UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Cimentos

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

PRTECNOLOGIA AVANÇADA

DO CONCRETO

Prof. Wellington Mazer

Cimentos



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Matéria Prima

O cimento Portland é um pó fino com propriedades aglutinantes que endurece sob a ação da água, ou seja, é um aglomerante ativo hidráulico.



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Matéria Prima



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Matéria Prima



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Matéria Prima



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Matéria Prima



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Matéria Prima

CaO – é o componente essencial do cimento, as propriedades mecânicas aumentam com o teor de cal, desde que combinadas.

SiO2 – é da sua combinação com a cal que resultam os principais compostos do cimento.

Al2O3 – o composto formado por este óxido com a cal acelera o tempo de pega e reduz a resistência a sulfatos.

Fe2O3 – em pequenas quantidades funciona como fundente.



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Matéria Prima

MgO – este elemento não se apresenta combinado, em grandes quantidades é expansivo.

SO3 – em grandes quantidades é perigoso devido à formação de sulfoaluminatos.

K2O e Na2O – atuam como fundentes e aceleradores de pega.

TiO2, Mn3O4 e P2O5 – encontrados em pequenas quantidades e raramente são determinados separadamente.



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Matéria Prima

A sílica, alumina, ferro e cal reagem no interior do forno, dando origem ao clínquer, cujos compostos principais são os seguintes:



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Matéria Prima



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Matéria Prima

O C3S, também chamado de Alita, é responsável pela resistência mecânica dos cimentos nas primeiras idades, possuindo uma velocidade de reação média e médio desenvolvimento de calor de hidratação.

O C2S, também chamado de Belita, é responsável pela resistência mecânica dos cimentos nas idades avançadas, possuindo uma velocidade de reação lenta e pequeno desenvolvimento de calor de hidratação.



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Matéria Prima

O C3A possui moderada resitência mecânica, porém possui reação rápida e libera grande quantidade de calor de hidratação, sendo responsável pela retração do cimento.

O C4AF possui baixa resistência mecânica, rápida reação e libera pequena quantidade de calor de hidratação.



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Matéria Prima

Ao entrarem em contato com a água, os componentes do cimento iniciam um processo de hidratação, que pode ser dividido em 3 estágios:

Estagio I: Em contato com a água ocorre uma rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis solúveis, Ca2+, SO4

2- e íons OH- em solução, resultando em um pH de 12 a 13.



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Matéria Prima

Estagio II: Os íons Ca2+, SO42- e íons OH- reagem com os silicatos

e aluminatos para formar gel de C-S-H e etringita, formando uma barreira em torno dos grãos de cimento não hidratados, retardando novas hidratações, permitindo um período de trabalhabilidade durante o qual o concreto deve ser lançado e assentado.



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Estagio III: Durante o Estágio II a concentração de íons Ca2+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira. Com a supersaturação de Ca2+, seguida da precipitação de Ca(OH)2 ocorre uma rápida hidratação dos grãos de cimento gerando gel de C-S-H e etringita.



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Matéria Prima

As reações mais importantes para a resistência são (MEHTA & MONTEIRO,1994):

2C3S + 6H2O → C3S2H3 (C-S-H) + Ca(OH)2 (CH) + 120 cal/g.

Propicia alta resistência inicial e forte desprendimento de calor de hidratação (cerca de 80 % em 10 dias);

2C2S + 4H2O → C3S2H3 (C-S-H) + Ca(OH)2 (CH) + 60 cal/g.

Propicia lento e constante desenvolvimento de resistência e baixo calor de hidratação (cerca de 80 % em 100 dias).



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Matéria Prima

C3A + H2O + gesso → etringita (C6A S 3H32), monossulfato (C4A S H18) mais vários hidratos cristalinos tais como: C3AH6 , C4AH9 e C2AH8 + 320 cal/g.

A reação do C3A com a água é instantânea e há forte desprendimento de calor de hidratação. A formação de monossulfato implica em baixa resistência ao ataque de sulfatos. Essa baixa resistência à sulfatos se deve à combinação de monossulfatos com sulfatos numa reação expansiva que forma etringita.



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Matéria Prima

C4(AF) + H2O + gesso → C6A(F) S 3H32, C4A(F) S H18 mais vários hidratos cristalinos tais como: C3A(F)H6 , C4A(F)H9 e C2A(F)H8+ 100 cal/g.

As reações produzem produtos de estruturas cristalinas semelhantes às produzidas na hidratação do C3A, onde o ferro pode substituir posições que seriam ocupadas pelo alumínio.



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Matéria Prima

Estruturas Fibrilares: C-S-H

Cristais de C3S e C2S hidratados:

50 % a 60% do volume da pasta;

São as estruturas C-S-H - C=CaO, S=SiO2, H=H2O;

Estruturas unidas através de ligações de van der Waals;

Excelente resistência mecânica e química.



