Metha

Prévia do material em texto

186 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais CAPÍTULO Expansão Álcali-Agregado BLANK, R. F., and H. L. KENNEDY, The Technology of Cement and Concrete, Vol. 1, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1955, pp. 318-42. 6 DIAMOND, S., Cem. Concr. Res., Vol. 5, pp. 329-46, 1975; Vol. 6, pp. 549-60, 1976. GRATTEN BELLEUE, P. E., ed., Proc. 7th Int'l. Conf. on Alkali-Aggregate Reactions, National Research Council, Ottawa, Canada, 1987. HOBBS, D. W., Alkali-silica Reaction in Concrete, Thomas Telford, London, 1988. Aglomerantes PAULON, V. A. Reações álcali-agregado em concreto. São Paulo, Escola Politécnica da USP, 1981. Diss. mestr. Hidráulicos Corrosão da Armadura CRANE, A. P., ed., Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction, Ellis Horwood Ltd., Tradução e adaptação Chichester, West Sussex, U. K., 1983. Profa. Dra. Maria Alba Cincotto TONINI, D. E., and W. DEAN, JR., Chloride Corrosion of Steel in Concrete, ASTM STP 629, Prof. Dr. Paulo Helene 1977. HELENE, P. R. L. Corrosão em Armaduras para Concreto Armado. São Paulo, PINI-Instituto de Pesquisas Tecnológicas-IPT, 1986. ANDRADE PERDRIX, M. C. Manual para Diagnóstico de Obras Deterioradas por Corrosão de Armaduras. São Paulo: PINI, 1992. PREÂMBULO Ataque por Água do Mar Os aglomerantes hidráulicos ou resistentes à água consistem essencialmente de MALHOTRA, V. M., ed., Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-65, 1980. cimento Portland e suas diversas modificações. Para entender as propriedades do MALHOTRA, V. M., ed., Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP 109, 1988. cimento Portland, é proveitoso adquirir alguma familiaridade com seu processo de MEHTA, P. KUMAR, Concrete in the Marine Environment, Elsevier Publishing, 1991. fabricação, sua composição química e mineralógica, sua estrutura cristalina e a reatividade dos seus compostos constituintes como os silicatos de cálcio e os Ação do Congelamento e Fogo aluminatos de cálcio. Além disso, as propriedades do concreto contendo cimento Portland desenvolvem-se como resultado de reações químicas entre os compostos do ACI, Behavior of Concrete under Temperature Extremes, SP-39, 1973. cimento Portland e a água, uma vez que estas reações de hidratação são Betonghandboken (in Swedish), Svensk Byggtjanst, Stockholm, 1980; and Report of RILEM acompanhadas por trocas de matéria e energia. Committee 4 CDC, Materials and Structures, Vol. 10, N° 58, 1977. Descrevem-se neste capítulo a composição e as características dos principais LITVAN, G. G., and P. J. SEREDA, eds., Durability of Building Materials and Components, constituintes do cimento Portland. Discute-se amplamente as reações de hidratação dos aluminatos com suas influências nos vários tipos de comportamento de pega, e as ASTM STP 691, 1980. reações de hidratação dos silicatos com suas influências no desenvolvimento da resistência. Analisa-se em detalhe as relações entre a química das reações e os UM CÓDIGO SIMPLES PARA CONSTRUTORES aspectos físicos de pega e endurecimento do cimento Portland. São também revisadas a classificação dos cimentos Portland e suas especificações de acordo com a Hammurabi, um rei da Babilônia, que viveu há quatro mil anos, fazia cumprir a se- ASTM guinte regra sobre a responsabilidade dos construtores: Os cimentos Portland não preenchem todas as necessidades da indústria de "Se uma construção cair causando a morte do proprietário ou do seu filho, seja qual construção em concreto; para atender certas necessidades não satisfeitas foram for o caso, o construtor ou o seu filho serão condenados à morte. Se o escravo do desenvolvidos cimentos especiais. As composições, as características de hidratação, e proprietário da casa morrer, ser-lhe-á dado um escravo do mesmo valor. Se outros importantes propriedades de cimentos pozolânicos, cimentos de escória de alto-forno, bens forem destruídos, estes devem ser restaurados e as partes danificadas da casa devem ser reconstruídas por conta do construtor." Para aqueles envolvidos na indústria da construção de concreto, o código de N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Standard Specification Hammurabi deveria ser um lembrete da responsabilidade do indivíduo quanto à du- for Portland Cements. ASTM C150. In: Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1991. No Brasil esta norma corresponde aproximadamente à NBR 5732 rabilidade das estruturas. (EB 1) Cimento Portland Comum. ABNT, 1994.188 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 189 cimentos expansivos, cimentos de pega e endurecimento rápidos, cimentos bran- ajuda na formação de silicatos de cálcio a temperaturas consideravelmente mais co ou colorido, cimentos para poços de petróleo, e cimento de aluminato de cálcio baixas do que seria possível de outro modo. Portanto, quando não estão presentes são também descritos neste capitulo. quantidades suficientes de e nas matérias-primas principais, estes são propositalmente incorporados à mistura por adição de materiais secundários como a bauxita e o minério de ferro. Como resultado, além dos silicatos de cálcio, o produto final também contem aluminatos e ferroaluminatos de cálcio. AGLOMERANTES HIDRÁULICOS E AÉREOS CaSO4 1/2 130-150°C Definições e a química dos aglomerantes aéreos Gipsita Hemidrato Anidrita solúvel Os cimentos hidráulicos são definidos como os aglomerantes que não só endure- cem através de reações com a água, como também formam um produto resistente à água. Os aglomerantes derivados da calcinação da gipsita, ou de carbonatos como gesso de Páris a rocha calcária, são não-hidráulicos porque seus produtos de hidratação não re- sistem à água. As argamassas de cal usadas em estruturas antigas construídas pe- los gregos e romanos foram tornadas hidráulicas por adição de materiais pozolânicos os quais reagiram com a cal para produzir um produto cimentante resistente à água. A química fundamental do gesso e da cal está ilustrada na Fig 6-1. Comparado aos aglomerantes gesso e cal o cimento Portland e suas várias (a) modificações são os principais cimentos usados hoje em dia para a produção de concreto estrutural. Isto porque o cimento Portland é verdadeiramente hidráulico, não necessitando de adição de materiais pozolânicos para desenvolver as proprie- CaO dades de resistência à água. 900-1000°C Calcário Cal CIMENTO PORTLAND Definição H2O SiO₂ reativa A ASTM C 150¹ define o cimento Portland como um aglomerante hidráulico produzido pela moagem do clínquer, que consiste essencialmente de silicatos de Cal hidratada Silicato de Cálcio Hidratado cálcio hidráulicos, usualmente com uma ou mais formas de sulfato de cálcio como um produto de adição. Os clínqueres são nódulos de 5 a 25 mm de diâmetro de um (b) material sinterizado, produzido quando uma mistura de matérias-primas de com- Figura 6-1. Química dos aglomerantes gesso e cal: (a) produção de gesso e reação de posição pré-determinada é aquecida a altas temperaturas. hidratação; (b) produção de cal e reações de hidratação com e sem pozolanas. Processo de Fabricação A cristalização de agulhas de gipsita por hidratação do gesso é a causa da pega e endurecimento. Entretanto, a gipsita não é estável em água; consequentemente, gesso é considerado aglomerante não Sendo os silicatos de cálcio os principais constituintes do cimento Portland, as hidráulico. A cal é também instável à água. Entretanto, pode carbonatar-se lentamente ao ar matérias-primas para a produção do cimento devem suprir cálcio e sílica em for- para formar um produto estável (CaCO₃ Quando a pozolana (sílica reativa) está presente sistema, os mas e proporções adequadas. Os materiais de carbonato de cálcio, que ocorrem silicatos de cálcio hidratados formados como resultado da reação entre a cal e a pozolana são estáveis naturalmente como pedra calcária, giz, mármore, e conchas do mar são as fontes em água. industriais comuns de cálcio, tendo argila e dolomita como as principais impurezas. Argilas e xistos argilosos, ao invés de quartzos e arenitos, Para facilitar a formação dos compostos desejados no clínquer de cimento são as fontes preferidas de sílica suplementar na mistura de matérias-primas para a Portland é necessário que a mistura de matérias-primas esteja bem homogeneizada produção de silicatos de cálcio, pois a sílica quartzítica não reage facilmente. antes do tratamento térmico. Isto explica porque os materiais extraídos têm que As argilas também contêm alumina e freqüentemente óxidos de ferro ser submetidos a uma série de operações de britagem, moagem e mistura. A partir e álcalis. A presença de MgO e álcalis na mistura de matéri- da análise química das pilhas de materiais estocados, as suas proporções individu- as-primas tem um efeito mineralizante na formação de silicatos de cálcio; isto é, ais são determinadas pela composição desejada no produto final; as matérias-pri-190 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 191 mas proporcionadas são geralmente moídas em moinho de bolas ou de rolo até partículas² geralmente menores que 75µm. No processo de produção do cimento por via úmida, a moagem e a homogeneização da mistura de matérias-primas são executadas em forma de lama contendo de 30 a de água. As fábricas modernas de cimento priorizam o processo por via seca, o qual em termos de energia é mais eficiente do que o pro- cesso por via úmida porque a água usada para produzir a lama deverá ser subsequentemente evaporada antes da operação de clinquerização. Para esta ope- Silo farinha Bomba ensacamento caminhão ração, os fornos usados no processo por via seca equipados com pré-aquecedores a suspensão, os quais permitem uma troca eficiente de calor entre os gases quentes e a mistura de matéria-prima, necessitam um consumo de energia combustível fóssil Bomba da ordem de 800 kcal por quilograma de clínquer comparado com cerca de 1400 kcal/kg para os fornos do processo por via úmida. Um fluxograma simplificado da Difratrometro Silos de Cimento de Forno Fikro + produção de cimento Portland pelo processo por via seca é mostrado na Fig. 6.2, e uma fotografia aérea de uma fábrica moderna de cimento é mostrada na Fig. 6.3. Caminhão Granel Brita As reações químicas que ocorrem no sistema de fornos de cimento podem de Moinho Carvão Bomba aproximadamente ser representadas como as seguintes: Pedra calcária clinquer CaO + 3CaO moagem final 2CaO SiO, (6.1) Argila 3CaO de Argila Carvão 4CaO . Fe₂O₃ Silo de A operação final no processo de produção do cimento Portland consiste na moa- gem do clínquer em partículas na maioria menores que 75 de diâmetro. A Silo Clinquer operação é realizada em moinhos de bola também chamados de ajuste final de granulometria. Aproximadamente de gipsita ou de sulfato de usual- mente moído juntamente com o clínquer com a finalidade de controlar as reações iniciais de pega e endurecimento do cimento, como será discutido. de do Composição química Silo para Embora o cimento Portland consista essencialmente de vários compostos de cál- Figura 6-2. Fluxograma do processo de fabricação do cimento Portland por via seca (cortesia da "Southwestern Portland cio, os resultados de análises químicas de rotina são expressos em termos de óxi- Britagem de dos dos elementos presentes. Isto porque a determinação direta da composição dos compostos requer equipamentos e técnicas especiais. Além disso, costuma-se É mostrado um fluxograma simplificado da fabricação do cimento Portland por via seca. Uma das etapas mais importantes no processo é a operação de clinquerização realizada em um forno rotativo, que consiste de um cilindro metálico inclinado revestido com tijolos refratários. A farinha pré-aquecida e parcialmente calcinada entra pela extremidade superior do forno que gira constantemente e é transportada para a extremidade inferior a uma taxa controlada pela inclinação e pela velocidade de rotação do forno. Carvão pulverizado, óleo ou gás combustível é injetado na parte inferior da zona de calcinação onde podem ser atingidas temperaturas da ordem de 1450 a 1550 °C e as reações químicas expressar os compostos individuais dos óxidos do clínquer usando-se as seguintes descarga de carvão abreviações: ÓXIDO ABREVIAÇÃO ABREVIAÇÃO Cement Company, Fairborn, Ohio"). COMPOSTOS Transporte . envolvendo a formação dos compostos do cimento Portland são completadas. CaO C 3CaO S 2CaO SiO₂ C2S A 3CaO F 4CaO MgO M 4CaO S 3CaO 2SiO, H2O H 2H2O 2 N.T. A mistura assim obtida é também denominada farinha.192 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 193 TABELA 6-1 ANÁLISE QUÍMICA DOS CIMENTOS PORTLAND, RESULTADOS EXPRESSOS EM ÓXIDOS (%) Óxido Cimento 1 Cimento 2 Cimento 3 Cimento 4 Cimento 5 S 21,1 21,1 21,1 20,1 21,1 A 6,2 5,2 4,2 7,2 7,2 F 2,9 3,9 4,9 2,9 2,9 3 C 65,0 65,0 65,0 65,0 64,0 S 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 6 Outros 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 5 2 Clinquer de Cimento Portland 4 C₃S,C₂S 1 C3S C4AF Figura 6-3. Vista aérea da fábrica de cimento Portland Ash Grove Cement (na costa oeste dos EUA), em Durkee, Oregon:1 moagem da matéria-prima; 2. mistura e arma- zenamento da farinha; 3.pré-aquecedor a suspensão; 4. forno rotativo; 5. armazenamen- 29 30 31 32 33 34 35 to de clínquer; 6. moagem do cimento. (Fotografia por cortesia da "Vagn Johansen, F. graus 2 L. Smidth, Copenhagen, Denmark") (a) (b) Figura 6-4 (a) Micrografia da seção polida de uma amostra de clínquer obtida por mi- Uma vista aérea mostra a fábrica Ash Grove Cement de produção de cimento pelo processo a seco, localizada nas imediações de Durkee, Oregon, USA. Essa fábrica de 500.000 tonlano, que em 1979 croscopia de luz refletida; (b) Difratograma de raios X de uma amostra de clínquer pul- substituiu uma fábrica de processo a úmido, de 200,000 possui um forno rotativo de 4,35 por 66 m verizado. de comprimento equipado com um pré-aquecedor a suspensão de quatro estágios.Os gazes expelidos pelo Dois métodos são comumente utilizados para análise quantitativa direta do clinquer de cimento pré-aquecedor vão para um precipitador eletrostático projetado para uma eficiênca de emissão de 99,93 Portland. primeiro método envolve a microscopia ótica de luz refletida em seções polidas e impregnadas, Todos os ciclos do processo são monitorados e controlados com um sistema distribuido de seguida por contagem de número de pontos de áreas ocupadas pelos vários componentes. Tipicamente, microcomputadores, utilizando lógica "fuzzy" C,S aparece como cristais em placas hexagonais, C,S como grãos arredondados com bandas geminadas, e assim como como fases intersticiais. segundo método que é também aplicável aos cimentos Considerando-se que as propriedades do cimento Portland são relacionadas pulverizados, utilisa a difração de raios X de amostras pulverizadas. São necessárias curvas de calibração obtidas com misturas conhecidas dos componentes puros e um padrão interno; uma estimativa do ao teor dos compostos, é difícil extrair quaisquer conclusões a partir da análise do componente é feita usando essas curvas e as relações de intensidade entre um pico de difração selecionado cimento expressa em óxidos como as mostradas na Tabela 6-1. prática comum do componente e do padrão interno. na indústria do cimento, calcular o teor dos compostos do cimento Portland a partir da análise dos óxidos usando-se uma série de equações que foram original- Determinação da Composição a partir da Análise Química mente desenvolvidas por R. H. Bogue³. A determinação direta desses compostos, que requer habilidade e equipamentos especiais, (Fig. 6-4) não é necessária para o As equações de BOGUE³ para estimar a composição potencial ou teórica dos com- controle de qualidade de postos do cimento Portland são as seguintes: 4,071C 7,600S 6,718A - 1,430F 2,850S (6-2a) 2,867S 0,7544C3S (6-2b) 2,650A 1,692F (6-2c) 3 N.T. R. H. BOGUE, The Chemistry of Portland Cement, Reinhold Publishing 3,043F (6-2d) Corporation, New York, 1955 Cap. 10, pp 245 268.194 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 195 As equações são aplicáveis aos cimentos Portland com uma relação A/F mai- Além de fatores como o tamanho da partícula e a temperatura de hidratação, a or ou igual a 0,64; caso a proporção seja menor do que 0,64 um outro conjunto de reatividade dos compostos de cimento Portland com a água é influenciada por equações é aplicavel, o qual está incluído na ASTM C 150¹. Deve-se notar tam- suas estruturas cristalinas. Sob altas temperaturas e em condições de não equilí- bém que as equações de BOGUE³ admitem que as reações químicas de formação brio do forno de cimento e com uma variedade de íons metálicos presentes, as dos compostos do clínquer estejam completas, e que a presença de impurezas tais estruturas cristalinas formadas estão longe da perfeição. As imperfeições estrutu- como o MgO e os álcalis possa ser ignorada. Ambas as hipóteses não são válidas; rais explicam a instabilidade dos compostos do cimento em meio aquoso. De fato, assim, em alguns casos, a composição calculada, especialmente dos teores de as diferenças entre a reatividade de dois compostos tendo uma composição quími- e nos cimentos, sabidamente se desviam consideravelmente da composição ca similar somente pode ser explicada pelos seus graus de instabilidade estrutural. real determinada diretamente. Esta é a razão pela qual a composição calculada é Está fora do escopo deste livro discutir em detalhes a estrutura cristalina altamente também referida como composição potencial do cimento. complexa dos compostos do cimento; porém, os aspectos essenciais que condu- A composição potencial dos cimentos da Tabela 6-1 é mostrada na Tabela 6- zem a diferenças na reatividade são descritos abaixo. 