Aula 3 Hidratação do Cimento Portland e microestrutura 2017 br

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Hidratação e Microestrutura do 
Cimento Portland
PCC 3222
2017
© Poli USP 2017
Objetivos da aula
� Entender a cinética de reação do cimento 
Portland e pozolanas e como isto afeta a 
microestrutura da pasta de cimento 
hidratada
� Entender como a hidratação do cimento 
afeta a porosidade da pasta
� Correlacionar a microestrutura da pasta de 
cimento com o comportamento de concretos
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Perguntas importantes...
• Como micropartículas isoladas dos ligantes se 
transformam em um macro- sólido?
• Como essa transformação das partículas conferem 
resistência ao sólido?
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De micropartículas para
macro sólido
dos grãos de ligante
de novo sólido continuo 
com geometria da forma
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Endurecimento
reação quimica (água, CO2…)
aumento do volume por redução de poros , contato “molecular” entre cristiais
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O que são ligantes inorgânicos
Micropartículas (d<100µm), solúveis em água, 
reativas (água, CO2... ), que precipitam um sólido de 
volume maior que o volume dos sólidos em 
suspensão.
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Exemplo de distribuição de particulas de 
ligantes
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Exemplos de ligantes
Comuns
• Cimento Portland
• Gesso 
(Ca.SO4.(0-1,5).H2O)
• Cal hidratada
(Ca(OH)2 or CaMg(OH)4
Outros ligantes
• Aluminato de Cálcio
• Cálcio Sulfo-Aluminato
• Cimento belítico
• Sorel ( 3MgO.MgCl2)
• Solidia (cura por CO2)
• ..... 
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Hidratação – como ocorre?
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Hidratação – como ocorre?
• C-S-H
Silicato de cálcio 
hidratado
• CH
Hidróxido de cálcio
• Trisulfo-
aluminatos
(etringita)
• Monosulfo-
aluminatos....
Alita
(C3S)
Belita
(C2S)
Aluminato
de cálcio
(C3A)
Ferro-
aluminato
de cálcio
(C4AF)
Ca2+
H2SiO42-
Al(OH)4-
OH-
SO42-
CO32-
Grãos de cimento Dissolução Precipitação
(hidratos)
Forma de Ilustração - Profa Karin Scrivener
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Liberação 
de calor 
em todas 
estas as 
reações
Hidratação do cimento
(fases secundárias)
• Sem adição de gipsita: reação imediata
• C3A + xH → C3AH6, C3AH6 ou C2AH8
• uso muito difícil
• Com gipsita: retardada
• C3A + 3C ŠH2 + 26H → C6A Š3H32 (etringita) 
• C3A + C ŠH2 + 16H → C4A ŠH18 (monosulfato)
• C6A Š3H32 + 2 C3A + 22H→ 3C4A ŠH18 (monosulfato)
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Hidratação do cimento
(fases secundárias)
Baixa concentração de íons aluminato e 
sulfato
Alta concentração de íons aluminato e 
sulfato
Alta concentração de íons aluminato e 
baixo sulfato
Pouca ou nenhuma gipsita
Mehta & Monteiro (2004)
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Hidratação do cimento
(fases principais)
Rápida
2C3S + 6H → C3S2H3 + 3CH CC--SS--H e cal hidratadaH e cal hidratada
Lenta
2C2S + 4H → C3S2H3 + CH CC--SS--H e cal hidratadaH e cal hidratada
•C-S-H - principal fase hidratada
• silicato de cálcio hidratado
• principal produto 
• estequiometria variável
Liberação 
de calor 
em todas 
estas as 
reações
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Hidratação do cimento e calor liberado
• As reações de hidratação são exotérmicas
• Podem gerar gradientes térmicos importantes no 
concreto que é mau condutor
• Pode ser utilizada para acompanhar a taxa de hidratação 
e uso de aditivos aceleradores, por exemplo.
Renan Salvador, 
2016
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Reação pozolânica
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Reações pozolânicas
Rápida
2C3S + 6H → C3S2H3 + 3CH C-S-H e cal hidratada
3CH + 2S → C3S2H3 C-S-H e menos cal hidratada
Lenta
2C2S + 4H → C3S2H3 + CH CC--SS--H e cal hidratadaH e cal hidratada
3CH + 2S → C3S2H3 C-S-H e menos cal 
hidratada
POZOLANA
C-S-H - principal fase hidratada obtida numa reação 
secundária fortalecendo a microestrutura
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Reatividade das 
pozolanas
• Além da composição 
química, as pozolanas
devem se caracterizar 
pela estrutura amorfa 
para garantir 
reatividade.