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Estruturas Prismáticas: C-H - Portlandita

Cristais de grande tamanho com formas hexagonais;

20 a 25% do volume de sólidos;

Responsáveis pH elevado da pasta (pH ≈ 13);

Ca(OH)2 é muito solúvel em água e muito reativo;

Cristais porosos com baixa resistência mecânica.



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Matéria Prima

Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos

Cristais grandes e volumosos;

Formados por C3A + gesso hidratados;

Com a redução na concentração de sulfato, a etringita se decompõe, formando monossulfato:

Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica;

Representam 15 a 20 % do volume de sólidos.



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Matéria Prima

Fonte: Monteiro, notas de aula.



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Matéria Prima

Módulos de produção do cimento Portland:

- Módulo hidráulico (Vicat):

- Módulo silícico:



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Módulos de produção do cimento Portlando

- Módulo alumino-férrico:

- Grau de saturação em cálcio:



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Matéria Prima

Previsão do teor de C-S-H e CH formados:

2C3S + 6H2O → C3S2H3 (C-S-H) + Ca(OH)2 (CH)

2C2S + 4H2O → C3S2H3 (C-S-H) + Ca(OH)2 (CH)



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Matéria Prima

Massa atômica dos compostos:

Elementos químicos Compostos

Ca = 40,08 u.m.a. CaO = 56,08 g/mol

O = 16 u.m.a. SiO2 = 60,09 g/mol

Si = 28,09 u.m.a. H2O = 18,00 g/mol

H = 1 u.m.a.

S = 32,06 u.m.a.

C = 12,01 u.m.a.



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Matéria Prima


C3S 6Cao.2SiO2 + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3CaO.3H2O

(C-S-H) (CH)

6(56,08)+2(60,09)+6(18) 3(56,08)+2(60,09)+3(18)+3(56,08)+3(18)

336,48 + 120,18 + 108 168,24 + 120,18 + 54 + 168,24 + 54

456,66 + 108 342,42 + 222,24

80,9% + 19,1% 60,6% + 39,4%

(C-S-H) (CH)



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Matéria Prima


C2S 4Cao.2SiO2 + 4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + CaO.H2O

(C-S-H) (CH)

4(56,08)+2(60,09)+4(18) 3(56,08)+2(60,09)+3(18)+(56,08)+(18)

224,32 + 120,18 + 72 168,24 + 120,18 + 54 + 56,08 + 18

344,50 + 72 342,42 + 74,08

82,7% + 17,3% 82,2% + 17,8%

(C-S-H) (CH)



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Utilizando a fórmula de Bogue:

%𝐶3𝑆 = 4,071𝐶 − 7,600𝑆 − 6,718𝐴 − 1,430𝐹 − 2,850𝑆

%𝐶2𝑆 = 2,867𝑆 − 0,754𝐶3𝑆

%𝐶3𝐴 = 2,650𝐴 − 1,692𝐹

%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043𝐹



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Exemplo: C 59,73 S 18,33 A 4,42 F 2,79 Sb 2,91 M 5,65 CaO 0,87 OUTROS 5,3 TOTAL 100

C3S 58,3 C2S 8,6 C3A 7,0 C4AF 8,5



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C3S Teor no cimento = 58,3%

Porcentagem de C-S-H formado = 60,6%

Porcentagem de CH formado = 39,4%

Porcentagem de C3S no processo de hidratação = 80,9%

C-S-H = 0,583*(0,606/0,809) = 0,437 = 43,7%

CH = 0,583*(0,394/0,809) = 0,284 = 28,4%



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C2S Teor no cimento = 8,6%

Porcentagem de C-S-H formado = 82,2%

Porcentagem de CH formado = 17,8%

Porcentagem de C2S no processo de hidratação = 82,7%

C-S-H = 0,086*(0,822/0,827) = 0,085 = 8,5%

CH = 0,086*(0,178/0,827) = 0,019 = 1,9%



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Totais:

C-S-H = 43,7 + 8,5 = 52,2%

CH = 28,4 + 1,9 = 30,3%



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Previsão do teor de Etringita: C3A + 3CSH + 26H C6AS3H32

(gipsita)

3(56,08)+101,96+3(56,08)+3(80,06)+6(18)+26(18) 1254,62

270,20 + 516,42 + 468,00 1254,62

21,5% + 41,2% + 37,3% 100%

𝑪𝟑𝑨

𝑪𝑺 𝑯= 𝟎, 𝟓𝟐

Teor no cimento: C3A = 7,0% (Bogue)

Gipsita = 5.0% (ensaio químico ou fabricante)



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Previsão do teor de Etringita:

𝑪𝟑𝑨

𝑪𝑺 𝑯= 𝟎, 𝟓𝟐

Teor no cimento: C3A = 7,0% (Bogue)

Gipsita = 5.0% (ensaio químico ou fabricante)

C3A que reage para a formação da etringita:

5*0,52 = 2,6%

Teor de C3A residual: 7,0 – 2,6 = 4,4%

Teor de estringita: 2,6% (100/21,5) = 12,1%



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