Tecnologia dos materiais aplicado a construção civil

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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
APLICADO A CONSTRUÇÃO CIVIL
PROF. DR. MARCELO STROZI CILLA
✓ Introdução
✓ Técnicas de caracterização de
materiais
✓ “Novos” materiais da construção
civil
CV Lattes
Introdução
Introdução
Introdução
Estrutura
Propriedades
X
Interatômica ?
Introdução
Introdução
Técnicas de caracterização 
física
Área superficial, massa específica, 
tamanho de partículas, porosimetria 
de Hg
Área superficial
• Método de Permeabilidade ao Ar
Método de Blaine (medida indireta)
É medido o tempo necessário para que um
certo volume de ar atravesse uma camada
compactada de cimento cuja porosidade
seja conhecida.
Área superficial
• Método de Adsorção Gasosa (medida direta)
B.E.T. - Brunauer, Emmett, Teller
Relaciona a adsorção de uma camada de moléculas de gás
(N2), também chamada de adsorbato, sobre uma superfície
sólida.
Importantes Propriedades:
• Reatividade
• Reologia (finura)
• Massa específica real (Picnometria a Gás Hélio)
É uma técnica que permite a determinação do volume ocupado
por uma determinada quantidade de material, através da
comparação da variação da pressão de hélio na câmara da
amostra e a de uma câmara de volume calibrado.
Massa específica
Tamanho de partículas
• Tamanho Médio
• Distribuição de Tamanhos
Distribuição por Massa
Distribuição por Frequência
Tamanho de partículas
Tamanho de partículas
• Peneiramento
Tamanho de partículas
• Sedimentação
Baseia-se na Lei de Stokes, que estabelece que a velocidade
final de sedimentação de uma partícula esférica em um meio
líquido é proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula.
Velocidade da 
partícula
Distância de 
queda percorrida 
no tempo t
Tempo
Diâmetro da 
partícula
(Ø esférico 
equivalente)
Densidade da 
partícula
Densidade do 
meio líquido
Constante 
gravitacional
Viscosidade do 
meio líquido
Tamanho de partículas
A luz incidente sofre uma interação 
segundo quatro diferentes 
fenômenos (difração, refração, 
reflexão e absorção)
índice de refração relativo da 
partícula no meio dispersante, pelo 
comprimento de onda da luz, e pelo 
tamanho e formato da partícula.
• Difração a laser
As partículas são dispersas num fluído em movimento
causando descontinuidades no fluxo do fluído, que são
detectadas por uma luz incidente, e correlacionadas com o
tamanho de partícula.
• Distribuição fracional e cumulativa
Tamanho de partículas
Porosimetria de Mercúrio
• Princípios físicos da Técnica
A técnica de porosimetria de mercúrio mede a porosidade e a
distribuição do tamanho de poros do material.
Porosimetria de Mercúrio
• Princípios físicos da Técnica
- O mercúrio é utilizado como líquido de intrusão devido às
seguintes características:
1) Não molha a maioria dos materiais;
2) Apresenta alta tensão superficial (γ);
3) Apresenta baixa reatividade química
à temperatura ambiente.
• Princípios físicos da Técnica
- Quando o mercúrio é colocado em contato com uma amostra
porosa, ele não consegue penetrar nos poros (força capilar
contrária);
- A força que é exercida no contato entre o mercúrio e o poro
tem origem em uma pressão externa (P)
- No equilíbrio:
𝑭 = 𝑭𝒆𝒙𝒕 ∴ 𝑫 =
−𝟒𝜸 cos 𝜽
𝑷
Porosimetria de Mercúrio
𝑭 = −𝝅𝑫𝜸 cos𝜽
𝑭𝒆𝒙𝒕 =
𝝅𝑫𝟐𝑷
𝟒
Técnicas de caracterização 
mecânica
Dureza, tenacidade, fadiga, fluência, 
flexão, compressão
Conceitos iniciais
• Importância dos ensaios
• Comportamento sob cargas
• Ruptura dos materiais
• Limitação da utilização dos elementos
construtivos
Ensaios de curta duração
• Tração direta
• Tração indireta (flexão e compressão
diametral)
• Compressão
• Cisalhamento
• Flexão
• Dureza
Ensaios de longa duração
• Retração
• Fluência
• Fadiga
• Módulo de elasticidade dinâmico
• Frequência natural e amortecimento
Ensaios cíclicos e dinâmicos
Classificação dos materiais
Classificação dos materiais de acordo com o
comportamento mecânico
• Materiais frágeis
• Materiais dúcteis
• Elasticidade
• Plasticidade
• Fissuração
Técnicas de análise 
química
FRX, espectrometria e outras 
técnicas analíticas
Técnicas de Caracterização
Espectro eletromagnético
• Espectrometria de fluorescência de raios X (FRX)
Esta técnica não identifica a mineralogia, mas somente os
elementos constituintes.
