AULA 2 - Materiais de Construção ENG1213

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AULA 2 - CIMENTO PORTLAND (Fabricação, propriedades, caracterização e conceitos fundamentais) 
 
TIPOS DE CIMENTO: 
 Cimento Hidráulico: endurecem quando reagem com a água e formam produtos que são resistentes a ela. 
 Cimento não-hidráulico: derivados da calcinação do gesso e carbonatos de cálcio. Não resistentes à água. 
 Cimento Portland: aglomerante hidráulico produzido pela pulverização de clinquers. 
 
DEFINIÇÕES: 
 Cimento: um pó composto principalmente de clinquer + alguns materiais diferenciais (gesso, escória, argila 
polozolânica e calcário) que endurece quando reage com a água. Em geral, são resistentes. Ainda não reagiu com a 
água. Só o material. 
 Clinquers: uma mistura de calcário, argila e componentes químicos (consistem essencialmente em silicatos, 
aluminatos, sulfatos/oxidos de cálcio – são formados pela queima desses materiais). Sua produção depende de 
processos de queima (nos fornos rotativos) e moagem sucessivos. 
 Pasta de cimento: produto de hidratação da água com os grãos de cimento. 
 Argamassa: cimento + areia 
 Concreto: cimento + areia + brita 
 
Cimento é um clinquer: um material aglomerante que provém da queima de aluminatos, sulfatos, óxidos de ferro, etc. É 
qualquer material que aglomera materiais e solififica. 
 
CIMENTO PORTLAND 
 
Matéria prima: calcário (CaCO3), materiais argilosos (SiO2): alumina (Al2O3), oxido de ferro (FE2O3) e alguns álcalis – 
facilitando a formação de silicatos em baixa temperatura. 
 
ETAPAS DE FABRICAÇÃO: 
 Extração da matéria prima; 
 Britagem; (o calcário, por exemplo, vem em pedras muito grandes - deixar o material mais fino) 
 Moagem e mistura; (homogeneizar o material) 
 Queima em forno rotativo; 
 Britagem e moagem do clínquer; 
 Expedição. 
 
A resistência do cimento vai depender da matéria-prima e das quantidades das mesmas (quanto mais C3S, melhor o 
cimento). Quanto mais fino o cimento, maior sua resistencia (microcimento). De qualquer forma, os grãos de qualquer 
cimento tem que ter um tamanho específico porque se os grãos forem muito pequenos, mais rápido eles irão hidratar. É 
necessário tempo pra transportá-los de um lugar a outro pra que cheguem em seus destinos não sólidos. 
 
Adição de gesso ao cimento: quando o cimento é formado por uma grande quantidade de aluminato ele hidrata/vira 
um sólido muito rápido. Os aluminatos são responsáveis por essa hidratação, então, ao se adicionar o gesso 
(CaSO4.2H2O), ele vai reagir com o C3A do cimento retardando essa hidratação. 
 
MATERIAIS FORMADOS NO FORNO ROTATÓRIO: (materiais que compõem o clínquer): 
São compostos do cimento formados no forno. Cada um deles reage com a água de forma diferente formando um 
sólido. São responsáveis por todas as propriedades mecânicas e físicas do concreto. Esses elementos que você tem que 
mudar pra conseguir tal característica. Cada um se forma numa temperatura diferente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMPOSIÇÃO DO CIMENTO PORTLAND: (clínquer) 
 
 
ANÁLISE QUANTITATIVA DO CLÍNQUER: 
Ambas as técnicas determinam a qualidade do cimento. Quantificam a quantidade de cada composto do cimento. 
 Difração de raio-x: análise feita pela composição do material; 
 ótica por luz refletida: análise feita pela geometria do material pois cada composto tem uma geometria diferente. 
 Ou então pela equação de Bogue: que quantifica os percentuais dos compostos a partir dos óxidos. Bom para 
fazer um controle de qualidade do cimento. 
 
FASES DO CIMENTO: 
São 4 Fases: Alita, Belita, Aluminato e Ferrita. 
 
Alita: 50 a 70% do clinquer. 
• Silicato tricalcico modificado na sua composição e estrutura cristalina pela incorporação de ions (C3S impuro). 
• Reage rapidamente com a água e por isso é a fase mais importante para o desenvolvimento da resistência até os 28 
dias. Quanto mais alita, melhor o cimento. 
 
Belita: 15 a 30% do clinquer. Fase do C2S impuro (com íons). 
• Constituido por silicato dicalcico modificado pela incorporação de ions (C2S impuro). 
• Reage com a água de forma lenta contribuindo pouco para resistencia durante os primeiros 28 dias, mas contribui 
para a resistencia em idades mais avançadas. Depois de 1 ano a resistência obtida pela alita e belita são 
aproximadamente as mesmas. 
 