• Isto é definido pela 
temperatura de 
queima.
Zampieri
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C-S-H e Portlandita
http://www.cementlab.com/images/C3S-
2weeks_os.jpg
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Morfologia da pasta de cimento hidratada
• A microestrutura é 
complexa
• A quantidade relativa 
das fases presentes 
definirá o 
comportamento do 
material
• Quanto mais CSH 
mais resistente e 
durável
Monossulfato
hidrtadado
Etringita
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Hidratação ao longo do tempo
10 minutos
gel Aft
grão anidro
C3A
C3S
C4AF
“outer”
C-S-H
10 horas
Aft
18 horas
Afm
1-3 dias
“inner”
C-S-H
14 dias
Scrivener (1989)
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Fases Hidratadas (formação)
O muda com a 
adição de 
pozolana?
http://www.theconcreteportal.com/cem_chem.html
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Volume das fases hidratadas
ao longo do tempo
Lothenbach et al. (2008) – http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2008.01.002
Redução de 
volume
O volume da água 
e do cimento 
anidro é maior que 
o volume da pasta 
de cimento 
hidratado
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Evolução de resistência e 
permeabilidade da pasta de cimento
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Hidratação do cimento e a pega e endurecimento 
do concreto
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Velocidade de hidratação
(na presença de água)
• Composição química
–+ C3S + rápido
–matérias primas e 
temperatura no forno
• Finura (m2/g)
–grau de moagem
–área superficial para 
reação de hidratação
–condições de mistura
• Temperatura
• + alta, + rápido
• Uso de vapor garante a 
umidade
• Autoclave é possível 
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Composição x Resistência
(pasta de cimento) 
Temperatura e 
área específica 
constantes
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Calor de hidratação: 
efeito da área específica
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Resistência à compressão: 
efeito da área específica 
Método padronizado: 
teor de água constante
Área Específica
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Interface pasta/agregado
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Interface pasta/agregado
• Fases macroscópicas
• Agregados
• Pasta de cimento
(ou matriz)
• Sólidos
• Sólidos hidratados
• Cimento anidro
• Poros
• Água
• Zona de transição
• Fases microscópicas
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Zona de transição: mais 
porosa e com menos 
CSH
• Mais água produz mais 
porosidade.
• Mais água produz mais 
CH e etringita.
• Região mais porosa e, 
portanto, menos 
resistente
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Zona de Transição mais Porosa
(pasta de cimento endurecida e agregado)
Influência da ZT
K.L. Scrivener, A.K. Crumbie, P. Laugesen, Interface Science 12 (2004) 411-42
agregado
Impregnação de poros com Metal 
de Woods
• Elo mais fraco da 
corrente
• Diminui a resistência 
por concentração de 
tensões
• Aumenta a 
permeabilidade por 
dar caminho 
preferencial para a 
água
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Estrutura hidratada é porosa
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Como estimar 
a porosidade da pasta?
Apos Mistura 28 dias de hidratação
Stroeven, He, Guo, Stroeven, Materials Characterization, Volume 60, Issue 10, October 2009, 
Pages 1088-1092. © Poli USP 2017
Hidratação da 
Pasta de Cimento
• Vcimento hidratado = Vcimento + 0,75 Vágua reação
•Ocorre uma Retração química!!!
• Água de reação = ~20% da massa de cimento 
• Água em excesso � poros
• Porosidade
• água em excesso
• retração química Modelo de Powers
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Estimando porosidade da pasta de cimento 
(exemplo)
• Mistura de pasta pura
• 1kg de cimento
• 0,5 kg de água
• 100% de hidratação do cimento
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Densidade das fases
(temp. ambiente)
• Cimento anidro ~3,1g/cm³
• Agregados naturais ~2,6 g/cm³
• Água ~ 1,0 g/cm³
• Volume = massa/densidade
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Volume no estado fresco
• 1 kg de cimento 1/3,1 0,32dm³
• 0,5kg de água 0,5/1 0,50dm³
• Volume total (mistura) 0,82dm³
• Desprezamos o ar aprisionado.
• Como ele poderia ser considerado?
