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Cimento
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Cimento PortlandConceitos básicos, fabricação, tipos,
normalização, ensaios
Angelo Just da Costa e Silva (Dr.)Maio, 2009
CONCRETOComponentes
CONCRETOComponentes
ESTADO FRESCO
ESTADO ENDURECIDO
CONCRETOComponentes
CONCRETOComponentes
Fase contínua
Pasta de cimento endurecida
Fase descontínua
Agregados
Zona de transição
Interface entre a pasta e o agregado
CONCRETOComponentes
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Pasta com a/c = 0,60
Para fck de 20 MPa
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
Pasta com a/c = 0,50
Para fck de 30 MPa
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
Pasta com a/c = 0,40
Para fck de 40 MPa
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
Pasta com a/c = 0,30
Para fck de 60 MPa
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
Efeito do
Super plastificante (1%)
Concreto de Cimento Portland
Conceitos fundamentais
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AGLOMERANTES
• Componente cuja principal característica é endurecer quando misturado à água, aglutinando as partículas com coesão e capacidade de ser moldado (trabalhado)
• Apresentam-se sob a forma pulverulenta e, quando misturados à água, formam pasta capaz de endurecer por simples secagem ou conseqüência de reações químicas, aderindo às superfícies com as quais foram postos em contato.
AGLOMERANTESClassificação
• Quimicamente inertes - barro cru
• Quimicamente ativos:
▫ Aéreos - Após o endurecimento NÃO resistem satisfatoriamente quando submetidos à ação da água (gesso, cal aérea)
▫ Hidráulicos - Resistem satisfatoriamente à água após endurecimento (cimento, cal hidráulica)
AGLOMERANTESRequisitos importantes
• Resistência mecânica - Capacidade de resistir a esforços de compressão, tração, cisalhamento. Importante também conhecer o comportamento deste ganho de resistência.
• Durabilidade - Capacidade de manter as suas propriedades durante o uso. A degradação pode ser oriunda de agentes externos (águas ácidas, sulfatadas) ou internos (compostos no próprio aglomerante ou presentes na mistura na qual o mesmo está contido).
AGLOMERANTESPropriedades fundamentais
• Solubilidade - Determina a capacidade de dissolução em íons (ânions e cátions), efetuada em meio aquoso, influenciada pelo tamanho das partículas, reatividade, temperatura etc.
• Reatividade - Facilidade do material de interagir quimicamente, tendo influência significativa na cinética das reações.
• Área específica - Corresponde à superfície efetiva de contato do sólido com o meio externo, sendo relacionada com a finura.
CIMENTO
• Aglomerante hidráulico largamente utilizado para a composição de peças estruturais em concreto e revestimento devido à sua excelente capacidade resistente.
• Tipos: Cimento comum, Portland (comum, composto, de alta resistência, de moderada resistência a sulfatos, de alta resistência a sulfatos etc.)
CIMENTO PORTLANDCompostos básicos
MATÉRIA PRIMA
Pedra calcária
▫ CaCO3
Argila
▫ SiO2
▫ Al2O3
▫ Fe2O3
▫ Outros
CLÍNQUER
C3S - 3 CaO . SiO2
C2S - 2 CaO . SiO2
C3A - 3 CaO . Al2O3
C4AF - 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3
Outros – álcalis, CaO
~1.500ºC
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CIMENTO PORTLANDProcesso de fabricação
• Extração e preparo da matéria prima
• Dosagem da mistura
• Clinquerização (fornos rotativos)
• Adições finais (gesso), moagem, ensilagem
CIMENTO PORTLANDProcesso de fabricação
1. Extração damatéria prima
2. Britagem
3. Moagem da mistura crua
4. Homog. damistura crua
5. Calcinaçãodo clínquer
6. Moagem do clínquer com gesso
CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer
• C3S - 3 CaO . SiO2 (silicato tricálcico)
▫ Principal responsável pelas propriedades hidráulicas, tendo reação rápida com a água
• C2S - 2 CaO . SiO2 (silicato dicálcico)
▫ Reage lentamente com a água, apresentando pouca resistência mecânica inicial que tende a aumentar significativamente com o decorrer da hidratação.
CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer
• C3A - 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico)▫ Reage instantaneamente com a água (elevada
liberação de calor de hidratação), sendo, por isso, necessária adição de sulfato (gesso) para geração de produtos insolúveis na água.
• C4AF - 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 (ferro aluminatotetracálcico)▫ Apresenta pega muito rápida.
• Outros - óxido de cálcio livre (CaO), periclásio(MgO), álcalis (Na2O, K2O), outros compostos
Propriedades dos compostos fundamentaisCompostos fundamentais do Cimento
Portland Propriedades
C3S C2S C3A C4AF
Resistência
boa boa+ fraca fraca
Intensidade
de reação
média lenta rápida rápida-
Calor de
hidratação
médio pequeno grande pequeno
Estabilidade
química
grande- grande baixa baixa
CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer
CIMENTO PORTLANDCompostos do clínquer - distribuição
75%
8%
8%
9%
silicatos combinados C3A C4AF Outros
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CIMENTO PORTLANDReações de hidratação
• Silicatos de cálcio (C3S, C2S)
▫ 2 C3S + 6 H2O C-S-H + 3 Ca(OH)2
▫ 2 C2S + 4 H2O C-S-H + Ca(OH)2
• Principal componente formado:
▫ C-S-H - 3 CaO . 2 SiO2 . 3 H2O
silicato cálcico hidratado - gel de tobermorita
CIMENTO PORTLANDReações de hidratação
• Aluminatos de cálcio (C3A, C4AF)
▫ Devido à adição do sulfato para regulação da pega, os aluminatos são analisados já combinados com este componente:
▫ C3A + CaSO4 . 2H2O etringita (C3A.3CS.32H) C3A CS H + C4AH
▫ C4AF C3(A,F).3CS.32H C3(A,F) CS H + C4(A,F) H
• reação imediata reação lenta
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas
DENOMINAÇÃO SIGLA NORMA
Portland comum CPI/CPI-S NBR5732
Portland compostoCPII-Z
CPII-E
CPII-F
NBR1157
Portland de alto forno CPIII NBR5735
Portland Pozolânico CPIV NBR5736
Portland de alta
Resistência InicialCPV-ARI NBR5733
Portland Resistente a
SulfatoCP – RS NBR5737
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas
TIPOS DE
CIMENTO
CLÍNQUER +
SULFATO
ESCÓRIA DE
ALTO-FORNO
MATERIAL
POZOLÂNICO
MATERIAL
CARBONÁTICO
CPI 100 0
CPI-S 99-95 1-5
CPII-E 94-56 6-34 0-10
CPII-Z 97-76 6-14 0-10
CPII-F 94-90 6-10
CPIII
Alto forno65-25 35-70 0-5
CPIV
Pozolânico85-45 15-50 0-5
CPV – ARI 100-95 0-5
• CP I e CP II
• São empregados em obras de concreto, em geral, não apresentando propriedades específicas para um determinado uso.
• CP III e CP IV
• São empregados em obras de concreto massa e em ambientes agressivos.
• CP V ARI
• São empregados, especificamente, em situações que se desejam resistências iniciais elevadas, possuindo o inconveniente de gerar elevado calor de hidratação.
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas - Tipos
• RS são Cimentos Portland resistentes à sulfatos, devendo ser designados pela sigla original de seu tipo, acrescido de RS.
• Condições:•C3A, no clínquer, inferior ou igual a 8 % e não possuir mais de 5% de CaCO3 e/ou
•Cimento Portland Pozolânico com percentual de pozolana entre 25% e 40% e/ou
•Cimento Portland de alto forno com percentual de escória entre 60% e 70%
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas - Tipos
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• BC são Cimentos Portland de baixo calor de hidratação, devendo ser designados pela sigla original de seu tipo, acrescido de BC.
• Condições:Valores máximos de calor de hidratação em
Joules por grama (J.g-1) 3 dias 2607 dias 300
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas - Tipos
Cimentos com finura elevada e ricos em C3S apresentam rápidas velocidades de hidratação,
sendo empregados em situações que requerem o desenvolvimento de resistências iniciais elevadas.
