hidratação do cimento

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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND 
Materiais de Construção 1
CURSO: ENGENHARIA CIVIL
DISCIPLINA: MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO
PROFESSOR: ANDERSON NIDECK
HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• HIDRATAÇÃO:
– REAÇÃO QUÍMICA DE CIMENTO + AGUA
• Transformação da matéria
• Variações de Energia
• Velocidade de reação
– CONSEQUÊNCIAS:
• Pega
• Endurecimento
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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• HIDRATAÇÃO:
• O cimento Portland tem 4 componentes principais:
– C3S = (3.CaO). (SiO2) ; 
– C2S = (2.CaO). (SiO2) ;
– C4AF = (4.CaO).(Al2O3).(Fe2O3) ; 
– C3A = (3CaO).(Al2O3)
• Terminologia usual:
– C = CaO
– A = Al2O3 
– S = SiO2 
– H = H2O 
– F = Fe2O3
– AFm = Monosulfato
– AFt = trisulfoaluminato
– C-S-H - Interno e Externo
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• HIDRATAÇÃO:
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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• HIDRATAÇÃO:
– Acontece da superfície para o interior dos grãos
– A finura do cimento influencia a sua reação com a água.
– haverá uma taxa de reatividade maior e, portanto, maior
velocidade.
• no ganho de resistência.
• retração
• aumento da resistência com a idade.
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• HIDRATAÇÃO:
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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• HIDRATAÇÃO:
• Pega Relâmpago.
– Ao se misturar a água com o cimento, a reação mais 
rápida é a hidratação do C3A, aluminato de cálcio : 
2C3A + 21 H = C4AH13 + C2AH8
– Muito rápida deixando o concreto tão rígido que não 
pode ser lançado nem adensado. 
– Libera grande calor
– Quando os grãos do cimento são grandes, a hidratação 
do C3A demora e a pega relâmpago não ocorre. 
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• HIDRATAÇÃO:
• Dormência do cimento
– Adicionando-se gesso ao clinquer do cimento, forma-se 
a etringite e a hidratação do cimento para. 
O cimento fica “adormecido”.
– Adição de gesso ao cimento para bloquear a pega 
relâmpago.
C3A + CSH2(gesso) + 26 H(água) = C6AS3H32 
(Entringite)
– O grão de cimento fica totalmente coberto pela 
etringite.
– Isso impede, por 2 a 4 horas, a continuação da 
hidratação do grão de cimento.
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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• HIDRATAÇÃO:
• Após o período de dormência, ocorre a hidratação 
doC3S, do C2S e do C4AF 
– Hidratação do C3S:
• C3S + 3H = C-S-H + 2CH
– Hidratação do C2S:
• C2S + 4,3H = C1,7-S-H4 + 0,3CH
– Hidratação do C4AF:
• C4AF + 10H = C3AH6 + CH + FH3
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• HIDRATAÇÃO:
• Silicato de cálcio hidratado: (C-S-H).
• Constitui de 50 a 60% do volume 
– 2C3S + 6H = C-S-H + 3CH ( menor Resistência final)
» 61% de C-S-H e 39% de Ca(OH)2, 
– 2C2S + 4H = C-S-H- + CH (maior Resistência final) 
» C2S produziria: 82% de C-S-H e 18% de Ca(OH)2.
• Consumo de água nas reações:
• os silicatos consomem 24% e 21% de água, 
• respectivamente, para a hidratação completa (~23%).
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• HIDRATAÇÃO:
• Hidratação dos silicatos
– gel silicatos de cálcio hidratados (CSH), apresentando grande áreas de
superfície, e por isso gerando intensas forças de Van der Waalse
conferindo resistência mecânica à pasta
• Hidratação dos aluminatos
– sem o gesso, se torna uma reação imediata com grande liberação de 
calor, formando hidratos cristalinos responsável pela pega
• Hidratação do gesso:
– muito solúvel em água, retarda a tendência à pega rápida do clínquer
Portland
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• HIDRATAÇÃO:
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• HIDRATAÇÃO:
• Etapa 1 – 10min
• Nos primeiros minutos ocorre essencialmente a
reação da água com:
– o aluminato tricálcico (C3A) e o gesso (CS ) formando-se
cristais curtos de trisulfoaluminato de cálcio hidratado
(AFt);
– o silicato tricálcico (C3S) formando-se um gel amorfo de
silicato de cálcio hidratado (C-S-H) – que se deposita na
superfície da partícula – e hidróxido de cálcio (CH) – que
precipita nos espaço entre as partículas de cimento.
