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Aglomerantes Guanambi 2018 Professor: Otacisio Gomes Teixeira otacisiogteixeira@hotmail.com Materiais de construção civil I Aglomerantes • Aglomerante é o material fino ligante de uma pasta, responsável por promover a união entre grãos dos agregados. AGLOMERANTE ÁGUA PASTA + = ARGAMASSA + = AGREGADO MIÚDO CONCRETO = AGREGADO GRAÚDO AGLOMERANTE ÁGUA + + AGREGADO MIÚDO AGLOMERANTE ÁGUA + + = 2 3 Terminologias 4 Terminologias • Classificação: • Quimicamente inertes • Endurecem por simples secagem. Ex: argilas; • Quimicamente ativos • Endurecem pela ação de reações químicas. Ex: cimento Portland. • Quimicamente ativos: • Aéreos: necessitam da presença do ar e da água para endurecer; • Depois de endurecidos, não resistem bem quando imersos na água. • Devem ser usados apenas em contato com o ar. • Ex.: Cal aérea; • Hidráulicos: não necessitam da presença do ar para endurecer. • Depois de endurecidos, resistem bem a água. • O endurecimento dos aglomerantes hidráulicos se dá por ação exclusiva da água (reação de hidratação). • Ex.: Cimento Portland; • Poliméricos: reação de polimerização. 5 Principais aglomerantes •Gesso • Cal • Cimento 6 Aglomerantes GESSO • Brasil é o maior produtor da América do sul; • Entre os 10 maiores do mundo. Gesso 8 Fonte: Tese Sayonara Pinheiro, 2011. Fonte: Tese Sayonara Pinheiro, 2011. 9 Produção 10 Gesso • Produto da desidratação parcial da gipsita - (CaSO4. 2H20); • Gipso – rocha; • Gipsita – mineral; Dihidrato Hemihidrato Hemihidrato Água Dihidrato Calor + 11 Tipos • Gesso α - produzidos em autoclaves sob pressão de vapor. Gesso odontológico. • Gesso β - produzido em fornos com pressões inferiores a 1 atm. Gesso da construção civil. 12 Propriedades • Não resiste ao contato com a água após endurecido (solúvel em água após endurecido); • Baixa condutibilidade térmica (isolante); • É corrosivo ao aço; • Pega rápida (aditivos); • Elevada geração de resíduos – a perda estimada pode chegar a quase 50%. 13 Relação a/g e tempo de pega 14 Normas - gesso • NBR 13207 - Gesso para construção civil – Especificações • NBR 12127 - Gesso para construção - Determinação das propriedades do pó • NBR 12128 - Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas da pasta • NBR 12129 - Gesso para construção - Determinação das propriedades mecânicas • NBR 12130 - Gesso para construção - Determinação da água livre e de cristalização e teores de cálcio e anidrido sulfúrico • NBR 13207 - Gesso para construção civil • NBR 13867 - Revestimento interno de paredes e tetos com pastas de gesso - materiais, preparo, aplicação e acabamento 15 Impactos ambientais Contras • Gera quantidade significativa de resíduos; Prós • Consumo de energia – o menor entre os aglomerantes; • Sua reação libera água e não dióxido de carbono; • É possível de ser reciclado. 16 Reciclagem de gesso • Resolução CONAMA 431/2011 - "Estabelece diretrizes, critérios e procedimentos para a gestão dos resíduos da construção civil". • Classe B - são os resíduos recicláveis para outras destinações, tais como: plásticos, papel, papelão, metais, vidros, madeiras e gesso; • Proibido o lançamento de resíduos em aterros sanitário; • Reciclagem. 17 Aglomerantes CAL Cal O calcário é um minério. É a matéria prima para a produção do aglomerante cal. Composição Química CaCO3 – carbonato de cálcio MgCO3 – carbonato de magnésio 19 Cal aérea • Matéria-prima: calcário (CaCO3); • Produto da calcinação de pedras calcárias; • Transformação do carbonato em óxido. 56% 44% Cal viva – extremamente reativa. Não é aglomerante ainda. 