2. Pode ser visto nos dados das Tabelas 6-1 e 6-2 que mesmo pequenas alterações na análise dos óxidos dos cimentos podem resultar em grandes mudanças nos Silicatos de cálcio. Silicato tricálcico e beta-silicato dicálcico teores dos compostos. Uma comparação entre os cimentos 1 e 2 mostra que a são os dois silicatos hidráulicos comumente encontrados nos clínqueres de cimen- redução de no com um incremento correspondente no diminuiu tos Portland industriais. Ambos contêm invariavelmente pequenas quantidades de a quantidade de e em 4,3 e respectivamente; esta alteração tam- ions de magnésio, alumínio, ferro, potássio, sódio e enxofre; as formas impuras do bém resultou num aumento na quantidade de e de de 3 e respec- e são conhecidas como alita e belita, respectivamente. tivamente. Analogamente, uma comparação entre os cimentos 4 e 5 mostra que Embora três formas cristalinas principais da alita triclínica, monoclínica, e uma redução de no CaO, com um correspondente aumento no faz o trigonal tenham sido detectadas em cimentos industriais, estas formas são uma cair em e o elevar-se da mesma quantidade. Considerando-se que as leve distorção da pseudo-estrutura ideal do constituída de tetraedros de propriedades dos cimentos Portland são influenciadas pela proporção e tipo de íons cálcio e íons oxigênio (Fig. 6-5a). De acordo com LEA⁴, um aspecto notável compostos presentes, as equações de Bogue atendem a um propósito útil forne- do empacotamento iônico é que a coordenação dos íons oxigênio em torno do cendo uma maneira simples de determinar a composição de um cimento Portland cálcio é irregular, de tal forma que os íons oxigênio estão concentrados num lado a partir de sua análise química. de cada íon cálcio. Este arranjo deixa grandes vazios estruturais responsáveis pela alta energia e reatividade da estrutura. Estruturas Cristalinas e Reatividade dos Compostos Analogamente, a estrutura da belita nos cimentos industriais é irregular, mas os vazios intersticiais formados são muito menores do que no e isto torna a A composição química dos compostos presentes nos cimentos Portland industri- belita muito menos reativa do que a alita. Em contraste, outra forma cristalográfica ais não é exatamente a que é expressa pelas fórmulas comumente utilizadas: do silicato dicálcico, denominado tem uma estrutura coordenada regular e Isto ocorre porque nas altas temperaturas que prevalecem duran- (Fig 6-5b) tornando o composto não reativo. te a formação do clínquer, os elementos presentes no sistema, inclusive impurezas tais como magnésio, sódio, potássio e enxofre, possuem a capacidade de entrar em Aluminato e Ferroaluminato de Cálcio. Vários aluminatos de cálcio soluções sólidas com cada um dos principais compostos do clínquer. Pequenas hidráulicos podem ocorrer no sistema porém o aluminato tricálcico quantidades de impurezas em solução sólida podem não alterar significantemente (C₃A) é o principal aluminato do clínquer de cimento Portland. As ferritas de cál- a natureza cristalográfica e a reatividade de um composto com a água, porém cio não são encontradas no clínquer do cimento Portland comum, mas são forma- grandes quantidades sim. dos os ferroaluminatos cálcicos, que pertencem à série da solução sólida das ferritas (Fₛₛ), e o composto mais comum corresponde aproximadamente à com- TABELA 6-2 COMPOSIÇÃO DOS CIMENTOS PORTLAND (%) posição equimolecular, Analogamente aos silicatos cálcicos, ambos e em clínqueres indus- Compostos Cimento 1 Cimento 2 Cimento 3 Cimento 4 Cimento 5 triais contêm na sua estrutura cristalina significativas quantidades de impurezas como o magnésio, sódio, potássio, e sílica. A estrutura cristalina do puro é 53,7 58,0 62,3 53,6 42,0 cúbica; porém o e o contendo grandes quantidades de álcalis são ambos 19,9 16,2 12,5 17,2 28,8 ortorrômbicos. As estruturas cristalinas são bastante complexas mas são caracteri- 11,4 7,1 2,8 14,0 14,0 zadas por grande vazios estruturais responsáveis pela reatividade elevada. 8,8 11,9 14,9 8,8 8,8 M. Lea, The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, Inc. New York, 1971, pp 317-37.196 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 197 Óxido de Magnésio e Óxido de Cálcio. A origem do óxido de magnésio no cimento é usualmente a dolomita que está presente como impureza na maioria dos calcários. Uma parte do óxido de magnésio total no clínquer do cimento Portland (isto é, até pode entrar em solução sólida com os vários compostos acima descritos; porém, o resto ocorre como MgO cristalino, também chamado periclásio. A hidratação do periclásio a hidróxido de magnésio é uma reação lenta e expansi- va que sob certas condições pode causar deterioração ou imperfeições (isto é, fissuras e expansão no concreto endurecido). Óxido de Cálcio livre ou não combinado raramente está presente em quanti- Ca dades significativas nos cimentos Portland modernos. O mau proporcionamento 2 (3) 2 das matérias primas, moagem e homogeneização inadequadas, e a temperatura ou D o tempo de permanência insuficientes na zona de calcinação do forno estão entre os principais fatores que contribuem para a presença de óxido de cálcio livre ou Ca 3 cristalino no clínquer do cimento Portland. Assim como o MgO, o CaO cristalino (2) A exposto a altas temperaturas no forno de cimento hidrata lentamente, e a reação de hidratação é capaz de causar deterioração nos concretos endurecidos. Ca Tanto o MgO como o CaO têm estrutura cúbica, sendo cada íon de magnésio (1) ou cálcio circundado por seis átomos oxigênio num octaedro regular. O tama- nho do íon é tal que na estrutura do MgO os íons de oxigênio estão em contato íntimo com o íon num arranjo compacto nos interstícios. Porém, no IA caso da estrutura do CaO, devido ao tamanho bem maior do íon os íons de oxigênio são forçados a se separar de tal forma que os íons não estão arranja- (a) dos compactamente. o MgO cristalino formado na fase fundi- da a alta temperatura (1400 °C), no forno de clínquer Portland, é muito menos reativo com a água do que o CaO cristalino, exposto às mesmas condições de temperatura. Esta é a razão pela qual sob temperaturas comuns de cura a presen- ça de quantidades significativas de CaO cristalino no cimento Portland pode cau- sar deterioração do concreto, enquanto uma quantidade similar de MgO, geral- mente, é inofensiva. Compostos Alcalinos e Sulfatos. Os álcalis, o sódio e o potássio, no clínquer Figura 6-5. Estruturas de cristais de do cimento Portland, são principalmente provenientes dos componentes da argila (a) seção vertical da base presentes na mistura de matérias-primas ou no carvão; sua quantidade total ex- da camada da pseudoestrutura de pressa em Na,O equivalente + pode variar de 0,3 a Os 3CaO.SiO, através da diagonal maior sulfatos em um forno de cimento são geralmente originados do combustível. De- da célula. Apenas os átomos de oxigê- nio no plano de simetria são mostrados pendendo da quantidade de sulfato disponível, sabe-se estarem presentes no clínquer como círculos claros. 1, 2 e 3 são se- do cimento Portland sulfatos solúveis de álcalis tais como a langbeinita (2CS.NS) ções do tetraedro de Os átomos e a aphthitalita (3NS.KS). Sabe-se também que a sua presença tem uma influência de cálcio são círculos escuros; significativa nas reações iniciais de hidratação do cimento. os átomos de silício não Quando não há uma quantidade suficiente de sulfato no sistema, os álcalis são estão mostrados; eles ocorrem no cen- tro dos tetraedros. [De "F. M. Lea, The de preferência consumidos pelo e C,S, que podem então modificar-se em Chemistry of Cement and Concrete, compostos do tipo NC₈A₃ e respectivamente. Ás vezes, grandes quantida- Cálcio Oxigênio Chemical Publishing Company, Inc. des de sulfato na forma de gipsita são adicionadas propositalmente na farinha para New York, 1971, por permissão de abaixar a temperatura de calcinação ou para modificar a fase para o (b) Edward Arnold (Publishers) Ltd."] qual é um constituinte importante de certos tipos de cimento expansivo assim A coordenação irregular dos íons oxigênio em torno do cálcio deixa grandes vazios, os quais são como de cimentos de endurecimento rápido (como será descrito mais tarde). responsáveis pela alta reatividade do Por outro lado, tem uma estrutura regularmente coordenada e é, portanto, não reativo.198 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 199 No cimento Portland comum, a origem da maioria dos sulfatos (expressos em é a gipsita, ou sulfato de cálcio numa das suas várias formas possíveis, adicionado ao clínquer. A razão principal da sua adição é retardar a tendência à 100 BLAINE 546 /kg pega instantânea do clínquer pulverizado de cimento Portland, devido à alta Cimento de Alta reatividade do presente. O sulfato de cálcio pode ocorrer como gipsita 90 Resistência Inicial hemidrato ou gesso de Paris e anidrita % Passante 80 Comparado aos compostos do clínquer, a gipsita dissolve rapidamente em água; 7.5 42 15 66 entretanto, o hemidrato é muito mais solúvel e está invariavelmente presente nos 70 cimentos devido à decomposição da gipsita durante a operação final de moagem. Finura Massa Acumulada, em % 30 88 Cimento Portland Comum 45 97 60 % Passante 50 7.5 µm 22 Além da composição, a finura do cimento influencia a sua reação com a água. 15 µm 46 40 30 µm 74 Geralmente, quanto mais fino o cimento, mais rápido ele reagirá. Para uma dada 45 88 30 composição, a taxa de reatividade e, portanto, de desenvolvimento da resistência, pode ser aumentada através de uma moagem mais fina do cimento; porém, o custo 20 da moagem e o calor liberado na hidratação estabelecem alguns limites para 10 a finura. Para a finalidade de controle da qualidade na indústria de cimento, a finura é 100 60 40 20 10 6 4 2 facilmente determinada como resíduo em peneiras padrão como a malha #200 Diâmetro Equivalente, (75 e a malha #375 (5 Considera-se geralmente que as partículas de cimento maiores do que 45 são difíceis de hidratar e aquelas maiores do que Figura 6-6 Curvas de dados típicos de análise da distribuição granulométrica de amos- tras de cimento Portland (Dados cedidos por cortesia da "Southwestern Portland Ce- 75 nunca se hidratam completamente. Entretanto, uma estimativa das taxas ment Company, Victorville, California"). relativas de reatividade dos cimentos com composição similar não pode ser feita sem o conhecimento da distribuição granulométrica completa através de métodos Brunauer e Copeland⁶ competentemente descreveram a importância da de sedimentação. Uma vez que a determinação da distribuição granulométrica por hidratação do cimento Portland para a tecnologia do concreto: sedimentação é também trabalhosa ou requer equipamentos caros, é uma prática comum na indústria obter uma medida relativa da distribuição granulométrica pela A química do concreto é essencialmente a química da reação entre cimento Portland e a determinação da área específica do cimento pelo método Blaine de Permeabilidade água Em qualquer reação química os principais pontos de interesse são as ao Ar, ASTM C Dados típicos da distribuição granulométrica e da area espe- transformações de matéria, as variações de energia, e a velocidade de reação. Esses três cífica determinada pelo método Blaine para duas amostras de cimento Portland aspectos de uma reação têm grande importância prática para o usuário do cimento Portland. o conhecimento das substâncias formadas quando o cimento Portland reage é produzido industrialmente estão mostrados na Fig. 6-6. importante, pois o cimento em si mesmo não é um material cimentante; os seus produtos de hidratação sim, têm propriedades aglomerantes. conhecimento da quantidade de calor HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND liberado é importante porque o calor é algumas vezes favorável e outras vezes é desfavorável conhecimento da velocidade de reação é importante, porque determina Importância o tempo de pega e de endurecimento. A reação inicial deve ser lenta o suficiente para O cimento Portland anidro não aglomera areia e agregado graúdo; ele só adquire a permitir o lançamento do concreto na fôrma. Por outro lado, após o lançamento do concreto é sempre desejável um rápido endurecimento. propriedade adesiva quando misturado à água. Isto acontece porque a reação quí- mica do cimento com a água, comumente chamada de hidratação do cimento, gera produtos que possuem características de pega e endurecimento. Mecanismo de Hidratação Foram propostos dois mecanismos de hidratação do cimento Portland. A hidratação por envolve a dissolução de compostos anidros em seus constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, devido à sua baixa solu- N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for bilidade, uma eventual precipitação de hidratos provenientes da solução super- Fineness of by Air Permeability Apparatus, ASTM C 204. In:_. saturada. Logo, o mecanismo dissolução-precipitação visa uma completa reorga- Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil método equivalente é NBR 7224 (MB 348) Cimento Portland e Outros Materiais em Pó Determinação da Área Específica. ABNT. 1993. S.Brunauer and L.E. Copeland, "The Chemistry of Concrete," Sci. Am., April 1964Aglomerantes Hidráulicos 201 200 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais nização dos constituintes dos componentes originais durante a hidratação do ci- consistência) e a pega (solidificação) características da pasta do cimento Portland, mento. De acordo com outro mecanismo, denominado topoquímico ou hidratação são amplamente determinados por reações de hidratação envolvendo aluminatos. no estado sólido do cimento, as reações ocorrem diretamente na superfície dos Os silicatos, que compõem aproximadamente 75 % do cimento Portland co- componentes do cimento anidro sem entrarem em solução. A partir de estudos mum, têm um importante papel na determinação