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• HIDRATAÇÃO:
• Etapa 2 – 10 h
• Prossegue a reação da água com os silicatos de cálcio
(C3S e C2S), formando-se uma camada adicional de
C-S-H em torno da partícula a uma distância de cerca
1 µm, que se designa correntemente por “C-S-H
exterior”
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• HIDRATAÇÃO:
• Etapa 3 - 18 h
– Ocorre uma reação de hidratação secundária dos
aluminatos de cálcio (C3A e C4AF) formando-se compostos
aciculares longos de trisulfoaluminato de cálcio hidratado
(AFt).
– O C-S-H que se começa a formar nesta etapa designa-se
por “interior” uma vez que, devido à mobilidade
progressivamente mais reduzida dos produtos das reações,
se deposita dentro da camada de hidratação formada nas
etapas anteriores;
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• HIDRATAÇÃO:
• Etapa 4 - 1 a 3 dias
– A hidratação prossegue a uma velocidade lenta,
correspondente a reações em estado sólido. Continua a
formar-se “C-S-H interior”, com diminuição progressiva do
espaço livre entre a camada de hidratação e a partícula
não hidratada, e aparece uma nova fase de aluminato,
monosulfoaluminato de cálcio hidratado (AFm);
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• HIDRATAÇÃO:
• Etapa 5 - Anos
– As reações de hidratação decorrem ao longo de anos,
continuando essencialmente a formar se “C-S-H interior”
adicional.
– Em síntese, a microestrutura dos Materiais de base cimentícia
(MBC) hidratados é constituída por:
• fases sólidas (essencialmente, C-S-H, CH, AFt, AFm, partículas de
cimento ainda por hidratar e inertes);
• poros (com diferentes formas, dimensões e conectividades);
• fases líquidas e gasosas (no interior dos poros).
– Os compostos hidratados de C-S-H constituem a fase ligante
mais importante dos MBC uma vez que estabelecem entre si
ligações de van der Waals que asseguram a aglomeração das
fases sólidas e determinam a sua coesão e adesão.
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• HIDRATAÇÃO:
– Com a recém criada microscopia ESEM 
(Environmental Scanning Electron Microscopy ) 
analisa-se a microestrutura do concreto ou do 
cimento hidratado sem fazer vácuo na câmara do 
microscópio e sem necessidade de secar a 
amostra.
– Largura do campo = 15µm 
– ( Obs: uma folha de papel =100 µm ) 
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• HIDRATAÇÃO:
• C3S hidratado, 5 minutos após o início da hidratação. 
Formação de uma camada em forma de gel ao redor das particulas de C3S.
Camada com espessura de 20-30nm
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• HIDRATAÇÃO:
• Etringita em forma de varetinhas
• Se houver quantidade suficiente de Sulfato a Etringita é muito estável e não muda a sua 
morfologia com o tempo. 
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• HIDRATAÇÃO:
• C3S hidratado, 140 minutos após o início da hidratação. 
Formação de uma volumosaestrutura de C-S-H , em forma de favos e de esponjas ao 
redor das particulas de C3S. ( com grande superfície específica )
• Camada de C-S-H com espessura de 20-30nm
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• HIDRATAÇÃO:
• C3S hidratado, 140 minutos após o início da hidratação. 
Dentro da estrutura em favos de C-S-H observa-se uma formação heterogênea em 
forma de gotas de CH.
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• HIDRATAÇÃO:
• Formação de fases de C-S-H em forma de agulhas rombudas ( diâmetro em torno 
• de 50nm , comprimentos até 300nm ) 
• Formação de cristais de CH em forma de placas com até 2 µm.
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• HIDRATAÇÃO:
• Transformação da forma das agulhas rombudas das fases de C-S-H em agulhas 
pontiagudas . 