Análise de elementos
Cianita
Al2SiO5
Quartzo
SiO2
Alumina
Al2O3
• Espectrometria de fluorescência de raios X (FRX)
A Espectrometria de fluorescência de raios-X é uma técnica não
destrutiva que permite:
1.identificar os elementos presentes em uma amostra (análise
qualitativa);
2.estabelecer a proporção
em que cada elemento se
encontra presente na
amostra (análise quantitativa).
Análise de elementos
Análise de elementos
• Espectrometria de fluorescência de raios X (FRX)
A energia ou comprimento de onda da radiação emitida pode
ser diretamente utilizada na determinação qualitativa de um
elemento, assim como a intensidade da radiação emitida pode
ser empregada na quantificação de tal espécie.
Análise de elementos
• Espectrometria de fluorescência de raios X (FRX)
daí o nome fluorescência.
Para que ocorram as
transições eletrônicas, que
originarão os raios X
característicos nos átomos, é
necessário retirar os elétrons
das camadas mais internas
dos átomos (K, L, M) através
do efeito fotoelétrico, e isto é
conseguido fazendo-se incidir
sobre a amostra a ser
analisada um feixe de
radiação,
• Espectroscopia no Infravermelho (IV)
A espectroscopia no infravermelho se baseia no fato de que as
ligações químicas das substâncias possuem frequências de
vibração específicas, as quais correspondem a níveis de
energia da molécula (chamados nesse caso de níveis
vibracionais).
Análise de moléculas
• Espectroscopia no Infravermelho (IV)
Análise de moléculas
• Espectroscopia no Infravermelho por transformada
de Fourier (FTIR)
A Espectrometria por Transformada de Fourier (FTIR, do inglês,
Fourier-Transform Infrared Spectrometry) é uma variação da
técnica de IV onde são usados dois feixes de radiação
eletromagnética a fim de se obter um interferograma.
Análise de moléculas
• Espectroscopia no Infravermelho por transformada
de Fourier (FTIR)
Análise de moléculas
Difração de Raios X
Introdução - DRX
• O fenômeno da Difração.
Construtiva
Destrutiva
Lei de Bragg
a = aresta da 
célula unitária
(hkl)
Lei de Bragg
Difratograma do ferro α policristalino (BCC) 
Perfil de um Difratograma de Raios-X
Difratômetro
• Diagrama esquemático de um difratômetro de raios X.
Aplicações
Microscopia
(MO, MEV e MET)
Introdução
Microscópios Resolução 
aproximada
Ampliação Fonte Requisito 
amostra
Olho humano 100 µm -- Luz 
visível
Material 
(volume)
MO 100 nm ~ 2.000 x 
Luz 
visível
Material 
(superfície) 
polida
MEV 10 nm 10 ~ 1M x Feixe 
eletrônico
Material 
(volume)
MET 0,5 nm 1K ~ 1M x Feixe 
eletrônico
Filmes finos 
(e ~100 nm)
* Resolução: menor distância distinguível entre dois pontos
• Resoluções* típicas obtidas por diversas técnicas de
microscopia e a olho nu
O Microscópio Óptico
Prensa para 
alinhar amostra
Micr. Eletrônica de Varredura
Micr. Eletrônica de Varredura
• Principais componentes do MEV
– Coluna ótico-eletrônica
(canhão de elétrons e 
sistema de demagnificação)
– Unidade de varredura– Câmara de amostra
– Sistema de detectores
– Sistema de visualização 
da imagem
Micr. Eletrônica de Varredura
Micr. Eletrônica de Transmissão
• Objetivo
- Observação e análise microestrutural de materiais sólidos.
• Características
- Aumentos da ordem de106 x;
- Fonte: feixe de elétrons;
- Permite análise de defeitos e fases internas;
- Imagens 2D (média através da espessura da amostra ∴
cuidado na interpretação);
- Preparação laboriosa das amostras.
• Principais componentes do MET
–Coluna submetida a vácuo
• Canhão de elétrons (fonte
termoiônica ou FEG)
• Lentes magnéticas, aberturas 
e diafragmas
– Lentes condensadoras
– Lente objetiva
– Lentes projetivas
–Câmara de amostras
–Tela fluorescente, chapa 
fotográfica ou câmara de 
vídeo
Micr. Eletrônica de Transmissão
Micr. Eletrônica de Transmissão
Técnicas de Análises 
Térmicas
(TG/DTG, DTA/DSC, STA, 
Dilatometria, EGA, EGD)
Técnicas de Análises Térmicas
Técnicas de Análises Térmicas
NORMAS/REFERÊNCIAS
Técnicas de Análises Térmicas
Termogravimetria (TG)
Termogravimetria (TG)
• Partes construtivas
• Programador de Temperatura: faixas de 1 a 50 ºC/min;
• Termopar;
• Termobalanças.
Termogravimetria (TG)
• Aplicações da TG
• Determinação da umidade e volatilidade;
• Estudo da cinética das reações envolvendo espécies voláteis;
• Estudo da desidratação e da higroscopicidade;
• Calcinação de minerais;
• Corrosão de materiais em várias atmosferas;
• Degradação térmica de materiais poliméricos;
• Decomposição térmica ou pirólise de materiais orgânicos,
inorgânicos e biológicos.
