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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESCCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEMPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

Formação: Mestrado em Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Luciana Cristina Armange

UTILIZAÇÃO DE AREIA DE FUNDIÇÃO RESIDUAL PARA USO E MARGAMASSA

Apresentada em 25 / 02 / 2005 Perante a Banca Examinadora:

Dr. Enori Gemelli – UDESC (Presidente) Dr. Carlos A. K. Gouvêa – SOCIESC (Membro)

Dr. Nelson H. A. Camargo – UDESC (Membro)Dr. Masahiro Tomiyama – UDESC (Membro)

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAE ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestranda: LUCIANA CRISTINA ARMANGE – Licenciada em Ma temática

Orientador: Prof. Dr. ENORI GEMELLI

CCT/UDESC – JOINVILLE

UTILIZAÇÃO DE AREIA DE FUNDIÇÃO RESIDUAL PARA USO E MARGAMASSA

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARAOBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EMENGENHARIA DE MATERIAIS DAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTACATARINA, CENTRO DE CIÊNCIASTECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELOPROF. DR. ENORI GEMELLI

Joinville2005

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG

" Utilização de Areia de Fundição Residual para Uso em Argamassa "

por

Luciana Cristina Armange

Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo

CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

Dr. Enori Gemelli – UDESC(Presidente)

Banca Examinadora: Dr. Carlos A. K. Gouvêa - SOCIESC

Dr. Nelson H. A. Camargo – UDESC

Dr. Masahiro Tomiyama – UDESC

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FICHA CATALOGRÁFICA

NOME : ARMANGE, Luciana Cristina Armange

DATA DEFESA: 25/02/2005

LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL : Mestrado Número de ordem: – CCT/UDESC

FORMAÇÃO : Engenharia de Materiais

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO : Cerâmica

TÍTULO: Utilização de Areia de Fundição Residual para Uso em Argamassa

PALAVRAS - CHAVE : Resíduo, Argamassa, Areia de fundição, Materiais de Construção

NÚMERO DE PÁGINAS : 104 p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC

PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM

CADASTRO CAPES: 4100201001P-9

ORIENTADOR : Dr. Enori Gemelli

PRESIDENTE DA BANCA : Dr. Enori Gemelli

MEMBROS DA BANCA : Dr. Carlos A. K. Gouvêa, Dr. Nelson H. A. Camargo, Dr. Masahiro

Tomiyama

5

A meu esposo Daniel, aos meus

pais Eladio e Eloir, por todo apoio,

incentivo, carinho e atenção dedicados,

em todos momentos.

6

AGRADECIMENTOS

A Deus em primeiro lugar pois sem o seu auxílio divino nada seria possível.

Ao Prof. Dr. Enori Gemelli, que como orientador e amigo soube cobrar e não mediu

esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização deste trabalho.

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação

em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM pela realização do presente trabalho.

Ao Centro de Ciências Tecnológicas – CCT e ao Departamento de Engenharia Mecânica –

DEM pela infra-estrutura oferecida.

À empresa EMBRACO FUNDIÇÃO S. A. pelo fornecimento do resíduo industrial

utilizado nesse trabalho.

Ao Laboratório de Materiais de Construção do departamento de Engenharia Civil na

pessoa da Prof. Lígia V. Maia por todo auxílio na fabricação das argamassas.

Ao bolsista Luiz Fernando Neppel pela colaboração referente à preparação das argamassas.

A todos os professores e colegas mestrandos do Curso de Mestrado em Ciência e

Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a

realização desse trabalho.

A meu esposo Daniel pela compreensão, companheirismo e apoio durante esses anos de

estudo.

Aos demais familiares e amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o

desenvolvimento desse trabalho.

7

SUMÁRIO

LISTA DE SIMBOLOS ....................................................................................................IX

RESUMO............................................................................................................................XI

ABSTRACT......................................................................................................................XII

INTRODUÇÃO GERAL...................................................................................................13

Capítulo 1: Características das matérias-primas............................................................15

1.1 Aglomerantes............................................................................................................15

1.1.1 Composição química do Cimento Portland...................................................16

1.1.2 Hidratação do Cimento Portland...................................................................19

1.1.2.1 Etringita primária e monossulfoaluminato......................................20

1.1.2.2 Etringita tardia.................................................................................23

1.1.2.3 Alterações possíveis na microestrutura de materiais cimentícios por

etringita tardia .................................................................................24

1.1.2.3 Hidratação dos silicatos...................................................................28

1.1.3 Pega e endurecimento do cimento.................................................................31

1.1.4 Cimento Portland resistente aos sulfatos.......................................................33

1.1.5 Influência dos tipos de cimento nas argamassas e concretos........................37

1.2 Agregados................................................................................................................38

1.2 Água................................................................................................................41

Capítulo 2: Características das argamassas....................................................................42

2.1 Composição das argamassas....................................................................................42

2.2 Resistência mecânica das argamassas e dos concretos ..........................................45

2.3 Reações que podem ocorrer durante a cura ou o envelhecimento da

argamassa/concreto..............................................................................................................49

2.3.1 Reação álcali-minerais do agregado.............................................................49

2.3.2 Reação álcali-sílica ......................................................................................49

2.3.3 Reação álcali-silicato....................................................................................50

2.3.4 Reação álcali-carbonato...............................................................................50

2.3.5 Carbonatação...............................................................................................51

8

Capítulo 3: Resíduos Sólidos Industriais Utilizados em Argamassas/Concretos.........55

3.1 Resíduos provenientes da indústria têxtil ..................................................................56

3.2 Resíduos provenientes da indústria alimentícia.......................................................56

3.3 Resíduos provenientes das termoelétricas ...............................................................58

3.4 Resíduos provenientes da indústria metalúrgica .....................................................61

3.4.1 Utilização de areia de fundição em argamassa ...............................................62

3.4.2 Utilização da escória de cobre como agregado em argamassa e concreto .....68

3.4.3 Utilização da escória de aciaria elétrica em concreto .....................................69

Capítulo 4: Materiais e Métodos Experimentais.............................................................71

4.1 Materiais utilizados................................................................................................. 71

4.1.1 Areia de fundição..........................................................................................71

4.1.2 Cimento Portland C-II-Z-32..........................................................................73

4.1.3 Areia .............................................................................................................74

4.1.4 Água..............................................................................................................74

4.2 Metodologia experimental........................................................................................75

4.2.1 Preparação das argamassas ...........................................................................75

4.2.2 Moldagem e cura dos corpos de prova .........................................................76

4.2.3 Ensaio de granulometria............ ...................................................................76

4.2.4 Ensaio de compressão ..................................................................................77

4.2.5 Determinação da umidade em estufa.............................................................77

4.2.6 Caracterização microestrutural ......................................................................77

4.2.7 Ensaios de lixiviação, análise de massa e solubilização ..............................78

Capítulo 5: Resultados Experimentais.............................................................................80

