Ciência e engenharia de materiais: tendências no ... · PDF fileConstru ção civil materiais projeto execução •química •geologia •ciência dos materiais •administração

Ciência e engenharia de materiais: tendências no desenvolvimento dos materiais de construção civil

Prof. Maristela Gomes da SilvaDepartamento de Engenharia Civil

Porque estudar materiais de Porque estudar materiais de construconstruçção?ão?

� base da construção (técnica e disciplinas)� seleção e especificação de materiais� gestão de materiais em obra� desconhecimento e suas conseqüências � novos materiais

ConstruConstruçção civilão civil

materiais

projeto

execução •química•geologia•ciência dos materiais

•administração•estatística•gestão derecursos humanos

•ciência da construção•hidráulica•mecânica•estabilidade

Ciência x Eng. de Materiais

A-D – Ciência dos materiais

C-G – Eng. de materiais

Como estudar os materiais?Como estudar os materiais?

empírico científico++++

Histórico

� Industrialização� Produção em massa

� Pré-fabricados

� Desempenho� durabilidade

� Qualidade � satisfação do usuário

� Construção sustentável� energia

� reciclagem

� durabilidade

Histórico� Pedra� Madeira� Solo

� reforços…

� aditivos

� Cerâmica� Gesso

� Cimento Romano� cinzas vulcânicas

� cal

� Cal hidráulica� Aço

� Cimento Portland� Concreto

armado/protendido

Histórico� ~ - 1900

� rochas

� solos

� madeira

� aço

� cerâmica

� concreto reforçado

� cimento, gesso, cal

� vidro

� 1900 - ~� plásticos

� isolantes� revestimentos� selantes

� reforçados com fibras� Cimento Amianto� GRC

� tecidos� concretos especiais� resíduos� outros metais� aglomerados de madeira

Crescimento populacional

Fonte: Living in the Environment, Tenth Edition, G. Tyler Miller, Jr., 1998

161514131211109876543210

Bilhões

de pessoas

Peste Negra

Caça e coleta

Revoluçãoagrícola

Revoluçãoindustrial

2-5 milhõesde anos

8000 6000 4000 2000 2000 2100Tempo A.C. D.C

And

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Fra

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co, C

A

Sacred lotus or waterlily(Nelumbo nucifera)(Source: Department of Botany at Bonn University

Self-cleaning facade painted with Lotusan(Source: Department of Botany at Bonn University)

BiomiméticaNanotecnologia

Adesão

Claude Ouimet-Interface

Claude Ouimet-Interface

Tendências e desafios� Diminuição da massa

específica� Aumento da resistência

mecânica

� Manutenção e durabilidade

� Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia

� Racionalização e Industrialização

� Materiais&Meio Ambiente

� Sustentabilidade (matérias-prima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem)

� Capacidade de suportar temperaturas elevadas

� Especificação por desempenho� flexibilidade

� + competição tecnológica

� customização

Tendências e desafios

Sustentabilidade

Durabilidade e vida útil

Declarada pelo FabricanteComunidade Européia

+ competiçãoreserva de mercado

+ assistência técnica aos consumidorespesquisa

Preservação ambiental

Manutenção< custos

> planejamento

Resíduo de construção e demolição

• Construção

• Manutenção

• Demolição

(em massa)

•SP (1992-1997) = 1,16(BRITO Fo. 1999)

VanderleyM. John -EPUSP


Consumo de recursos naturais renováveis

(MATOS & WAGNER, 1999)

0000 10101010 20202020 30303030 40404040

Renováveis (%)Renováveis (%)Renováveis (%)Renováveis (%)

1900190019001900

1999199919991999



Impacto Ambiental

� Todas as fases� Matérias primas

� ..

