Aula 4 Cimento Portland

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O cimento Portland 
 http://www.abcp.org.br 
 http:www.snic.org.br 
 MEHTA, P.K & MONTEIRO, P.J.M. Concreto: 
Estrutura, propriedades e materiais.São Paulo: 
PINI, 1994. 
 ISAIA, G. C. Materiais de Construção Civil. 
IBRACON, São Paulo, 2007. v.1 
 Em 1824, o construtor inglês Joseph Aspdin queimou 
conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-as num 
pó fino. 
 
◦ A mistura após secar, tornava-se tão dura quanto as pedras 
empregadas nas construções utilizadas na ilha de Portland; 
 
 O cimento pode ser definido como um pó fino, com propriedades 
aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob a ação 
de água. 
 
 Produção: moagem do clínquer (nódulos de  5 a 25 mm) e com 
uma ou mais formas de sulfato de cálcio; 
 
 Na forma de concreto, torna-se uma pedra artificial, que pode 
ganhar formas e volumes, de acordo com as necessidades de cada 
obra. 
 Segundo a SNIC existem hoje no Brasil cerca de 80 fábricas 
de cimento Portland 
 Fonte:SNIC – Sindicato Nacional da Indústria do Cimento -2013 
Fabricação 
Calcário (80%) Argila (20%) 
SiO2, Al2O3, 
 Fe2O3, álcalis (K2O, Na2O) 
CaCO3, CaO, 
MgO 
Farinha Crua 
Clínquer 
Cimento Portland 
Gipsita 
CaSO4. 2H2O 
(5 a 6%) 
Adições 
Moagem < 45 
mm 
7 
Moagem 
< 75 mm 
1450°C 
CP II-Z ou CPIV 
Clínquer 
Gesso 
+ CP II-E ou CP III + 
 CP II-F 
CP I 
Filer 
Escória 
Pozolana 
 Calcinação (clínquer) 
 
 Após calcinação 
Argila (~20%) 
 SiO2 - S 
Al2O3-A 
Fe2O3- F 
Calcário (~80%) 
CaO - C 
 
Gipsita 
CaO - C 
SO4 - Š 
 Adições  pozolanas 
 cinzas volantes 
 argila calcinada 
 escória granulada de alto-
forno 
 pó calcário 
 MgO 
◦ cristalino (periclásio) 
◦ expansão lenta 
 
 CaO 
◦ falha na formulação 
◦ expansivo 
 
• Na2O e K2O 
– álcalis 
– 0,3 a 1,5% 
– reação álcali agregado 
– eflorescências 
 
• Sulfatos (SO3) 
– combustível 
Calcário 
Argila 
Clínquer 
CaCO3 CO2 
900ºC 
+ CaO 
Al2O3 
Fe2O3 
SiO2 
4CaO.Al2O3
.Fe2O3 
3CaO . Al2O3 
2CaO . SiO2 
3CaO . SiO2 
S
Nomenclatura 
química do cimento 
CaO C 
SiO2 S 
Al2O3 A 
Fe2O3 F 
MgO M 
SO3 ¯S 
H2O H 
 C3S - 3CaO.SiO2 Silicato tricálcico 
 C2S - 2CaO.SiO2 Silicato dicálcico 
 C3A - 3CaO.Al2O3 Aluminato tricálcico 
 C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3Ferro aluminato tetra-cálcico 
 
A fase intersticial é originada a partir da 
cristalização da fase líquida durante o 
resfriamento do clínquer, sendo formada 
basicamente por aluminato tricálcico (C3A) 
e ferro-aluminato tetracálcico (C4AF) 
 Típico do Brasil 
 
◦ C3S - 40 a 70 % 
◦ C2S - 10 a 40% 
◦ C3A - 2 a 15% 
◦ C4AF - 3
* a 15 % - *0% para o cimento branco. 
 
(Fonte: A. Battagin, ABCP) 
 
 Ganho de resistência 
 
 Calor de hidratação 
 tensões internas 
 Fissuras 
 
 Durabilidade 
 reações com agentes agressivos 
 
 
 C3S - 3 CaO.SiO2 (silicato tricálcico) 
 
◦ Principal responsável pelas propriedades 
hidráulicas, tendo reação rápida com a água – 
resistência no primeiro mês. 
 