• Crescimento dos comprimentos até 600nm
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• HIDRATAÇÃO:
• Transformação da forma das agulhas rombudas das fases de C-S-H em agulhas pontiagudas . 
• Crescimento dos comprimentos até 600nm
• 56 dias de hidratação
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• HIDRATAÇÃO:
• Fibras do C-S-H, em forma de agulha se interpenetram.
• 360 dias após a hidratação.
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• HIDRATAÇÃO:
• Nessa imagem, foi dez vezes menor do que na imagem aos 56 dias, as fases do C-S-H 
ficaram menos irradiadas.
• 600 dias após a hidratação.
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• HIDRATAÇÃO:
• C2S hidratado, após 360 dias de hidratação. 
• Fibras do C-S-H, em forma de agulha com 2μm de comprimento.
• A morfologia do C-S-H não muda ao longo do tempo. 
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• HIDRATAÇÃO:
• C-S-H formado sobre arenito calcário. 
• Cristais de Tobermorita em forma de espadas pontiagudas, formados sôbre partícula de 
quartzo.
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• HIDRATAÇÃO:
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• HIDRATAÇÃO:
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• HIDRATAÇÃO:
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HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
• PROPIEDADES
• Massa específica
• Finura
• Pega
– Implicações desejáveis para o Concreto Fresco
• Trabalhabilidade
– Implicações desejáveis para o Concreto Endurecido
• Resistência mecânica
• Durabilidade
• Baixa permeabilidade
• Reduzida retração
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• PROPRIEDADES FÍSICAS
• As propriedades físicas do cimento Portland são 
consideradas sob três aspectos distintos; 
– condição natural, em pó 
– da mistura de cimento e água e proporções convenientes 
de pasta 
– mistura da pasta com agregado padronizado – as 
argamassas. 
As propriedades da pasta e argamassa estão relacionados a 
elaboração de concretos e argamassas. 
Processos artificialmente definidos nos métodos e 
especificações padronizados.
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Massa Específica e Unitária:
• Massa unitária ou Massa Específca Aparente (δ) 
– é da ordem de 1,50 g/cm3.
• Massa Específca Real ou Absoluta (γ)
– considerada como 3,15 g/cm3.
• Na pasta do cimento, a densidade é um valor variável com o tempo, 
aumentando à medida, que progride o processo de hidratação. 
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Retração
• A variação da densidade gera um fenômeno; de 
natureza extremamente complexa, é conhecido 
pelo nome de retração. 
• Esta ocorre nas pastas, argamassas e concretos. 
• Pode atingir:
– em 24 horas, cerca de 7mm por metro na pasta pura, 
– 4,5mm por metro na argamassa-padrão e 
– 2mm por metro em concretos dosados a 
350kg/cimento/m .
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Finura 
• A finura do cimento é uma noção relacionada com o tamanho dos grãos 
do produto. 
• A finura, mais precisamente a superfície específica do produto, é o fator 
que governa a velocidade da reação de hidratação do mesmo e tem 
também sua influência comprovada em muitas qualidades de pasta, das 
argamassas e dos concretos. 
• O aumento da finura:
– melhora a resistência, particularmente a resistência da primeira idade, 
– diminui a exsudação e outros tipos de segregação, 
– aumenta a impermeabilidade, 
– Aumenta a trabalhabilidade e a coesão dos concretos e 
– diminui a expansão em autoclave. 
• É usualmente definida de duas maneiras distintas: 
– pelo tamanho máximo do grão, Peneiramento pela peneira #200 (75µm = 
0,075mm)
– pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos grãos contidos 
em um grama de cimento). Área específica Blaine: método de permeabilidade 
padrão;
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Tempo de pega 
• O fenômeno da pega do cimento compreende a um processo 
químico de hidratação. 
• A caracterização da pega dos cimentos é feita pela determinação de 
dois tempos distintos:
– Tempo de início: 
• tempo até que a agulha de Vicat penetre na pasta (4 +1)mm da base.
– Tempo de fim de pega. 
• tempo até que acessório anular não provoque nenhuma marca.
• A medida da evolução do valor do atrito interno da pasta de 
cimento mostra claramente pontos de estreita correlação com os 
ensaios de penetração de agulha
• Os ensaios são feitos com pasta de consistência normal, 
geralmente, com o aparelho de Vicat, em última análise, a 
resistência à penetração de uma agulha na pasta de cimento. 