� Descarte após o uso

� Recursos naturais

� Energia� Poluição

� Saúde

� Saúde � amianto

� metais

� pós

� alguns polímeros

RecursosNaturais

planejamento

projeto

uso

produção


LixoLixo

“extrativismo”custo-desempenho

Recursosnaturaisilimitados

Produção linear

LixoLixo

RecursosNaturais

planejamento

projeto

uso

produção

LixoLixo

“extrativismo”custo-desempenho

Produção Linear

LixoLixo


Reinventar o desenvolvimento...Reinventar o desenvolvimento...

Materiais x ambiente�Consomem recursos naturais

� matérias primas

� energia

� produção

� transporte

�Geram poluição do ar e água

� Produção, transporte, uso e operação, demolição

� Produzem resíduos� Produção

� Média - 6% é útil e 94%, resíduo

� utilização (desperdício)

� demolição

� reciclável?

� Desempenho do edifício� energia

� durabilidade

� qualidade do ar interno

Uso de materiais e sustentabilidade

Toxicidade

O que estamos usando?


Toxicidade

Gestão de recursos

Quão bem estamos usando?


DesempenhoToxicidade

Gestão de recursos

O que torna um produto “verde”?Baixo impacto ambiental ao longo do ciclo de vida

� Matérias primas

� Manufatura

� Embalagem, transporte

� Instalação

� Uso: energia, qualidade do ar interno

� Vida útil esperada

� Fim de vida (disposição pós-uso)

�bom senso!

AlternativasAlternativas tecnoltecnolóógicasgicas

Tijolos

cerâmicos

maciços

Tijolos

cerâmicos

maciços

Tijolos

prensados de

solo-cimento

Tijolos

prensados de

solo-cimento

Tijolos prensados

de co-produtos

siderúrgicos

Tijolos prensados

de co-produtos

siderúrgicos

??dispensa

queima,

material

natural

dispensa

queima,

material

natural

Lenha

considerada

como energia

neutra

Lenha

considerada

como energia

neutra

Apresentação dos resultados: índice ambiental

0,388 Pt

0,317 Pt

2,01 Pt

0,22 Pt

NOx

Metano

Apresentação dos resultados: índice ambiental

Materiais e sustentabilidade

� Não existe material ideal

� Sempre existem impactos ambientais

� Empregar os materiais em funções onde ele é o mais eficiente!

� Custo deve ser considerado

1 Areia de fundição FUNDIÇÃO 20.000,00 CASP Classe II2 Cal Dolomítica Fina CALCINAÇÃO 720,00 Reciclagem Sinterização Classe II3 Cal Calcitica fina CALCINAÇÃO 2.700,00 Reciclagem Sinterização Classe II4 Pré cal Calcítica CALCINAÇÃO 1.700,00 Reutilização na Sinterização Classe II5 Calcareo calcitico CALCINAÇÃO Classe III6 Pré cal Dolomítica fina CALCINAÇÃO 520,00 Reutilização na Sinterização Classe II

7 Fino Calcário Calcítico CALCINAÇÃO 2.900,00 Reciclagem Sinterização / ETB

8 Fino Calcário Dolomítico CALCINAÇÃO 1.140,00 Reciclagem Sinterização

9 Dolomita fina CALCINAÇÃO Reciclagem Sinterização Classe III

10 Escória de Dry-pit (Bruta) ALTO FORNO 435,00 CASP11 Escória Granulada (AF) ALTO FORNO 105.000,00 Venda Classe II

12 Escória de Cobre JATEAMENTO PEÇAS 250,00 Disposição Temporária Classe II13 Escória Aciaria(LD) ACIARIA 250,00 Doação / Venda Classe II

