aula 1 - materiais de construcao civil I

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CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
Disciplina: Materiais de Construção Civil I 
Introdução aos materiais de construção e estrutura 
cristalina dos materiais. 
Ceres – 2021.1 
Profº M.e Janaíne Mônica de Oliveira Sousa 
Associação Educativa Evangélica 
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
Disciplina: Materiais de Construção Civil I 
Introdução aos materiais de construção e estrutura cristalina dos 
materiais. 
OBJETIVOS: 
• Apresentar a classificação clássica dos materiais; 
• Apresentar as principais características dos materiais; 
• Diferenciar os tipos de materiais quanto às suas aplicações; 
• Introduzir o conceito de cristalinidade; 
• Relacionar estrutura cristalina com massa específica. 
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REFERÊNCIAS: 
• SMITH, Willian F.; HASHEMI, JAVAD. Fundamento da Engenharia e Ciência 
dos materiais 
 
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
Disciplina: Materiais de Construção Civil I 
Introdução aos materiais de construção e estrutura cristalina dos 
materiais. 
Associação Educativa Evangélica 
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Ementa 
• CIÊNCIAS DOS MATERIAIS 
Propriedades dos Materiais (Mecânicas, Elétricas, Térmicas, Magnéticas e Ópticas); Aglomerantes; 
Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas dos Materiais; Corrosão e 
Degradação dos Materiais; Seleção de Materiais e Considerações de Projeto. 
 
• MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL 
Aglomerantes, Cimento Portland; Agregados; Águas; Aditivos; Pastas, Argamassas e Concreto; Preparo, 
Transporte, Lançamento, Adensamento e Cura do Concreto; Propriedades do Concreto (Fresco e 
Endurecido); Dosagem de concreto; Patologia e Terapia das Construções; A Madeira; Materiais 
Cerâmicos; Aços e ligas metálicas para construção civil; Polímeros; Tintas e vernizes utilizados em 
construção civil; A Carbonatação do Concreto e sua Durabilidade. 
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Referências Bibliográficas 
 
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Técnicas de avaliação 
• 1ª VA – online – 05 a 11 de março 
– Prova teórica virtual com pontuação de 0 a 50 pontos 
– Atividades processuais com pontuação de 0 a 50 pontos 
• Listas de exercícios: 0 a 25 pontos 
• Seminário em dupla: 0 a 25 pontos 
– Atividade de complementação de carga horária sem 
pontuação 
• Mapa conceitual 
• Leitura referencial 
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Técnicas de avaliação 
• 2ª VA – presencial – 10 a 15 de maio 
– Prova teórica presencial com pontuação de 0 a 50 pontos 
– Atividades processuais com pontuação de 0 a 50 pontos 
• Listas de exercícios: 0 a 25 pontos 
• Relatório de atividades: 0 a 25 pontos 
– Atividade de complementação de carga horária sem 
pontuação 
• Mapa conceitual 
• Leitura de artigos científicos 
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Técnicas de avaliação 
• 3ª VA – presencial – 14 a 19 de junho 
– Prova teórica presencial com pontuação de 0 a 50 pontos 
– Atividades processuais com pontuação de 0 a 50 pontos 
• Listas de exercícios: 0 a 35 pontos 
• Relatório: 0 a 15 pontos 
– Atividade de complementação de carga horária sem 
pontuação 
• Mapa conceitual 
• Leitura de artigos científicos 
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Porque estudar materiais? 
• Tudo que enxergamos e tocamos é composto por um tipo de 
material!!! 
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Contexto histórico 
Idade da 
Pedra 
• Lascavam e 
poliam a pedra 
para fazer 
ferramentas 
mais úteis 
Idade do 
Bronze 
• Desenvolveu-se 
essa liga 
metálica a partir 
do estanho e do 
cobre 
Idade do 
Ferro 
• Dominou-se a 
técnica de 
metalurgia do 
ferro. 
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Ciência dos materiais 
• A ciência dos materiais envolve a investigação das correlações que 
existem entre as estruturas e propriedades dos materiais. 
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Estruturas dos materiais 
• Arranjo dos 
componentes 
internos de um 
material 
 
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Propriedade 
 
• É uma característica 
do material 
relacionada a resposta 
que este material 
apresenta a um 
específico estímulo. 
 
