Cimento Portland

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Mestrado – Construção Civil 
Temas
Aglomerante hidráulico: Cimento Portland 
· definições e classificações; Ok
· processos de produção Ok
· cimento Portland com adições minerais como substitutos do clínquer Ok
· características físicas, químicas e mineralógicas; Ok
· mecanismos de hidratação e endurecimento; Ok
· estrutura interna e microestrutura Ok
· tipos e requisitos normalizados Ok
· influência do cimento Portland em propriedades de concretos e argamassas; Ok 
· aplicações na construção civil*
Cimento Portland – NBR 5732/1991 – Materiais de Construção Falcão Bauer – Vol 1. 
· Definição
1. O cimento Portland é o produto obtido pela trituração de clinker constituído de silicatos hidráulicos de cálcio, com uma determinada proporção de sulfato de cálcio, contendo, eventualmente, adições de certas substâncias que modificam suas propriedades e facilitam seu emprego.
a. Aglomerante hidráulico, pois durante sua hidratação reage de forma que a reação une suas partículas e de outros elementos.
2. Classificação:
a. Cimento Portland I: Cimento Portland Puro Nenhum tipo de modificação
i. Composição: 95% Clinquer + 5%Gipsita; 
ii. Utilização: Serviços que não demandam propriedades especiais do cimento;
1. CPI-S
2. Composição: 95 a 99% clínquer + 1 a 5 % de gesso;
b. Cimento Portland II: Cimento Portland Composto; 
i. Utilizado no revestimento de fachadas pois, possui menor tempo de pega que o CPIII
ii. CPII-Z – Indicado para fabricação de fossa séptica, pois seu concreto é mais resistente a ácidos;
1. Composição: 76 a 94% de clínquer + gesso 
2. 6 a 14 % de pozolana
3. Até 10% de filer
iii. CPII-E – Indicado para fabricação pisos, lajes e pilares
1. 56 a 94% de clínquer + gesso
2. 6 A 34% de escória de alto forno
3. Até 10% de filer
iv. CPII-F – Apresenta materiais carbonos, serve para fazer pisos e tijolos de solo-cimento.
1. 90 a 94% de clínquer + gesso 
2. 6 a 10 % de filer
v. Utilização: Todas as fases da construção;
c. Cimento Portland III: Cimento Portland de Alto forno
i. Concreto apresenta menos porosidade e mais durabilidade, podendo ser exposto à ambientes agressivos, como esgoto e chuva ácida; 
ii. Composição: 25 a 65% de clínquer + gesso
1. 35 a 70 % de escória 
2. Até 5 % de filer
iii. Utilizado na fabricação de fundações, peças de grandes dimensões, e barragens; Deve-se evitar utilização quando houver necessidade de desforma mais rápida, pois apresenta maior tempo de pega e cura que o CPII. Não indicado para realizar chapiscos e mistura em argamassas colantes;
d. Cimento Portland IV: Cimento Portland Pozolânico
i. Apresenta em sua composição cinzas de carvão e argila queimada, tornando um cimento pouco poroso;
ii. Composição: 45 a 85% de clínquer + gesso
1. 15 a 50% de pozolana 
2. Até 5% de filer
iii. Utilizado em obras que ficarão expostos a água corrente e ambientes agressivos; Cura mais lenta, adequado maior volume de concretagem, pois libera menos calor;
e. Cimento Portland V ARI – Cimento Portland de Alta resistência inicial
i. Utilizado em obras de concreto e argamassa, que necessitam de resistência inicial elevada, e desforma rápida. 
ii. Composição: 95 a 100% de clínquer + gesso 
1. Até 5% de filer
iii. Não recomendado concretagem com tais tipos de cimento sobre insolação e ventos fortes, pois devido sua alta liberação de calor, pode ocorrer fissuras na peça; 
iv. Não utilizar em concretos e argamassas de uso corriqueiro; Não resistentes a sulfatos; 
f. Subtipos de cimento Portland 
i. CPIII RS – Resistente a sulfatos
1. Utilizados em ambientes agressivos sulfatados, tais como, redes de esgoto doméstico, redes de esgoto industriais, e alguns tipos de solo
ii. CPIII BC - Baixo calor de hidratação 
1. Evita o aparecimento de fissuras de origem térmica
2. Utilizado em concretos de barragens ou grandes pilares, ou peças que possuem grande volume de concreto; 
iii. CPB – Cimento Portland Branco 
1. Estrutural ou não estrutural
a. Estrutural: Utilizado para ressaltar arquitetura 
b. Não estrutural: Utilizado para rejuntar azulejos;
3. Constituintes: Cal, Sílica, alumina, óxido de ferro, certa proporção de magnésia, pequena porcentagem de anidrido sulfúrico (adicionado após a calcinação para retardar o tempo de pega do produto); Contém ainda pequenas impurezas de óxidos de sódio, óxidos de potássio, e óxido de titânio; sendo os dois primeiros denominados de álcalis do cimento. 
a. Cal, sílica, alumina e óxido de ferro constituem, geralmente, cerca de 95 a 96% do total da análise óxidos.
b. A magnésia está usualmente na proporção de 2 a 3 %, limitada, pelas especificações, a um máximo permissível de 5%, (no Brasil 6,4%). Óxidos menores comparecem em proporção inferior a 1%, excepcionalmente 2%.