5.1 Ensaio granulométrico................... ..........................................................................80

5.2 Características dos agregados...................................................................................81

5.3 Resistência à compressão das argamassas ...............................................................86

5.4 Caracterização microestrutural das argamassas.......................................................87

5.5 Ensaios de lixiviação, análise de massa e solubilização .........................................92

CONCLUSÃO GERAL.....................................................................................................98

9

6. Sugestões para o próximo trabalho .............................................................................99

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................100

10

LISTA DE SIMBOLOS

AFm – monossulfoaluminato de cálcio hidratado

AFt – trissulfoaluminato de cálcio

Arg. - Argamassa

A – Al2O3

C – CaO

H – H2O

F – Fe2O3

M – MgO

S – SiO2

C3S – Silicato tricálcico

C2S – Silicato dicálcico

C3A – Aluminato tricálcico

C4AF – Ferro aluminato tetracálcico

C6AS3H32 – Etringita

C4AS3H18 – Monossulfato

C-S-H – Silicato de Cálcio hidratado

Ca(OH)2 – Hidróxido de Cálcio

CP – Cimento Portland

MF – Módulo de Finura

A/C – Relação água cimento

fc – Resistência mecânica

RAM – Reação álcali-minerais do agregado

P.F. – Perda ao Fogo

EDX – Análise química qualitativa por dispersão de energia

MEV – Microscópio eletrônico de varredura

µm – mícron

MPa – Mega Pascal

T – Tonelada

Slamp test- Abatimento de tronco de cone, que é um ensaio realizado para verificar a

consistência do concreto/argamassa.

11

RESUMO

Este trabalho teve por objetivo estudar a utilização da areia de fundição residual

como fonte de matéria-prima para fabricação de argamassas utilizadas na construção civil.

O resíduo usado neste trabalho (areia de fundição residual) foi fornecido por uma fundição

de Joinville - SC e é classificado como resíduo classe II, conforme NBR 10004/87. A areia

residual de fundição (resíduo) e a areia de construção civil (areia comum) foram

caracterizadas por meio de ensaios físicos, análise morfológica e análise qualitativa,

realizados com auxílio de microscopia eletrônica de varredura e pela micro análise de

EDX. O resíduo estudado foi usado como agregado em substituição à areia comum em

porcentagens que variaram de 0 a 100% em massa. Os corpos-de-prova foram curados sob

imersão em água alcalina por 28 dias. Corpos-de-prova sem resíduo e com 30% de resíduo

foram envelhecidos naturalmente por seis e doze meses após 28 dias de cura saturada.

Após a cura, foram testados em compressão uniaxial, posteriormente analisados por

microscopia eletrônica de varredura e ensaios de lixiviação, análise de massa e

solubilização. A investigação por intermédio dessas técnicas de caracterização nos

permitiu observar que não existe influência significativa do resíduo areia de fundição na

resist6encia mecânica das argamassas. O aglomerante utilizado na areia de fundição

(bentonita e pó de carvão) favorecem a germinação e crescimento de cristais de etringita,

principalmente por causa da presença de enxofre no pó de carvão. Com o tempo, a etringita

presente nas argamassas com resíduo se transforma em monossulfato. As argamassas

curadas são formadas principalmente de silicatos de cálcio hidratados (fases C-S-H). Com

relação aos ensaios de lixiviação e análise de massa, foi observado que todos os elementos

químicos analisados estão abaixo do máximo estabelecido pela NBR 10004/87. Os ensaios

de solubilização mostraram que a adição de resíduo na argamassa deve ser limitada para

evitar impacto ambiental. Nas amostras de argamassa com 30% de resíduo e sem resíduo

tem-se um pequeno excesso de alumínio.

12

ABSTRACT

This work studies the use of a residual foundry sand as raw material in mortars for

building material applications. The residue used (residual foundry sand) was supplied by a

foundry industry from Joinville-SC and is classified as residue class II, according to the

Brazilian normatization NBR 10004/87. The residue and the ordinary sand were

characterized by physical tests and by chemical and morphological analyses through the

Scanning Electron Microscope (SEM). The residue was incorporated into mortars to

partially replace the ordinary sand from 0,00 to 100% (in mass). The samples were cured

in alkaline water immersion for 28 days. Samples without residue and with 30% of residue

were cured naturally during six and twelve months after 28 days of cure in saturate water.

After these aging times the samples were tested by uniaxial compression, analyzed by

SEM and by leaching and solubilization tests. The investigation through these techniques

allowed us to observe that the residue has not influence in the mechanical strength of the

mortars. The binder used in the foundry sand (bentonite plus coal powder) leads to a

nucleation and growth of ettringite crystals, mainly due to the presence of sulfur in the coal

powder. Thus, the ettringite stabilize chemically, at least partially, the sulfur present in the

residue. The ettringite contained in the mortars produced with residue turns into

monossulphate with the aging time. The mortars are mainly constituted of C-S-H phases.

Regarding the leaching tests it was found that, in every sample, the chemical elements

analyzed all have the concentrations bellow the maximum limits established by the NBR

10004/87. The solubilization test showed that the residue concentration in mortars must be

limited to avoid environmental impact. On the samples composed with 30% of residue and

without residue it was found a small surplus of aluminum.

13

INTRODUÇÃO_________________________________________________________________________

O método de moldagem mais utilizado em todo o mundo para a produção de peças

fundidas é a moldagem em areia. Pode-se estimar que mais de 80% das peças fundidas

produzidas utilizam moldes feitos de areia aglomerada. O aglomerante mais comum é a

argila. Areias aglomeradas com argila são, em geral, empregadas para confeccionar os

moldes. Após vários ciclos de operação as características da areia mudam, tornando-a

imprópria para a moldagem. A partir desse instante, a areia tem que ser renovada, gerando

então o resíduo de areia de fundição. A areia a ser descartada é colhida em um ponto

conveniente do sistema de transporte interno. Os pedaços de moldes que não se

desagregam totalmente (torrões) e que ficam retidos na peneira rotativa também são

rejeitados.

O total de excedentes de areia de fundição gerados em todo Brasil no ano de 2004

atinge aproximadamente 2,3 milhões de toneladas anuais, requerendo à mineração igual

quantidade de areia nova [ABIFA, 2005]. Considerando os demais Estados, esses números

praticamente dobram. A disposição dessa areia em aterros contribui de forma marcante

para o agravamento dos problemas ambientais, principalmente nos grandes centros

urbanos, constituindo tarefa potencialmente poluidora do solo e principalmente das águas

superficiais e do subsolo. A implementação de regulamentos ambientais mais restritivos

nos últimos anos tem obrigado as fundições a destinar seus excedentes de areia para aterros

controlados, muitas vezes distantes da fundição, onerando consideravelmente seus custos.