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Estrutura atômica e química 
Ligação iônica 
 É aquela que ocorre entre 
átomos que necessitam de 
uma transferência de elétrons, 
ou seja, um átomo cede 
elétrons para outro que os 
recebe, de modo que ambos 
ficam estáveis 
 Formam redes cristalinas 
 Elevam o ponto de ebulição e 
fusão 
 Formam compostos frágeis 
 Ao serem fundidos, os 
compostos conduzem 
corrente elétrica 
Ligação iônica 
Ligação iônica 
Ligação iônica 
Ligação covalente 
 As configurações eletrônicas estáveis 
são assumidas pelo 
compartilhamento de elétrons entre 
átomos adjacentes 
 Ligações covalentes podem ser 
muito fortes, como no diamante, que 
é muito duro e tem uma alta 
temperatura de fusão, > 3550°C ou 
elas podem ser muito fracas, como 
no bismuto, que se funde a 270°C 
 O número de ligações para um 
átomo são limitadas. Por exemplo, o 
C faz 4 ligações, o H faz 1 ligação e 
o O faz 2 ligações. 
 Ligações direcionais 
Ligação covalente 
Ligação covalente 
Ligação covalente 
Ligação covalente 
Ligação metálica 
 Os elementos metálicos são átomos 
eletropositivos dispostos a doar seus 
elétrons de valência; 
 Os elétrons de valência movem-se 
livremente (nuvem de elétrons ou mar de 
elétrons) e por isso os metais são bons 
condutores de eletricidade a baixa 
temperatura 
 Os núcleos, positivamente carregados, 
ficam unidos pela atração mútua com os 
elétrons, produzindo uma ligação metálica 
 Apresentam boa ductilidade, pois suas 
ligações não são direcionais. 
Elétrons livres em 
movimento 
Em torno de 
cátions metálicos 
Associação Educativa Evangélica ASKELAND, Donald R.; PHULE, Pradeep Prabhakar. Ciência e Engenharia dos Materiais. 
Considerações sobre a ligação iônica 
e covalente 
Classificação de materiais 
Metais 
 Combinações de elementos metálicos 
 Os elétrons não estão ligados a 
nenhum átomo em particular e por isso 
são bons condutores de calor e 
eletricidade 
 Não são transparentes à luz visível 
 Apresentam brilho quando polidos 
 Resistentes e deformáveis 
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Metais 
 
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Cerâmicas 
 
 Compostos por elementos 
metálicos e não metálicos 
 Normalmente são carbetos, 
nitretos e óxidos. 
 Isolantes a passagem de 
eletricidade 
 São mais resistentes a altas 
temperaturas 
 São duras e frágeis 
 
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Cerâmicas 
 
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Polímeros 
 
 São compostos orgânicos 
quimicamente baseados em C, 
H e outros compostos não 
metálicos 
 Familiarmente plásticos e 
borracha 
 Possuem grandes estruturas 
moleculares 
 Baixa densidade 
 Extremamente flexíveis 
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Polímeros 
 
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Compósitos 
 
 Um compósito é a união 
entre dois materiais 
visando uma combinação 
das melhores 
características de cada 
um dos dois 
componentes 
 