14 Escória Lixo(LX) ACIARIA 250,00 Doação Classe II

15 Esc. Res. Benefic Gusa LIMPEZA CARRO TORPEDO 250,00 CASP

16 Escória Residual Sucata PLANTA BENEF. 250,00 Reutilização Sinterização / Briquetagem

17 Escória Skimmer PLANTA PÁTIO ESC. 250,00 Reutilização na Aciaria Classe II18 Escoria aciaria FINO ACIARIA doação

19 Fino da escória da aciaria in natura CANTEIRO 8

20 Lama de Aciaria (Fina) ACIARIA 250,00 Reutilização na Sinterização Classe II21 Lama de Aciaria (Grossa) ACIARIA 250,00 Reutilização na Briquetagem Classe II22 Lama de Alto Forno ALTOS FORNOS 1 E 2 250,00 Venda / CASP Classe II23 Lama da ETB EST. TRAT. BIOL 250,00 Reutilização Sinterização Classe II24 Lama da ETA(Lodo) ETA 1.500,00 CASP25 Lama do Apag. Umido(CWQ) COQUERIA Reutilização na Sinterização Classe III26 Lama da bacia de dec. Pátio de carvão COQUERIA Reutilização no pátio de carvão Classe II27 Refratario (Lança de Argônio) ACIARIA 10,00 CASP Classe II

28 Lama da limpeza decant do pátio de

escória PATIO DE ESCORIA Reutilização na Sinterização

29 Lama da lavagem de calcario CALCINAÇÃO Reutilização na Sinterização30 Pó do Desp.Stock House ALTOS FORNOS ETL31 Pó Balão Altos Fornos ALTOS FORNOS 2.100,00 Reutilização na Sinterização Classe II32 Pó Carbonoso Coqueria COQUERIA 750,00 Venda Classe III

33 Pó do Desp. Dessulfuração ACIARIA 580,00 Reultilização na Sinterização Classe II

34 Pó do desp.Secundário Aciaria ACIARIA (?) Reultilização na Sinterização Classe II35 Pó do desp. Secund. Sinter SINTERIZAÇÃO Reultilização na Sinterização36 Pó de carbureto ACIARIA Reultilização na Sinterização37 Res. Ind. Sinter SINTERIZAÇÃO 4.500,00 Reutilização na Sinterização38 Refrátario (Fino e isolante) ACIARIA (?) CASP Classe II39 Snorkel (Sucata) ACIARIA 6,00 Reutilização na Aciaria

CLASSIFICAÇÃODESTINO

Item ORIGEM

GERAÇÃO MÉDIA (t/mês)

RESÍDUOS GERADOS

Como transformarresíduos em produtos?

produção nacional ≅≅≅≅ 6,4 milhões t/ano

Escória de alto-forno

Reciclagem no cimento

Tipo Sigla Escória Pozolana Pó Calcário

Comum CP I Composto CP II E 6 - 34 0-10 CP II Z 6-14 0-10 CP II F 0-5 Alto Forno CP III 35 - 70 0-5 Pozolânico CP IV 15-50 0-5 ARI CPV ARI 0-5

6-34

Escória de alto-forno

1000 kg CaCO3560 kg CaO440 kg CO 2

1000 kg CaCO3560 kg CaO440 kg CO 2

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Year

% Total CO22emission

EFEITO ESTUFACO2 gerado pela indústria cimenteira

Poluição do ar

CO2 de diferentes cimentos

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

CPI CPIIE CPIV CPIII

Brazilian cement types

Tot

al C

O2

(kg/

ton)

Estrutura tipo Estrutura tipo Estrutura tipo Estrutura tipo

BulkyBulkyBulkyBulky (MELBY et al.,

1997)

Ensaios

Muito baixoBaixo

9411136

Mistura D4 (4% Na 2O sodium silicate)

Mistura A (50% CP III – 32 RS + 50% bfs)

Ensaios de difusão de cloretosEnsaios de difusão de cloretos

AvaliaAvalia çção do impacto da ão do impacto da estrutura em meio marinhoestrutura em meio marinho

• monitoramento em laboratório- pH, - condutividade elétrica,- análise química da água;- oxigênio dissolvido.

• sistema de simulação de maré(bombas de aguário)

CriatividadeCriatividade nana metodologiametodologia !