Por outro lado, também têm-se perdas econômicas pelo não aproveitamento desses

materiais. De modo geral, esses resíduos são classificados como não perigosos, classe II,

segundo a NBR 10004/87 da ABNT. Portanto, muitos desses materiais apresentam

potencial para outras aplicações. O presente trabalho faz parte de um projeto em estudo

que visa buscar uma destinação alternativa para os resíduos de fundição com o objetivo de

diminuir o impacto ambiental e os custos com a disposição dos resíduos em aterros

industriais. Uma das soluções que está sendo investigada é a utilização desses resíduos

como matéria-prima para a fabricação de argamassas. Vários estudos mostram que essa é

uma solução sustentável, com a vantagem de diminuir os custos de produção [PEREIRA et

al., 200], [WATANABE et al., 2002]. No que concerne a utilização de resíduos como

fonte de matéria-prima, trabalhos recentes mostraram que eles podem ser utilizados para a

14

produção de argamassa para aplicação na construção civil. Dependendo da composição

química, esses resíduos podem substituir o aglomerante (cimento) e (ou) o agregado

(areia).

Este trabalho consiste na elaboração e caracterização de argamassas com diferentes

concentrações (em massa) de resíduos. O resíduo estudado foi incorporado em argamassas

em substituição ao agregado em diferentes porcentagens, e, em seguida, as amostras

obtidas foram caracterizadas para conhecimento de suas propriedades e características.

Esses resultados serão apresentados e discutidos a seguir.

15

Capítulo 1

Características das Matérias-Primas_______________________________________________________________________________________

As argamassas são fabricadas basicamente pela mistura de três componentes:

aglomerante, agregado miúdo e água. O tipo e a quantidade relativa, normalmente em

volume, desses componentes, chamada de traço, é que determinam as propriedades de uma

argamassa. O aglomerante é o principal componente da argamassa, pois é ele que contém

os compostos químicos que fazem parte do processo de hidratação. Portanto, a qualidade

de uma argamassa depende das características de seus componentes, principalmente do

aglomerante. Sendo assim, antes de fabricar uma argamassa, é preciso ter conhecimento a

respeito dos seus componentes. Os principais deles serão abordados a seguir.

1.1 Aglomerantes

O aglomerante utilizado na fabricação de argamassas é o cimento. Ele é

constituído em grande parte por silicatos hidráulicos de cálcio. As fontes industriais de

cálcio mais comuns são: rocha calcária, giz, mármores e conchas do mar, tendo argila e

dolomita como principais impurezas. As fontes industriais de sílica são as argilas e xistos

argilosos, que, ao contrário da sílica quartzítica e arenítica, reagem com mais facilidade.

Essas argilas contêm alumina e óxido de ferro, os quais formam aluminatos e

ferroaluminatos durante o processo de clinquerização. Outras fontes eventuais de óxido de

ferro e de alumina são os minérios de ferro e bauxita, respectivamente. Essas matérias-

primas são moídas, misturadas e tratadas termicamente para a produção dos clínqueres. Os

clínqueres são compostos químicos com nódulos de 5 a 25 mm de diâmetro obtidos pela

sinterização de calcário e argila, por aquecimento até fusão incipiente (30% de fase líquida

aproximadamente) de modo que toda cal combine com os compostos argilosos sem que

haja formação de cal livre em quantidade prejudicial. As reações adivindas dos compostos

abaixo são:

CaO + CO2 (rocha calcária) (1.1)

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O (argila) (1.2)

Formando compostos de:

3CaO.SiO2 (silicato tricálcico) (1.3)

16

2CaO.SiO2 (silicato dicálcico) (1.4)

3CaO.Al2O3 (aluminato tricálcico) (1.5)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ferroaluminato tetracálcico) (1.6)

Esses compostos são responsáveis pelas propriedades do aglomerante [BAUER,

1985]. O cimento, obtido pela moagem e pulverização do clínquer mais gipsita, é

constituído de partículas inferiores a 75 µm, podendo conter adições de certas substâncias,

como por exemplo sulfatos, que modificam suas propriedades ou facilitam o seu emprego.

As partículas de cimento, quando em contato com a água, hidratam-se e adquirem

resistência mecânica. Portanto, o cimento é um aglomerante hidráulico, ou seja, não só

endurece por meio de reações com a água, como também forma um produto resistente à

água, ao contrário dos aglomerantes cal e gesso que necessitam de uma adição de material

pozolânico para terem comportamento semelhante. Hoje isso justifica a utilização do

cimento em concreto estrutural, visto que ele é insolúvel em água [PETRUCCI, 1979;

ALVES 1980; BAUER, 1985].

1.1.1 Composição química do cimento Portland

O cimento Portland consiste essencialmente de vários compostos de cálcio. As

análises químicas de rotina são expressas em termos de óxidos dos elementos presentes,

porque a determinação da composição direta dos compostos requer equipamentos e

técnicas especiais. As matérias-primas utilizadas para fabricação do cimento Portland são

basicamente ricas em sílica e cálcio, por isso o cimento Portland é constituído de cal

(CaO), sílica (SiO2), alumina (Al2O3), óxido de ferro (Fe2O3), certa proporção de óxido de

magnésio (MgO) e uma pequena porcentagem de anidrido sulfúrico, que é adicionado após

a calcinação para retardar o tempo de pega do produto. Também existem as impurezas

constituídas de óxido de sódio (Na2O), óxido de potássio (K2O), óxido de titânio (TiO2) e

outras substâncias de menor importância [PETRUCCI, 1979; ALVES, 1980; BAUER,

1985]. Os óxidos de potássio e sódio constituem os denominados álcalis de cimento. As

propriedades do cimento Portland estão estritamente relacionadas com o teor dos

compostos formados após a obtenção do clínquer. Esses óxidos são os formadores dos

compostos principais do cimento (silicatos e aluminatos) e são os primeiros a colaborar

com características de resistência, pega e estabilidade de volume, alguns tem até função de

17

mineralizadores (permitem que haja a formação de compostos do cimento a temperaturas

consideravelmente mais baixas do que seria possível de outro modo) ou fundentes. Como

exemplos, podemos citar o óxido de cálcio (CaO), em que a resistência do cimento

aumenta de acordo com o teor desse óxido; a sílica (SiO2) combinada com o CaO resulta

nos compostos mais importantes do cimento; a alumina (Al2O3) combinada com a cal,

acelera a pega do aglomerante e reduz sua resistência aos sulfatos, age também como

fundente, reduzindo a temperatura exigida para a formação do clínquer; o óxido de ferro

(Fe2O3), como a alumina, age também como fundente; o sulfato de cálcio adicionado

corretamente ao cimento regula sua pega, retardando-a; o óxido de magnésio (MgO) em

quantidades superiores a certos limites atua como expansivo, agindo de forma nociva sobre

a estabilidade do volume de argamassas e concretos; os álcalis, representado por K2O e

Na2O, desenvolvem papel de fundentes e agem como aceleradores de pega [PETRUCCI,

1979]. Para simplificar, na prática usam-se abreviações para representar os óxidos e os

compostos presentes no cimento (tabela 1.1) [METHA, 1994].