 C2S - 2 CaO.SiO2 (silicato dicálcico) 
 
◦ Reage lentamente com a água, apresentando pouca 
resistência mecânica inicial que tende a aumentar 
significativamente com o decorrer da hidratação – 
resistência no primeiro ano. 
 C3A - 3CaO.Al2O3 (aluminato tricálcico) 
 
◦ Reage instantaneamente com a água (elevada 
liberação de calor de hidratação) 
◦ Necessária adição de sulfato (gesso) pega rápida 
 
 C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ferro aluminato 
tetracálcico) 
 
◦ Reatividade similar ao C3A 
Propriedade C3S C2S C3A C4AF
Resistência Mecânica Boa Boa Fraca Fraca
Intensidade de reação Média Lenta Rápida Rápida
Calor desenvolvido Médio Pequeno Grande Pequeno
CaO 61 a 67%
SiO2 20 a 23%
Fe2O3 2 a 3,5%
Al2O3 4,5 a 7%
MgO 0,8 a 6%
SO3 1 a 2,3%
Álcalis 0,3 a 1,5%
C3S 42 a 60%
C2S 14 a 35%
C3A 6 a 13%
C4AF 5 a 10%
Temperatura 
e finura 
constantes 
Temperatura 
e finura 
constantes 
 Resumo:Compreendendo as propriedades 
desenvolvidas pelos silicatos 
 é o principal e mais importante constituinte do cimento 
Portland (40% a 70%) 
 É importante no controle da pega e do endurecimento. 
 Esta fase contribui para o desenvolvimento da 
resistência até os 28 dias 
 Calor de hidratação é mediano. 
As formas cristalinas apresentadas pelo C3S são uma leve distorção da 
pseudo-estrutura ideal constituída por tetraedros de SiO4, íons de 
cálcio e íons de oxigênio. 
 
Na estrutura do C3S, existe um empacotamento iônico irregular, de forma 
que os íons de oxigênio são concentrados ao lado de cada íon de cálcio, 
promovendo grandes vazios estruturais, responsáveis pela alta energia e 
reatividade da estrutura (MEHTA & MONTEIRO, 1994). 
 Nos cimentos comerciais, o polimorfo β 2CaO. SiO2 (Belita), com sistema 
cristalino monoclínico, é o que se encontra no clínquer (10% a 40%) 
 
 A estrutura da belita nos cimentos também é irregular, porém os vazios 
intersticiais formados são muito menores que no C3S, por isso são menos 
reativos e respondem pelas características de resistência em idades mais 
avançadas. (MEHTA & MONTEIRO, 1994). 
 
 Os cristais de belita têm como estrutura cristalina básica tetraedros 
independentes de SiO4, ligados entre si através dos íons de cálcio. 
Podem apresentar de 4 a 6% de óxidos substituintes ou impurezas, sendo 
Al2O3 e Fe2O3 os principais. 
 
 As estruturas cristalinas cúbicas e/ou ortorrômbica são 
encontradas nos clinqueres do cimento Portland 
(TAYLOR, 1990). 
 
 A fase ortorrômbica se diferencia da cúbica, pela 
capacidade de incorporar íons alcalinos (Na+, K
+
 e Fe
3+), 
em substituição ao Ca2+, em sua estrutura. 
 
• Estes sólidos possuem ordem de longo alcance, pois conservam a 
regularidade da estrutura que se repete indefinidamente em todas 
as direções. 
• A menor unidade de um cristal é a célula unitária que, ao ser 
colocadas uma ao lado da outra num arranjo periódico, reproduzem 
todo o cristal. 
• Os arranjos que os átomos formam no cristal são chamados de rede 
cristalina. 
 
 
 Difração de Raios –X 
 
◦ A técnica de difração de raios-X é utilizada para a identificação das 
fases constituintes do clínquer. 
 
 
 
 
 Microscopia Ótica e Eletrônica de Varredura 
◦ Observação morfológica das amostras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
◦ http://www.tricalciumsilicate.com/en/offer-technical-sheet-c3s-3 
 
 
 
 Ensaio de Resistência Mecânica à Compressão 
 
◦ A resistência à compressão é o controle de qualidade 
fundamental do produto. Limites mínimos de 
resistência à compressão exigidos para 3, 7 e 28 dias 
 
 
 Determinada a partir da ruptura de corpos-de-prova de 
argamassa, cuja consistência é padronizada pela NBR 
7215 (MB1). 
 