4. Produção: Mistura de matérias primas que contenham, em proporções convenientes os constituintes anteriormente relacionados (itens a & b), pulverizados e homogeneizados, é submetida a ação do calor no forno produtor de cimento, até a temperatura de fusão incipiente, que resulta na obtenção do clinker. Nesse processo ocorrem combinações químicas, que conduzem a formação dos seguintes compostos:
a. Silicato Tricálcico;
b. Silicato Bicálcico;
c. Aluminato Tricálcico;
d. Ferro aluminato tetracálcico; 
i. As propriedades do cimento, são relacionadas diretamente com as proporções dos silicatos e aluminatos.
ii. As proporções dos compostos constituintes do cimento, possuem influência nas propriedades finais do cimento e no concreto.
iii. Silicato Tricálcico (Alita) : É maior responsável pela resistência em todas as idades, especialmente até o fim do primeiro mês de cura; importante também no processo de liberação do calor; também possui grande responsabilidade no tempo de pega.
Silicato Bicálcico (Belita): Sua maior importância está no processo de endurecimento de idades avançadas, sendo responsável pelo ganho de resistência a um ano ou mais. 
Aluminato tricálcico: Contribui também para resistência, especialmente no primeiro dia.
Ferro aluminato de cálcio nada contribui para resistência.
Aluminato de cálcio: Contribui para calor de hidratação, especialmente, no início do período de cura; quando em forma cristalina, contribui na aceleração da pega; (com adição de gesso, ocorre controle no tempo).
5. Propriedades físicas: Consideradas sob 3 aspectos distintos 
a. Condição natural (Pó)
b. Pasta (Mistura do cimento e água)
c. Argamassas (Mistura da pasta com agregados padronizados)
I. Densidade
· A densidade absoluta do CP (Cimento Portland) é 3,15, podendo variar para valores ligeiramente inferiores, nas compactações usuais de armazenamento e manuseio, a densidade aparente é 1,5. 
· Na pasta de cimento a densidade é um valor variável de acordo com o tempo, aumentando à medida que progride o processo de hidratação. Tal fenômeno é conhecido por retração. 
II. Finura: Superfície específica do produto, é o fator que governa a velocidade da reação de hidratação do cimento, influenciando também a qualidade das pastas, argamassas e concretos. 
· O aumento da finura (Quanto mais finos os grãos), melhora a resistência (particularmente, a resistência da primeira idade), diminui a exsudação e outros tipos de segregação, aumenta a impermeabilidade, a trabalhabilidade e a coesão dos concretos, diminui a expansão em autoclave.
· Exsudação: fenômeno que consiste na separação espontânea da água de mistura. É um tipo de segregação, fenômeno mais geral, entendido como separação dos diversos constituintes das argamassas e dos concretos, por via de ação de diferentes causas, conduzindo, a uma heterogeneidade indesejável. A coesão nos concretos e argamassas frescas é responsável pela estabilidade mecânica dos mesmos, antes do início da pega, e é medida pelo valor de resistência do cisalhamento.
· Trabalhabilidade é uma noção subjetiva, aproximadamente definida como estado que oferece maior ou menor facilidade nas operações de manuseio com argamassas e concreto fresco
i. Curiosidade: Segundo a NBR 5732 E 5733, o resíduo deixado na peneira nº200, malha 75 micra de abertura, o CP3 (Cimento comum), não deve exceder 15% empeso. Já para CP5 não deve reter mais que 6%.
III. Tempo de pega: Compreende a evolução das propriedades mecânicas da pasta no início do processo de endurecimento, propriedades essencialmente físicas, consequente, entretanto, a um processo químico de hidratação. É um fenômeno artificialmente definido, como o momento em que a pasta adquire certa consistência que a torna imprópria para um trabalho. 
· A pega e o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do cimento, vistos em períodos diferentes, a pega na primeira fase do processo, e o endurecimento na segunda e última fase do mesmo,
IV. Pasta de 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 início da mistura. Nesse prazo são desenvolvidas as operações de manuseio do material, mistura, transporte, lançamento e adensamento. Há casos em que o tempo de pega deve ser reduzido ou aumentado. 
· Ensaio de Vicat
1º Mistura de pasta com consistência normal, consistência essa verificada no aparelho de vicat, utilizando a sonda de Tetmajer, com 10mm de diâmetro, a sonda é posta a penetrar verticalmente a pasta fresca, por ação de um peso total de 300g, a sonda penetra e estaciona a uma distância do fundo do aparelho, distância medida em mm é o índice de consistência. 