Pela rápida liberação de calor, não são recomendáveis para uso em concreto massa,
devido aos problemas de fissuração de origem térmica
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas
CIMENTO PORTLANDEspecificações normativas
O Ca(OH)2 e os aluminatos hidratados são componentes do clínquer hidratado, mais instáveis
sob o ataque de sulfatos. Portanto, quanto à durabilidade em meio agressivo (sulfatos), clínquercom percentual elevado de C2S e baixos percentuais
de C3S e C3A são os mais recomendáveis. Estes clínqueres também possuem baixo calor de
hidratação.
CIMENTO PORTLANDAdições minerais
São produtos minerais adicionados em certos percentuais ao Cimento Portland (clínquer + gesso),
com a finalidade de melhorar determinadas propriedades, em empregos específicos, nos quais o
Cimento Portland, sozinho, não possui. Também podem ser consideradas adições minerais, produtos que entram apenas como carga no Cimento Portland
ADIÇÕES MINERAIS
•Ativas• Pozolanas (Z)
• Naturais • Artificiais
• Argilas calcinadas (Baixa reatividade)• Metacaulim (Elevada reatividade)
• Subprodutos• Sílica ativa (Elevada reatividade)
• Cimentante• Escória de alto forno (E)
• Inerte• Calcário moído (F)
CIMENTO PORTLANDAdições minerais
São produtos minerais que possuem certa quantidade de minerais reativos, os quais possuem a capacidade de reagir com o Ca(OH)2, liberado na hidratação do
clínquer, na presença da água, produzindo silicato de cálcio hidratado (CSH).
C3S+H20 CSH+Ca(OH)2
Poz+Ca(OH)2+H20 CSH
Cimento Portland
Reação Pozolânica
CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Pozolanas
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• A reação pozolânica é lenta, sendo liberado menos calor de hidratação, principalmente, nas idades iniciais;
• A reação pozolânica consome Ca(OH)2 em vez de produzí-lo;
• A reação pozolânica induz o refinamento dos poros, pela nucleação dos cristais de hidróxido de cálcio.
CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Pozolanas
•São adições minerais que, por si só, possuem atividade hidraúlica, necessitando apenas da presença de água para o endurecimento.
• Possuem propriedades semelhantes às pozolanas
CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Cimentantes
ESCÓRIA GRANULADA DE ALTO FÔRNO (E)
São adições que não reagem com nenhum dos compostos do clínquer hidratado, entrando apenas
como carga.
CIMENTO PORTLANDAdições minerais - Inertes
FILLER CALCÁRIO (F)
CIMENTO PORTLANDPropriedades – Resistência mecânica
• Endurecimento - resistência mecânica
▫ Processo de preenchimento progressivo dos espaços vazios da pasta com os produtos, com redução na porosidade e permeabilidade
▫ Importância: Determina a capacidade resistente do material aos diversos
tipos de esforços (compressão, tração, cisalhamento).
• Determinação - NBR 7215: Resistência à compressão e tração na compressão diametral - cp
cilíndrico
Tração na flexão - cp prismático
CIMENTO PORTLANDPropriedades – Resistência mecânica
CP II E - 32
CP – Cimento Portland
II - Composto
E – Escória de Alto Fôrno
32 – Res. Mínima à compressão,
em MPa, nas condições:
•a/c=0,48
•Idade: 28 dias
•T.U.P.: 1:3 (cim:areia
padrão normalizada)
CIMENTO PORTLANDPropriedades - Finura
• Finura▫ Corresponde à área específica de contato dos
grãos de cimento com a água da mistura, tanto maior quanto mais eficiente for a moagem do clínquer com gesso
▫ Determinação:
Finura (NBR 11.579): peneiramento (nº 200 e nº 325)
Área específica (NM 76): Permeabilímetro de Blaine
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▫ Influência no comportamento do cimento:
▫ Aumento das resistências iniciais e finais;
▫ Aumento do calor de hidratação em um espaço de tempo menor;
▫ Aumento do consumo de água, isto é, necessita-se elevar relação água/materiais secos para manter a mesma trabalhabilidade;
▫ Melhora a estabilidade da mistura no estado fresco, reduzindo o fenômeno de exsudação.