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Volume de sólidos 1:0,5
(100% hidratado)
• 1 kg de cimento 1/3,1 0,32dm³
• 0,20 kg de água de reação 0,2/1 0,20dm³
• Retração química
25% vol água reação 0,25*0,2 -0,05dm³
• Volume de sólidos hidratados 0,47dm³
• Poros = 0,82 -0,47 = 0,35 dm3
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Volume de poros 1:0,5 
(100% hidratação)
• H2O em excesso 0,5-0,2 0,30dm³
• Retração química 0,05 0,05dm³
• Poros totais 0,35dm³
• Volume total 0,82 dm³
• Porosidade 0,35/0,82 0,43dm³/dm³
• Esta é a menor porosidade possível p/0,5
(pasta 100% hidratada, 0% de ar incorporado)
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Qual a porosidade mínima da pasta 1:0,5 com 
50% do cimento hidratado?
Por que se está realçando o adjetivo “mínima”?
Tempo: 20 minutos
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Densidade das fases
(temp. ambiente)
• Cimento anidro ~3,1g/cm³
• Agregados naturais ~2,6 g/cm³
• Água ~ 1,0 g/cm³
• Volume = massa/densidade
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Volume no estado fresco
• 1 kg de cimento 1/3,1 0,32dm³
• 0,5 kg de água 0,5/1 0,50dm³
• Volume total (mistura) 0,82dm³
• Desprezamos o ar aprisionado inserido no concreto 
durante o processo de mistura.
• Como ele poderia ser considerado?
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Volume de sólidos 1:0,5
(50% hidratado)
• 0,5 kg de cimento 0,5/3,1 0,16dm³
• (50%) 0,20 kg de água de reação 0,1/1 0,10dm³
• Retração química
25% volume de água reação 0,25*0,1 -0,025dm³
• Volume de sólidos hidratados 0,235dm³
• Volume de sólidos anidros 0,5/3,1 0,16dm³
• Volume de sólidos totais 0,16dm³+0,235dm³ = 0,395dm³
• Poros = 0,82 -0,395 = 0,425 dm3
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Volume de poros 1:0,5 
(50% hidratação)
• H2O em excesso 0,5-0,1 0,40dm³
• Retração química 0,025 0,025dm³
• Poros totais 0,425dm³
• Volume total 0,82 dm³
• Porosidade 0,425/0,82 0,52dm³/dm³
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Exercício
• Sabendo-se que o consumo de cimento de um 
concreto é de 360 kg/m3 e que a relação água 
cimento é 0,5, estime a porosidade mínima de 1 m3
de concreto
OBS: não considerar a porosidade dos agregados e 
o ar aprisionado.
Tempo: 20 minutos
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Solução
• 1 kg de cimento com relação a/c = 0,5 corresponde 
a 0,35 dm3 de poros.
• 360 kg de cimento, para a mesma a/c, resulta em 
360 * 0,35 = 126 dm3.
• Porosidade total = 126/1000 = 0,126 m3/m3 ou 12,6 
% em volume.
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Relação entre porosidade e comportamento do 
concreto
• Quanto maior a 
porosidade menor a 
resistência e maior a 
permeabilidade.
• Quanto maior a idade 
e menor a relação a/c 
menor é a 
permeabilidade.
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Perguntas:
• Pastas de mesma porosidade apresentarão a 
mesma resistência?
Explique.
• Você acha que há outros fatores, além da 
porosidade da pasta, que pode afetar o 
comportamento do mecânico do concreto?
Explique.
• Como você imagina que a porosidade da 
pasta afeta a durabilidade do concreto?
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Atividade Extra 
(upload arquivo com memória de cálculo no Moodle)
• Faça gráficos mostrando a influência do grau de 
hidratação (0 a 100%) na porosidade total e da pasta 
dos concretos.
• Compare e discuta os resultados. 
Densidade 
(g/cm³)
Traço 1
(% Massa)
Traço 2
(% Massa)
Cimento 3,1 15 10
Areia 2,6 25 31
Brita 2,6 52 52
Água 1 8 7
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Leitura Recomendada
• Item 6.3 – Hidratação do Cimento Portland em 
Mehta; Monteiro. IBRACON. P.216-23
• Item 2.5 – Microestrutura da Pasta de Cimento 
Hidratada em Mehta; Monteiro. IBRACON. P.26-41
• Item 2.6 – Zona de transição no Concreto em 
Mehta; Monteiro. IBRACON. P.41-46
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