das características de endureci- sobre pastas de cimento com microscópio eletrônico (Fig. 6-7), parece que o me- mento (taxa de desenvolvimento da resistência). Com o propósito de obter um canismo de dissolução-precipitação é dominante nos estágios iniciais de hidratação claro entendimento das mudanças físicas e químicas durante a hidratação do ci- do cimento. Em estágios posteriores, quando a mobilidade iônica na solução se mento Portland, é de interesse discutir separadamente as reações de hidratação torna restrita, a hidratação da partícula residual de cimento pode ocorrer por rea- dos aluminatos e silicatos. ções no estado sólido. Hidratação dos aluminatos A reação do com a água é imediata. Formam-se rapidamente hidratos crista- linos, tais como e com liberação de uma grande quantidade de calor de hidratação. A menos que a reação rápida de hidratação do seja de alguma forma desacelerada, o cimento Portland não terá utilidade para a maioria dos propósitos de construção. Isto é geralmente conseguido por adição de gipsita. Portanto, na prática, não são importantes as reações de hidratação do sozinho, mas sim a hidratação do na presença de gipsita. Do ponto de vista das reações de hidratação do cimento Portland é convenien- te em conjunto o e o ferroaluminato, porque os produtos formados quando o segundo reage com a água na presença de sulfato são estruturalmente semelhantes àqueles formados do Por exemplo, dependendo da concentra- ção de sulfato, a hidratação do C₄AF pode produzir ou 2 µm que possuem composições químicas variáveis, porém estruturas similares à etringita e ao monossulfoaluminato respectivamente. Entretanto, o papel desempenhado pelo ferroaluminato no cimento Portland, nas fases iniciais das reações de pega e endurecimento da pasta de cimento, depende principalmente da sua composição química e temperatura de formação. Geralmente, a reatividade da fase ferrita é de certa forma mais lenta do que a do mas cresce com o aumento do teor de alumina e diminuição da temperatura de formação durante o processo de produção do cimento. Em todo caso, deve-se notar que as reações de hidratação dos aluminatos descritas abaixo são aplicáveis tanto ao como ao do cimento Portland embora para simplificar somente o seja Várias teorias têm sido postuladas para explicar o mecanismo de retardo do pela gipsita. De acordo com uma teoria, uma vez que a gipsita e os álcalis entram em solução rapidamente, a solubilidade do é diminuida na presença de íons hidroxila, álcalis e sulfato. Dependendo da concentração do aluminato e dos íons sulfato na solução, o produto cristalino de precipitação é o trissul- foaluminato de cálcio hidratado ou o monossulfoaluminato de cálcio hidratado. Figura 6-7. Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra fraturada de uma pasta Em soluções saturadas com íons cálcio e hidroxila, o primeiro cristaliza-se como de cimento Portland com 3 dias de idade. pequenas agulhas prismáticas e é também denominado alto-sulfato ou pela desig- Os cristais de hidróxido de cálcio são maciços, enquanto os cristais de C-S-H são pobremente cristalinos e nação mineralógica etringita. O monossulfato é também denominado baixo-sul- mostram uma morfologia fibrosa. fato e cristaliza-se como placas hexagonais delgadas. As reações químicas rele- Uma vez que o cimento Portland é composto de uma mistura heterogênea de vantes podem ser expressas como: vários compostos, o processo de hidratação consiste na ocorrência de reações si- multâneas dos compostos anidros com a água. Entretanto, todos os compostos não Na literatura recente os termos AF, e são empregados para designar os produtos hidratam à mesma velocidade. Os aluminatos são conhecidos por hidratarem mui- que podem ter componentes químicos variáveis, mas que são estruturalmente similares à to mais rápidamente do que os silicatos. Na verdade, o enrijecimento (perda de etringita e ao monossulfato hidratado, respectivamente.202 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 203 (etringita) (6-3a) Caso IV: Quando pouco ou nenhuma gipsita for adicionada a um clínquer pulverizado de cimento Portland, a hidratação do é rápida e os + +aq. (monossulfato) (6-3b) aluminatos de cálcio hidratados em placas hexagonais começam a se formar em grande quantidades, logo após a adição de água, gerando qua- A etringita é geralmente o primeiro hidrato a cristalizar-se devido à elevada se uma pega instantânea. Este fenômeno conhecido como pega instan- relação sulfato/aluminato na fase aquosa durante a primeira hora de hidratação. tânea, está associado a uma grande evolução de calor inicial com resis- Nos cimentos Portland normalmente retardados que contêm 5 a 6% de gipsita, a tências baixas a longo prazo, precipitação da etringita contribui para o enrijecimento (perda de consistência), Caso V: Quando o no cimento é de baixa reatividade, como no caso para a pega (solidificação da pasta), e desenvolvimento da resistência inicial. Mais de cimentos parcialmente hidratados ou cimentos carbonatados que foram tarde, depois do sulfato da solução ter sido consumido, quando a concentração de armazenados de modo inadequado, e ao mesmo tempo, uma grande quan- aluminatos se eleva novamente devido à renovação da hidratação do e do tidade de hemidrato está presente no cimento, a fase aquosa conterá uma a etringita torna-se instável e é gradativamente convertida em monossulfato, baixa concentração de íons aluminato mas ficará rapidamente super- que é o produto final da hidratação do cimentos Portland que contem mais de saturada com respeito aos íons cálcio e sulfato. Esta situação conduzirá a de uma rápida formação de grandes cristais de gipsita com uma correspon- dente perda de consistência. fenômeno, chamado falsa pega, não está (6-4) associado com grande evolução de calor e pode ser remediado pela mistura enérgica da pasta de cimento com ou sem a presença de água adicional. Uma vez que o equilíbrio aluminato-sulfato na fase aquosa de uma pasta endurecida de cimento Portland é que determina principalmente se o comportamento Reatividade do Disponibilidade de Idade da pega é normal ou não, estão ilustrados na Fig. 6-8 e discutidos abaixo, vários no clinquer Sulfato na solução 10 min 2-4h fenômenos de pega influenciados pelo desequilíbrio na relação A/S, o qual tem um trabalháveis trabalháveis menos pega normal Caso significado prático em tecnologia de concreto, discutido a seguir: baixa baixa Caso I: Quando as concentrações disponíveis dos íons aluminato e sul- trabalháveis menos trabalhável pega normal fato na fase aquosa são baixas, a pasta de cimento vai permanecer Caso Etringita trabalhável por aproximadamente 45 min; depois disso começará a se alta alta enrijecer à medida que os espaços preenchidos com água começam a ser trabalháveis pega rápida preenchidos com os cristais de etringita. A maioria dos chamados ci- Caso III mentos Portland de pega normal pertencem a esta categoria. A pasta alta baixa torna-se menos trabalhável entre 1 e 2 horas após a adição de água e pega istanatânea pode iniciar o endurecimento dentro de 2 ou 3 horas. Caso IV nenhuma ou nos poros Caso II: Quando as concerntrações dos íons aluminato e sulfato dispo- alta muito baixa níveis na solução são altas, grandes quantidades de etringita se formam falsa pega Caso rapidamente e causam uma perda considerável de consistência dentro de Cristalização da gipsita em agulhas nos poros baixa alta 10 a 45 min, com o enrijecimento da pasta entre 1 e 2 horas. Cimentos de alto teor de C,A recém-produzidos contendo mais do que a quantidade Figura 6-8. Influência da relação aluminato/sulfato da fase aquosa nas características normal de sulfatos alcalinos ou sulfato de cálcio hemidratado são geral- de pega de pastas de cimento Portland (De "F. W. Locher, W. Richartz, e S. Sprung, mente caracterizados por este tipo de comportamento. Zement Kalk Gips, No. 6, pp. 271-77, 1980.") Caso III: Quando a quantidade de reativo é alta, mas a quantidade de sulfato solúvel presente é menor do que aquela necessária para um Embora a gipsita seja adicionada ao cimento para servir como um retardador, retardamento normal, cristais em formas de placas hexagonais de o que é conhecido como teor ótimo de gipsita no cimento, é geralmente determi- monossulfato e de aluminato de cálcio hidratados formam-se rapidamente nada por ensaios normalizados que mostram a resistência máxima do cimento e a e em grandes quantidades com a pega da pasta de cimento em menos de retração mínima para dadas idades de hidratação. Os íons sulfato que entram em 45 min após a adição da água. Este fenômeno é conhecido como pega solução pela dissolução da gipsita têm um efeito retardador sobre as aluminatos, rápida. mas um efeito acelerador na hidratação dos silicatos (ver Capítulo 8), os quais são os principais compostos do cimento Portland. Logo, dependendo da composição204 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 205 de um cimento, é indicado um teor específico de gipsita para o desempenho ótimo se calcular que para a hidratação completa, e o exigem e de do cimento. água, respectivamente. As equações estequiométricas de hidratação do e C,S não dizem nada Hidratação dos Silicatos sobre as velocidades de reação. Do ponto de vista da instabilidade estrutural des- A hidratação do C3S e do no cimento Portland produz uma família de crita anteriormente e pelos dados de calor de hidratação fornecidos abaixo, nota-se silicatos de cálcio hidratados estruturalmente similares mas que variam largamen- que o hidrata a uma velocidade maior do que o Na presença de gipsita, o te quanto à relação cálcio/sílica e ao teor de água quimicamente combinada. Con- em finas partículas começa a hidratar uma hora após a adição de água ao siderando que a estrutura determina as propriedades, as diferenças de composição cimento, e provavelmente contribui para o tempo final de pega e a resistência entre os silicatos de cálcio hidratados têm pequeno efeito sobre as suas caracterís- inicial da pasta de cimento. Na verdade, a evolução relativamente rápida de ticas físicas. A estrutura e as propriedades dos silicatos de cálcio hidratados formados nas TABELA 6-3. EFEITO ACELERADOR DA GIPSITA SOBRE TEMPO DE PEGA, pastas de cimento Portland foram descritas no Capítulo 2. Em geral, o material é CALOR DE HIDRATAÇÃO E RESISTÊNCIA DA ALITA pouco cristalino e forma um sólido poroso que apresenta características de um gel Cimento Cimento de Alita rígido. A literatura refere-se a este gel como gel de tobermorita, de acordo com Portland um mineral natural de estrutura aparentemente similar. O uso deste nome não é normal sem gipsita de gipsita mais aceito porque a similaridade nas estruturas cristalinas é muito pobre. Além Tempo de (horas) disso, considerando que a composição química dos silicatos de cálcio hidratados inicial 3,0 8,5 4,5 em pastas de cimento em hidratação varia com a relação água/cimento, temperatu- Final 6,0 11,5 7,5 ra e idade de hidratação, tornou-se mais comum referir-se a esses hidratos sim- Calor de (cal/g) plesmente como C-S-H, uma notação que não implica em uma composição fixa. 3 dias 61 59 63 No caso da hidratação completa a composição aproximada do material corresponde dias 75 61 66 ao esta composição é então utilizada para cálculos estequiométricos. 28 dias 83 85 81 As reações estequiométricas para pastas completamente hidratadas de e Resistência à MPa podem ser como: 3 dias 13,5 8,5 11,0 + 6H + 3CH (6.5.a) 7 dias 21,5 14,0 17,0 + CH (6.5.b) 28 dias 35,0 25,0 27,5 90 dias 37,0 37,0 37,0 Além do fato de que produtos de reação similares são formados na hidratação de ambos os silicatos de cálcio presentes no cimento Portland, há diversos pontos Cimento de alita preparado pela moagem de uma alita monoclínica de alta pureza sintetizada em que precisam ser destacados. laboratório até à finura Blaine 330 m²/kg. Um cimento Portland industrial com finura Blaine de Primeiro, cálculos estequiométricos mostram que a hidratação do produ- 330 m²/kg, foi incluído com o objetivo de servir de referência. Método ASTM C1869 e C foram usados para determinação do tempo de pega, ziria de e de hidróxido de cálcio, enquanto a hidratação de calor de hidratação e resistência à compressão, respectivamente. produziria de e de hidróxido de cálcio. Se a área específica e, Fonte: Dados de P.K. Mehta, D. Pirtz, e M. Polivka, Cem. Concr. Res. Vol.9. pp. 439-50, 1979. consequentemente, a propriedade adesiva da pasta de cimento for principalmente devida à formação de silicato de cálcio hidratado espera-se que a resistência final N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Time de um cimento Portland de alto teor de seja menor do que a de um cimento de of Setting of Hydraulic Cement Paste by Gillmore Needles. ASTM C 266. alto teor de Na verdade, isto se confirma através de dados de muitas Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil o método pesquisas. empregado para medir a pega do cimento é o das agulhas de Vicat, NBR 11581 (MB Segundo, se a durabilidade de uma pasta endurecida de cimento a águas áci- 3434) Cimento Portland Determinação dos tempos de pega. ABNT, 1993. das e sulfáticas é reduzida devido à presença de hidróxido de cálcio, pode-se espe- 9 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and Test Method for Heat rar que um cimento contendo uma proporção maior de seja mais durável em of Hydration of Hydraulic Cement, ASTM C 186 In: Annual Book of ASTM ambientes ácidos e sulfatados do que outros contendo uma proporção maior de Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil, a norma equivalente é NBR 8809 (MB 2072) Cimento Portland Determinação do Calor de Hidratação a partir do calor de Esta observação é também geralmente confirmada por experiências de cam- dissolução. ABNT, 1993. po e laboratório. Do ponto de vista da durabilidade a ataques químicos, muitas 10 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for especificações objetivam limitar o teor máximo permissível de nos cimentos; Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars. ASTM C109. Annual Book algumas recomendam o uso de pozolanas para remover o excesso de hidróxido de of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil, a norma equivalente é, NBR 7215 cálcio da pasta de cimento hidratado. Terceiro, a partir das equações acima pode- (MB 1) Cimento Portland Determinação da resistência à compressão. ABNT, 1993.206 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 207 hidratação do é um importante fator na composição dos cimentos Portland de trar o início de pega (começo de enrijecimento) antes de atingir o ápice em B, o alta resistência inicial, como será discutido posteriormente. qual corresponde ao fim da pega (enrijecimento completo e início do endureci- As reações de hidratação da alita e da belita são aceleradas na presença de mento). íons sulfato em solução. Numerosos pesquisadores observaram que, contrariamente à diminuição de solubilidade mostrada pelos compostos aluminato, a solubilidade dos compostos de silicato de cálcio, tanto o como o C,S, é de fato aumentada 6 em soluções de sulfato, o que explica a aceleração da hidratação. A Tabela 6-3 5 mostra os dados típicos do efeito de adição de gipsita sobre a evolução da hidratação da alita. Conclui-se que, embora o objetivo básico da gipsita no cimento Portland seja o de retardar a hidratação dos aluminatos, um efeito colateral é a aceleração Velocidade de liberação de calor, gh 4 B 3 da hidratação da alita sem a qual os cimentos industriais endureceriam a uma taxa mais lenta. 