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Evolução da utilização dos materiais 
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Relação entre tipo de ligação e 
material 
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Relação entre tipo de ligação e 
material 
Quanto maior a energia envolvida numa ligação química, 
há uma tendência de: 
 Maior o ponto de fusão do composto 
 Maior resistência mecânica 
 Maior a dureza 
 Maior o módulo de elasticidade 
 Maior a estabilidade química 
 Menor a dilatação térmica 
Ligação iônica Ligação covalente Ligação metálica > > 
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Estrutura dos sólidos cristalinos 
• A estrutura cristalina é a maneira 
segundo a qual os átomos, íons ou 
moléculas estão arranjados. 
• A estrutura cristalina é formada 
durante a solidificação do material. 
• Todos metais, muitas cerâmicas e 
alguns polímeros formam estrutura 
cristalina sob condições normais de 
solidificação 
 
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Estrutura dos sólidos cristalinos 
• As propriedades dos materiais 
cristalinos dependem da sua 
estrutura cristalina. 
• Existe um número enorme de 
estruturas cristalinas diferentes, 
todas possuindo uma ordenação 
atômica de longo alcance. 
• Variam de estruturas relativamente 
simples, para alguns metais, até 
estruturas excessivamente 
complexas como no casos das 
cerâmicas e de alguns polímeros. 
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Classificação dos materiais conforme 
a estrutura cristalina 
 
 Os materiais sólidos podem ser classificados de 
acordo com a regularidade segundo a qual os átomos ou 
íons estão arranjados em relação uns ao outros. 
 Material cristalino: 
 Os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico 
ao longo de grandes distâncias atômicas formando uma estrutura 
tridimensional chamada rede cristalina. 
 
 
 Material não-cristalino ou amorfo: 
 Não possuem um arranjo atômico regular e sistemático. 
Líquido super 
resfriado 
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Estrutura cristalina 
 
 Para representar a estrutura cristalina utiliza-se do modelo de 
esfera rígida atômica. 
 Os átomos são representados por esferas sólidas, e os vizinhos estão em contato 
imediato. 
Iônicos 
Covalente
s Metais 
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Célula unitária 
 
 Unidade estrutural básica, ou bloco construtivo da estrutura 
cristalina. 
 Consiste num pequeno grupo de átomos que formam um modelo 
repetitivo ao longo da estrutura tridimensional. 
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Célula unitária 
 
 A geometria da célula unitária é completamente definida em termos 
de seis parâmetros: 
 Os comprimentos das três arestas, a, b e c, e os três ângulos entre os eixos α, β, e 
γ. 
 Esses parâmetros são chamados de parâmetros de rede da 
estrutura cristalina. 
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Célula unitária 
 
 Todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por 
superfícies planas contínuas. 
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Estrutura cristalina dos metais 
 
 Não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos 
mais próximos, isso porque a ligação metálica é não-
direcional. 
 Apresentam empacotamento compacto, pois quanto mais 
próximos os átomos mais estável o material será. 
 A maioria dos materiais apresentam cristalização com as 
seguintes estruturas cristalinas: 
 Cúbica corpo centrado (CCC) 
 Cúbica de face centrada (CFC) 
 Hexagonal compacta (HC) 
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Estrutura cristalina cúbica simples (CS) 
 
 Os átomos da matriz são 
dispostos nos vértices de 1 
cubo. 
 A célula unitária apresenta 
apenas 1/8 de cada átomo, ou 
seja, a célula unitária só possui 
1 átomo. 
 O empacotamento atômico é 
baixo, por esta razão os metais 
não cristalizam nesta estrutura. 
 O ferro na fase α apresenta este 
tipo de estrutura. 
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Estrutura cristalina cúbica simples 
(CS) 
 
Número de 
coordenação 
Número de átomos 
vizinhos mais 
próximos. Na estrutura 
CS o número de 
coordenação é 6. 
 
