MATERIAIS DE
CONSTRUÇAO
•
DECIV – EM – UFOP
• Aglomerantes
• Cimento Portland
Cimento Portland
Cimento Portland
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Cimento Portland
• Aglomerante hidráulico
– produzido a partir da moagem do clínquer
– constituído por silicatos de cálcio hidráulicos, usualmente com
adição de sulfato de cálcio
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Fabricação do cimento
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Compostos principais do
clínquer
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Fabricação do cimento
• Matérias-primas
– calcário
• fonte carbonato cálcio
• principal componente do
cimento
– argila
• formação silicatos e
aluminatos
– areia
• corretivo quando argila
apresenta baixa sílica
– minério de ferro
• reduz ponto fusão
• melhora combinaçao
sílica+cal
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Fabricação do cimento
• Transporte da matéria prima
– caminhões fora de estrada
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Fabricação do cimento
• Britagem e transporte
do calcário
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Fabricação do cimento
• Armazenagem e alimentação da argila
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Fabricação do cimento
• Moagem e
estocagem da
matéria prima
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Fabricação do cimento
• Pré-calcinador e
forno
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Fabricação do cimento
• Moagem e estocagem
do cimento
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Matérias-Primas
Pedra calcária  CaO + CO2
Argila  SiO2 + Al2O3 + Fe2O3
Seqüência de formação dos compostos do clínquer:
C4AF  C3A  C2S 
C3S
Composição Química:
• A composição em óxidos dos cimentos nacionais varia,
comumente, entre os seguintes valores:
•
•
•
•
CaO .............. 61 a 67%
SiO2 ........... 20 a 23%
Al2O3 ........ 4,5 a 7%
Fe2O3 ............ 2 a 3,5%
MgO ............ 0,8 a 6 %
Álcalis ........ 0,3 a 1,5%
SO3 ...............1 a 2,3%
TiO2; Mn3O4 e P2O5 pequenas quantidades
Perda ao fogo: < 4,5 %
Insolúveis no HCl: < 1,0 %
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NOTAÇÃO
QUÍMICA DOS CIMENTOS ABREVIAÇÕES
•
É prática comum na indústria do cimento, calcularem-se os teores dos compostos a
partir da análise dos óxidos usando uma série de equações originalmente
desenvolvidas por R. H. Bogue.
•
Cálculo da composição potencial do cimento pelas equações de
Bogue
% C3 S = 4,071C - 7,600S - 6,718A - 1,430F - 2,805 S
% C 2 S = 2,867S - 0,754C3 S
% C3 A = 2,650A - 1,692F
% C 4 AF = 3,043F
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Microscopia do clínquer
C3S = alita
C2S = belita
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Velocidade de Hidratação
Resistência compostos do cimento
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Teores e comportamento dos
compostos do cimento
• cimentos nacionais
Propriedade
Resistência Mecânica
Intensidade de reação
Calor desenvolvido
C3S
42 a 60%
C2S
14 a 35%
C3A
6 a 13%
C4AF
5 a 10%
C3S
Boa (I)
Média
Médio
C2S
Boa (F)
Lenta
Pequeno
C3A
Fraca
Rápida
Grande
C4AF
Fraca
Rápida
Pequeno
O enrijecimento e a pega são devidos aos aluminatos
A Resistência é devida, quase que exclusivamente, aos silicatos.
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Diagrama ternário
Termodinâmica química
Representação da
composição de um
sistema ternário
wi = frações dos
componentes
vértices 1, 2 e 3 =
componentes puros
D = mistura binária dos
componentes 1 e 2;
E = mistura binária de 2 e 3;
P, Q, R e S = misturas dos
três componentes (1, 2 e 3).
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Hidratação do cimento Portland
• A HIDRATAÇÃO GERA:
•
PEGA: período de solidificação da pasta
•
ENDURECIMENTO: ganho de resistência x tempo
• Mecanismos de hidratação:
1 - dissolução / precipitação
2 - topoquímico
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Hidratação do cimento Portland
1. dissolução / precipitação:
Envolve a dissolução de compostos anidros em seus constituintes iônicos,
formação de hidratos na solução, supersaturação e precipitação.