Termogravimetria Derivada (DTG)
Influência da taxa de aquecimento
Análise Térmica Diferencial (DTA) e 
Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
• A análise térmica diferencial (DTA) é uma técnica térmica de
medição contínua das temperaturas da amostra e de um
material de referência termicamente inerte, à medida que
ambos vão sendo aquecidos ou resfriados em um forno.
• De acordo com o DIN 51 007, a Análise Térmica Diferencial
(DTA) é adequada para a determinação de temperaturas
características, enquanto que o Calorímetro Diferencial de
Varredura (DSC), adicionalmente, permite a determinação de
valores calóricos como calor de fusão ou calor de
cristalização.
Análise Térmica Simultânea (STA)
A análise térmica simultânea (TG-DTA/DSC) é um sistema
combinado no qual se podem simultaneamente realizar os
vários tipos de análise referidos anteriormente, usando uma
única amostra sob as mesmas condições experimentais,
permitindo registar as variações de massa, entalpia e
temperatura.
Esta combinação permite, por exemplo, reconhecer se uma
mudança de energia é associada uma mudança de massa ou
se ela é devida a uma mudança de fase.
Análise Térmica Simultânea (STA)
Dilatometria
• Baseia-se na expansão de sólidos causadas um
aumento da amplitude de vibração dos átomos
em torno da separação interatômica de
equilíbrio.
Dilatometria
• Expansão Térmica (Escala Atômica)
Aumento de energia
Aumento da vibração
(Potencial assimétrico)
Aumento da distância interatômica de equilíbrioDilatação
Dilatometria
O conjunto formado pela
haste e pelo tubo carregador
tem como características um
baixo coeficiente de expansão
térmica e alto ponto de fusão.
Para tal são utilizados
normalmente sílica fundida,
grafite e alumina.
Dilatometria
Exemplos práticos da 
“Tecnologia dos Materiais 
Aplicados a Construção 
Civil”
Evolução do concreto na construção 
civil
• Graus estruturais na ordem de 10-9m ou um nanômetro (nm);
• Utilização em matrizes cimentícias:
• Nanosilica; Nanometacaulim; Nanotubo de carbono (NTC).
Nanomateriais
Nanotubo de carbono
• Difícil dispersão:
• Elevada área superficial;
• Elevadas forças de Van der Walls entre as partículas.
• Diminui a plasticidade da mistura, prejudicando a
trabalhabilidade;
• Tendência de formação de aglomerados;
• Uso “obrigatório” de superplastificante e método de
mistura adequado.
NTC em matrizes cimentícias
• Acelera o processo de hidratação do cimento:
• Efeito de nucleação.
• Diminui a retração química do cimento:
• Tendência em reduzir as fissuras de retração.
• Diminui a porosidade:
• Aumenta a resistência a tração e a compressão;
• Preenchimento dos nanoporos;
• Efeito “ponte” de transferência de tensão.
NTC em matrizes cimentícias
NTC em matrizes cimentícias
70% 30%
NTC em matrizes cimentícias
NTC em matrizes cimentícias
Sistema Al2O3-SiO2-CaO
Diagrama de Equilíbrio Cimento 
Portland
Resíduos como MP de ligantes 
cimentícios
Resíduos como MP de ligantes 
cimentícios
Dissolução da sílica e 
alumina
Através dos ativadores a 
sílica e a alumina atingem 
condições de reação 
(reatividade)
Ativação Alcalina
Formação de compostos cimentantes através da mistura de
materiais ricos em alumina, sílica e/ou cálcio com soluções
alcalinas (hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, silicatos)
Ativação Alcalina
Ativação Alcalina
Modelo conceitual de 
geopolimerização elaborado por 
Glukhosky em (1959)
a) Elevada resistência mecânica;
b) Resistência à abrasão;
c) Resistência à elevadas temperaturas;
d) Resistência à ataque químico;
e) Não sujeito à reação álcali-agregado;
f) Baixo custo.
Ativação Alcalina
Ligantes álcali ativados
Ativação Alcalina
Aplicações em função da 
razão atômica Si : Al 
Ativação Alcalina
Impressão 3D – Polímeros
Manufatura Aditiva
Impressão 3D – armadura polimérica
Manufatura Aditiva
A aplicação do princípio da fotocatálise aos materiais da construção
civil, particularmente ao concreto, ocorreu de forma pioneira no
Japão, na década de 90.
Igreja Dives in Misericórdia 
em Roma-Itália
(1996).
"Cité des Arts et de la
Musique", em Chambéry-
França, construída em 1999.
Argamassa Fotocatalítica
Argamassa Fotocatalítica
Utilização de resíduo do processo de produção do TiO2 
(Minério Não Reagido) em argamassas fotocatalíticas
Degradação de compostos orgânicos (resazurina) aderidos à
superfície das argamassas expostas à radiação UV-A artificial
Avaliação da degradação dos gases NOx (óxidos de nitrogênio)
Argamassa Fotocatalítica
Agradecimentos
MUITO OBRIGADO