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Relação entre raio atômico e 
parâmetro de rede 
 No sistema cúbico simples 
os átomos se tocam na face. 
a = 2R Célula 
Unitária 
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Fator de empacotamento atômico 
 
 O FEA é a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no 
interior de uma célula unitária dividida pelo volume da célula 
unitária. 
FEACS = 0,52 
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Estrutura Cristalina cúbica de corpo 
centrado (CCC) 
 Possui átomos localizados 
nos vértices do cubo e um 
único átomo no centro do 
cubo. 
 Os átomos no centro e nos 
vértices se tocam uns nos 
outros ao longo das 
diagonais do cubo. 
 Existem 2 átomos dentro 
de cada célula unitária. 
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Relação entre raio atômico e 
parâmetro de rede 
 
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Fator de empacotamento atômico 
 O número de coordenação para a estrutura cristalina CCC é 8. 
FEACCC = 0,68 
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Estrutura Cristalina Cúbico de Face 
Centrada (CFC) 
 
 Possui átomos 
localizados em cada um 
dos vértices do cubo e 
nos centros de todas as 
faces do cubo. 
 As esferas se tocam 
umas nas outras ao 
longo da diagonal da 
face. 
 Há um total de quatro 
átomos inteiros por célula 
unitária 
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Relação entre raio atômico e 
parâmetro de rede 
 
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Fator de empacotamento atômico 
 
 O número de coordenação para a estrutura cristalina CFC é 
12. 
 
 
FEACFC = 0,74 
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Estrutura Cristalina Hexagonal 
Compacta (HC) 
 Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente 
abaixo ou acima dos interstícios 
formados entre as camadas 
adjacentes 
 Cada átomo tangencia 3 
átomos da camada de cima, 6 
átomos no seu próprio plano e 
3 na camada de baixo do seu 
plano 
 São 6 átomos contidos em cada 
célula unitária. 
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Relação entre raio atômico e 
parâmetro de rede 
 
c/a = 1,633 
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Fator de empacotamento atômico 
 O número de coordenação do sistema HC é 12. 
FEAHC = 
0,74 
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Comparação – estruturas cristalinas 
 
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Estrutura cristalina para metais 
 
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Estrutura cristalina para cerâmicas 
 
 Uma vez que as cerâmicas são compostas 
por pelo menos dois elementos, as suas 
estruturas são em geral mais complexas do 
que as dos metais. 
 Estruturas cristalinas compostas por íons 
eletricamente carregados, em vez de 
átomos; 
 Duas características dos íons influenciam a 
estrutura dos cristal: 
 O cristal deve ser eletricamente neutro! 
 Envolve os raios iônicos dos cátions e ânions 
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Estrutura cristalina – cloreto de 
sódio 
 
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Estrutura cristalina – cloreto de 
césio 
 
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Estrutura cristalina dos polímeros 
 
 Nos polímeros os arranjos 
atômicos são mais complexos, 
pois estes envolvem moléculas 
em vez de átomos. 
 A cristalinidade nos polímeros é 
tida como o empacotamento de 
cadeias moleculares para 
produzir um arranjo atômico 
ordenado. 
 O grau de cristalinidade pode 
variar desde totalmente amorfo 
até quase totalmente cristalino. 
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Cálculo de Massa Específica 
 
 A partir do conhecimento da estrutura cristalina pode-se calcular 
sua massa específica (densidade) (ρ): 
 
onde: 
n = número de átomos associados a cada célula unitária 
A = peso atômico 
VC = volume da célula unitária 
NA = número de Avogadro (6,023x10
23 átomos/mol) 
 
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Finalizando... 
 1.Quais as principais classificações dos materiais? 
 2. Quais os tipos de célula unitária em metais? 
 3. O que é fator de empacotamento? 
 4. O que é parâmetro de rede? 
 5. Qual a principal propriedade de cada um dos tipos 
de materiais? 
RETOMADA DOS OBJETIVOS: 
• Apresentar a classificação clássica dos materiais; 
• Apresentar as principais características dos materiais; 
• Diferenciar os tipos de materiais quanto às suas aplicações; 
• Introduzir o conceito de cristalinidade; 
• Relacionar estrutura cristalina com massa específica. 
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
Disciplina: Materiais de Construção Civil I 
Introdução aos materiais de construção e estrutura cristalina dos 
materiais. 
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