Tabela 1.1 – Óxidos formadores dos compostos do cimento e suas respectivas abreviações[METHA, 1994]

ÓXIDO SIMBOLOGIA COMPOSTO ABREVIAÇÃO

CaO C 3CaO.SiO2 C3S

SiO2 S 2CaO.SiO2 C2S

Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C3A

Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF

SO3 S_ 3CaO.2SiO2.3H2O C3S2H3

MgO M 4CaO.3Al2O3.SO3 C4A3S

H2O H CaSO4.2H2O CSH2 _

Como as análises químicas dos compostos do Cimento Portland são apresentadas

em termos de óxidos, é difícil apresentar qualquer conclusão, em termos de propriedades,

baseada apenas nos percentuais de óxidos existentes. Utiliza-se, então, uma série de

equações que foram desenvolvidas por R.H. Bogue [BAUER, 1985], válidas para uma

relação A/F(Al2O3/Fe2O3) maior ou igual a 0,64. Essas equações admitem que as reações

químicas de formação dos compostos estão completas e que impurezas, tais como MgO e

18

álcalis, possam ser ignoradas. Considera também que o cimento é inteiramente cristalino,

sem qualquer fase vítrea, o que não é verdade. Outro fator importante é que a altas

temperaturas de clinquerização os elementos presentes no sistema, inclusive as impurezas,

como Mg, Na, K e S, possuem capacidade de entrar em soluções sólidas com cada um dos

principais compostos do clínquer. Pequenas quantidades de impurezas em solução sólida

podem não alterar significativamente a natureza cristalográfica e a reatividade de um

composto com a água, porém grandes quantidades sim [PETRUCCI, 1979; METHA, 1994;

MONTEIRO, 1994]. As propriedades do cimento estão relacionadas não somente com os

óxidos existentes, mas principalmente com o teor de silicatos e aluminatos, além do MgO e

pequena quantidade de cal livre, devendo-se considerar ainda a existência de gesso.

O comportamento mecânico de cada composto do cimento Portland pode ser

melhor visualizado pelo gráfico da figura 1.1. As reações dos silicatos (C3S e C2S) com a

água resultam na formação de silicato de cálcio hidratado ( C-S-H). O C3S é o responsável

pela resistência inicial da pasta endurecida e aumento da resistência final, enquanto que o

C2S é responsável pelo aumento da resistência em idades avançadas. Os produtos formados

pela hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) são estruturalmente semelhantes àquele

formados do C3A. A reação do C3A com a água é rápida e provoca a liberação de uma

grande quantidade de calor. Desta forma, ocorre uma rápida formação de hidratos

cristalinos, tais como C3AH6, C4AH9 e C2AH8. O C4AF também apresenta uma hidratação

rápida e conseqüentemente também é o responsável pelas primeiras reações, mas apresenta

um desprendimento de calor médio. No entanto esses dois últimos compostos apresentam

baixa resistência mecânica comparando-os com os dois primeiros [MEHTA, 1994;

MONTEIRO, 1994].

Figura 1.1. Comportamento mecânico dos compostos do cimento [TARTUCE eGIOVANNETTI, 1990; SILVA, 1991]

19

A tabela 1.2 apresenta algumas propriedades de cada um dos compostos de

cimento Portland apresentados [TARTUCE e GIOVANNETI, 1990].

Tabela 1.2. Propriedades dos compostos do cimento Portland [TARTUCE e GIOVANNETI,1990]

Propriedades C3S C2S C3A C4AF

Resistência à compressão nas

primeiras idades

Boa Fraca Boa Fraca

Idades posteriores (28 dias) Boa Boa Fraca Fraca

Velocidade de reação com a água

(hidratação)

Média Lenta Rápida Rápida

Quantidade de calor gerado na

hidratação

Média Pequena Grande Média

Resistências a águas agressivas Média Boa Fraca Fraca

1.1.2 Hidratação do cimento Portland

Chama-se hidratação a reação química do cimento com a água a qual gera

produtos com características de pega e endurecimento, transformando compostos anidros

mais solúveis em compostos hidratados menos solúveis [MEHTA, 1994; MONTEIRO,

1994; PETRUCCI, 1979]. Os compostos presentes no cimento Portland, como mencionado

anteriormente, foram obtidos por meio de reações à alta temperatura (clinquerização) e,

portanto, não estão em equilíbrio estável à temperatura ambiente. Quando esses compostos

reagem com a água (hidratação), tendem a atingir estados mais estáveis, de menor energia,

liberando então energia na forma de calor (reações exotérmicas) [ MEHTA, 1994].

Foram propostos dois mecanismos de hidratação do cimento Portland. Um desses

mecanismos é a hidratação por dissolução precipitação, que envolve a dissolução de

compostos anidros em seus constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, por

causa da sua baixa solubilidade, tem-se a precipitação de hidratos provenientes da solução

supersaturada [MEHTA, 1994; MONTEIRO, 1994]. Esse mecanismo visa a uma completa

reorganização dos constituintes dos componentes originais durante a hidratação do

cimento. No outro mecanismo, denominado topoquímico ou hidratação no estado sólido

do cimento, as reações ocorrem diretamente na superfície dos componentes do cimento

20

anidro sem entrarem em solução [MEHTA, 1994; MONTEIRO, 1994]. A partir de estudos

sobre pastas de cimento com microscópio eletrônico, parece que o mecanismo de

dissolução-precipitação é dominante nos estágios iniciais de hidratação do cimento. Em

estágios posteriores, quando a mobilidade iônica na solução se torna restrita, a hidratação

da partícula residual de cimento pode ocorrer por reações no estado sólido [MEHTA, 1994;

MONTEIRO, 1994].

Sendo o cimento formado por vários compostos, estes não se hidratam a mesma

velocidade, como por exemplo, os aluminatos se hidratam muito mais rapidamente que os

silicatos. Dessa forma, as reações de hidratação dos aluminatos nos permitem analisar a

perda de consistência (enrijecimento) e a solidificação (pega), visto que os aluminatos são

os primeiros a se hidratarem. Os silicatos, em maioria na pasta (presentes em 75% do

cimento), são responsáveis pela taxa progressiva de resistência.