Revisão deRevisão deRevisão deRevisão deliteraturaliteraturaliteraturaliteratura

Projeto de Projeto de Projeto de Projeto de experimentosexperimentosexperimentosexperimentos

CaracterizaCaracterizaCaracterizaCaracterizaçççção ão ão ão dos materiaisdos materiaisdos materiaisdos materiais

Dosagem e Dosagem e Dosagem e Dosagem e moldagem moldagem moldagem moldagem concretosconcretosconcretosconcretos

AvaliaAvaliaAvaliaAvaliaçççção propriedadesão propriedadesão propriedadesão propriedadesffffíííísicas e mecânicassicas e mecânicassicas e mecânicassicas e mecânicas

AvaliaAvaliaAvaliaAvaliaçççção propriedadeão propriedadeão propriedadeão propriedadedurabilidadedurabilidadedurabilidadedurabilidade

Manual de Manual de Manual de Manual de transferência transferência transferência transferência tecnoltecnoltecnoltecnolóóóógica gica gica gica

Metodologia

Durabilidade x escória de alto-forno

DosagemDosagemDosagemDosagem

C20C20C20C20C30C30C30C30C35C35C35C35C40C40C40C40

CPII CPII CPII CPII –––– 30% 30% 30% 30% bfsbfsbfsbfsCPIII CPIII CPIII CPIII –––– 66% 66% 66% 66% bfsbfsbfsbfs

CPIII+E CPIII+E CPIII+E CPIII+E –––– 83% 83% 83% 83% bfsbfsbfsbfs

PropriedadesPropriedadesPropriedadesPropriedadesDurabilidadeDurabilidadeDurabilidadeDurabilidade

Avaliação da durabilidade

Ataque Ataque Ataque Ataque sulfsulfsulfsulfááááticoticoticotico ASTM CASTM CASTM CASTM C----1012101210121012

Variação dimensional


Difusão de Difusão de Difusão de Difusão de ííííons cloretoons cloretoons cloretoons cloreto ASTM 1202


CarbonataCarbonataCarbonataCarbonataççççãoãoãoão

Medida da profundidade decarbonatação

Carbonatação acelerada 100% CO210% CO2

Carbonatação em ambiente controlado de laboratório


CarbonataCarbonataCarbonataCarbonataççççãoãoãoão

Equipamento desenvolvido para realização dos ensaio s

CriatividadeCriatividade e e tecnologiatecnologia de de controlecontrole !

Corrosão das armadurasCorrosão das armaduras

AvaliaAvalia çção da durabilidadeão da durabilidadeCorrosão das armadurasCorrosão das armadurasCorrosão das armadurasCorrosão das armaduras Eficiência do cobrimento

20 mm (NB1- 1978) 30 mm (NBR 6118 – 2003)

Simulação – íons cloreto- carbonataçãoNNNNéééévoa salina voa salina voa salina voa salina

SecagemSecagemSecagemSecagemCarbonataCarbonataCarbonataCarbonataççççãoãoãoão

--

Ensaio cíclico

7 dias

7 dias7 diasCriatividadeCriatividade nana propostaproposta de de metodologiametodologia !

Tijolos com co-produtos siderúrgicos

Ensaios

ResultadosResultados melhoresmelhores queque tijolostijolos do do mercadomercado !

Caracterização ambiental

Pesquisa

� CONMAT (EUA)� Novos materiais para construção civil

� US$ 2,1 bi� 10 anos

� SHRP (EUA)Strategic Highway Research Program

� rodovias� 150 milhões� Resultados

� 150 novas tecnologias

� EUREKA (Europa)� C. Civil

� > 10% dos projetos

Wood Initiative

Tendências de materiais� Concretos

� Resistência� possibilidade de variações

� Consumo energético� resíduos

� Durabilidade projetada

� Pigmentados

� Texturas

� Plásticos� superou problemas

� durabilidade� resist. Fogo� resist. Mecânica

� Reforçados� Novos polímeros� Revestimentos

� uso generalizado

� Coberturas� Estruturas

Tendências de materiais

� Compósitos� pequenas espessuras� resist. Impactos

� Matrizes� poliméricas� frágeis

� gesso� novos cimentos

� Fibras� vidro� polímeros� metais

Tendências de materiais� sub-produtos industriais

� mercado verde

� imposição legal

� Holanda

� redução de custo

� alto custo de aterromateriais especiais

cimento mistura no canteiro

agregados

alvenarias ….