2 CALOR DE HIDRATAÇÃO Figura 6-9. Taxa de liberação de calor de uma pasta de cimento Portland du- 4 8 12 16 20 24 Os compostos do cimento Portland são produtos de reações a alta temperatura que rante a pega e o período inicial de en- Tempo, horas durecimento. não estão em equilíbrio e por isso estão em um estado de energia elevada. Quando um cimento é hidratado, os compostos reagem com a água para atingir estados TABELA 6-4. CALORES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CIMENTO estáveis de baixa energia, e o processo é acompanhado pela liberação de energia PORTLAND na forma de calor. Em outras palavras, as reações de hidratação dos compostos do cimento Portland são exotérmicas. Calores de hidratação a uma dada idade (cal/g) significado do calor de hidratação do cimento em tecnologia de concreto é Compostos 3 dias 90 dias 13 anos múltiplo. O calor de hidratação pode muitas vezes ser um problema (por exemplo, em estruturas de concreto massa), e outras tantas vezes um auxílio (por exemplo, 58 104 122 em concretagem durante o inverno quando a temperatura ambiente pode ser muito C2S 12 42 59 baixa para fornecer energia de ativação para as reações de hidratação). A quanti- 212 311 324 dade total de calor liberado e as taxas de liberação de calor pela hidratação dos 69 98 102 compostos individuais podem ser usadas como índices de suas reatividades. Como discutido abaixo, os dados de estudos de calor de hidratação podem ser usados para caracterizar o comportamento de pega e endurecimento do cimento e para Da análise dos dados de calor de hidratação de um grande número de cimen- prever a elevação da temperatura. tos, Verbeck e Foster¹² calcularam as taxas individuais de evolução de calor devi- Usando um calorímetro de condução, Lerch¹¹ registrou a taxa de evolução de do aos quatro compostos principais do cimento Portland (Tabela 6-4). Uma vez calor das pastas de cimento durante a pega e o período inicial de endurecimento. que o calor de hidratação do cimento é uma propriedade aditiva, pode-se predizê- Um gráfico típico desses dados é mostrado na Fig. 6-9. Em geral, na mistura do lo por expressão do tipo cimento com a água, ocorre uma rápida evolução de calor durante poucos minutos (pico A ascendente). Isto provavelmente representa o calor de dissolução de aluminatos e sulfatos. Esta evolução de calor inicial termina rapidamente (pico A descendente) quando a solubilidade dos aluminatos é reduzida na presença de onde H representa o calor de hidratação da uma dada idade e sob dadas condições; sulfatos em solução. ciclo seguinte de evolução de calor, culminando no segun- A, B, C e D são as percentagens de C,S, e presentes no cimento; e do pico depois de aproximadamente quatro ou oito horas de hidratação para a a, b, c e d são coeficientes que representam a contribuição de dos respectivos compostos ao calor de hidratação. Os valores desses coeficientes serão diferentes maioria dos cimentos Portland, representa o calor de formação da etringita (pico para as várias idades de hidratação. ascendente). Muitos pesquisadores acreditam que o período de evolução de ca- lor inclui algum calor de dissolução devido ao e ao calor de formação de C-S- H. A pasta de um cimento devidamente retardado ou desacelerado reterá muito de sua plasticidade antes do começo deste ciclo de calor e vai enrijecer e mos- 11 W.Lerch, Proceedings Am. Soc. Test. Mat., Vol. 46, p. 12252, 1946. 12 G.J. Verbeck and C.W. Foster, Proceedings Am. Soc. Test. Mat., Vol. 50, p. 1235, 1950.208 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 209 Para um cimento Portland típico, parece que aproximadamente 50% do calor que o tempo de inicio de pega não deve ser menor do que 45 minutos, e que o potencial é liberado durante os 3 primeiros dias, e nos 3 primeiros meses de tempo de fim de pega não deve ser maior do que 375 minutos¹⁶, determinados pela hidratação. Para cimentos Portland de baixo calor de hidratação ASTM tipo IV¹³, agulha de Vicat (ASTM C a ASTM C 150¹⁴ requer que o calor de hidratação aos 7 e aos 28 dias seja limitada Uma pasta de cimento Portland fresca tem pouca ou nenhuma resistência por- a 60 e 70 cal/g, respectivamente. Os cimentos Portland normais, ASTM tipo I¹⁵, que ela representa apenas o início da hidratação do o principal composto geralmente produzem de 80 a 90 cal/g aos 7 dias, e de 90 a 100 cal/g aos 28 dias. presente. Uma vez que a hidratação do tem início, a reação continua rapida- mente por muitas semanas. processo de preenchimento progressivo dos espaços ASPECTOS FÍSICOS DO PROCESSO DE PEGA E ENDURECIMENTO vazios na pasta com os produtos de reação resulta no decréscimo da porosidade e da permeabilidade, e em um acréscimo na resistência. Em tecnologia de concreto Os aspectos químicos das reações de hidratação dos compostos do cimento Portland o fenômeno de ganho de resistência com o tempo é chamado de endurecimento. A já foram discutidos. Para aplicação em tecnologia de concreto é interessante rever Fig. 6-10 mostra uma representação gráfica da relação entre a química do proces- os aspectos físicos tais como enrijecimento, pega, e endurecimento que são dife- so de hidratação de uma pasta normal de cimento Portland e o fenômeno físico de rentes manifestações na evolução dos processos químicos. enrijecimento gradual, pega, e endurecimento, com um correspondente decrésci- Enrijecimento é a perda de consistência da pasta plástica de cimento, e está mo na porosidade e na permeabilidade. associado ao fenômeno de perda de abatimento no concreto. É a água livre na pasta de cimento que é responsável pela sua plasticidade. A perda gradual de água livre do sistema devido às reações iniciais de hidratação, adsorção fisica na super- C-S-H fície dos produtos de hidratação de baixa cristalinidade, como a etringita e o Co Monossulfato C-S-H, e a evaporação causam o enrijecimento da pasta e, finalmente, a pega e o endurecimento. Quantidade relativa Etringita Porosidade termo pega implica na solidificação da pasta plástica de cimento. O come- ço da solidificação chamado início de pega marca o ponto no tempo em que a Quantidade relativa Permeabilidade Resistência pasta se torna não trabalhável. Consequentemente, o lançamento, compactação e Inicio de pega acabamento do concreto após este estágio será muito difícil. A pasta não se solidi- Perda de trabalhabilidade fica repentinamente; necessita de um tempo considerável para tornar-se totalmen- 5 30 2 6 2 7 28 90 Fim de pega Min Hs Dias Solidificação total Solido te rígida. O tempo necessário para solidificar completamente marca o tempo de Ganho de Resistência Idade fim de pega, o qual não deverá ser tão longo a fim de se retomar a atividade (a) (b) construtiva dentro de um tempo razoável após o lançamento do concreto. Os tem- Figura 6-10. (a) Curvas de velocidades típicas de formação de produtos hidratados em pos de início e fim de pega são quase universalmente determinados pelo aparelho uma pasta de cimento Portland comum; (b) influência da formação de produtos hidrata- dos no tempo de pega, porosidade, permeabilidade e resistência da pasta de cimento. de Vicat, que mede a resistência de uma pasta de cimento de consistência padrão à [(a) Adaptado de J. Soroka, Portland Cement Paste and Concrete, The Macmillan penetração de uma agulha sob uma carga total de 300 g. início de pega é um Press, p. 35, 1979.] tempo arbitrário no processo de pega que fica caracterizado quando numa profun- didade de 40 mm na pasta de cimento a agulha não consegue penetrar até aproxi- EFEITO DAS CARACTERÍSTICAS DO CIMENTO NA RESISTÊNCIA E madamente 5 a 7 mm do fundo. O fim de pega é atingido quando a agulha faz uma impressão na superfície da pasta, mas não penetra. A ASTM C estabelece CALOR DE HIDRATAÇÃO Uma vez que a reatividade com a água dos compostos individuais do cimento Portland varia consideravelmente é possivel modificar as características de desen- volvimento da resistência dos cimentos simplesmente alterando as proporções des- tes compostos. Por exemplo, as resistências iniciais aos 3, 7, e 28 dias serão altas 13 N.T. Os cimentos brasileiros aproximadamente equivalentes ao ASTM Tipo IV são se o cimento contiver grande quantidade de e e a resistência inicial será CP-III e o CP-IV. 14 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Standard Specification 16 N.T. No Brasil o início de pega deve ocorrer após 1 h e o fim de pega antes de 10 h. for Portland Cements. ASTM C150. In: Book of ASTM Standards. 17 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Time Philadelphia, 1991. No Brasil essa norma corresponde aproximadamente à NBR 5732 of Setting of Hydraulic Cement Paste by Gillmore Needles. ASTM C191. In: Annual (EB 1) Cimento Portland Comum Especificação. ABNT, 1994. Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil o método empregado para N.T. Os cimentos brasileiros aproximadamente equivalentes ao da ASTM tipo I, são o medir a pega do cimento é o das agulhas de Vicat, NBR 11581 (MB 3434) Cimento CP-I e o CP-IS. Portland Determinação dos tempos de pega. ABNT, 1993".210 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 211 baixa se o cimento contiver uma proporção elevada de C,S. Além disso, a partir de Tipo I: Utilizado quando não são requeridas as propriedades especiais considerações teóricas dadas, a resistência final de um cimento rico em C,S deve- especificadas para qualquer um dos outros tipos. Não há limites impos- rá ser maior do que a de outro com baixo teor de Estudos de laboratório tos para nenhum dos quatro compostos principais. confirmam estas expectativas. 6-11(a)). Além disso, considerando que a composição do cimento influencia o calor de Tipo IA: Cimento Tipo I com incorporador de ar, onde o ar incorporado hidratação, espera-se que cimentos contendo elevado teor de C,S não sejam ape- é necessário (por exemplo, na produção de concreto resistente ao conge- nas de endurecimento lento mas também de baixa liberação de calor (Fig.6-11(b)). lamento). Além da composição, as taxas de desenvolvimento de resistência e de libera- Tipo II: Para uso geral, especialmente quando se deseja moderada resis- ção de calor podem ser prontamente controladas através da adequação da finura tência ao sulfato ou moderado calor de hidratação. Como o e o do cimento. Por exemplo, dependendo da composição específica do cimento, mo- produzem elevados calores de hidratação, a norma limita a quantidade dificando-se a área específica de 320 para 450 m²/kg Blaine, é possível aumentar de no cimento ao máximo de e tem um limite opcional máximo a resistência à compressão da argamassa de cimento de 1, 3 e 7 dias de aproxima- de na soma do e (aplica-se este limite quando se necessita damente 50 a 100, 30 a 60 e 15 a 40 por cento, respectivamente. Dados típicos da um moderado calor de hidratação, ou quando não estão disponíveis da- influência da finura na resistência são mostrados na Fig. 6-11c. Dados adicionais dos de ensaios de calor de hidratação). sobre a influência da composição do cimento, finura, e temperatura de hidratação no desenvolvimento do calor são mostrados na Fig. 6.12. Tipo IIA: Cimento tipo II com incorporador de ar, onde se deseja ar incorporado. TIPOS DE CIMENTOS PORTLAND Tipo III: Para uso quando se deseja uma alta resistência inicial. Para Um resumo das principais características dos compostos principais do cimento assegurar que a alta resistência não é devida principalmente aos produ- Portland está na Tabela 6-5. A partir do conhecimento das reatividades relativas e tos de hidratação do a norma limita o teor de C2A no cimento a um dos seus produtos de hidratação, é possivel produzir cimentos com características máximo de Deve-se notar na Fig.6-11 que geralmente a alta resis- especiais como os de alta resistência inicial, de baixo calor de hidratação, de alta tência inicial do cimento Portland tipo III, em parte, deve-se a uma área resistência ao sulfato, e moderado calor de hidratação ou moderada resistência ao específica Blaine maior, de aproximadamente 500 m²/kg em vez de 300 sulfato. A ASTM C , cobre os seguintes 8 tipos de cimento Portland.¹ a 400 m²/kg do cimento Portland Tipo I. Tipo IIIA: Cimento tipo III com incorporador de ar, quando se deseja incorporado. 18 N. T. A correspondência aproximada entre cimentos nacionais e americanos está Tipo IV: Para uso quando se deseja um baixo calor de hidratação. Uma indicada na tabela abaixo: vez que o e o produzem altos calores de hidratação, mas o produz muito menos calor, a norma impõe limites máximos de 35 e 7 por Denominação Sigla/Tipo Norma Denominação Sigla Norma Portland cento de e respectivamente, e estabelece um mínimo de I ASTM C 150 Portland Comum CPI NBR 5732 Portland Comum com Adição CP I-S de no cimento. Slag-Modified Portland ASTM 595 Portland Composto com Escória CP II-E Pozzolan-Modified Portland (MP) ASTM 595 Portland Composto com Pozolana Tipo V: Para uso quando se deseja uma alta resistência ao sulfato. A CP II-Z NBR 11578 Portland Composto com Filler CP II-F norma estabelece um limite máximo de 5% de que se aplica quando Portland Blastfurmace Slag IS ASTM 595 Portland de Alto Forno CP III NBR 5735 o ensaio de expansão ao sulfato não é solicitado. Portland Pozzolan IP ASTM 595 Portland Pozolânico CPIV NRB 5736 Portland with High Early Strength Deve-se notar que o produto final da hidratação em cimentos con- III ASTM C 150 Portland de Alta Resistência Inicial CP V-ARI NBR 5733 Portland with Moderate Sulphate tendo mais de de potencial, como calculado pelas equações de Resistence II ASTM C150 Bogue, é o monossulfato hidratado o qual é instável quando exposto a Portland with High Sulphate Resistence V ASTM 150 CP RS uma solução de sulfato; a etringita é o produto estável em meios Slag Modofied Portinad Moderate CP RS sulfatados, e a conversão do monossulfato a etringita é geralmente asso- Sulphate Resistence ASTM C 595 CP II-E RS ciada a expansão e fissuramento. Pozzolan-Modified Portland Moderate Portland Resistente a Sulfatos CP RS NBR 5737 Sulphate Resistence ASTM C 595 CP II-F RS Portland Blastfurnace Slag Moderate CP III RS Sulphate Resistence IS (MS) ASTM 595 CP IV RS Portland Pozzolan moderate IP (MS) Sulphate Resistence P (MS) ASTM C 595212 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 213 400 48 400 1: C3S 84%, 1: 500 (Blaine) II / IV 5% I Resistência à compressão, MPa Calor desenvolvido em kJ/kg 1 41 300 2 2: C3S 60%, 8% Calor desenvolvido em kJ/kg 300 2: 400 (Blaine) 2 3: 300 (Blaine) 3 3: C3S 60%, 200 3 III 200 34 C3A 0% 100 100 27 (a) (a) (b) Ensaio em cilindros de 0 0 40 80 5 10 20 40 80 20 10 x20 cm; consumo de 5 10 20 cimento de 335 e Tempo, dias Tempo, dias dimensão máxima do 13 agregado de 38 mm 400 6 Periodo de cura, 21°C 0 7d 14d 28d 90d 180d 1a 2a 5a Calor desenvolvido em kJ/kg 300 200 (c) 50° 20 C 100 120 III I 0 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100 Cimento COMPOSIÇÃO POTENCIAL II Tipo C₂ S AF Tempo, dias Calor de hidratação, cal/g 80 I 49 25 12 8 Figura 6-12. Influência da proporção dos compostos, finura, e temperatura de hidrata- II* 30 46 5 13 ção no desenvolvimento do calor nas pastas de cimento (relação água/cimento 0,4). (Do 60 III 56 15 12 8 "Beton-Bogen, Aalborg Cement Company, Aalborg, Denmark.") Tanto a taxa como a quantidade total de calor liberado na hidratação do cimento são influenciadas pela (b) porcentagem dos compostos, finura, e temperatura de hidratação. 