1.1.2.1 Etringita primária e monossulfatoaluminato

A gipsita é adicionada ao clínquer do cimento para evitar a pega instantânea do

C3A(aluminato tricálcico) durante a hidratação dos cimentos Portland, em geral. Uma das

teorias aceitas para explicar este fenômeno diz que os sulfatos, álcalis e íons hidroxila, ao

entrarem em solução, acabam diminuindo a solubilidade do aluminato tricálcico

[AGUIAR, 2004].

A reação do C3A com a água é imediata (pega instantânea) e a menos que a

velocidade desta reação seja desacelerada, os materiais cimentícios feitos com cimento

Portland não têm tempo de trabalhabilidade suficiente para serem utilizados [MEHTA,

1994; MONTEIRO, 1994].

De acordo com a teoria clássica, em compostos de cimento puros, em função da

concentração do C3A e dos íons sulfato (SO4-2) na solução, o produto cristalino formado é

o trissulfoaluminato de cálcio (sigla AFt) ou o monossulfoaluminato de cálcio hidratado

(sigla AFm).

O trissulfoaluminato de cálcio é também conhecido como etringita. Como

consagrado na literatura e evidenciado em Taylor [1996], o formação da etringita está

condicionada a uma alta relação SO4-2/ Al(OH)4

-, junto com a presença de Ca+2, OH- e

água, como descrita na Eq. 1.7.

21

( )[ ] ( ) OHSOOHAlCaOHSOOHOHAlCa 23426622

442 26.2634)(26 →++++ −−−+ Eq. 1.7

A Eq. 1.8 mostra a reação Eq. 1.7 escrita de uma maneira diferente, em termos dos

compostos:

( )44444 344444 2132144 344 214434421

etringitaáguaodihidratadcálciodesulfatoicoatotricálcalu

OHCaSOOAlCaOOHOHCaSOOAlCaO 2432224

min

32 32.3..3262.3.3 →++ Eq. 1.8

A etringita é geralmente o primeiro hidrato a cristalizar-se em virtude de elevada

relação sulfato/aluminato na fase aquosa durante a primeira hora de hidratação. Mais tarde

as características da solução se alteram, aumentando a solubilidade dos aluminatos. Esta

etringita formada nas primeiras horas de hidratação é chamada etringita primária.

Depois do sulfato da solução ter sido consumido, quando a concentração de

aluminatos se eleva novamente devido à renovação de hidratação do C3A e do C4AF, a

etringita torna-se instável e é gradativamente convertida em monossulfoaluminato de

cálcio. A figura 1.2 ajuda a entender a interação que ocorre em função da disponibilidade

de sulfatos, aluminatos e óxidos de cálcio na matriz cimentícia.

Figura 1.2 Diagrama de fases da formação do AFt e AFm [TAYLOR,1997]

A reação de conversão da etringita em monossulfoaluminato de cálcio está

descrita na Eq. 1.9, de TAYLOR [1996]:

Ca6[Al(OH) 6]2(SO4)3.26H2O + 4Al(OH)4- + 6Ca+2 + 8OH-

�

3Ca4[Al(OH) 6]2(SO4).6H2O + 8 H2O Eq. 1.9

Reescrevendo a 1.9 em termos de compostos, tem-se a Eq. 1.10

22

[ ]{

[ ]44444 344444 21

44444 344444 2144 344 21

cálciodeatoalumonossulfo

águaetringitatricálcicoatoalu

OHCaSOOAlCaO

OHOHCaSOOAlCaOOAlCaO

min

2432

22432

min

32

12...33

432.3..3.32 →++

Eq. 1.10

De acordo com a teoria clássica, como citado, por exemplo [MEHTA,1994], o

monossulfoaluminato é o produto final da hidratação dos cimentos Portland com mais de

5% de C3A.

Ainda pela teoria clássica, a Figura 1.3 mostra a redução da concentração de

etringita e o aumento da formação do monossulfoaluminato ao longo do tempo de

hidratação, onde percebe-se a formação do monossulfoaluminato e a redução da etringita a

partir de 24 horas, aproximadamente, do início da hidratação do cimento Portland.

Cabe salientar que a “hidratação da fase ferrita (C4AF) ocorre paralelamente à do

C3A, com formação de fases análogas à etringita (AFt) e à fase monossulfoaluminato

(AFm). As reações são mais lentas do que as do C3A e desenvolvem menos calor. O C4AF

nunca reage rapidamente e a gipsita retarda ainda mais sua hidratação”. [CAMARINI,

1995].

Figura 1.3 . Produtos da hidratação do cimento x tempo [AGUIAR, 2004]

A teoria clássica é registrada e evoluiu através de publicações desde o começo do

século 20 e até hoje é reconhecido por autores que pesquisam o assunto, como é o caso de

[TAYLOR, 1996; KUSEL, 1996; COLLEPARDI, 2003].

23

Taylor [1996] evidencia que para a ocorrência da conversão de etringita em

monossulfoaluminato, a relação entre SO3 e Al2O3 precisa ser de 0,79, em massa. Kuzel

[1996] salienta ainda que a concentração de SO3 dentro da solução dos poros precisa cair

abaixo de 2,35 mg/L para que a etringita esteja estável e não se converta em

monossulfoaluminato.

1.1.2.2 Etringita tardia

Quando a etringita é formada na pasta endurecida é chamada de etringita tardia. A

sua expansão é heterogênea e em um concreto já endurecido e muito rígido pode causar

fissuras e lascamentos, ou seja, a sua deterioração progressiva. Collepardi [2003] considera

que isto ocorre meses ou anos depois da produção do material.

A formação da etringita em idades mais avançadas dos materiais cimentícios está

relacionada com a conversão do monossulfoaluminato novamente em etringita, em função

da presença de íons SO4-2 no sistema.

Segundo Collepardi [2003], os termos etringita tardia ou etringita secundária são

em geral usados para descrever apenas a etringita formada a partir de sulfatos internos ou

intrínsecos à pasta.

Entretanto, ele considera que o termo etringita tardia deve ser usado para

descrever qualquer etringita formada posteriormente ao endurecimento da pasta e que o

emprega também para descrever a etringita formada pelo ataque de sulfatos externos.

Como pode ser visto na literatura técnica, os termos usados para descrever a

etringita formada após endurecimento dos produtos cimentícios divergem de autor para

autor.

Em vista dessa terminologia se confusa, Odler [1997], por exemplo listou vários

tipos de etringita e suas características peculiares, como mostrado na Tabela 1.3.