Novos materiais e componentes:Mecanismos de deterioração

ataque químico das fibras densificação da interface

Tendências

Novos materiais

Tendências

Zona de transição x pesquisas em concreto

Tendências

Teflon + fibra de vidroThe Dome - Londres

320 m de diâmetro, 8haUS$24 milhões

vida útil = 25 anos

Tendências

Tendências

Fachadas leves

Cimento reforçado com fibras de vidroPainéis com 4,9 m sobre estrutura de aço (Chicago)

Tendências

Painéis AgriboardReciclagem de palha

Asfaltos coloridos

Tinta de silicato � sem solvente

� Durável (20 a 30 anos)

�Baixa manutenção

�Anti-fungo

�Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003.

Tendências

Tendências

Placa modular carpete � + 25% teor reciclado

� 5% energiaalternativa (hidro, solar, vento)

� média 3% redução de consumo energéticonos últimos 5 anos

�Em 14 meses reciclou>2000 t de carpete

�Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003.

Tendências

Geotêxtil de PET

reforço com geotêxtil não tecido PET

Reciclagem de PET

Tendências

Materiais renováveis com gestão sustentável

� Madeira de reflorestamento ou certificada� Pinus

� Eucaliptos

� Cautela com tratamentos de madeira� Aditivos

� Adesivos (VOC)

� Preservativos

� Pintura base solvente!

� Privilegiar detalhes de projeto para prevenir deterioração!

Existem alternativas!

Manual Madeira: Uso sustentável na construção civil (IPT, SVMA-SP, SindusCon-SP, 2003)

Sustentabilidade

Crescimento populacional

Padrão de vida

Complexidade

Complexidade

Indices impacto ambientalpegadaequivalente CO2CálculosInterpretações

Análise de ciclo de vidanorma ISOCradle-to-GravelimitesComparações reais

Modelos econômicos

Ciência e engenharia

Projeto parasustentabilidade

Ciclo de materiais

Ferramentas/TecnologiasEliminação na fonteRedução na fonteDisposição resíduostratamento resíduosReciclagem

Ral

ph H

arris

, Met

als

and

Mat

eria

ls E

ngin

eerin

g, M

cGill

Uni

vers

ity, 1

4nov

2003

Necessidades atuais

� Segurança estrutural

� Vida Útil

� Construtibilidade

� Economia

� Sustentabilidade

Centro

Empresarial

Nações

Unidas

Torre Norte

São Paulo

1998

Altura 179 m

fck = 50MPa

Vida útil=250

anos

eeee----TowerTowerTowerTower

e-TowerBuilding

São PauloHPC colorido

record mundial125 MPa

Feb. 2002

EnsaiosEnsaios de de laboratlaborat óóriorio

Materiais

Central de concreto

Obra

Obra

Armadura� Alta taxa de armadura

� Cobrimento de 3 cm

Construtibilidade

Produtividade

� 5.5 m lançamento

� nenhum defeito

� rapidez

� acabamento

Pilares em concreto de alto desempenho

Controle tecnológico

Controle tecnológico

Resistência à compressão

Módulo de deformação

Vida útil da e-tower

estimada em 980 anos!!!!

O que é concreto de alto desempenho?

Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?

Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso

específico?

Exercício 1 (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula)

O que é concreto de alto desempenho?

Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?

Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso

específico?