2. topoquímico ou hidratação no estado sólido:
As reações passam a ocorrer diretamente na superfície dos componentes
do cimento anidro sem entrarem em solução, isto quando a mobilidade
iônica se torna restrita.
Há uma completa reorganização dos constituintes dos compostos originais.
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Hidratação do cimento Portland
23
Hidratação de pasta de cimento
24
Hidratação de pasta de cimento
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Hidratação de pasta de cimento
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Produtos da hidratação do cimento(1)
• Silicato de cálcio hidratado: (C-S-H).
Constitui de 50 a 60% do volume
– As reações estequiométricas para
pastas completamente hidratadas de
C3S e C2S podem ser expressas como:
– 2C3S + 6H  C-S-H + 3CH
• (<Resistência final)
– 2C2S + 4H  C-S-H- + CH
• (>Resistência final)
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Destaques
1) Produção de C-S-H:
C3S produziria:
61% de C-S-H e 39% de
Ca(OH)2,
C2S produziria: 82% de C-S-H e
18% de
Ca(OH)2.
2) Com relação à resistência a ataques
químicos:
É importante < teor de C3S nos cimentos
pozolanas são capazes de incorporar o excesso de
Ca(OH)2 do cimento hidratado e produzir mais C-S-H.
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Destaques
2C3S + 6H  C-S-H + 3CH
2C2S + 4H  C-S-H + CH
3) Consumo de água nas reações:
os silicatos consomem 24% e 21% de água,
respectivamente, para a hidratação completa (~23%).
4) A alta resistência inicial dos cimentos
– melhor moagem
– aumento de C3S, obtido pelo aumento do CaO na
matéria prima
• aumento do hidróxido de cálcio liberado na hidratação, ou
seja, a melhoria na resistência é acompanhada de redução
da estabilidade química.
Produtos da hidratação do cimento(2)
• Ca(OH)2:
– representa 20% a 25% do volume de sólidos da
pasta.
– Sua morfologia é bem definida, formando cristais
prismáticos, que aumentam de tamanho à medida
que aparecem espaços livres, decorrentes do
aumento da relação água/cimento.
– O hidróxido de cálcio (portlandita) apresenta
característica alcalina, sendo portanto responsável
pela passivação das armaduras, protegendo-as da
corrosão.
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32
Produtos da hidratação do cimento(2)
Sulfoaluminatos de cálcio:
•ocupam de 15% a 20% do volume de
sólidos da pasta hidratada,
•principais compostos a etringita e
monossulfato de cálcio.
2[3CaO.Al2O3 ]+ CaSO4 . 2H2O → 3CaO
. 2Al2O3 . 3CaSO4 . 32H2O
(etringita)
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Produtos da hidratação do cimento(2)
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Pega e Sulfoaluminatos
Fatores que influenciam a duração da pega:
(Finura do cimento, consistência e temperatura)
– Os produtos que aumentam a velocidade de dissolução (aumentam a solubilidade
dos constituintes do cimento) são aceleradores. Já os que dificultam são
retardadores. (gesso tem ação dupla).
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FINURA DO CIMENTO Grau de Moagem
• Além da composição, 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.
• HIDRATAÇÃO
• acontece da superfície para o interior dos grãos
– grau de moagem influencia taxas de hidratação
• aumento da velocidade das reações
– desenvolvimento de calor
– retração e o aumento da resistência com a idade.
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Curvas Granulométricas dos Cimentos
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CALOR DE HIDRATAÇÃO
• As reações de pega e endurecimento dos cimentos são
exotérmicas com elevação da temperatura da massa.
– quantidade de calor liberada é função da composição do clínquer e é
expresso em calorias por grama.
• “É problema em estruturas de concreto massa, de grandes
volumes”.
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Resistência aos Esforços Mecânicos
A necessidade de qualificação do cimento obedece às
razões:
seleção pela qualidade vários tipos e vários fabricantes
conhecimento prévio do seu comportamento
argamassas e concretos.
