cinzas, as quais aumentam o tempo de pega do cimento e fixam a cal livre (retardador de endurecimento). Tabela 1 – Resumo da reação de hidratação do cimento Portland. 
8. Processo de fabricação do cimento Portland. 
O processo de fabricação obtem as seguintes etapas: 
 Extração matéria-prima;  Britagem;  Pré-homogeneização;  Moagem do “cru”;  Homogeneização;  Pré-aquacimento;  Cozedura;  Resfriamento;  Moagem e adições;  Embalagem e expedição. 
Fluxograma simplificado do processo de produção do cimento. 
 Figura 8 – Fluxograma simplificado do processo de produção do cimento. 
9. Classificação do cimento Portland. 
 Figura 9 – Identificando as siglas do cimento Portland. 
Cimento Portland comum (CP-I), com adição (CP I-S) 
 O CP-I é o tipo mais básico de cimento Portland, indicado para o uso em construções que não requeiram condições, a única adição presente no CP-I é o gesso (cerca de 3%, e é utilizado para construção em geral, quando não são exigidas propriedades especiais.  O CP I-S, tem a mesma composição do CP I (clínquer + gesso), porém com adição reduzida de material pozolânicos (de 1 a 5% em massa) e este tipo decimento tem menor permeabilidade devido à adição de pozolana.  A norma brasileira que trata deste tipo de cimento é a NBR 5732 
Cimento Portland composto com escória (CP II-E), pozolana (CP II-Z), filler (CP II-F) 
 Utilizados em obras correntes de engenharia civil sob a forma de argamassa, concreto simples, armado e protendido, elementos pré-moldados e artefatos de cimento. 
 
 
 
 
 
 
 A norma brasileira que trata deste tipo de cimento é a NBR 11578. 
Cimento Portland de alto-forno (CP III) 
 O cimento Portland de alto-forno contém adição de escória no teor de 35% a 70% em massa, que lhe confere 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, tubos e canaletas para condução de líquidos agressivos, esgotos e efluentes industriais, concretos com agregados reativos, obras submersas, pavimentação de estradas, pistas de aeroportos, etc.) como também para aplicação geral em argamassas 
de assentamento e revestimento, estruturas de concreto simples, armado ou protendido, etc.  A norma brasileira que trata deste tipo de cimento é a NBR 5735. 
Cimento Portland Pozolânicos (CP IV) 
 O cimento Portland Pozolânicos contém adição de pozolana no teor que varia de 15% a 50% em massa.  Este alto teor de pozolana confere ao cimento uma alta impermeabilidade e consequentemente maior durabilidade.  O concreto confeccionado com o CP IV apresenta resistência mecânica à compressão superior ao concreto de cimento Portland comum à longo prazo. É especialmente indicado em obras expostas à ação de água corrente e ambientes agressivos.  A norma brasileira que trata deste tipo de cimento é a NBR 5736. 
Cimento Portland de alta resistência inicial (CP V-ARI), Resistente a Sulfatos (RS). 
 O CP V-ARI possui Alterações nas proporções das fases do Clínquer e são utilizados em blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes, meio-fio, mourões, postes, elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados.  O CP Resistente a Sulfatos (RS) possui alterações nas proporções das fases do Clínquer e pode ser utilizado em ambientes submetidos ao ataque de meios agressivos, como estações de tratamento de água e esgotos, obras em regiões litorâneas, subterrâneas e marítimas.  A norma brasileira que trata deste cimento é a NBR 5733. 
As siglas correspondem ao prefixo CP acrescido dos algarismos romanos de I a V, conforme o tipo do cimento, sendo as classes indicadas pelos números 25, 32 e 40. As classes de resistência apontam os valores mínimos de resistência à compressão garantidos pelo fabricante, após 28 dias de cura. 
 
10. Propriedades Físicas 
10.1 Finura: 
 A finura do cimento é relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão ou pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos grãos contidos em um grama de cimento).  A finura é o fator que governa a velocidade das reações de hidratação do cimento e tem também sua influência comprovada em muitas qualidades da pasta, das argamassas e dos concretos. 
Influência no comportamento do cimento: 
 Velocidade de endurecimento 
 Potencialidade - reatividade 
Determinação: 
 Finura: peneiramento (nº 200 e nº 325) 
 Área específica: Permeabilímetro de Blaine 
 