40 Embora a ASTM C 150¹⁴ abranja a produção e o uso de cimentos Portland 20 3 7 14 28 90 180 365 com ar incorporado, os produtores de concreto preferem cimentos sem ar incorpo- Idade, dias rado porque a aplicação de aditivos incorporadores de ar durante a produção do concreto oferece um melhor controle para obtenção da quantidade e distribuição 70 Resistência à compressão, MPa 60 desejada do ar incorporado no produto. Consequentemente, há pouca demanda 50 para cimentos com ar incorporado. Do mesmo modo, os cimentos de baixo calor 40 de hidratação tipo IV não são mais fabricados nos Estados Unidos porque o uso de (c) 30 aditivos minerais no concreto oferece, em geral, uma forma menos cara de contro- 20 400 le do aumento de temperatura. Deve-se notar que mais de dos cimentos 10 hidráulicos produzidos nos Estados Unidos pertencem aos cimentos Portland Ti- 0 123 7 14 28 pos I e II da ASTM, aproximadamente ao Tipo III da ASTM, e o resto são Idade, dias cimentos especiais, tais como cimentos para cimentação em poços de petróleo, que abrangem aproximadamente da produção total de cimento. Figura 6-11. (a) Influência da composição do cimento na resistência; (b) influência da composição do cimento sobre o calor de hidratação; (c) influência da finura do cimento As composições típicas dos cimentos Portland comumente disponíveis nos na resistência. [Dados de (a) e (b) foram obtidos do "Concrete Manual, U.S. Bureau of Estados Unidos são mostradas na Tab.6-6. Aspectos importantes dos requisitos Reclamation, 1975, pp 45-46;" dados de (c) foram obtidos do "Beton-Bogen, Aalborg físicos de acordo com a ASTM C 150¹⁴ relacionados aos métodos de ensaio, estão Cement Company, Aalborg, Denmark, 1979"] resumidos na Tabela 6-7. Os métodos de ensaio e as especificações são úteis prin- Na prática industrial, a modificação da proporção dos compostos e da finura do cimento Portland fornece cipalmente quando se tem como objetivo o controle da qualidade do cimento; eles métodos efetivos de controlar tanto as taxas de desenvolvimento da resistência inicial como de liberação do não devem ser usados para prever propriedades do concreto que, entre outros fato- calor de hidratação.214 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 215 res, são muito influenciados pelo relação água/cimento, temperatura de cura, e TABELA 6-6 COMPOSIÇÃO TÍPICA DOS COMPOSTOS DE VÁRIOS TIPOS DE interação aditivo-cimento quando aplicável. Por exemplo, comparado sob condi- CIMENTO PORTLAND DISPONÍVEIS NOS ESTADOS UNIDOS ções de ensaio padrão, o tempo de pega do cimento aumentará com o aumento da relação água/cimento e diminuirá com o aumento da temperatura de cura. Variação da proporção dos componentes (%) As Normas de cimento no mundo são geralmente similares em princípio, Tipo da Descrição geral C3S variando de uma para a outra em pequenos detalhes. Contudo, algumas exceções C 150 devem ser notadas. Por exemplo, as normas de cimento não diferenciam os cimen- tos Portland ASTM Tipos I e II entre si. Além disso, a maioria das Normas de I Emprego geral 45-55 20-30 8-12 6-10 cimento não indicam o ensaio de expansão em autoclave da ASTM C e a II Emprego geral com moderada 40-50 25-35 5-7 6-10 especificação de sanidade da ASTM C porque o comportamento do cimen- resistência aos sulfatos e to Portland na hidratação é consideralvelmente alterado sob as condições de moderado calor de hidratação autoclave, e porque nunca foi demonstrada uma relação entre a máxima expansão III Alta-resistência inicial 50-65 15-25 8-14 6-10 permitida de acordo com o ensaio e a sanidade do cimento em serviço²⁰. Ao invés IV Resistente a sulfato 40-50 25-35 0-4 10-20 disso, prefere-se o ensaio de Le Chatelier que implica na exposição de uma pasta de cimento à água fervente (não são as condições de autoclave). CIMENTOS HIDRÁULICOS ESPECIAIS TABELA 6-5 COMPOSTOS PRINCIPAIS DO CIMENTO PORTLAND E SUAS CARACTERÍSTICAS Classificação e nomenclatura Composição Aproximada 3CaO.SiO, Os cimentos Portland não satisfazem a todas as necessidades da indústria de con- Fórmula Abreviada creto; por isso têm sido produzidos cimentos especiais para atender a certas neces- Nome comum Alita sidades. Comparado ao cimento Portland, seu volume é pequeno e o preço geral- Belita Fase ferrita Fss Principais MgO, mente mais elevado, mas devido às suas características singulares, os cimentos MgO MgO, especiais merecem ser melhor conhecidos pelo engenheiro estrutural. Impurezas álcalis Com uma notável exceção, os cimentos hidráulicos especiais podem ser con- Sistema cristalino Monoclínico Monoclínico Cúbico Monoclínico siderados como cimentos Portland modificados no sentido de que são fabricados Ortorrômbico pela alteração da composição percentual dos compostos do clínquer do cimento Proporção dos Portland ou mediante a mistura de certos aditivos ao cimento Portland, ou por compostos ambos os procedimentos acima. Uma classificação clara dos cimentos especiais é presentes (%) dificil; no entanto, na prática americana o uso do termo cimentos Portland com- Intervalo de variação 35-65 10-40 0-15 5-15 postos é restrito às misturas dos cimentos Portland com escória de alto forno res- Média no cimento 50 25 8 8 friadas bruscamente ou com materiais pozolânicos como a cinza volante. Outros comum cimentos especiais são geralmente classificados sob o termo cimentos Portland Velocidade de média lenta rápida média modificados pois são obtidos pela modificação da composição percentual dos reação com água compostos do clíquer do cimento Portland. Os silicatos de cálcio hidráulicos, Contribuição para e continuam sendo os constituintes cimentantes básicos, apenas as fases a resistência aluminato e ferrita são adequadamente alteradas para obter as propriedades nas primeiras idades boa pequena boa boa nas últimas idades boa excelente média média A exceção aos cimentos Portland compostos e modificados é o cimento de Calor de médio baixo elevado médio aluminato de cálcio, cujas propriedades cimentantes não resultam da presença de hidratação típico 120 60 320 100 silicatos de cálcio hidráulicos. Os cimentos especiais, suas composições, e aplica- (cal/g) ções mais importantes estão resumidos na Tabela 6-8, aspectos importantes, ca- racterísticas de hidratação, e propriedades dos cimentos listados na tabela serão discutidos posteriomente. 19 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Autoclave Expansion of Portland Cement, ASTM C151. In: Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil este ensaio também foi desprezado a partir de 1980. 20 P.K.Mehta, ASTM STP 663, 1978, pp. 35-60.216 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 217 TABELA 6-7. PRINCIPAIS ESPECIFICAÇÕES FÍSICAS E ASPECTOS ESSENCIAIS Cimentos Portland Compostos DOS MÉTODOS DE ENSAIOS DA ASTM PARA CIMENTOS PORTLAND Requisitos especificados A economia de custos foi provavelmente a razão original para o desenvolvimento Tipo I Tipo I Tipo III Tipo V Método de ensaio pela ASTM C de cimentos Portland compostos. No entanto, o impulso ao rápido crescimento na Finura: produção de cimentos compostos em vários países da Europa e Ásia veio como 280 280 não 280 mínimo (m²/kg) 0 método ASTM abrange especificado a determinação da finura de ci- um resultado da economia potencial de energia. Além disso, em certos aspectos, mentos usando permeabilímetro os cimentos compostos comportam-se melhor do que o cimento Portland. Atual- de Blaine. A finura é expressa em mente, a produção de cimentos com escória representa aproximadamente um quarto termos da área específica do cimento. da produção total de cimento na Alemanha, e a produção de cimentos pozolânicos Sanidade: 0,8 0,8 0,8 0,8 expansão máx. método ASTM abrange representa cerca de um terço da produção total do cimento na Itália. Nos Estados a determinação da sanidade dos ci- em autoclave (%) Unidos, a produção de cimentos compostos é ainda incipiente; no entanto, há um mentos medindo-se a expansão de um prisma de pasta de cimento interesse crescente pelo uso de materiais pozolânicos (por ex: cinzas volantes) e pura curado normalmente por 24 materiais cimentantes (por ex.: escória de alto-forno moída) como adições mine- horas e posteriormente aquecido a rais ao concreto. A composição e as propriedades dos materiais pozolânicos e uma pressão de 2 MPa em auto- clave por 3 horas. cimentantes estão descritas no Capítulo 8. Tempo de pega: A ASTM C abrange 5 classes de cimentos, mas a produção comercial é início de pega 45 45 45 45 mínimo (mm) método ASTM abrange limitada ao cimento Portland com escória de alto-forno Tipo IS¹⁸, e cimentos a determinação do tempo de pega de pastas de cimento pelo aparelho Portland pozolânicos Tipo IP¹⁸. De acordo com a Especificação, o cimento Tipo de Vicat. o tempo de início de fim de pega: IS¹⁸ deve consistir de uma mistura homogênéa e íntima do cimento Portland e da máximo (min) pega é obtido quando a agulha de 375 375 375 375 1 mm penetra a 35 mm de uma es- escória de alto-forno de granulação fina no qual o componente escória tem entre pessura de 40 mm de pasta de ci- 25 e da massa do cimento Portland com escória de alto-forno. A escória de mento. o tempo final de pega é alto-forno é um produto não metálico consistindo essencialmente de silicatos e obtido quando uma agulha com um orifício de 5 mm não penetra aluminos silicatos de cálcio e outras bases; escória granulada é o produto vítreo visivelmente na pasta. ou não-cristalino formado quando a escória de alto-forno fundida é rapidamente Resistência à compressão mínima (MPa) método ASTM abrange resfriada, como por exemplo pela imersão em água. O Cimento Tipo IP¹⁸ deve 120 dia na umidade do + 2 a determinação da resistência à 12,5 24,0 8,0 dias na água compressão em cubos de argamas- consistir de uma mistura íntima e homogênea do cimento Portland (ou cimento 1 dia na umidade do + 6 sa com traço em peso de 1 parte Portland de alto-forno) e pozolana fina no qual a quantidade de pozolana está 19,5 17,0 15,0 dias na água de cimento, 0,485 partes de água, e 2,75 partes de areia padrão entre 15 e 40 da massa total do cimento. Uma pozolana é definida como um 1 dia na umidade do ar + 20,5 graduada. material silicoso ou sílico-aluminoso que em si mesmo possui pouca ou nenhum 27 dias na água propriedade cimentante mas, numa forma finamente dividida e na presença de umidade, reage quimicamente com hidróxido de cálcio a temperaturas ambientes A resistência à compressão mínima aos 3 e 7 dias deve ser 6,0 e 12 MPa, respectivamente, quando b são especificados opcionalmente o calor de hidratação os limites químicos da soma de e para formar compostos com propriedades cimentantes. Quando especificamente requisitado, o valor mínimo das resistências aos 28 dias para cimentos Tipo I e II deve ser de 27,5 MPa. TABELA 6-8. CIMENTOS HIDRÁULICOS ESPECIAIS: SUAS COMPOSIÇÕES E USOS Classificação e tipos Composição Principais usos 21 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Cimentos Portland compostos Consiste essencialmente de 1. Baixo calor de hidratação Fineness of Portland Cement by Air Permeability Apparatus, ASTM C 204. In: Cimento Portland de alto- uma mistura íntima e uniforme 2. Excelente durabilidade. Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil o método forno (ASTM Tipo de escória granulada de alto- quando apropriadamente equivalente é NBR 7224 (MB 348) Cimento Portland e Outros Materiais em Pó Cimento Portland Pozolânico forno ou uma pozolana ou am- dosado e curado. Determinação da Área Específica. ABNT, 1993. (ASTM Tipo IP)¹⁸ bos com cimento Portland e 3. Economia de energia e preser- freqüentemente contendo sul- vação de reservas naturais e 22 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Time fato de cálcio. Cimentos indus- geralmente de custo mais of Setting of Hydraulic Cement Paste by Gillmore Needles. ASTM C191. In: Annual triais Tipo IS¹⁸ contêm tipica- baixo do que o cimento Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil o método empregado para mente 30 a 40 de escória Portland. medir a pega do cimento é o das agulhas de Vicat, NBR 11581 (MB 3434) Cimento Portland Determinação dos tempos de pega. ABNT, 1993. 23 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars. ASTM C109. In: Annual Book 24 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Specification for of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil, a norma equivalente é NBR 7215, Blended Hydraulic ASTM C595. In: Annual Book of ASTM (MB 1) Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão. ABNT, 1993. Philadelphia, 1993. No Brasil a norma NBR 11578 (EB 2138) Cimento Portland Composto abrange os tipos CP II-E, CP II-Z e CP II-F (ver nota 18).218 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 219 TABELA 6-8. (CONT.) TABELA 6-8. (CONT.) Classificação e tipos Composição Principais usos Classificação e tipos Composição Principais usos enquanto cimentos Tipo IP API Classe Cimento de baixo conteúdo de Para profundidades contêm 20 a de pozolana. com retardador 3048-4877 m (110-160 °C) Comparados ao cimento Por- API Classe G, H²⁷ Essencialmente cimentos Por- Para temperaturas de poços tland, os dois tipos são moídos tland ASTM Tipos II e V em partículas mais finas para grosseiramente moídos, sem compensar parcialmente as retardador. perdas de resistência iniciais. Cimentos expansivos API Classe Essencialmente e areia Para profundidades de poços Consistem essencialmente de 1. Produção de concreto resis- Tipo silicosa pulverizada. abaixo de 6100 m (>177 °C) cimento Portland contendo um tente à fissuração pela compe- Tipo aditivo expansor. Cimentos Tipo sação da tensão de tração de- Cimentos brancos ou Consiste de cimentos Portland Produção de concreto arquite- Tipo K, M e S, especificados pela vido a retrações por secagem. coloridos com pouco ou nenhum ferro tônico. Tipo ASTM C 845, derivam sua 2. Produção de elementos de presenteAglomerantes Hidráulicos 221 220 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais A reação entre a pozolana e hidróxido de cálcio é chamada reação pozolânica. A importância técnica dos cimentos pozolânicos (e também dos cimentos de alto- forno)²⁹ deriva principalmente de três aspectos da reação pozolânica. Primeiro, a reação é lenta, e portanto, a taxa de liberação de calor e de desenvolvimento da resistência serão lentas. Segundo, a reação consome óxido de cálcio, ao invés de produzí-lo, o que representa uma contribuição importante para a durabilidade da pasta endurecida de cimento frente a meios ácidos. Terceiro, estudos sobre a distribuição do tamanho dos poros dos cimentos IP¹⁸ e IS¹⁸ hidratados mostraram que os produtos da reação são bastante eficientes no preen- chimento dos espaços capilares grandes, melhorando assim a resistência e impermeabilidade do sistema. Dados sobre a distribuição do tamanho dos poros no cimento Portland Pozolânico contendo uma pozolana grega (solo da ilha de Santorin) estão mostrados na Fig. 6-13, e uma representação gráfica do processo de refinamento dos poros associado à reação pozolânica é mostrada na Fig. 6-14. de baixa densidade 28dias 90 dias 1 ano 0.6 0.5 Volume de mercúrio, cm3 0.4 0.3 0.2 0.1 o 0% 10% 20% 30% 0% 10% 20% 30% 0% 10% 20% 30% Figura 6-14. Representação esquemática de pastas de cimento bem hidratadas de cimen- 45 500-1000 to Portland pozolânico. Comparada à pasta de cimento Portland (ver Fig. 2-6 para identi- ficação das fases presentes) é mostrado aqui que, como resultado da reação pozolânica, 1000 os vazios capilares foram eliminados ou reduzidos em tamanho, sendo os cristais densos Figura 6-13. Mudanças na distribuição de tamanho dos poros com teores variáveis de de hidróxido de cálcio substituidos pelo C-S-H formado com uma densidade menor. pozolana. (com permissão da "Cem. Conc. Res., Vol. 11, No. 4, P. K. Mehta, Copyright 1981, Pergamon Press, Ltd.") Com base em estudos ao microscópio eletrônico de varredura e de distribuição de tamanho dos poros de pastas de cimento hidratado, com e sem pozolana, é possível concluir que existem dois efeitos físicos da Em estudo de laboratório, cimentos pozolânicos contendo 10, 20, 30% em peso de uma pozolana natural reação entre as partículas da pozolana e do hidróxido de cálcio: (i) refinamento do tamanho do poro, e (ii) grega foram hidratados com uma dada relação águalcimento, e determinada a distribuição do tamanho dos refinamento do tamanho do grão. A formação de produtos