20 Extração com uso de explosivos Produção 21 Extração manual da rocha e com uso de explosivos ANDRADE, J.K.C., 2005 22 Afloramentos de rocha calcária ANDRADE, J.K.C., 2005 23 Forno de Campanha para Cal 24 Forno Meda para Fabricação de Cal 25 ANDRADE, J.K.C., 2005 Etapas do processo de arrumação da caieira 26 Espaço vazio deixado no interior da caieira para contato da rocha com o fogo ANDRADE, J.K.C., 2005 27 Etapa de calcinação ANDRADE, J.K.C., 2005 28 Etapa de calcinação ANDRADE, J.K.C., 2005 29 Retirada da rocha após a calcinação ANDRADE, J.K.C., 2005 30 Forno rotativo (Klabin) – 1000 t/d 31 Cal virgem (CaO)– aplicações Sua maior aplicação é na obtenção da cal hidratada. Usada no tratamento de água das cidades. Usada na purificação da sacarose (cal cálcica). Usada na obtenção do carboreto e acetileno. Usada na correção da acidez do solo. Embalagem deve ser sempre de plástico. 32 Hidratação (extinção da cal) • Objetivo: transformar os óxidos de cálcio e magnésio em hidróxidos, pela adição de água; • A cal viva reage energicamente com a água; • Reação exotérmica; Aprox.: 400 °C 33 Hidratação da cal virgem Tanque de Extinção de Cal Virgem 34 Etapa de hidratação (“aguação”) ANDRADE, J.K.C., 2005 35 Moagem da cal ANDRADE, J.K.C., 2005 36 Empacotamento e costura dos sacos 37 Armazenamento 38 Endurecimento da cal Ocorre com lentidão. Ocorre de fora para dentro, exigindo certa porosidade para permitir a evaporação da água em excesso e a penetração do gás carbônico da atmosfera. REAÇÃO DE CARBONATAÇÃO Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O UR abaixo de 50% - carbonatação é muito lenta. 39 Ciclo da cal 40 Classes • ABNT NBR 7175/03; • CHI, CHII e CHIII; • Exigências químicas e físicas pra cada um dos tipos; • No geral, quanto maior a classe, pior a cal; • CH III é mais carbonatada. 41 42 Propriedades da cal nas argamassas • Melhora a trabalhabilidade e plasticidade; • Melhora a capacidade de retenção de água; • Diminuição da exsudação e da retração por secagem; • Proporciona maior permeabilidade. 43 Impactos ambientais • Gera uma quantidade significativa de dióxido de carbono (parte é reabsorvido na recarbonatação); • Demanda energia, Temperatura de calcinação maior que da cal aérea; 44 Aglomerantes CIMENTO PORTLAND Cimento O cimento é um material aglomerante na forma de um pó fino, com dimensões médias da ordem dos 45 µm, que resulta da mistura de clínquer com outros materiais, tais como o gesso, pozolanas, ou escórias silicosas, em quantidades que dependem do tipo de aplicação e das características procuradas para o cimento. 46 Cimento Portland • Amplamente empregado no planeta; • O concreto é o 2° material mais consumido no mundo (1° é a água); • 71 milhões de toneladas consumidas no Brasil em 2013; (SNIC, 2016). PORTLAND: • “(...) recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland.” (ABCP, 2016). 47 Fonte: Google Maps 48 49 50 (2013) 51 52 Produção • Matérias-primas: • Calcário (80%) – CaO • Argila (20%)– SiO2; Al2O3; Fe2O3 • Após a calcinação: • Gipsita (CaSO4 . 2H2O) • Adições. Regularização da pega 53 Produção 54 • Calcários • Constituídos basicamente de carbonato de cálcio CaCO3 e podem conter várias impurezas, como magnésio, silício, alumínio ou ferro; • O carbonato de cálcio é conhecido desde épocas muito remotas, sob a forma de minerais tais como o calcário e o mármore; • O calcário é um rocha sedimentar, sendo a terceira rocha mais abundante na crosta terrestre e somente o xisto e o arenito são mais encontrados; • O elemento cálcio ( 40% do calcário), é o quinto mais abundante na crosta terrestre, após o oxigênio, silício, alumínio e o ferro. • 75-80% de calcário 55 • Argila • Silicatos complexos contendo alumínio e ferro como cátions principais e potássio, magnésio, sódio, cálcio, titânio e outros; • A escolha da argila envolve disponibilidade, distância, relação sílica/alumínio/ferro e elementos menores como álcalis; • A argila fornece os componentes Al2O3, Fe2O3 e SiO2. Podendo ser utilizado bauxita, minério de ferro e areia para corrigir, respectivamente, os teores dos componentes necessários, porém são pouco empregados. • 20-25% de argila 56 • Gesso • É o produto de adição final no processo de fabricação do cimento, com o fim de regular o tempo de pega por ocasião das reações de hidratação. É encontrado sob as formas de gipsita (CaSO4. 