Tabela 1.3 Termos associados às formas de etringita em pastas de cimentos Portland

[ODLER, 1997]

Designação da

etringita

Inglês Português

Prazo de

formação

Condição de

formação

Origem do

Al2O3

Cristal/

Expansão

24

Early

primary

Primária Primeiras horas

após a

hidratação

Condições normais

de hidratação

C3A Microcristalino/

não

Late

primary

Primária

atrasada

Primeiros dias

ou semanas

após hidratação

Quantidade

excessiva de gesso

no cimento

C3A Microcristalino/

sim

External Externa Em qualquer

tempo

Migração de SO3 do

ambiente externo

monossulfato Microcristalino/

sim

Delayed Tardia Meses após a

cura a vapor

Após cura a vapor

com temperaturas

maiores que 70ºC

monossulfato Microcristalino/

sim

Secondary Secundári

a

Meses após a

cura a vapor

Recristalização da

etringita em fissuras

formadas após

molhagem e

secagem

etringita Microcristalino/

não

Além dos prazos e origens de formação resumidos por Odler [1997], que consta

na tabela 1.3, verifica-se por outros artigos, como o de Taylor; Famy; Scrivinir [2001], que

há discussões sobre a formação da etringita secundária, embora equivocadas na opinião

desses autores.

Collepardi [2003] propõe que o termo formação de etringita tardia (em inglês –

DEF – Delayed Ettringite Formation) seja usado para descrever qualquer tipo de etringita

formada após o final de pega, quando o concreto ou argamassa já se encontram

endurecidos.

1.1.2.3 Alterações possíveis na microestrutura de materiais cimentícios por etringita

tardia

Reações envolvendo a formação de etringita em idades mais avançadas, após o

fim da pega, podem estar relacionadas com processos destrutivos que se iniciam a partir da

formação de etringita tardia dentro de poros de concretos, argamassas ou pastas no estado

endurecido

25

A formação da etringita tardia não ocorre de forma homogênea em toda matriz

cimentícia, ocasionando um aumento de volume, gerando tensões que podem provocar

fissuras nos concretos e argamassas endurecidos [COLLEPARDI, 2003].

A relação SO4-2 /Al2O3 é um dos fatores principais na formação de etringita tardia

e suas conseqüências, pois este afeta a estabilidade da etringita primária. Em relações ricas

em SO4-2, a etringita encontra-se estável.

Já em relações baixas, há a presença de monossulfoaluminato, ou seja, a matriz

está mais susceptível à reversão do monossulfoaluminato novamente em etringita, em

função do aumento da relação SO4-2 /Al2O3 como conseqüência da presença de íons sulfato

provenientes de fontes externas ou internas.

A formação de etringita tardia pode provocar pressões, causando expansão e

fissuração, pois as reações de hidratação do cimento já estão avançadas e já ocorreu o fim

da pega não havendo mais espaço para o aumento de volume causado pelas 32 moléculas

de água do composto, conforme a Eq. 1.10, no item 1.1.2.1.

A estrutura cristalina da etringita e do monossulfoaluminato não é a mesma. A da

etringita é a de cristais aciculares e monossulfoaluminato é de placas hexagonais, como

pode ser visto na figura 1.4.

Figura 1.4. Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de

monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita formados pela mistura de

soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio [MEHTA, 1994]

26

A figura 1.5 mostra uma representação esquemática do que acontece nos poros

com a transformação do monossulfoaluminato em etringita, em função de suas estruturas

cristalinas, podendo afetar as propriedades dos materiais cimentícios.

Figura 1.5. Representação esquemática da pressão causada nos poros devido à

transformação do monossulfoaluminato em etringita [AGUIAR, 2004]

A possibilidade da reação expansiva tem a ver com a relação SO4-2 /Al2O3. Há

situações onde há a presença de sulfato, mas este se encontra combinado ou apresenta

baixa solubilidade. Nestes casos a formação de etringita é afetada. Em alguns casos pode

haver a liberação do sulfato ao longo do tempo levando à formação da etringita tardia.

Outro caso é a disponibilização de sulfato na matriz, proveniente do meio externo,

provocando o desequilíbrio da relação SO4-2 /Al2O3 (AFt ↔ AFm) e a formação da

etringita.

A escola clássica defende a reversão do monossulfoaluminato em etringita em

função do ingresso de íons sulfato no sistema. No entanto, estudos , como os de Taylor

[1996] e Kuzel [1996], consideram que esta reversão possa ocorrer em função da presença

de outros íons ou compostos no sistema como, por exemplo, o CO2 e a portlandita, como

descrito na Eq. 1.11 , transcrita de Taylor [1996].

( )[ ] ( )( )[ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( ) OHOHCOOHAlCaOHSOOHAlCa

OHOHCOCaOHSOOHAlCa

25,03264234266

22

32

24264

5,5.226.

19226.3

+→++++ −−+

Eq. 1.11

Reescrevendo Eq. 1.11 em função dos compostos, temos a Eq. 1.12, transcrita de

Kuzel [1996].

27

( ){

( )

4444444 34444444 214444 34444 21

434214444 34444 21

atohemicarbonetringita

aportlanditcarbônicogásatoalumonossulfo

OHOHCaCaCOACOHCaSOAC

OHOHCaCOOHCaSOAC

2233243

222

min

243

5,11.)(2/1.2/1.233.3.

13214..3

+

→+++

Eq. 1.12

Como se pode ver neste caso, a reação leva à formação de etringita e à ocorrência

de carbonatação. Kuzel [1996] explica que o concreto contendo monossulfoaluminato é

atacado pelo CO2. O SO4-2 na estrutura cristalina do monossulfoaluminato é substituído

pelo CO3-2 (figura 1.6); como resultado, a concentração de sulfato na solução dos poros

aumenta, e a etringita é formada novamente.

Figura 1.6. Troca de íons SO4-2 por CO3

-2 na estrutura cristalina do

monossulfoaluminato [KUZEL, 1996]

Kuzel [1996] discute a ocorrência de monossulfoaluminato nos materiais

cimentícios em função do teor de CO2 na matriz cimentícia, como pode ser visto na figura

1.7. Todavia, o autor reconhece que não é claro ainda se a etringita tardia formada pela

carbonatação, de acordo com a Eq. 1.12, é meramente de interesse teórico ou se pode

também afetar a durabilidade de materiais cimentícios na prática, porque as informações

são muito limitadas quanto aos hidratos presentes em concretos e argamassas coletados em

campo.

De forma preventiva à formação de etringita por carbonatação, esse pesquisador

ainda recomenda que o cimento Portland sempre contenha algum teor de carbonato de

cálcio reativo, de modo a ocorrer o que apresenta o lado direito da figura 1.7.

28

Figura 1.7. Influência do CO2 nas reações de hidratação do C3A em cimentos

Portland [KUZEL, 1996]

Taylor [1997], também fala da conversão de monossulfoaluminato em etringita

pela disponibilização de íons SO4-2 a partir de anidrita, e nestes casos pouca ou nenhuma

dissolução da portlandita e ou descalcificação de C-S-H precisam ocorrer.