NBR7215 - Determinação da resistência à
Compressão
• argamassa 1:3:0,48 (em massa)
• areia normal
• corpos de prova cilíndricos  5 x 10cm
• idades de 3, 7 e 28 dias
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Departamento de Engenharia Civil
Escola de Minas - Universidade Federal de Ouro Preto
Cimento CP I
40
Prof. Ricardo FIorottI
Departamento de Engenharia Civil
Escola de Minas - Universidade Federal de Ouro Preto
Cimentos CP I e CP II
41
Prof. Ricardo FIorottI
Departamento de Engenharia Civil
Escola de Minas - Universidade Federal de Ouro Preto
Cimentos CP I , CP II e CP III
42
Prof. Ricardo FIorottI
Cimentos CP I, CP II, CP III e CP IV
43
Cimentos CP I, CP II, CP III,
CP IV e CP V
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Quadro Geral tipos de Cimento
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CIMENTOS outras características
•
ARI (alta resistência inicial)
–
–
•
COMPOSTOS
–
–
–
–
–
•
finura maior que os demais
máx. de 6% retido na peneira 200# e área específica >300m²/Kg).
CP II-E com até 34% de escória
CP II- Z com até 14% de pozolana
CP II-F que é simples,
todos possuem ainda até 10% de Filler.
O cimento ARS (alta resistência aos sulfatos) só é apresentado na
classe 20 (20MPa de resistência à compressão no ensaio normal).
POZOLÂNICO
teores de materiais pozolânicos: 15 e 50% da massa total do cimento.
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Aplicações
• Cimento Portland comum CPI e CPI-S (NBR
5732)
• construção em geral
• não indicado para exposição a sulfatos do solo
ou águas subterrâneas.
• Cimento Portland Composto CP II-Z (com
material pozolânico - NBR11578
• gera menos calor que o CP comum.
• indicado para concretagens de grandes
volumes
com
pequena
capacidade
de
resfriamento da massa.
• obras em geral, subterrâneas, marítimas e
industriais.
• baixa permeabilidade, mais durável.
Aplicações
• Cimento Port. Composto CP II-E (com escória AF –
NBR11578)
• intermediário entre o CP comum e o CP de alto-forno.
• Cimento P Composto CP II-F (com adição de filer calcário
–NBR 11578)
• serve para aplicações gerais, locais sem grande
agressividade.
• Cimento Port. de Alto Forno CP III (com até 70% de
escória - NBR 5735)
• apresenta maior impermeabilidade e durabilidade
• baixo calor de hidratação.
• indicado para misturas RAA (reação álcali-agregado)
• RS (resistente a sulfatos).
• aplicação geral, inclusive obras em ambientes
50
agressivos.
• Cimento Portland Pozolânico CP IV (com
pozolana NBR 5736)
• Para ambientes agressivos. Dá concreto mais
impermeável e durável.
• O baixo calor de hidratação favorece sua
aplicação em casos de grande volume de concreto.
• Cimento Portland ARI- CP V (Alta Resistência
Inicial - NBR 5737)
• Adquire resistência rapidamente, é recomendado
em indústrias de
elementos arquitetônicos prémoldados e de pré-fabricação.
• Cimento Portland CP (RS) – (Resistente a sulfatos – NBR
5733)
• Pode ser usado em estações de tratamentos de água e
esgotos, obras em
regiões litorâneas, subterrâneas e
marítimas, etc.
• Qualquer dos tipos pode ser resistente aos sulfatos,
desde que atendam a pelo menos uma das
condições:
• teor de C3A e adições carbonáticas  8% e  5% em
massa,
• cimentos do tipo CP III com 60% a 70% de escória, em
massa;
• cimentos CP IV com 25% a 40% de material
pozolânico, em massa;
• Cimento Portland de Baixo Calor de
Hidratação (BC) – NBR 13116
• para grandes massas.
• Cimento Portland Branco CPB - (NBR
12989)
• A cor branca: baixos teores de óxido de
ferro
• uso de caulim no lugar de argila.
• pode ser colorido com pigmentos
adequados.
Cimentos especiais de base mineral
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cimento de aluminato de cálcio (CAC)
Cimento de escória
Cimentos de retração compensada (cimentos expansivos)
Cimento ultrafino
Cimento geopolimérico
Cimento esférico
Cimentos de magnésio
Cimento de belita, ou C2S (cimento de baixa energia)
Cimento de pega rápida
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Cimentos da Holcim
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