Exercício 2 (entrega no dia 24/03, pesquisa individual)

Síntese da aula de 17/03

Ciência x Eng. de Materiais

A-D – Ciência dos materiais

C-G – Eng. de materiais

Ciência dos MateriaisMecanismos de deterioração

ataque químico das fibras densificação da interface

Defeitos e interfaces

Zona de transição x pesquisas em concreto

Ciência dos Materiais

Engenharia de Materiais

Estudo de caso: e-TowerBuilding

• fck=125 MPa• Concreto auto-adensável (altura de lançamento,

densidade de armadura)

• Concreto de alto desempenho (HPC colorido)

• Construtibilidade e elevada produtividade• Vida útil de projeto=980 anos

Tendências e desafios� Diminuição da massa

específica� Aumento da resistência

mecânica

� Manutenção e durabilidade

� Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia

� Racionalização e Industrialização

� Materiais&Meio Ambiente

� Sustentabilidade (matérias-prima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem)

� Capacidade de suportar temperaturas elevadas

� Especificação por desempenho� flexibilidade

� + competição tecnológica

� customização

Sustentabilidade

Tendências

Aços e metais

Tintas e

resinas

Vidros e cerâmicasoutros

materiais

Cimento e

concreto

Conseqüências

�> Riscos� aprovação técnica

� certificação

� seguro

� Formação do Engenheiro� ciências e engenharia de materiais

� continuada

� pós-graduação

� > Novos materiais� novas possibilidades

� novos detalhes

� Projeto

� + informação

� + conhecimento

� seleção é crítica

� Gestão

� estoque

� modernização / adaptação

Classificação dos materiais

� metais (ferrosos e não ferrosos)

� cerâmica (vidro, concreto e cerâmica)

� pol ímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas)

� comp ósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia)

� condutores e supercondutores

� biomateriais

� materiais especiais (alto desempenho)

Ciência dos Materiais

� 14. cerâmica vermelha� 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex.

louças)� 16. materiais para alvenaria estrutural� 17. materiais refratários e abrasivos� 18. vidro� 19. madeira para acabamentos� 20. madeira como material estrutural� 21. plásticos� 22. tintas, hidrofugantes e vernizes� 23. sistemas de impermeabilização e isolamento

térmicos� 24. borrachas, mastiques e selantes� 25. materiais betuminosos� 26. compósitos de matriz polimérica� 27. fibrocimento� 28. resíduos, fibras naturais e materiais

alternativos

� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros)

� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural

� 3. aço para estruturas metálicas� 4. solo como material de construção (ex.

terra crua, solo-cimento, solo-cal)� 5. rocha para revestimento (mármore e granito)

� 6. agregados para concretos e argamassas� 7. cimento Portland� 8. cimentos especiais com base mineral� 9. cal� 10. gesso� 11. argamassas� 12. concreto de cimento Portland� 13. produtos a base de cimento

Classificação dos materiais do ambiente construído

Ciência e Engenharia de Materiais

Classificação dos sistemas do ambiente construído

� Sistemas de veda ções verticais

� Sistemas de veda ções horizontais (forros e coberturas)

� Sistemas de revestimentos e acabamentos

� Sistemas estruturais

� Sistemas de pintura e prote ção

� Sistemas de impermeabiliza ção

� Sistemas de isolamento t érmico e acústico

� Sistemas de instala ções prediais

� ...

Engenharia de Materiais

Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

Exercício 3 (entrega e apresentação em 10 a 15 minutos no dia 07/04, 14:00-18:00, até 02

alunos)




alternativos






Materiais para sorteio




alternativos






Grupo de materiais para sorteio

Materiais Metálicos

Materiais Cerâmicos

Materiais Cerâmicos

Materiais Poliméricos

Materiais Compósitos

Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

Exercício 4 (aula do dia 07/04, individual, 60minutos)

Sistemas

� Sistemas de veda ções verticais

� Sistemas de veda ções horizontais (forros e coberturas)

� Sistemas de revestimentos e acabamentos

� Sistemas estruturais

� Sistemas de pintura e prote ção

� Sistemas de impermeabiliza ção

� Sistemas de isolamento t érmico e ac ústico

� Sistemas de instala ções prediais

� ...

Leitura IndividualLeitura Individual

� ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.

� Entregar no início da aula (07/04)resumo (máximo 5 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.

Exercício 5

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