De qualquer forma, o que se pode concluir da literatura, é que a existência do

monossulfoaluminato, condicionado ou não à disponibilidade de íons SO4, é um fator de

risco para a formação de produtos expansivos, visto que esse é o único íon passível de

propiciar a reversão do monossulfato em etringita e hoje muito se discute a importância da

presença de CO2.

1.1.2.2 Hidratação dos silicatos

A hidratação do C3S (alita) e do βC2S (belita) no cimento Portland produz família

de silicatos de cálcio hidratados com estruturas similares, mas com composição química

diferente quanto à relação cálcio/sílica e ao teor de água quimicamente combinada

[MEHTA, 1994]. Os silicatos de cálcio hidratados são poucos cristalinos e formam um

sólido poroso com características de gel rígido, o qual a literatura se refere como gel de

tobermorita. Esse nome não é mais aceito, pois a tobermorita é um mineral cuja

semelhança na estrutura com esse gel ainda é muito pobre. Tornou-se comum, por causa da

composição química dos silicatos dependerem da relação água/cimento, temperatura e

29

idade de hidratação, referir-se a esses hidratos simplesmente como C-S-H, o que não

implica em uma composição fixa. Na hidratação completa a composição que mais se

aproxima é C3S2H3. Os cristais de C-S-H, podem ser visualizados na figura 1.8.

Figura 1.8: Micrografia de uma pasta de cimento mostrando os silicatos hidratados

de cálcio (fase C-S-H), [MEHTA, 1994]

As reações estequiométricas para as pastas completamente hidratadas de C3S e

C2S podem ser expressas nas equações 1.13 e 1.14:

2C3S + 6H2O � C-S-H + 3Ca(OH)2 Eq.1.13

2C2S + 4H2O � C-S-H + 3Ca(OH)2 Eq.1.14

Os produtos das reações de hidratação dos compostos C3S e C2S são similares

[MEHTA, 1994]. Porém alguns pontos que devem ser observados estão descritos a seguir:

• Cálculos estequiométricos mostram que a hidratação do C3S produziria 61% de C3S2H3 e

39% de hidróxido de cálcio, enquanto que a hidratação do C2S produziria 82% de C3S2H3

e 18% de hidróxido de cálcio. Se a área específica e, conseqüentemente, a aderência da

pasta de cimento for principalmente em virtude da formação de silicatos de cálcio

hidratados, espera-se que, para um cimento de alto teor de C3S, a resistência final seja

menor que a do cimento com alto teor de C2S.

• A durabilidade da pasta endurecida a águas ácidas e sulfáticas é reduzida com a presença

de hidróxidos de cálcio. Então, espera-se que um cimento contendo uma proporção maior

de C2S seja mais durável em ambientes ácidos e sulfatados do que outros contendo maior

30

proporção de C3S. Muitas especificações objetivam limitar o teor máximo de C3S nos

cimentos, outras recomendam o uso de pozolanas, que inibem o excesso de hidróxido de

cal na pasta hidratada.

• Para a hidratação completa, o C3S e o C2S exigem 24% e 21% de água, respectivamente.

As equações estequiométricas não dizem nada sobre a velocidade de reação. De acordo

com a tabela 1.3, pode-se perceber que o C3S hidrata a uma velocidade maior que a do

C2S. Na presença de gipsita o C3S em finas partículas começa a hidratar uma hora após a

adição de água ao cimento e contribui para o tempo final de pega e a resistência final da

pasta de cimento. Essa evolução rápida de hidratação do C3S é um importante fator em

cimentos de alta resistência inicial.

Tabela 1.4 Calores de hidratação dos compostos do cimento Portland [METHA, 1994]

Calores de hidratação (cal/g)Compostos

3 dias 90 dias 13 anos

C3S 58 104 122

C2S 12 42 59

C3A 212 311 324

C4AF 69 98 102

Por outro lado, Petrucci [1979] confirma um dos pontos destacados acima:

• O C3S hidrata-se dentro de poucas horas, desprendendo-se calor; o composto anidro vai

passando pela solução aparecendo hidróxidos de cálcio, enquanto uma massa gelatinosa

de silicatos hidratado se forma em torno dos grãos originais.

• O C2S é atacado lentamente pela água; depois de semanas os cristais se recobrem de

silicato hidratado. Forma-se também o hidróxido de cálcio, porém em menor quantidade

do que no C3S.

As reações da alita e belita são aceleradas na presença de íons sulfatos na solução,

o que ao contrário ocorre com os aluminatos, que diminuem sua solubilidade na presença

de íons sulfatos. Uma problemática é que a adição de gipsita provoca o retardamento na

hidratação dos aluminatos, que seria imediata, mas um efeito colateral é que essa adição

provoca a aceleração na hidratação da alita sem a qual os cimentos não endureceriam a

taxas mais lentas [MEHTA, 1994].

31

Dos compostos resultantes, o único solúvel em água é o hidróxido de cálcio,

sendo essa solubilidade a principal causa de desagregação do cimento endurecido. Nos

cimentos Portland comuns formam-se de 13 a 17% de Ca(OH)2, os cristais de Ca(OH)2

pode ser melhor visualizado na figura 1.9. O hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, pode se

dissolver com a umidade do ar e reagir com o CO2 na superfície da argamassa, formando o

CaCO3. Esse carbonato insolúvel forma eflorescência (depósito de sais sobre a superfície

do concreto). Na água do mar, o sulfato de magnésio nela contido reage com o Ca(OH)2, e

resulta CaSO4, sulfato de cálcio, com conseqüente depósito de hidróxido de magnésio.

Esse sulfato de cálcio ocasiona a expansão da massa de cimento e, juntamente com o

existente na água do mar, combina-se com a alumina e forma o sal de Candlot, o que

agrava com o tempo a fragmentação do cimento [PETRUCCI, 1979].

Figura 1.9: Micrografia de uma pasta de cimento mostrando cristais de hidróxido de

cálcio fase (Ca(OH)2), [MEHTA, 1994]

1.1.3 Pega e endurecimento do cimento

O endurecimento é o ganho de resistência mecânica com o tempo e é fortemente

marcado pela hidratação do C3S durante muitas semanas. Durante esse tempo, também

ocorre o preenchimento progressivo dos espaços vazios na pasta com os produtos da

reação, o que resulta em decréscimo de porosidade e de permeabilidade e, em

contrapartida, um ganho de resistência.

Os dados de estudos de calor de hidratação podem ser usados para caracterizar o

comportamento de pega e endurecimento do cimento e para prever a elevação da

32

temperatura. Lerch [1946], usando um calorímetro de condução, registrou a taxa de

evolução de calor das pastas de cimento durante a pega e o período inicial de

endurecimento, como mostra a figura 1.2. Percebe-se uma rápida evolução do calor (pico

A), o que representa a dissolução de aluminatos e sulfatos. Devido aos sulfatos reduzirem a

solubilidade dos aluminatos, essa evolução termina rapidamente. O segundo pico (B) é

atingido entre 4 e 8 horas de hidratação e representa o calor de formação da etringita.