Ferrita: 5 a 15% do clínquer. 
• Formada por ferro-aluminato tetracalcico modificado na composição pela razão Al/Fe e pela incorporação de íons. 
• A taxa em que a fase ferrita reage com água é variavel, talvez, em razão das diferenças em composição ou outras 
características. Em geral a taxa de hidratação está, para idades mais avançadas, entre as da alita e belita. 
 
Aluminato: 5 a 10% do clinquer. 
• Formado por Aluminato Tricalcico modificado pela incorporação de ions. Reage rapidamente com a água (mais do que 
o C3S mas não provoca uma resistencia tão alta quanto a dele). Por isso é colocado gesso. 
 
CIMENTOS ESPECIAIS: 
 
Cimentos para cimentação de poços de petróleo: Identificado no Brasil como cimento classe G.Composto apenas por 
clinquer e gesso. Pequena quantidade de C3A. 
 
Cimento aluminoso: Normalmente produzido a partir do calcário e da bauxita. Possui maior teor de alumina (Al2O3) em 
relação ao cimento Portland (ambos tem processos de fabricação semelhante mas os insumos do aluminoso (calcário e 
bauxita) são feitos de forma que o teor de alumina seja muito alto). É um cimento muito mais fraco que o Portland, 
usado apenas pra funções específicas. É mais caro fazer um cimento com alumina do que com argila (quanto mais 
alumina, mais caro o cimento). Importante pra prova: existe um outro cimento além do Portland. 
 
 
 
 
PROPRIEDADES DO CIMENTO: 
 
FINURA: ligada ao tamanho do diâmetro dos grãos do cimento (em torno de 10 a 15 microns). Pode ser definido pelo 
tamanho máximo dos grãos e pelo valor da superfície específica. 
 
Como o tamanho dos grãos do cimento inteferem no processo de hidratação? 
Quanto menor o diâmetro do grão do cimento, mais água esse material absorve porque quanto mais fino, maior vai 
ser quantidade de grãos e maior também a superficie específica pra absorver a água. Quanto maior o diametro do 
cimento, menor a superfície específica = menos água ele vai absorver. 
Um grão muito grande pode não ser hidratado por completo. Já um pequeno, consegue se hidratar mais 
rapidamente e de maneira mais eficiente. Mas nem sempre o pequeno é bom, porque como a hidratação é mais rápida, 
há menos tempo para concretar/trabalhar com esse material antes que ele solidifique. 
O concreto ou a pasta de cimento de grãos maiores vai ser menos resistente que a de grãos menores. Em 20 dias, os 
com graos menores vai atingir uma resistencia maior porque a velocidade de hidratação é maior. 
Aplicações em reparo: é bom que o cimento seja fino porque é necessário que ele atinja uma resistência muito 
rápida. 
 
Como determinar o tamanho dos grãos? Através da superfície específica ou pela quantidade retida (pegar a peneira e 
pesar quanto sobra). Existe um indice de finura que relaciona massa/qtd retida. Norma brasileira: o limite de retenção 
na peneira no 200 (75 microns) não deve exceder 15% em peso. 
 
Quanto à liberação de calor: quando a água entra em contato com o cimento há liberação de calor: quanto mais 
raídamente a água penetra nos grãos, maior a liberação de calor e consequentemente mais rápida a reação. 
 
Em resumo: mede-se a finura pra ver se o cimento está dentro do padrão ou não. A finura afeta na reatividade com a 
água: uma particula mais fina tem uma hidratação mais rápida, enquanto uma mais grossa, mais lenta. 
 
Técnicas para determinar a finura: 
 Turbidimetro de wagner: medida do tempo de precipitação dos grãos de diferentes diâmetros em suspensão de 
querosene. 
 Permeametro de Blaine: tempo de percolação de determinado volume de ar através dos vazios intergranulares de 
uma amostra decimento de características definidas. 
 BET: Brunauer, Emmett and Theller Theory: A área superficial de um pó pode ser determinada através da adsorção de 
um gás na superficie do sólido, calculando a quntidade total de gás correspondende a uma camada monomolecular da 
superficie. 
 
O aumento da finura aumenta a resistência nas primeiras idades, diminui a exsudação, aumenta a impermeabilidade, 
trabalhabilidade e a coesão dos concretos. 
 
MASSA ESPECÍFICA: relação massa/volume. 
 Massa específica real: leva em consideração ao volume real do cimento – sem determinar os vazios. Na dosagem do 
concreto (3.15g/cm3). 
 Massa específica aparente: leva em consideração o volume total: o volume dos grãos + o volume dos vazios. Na 
dosagem do concreto (1.15g/cm3). 
 
Como medir o tamanho dos vazios? Através do Picnometro, que é um equipamento que utiliza o gas hélio. O gás 
penetra nos poros do material permitindo determinar a massa especifica REAL do cimento já que ele permite calcular os 
vazios. 
 