 É o índice mais importante do cimento, que vai definir 
sua qualidade para aplicação como material de 
construção 
 
 Cilíndrico 50 x 100mm 
 Traço-1 : 3 : a/c =0,48 
(Areia Normal) 
 Enchimento dos moldes –4 
camadas com 30 golpes 
 Rompimento –1 / 3 / 7 / 
28 dias (NBR 7215 –
Determinação da Classe do 
Cimento Portland) 
 
 Para uma dada composição, a taxa de reatividade e, 
portanto, de desenvolvimento da resistência, pode ser 
aumentada através de uma moagem mais fina do 
cimento. O valor da finura pode ser determinado: 
 
◦ resíduo em peneira padrão com malha 200 (75 μm → 
0.075 mm) e a malha 375 (45 μm → 0,045mm). 
 
◦ Área específica: Blaine (método de permeabilidade ao 
ar) 
 
 Tempo após a adição de água no qual 
a mistura de cimento pode ser 
trabalhada 
 
◦ Início de pega: ponto em que a 
pasta torna-se não trabalhável. 
◦ Fim de pega: ponto em que a pasta 
se torne totalmente rígida. 
 
 Importância  Período de tempo que 
o concreto pode ser trabalhado após 
o seu lançamento. 
 
◦ Pela norma: 1h < Pega < 10h 
(facultativo). 
 
 
início (4+1)mm da base 
Fim – não há penetração 
 Ocorrência de expansões volumétricas indesejáveis 
após o endurecimento provenientes da hidratação 
lenta da cal e magnésio livres (periclásio <MgO 6,5%), 
presentes em grandes quantidades. 
 
 Ocorrência de miscrofissuração, que pode causar 
desagregação do material 
 
 
 
Agulha de Le Châtelier, usada para avaliar 
a expansibilidade. e ≤0,5 cm 
Cura inicial - Logo após a moldagem, 
imergir todo o conjunto em água a (23 
±2)°C por (20 ±4)h. Aplica-se aos seis 
corpos-de-prova; 
 Expansabilidade a frio 
◦ Retirar as placas de vidro de três corpos-de-prova e colocar as agulhas 
preenchidas num tanque com as mesmas condições da cura inicial durante seis 
dias; 
◦ Deixar as extremidades das hastes fora da água. Medir o afastamento (f1) 
entre as hastes, em mm; 
◦ Após sete dias imersos, medir novamente o afastamento (f2) das hastes; 
 
 Expansabilidade a quente 
◦ Posicionar as outras 3 agulhas no banho termorregulador 
◦ Medir o afastamento entre as hastes (q1) em mm; 
◦ Promove-se um aquecimento progressivo da água de forma que a ebulição 
inicie entre 15 min e 30 min; 
◦ A ação da água quente deve durar até que não se verifique diferença entre 
duas medidas consecutivas do afastamento, realizadas de duas em duas horas. 
◦ A primeira medida é tomada apenas após 3 horas de ebulição; 
 
 EF = F2 – F1 
 EQ = Q2-Q1 
PRINCIPAIS TIPOS DE CIMENTO 
 
 Cimento Portland Comum (CP I) 
 
◦ Um tipo de cimento portland sem quaisquer adições 
além do gesso (utilizado como retardador da pega). 
 
◦ CPI S - Pode ter de 1 a 5% de escória 
 
◦ Aplicações: É usado em serviços de construção em 
geral, quando não são exigidas propriedades 
especiais do cimento. 
 
 Cimento Portland Composto (CP II) - é modificado 
com adições (CP II-Z, CP II-E e CP II-F ). 
 
◦ Aplicações: Recomendado para obras correntes de 
engenharia civil : argamassa, concretos (simples, 
armado e protendido), elementos prémoldados e 
artefatos de cimento. 
 
 
 
 Cimento Portland de Alto Forno – CP III: - Obtido a partir 
da moagem do clínquer e escória granulada de alto 
forno. 
 
◦ Em obras de concreto-massa: como barragens, peças 
de grandes dimensões, fundações de máquinas, 
pilares. 
◦ Em obras em ambientes agressivos, tubos e canaletas 
para condução de líquidos agressivos, esgotos e 
efluentes industriais. 
◦ Concretos com agregados reativos, pilares de pontes 
ou obras submersas, pavimentação de estradas e 
pistas de aeroportos. 
 