de hidratação secundários (principalmente poros por porosimetria de injeção de mercúrio aos 28, 90 e 365 dias. Com 20 ou 30% de pozolana, não silicatos de cálcio hidratados) ao redor das partículas de pozolana tende a preencher os vazios capilares foram observados poros grandes (>0,1 em pastas curadas durante um Os ensaios de grandes com um material microporoso e, consequentemente, de baixa densidade. processo de permeabilidade à água mostraram que estas pastas de cimento eram muito mais do que a transformação de um sistema contendo vazios capilares grandes em um produto microporoso contendo pasta de cimento Portland de referência. muitos vazios pequenos é referido como "refinamento de tamanho de poro". Do mesmo modo, a nucleação do hidróxido de cálcio ao redor de partículas finas e bem distribuídas de pozolana terá efeito de substituir os cristais grandes orientados de hidróxido de cálcio por numerosos cristais, pequenos e menos orientados além de produtos de reação pouco cristalinos. processo de transformação de um sistema contendo grãos Embora se considere a reação da escória de alto forno com a cal como grandes de um componente em um produto contendo grãos menores é referido como "refinamento do pozolânica, é importante ressaltar que: a) a escória é hidráulica, desenvolvendo suas tamanho do grão" Ambos os processos de refinamento do tamanho de grão como de refinamento de propriedades à temperatura ambiente, pela ação de ativantes alcalinos (p. ex., cal, tamanho de poro aumentam a resistência da pasta de cimento. silicato de sódio, carbonato de sódio e hidróxido de sódio); b) no caso particular da cal, Do ponto de vista de impermeabilidade e durabilidade os efeitos da reação pozolânica são o cálcio participa da formação do C-S-H; c) excetuando-se a cinza volante com alto teor provavelmente mais importantes em concreto do que na pasta endurecida de cimento. Como discutido no de de cálcio, os materiais pozolânicos são potencialmente hidráulicos, desenvolvendo suas Capítulo 5, a permeabilidade do concreto é geralmente muito maior do que a da pasta propriedades quando em presença de cal; d) embora o produto formado em reações de cimento por causa das microfissuras da zona de transição. É sugerido que os processos de refinamento de a hidratação dos aglomerantes hidráulicos seja o C-S-H, este é diferenciado pela relação tamanho de poro de tamanho de grão aumentam a resistência da zona de transição, reduzindo assim CaO/SiO,, segundo a origem, cujo valor diminui na ordem: cimento portland>escória microfissuração e a permeabilidade do concreto. de222 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 223 Além da sílica reativa, escórias e pozolanas contribuem com alumina reativa, Durabilidade.³⁰ Comparado ao cimento Portland, a durabilidade superior do que em presença de hidróxido de cálcio e íons sulfato no sistema, também produ- cimento Tipo IP¹⁸ aos sulfatos e aos ambientes ácidos é devido ao efeito combina- zem compostos cimentantes como AF, e As propriedades dos ci- do da melhor impermeabilidade para uma dada relação água/cimento e grau de mentos IP¹⁸ e IS¹⁸ variam largamente de acordo com as condições de cura e pro- hidratação, e redução do conteúdo de hidróxido de cálcio na pasta endurecida de porções, bem como com as características físico-químicas dos materiais constitu- cimento (Fig. 6-17a). Em uma pesquisa, observou-se que, comparado ao cimento intes presentes. As propriedades abaixo mencionadas podem, portanto, ser consi- Portland, a profundidade de penetração da água foi reduzida em aproximadamente deradas como indicativas de tendências gerais. em pastas de cimento com idade de 1 ano contendo em massa de uma cinza vulcânica grega. Além disso, em comparação aos de hidróxido de Calor de hidratação. A Fig. 6-15 mostra o efeito de quantidades crescentes cálcio nas pastas de cimento Portland de referência com um ano de idade, havia de pozolana sobre o calor de hidratação do cimento Portland pozolânico. Cimen- apenas de hidróxido de cálcio em uma pasta de cimento similarmente tos Tipo IS¹⁸ contendo de escória apresentam resultados semelhantes (isto é, hidratado contendo em massa de pozolana grega. Deve-se notar que no últi- de 45 a 50 cal/g de calor de hidratação a 7 dias). mo caso, devido ao efeito de diluição, sem a reação pozolânica a quantidade de hidróxido de cálcio seria de aproximadamente 14%. Desenvolvimento da resistência. A Fig. 6-16a mostra as taxas de desenvol- Os cimentos do Tipo IS¹⁸ comportam-se de maneira semelhante. A Fig. 6-17b vimento da resistência até um ano, para cimentos contendo 10, 20 e de mostra o efeito do aumento do teor de escória na quantidade de hidróxido de cál- pozolana, e a Fig. 6-16b mostra dados similares para cimentos com e cio no cimento Portland de alto-forno a 3 e 28 dias depois da hidratação. Com de escória granulada de alto-forno. Em geral, os cimentos pozolânicos são cerca de de escória, a quantidade de hidróxido de cálcio se torna tão baixa de alguma forma mais lentos no desenvolvimento da resistência do que os cimen- que mesmo escórias com grandes quantidades de alumina reativa podem ser em- tos de alto-forno; enquanto os cimentos Tipo IS comumente dão uma contribuição pregadas para produzir cimentos resistentes a sulfatos. Deve ser lembrado (ver significativa à resistência aos 7 dias, um cimento Tipo IP contendo pozolana co- Capítulo 5) que a taxa de ataque dos sulfatos depende da permeabilidade e da mum mostra considerável ganho de resistência no período de 7 a 28 dias de en- quantidade das fases hidróxido de cálcio e alumina reativa presentes. Algumas Quando os materiais adequadamente reativos são empregados em propor- escórias e cinzas volantes com elevado teor de alumina tendem a aumentar, na ções moderadas (por exemplo, 15 a 30% de pozolana ou 25 a de escória), e pasta endurecida de cimento, as quantidades de C-A-H e de monossulfato, as quais dispõe-se de cura úmida para períodos prolongados, as resistências finais dos ci- são vulneráveis ao ataque por sulfatos. mentos Tipo IS e IP são maiores do que a resistência do cimento Portland a partir Uma vez que grandes quantidades de hidróxido de cálcio no sistema são ne- do qual estes tipos são produzidos. Deve-se isto ao refinamento dos poros associ- cessárias para a formação de etringita expansiva, ambas as experiências de labo- ado às reações pozolânicas e ao aumento de C-S-H e outros produtos de hidratação, ratório e de campo, mostram que os cimentos IS¹⁸ com 60 a ou mais de à custa do hidróxido de cálcio. escória são altamente resistentes ao ataque por sulfato, independente do teor de do cimento Portland e do teor de alumina reativa da escória. 100 90 dias 90 Calor de hidratação, em cal/g 28 dias 80 70 7 dias 60 Figura 6-15. Efeito de substituição de uma pozolana natural italiana sobre o calor de hidratação de um cimento 50 Portland. (De "F. Massazza and U. 30 N.T. Em termos de durabilidade é mais importante considerar a distribuição do o 20 30 40 50 Costa, Il Cemento, Vol. 76, p. 13, diâmetro dos poros, como abordado pelos autores. Para uma mesma relação a/c, Consumo de pozolona, % 1979"). comparativamente ao cimento Portland, o cimento com escória tem um volume total de poros maior. No entanto, se considerada a distribuição do diâmetro dos poros, com a evolução da hidratação, a diminuição do volume de poros maiores e conseqüente aumento do volume de poros menores é muito mais acentuada para o cimento com escória.224 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 225 41 34 41 (a) Resistência à Compressão, MPa 27 20 Cimento Portland Resistência à Compressão, MPa 34 27 20 Cimento Portland 13 Cimento Portland 13 10% Pozolona Teor de Hidróxido de Cálcio 8 10% Pozotona Cimento Pozolánico Figura 6-17. Efeito da idade de cura e 20% Pozolona 20% Pozolona 6 Contendo 40% de pozolana 6 30% Pozolona Consumo de Hidróxido de Cálcio 28 dias 6 do teor de pozolana ou escória no teor 30% Pozolona Expresso em CaO de hidróxido de cálcio na pasta de ci- 0 0 4 mento. [Baseado em "F. M. Lea The 3 7 28 0 2 4 6 8 10 12 3 dias Idade, dias Idade, meses 2 Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, Inc., 81 7 28 180 50 100 New York, 1971, pp. 442-481, por Idade, dias Consumo de Escória, % permissão de Edward Arnold (Publi- 68 (a) (b) shers) Ltd."]. 55 No caso de cimentos Portland pozolânico e Portland com escória de alto-forno a redução do hidróxido de cálcio na pasta endurecida de cimento, que se deve tanto ao efeito de diluição quanto à reação pozolânica, (b) Resistência à Compressão, MPa 42 é uma das razões pela qual esse concreto, feito a partir de tais cimentos, tende a apresentar resistência superior aos ambientes sulfatados e ácidos. Inicialmente, com a cura, o teor de hidróxido de cálcio do 29 Cura Umida cimento aumenta devido à hidratação do cimento Portland presente; entretanto, posteriormente, ele começa sem escória 40% escória a diminuir com o progresso da reação pozolânica. Dependendo das condições de cura, cimentos Portland 16 50% escória de alto-forno com 60 % ou mais de escória podem ter teores tão baixos quanto 2 a de hidróxido de 65% escória cálcio; produtos de cimento Portland pozolânico contêm maiores quantidades de hidróxido de cálcio porque 0 teor de pozolana está geralmente limitado ao intervalo de 20 a 40 1 3 7 28 90 180 370 Idade, dias Figura 6-16. Resistência de um cimento Portland composto contendo uma pozolana ou Grandes expansões ocorridas em uma pasta de cimento sem confinamento uma escória de alto-forno. [(a), Com permissão de "Cem. Concr. Res., Vol. 11, 4, podem causar fissuração; entretanto, se a expansão é corretamente restringida, sua P. K. Mehta, Copyright 1981, Pergamon Press, Ltd."; (b) Com permissão de "F. J. Ho- magnitude será reduzida e desenvolvida uma protensão ou auto-tensão. Quando a gan e J. W. Meusel, Cem. Concr. Aggregates, Vol. 3, 1, 1981, Copyright, ASTM, magnitude da expansão é pequena de modo que a protensão desenvolvida no con- 1916 Race Street, Philadelphia PA 19103."] creto é-da ordem de 0,2 a 0,7 MPa, que é usualmente adequada para compensar a A figura ao alto mostra a resistência à compressão de cimentos Portland (Blaine 500 produzidos com uma escória granulada de alto-forno americana. retração compensada. Cimentos deste tipo provaram que são muito úteis na pro- dução de pavimentos e lajes livres de fissuras. Quando a magnitude da expansão é Quanto à expansão deletéria associada à reação álcali-agregado, sabe-se que suficiente para produzir níveis de protensão da ordem de 7 MPa, o cimento é combinações de cimento Portland com elevado teor de álcalis e pozolanas ou es- denominado auto-tensionante e pode ser usado para a produção de elementos de córias produzem concretos duráveis (Fig. 6-18). Às vezes os teores de álcalis de concreto quimicamente protendidos. pozolanas e escórias são elevados, mas se o mineral contendo álcalis não é solúvel A formação de etringita e a hidratação do CaO super-calcinado são os dois no ambiente de pH elevado do concreto de cimento Portland, o alto teor de álcalis fenômenos conhecidos dos químicos de cimento que podem causar expansão de- do cimento composto não deve causar qualquer problema. letéria em concretos (Capítulo 5). Ambos os fenômenos têm sido aproveitados para produzir cimentos expansi- vos. Desenvolvido originalmente por Alexander Klein da Universidade da Cimentos Expansivos Califórnia nos anos 60, o clínquer do tipo sulfoaluminato (que é comumente usa- Cimentos são cimentos hidráulicos que, ao contrário do cimento do na prática nos Estados Unidos) é um clínquer de cimento Portland modificado Portland, se expandem durante os períodos iniciais de hidratação, após a pega. contendo quantidades significativas de e CS além dos compostos cimentantes e cimento produzido pela moagem deste clínquer é denomina- do cimento expansivo Tipo K. Para atingir um melhor controle da expansão po- 31 N. T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Specification for tencial em indústrias de cimentos expansivos industriais, é comum misturar uma Expansive Hydraulic Cement, ASTM C845. In: Annual Book of ASTM Standards. proporção adequada do clínquer sulfoaluminato com o clínquer normal de cimen- Philadelphia, 1993. Estes cimentos não são fabricados no Brasil. to Portland.226 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 227 Ensaio ASTM C 227 0.7 absorção de água da etringita. Outras propriedades dos concretos de cimento ex- 0.6 Ensaio ASTM C 227 pansivo são similares às dos concretos de cimento Portland, exceto pela durabili- 0.4 dade ao ataque por sulfato. Cimentos de retração-compensada do Tipo K fabrica- 0.5 Cimento Portland dos a partir da mistura de cimento Portland ASTM Tipo II ou Tipo V apresentam Alto Alcali (Sem Pozolana) Expansão, % 20% de Pozolana 0.3 0.4 uma excelente resistência ao ataque por sulfatos porque possuem pequena quanti- 30% de Pozolana Expansão, % Cimento Portland dade de alumina reativa ou de monossulfato após a hidratação. Os produtos de 0.3 Alto Alcali (Sem 0.2 40% de Escória cimento dos Tipos M ou S geralmente contêm uma quantidade significativa de 50% de Escória 0.2 65% de compostos vulneráveis ao ataque por sulfatos e por esse motivo não são recomen- dados para uso em ambientes sulfatados. Uma revisão das propriedades e aplica- 0.1 ções do concreto de cimento expansivo está incluída no Capítulo 11. o 2 3 4 5 6 5 10 15 20 Período de cura, meses Periodo de cura, meses Cimentos de Pega e Endurecimento Rápidos (a) (b) Figura 6-18. Influência da adição de pozolana ou escória na expansão alcali-agregado Deve-se notar que o cimento ASTM do tipo III é de endurecimento rápido (alta [(a) da "Cem. Concr. Res. Vol. 11, 4, P. K. Mehta, Copyright 1981, Pergamon Press, resistência inicial), mas não de pega rápida porque os tempos de início e de final de Ltd."; (b) reimpressão com permissão de "F. J. Hogan e J. M. Meusel, Cem. Concr. pega do cimento são geralmente parecidos com os do cimento Portland do Tipo I. Aggregates, Vol. 3, 1, 1981. Copyright, ASTM, 1916 Race Street, Philadelphia PA Para aplicações tais como reparos de emergência em juntas com vazamento e con- 19103"] creto jateado, são necessários cimentos hidráulicos que não apenas sejam de endu- As pozolanas e as escórias são geralmente muito eficientes em reduzir a expansão associada à reação recimento rápido mas de pega rápida. Essa necessidade é freqüentemente satisfeita álcali-agregado. A terra de Santorin da Grécia foi usada para os dados do ensaio mostrados em (a); uma escória granulada de alto-forno dos EUA foi usada nos dados do ensaio mostrados em (b). Uma vez que pela utilização de misturas de cimento Portland e gesso (CaSO₄. ou cimen- foram empregados métodos de ensaios diferentes, os dados nas duas figuras não são diretamente to Portland e cimento de aluminato de cálcio (CA), os quais fornecem tempos de comparáveis; entretanto, a tendência é similar em ambos os casos. pega tão baixos quanto 10 minutos. A durabilidade e resistência última dos produ- tos endurecidos são bastante baixas. A ASTM C 845³¹ abrange dois outros cimentos expansivos hidráulicos que Durante a década de 70, foi desenvolvida uma de cimentos cujas também derivam sua característica de expansão da etringita, mas não são mais características de pega e endurecimento rápidos derivam da formação de etringita. comercialmente produzidos nos Estados Unidos. Os cimentos diferem do cimento Após o período inicial de endurecimento rápido, estes cimentos continuam a en- Tipo K e entre si com respeito à fonte de íons aluminato para a formação da etringita. durecer posteriormente a uma taxa normal, devido à formação de C-S-H a partir cimento expansivo Tipo M é uma mistura de cimento Portland, cimento de dos silicatos de cálcio hidráulicos. aluminato