CIMENTO PORTLAND
Propriedades - Finura
CIMENTO PORTLANDPropriedades – Tempo de pega
• Pega
▫ Termo usado para descrever a solidificação da pasta plástica de cimento
Início de pega: Marca o ponto no tempo em que a pasta torna-se não trabalhável
Fim de pega: Tempo necessário para a pasta se torne totalmente rígida
▫ Importância:
Determina o período de tempo que o concreto pode ser trabalhado após o seu lançamento.
CIMENTO PORTLANDPropriedades – Tempo de pega
• Pega
▫ Determinação: Aparelho de Vicat
NM 43: Água da pasta de consistência normal
NM 65: Tempo de pega
Início de pega: Agulha penetra 36mm na pasta
Fim de pega: Agulha faz uma impressão na superfície da pasta, sem penetrar
▫ Enrijecimento:
Perda de consistência da pasta plástica do cimento -está relacionada com a perda de abatimento do concreto.
CIMENTO PORTLANDPropriedades – Tempo de pega
CIMENTO PORTLANDPropriedades - Expansibilidade
• Expansibilidade - sanidade - estabilidade volumétrica▫ Retrata a variação de volume do cimento após a
pega, por conta de hidratação lenta ou reação expansiva com algum composto presente no cimento endurecido CaO, MgO, gesso - sulfato de cálcio (formação de
etringita atrasada)
▫ Determinação (MB3435): Ensaios em auto clave.
CIMENTO PORTLANDPropriedades - Expansibilidade
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CIMENTO PORTLANDPropriedades – Calor de hidratação
• Calor de hidratação▫ Representa o calor gerado pela reação
exotérmica de hidratação do cimento▫ Importância: Execução de peças com grande volume de concreto
(concreto massa) - barragens, blocos de fundação Regiões com baixa temperatura ambiente
▫ Determinação: Calorímetro (difícil avaliação precisa - encontrado
apenas em grandes laboratórios)
LimitesEnsaios und
CP V RS CP II F 32 CP II Z 32 RS CP IV 32 RS
Adição de material carbonático % 0 - 5 6 -10 0- 10 0- 5
Adição de pozolana % 6 -14 15-50
Res. na peneira Nº 200 % 6 12 12 8
FinuraÁrea especifica m2/kg 300 260 260
Tempo de início de pega h 1 >1 >1 >1
Tempo de fim de pega h <10 <10 <10 <10
Resíduo insolúvel % <1 <2,5 <16
1 dia MPa 14
3 dias MPa 24 10 10 10
7 dias MPa 34 20 20 20
Resistência à
compressão
28 dias MPa 32 32 32
Cimentos comercializados na RMR
CIMENTO PORTLANDPropriedades - ensaios
CIMENTO PORTLANDÁgua presente na pasta endurecida
• Água capilar - água presente nos poros de
grande dimensão (> 50Å), livre das forças de atração exercidas pela superfície sólida (água livre ou retida por tensão capilar)
• Água adsorvida - refere-se àquela água próxima
da superfície do sólido, sob influência das suas forças de atração
CIMENTO PORTLANDÁgua presente na pasta endurecida
• Água intramolecular (água de gel) -camada molecular de água presente ente as camadas de C-S-H, sendo perdida somente por secagem com umidade inferior a 11% (retração autógena)
• Água quimicamente combinada - é a água integrante da estrutura dos produtos hidratados do cimento (C-S-H, Ca(OH)2, sulfoaluminatos de cálcio hidratados)
CIMENTO PORTLANDVazios presentes na pasta endurecida
• Espaço intramolecular do C-S-H - vazio existente entre as camadas de C-S-H, não tendo influência quanto à resistência e permeablidade
• Vazios capilares - espaço não preenchido pelos componentes sólidos da pasta (cimento anidro + água = produtos de hidratação + vazios) - porosidade▫ macroporos (>50nm) - resistência e permeabilidade
▫ microporos (<50nm) - retração por secagem e fluência
• Ar incorporado - vazios obtidos por meio de aditivos (50 a 200m), a fim de incrementar a trabalhabilidade, ou durante a operação de mistura (até 3mm) - resistência e permeabilidade