10.2 Exsudação: 
 
 Exsudação é o fenômeno que consiste na separação espontânea da água da mistura, que naturalmente aflora pelo efeito conjunto da diferença de densidades entre o cimento e a água e o grau de permeabilidade que prevalece na pasta. 
 A exsudação ocorre porque os grãos de cimento, sendo mais densos que a água que os envolve, são forçados, por gravidade, a uma sedimentação. Com a tendência de os grãos se movimentarem para baixo, ocorre um afloramento do excesso de água. O fenômeno ocorre antes do início da pega. A água que se acumula superficialmente é comumente chamada exsudação. 
10.3 Trabalhabilidade 
 Trabalhabilidade é uma noção subjetiva, aproximadamente definida como a propriedade de oferecer maior ou menor facilidade nas operações de manuseio com as argamassas e concretos frescos. 
10.4 Pega: 
 Termo usado para descrever a solidificação da pasta plástica de cimento 
 Início de pega: Marca o ponto no tempo em que a pasta torna-se não trabalhável 
 Fim de pega: Tempo necessário para a pasta se torne totalmente rígida. 
 Importância: Determina o período de tempo que o concreto pode ser trabalhado após o seu lançamento. 
 Determinação: Aparelho de Vicat 
 Início de pega: Agulha penetra 39 mm na pasta 
 Fim de pega: Agulha faz uma impressão na superfície da pasta, sem penetrar 
 Enrijecimento: 
 Perda de consistência da pasta plástica do cimento - está relacionada com a perda de abatimento do concreto. 
 
10.5 Expansibilidade - sanidade – estabilidade volumétrica: 
  Retrata a variação de volume do cimento após a pega, por conta de hidratação lenta ou reação expansiva com algum composto presente no cimento endurecido: CaO, MgO, gesso - sulfato de cálcio 
Determinação: 
 Agulha de Le Chatelier Ensaios em auto clave. 
10.6 Endurecimento - resistência mecânica: 
 Processo de preenchimento progressivo dos espaços vazios da pasta com os produtos, com redução na porosidade e permeabilidade. 
Importância: 
 Determina a capacidade resistente do material aos diversos tipos de esforços (compressão, tração, cisalhamento). 
Determinação: 
 Resistência à compressão e tração na compressão diametral - cp cilíndrico 
 Tração na flexão - cp prismático 
10.7 Calor de hidratação: 
 Representa o calor gerado pela reação exotérmica de hidratação do cimento. 
Importância: 
 Execução de peças com grande volume de concreto - barragens, blocos de fundação.  Regiões com baixa temperatura ambiente 
 Determinação: 
 Calorímetro (difícil avaliação precisa - encontrado apenas em grandes laboratórios). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BIBLIOGRAFIA. 
 
 BAUER, L. ª F. “ Materias de Construção” volumes 1 e 2 , 2000 Editora LivrosTécnicos e Ciêntíficos, São Paulo – SP.  PETRUCCI, E. G. R. “ Materiais de Construção”, 1998, Editora globo, Rio de Janeiro – RJ.PETRUCCI, E. G. R. “Concreto de Cimento Portland 1998, Editora Globo, Rio deJaneiro – RJ.  RIBEIRO, C.C ,PINTO , J.D, “MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO” , ED CENGAGE LEARNING, SÃO PAULO , 2009. 
EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 
1. Na presença de água, os silicatos e os aluminatos formam produtos de hidratação que, com o transcorrer do tempo, dão origem a uma massa firme e resistente. A hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) na presença do gesso – adicionado na fabricação do cimento – resulta na formação de etringitas que assumem formas de agulhas e começam minutos após o início da hidratação, sendo estas responsáveis pelo fenômeno da pega. A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o início da hidratação do cimento. Explique a evolução microestrutural de 1 grão e cimento durante a hidratação desde do 0 min até anos de endurecimento. 
Resolução: 
 
 
 
 
 
 2. A gipsita é basicamente composta por sulfato hidratado de cálcio. Apresenta geralmente coloração branca a incolor. É o sulfato mais comum na crosta terrestre, ocorrendo em evaporitos ou na forma de camadas interestratificada de folhelhos, calcário e argila, podendo também ser encontrado em meteoritos. A gipsita, também designada por pedra de gesso, ou sulfato de cálcio (de maneira resumida), é um minério de cálcio, cuja composição química corresponde a fórmula Ca(SO4) • 2H2O. Em que fase da fabricação do cimento Portland é adicionado gipsita e com qual finalidade? Qual a quantidade típica da adição de gipsita? 
Resposta: 
No momento da moagem, tem função de aumentar o tempo de pega. Máximo 4%. 
3. Você deverá concretar uma viga de grande volume de concretoe que deverá ser descimbrada o mais breve possível. Por outro lado, devido ao seu volume e às condições ambientais da região da Obra, existe o risco de fissuras de origem térmica que devem ser evitadas. Você como Engenheiro Civil recém-formado pela UNIP-Universidade Paulista e responsável pela Obra, recomendaria que tipo de cimento para este concreto? Justifique sua resposta! 
a) CP-II, com alto calor de hidratação 
b) CP-III, com alto calor de hidratação 
c) CP-V, com baixo calor de hidratação. 
d) CP-I, com baixo calor de hidratação 
e) CP-I-S, com alto calor de hidratação. 
Resposta c 
Justificativa: A adição de escória neste cimento faz com que ele se torne mais impermeável e com isso seja mais resistente a sulfatos, proporcionando uma melhor proteção das ferragens no concreto armado. O baixo calor de hidratação do Cimento Maxx Concreto CP V-ARI RS evita a perda prematura de água no concreto e reduz o efeito de expansibilidade, minimizando o risco de fissuras.