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Pasta do Cimento:
• A ocorrência da pega do cimento deve ser regulada tendo-
se em vista os tipos de aplicação do material, devendo-se 
processar ordinariamente em períodos superiores a uma 
hora após o inicio da mistura. 
• Nesse prazo são desenvolvidas as operações de manuseio 
do material, mistura, transporte, lançamento e 
adensamento. 
• Há casos, entretanto, em que o tempo de pega deve ser 
diminuído ou aumentado. 
• Alguns cimentos oferecem raramente o fenômeno da falsa 
pega, que tem as características da pega ordinária, 
ocorrendo em período mais curto e não correspondendo, 
entretanto, à evolução já descrita para o fenômeno. 
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Resistência 
• A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão de 
corpos-de- prova realizados com argamassa. 
• A forma do corpo de prova, suas dimensões, o traço da argamassa, sua 
consistência e o tipo de areia empregado são definidos nas especificações 
correspondentes, e constituem características que variam de um país para outro. 
• No Brasil, o corpo-de-prova e um cilindro de 10cm de altura por 5cm de ∅. A 
consistência da argamassa é determinada pelo ensaio de escorregamento da 
argamassa normal sobre mesa cadente. 
• O processo é descrito pormenorizadamente no método NBR 7215 (MB-1) da ABNT. 
Molda-se com argamassa um corpo-de-prova de formato tronco de cone, tendo 
como diâmetros das bases 125 e 80mm e como altura 65mm sobre uma 
plataforma lisa de um mecanismo capaz de promover quedas de 14mm de altura. 
No ensaio são executadas trinta quedas em trinta segundos (ver fig. 3.6).
• Os corpos-de-prova assim executados são conservados em câmara úmida por 24 
horas, e 
• NBR 5732 (EB-1) exige, aos três dias de idade, resistênciamínima de 8 MPa. Aos 
sete dias, 15 MPa e, aos 28 dias, 25 MPa. 
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Exsudação:
• A exsudação é um fenômeno de segregação que ocorre nas pastas de 
cimento. 
• Os grãos de cimento, sendo mais pesados que a água que os envolve, são 
forçados por gravidade, a uma sedimentação, quando possível. 
• Resulta dessa tendência de movimentação dos grãos para baixo um 
afloramento do excesso de água, expulso das porções inferiores. 
• Esse fenômeno ocorre, evidentemente, antes do início da pega. 
• A água que se acumula superficialmente é chamada exsudação e é 
expressa como percentagem do volume inicial da mesma, na mistura. 
• É uma forma de segregação que prejudica a uniformidade, a resistência e 
a durabilidade dos concretos. 
• A finura do cimento influi na redução da exsudação, o que se compreende 
facilmente, considerando-se que a diminuição dos espaços intergranulares
aumenta a resistência ao percurso ascendente da água. 
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Expansibilidade
• O cimento não deve ser expansivo para não 
provocar tensões, fissuração e aumento 
prejudicial de volume;
• Os principais responsáveis pela expansão são 
o CaO e o MgO;
• As normas fixam limites máximos para a 
expansão (a frio ou a quente) com as agulhas 
de Le Chatelier, conforme a norma NBR 
11582.
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• Exigências Físicas:
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• PROPRIEDADES QUÍMICAS:
• As propriedades químicas do cimento Portland estão 
diretamente ligadas ao processo de endurecimento por 
hidratação. 
Ainda não se conhecem com muita precisão as reações e os 
compostos envolvidos no processo de endurecimento, 
restando muitas questões a serem esclarecidas. 
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Estabilidade 
• A estabilidade do cimento é uma característica ligada à ocorrência 
eventual de indesejáveis expansões volumétricas posteriores ao 
endurecimento do concreto e resulta da hidratação de cal e magnésia livre 
nele presentes. 
• Quando o cimento contém apreciáveis proporções de cal livre (CaO), esse 
óxido, ao se hidratar posteriormente ao endurecimento, aumenta de 
volume, criando tensões internas que conduzem a microfissuracao, e pode 
terminar na desagregação mais ou menos completa do material. 