de cálcio (com CA como principal componente) e sulfato de cálcio. O Cimento de Pega também denominados no Japão de cimento de cimento expansivo Tipo S é composto de cimento Portland com alto teor de tamponamento, é fabricado sob patentes da Associação de Cimento Portland dos (aproximadamente de C₃A) e grandes quantidades de sulfato de cálcio. A Estados Unidos. É produzido um clínquer de cimento Portland modificado con- estequiometria das reações de expansão nos três cimentos pode ser expressa como. tendo principalmente alita e um fluoraminato de cálcio (11 CaO. Uma proporção adequada do clínquer de fluoraminato é misturada com clínquer H (Tipo K) (6-7a) de cimento Portland comum e sulfato de cálcio de modo que o cimento final con- tenha 20 a do composto fluoraminato e em torno de 10 a de sulfato de CA + H (Tipo M) (6-7b) cálcio. O cimento é geralmente de pega muito rápida (3 a 5 minutos de tempo de + (Tipo S) (6-7c) pega), mas pode ser retardado para um tempo de pega desejado pela utilização de ácido cítrico, sulfato de sódio, hidróxido de cálcio e outros retardantes. CH na reação mostrada acima é fornecido pela hidratação do cimento Portland, embora clínqueres do Tipo K geralmente contenham algum CaO não combinado. Desenvolvido inicialmente pela Companhia Onoda de Cimento do Japão, o ci- mento Portland expansivo, que deriva sua expansão do CaO calcinado é denomi- nado cimento expansivo Tipo Comparado aos cimentos Portland, os cimentos expansivos que formam etringita são de pega rápida e tendem a sofrer perdas rápidas de abatimento. Entre- tanto, eles apresentam excelente trabalhabilidade. Estas propriedades podem ser 32 N. T. Estes cimentos não são fabricados no Brasil. Certos fabricantes de materiais previstas pelas grandes quantidades de etringita formada e pela característica de especiais para construções oferecem argamassas e pastas formuladas para terem esta utilização.228 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 229 A alta reatividade do cimento é confirmada pelo elevado calor de hidratação prevenir a poluição de valiosas zonas de petróleo; (100 a 110 cal/g em 3 dias), e resistências à compressão (argamassa da ASTM proteger o revestimento de pressões externas que podem ser capazes de C acima de 7 MPa e 28 MPa em uma hora e a três dias depois da hidratação, desmoroná-lo; respectivamente. A resistência última e outras propriedades físicas do cimento são proteger a camisa de possíveis danos causados por águas e gases cor- comparáveis às do cimento Portland, exceto as devidas ao alto teor de aluminato rosivos. reativo, sendo a resistência ao sulfato baixa. Estudos no laboratório de concreto da U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station³⁴ mostraram que o elevado Com a finalidade de cimentar um revestimento, uma argamassa de elevada calor de hidratação do cimento de pega regulada pode ajudar a produção de con- relação água/cimento ou lama de cimento é bombeada a profundidades que, em cretos com resistências adequadas, mesmo quando o concreto é lançado e curado algumas ocasiões, podem estar abaixo de 6100 m e onde a mistura pode estar a temperaturas baixas, da ordem de -9,5 °C. exposta a temperaturas acima de 204°C e a pressões acima de 140 MPa. Na região costeira do Golfo a temperatura na base da perfuração aumenta de 0,8 °C a cada 30 Cimentos com elevada resistência inicial e alto teor de ferro. Além do m de profundidade do poço. O ideal é que a mistura permaneça suficientemente cimento de pega regulada, dois outros cimentos Portland modificados, cimentos fluida dentro das condições de serviço durante as várias horas necessárias ao seu de elevada resistência (VHE) e cimentos com alto teor de ferro (HIC)³⁵ bombeamento na posição desejada e então endurecer rapidamente. Os cimentos obtêm suas características de tempos de pega e de endurecimento rápidos a partir para poços de petróleo são cimentos Portland modificados formulados para aten- da formação de grande quantidade de etringita durante o período inicial de der a esta necessidade. hidratação. Com o cimento VHE, é a principal fonte de aluminato para a Nove classes de cimento para poços de petroleo (Classes de A a J na Tabela 6- formação de etringita enquanto que com o cimento HIC, tanto o como o 8), aplicáveis em diferentes profundidades de poço, são abrangidas pelo API (Ins- fornecem os íons aluminato. Embora existam certas diferenças básicas na tituto Americano de Petróleo) Norma A descoberta de que o tempo de composição, ambos os cimentos apresentam taxas de desenvolvimento de resis- espessamento da lama de cimento a altas temperaturas pode ser aumentado re- tência apropriadas para a aplicação em produtos de concretos pré-moldados e duzindo-se o teor de e a finura do cimento Portland comum (i.e., empregan- protendidos. Na indústria de concretos pré-moldados e protendidos, a ciclagem do-se cimento de grãos graúdos) levou ao desenvolvimento inicial dos cimentos rápida de fôrmas e moldes é uma necessidade econômica. Os cimentos VHE e de poços de petróleo. Mais tarde, foi observado que para aplicações acima de HIC estão ainda em desenvolvimento, mas tais cimentos devem gerar um conside- °C, o cimento deveria ser ainda mais retardado pela adição de lignossulfonatos, rável interesse para as indústrias de construção porque sob temperaturas normais produtos de celulose, ou sais de ácidos contendo um ou mais grupos hidroxila. de cura (isto é, sem cura a vapor), eles são capazes de desenvolver resistências à Posteriormente, também foi descoberto que no caso de temperaturas de poços de compressão de 15 MPa e 25 MPa dentro de 8 e 24 h, respectivamente, com uma petróleo acima de 110 °C a relação CaO/SiO, do produto de hidratação do cimento resistência última de cerca de 50 MPa. deveria ser diminuída para menos do que 1,3 pela adição de pó de sílica a fim de se alcançar alta resistência após endurecimento. Estas descobertas tornaram-se a base Cimentos Para Cimentação para o desenvolvimento de numerosos aditivos de cimento para aplicação na in- Como discutido a seguir, cimentos para cimentação de poços de petróleo não são dústria de cimento para poços de petróleo. empregados na produção de concreto estrutural. Uma vez que aproximadamente A indústria de petróleo geralmente prefere cimentos Portland básicos de bai- 5% do total do cimento Portland produzido nos Estados Unidos é consumido pelas xo teor de e grãos graúdos (API Classes G e H), aos quais um ou mais aditivos indústrias de petróleo, é de interesse saber a finalidade para a qual eles são utiliza- do tipo listado abaixo são adicionados no canteiro: dos e ter uma idéia das composições e propriedades exigidas. Uma vez que um poço de petróleo (ou poço de gás) tenha sido perfurado até à 1. Retardadores: para aumentar o tempo de pega do cimento e possibilitar profundidade desejada a cimentação de uma camisa de aço na formação rochosa tempo para o lançamento da lama; oferece o meio mais econômico de alcançar os seguintes propósitos: 2. Aceleradores: para reduzir o tempo de pega do cimento e de desenvol- vimento da resistência inicial quando necessário (i.e. em zonas de con- prevenir migrações indesejadas de fluidos de uma formação para outra; gelamento permanente); 3. Adições leves ou pesadas: para reduzir ou aumentar o peso da coluna de 33 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. Test Method for lama de cimento quando necessário; Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars. ASTM C109. Annual Book 4. Redutores de atrito: para permitir o lançamento da lama com menos of ASTM Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil, a norma equivalente é a NBR 7215 pressão de atrito (de 2 a de argila bentonítica é comumente usada (MB 1) Cimento Portland Determinação da resistência à compressão. ABNT, 1993. para este objetivo) 34 G. C. Hotf, B. J. Houston, and F. H. Sayles, U. S. Army Engineer Waterway Experiment Sattion, Vicksburg, Miss., Miscellaneous Paper C-75-5, 1975. 36 N. T. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API 10-A - Especification for Oil 35 N. T. Estes cimentos ainda não são produzidos no Brasil. Well Cements. A Petrobrás possui normas similares.Aglomerantes Hidráulicos 231 230 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais 5. Aditivos de baixa perda de água: para reter a água na lama quando passa por zonas (i.e. aditivos de látex) A importância da atmosfera redutora na fabricação de clínquer branco é 6. Redutores de regressão da resistência: para reduzir a relação CaO/ enfatizada pela experiência que um dos autores teve durante uma viagem de SiO, do produto de hidratação a temperaturas acima de (tais como, consultoria a uma fábrica de cimento na América do Sul. A farinha continha pó de sílica ou pozolanas). mais ferro do que era normalmente aceitável e o clínquer do forno era persistentemente não branco. Com o objetivo de prolongar a atmosfera redutora Uma vez que os retardadores orgânicos são instáveis a altas temperaturas, o em torno das partículas de clínquer pelo aumento da quantidade de óleo cimento Classe J da API³⁶ representa um desenvolvimento relativamente recente espargido sobre os clínqueres aquecidos que saíam da zona de calcinação, foi no campo dos cimentos Portland modificados, que podem ser usados para solicitado um tubo de aço resistente ao calor e com grande diâmetro. Como não cimentação de revestimentos a temperaturas acima de 150 °C sem adição de um havia nenhum em estoque no almoxarifado e as fábricas de cimento estão retardador. O cimento consiste principalmente de é moído a aproximada- geralmente muito distantes das áreas urbanas, não havia progresso no mente 200 m²/kg Blaine, e contém em massa de pó de sílica. Deve-se notar experimento, enquanto a farinha de baixo teor de ferro especialmente fabricada que os tempos de espessamento da lama e os valores da resistência para os cimen- para o experimento acabava rapidamente. tos de poços de petróleo são determinados por procedimentos especiais estabele- Os problemas de comunicação aumentavam as dificuldades; o autor não cidos na API RP-10B. falava espanhol e o encarregado não entendia inglês. Para enfatizar o objetivo a respeito da tubulação de grande diâmetro o autor levantou um dedo. Cimentos Branco ou Coloridos Inesperadamente o técnico acenou dois dedos para ele. De alguma forma isto A cor cinza uniforme dos produtos de cimento Portland limita as oportunidades do trouxe-lhe à memória a história da princesa Vidyotama da literatura sânscrita. arquiteto de criar superfícies com atrativos estéticos. Um cimento branco, com Na antiga India um rei tinha uma bela filha que se recusava a casar até que acabamento de agregado exposto pode ser usado para se criar efeitos estéticos conhecesse alguém mais inteligente do que ela. Após muitos príncipes sábios desejados. Além do mais, adicionando-se pigmentos apropriados, os cimentos bran- terem sido derrotados nos debates com ela sobre assuntos filosóficos e cos são usados como base de produção de cimentos de várias cores. religiosos, eles decidiram fazer uma brincadeira prática. Um homem imbecil e O cimento branco é produzido pela pulverização de um clínquer de cimento mudo foi vestido com roupas de sábio e apresentado para o debate com a Portland branco. A cor cinza do clínquer do cimento Portland comum é geralmen- princesa. Quando a princesa levantou um dedo, tolo assumindo que a princesa te devida à presença de ferro. Portanto, diminuindo-se o teor de ferro do clínquer ameaçava ferir um dos seus olhos, levantou dois dedos. Os juízes interpretaram pode-se produzir cimentos de cores claras. Quando a quantidade total de ferro no que um dedo significava que Deus é a única coisa importante no universo e os dois dedos significavam que a natureza revelava a glória e o explendor de Deus clínquer corresponde a menos de de e o ferro é mantido no estado reduzido de o clínquer geralmente é branco (veja quadro). Estas condições o que é importante também, e por isso davam a vitória ao tolo. são alcançadas na fabricação do cimento usando-se argila e rochas carbonatadas encarregado realmente pretendeu dizer que já que ele não tinha um tubo sem ferro como matéria-prima, moinhos especiais de bolas com revestimentos e de grande diâmetro, gostaria de instalar dois de diâmetros menores. Quando bolas de cerâmica para triturar a mistura da matéria-prima e um combustível lim- veio à lembrança o tolo de Vidyotama tentando cegar os dois olhos, o autor po tal como óleo ou gás para a produção do clínquer em atmosfera redutora na concordou sem maiores argumentos. encarregado instalou os dois pequenos zona de alta temperatura do forno rotativo de cimento. Conseqüentemente, cimen- tubos para espargir óleo sobre o clínquer quente e, em seguida, saiu do forno o tos brancos são aproximadamente três vezes mais caros do que os cimentos Portland cimento mais branco que o autor jamais vira. normais. Os cimentos coloridos se enquadram em dois grupos; a maioria se origina da adição de pigmento ao cimento branco, mas alguns são produzidos a partir de clínqueres que possuam as cores correspondentes. Um cimento de cor amarelada Cimentos vermelho, amarelo, marrom ou preto podem ser produzidos pela moa- comercializado nos Estados Unidos com o nome de cimento de cor quente é pro- gem conjunta com 5 a em massa de pigmentos de óxido de ferro da cor duzido a partir de um clínquer feito de farinha de cimento Portland contendo um correspondente com o clínquer branco. As cores verde e azul no cimento podem teor de ferro maior do que o normal (aproximadamente de e processa- ser conseguidas usando-se óxido de cromo e azul de cobalto, do sob condições redutoras. Para produzir cimentos coloridos pela adição de pigmentos aos cimentos bran- cos, deve-se notar que nem todos os pigmentos usados na indústria de tintas são 37 N.T. No Brasil o cimento branco é disponível e deve atender à NBR 12989 Cimento adequados para fabricar cimentos coloridos. Para ser adequado, um pigmento não Portland Branco Especificação. ABNT, 1994. Os cimentos coloridos não são deve ser prejudicial à pega, ao endurecimento, e às características de durabilidade fabricados. A cor no concreto colorido pode ser obtida pela adição de certos pigmentos do cimento, devendo produzir cores duráveis quando expostos à luz e ao clima. diretamente à betoneira.232 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 233 Cimento de Aluminato de Cálcio Deve-se observar que a taxa de liberação de calor do CAC recentemente hidratado Comparado ao cimento Portland, o cimento de aluminato de cálcio (CAC) possui pode ser tão elevada quanto 9 cal/g por hora, que é aproximadamente três vezes muitas propriedades singulares, como altas resistências nas primeiras idades, en- maior do que a taxa para cimento Portland de alta resistência inicial. durecimento mesmo sob condições de baixas temperaturas, e durabilidade superi- or ao ataque por sulfato. Entretanto, muitos colapsos estruturais, devido a perdas graduais de resistência associadas ao concreto contendo CAC ajudaram na limita- 80 ção do uso deste cimento em aplicações estruturais. Atualmente, na maioria dos 80 Cimento Aluminoso países, o CAC é usado principalmente para executar revestimentos refratários 70 moldados em fornos de altas temperaturas. 