2H2O), hemidratado ou bassanita (CaSO4.0,5H2O) e anidrita (CaSO4). Utiliza-se também o gesso proveniente da indústria de ácido fosfórico a partir da apatita: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 + 6H2O → 2H3PO4 + 3(CaSO. 2H2O) • O gesso é destinado ao controle do tempo de pega do cimento, para propiciar o manuseio ao adicionar água; • O teor de gesso varia em torno de 3% no cimento. 57 58 Composição química - simbologia 59 Composição química 60 Reações no forno • 5CaCO3 + 2SiO2 ----- 3CaO . SiO2 + 2CaO . SiO2 + 5CO2 • Outros componentes em menor quantidade: Na2O, MnO, K2O, magnésio, enxofre, fósforo. Composto Fórmula Símbolo Teor (%) Silicato Tricálcico 3CaO . SiO2 C3S 50 – 60 Silicato Dicálcico 2CaO . SiO2 C2S 20 – 25 Aluminato Tricálcico 3CaO.Al2O3 C3A 6 – 12 Ferroaluminato Tetracálcico 4CaO. Al2O3.Fe2O3 C4AF 8 – 12 61 Compostos anidros C3S – Aparece como cristais em placas hexagonais; C2S – Aparece como grãos arredondados; C4AF e C3A – Intersticiais. C3S C2S C3A C4AF 62 Principais compostos do cimento • C3S: É responsável pela resistência nos primeiros dias de idade da pasta. Hidrata com velocidade mediana e não libera muito calor; • C2S: reage mais lentamente com a água porém, após períodos maiores (aproximadamente um ano), atinge a mesma resistência mecânica que a alita (C3S). Intensidade de sua reação é lenta, sendo pequeno o calor desenvolvido; 63 Principais compostos do cimento • C3A: pega quase instantânea com intensidade rápida de reação com grande produção de calor. Tem pequena resistência mecânica. Importância ao cimento Portland é tornar possível menores temperaturas do forno; • C4AF: apresenta taxas inicialmente altas de reatividade com a água. Em idades mais avançadas: taxas baixas ou muito baixas contribui pouco para a resistência mecânica. 64 Propriedades dos compostos dos cimentos 65 Reação de hidratação • Endurecimento da massa; • Exotérmica; • Compostos anidros + água -------- Compostos hidratados • O tamanho dos grãos (finura) influência na reatividade; • Grãos maiores demandam mais tempo para se hidratarem. 66 Reação de hidratação • Os compostos cristalizam e “se colam” uns aos outros formando um conjunto com elevada resistência; • O grão se hidrata de “fora pra dentro”. 67 Reação de hidratação Hidratação da fase silicato Hidratação da fase aluminato 68 CH – Cristais hexagonais CSH – Estruturas fibrilares Etringita – Cristais porosos e de baixa resistência 69 Relação água/cimento • Quantidade de água da mistura medida em relação à massa de cimento; • A água necessária para hidratar o cimento é em torno de 20% da quantidade; • Água adicional – Trabalhabilidade. 70 Exemplos de relação água/aglomerante baixa. Trabalhabilidade? 71 72 Lei de Abrams Relação a/c X resistência à compressão 73 Impactos Ambientais • Elevado consumo de energia – térmica e elétrica; • 1 ton -------------- 1 ton de CO2; (KHALE, CHAUDHARY, 2007). • 1 ton -------------- 2,8 ton de matérias-primas; (KHALE, CHAUDHARY, 2007). • 5 a 8% das emissões antrópicas de CO2. (VAN DEVENTER et al, 2012). Calcinação Moagem Queima de combustíveis Calcinação do calcário 74 Adições minerais • As adições são matérias-primas que, misturadas ao clínquer na fase de moagem, permitem a fabricação dos diversos tipos de cimento Portland hoje disponíveis no mercado. •Escória granulada de alto forno; •Pozolanas; •Filler. 