• Tal fenômeno ocorre com maior razão com o óxido de magnésio, motivo 
pelo qual as especificações limitam a proporção da presença desses 
constituintes no cimento. 
• Determina-se a estabilidade do cimento pelos ensaios de expansão em 
autoclave onde a pasta de cimento é submetida a um processo acelerado 
de endurecimento em temperatura elevada, de modo a fazer aparecer, em 
sua provável grandeza, a expansão resultante da hidratação, tanto da cal 
quanto da magnésia livre. 
• No Brasil, utiliza-se, para esse ensaio, a chamada agulha de Le Chatelier, a 
NBR 5732 e a NBR5733. Este ensaio também pode ser feito a frio. 
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Calor de Hidratação 
• A energia térmica produzida principalmente pela elevação de temperatura, 
resultante nas obras volumosas, a qual conduz ao aparecimento de trincas de 
contração ao fim do resfriamento da massa. 
• O desenvolvimento de calor varia com a composição do cimento, especialmente 
com as proporções de silicato e aluminato tricálcicos. 
• O valor do calor de hidratação do cimento Portland ordinário varia entre 85 e 
100cal/g, reduzindo- se a 60 a 80cal/g nos cimentos de baixo calor de hidratação. 
Os valores do calor de hidratação dos constituintes do cimento são os seguintes: 
– C3S – 120cal/g 
– C2S – 62cal/g 
– C3A – 207cal/g 
– C4AF – 100cal/g 
– Magnésia – 203cal/g 
– Cal – 279cal/g 
• O método mais comum para a determinação do calor de hidratação do cimento é 
o calor de dissolução. 
• O interesse do conhecimento do valor do calor de hidratação do cimento reside na 
possibilidade do estudo da evolução térmica durante o endurecimento do 
concreto em obras volumosas. 
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Resistência aos Agentes Agressivos 
• O cimento constitui o elemento mais suscetível ao eventual ataque, já 
que os agregados são de natureza predominantemente inerte. 
• Os silicatos de cálcio mais ou menos hidratados e principalmente a cal 
hidratada, presentes no cimento hidratado, são os elementos submetidos 
a ataque químico. 
• O hidróxido de cálcio presente na proporção de 15 a 20% do peso do 
cimento original constitui o ponto mais vulnerável. 
– As águas puras, dissolvem 1,3 grama por litro nas temperaturas correntes. 
– As águas ácidas, como, por exemplo, a água de chuva, com certa proporção de 
gás carbônico dissolvido, agem sobre a cal do cimento hidratado segundo 
processo que varia em função da concentração do anidrido carbônico. 
– As águas podem ser igualmente agressivas quando contêm outros ácidos, 
como acontece com os resíduos industriais e águas provenientes de charcos 
contendo ácidos orgânicos. 
– Águas parada, contendo mais de meio grama de sulfato de cálcio/litro, e águas 
correntes com mais de 0,3g podem, em geral, ser consideradas perigosas. 
• A água sulfatada ataca o cimento hidratado por reação do sulfato com 
aluminato, produzindo um sulfoaluminato com grande aumento de 
volume. 
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Reação Álcali-Agregado. 
• Identifica-se como reação álcali-agregado a 
formação de produtos gelatinosos 
acompanhada de grande expansão de volume 
pela combinação dos álcalis do cimento com a 
sílica ativa finamente dividida, eventualmente 
presente nos agregados. 
• Uso de cimentos a base de escorias e 
pozolanas evita o risco desta reação.
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Perda de fogo
– O ensaio de perda de fogo – NBR 5743 (MB-510) – se faz por diferença
de pesagens de amostra de cimento portland elevada à temperatura
de 900ºC a 1000ºC em cadinho de platina. Dessa forma mede-se:
a) perda de água de cristalização – o que constitui uma indicação sobre o
eventual início de hidratação do cimento;
b) perda de CO2 – se houve início de carbonatação (reação com o CO2 do ar) ou
se existir, misturado no cimento, pó de CaCO3; e,
c) a perda ao fogo é de, no máximo, 4,0% de acordo com a NBR 5732 (EB-1/77).
• Exigências Químicas:
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