TEMPO DE PEGA DO CIMENTO: 
 O tempo de pega é o tempo de enrijecimento da pasta de cimento, já que, quando misturado com água, o cimento 
solidifica. “o tempo que o material leva pra se solidificar”. 
 
Como medir o tempo de pega? A maneira mais comum de se medir o tempo de pega é através da resistência que a 
pasta de cimento “faz” quando tenta-se penetrar uma agulha nela. A pasta de cimento deve ter consistência normal. É 
inserida uma agulha na massa desse cimento e determina-se a distancia dessa agulha ao fundo. 
 
Tempo de início de pega: momento em que a pasta de cimento estiver suficientemente enrijecida para que uma agulha 
(1,13 mm de diâmetro sob a ação de um peso de 300g) não penetre mais do que uma distância de 4 ± 1mm do fundo do 
molde. Quando começa a enrijecer. 
Tempo de fim de pega: quando uma agulha (montada com um acessório metálico oco de forma a deixar um corte 
circular com 5mm de diâmetro) baixada suavemente sobre a superfície da pasta, penetre até uma profundidade de 
0,5mm. Quando termina de enrijecer. 
 
Outras formas de determinação da pega: 
 Resistência elétrica; 
 Ultra som (ultra-sonic pulse velocity): velocidade de propagação do som. Quanto mais sólido (mais denso), maior a 
velocidade. E, a partir de uma certa idade, essa velocidade propagação não aumenta mais, o que significa o fim da 
pega. Não quer dizer que as reações pararam, mas sim que o material já se tornou um sólido. 
 
Fatores que influenciam a pega: 
 Composição química: cimentos ricos em C3S e C3A dão pega mais rapidamente. 
 Finura: finura elevada acelera a pega. 
 Temperatura: temperatura elevada acelera a pega. Maior temperatura, mais rapidas as reações. 
 
A pega nos permite saber por quanto tempo o concreto poderá ser “manuseado” (trabalhado/operado) antes de virar 
sólido. 
 
Falsa pega: enrijecimento prematuro anormal do cimento: há uma resistência na penetração da agulha. Ele enrijece não 
porque os compostos estão reagindo, mas porque pode haver: 
 Desidratação do gesso quando moído conjuntamente com um clinquer muito quente; 
 Carbonatação dos álcalis do cimento os quais podem reagir com Ca(OH)2 liberado pela hidrólise do C3S formando 
CaCO3 (que cria essa resistência). 
 
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO: 
 
Do cimento, faz-se uma argamassa padronizada (com dimensões específicas) e coloca-se o corpo 
de prova num ensaio de compressão. A resistência é determinada com a ruptura desse corpo de 
prova. 
 Corpo de prova: cilíndrico com dimensões de 10cm de altura por 5cm de diâmetro (NBR 7215); 
 Traço: 1 parte de cimento para 3 partes de areia normalizada. Fator água/cimento de 0,48; 
 Controle de carga: taxa de 0,25MPa/s. 
 
EXSUDAÇÃO: 
Cimento e água. Fenômeno de segregação (separação) que ocorre nas pastas de cimento. Os grãos de cimento, 
sendo mais pesados que a água, são forçados, por gravidade, à uma sedimentação. Essa exsudação diminui a: 
 Uniformidade; 
 Resistência; 
 Durabilidade. 
 
ESTABILIDADE: 
É fundamental que a pasta de cimento, após a pega não sofra grande variação de volume. Uma expansão pode resultar 
na desagregação da pasta de cimento endurecida. O cimento, quando mistura com água aumenta de volume e depois 
retrai um pouco. Se estiver expandindo é um alerta porque deve ter alguns materiais que provocam essa expansão. 
 
Causas da expansão da pasta de cimento: 
 Hidratação da cal livre; 
 Hidratação da MgO livre; 
 Sulfato de cálcio: formação do sulfoaluminato de cálcio pela adição de gesso (sulfato de cálcio hidratado) em excesso. 
 
CALOR DE HIDRATAÇÃO: 
 As reações de hidratação são exotérmicas (liberam calor). Cada composto libera uma certa quantidade de calor: 
pela tabela, vê-se que o composto que se hidrata mais rápido, e consequentemente libera mais calor, é o C3A. 
O Calor de hidratação é medido pela quantidade de calor [J]/grama de cimento não hidratado (que se desprende até 
a hidratação completa a uma dada temperatura). 
É também proporcional a resistência: quanto menor o calor, mais lenta a hidratação, menor a resistência. 
 