75 Escória granulada de alto forno • Composição semelhante ao CP; • Propriedades hidráulicas latentes; • Ativação química e física; • Resfriamento brusco; • Reação lenta. pH elevado Finura Fonte Imagem: Notas de aula Prof.Eduardo C. S. Thomaz - IME 76 Vantagens conferidas ao concreto • Melhor trabalhabilidade; • Desprendimento de calor de forma lenta; • Microestrutura mais densa da pasta; • Durabilidade. Desvantagens Perda rápida de abatimento; Retardamento de pega em temperaturas normais; Sensível a variações de água. 77 • Materiais silicosos ou sílico-aluminosos; • Pouca ou nenhum valor cimentício; • Quando finamente subdivididos e na presença de umidade, reagem quimicamente com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente formando compostos com propriedades cimentícias. POZOLANA + CH + H --------- C-S-H Materiais mais comumente encontrados: • Cinzas vulcânicas – pozolana original; • Pumicita; • Opalina; • Micas e calcedônias; • Terras diatomáceas calcinadas; • Argila calcinada. 78 Pozolanas Metacaulim Filler • Material carbonático (CaCO3); • Não reativo; • Material finamente dividido que em decorrência de sua ação física melhora as propriedades do concreto; • Usado para enchimento. 79 Tipos de Cimento Portland no Brasil Tipo Classe Resist. (MPa) Composição Norma Brasileira Clínquer + Sulfatos de cálcio Escória Alto Forno Pozolana Materiais Carbonáticos CP I CPI- S 25 32 40 100 95 - 99 0 1 - 5 NBR 5732 CP II - E CP II - Z CP II - F 25 32 40 56 - 94 76 - 94 90 - 94 6 - 34 6 - 14 0 - 10 0 - 10 6 - 10 NBR 11578 CP III 25 32 40 25 - 65 35 - 70 0 0 - 5 NBR 5735 CP IV 25 32 45 - 85 0 15 - 40 0 - 5 NBR 5736 CP V - ARI 95 - 100 0 0 0 - 5 NBR 5733 CP V - ARI - RS 95 - 100 * * 0 - 5 NBR 5737 80 CP I – “Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio” NBR 5732/91 CP II – Cimento Portland Composto: Adição de Escória de Alto Forno, Material Pozolânico, Material Carbonático e porcentagens pré- estabelecidas. CP III - Cimento Portland de alto-forno“Aglomerante hidráulico obtido pela mistura homogênea de clínquer Portland e escória granulada de alto-forno, moídos em conjunto ou em separado” – NBR 5735. CP IV - Cimento Portland Pozolânico “Aglomerante hidráulico obtido pela mistura homogênea de clínquer Portland e materiais pozolânicos moídos em conjunto ou em separado” – NBR 5736/1991. 81 Qual a diferença entre estes cimentos? 82 Aplicações 83 Aplicações 84 Aplicações 85 Pega e endurecimento • Pega: período inicial de solidificação pasta (passagem do estado plástico para o sólido); • Endurecimento: período de tempo em que o material ganha resistência, mesmo após o final de pega; • Início de pega: tempo que decorre desde a adição de água até o início das reações com os compostos de cimento (momento que a pasta começa a endurecer); • Fim de pega: situação em que a pasta não sofre mais nenhuma deformação em função de pequenas cargas e se torna um bloco rígido (momento que a pasta já está completamente sólida). 86 Aglomerantes De pega rápida (gesso) – Início de pega: 8 min; De pega semi-lenta (alguns cimentos) - Início de pega: de 8 a 30 minutos; De pega lenta (cal aérea) - Início de pega: de 30 minutos a 6 horas. 87 ABNT NBR NM 65:2003 - Cimento Portland - Determinação do tempo de pega 88 Pasta de Consistência Normal O tempo de pega é determinado por ensaio no aparelho de Vicat, utilizando a pasta de cimento misturada em proporção que conduz a uma consistência denominada normal. A consistência normal é verificada no mesmo aparelho de Vicat, utilizando-se a chamada sonda de Tetmajer, um corpo cilíndrico, metálico, liso, de 10 mm de diâmetro e com extremidade em seção reta. A sonda é posta a penetrar verticalmente em pasta fresca por ação de um peso total (incluindo a sonda) de 300 g . 