 
 
 
 Cimento Portland Pozolânico – CP IV: 
 
◦ Emprega de 15% a 50% de material pozolânico 
◦ Desenvolvimento da resistência com a idade. 
◦ Aplicações: É especialmente indicado em obras 
expostas à ação de água corrente e ambientes 
agressivos menor permeabilidade 
◦ Apresenta características particulares que 
favorecem sua aplicação em casos de grande 
volume de concreto devido ao baixo calor de 
hidratação 
 Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V-ARI) 
 
◦ Elevada finura 
◦ Elevado calor de hidratação 
◦ Aplicações: Em blocos para alvenaria, blocos para 
pavimentação, tubos, lajes, meio-fio, pré-fabricados... 
Casos que necessitem de resistência inicial elevada e 
desforma rápida 
◦ Valores aproximados de resistência à compressão de 26 
Mpa (1 dia) e de 53 MPa (28 dias), que superam os valores 
normativos. 
◦ . 
 
 
 
 
 Cimento Portland Branco: 
 
◦ Coloração obtida com a diminuição dos compostos 
do ferro. (C4AF ≈ 1%) 
 
◦ Aplicações: 
 Fins estrutural: Em concretos brancos para fins 
arquitetônicos. 
 Não estrutural: Em rejuntamento de azulejos e em 
aplicações não estruturais. 
 
 Cimento Resistente a Sulfatos – RS: 
 
◦ Cimento com baixo teor de C3A (< 8%), 
◦ Aplicações: Em ambientes submetidos ao ataque de 
meios agressivos sulfatados, como estações de 
tratamento de água e esgotos, obras em regiões 
litorâneas, subterrâneas e marítimas. 
 
 
DENOMINAÇÃO SIGLA NORMA
Portland comum CPI/CPI-S NBR5732
Portland composto
CPII-Z
CPII-E
CPII-F
NBR1157
Portland de alto forno CPIII NBR5735
Portland Pozolânico CPIV NBR5736
Portland de alta
Resistência Inicial
CPV-ARI NBR5733
Portland Resistente a
Sulfato
CP – RS NBR5737
Limites 
Ensaios und 
CP V RS CP II F 32 CP II Z 32 RS CP III 32 CP IV 32 RS 
Adição de material carbonático % 0 - 5 6 -10 0- 10 0-5 0- 5 
Adição de escória % 35-70 
Adição de pozolana % 6 -14 15-50 
Res. na peneira Nº 200 %  6  12  8  8  8 
Finura 
Área especifica m2/kg 300 260 260 260 
Tempo de início de pega h 1 >1 >1 >1 >1 
Tempo de fim de pega h <10 <10 <10 <10 <10 
Resíduo insolúvel % <1 <2,5 <16 <1,5 
1 dia MPa 14 
3 dias MPa 24 10 10 10 10 
7 dias MPa 34 20 20 20 20 
Resistência à 
compressão 
28 dias MPa 32 32 32 32 
 
Cimentos comercializados na RMR 
 HIDRATAÇÃO 
 O termo hidratação (química do cimento) refere-
se à totalidade de mudanças que ocorrem 
quando o cimento anidro, ou uma de suas fases 
constituintes, entram em contato com a água. 
 
 Nesta mistura, denominada pasta, ocorrem mudanças 
químicas e físico-mecânicas no sistema, em particular 
nos fenômenos de pega e endurecimento 
 
 (TAYLOR, 1990.; ODLER, 1998). 
 
 
 
 
Reação química com a água 
Reação exotérmica 
Ocorre da superfície externa para a parte interna 
aluminatos 
enrijecimento (perda de consistência) 
pega (solidificação) 
 
silicatos 
endurecimento (taxa de 
desenvolvimento da resistência). 
Retração química 
Hidratação do cimento 
 
Dissolução 
 Precipitação 
 
 Topoquímico (ou 
hidratação no estado 
sólido) 
 
 
 
Estágios iniciais da hidratação 
Estágios finais – mobilidade 
iônica restrita. 
Estágios iniciais da hidratação 
 Cimento + água 
 
- Saturação rápida da fase líquida Ca2+ SO4
2- OH- AlO4
- 
 
 
minutos→ Etringita 
horas → dissociação dos silicatos → Hidróxido de cálcio (CH) e 
C-S-H 
dias → SO4
2- /AlO4-→ monossulfato 
 
 
 Sólidos na pasta do cimento hidratada 
 
- C-S-H (silicato de cálcio hidratado) – 50 a 60% 
- CH (hidróxido de cálcio) – 20 a 25% 
- Aft, Afm – (Etringita) e (monossufato), respectivamente, 15 
a 20%. 
56 
 C3S (alita)  
 
2(3CaO. SiO2) (alita) + 6H2O  3CaO. 2SiO2. 3H2O + 3Ca(OH)2 
 
 
 C2S (belita)  
 
2 (2CaO.SiO2) (belita) + 4H2O  3CaO. 2SiO2. 3H2O + Ca(OH)2 
C3S (alita) Cerca de 70% reage até os 28 dias e o restante é consumido em 
1 ano. 
 
