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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 m 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) – Hidratação do periclásio→ Mg(OH)2→ lenta→ fissuras e expansão no concreto endurecido CaO cristalino - livre ou não combinado – falha na formulação (mau proporcionamento, moagem e homogeneização, temperatura e tempo insuficientes na zona de calcinação – 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. C3S - 3 CaO.SiO2 (silicato tricálcico) C2S - 2 CaO.SiO2 (silicato dicálcico) 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 http://academico.riogrande.ifrs.edu.br/~fabio.magalhaes/mat_construc ao_arquivos/Apostilas/mcc.pdf 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: ◦ Área específica: Blaine (método de permeabilidade ao ar) Resíduo em peneira padrão com malha 200 (75 μm → 0.075 mm) e a malha 375 (45 μm → 0,045mm). • Amostra 20 gramas • Coloca-se esta sobre a peneira n° 200 (peneiramento mecanizado por 3 minutos). 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 pré-moldados 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. 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%. 58 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 (aumenta a durabilidade) CP III, a/c=0,70 [AlO4] - + 3[SO4] -2 + 6[Ca]+2 + aq C6AS3H32Aft (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 permeabilidade 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 200m), a fim de incrementar a trabalhabilidade, ou durante a operação de mistura (até 3mm) O transporte: ◦ pode ser ensacada (sacos de papel) ou a granel em reservatórios metálicos. Armazenamento: local seco para evitar a hidratação. Ideal: 1 mês 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.
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