2º A pasta preparada para ensaios de tempo de pega deve ter uma consistência normal de 6 mm. Isto é, a sonda deve estacionar a uma distância de 6 mm do fundo do aparelho.
3º É substituída a sonda, por uma agulha com 1 mm² de área de seção, determina-se o tempo de início de pega quando essa deixa de penetrar até o fundo da pasta, quando fica 1 mm de distância do fim do aparelho.
4° Os ensaios são prosseguidos até a determinação do tempo do fim de pega, quando a agulha não penetra nada mais na amostra, deixando apenas marcas superficiais.
V. Resistência: A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão dos corpos de prova realizados com argamassa. É realizado por molde cilíndricos com 10cm de altura e ø5cm. 
Molda-se com argamassa um corpo de prova de formato tronco de cone, tendo como diâmetro das bases 125mm e 80mm e altura e 65mm. Sobre uma plataforma lisa de um mecanismo capaz de promover quedas de 14mm de altura. A consistência da argamassa é determinada pelo escorregamento da argamassa normal sobre mesa cadente. No ensaio são executadas 30 quedas em 30 segundos. A base inferior do cone moldado espalha-se, e a medida do diâmetro final é definida como índice de consistência da argamassa.
A consistência é normal, quando o diâmetro alcança 165mm. 
A argamassa é constituída pela mistura de cimento e areia normal, nas proporções 1:3, materiais secos. Água a ser adicionada será determinada para se conseguir a consistência normal anteriormente definida. Os corpos de prova assim executados são postos em câmaras úmidas por 24 h, e a seguir imersos em água até a data do rompimento. Geralmente se processa nas idades de 1, 3, 7, e 28 dias. Para cimento Portland ordinário, a especificação da NBR 5732, exige aos 3 dias, resistência mínima de 8 Mpa, aos sete 15 Mpa, aos 28 dias, 25 Mpa.
VI. Exsudação: 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. Nessa movimentação dos grãos para baixo, resulta em um afloramento do excesso de água, expulso das porções inferiores. Ocorrendo antes do início da pega. A água que se acumula superficialmente se chama exsudação, sendo essa parte do percentual do volume inicial adicionado para mistura. É uma forma de segregação que prejudica a uniformidade, a resistência e a durabilidade dos concretos.
i. O aumento da finura do cimento influi na redução da exsudação, considerando a diminuição dos espaços intergranulares aumenta a resistência ao percurso ascendente da água. 
6. Propriedades químicas Cimento: Estão diretamente ligadas ao processo de endurecimento por hidratação;
a. Estabilidade: Característica ligada à ocorrência eventual de indesejáveis expansões volumétricas posteriores ao endurecimento do concreto, devido a hidratação de cal e magnésia livre nele presentes. 
i. Quando o cimento contém apreciáveis proporções de cal livre, esse óxido, ao se hidratar após o endurecimento, aumenta o volume, criando tensões internas que conduzem à microfissuração, e pode terminar na desagregação mais ou menos completa do material.
1. Pode ocorrer, quando durante o processo de fabricação do clínker, prevalecem temperaturas superiores a 1900ºC, resultando na supercalcinação da cal. Este óxido, hidrata-se de maneira extremamente lenta, conduzindo a indesejável expansão posterior ao endurecimento do material. Tal fenômeno ocorre com maior razão com o óxido de magnésio. Motivo pelo qual existem limitações desses constituintes no cimento.
2. Determina-se a estabilidade do cimento pelos ensaios de expansão em autoclave; Ensaio: agulha de LeChatelier. NBR 7215 
3. (Descrever ensaio de LeChatelier)
b. Calor de Hidratação: 
i. Durante o processo de endurecimento do cimento, considerável quantidade de calor se desenvolve nas reações de hidratação. Podendo resultar no aparecimento de trincas de contração ao fim do resfriamento da massa. O desenvolvimento do calor, varia com a composição do cimento, especialmente com as proporções de silicato e aluminato tricálcicos.
ii. Método mais comum para determinação do calor de hidratação é o calor de dissolução; Amostras secas de cimento em pó, e de cimento parcialmente hidratado, e subsequentemente pulverizado são dissolvidas em mistura de ácidos nítrico e clorídrico numa garrafa térmica. A temperatura é elevada, após a eliminação dos fatores estranhos ao fenômeno determina as medidas do calor de dissolução das amostras. Por diferença o calor de hidratação do cimento é calculado. 
c. Resistência aos agentes agressivos: 
i. Nos concretos em contato com a água e com a terra, podem ocorrer fenômenos de agressividade. Os silicatos de cálcio, e a cal hidratada, presentes no cimento hidratado, são os elementos submetidos a ataque químico, sendo o hidróxido de cálcio, que constitui 15 a 20% da proporção do peso do cimento original, é o ponto mais vulnerável.