70 Altta resistência 60 De acordo com as definições da ASTM C219³⁸, o cimento de aluminato de clínquer é um produto parcialmente ou completamente fundido, consistindo de Resistência à Compressão, MPa Inicial 60 cálcio é o produto obtido pela moagem de clínquer de aluminato de cálcio; o Cimento Portland Resistência à Compressão, MPa 50 50 Comum 40 aluminatos de cálcio hidráulicos. Portanto, ao contrário dos cimentos Portland e 40 Portland modificado, nos quais o e o C,S são os principais compostos 30 cimentantes, no CAC o aluminato monocálcico (abreviado como CA) é o princi- 30 pal constituinte cimentante, com C,AS, e como constituintes me- 20 20 nores. Tipicamente, a análise química do CAC comum corresponde a aproxima- 10 10 damente de e alguns cimentos contêm teores ainda maiores de alumina (50 a por isso, o cimento é também denominado cimento com alto teor de 1 28 1 7 14 2 3 4 5 6 7 alumina (HAC). Idade, dias Idade, dias A bauxita, um mineral aluminoso hidratado, é a fonte de alumina comumente (a) (b) empregada como matéria-prima na fabricação do CAC. A maioria dos minérios de bauxita contêm uma quantidade considerável de ferro como impureza, responsá- Figura 6-19. (a) Evolução do desenvolvimento de resistência para vários cimentos à vel por 10 a de ferro (expresso como usualmente presente no CAC temperatura normal; (b) efeito de baixas temperaturas de cura sobre a resistência de concretos de cimentos aluminosos. [De A. M. Neville, em "Progress in Concrete Tech- comum. Esta é a razão porque, ao contrário do clínquer de cimento Portland, o nology, ed. V.M. Malhotra, CANMET, Ottawa, 1980, pp. 293-331."] clínquer de CAC contendo um alto teor de ferro, produzido em fornos especial- Cimentos de aluminato de cálcio ou aluminosos são capazes de desenvolver resistências muito elevadas em mente projetados, funde completamente. Esta também é a razão porque na França periodos de tempo relativamente curtos. Ao contrário dos cimentos Portland estes cimentos podem e na Alemanha o cimento é chamado de ciment fondu (cimento fundido) e desenvolver elevadas resistências mesmo a temperaturas abaixo das normais. tonerdeschmelz zement, respectivamente. Os produtos que se destinam à produ- ção de concretos para temperaturas elevadas contêm muito pouco ferro e sílica, e A composição dos produtos de hidratação mostra uma dependência tempo- podem ser produzidos por sinterização em fornos rotativos. temperatura; o produto de hidratação de baixa temperatura é Como no cimento Portland, as propriedades do CAC são dependentes das instável, especialmente em condições quente e úmida de características de hidratação do cimento e da microestrutura da pasta endurecida armazenamento nas quais se forma um componente mais estável, (ver a de cimento. O principal componente do cimento é o CA, que usualmente totaliza parte esquerda do quadro abaixo). Experiências de laboratório e de campo com 50 a em massa. Embora produtos de CAC possuam tempo de pega compa- concretos de CAC mostram que em um armazenamento prolongado as fases hexa- rável ao do cimento Portland comum, a taxa de ganho de resistência nas primeiras gonais do e tendem a se transformar em fases cúbicas de idades é bem elevada, principalmente devido à alta reatividade do CA. Em 24 Como consequência da conversão do para uma pasta endurecida horas de hidratação, a resistência do concreto de CAC normalmente curado pode de CAC pode apresentar mais do que 50% de redução no volume de sólidos (ver o atingir valores iguais ou maiores do que a resistência aos 7 dias do cimento Portland lado direito do quadro abaixo), o que causa um aumento na porosidade (Fig. 6- comum (Fig. 6-19a). Além disso, a característica de ganho de resistência em con- 20a) e uma perda na resistência associados ao fenômeno (Fig. 6.20b). dições de cura abaixo de zero (Fig. 6-19b) é muito melhor do que em cimentos Portland; logo, o material é bastante interessante para aplicações em climas frios. = + 10°C 38 N.T. AMERICAN SOCIETY for TESTING and Definitions of Terms g 1014 378 312 Relating to Hydraulic Cement, ASTM C 219. Annual Book of ASTM 10-20 °C Standards. Philadelphia, 1993. No Brasil a norma equivalente é NBR 7226 (TB 76) CA+H g/cm³ 1,72 2,52 2,4 Cimento. ABNT, 1993. cm³ 590 150 + 136Aglomerantes Hidráulicos 235 234 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Anteriormente, foi considerado que o problema da perda de resistência no concreto podia ser ignorado quando fossem usadas reduzidas relações água-ci- mento, e a altura do molde fosse limitada para reduzir o aumento da temperatura devido ao calor de hidratação. Os dados na Fig. 6.20a mostram que este pode não ser o caso. A preocupação real não é de que a resistência residual seja inadequada para a finalidade estrutural, mas que, como resultado do aumento na porosidade, a resistência à carbonatação atmosférica e à corrosão da armadura embutida no con- creto seja reduzida. A partir da reação de hidratação do CAC, nota-se que não há hidróxido de cálcio no produto de hidratação; esta característica também distingue o CAC dos cimentos Portland e é a principal razão porque concretos CAC apresentam exce- lente resistência aos ambientes ácidos (ácidos diluídos, pH de 4 a 6), água do mar e águas sulfatadas. Como discutido em seguida, a ausência de hidróxido de cálcio no CAC hidratado é também útil no emprego do material para a produção de con- creto de alta temperatura. 100 Agregado Fonólito (a) Anortosito Percentagem de resistência à compressão relativa à resistência inicial 80 Ilmenita Argila expandida 80 60 70 40 60 20 50 Resistência à Compressão, MPa relação a/c Figura 6-20. (a) Micrografia eletrôni- Sazonamento: 0.40 ca de varredura de um sistema de ci- 40 Laboratório mento de aluminato de cálcio parcial- 20 200 400 600 800 1000 1200 0.64 mente convertido; (b) influência da °C 30 Laboratório relação água/cimento sobre as resis- tência finais de concretos de cimento Figura 6-21. Efeito do aumento da temperatura sobre a resistência de concretos de ci- mento de aluminato de cálcio. [De A. M. Neville, em Progress in Concrete Technology, Intempérie (aluminoso) de aluminato de cálcio ed. V.M. Malhotra, CANMET, Ottawa, 1980, pp. 293-331]. 20 [(a) De P. K. Mehta e G. Lesnikoff, J. Intempérie Am. Ceram. Soc., Vol. 54 No. 4, pp. concreto de cimento de aluminato de cálcio na maioria das vezes encontra aplicação em revestimentos 210-212, 1971, reimpresso com a per- refratários monolíticos em fornos de alta temperatura. Com aumento da temperatura, os produtos de 10 missão da American Ceramics Socie- hidratação do cimento se decompõem e isso causa uma perda de resistência. Entretanto, a altas ty; (b) de A. Neville, High Alumina temperaturas a resistência aumenta devido a formação de um material sinterizado estável (pega Cement Concrete, Halstead Press, 0 1 2 3 5 10 21 New York, 1975, p. 58, reimpresso Idade, anos com permissão da Construction Press (b) (Longman Group Ltd.)]. Os concretos de cimento aluminoso ou de aluminato de cálcio geralmente não são recomendados para uso estrutural. A razão disso é que principal produto de hidratação, é instável sob condições comuns. Ele transforma-se gradualmente na fase estável, que tem uma estrutura cúbica compacta. A 39 N.T. O fenômeno da pega cerâmica tem o mesmo significado da pega hidráulica, mas conversão do em está associada a um grande aumento de porosidade e portanto uma se dá a temperaturas elevadas. correspondente diminuição da resistência.236 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais Aglomerantes Hidráulicos 237 Na prática, o uso de cimento Portland para concreto exposto a altas tempera- 12. Explique qual o tipo de cimento que você usaria para: turas está significativamente limitado a aproximadamente porque a altas (a) Construção em clima frio; temperaturas o CaO livre, formado na decomposição do hidróxido de cálcio cau- (b) Construção de uma barragem; saria a deterioração do concreto aquecido ao ser exposto à umidade ou à água. Não somente o CAC não produz nenhum hidróxido de cálcio na hidratação, como (c) Fazer tubulações de esgoto em concreto armado. também endurece rapidamente sob temperaturas normais de cura. Além disso, a 13. equilíbrio sulfato-aluminato em solução está no centro de vários problemas de pega anor- temperaturas acima de 1000 °C o CAC é capaz de desenvolver uma pega cerâmi- mal em tecnologia de concreto. Justifique esta afirmação discutindo como o fenômeno da ca que é tão forte quanto a ligação hidráulica inicial. A resistência inicial ou a cru pega rápida, pega instantânea, e falsa pega ocorrem em cimentos Portland recentemente do concreto CAC cai consideravelmente durante o primeiro ciclo de aquecimento hidratados. devido ao fenômeno de conversão do em Com um alto teor de 14. Considerando que a composição química do silicato de cálcio hidratado formado na cimento no concreto, no entanto, a resistência a cru pode ser adequada para evitar hidratação de ou corresponde a mostre através de cálculos a proporção de danos até que a resistência aumente novamente devido ao desenvolvimento da hidróxido de cálcio nos produtos finais e a quantidade de água necessária para a hidratação pega cerâmica (Fig. 6-21). total. 15. Defina os termos início de pega e fim de pega. Para um cimento Portland normal desenhe uma curva típica da evolução de calor para o período de pega e de endurecimento inicial, TESTE SEU classifique as partes ascendentes e descendentes da curva com os processos químicos funda- mentais em ação, e mostre os pontos onde o início de pega e o fim de pega provavelmente 1. Quando se produz um certo tipo de cimento Portland é importante que a composição dos ocorrerão. óxidos permaneça uniforme. Porque? 16. Discuta os dois métodos que a indústria de cimento emprega para produzir cimentos com 2. Em relação à resistência aos sulfatos e à taxa de desenvolvimento da resistência, avalie as diferentes taxas de desenvolvimento de resistência ou calor de hidratação. propriedades do cimento Portland que tem a seguinte análise química: 17. Com a ajuda da "reação pozolânica" explique porquê sob dadas condições, comparado ao SiO, 20,9 = CaO MgO=1,8 e cimento Portland, os cimentos Portland pozolânico e de escória de alto-forno provavelmente 3. que você entende pelos seguintes termos: alita, belita, periclásio, langbeinita, gesso de produzem concreto com altas resistências últimas e durabilidade superior ao ataque por construção, gel de tobermorita? sulfato. 4. Porquê o mais reativo e o é não reativo com a água a temperaturas normais? 18. Qual a diferença entre cimentos de retração-compensada e auto-tensionado? que são os MgO e o CaO possuem estruturas cristalinas semelhantes, mas suas reatividades são muito cimentos expansivos Tipos K, M, S, e O? Explique como os cimentos expansivos funcio- diferentes uma da outra. Explique porquê. nam para fazer concretos livres de fissuras. 5. Qual a importância da finura do cimento? Como é determinada? Qual o intervalo de varia- 19. Escreva pequenos resumos sobre as composições e as características especiais dos seguintes ção da finura nos cimentos Portland industriais? cimentos: cimento de pega regulada, cimento de alta resistência inicial, cimento para 6. Porquê se adiciona gipsita ao clínquer do cimento? Qual a quantidade típica de adição de cimentação, cimento branco, e cimento aluminoso. gipsita? 20. Discuta os fatores físico-químicos envolvidos na justificativa do desenvolvimento da resis- 7. A presença de alto teor de cal livre no cimento Portland pode levar à deterioração. Qual o tência nos produtos contendo os seguintes materiais cimentantes, e explique porquê o ci- significado do termo "deterioração"? Qual o outro componente que pode causar deteriora- mento Portland veio para ficar como o cimento mais comumente utilizado com objetivos ção nos produtos de cimento Portland? estruturais: 8. Qual é, aproximadamente, a percentagem combinada dos silicatos de cálcio no cimento (a) cal Portland? Quais as quantidades típicas de C3A e de no cimento Portland comum? (b) gesso de construção 9. Qual dos quatro componentes principais do cimento Portland contribui mais para o desen- (c) cimento de aluminato de cálcio volvimento da resistência nas primeiras semanas de hidratação? Qual o composto ou com- postos responsáveis por um rápido enrijecimento e problemas de pega precoce da pasta de cimento? 10. Discuta as maiores diferenças na composição química e física entre um cimento Portland comum e o cimento Portland de alta resistência inicial. 11. Porquê as Normas ASTM para o cimento Tipo IV,ou seja, de baixo calor de hidratação e de moderada resistência aos sulfatos, limitam o teor mínimo de C,S em e o teor máximo de em %?238 Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais CAPÍTULO SUGESTÕES PARA ESTUDO COMPLEMENTAR LEA, F. M., The Chemistry of Cement and Concrete Chemical Publishing Company, Inc., New 7 York, 1971. MALHOTRA, V. M., ed., Progress in Concrete Technology, CANMET, Ottawa, 1980 Chap.7, Expansive Cements and Their Applications, by P. K. Mehta, M. Polivka; Chap. 8, High Alumina Cement Its Properties, Application, and Limitations, by A. M. Neville. SKALNY, J.P. ed., Material Science of Concrete, The American Ceramic Society Inc., 1989: Agregados Cement Production and Cement Quality by V. Johansen; Hydration Mechanisms by E. M. Gartner and J. M. Gaidis; The Microtextures of Concrete by K.L. Scrivener. TAYLOR, H. W.F., Cement Chemistry, Academic Press Inc, San Diego, CA 1990. SILVA, M.G.P., MORAES, M.L. M., ABDEL-REHIM, H.A.A., The effect of hemihydrated and Tradução e adaptação dihydrated cristalline forms of calcium sulphate on the thickening-time, rheological Profa. Silvia Maria properties and compressive strength of the oil well cement slurries, Proceedings of the Eigth de Souza Selmo Congress on the Chemisty of Cement (Rio de Janeiro, 1986), vol IV, pp 289-294. MARCIANO Jr., E., Caracterização e quantificação das fases do clínquer de aluminato de cálcio por microscopia de luz refletida, Anais do Congresso Brasileiro de Cerâmica (Serra Ne- gra, 1989), pp. 732-747. PREÂMBULO COSTA de ROSA, F. e col., Cimento classe G no Brasil Uma análise estatística. Anais do Seminário sobre Revestimento e Cimentação de Poços de Petróleo, Petrobrás, CENPES (Rio de Janeiro, 1989), pp. 3-10. Agregados são relativamente baratos e não entram em reações químicas complexas SANTOS, F. J. P. N., Microscopia do clínquer aplicada ao controle do cimento para poços petro- com a água; portanto, têm sido usualmente tratados como um material de enchimento líferos, Anais da Mesa Redonda sobre Revestimentos e Cimentação de Poços de Petró- inerte no concreto. Entretanto, devido à crescente compreensão do papel leo, Petrobrás (Rio de Janeiro, 1987), pp. 49-58. desempenhado pelos agregados na determinação de muitas propriedades importantes do concreto, este ponto de vista tradicional, dos agregados como materiais inertes, está sendo seriamente questionado. As características dos agregados que são importantes para a tecnologia do concreto incluem porosidade, composição granulométrica, absorção de água, forma e textura superficial das partículas, resistência à compressão, módulo de elasticidade e os tipos de substâncias deletérias presentes. Estas características derivam da composição mineralógica da rocha matriz (que é afetada pelos processos geológicos de formação da rocha), das condições de exposição às quais a rocha foi submetida antes de gerar o agregado, e dos tipos de operação e equipamento usados para a produção do agregado. Portanto, são brevemente descritos, neste capítulo, fundamentos sobre formação geológica, classificação e descrição das rochas e minerais, e os fatores do processamento industrial, que influenciam as características dos agregados. Agregados de minerais naturais, que compreendem mais de 90 porcento do total dos agregados usados na produção de concreto, são aqui abordados com maior detalhe. Devido ao grande potencial de uso, são também descritos os agregados de rejeitos industriais, tais como escória de alto-forno, cinza volante, concreto reciclado e resíduos selecionados de rejeitos urbanos. Finalmente, as principais características dos agregados, que são importantes para a tecnologia do concreto, são analisadas em detalhe.