 
 
Determinando o calor experimentalmente: 
Através de um ensaio dá pra ver qual cimento tem mais C3S e qual tem mais C3A (C3S que da resistencia e C3A libera 
calor muito rápido). Faz-se o ensaio e torna o cimento bom como referência num grafico. Na obra, é só medir a 
temperatura na hidratação do cimento e comparar com a curva pra ver se o cimento está parecido com o cimento bom. 
 Quando não se tem o equipamento para fazer o ensaio de calorimetria, é possivel estimar o calor de hidratação 
pela fórmula: as letras ABCD são as quantidades em porcentagem dos compostos e abcd a composição d 1% do 
composto correspondente para o calor de hidratação. 
 
 
 
 
 
I) Hidratação do C3A: formação de um gel rico em aluminato que mais 
tarde reage com sulfato formando a ettringita. 
II) Fase dormente. 
III) C3S e C2S começam a hidratar formando o CSH e o hidróxido de 
cálcio. 
 
 
 
Fatores que influenciam a taxa de calor de hidratação: 
 Composição do cimento: quantidade de C3S e C3A. 
 Finura 
 Quantidade de cimento 
 Temperatura de mistura 
Fatores que influenciam o calor liberado: 
 Composição do cimento 
 Grau de hidratação 
 Quantidade de cimento
CONCRETO MASSA: 
A construção de barragens ou pontes (que contém grande volume de concreto) pode ser um problema porque o 
calor liberado pode chegar a 80/90 graus: haverão fissuras de origem térmica. (temperatura mais alta no interior e mais 
baixa no exterior formando um gradiente térmico: gera fissuras no concreto ocasionando a perda de resistencia e 
diminuição da durabilidade. Por isso, evita-se fissuras de origem térmica ao controlar o calor liberado (mexe-se na 
temperatura ou na composição do concreto). 
1. A hidratação do cimento produz um aumento na temperatura interna; 
2. A superfície exterior resfria de forma mais rápida do que a interior; 
3. Por expansão/contração térmica, a variação de temperatura induz tensões de tração na superfícies; 
4. Quando as tensões são maiores que a resistência à tração: há a fissuração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TIPOS DE CIMENTO PORTLAND 
 
Cimento Portland Comum CP I e CP I-S 
 Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura (no máximo 5%) materiais pozolânicos, escórias granuladas 
de alto-forno e/ou materiais carbonáticos. Quase não encontrado no Brasil. 
Classes de resistência DO CIMENTO: 28 dias: 25, 32 e 40 MPa 
 
Cimento Portland Composto CP II E, Z e F (com escória, pozolana e Filler) 
Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais pozolânicos, escórias granuladas de alto-forno 
e/ou materiais carbonáticos. Mais comum no Brasil. 
Classes de resistência DO CIMENTO: 28 dias: 25, 32 e 40 Mpa 
 
Cimento Portland de Alto FornoCP III (com escória) 
 Adição de escória granulada de alto forno (resíduo de aço), moídos em conjunto ou em separado. O conteúdo 
dessa escória granulada de alto-forno deve estar compreendido entre 35% e 70% da massa total de aglomerante. 
Classes de resistência DO CIMENTO: 28 dias: 25, 32 e 40 Mpa. 
 
Cimento Portland CP IV (com pozolana) 
Material pozolanico: 15-50% em massa. 
Classes de resistência DO CIMENTO: 28 dias: 25 e 32 Mpa 
 
Cimento Portland CP V ARI (Alta Resistência Inicial ) 
Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais carbonáticos em no máximo 5%. 
Classes de Resistência DO CIMENTO: 1dia: 14 MPa , 3 dias: 24 Mpa, 7 dias: 34 MPa. 
 
Cimento Portland CP (RS) (Resistente a sulfatos – NBR 5737) 
Adição de escórias granuladas de alto-forno ou materiais pozolânicos e/ou materiais carbonáticos. São considerados 
resistentes aos sulfatos. 
a) os cimentos cujo teor de C3A do clínquer seja igual ou inferior a 8% e cujo teor de adições carbonáticas seja igual ou 
inferior a 5% da massa do aglomerante total e/ou; 
b) os cimentos Portland de alto-forno (CP III) cujo teor de escória granulada de alto-forno esteja entre 60% e 70% 
e/ou; 
c) os cimentos Portland pozolânicos (CP IV) cujo teor de materiais pozolânicos esteja entre 25% e 40% 
 
Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC) (NBR 13116) 
Cimento Portland dos tipos CPI, CPII, CPIII, CPIV ou CPVARI, que atenda à condição de baixa liberação de calor 
durante a sua hidratação. 
Os cimentos Portland de baixo calor de hidratação devem ser designados pelas sigla e classe originais de seu tipo, 
acrescidas de “BC” 
Valores máximos de calor de hidratação: 3 dias: 260 J/g e 7 dias: 300 J/g 
 
Cimento Portland Branco (CPB) (NBR 12989) 
Adição de teores limitados de óxidos corantes que garantem abrancura exigida para os cimentos Portland brancos. 
Classes de resistência: 28 dias: 25, 32 e 40 Mpa