89 No ensaio de consistência da pasta, a sonda penetra e estaciona a uma certa distância do fundo do aparelho. Essa distância, medida em milímetros, é denominada índice de consistência. A pasta, preparada para ensaios de pega, deve ter uma consistência normal de 6 mm, isto é, a sonda de Tetmajer deve estacionar à distância de 6 mm do fundo da amostra. 90 Propriedades Físicas: PREPARAÇÃO DO EQUIPAMENTO: • Descer a agulha até que sua extremidade inferior repouse sobre a placa de vidro. O indicador (F) deve ser colocado no zero da escala graduada e fixado pelo parafuso (E). 91 Propriedades Físicas: MEDIDA DO INÍCIO E FIM DE PEGA: 1)Preparar uma Pasta de Consistência Normal; 2)Considera-se como Início de Pega o momento em que a agulha descendo sobre a pasta de consistência normal, sem velocidade inicial, estacionar a 1 mm da placa de vidro, sendo esta leitura feita 30s após o início da penetração da agulha na pasta; 92 Propriedades Físicas: MEDIDA DO INÍCIO E FIM DE PEGA: Caso não seja constatado o início de pega, levante a haste com a agulha, limpe-a e volte a descê-la até a superfície da pasta. Até a constatação do início de pega fazer a leitura a cada 10 min. 93 Propriedades Físicas: MEDIDA DO FIM DE PEGA: 1) Inverter o molde cheio, de forma que os ensaios sejam feitos na face oposta (que estava em contato com a base), e efetuar as medidas conforme anteriormente. 2) O fim de pega é constatado quando a agulha penetrar pela primeira vez 0,5mm na pasta após 3 leituras consecutivas iguais. 94 95 Blaine: o ensaio mede a superfície específica dos grãos de cimento, com resultado expresso em cm2/g. Quanto maior o valor de Blaine, mais fino é o cimento. Os cimentos mais finos, desde que de mesma qualidade, hidratam-se mais facilmente e atingem maiores resistências, especialmente nos primeiros dias. Há valores mínimos estabelecidos para cada tipo. 96 Exigências físicas Tipos Classe (MPa) Finura Tempo de Pega Expansibilidade Resistência à Compressão # 200 (75 um) Blaine (m²/Kg ) Início (h) Fim (h) A Frio (mm) A quente (mm) 1 Dia (MPa) 3 Dia (MPa) 7 Dias (MPa) 28 Dias (MPa ) CP I CP I - S 25 32 40 < 12,0 < 12,0 < 10,0 > 240 > 260 > 280 > 1 < 10,0 z< 5,0 < 5,0 - > 8,0 > 10,0 > 15,0 > 15,0 > 20,0 > 25,0 > 25,0 > 32,0 > 40,0 CP II - E CP II - Z CP II - F 25 32 40 < 12,0 < 12,0 < 10,0 > 240 > 260 > 280 > 1 < 10,0 < 5,0 < 5,0 - > 8,0 > 10,0 > 15,0 > 15,0 > 20,0 > 25,0 > 25,0 > 32,0 > 40,0 CP III 25 32 40 < 8,0 - > 1 < 12,0 < 5,0 < 5,0 - > 8,0 > 10,0 > 12,0 > 15,0 > 20,0 > 23,0 > 25,0 > 32,0 > 40,0 CP IV 25 32 < 8,0 - > 1 < 12,0 < 5,0 < 5,0 - > 8,0 > 10,0 > 15,0 > 20,0 > 25,0 > 32,0 CP V - ARI < 6,0 > 300 > 1 < 10,0 < 5,0 < 5,0 > 14,0 > 24,0 > 34,0 - CP V - ARI - RS < 6,0 > 300 > 1 < 10,0 < 5,0 < 5,0 > 11,0 > 24,0 > 34,0 - 97 Exigências químicas Tipos Resíduo Insolúvel Perda ao Fogo MgO SO3 CO2 % % % % % CP I < 1,0 < 2,0 < 6,5 < 4,0 < 1,0 CP I - S < 5,0 < 4,5 < 3,0 CP II - E < 2,5 < 6,5 < 6,5 < 4,0 < 5,0 CP II - Z < 16,0 CP II - F < 2,5 CP III < 1,5 < 4,5 - - - < 4,0 < 3,0 CP IV - - - < 4,5 < 6,5 < 4,0 < 3,0 CP V - ARI < 1,0 < 4,5 < 6,5 * * < 3,0 CP V - ARI - RS - - - < 4,5 < 6,5 * * < 3,0 * * < 3,5% para C3A < 8,0% e < 4,5% para C3A > 8,0% 98 Leitura recomendada • JOHN, V. M.; CINCOTTO, M. A. Alternativas de gestão dos resíduos de gesso. São Paulo. 2003. 9 p. Disponível em: <http://www.reciclagem.pcc.usp.br>. • JOHN, V. M.; CINCOTTO, M. A. Gesso de construção civil. In: ISAIA, G. C. Materiais de construção civil. São Paulo: Ibracon, 2007. p. 727- 760. • PINHEIRO, S. M. de M. Gesso Reciclado: avaliação de propriedades para uso em componentes. 2011. 303 p. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011. 99 Leitura recomendada • MEHTA, P. K. e MONTEIRO, J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. Ed. Pini, São Paulo, 1994. Capítulo 6. • PETRUCCI, E. G. R. Concreto de cimento Portland, Ed. Globo, Porto Alegre – Rio de Janeiro, 1992. Capítulo 3. 100
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