 βC2S (belita)  cerca de 30% reage aos 28 dias e 90% em 1 ano, porém 
menos CH é formado e a reação de hidratação ocorre de maneira mais lenta. 
 (TAYLOR, 1990). 
C-S-H CH 
 CSH 
 
◦ Responsável pela resistência mecânica 
da mistura 
◦ Proveniente da reação do C3S e C2S 
(silicatos) com a água 
 
 CH – Ca(OH)2 
◦ Proveniente da cal livre (CaO) 
◦ Responsável pelo aumento do pH do 
concreto e formação de camada 
passivadora da armadura (aumentaa 
durabilidade) 
 
CP III, 
a/c=0,70 
[AlO4]
- + 3[SO4] 
-2 + 6[Ca]+2 + aq  C6AS3H32 
Aft (etringita) 
 
[AlO4]
- + [SO4] 
-2 + 4[Ca]+2 + aq  C3A(CS)H18 
Afm (monossulfato) 
Devido à adição do sulfato para regulação da pega, os 
aluminatos são analisados já combinados com este 
componente. 
 C3A(CS)3H32 Etringita (Aft) 
 
 C3A(CS)H12 Monossulfolaluminato (Afm) 
 
 Etringita 
◦ Material expansivo sob a forma de cristais 
◦ Cristais aciculares 
◦ Cristais muito porosos com baixa resistência 
mecânica 
◦ Provém dos aluminatos – C3A e C4AF 
◦ Instável quimicamente – ocorre no início da 
hidratação 
 
Monossulfato 
 
Produto resultante da hidratação 
dos aluminatos e do gesso; 
•Cristais porosos em forma de 
“pétalas de rosa”;• 
Quimicamente instáveis; 
•Forma-se sob concentração 
baixa de sulfatos (SO3do gesso); 
 •Baixíssima resistência 
mecânica; 
•Solúveis em água; 
 
 
 Água capilar - água presente nos poros de grande 
dimensão (> 50Å), livre das forças de atração 
exercidas pela superfície sólida (água livre ou retida 
por tensão capilar) 
 
 Água adsorvida - refere-se àquela água próxima 
da superfície do sólido, sob influência das suas 
forças de atração 
 
 
 Água intramolecular (água de gel) - camada 
molecular de água presente entre as camadas de C-S-
H, sendo perdida somente por secagem com umidade 
inferior a 11% (retração autógena) 
 
 Água quimicamente combinada - é a água 
integrante da estrutura dos produtos hidratados do 
cimento (C-S-H, Ca(OH)2, sulfoaluminatos de cálcio 
hidratados) 
 Espaço intramolecular do C-S-H (poro de gel): 
◦ Vazio existente entre as camadas de C-S-H, não tendo 
influência quanto à resistência e permeablidade 
 
 Vazios capilares: espaço não preenchido pelos 
componentes sólidos da pasta (cimento anidro + água = 
produtos de hidratação + vazios) - porosidade 
◦ macroporos (>50nm):  resistência e permeabilidade 
◦ microporos ou poros capilares(<50nm): retração por 
secagem e fluência 
 Ar incorporado: vazios obtidos por meio de aditivos (50 a 
200mm), a fim de incrementar a trabalhabilidade, ou 
durante a operação de mistura (até 3mm) 
 Citar quais os compostos provenientes da fusão das 
matérias-primas para a fabricação do cimento Portland 
(clinquer) e quais as suas principais propriedades. 
 
 Quais as categorias e tipos de cimentos existentes no Brasil, 
quais as suas principais diferenças? 
 
 Em que fase da fabricação do cimento Portland é 
adicionado gipsita, qual a finalidade? 
 
 Quais os principais cuidados que se devem ter na 
armazenagem, em obra, de cimento em saco? 
 Quais as principais propriedades da pozolana utilizada como 
adição, em cimento Portland? 
 Quais os produtos de hidratação do cimento, como são 
formados e como interferem nas propriedades das pastas? 
 Quais as principais formas que a água pode estar na pasta de 
cimento? E comente as principais diferenças entre estas. 
 
 
 O transporte: 
◦ pode ser ensacada (sacos de papel) ou a granel em reservatórios 
metálicos. 
 
 Armazenamento: local seco para evitar a hidratação. 
 
 Ideal: 1 mês