Figura 1.2 Taxa de liberação de calor de uma pasta de cimento Portland durante a pega e operíodo inicial de endurecimento [MEHTA, 1994]

O valor do calor de hidratação do cimento Portland ordinário varia entre 85 e 100

cal/g, reduzindo-se para 60 a 80 cal/g nos cimentos de baixo calor de hidratação [BAUER,

1985].

A pega e o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do

cimento, vistos em períodos diferentes: a pega na primeira fase do processo e o

endurecimento na segunda e última fase [SILVA, 1991; BAUER 1985].

A pega é a mudança da pasta de cimento do estado fluido para o estado rígido. É

causada por uma reação seletiva de compostos do cimento. Os dois principais compostos

que reagem são C3A e o C3S [NEVILLE, 1982; PRIM, 1998].

O endurecimento é a perda de consistência da pasta plástica de cimento e está

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 física na superfície dos produtos de

hidratação de baixa cristalinidade, como a etringita e o C-S-H, e a evaporação causam o

33

enrijecimento da pasta e, finalmente, a pega e o endurecimento [MEHTA, 1994;

MONTEIRO, 1994].

O termo pega implica na solidificação da pasta plástica de cimento. O tempo de

início da pega transcreve desde a adição de água até o início das reações de hidratação.

Observa-se o aumento na viscosidade e temperatura e diminuição da trabalhabilidade da

pasta. O fim da pega acontece quando a massa do cimento pára de se deformar, tornando-

se um bloco rígido, porém de baixa resistência. Com o fim da pega, tem início o

endurecimento [PRIM, 1998].

Os tempos são influenciados por vários fatores. Por exemplo, cimentos com teores

maiores de C3A, que, como visto anteriormente, reagem imediatamente com a água,

resultam em um tempo de pega menor. Outro fator é a composição química do clínquer, no

qual existe uma quantidade ótima de gesso a adicionar para retardar a pega. O grau de

moagem das partículas e a quantidade de água adicionada também influenciam na

velocidade de hidratação. Os tempos de pega são influenciados também pela temperatura,

que pode acelerar ou até paralisar as reações.

Certos compostos solúveis são utilizados para acelerar a pega ou para retardá-la.

Entre esses compostos estão o cloreto de cálcio, cloreto de sódio e os alcalinos, que

aceleram a pega; o gesso, carbonato de sódio, óxido de zinco, bórax, tanino e ácido

fosfórico retardam-na.

Na própria normalização brasileira (NBR 1158) os cimentos são classificados em

cimentos de pega normal e de pega rápida, sendo estes primeiros os que dão início de pega

em um tempo superior a uma hora e os de pega rápida terminando a pega em poucos

minutos.

Os cimentos de pega rápida terminam sua pega em tempo inferior a 8 minutos;

cimentos de pega semilenta, de 8 a 30 minutos; os de pega normal entre 30 minutos a 6

horas; e os de pega muito lenta, em tempos superiores a 6 horas. Por causa das condições

climáticas brasileiras, pode-se adotar, para um cimento de pega rápida, um tempo menor

que meia hora, entre meia hora e 1 hora para os cimentos de pega semi-rápida, e acima de

1 hora para os de pega normal.

1.1.4 Cimento Portland resistentes aos sulfatos

34

Os cimentos Portland resistentes aos sulfatos são aqueles – como o próprio nome

diz – que têm a propriedade de oferecer resistência aos meios agressivos sulfatados, tais

como os encontrados nas redes de esgotos de águas servidas ou industriais, na água do mar

e em alguns tipos de solos. De acordo com a norma NBR 5737, quaisquer um dos cinco

tipos básicos (CP I, CP II , CP lII , CP IV e CP V-ARI ) podem ser considerados

resistentes aos sulfatos desde que obedeçam a pelo menos uma das seguintes condições

[GIUSTI, 2002]:

• teor de aluminato tricálcico (C3A) do clínquer e teor de adições carbonáticas de, no

máximo, 8% e 5% em massa, respectivamente.

• cimentos do tipo alto-forno que contiverem entre 60% e 70% de escória granulada de alto-

forno, em massa.

• cimentos do tipo pozolânico que contiverem entre 25% e 40% de material pozolânico,

em massa.

• cimentos que tiverem antecedentes de resultados de ensaios de longa duração ou de obras

que comprovem resistência aos sulfatos.

No primeiro e no último caso o cimento deve atender ainda uma das normas NBR 5732,

5733, 5735, 5736 e 11578. Se o cimento original for o Portland de alta resistência inicial

(NBR 5733), admite-se a adição de escória granulada de alto-forno ou de materiais

pozolânicos para os fins específicos da NBR 5737.

O cimento Portland CP II-Z-32 composto com pozolana tem diversas

possibilidades de aplicação e por isso é um dos cimentos mais utilizados no Brasil. Suas

propriedades atendem desde estruturas em concreto armado até argamassas de

assentamento e revestimento, concreto massa e concreto para pavimentos. Recomenda-se

não utilizar o CP II–Z-32 na necessidade de desforma rápida sem cura térmica e concreto

protendido pré-tensionado. O CP II-Z-32 leva, em sua composição, de 6 a 14% de

pozolana [ITAMBÉ, 2004].

O cimento Portland CPV-ARI-RS é um aglomerante hidráulico que atende as

exigências de alta resistência inicial e resistência a sulfatos. Ele é obtido pela moagem do

clínquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação e em quantidade necessária,

sulfato de cálcio. Esse aglomerante tem um baixo teor de aluminato tricálcico e se

caracteriza pelo endurecimento rápido nas primeiras idades. No caso da construção civil

ele é interessante, pois permite uma remoção mais rápida das formas utilizadas para a

35

obtenção de peças estruturais ou durante a estação fria, quando se deseja reduzir o tempo

necessário de hidratação a fim de proteger a argamassa do congelamento da água

necessária na reação de hidratação. Portanto, pode ser utilizado em concretagens a baixas

temperaturas quando se deseja resistência inicial elevada. Para o tipo de cimento Portland

com alta resistência inicial, Neville [1997] diz que esse tipo de cimento (tipo III)

desenvolve a resistência mais rapidamente e, por esse motivo, é especificado como

cimento para resistências iniciais elevadas. O tempo de pega desse cimento é semelhante

ao cimento comum, especificado por norma como 45 minutos. Não se deve confundir

velocidade de endurecimento com velocidade de pega. O aumento de resistência é

atribuído por causa da elevação do teor de silicato tricálcico (maior do que 55% e às vezes

até maior do que 70%) e também do processo de moagem desse cimento, promovendo uma

finura maior do clínquer. Os cimentos tipo III da ASTM (American Standad Testing

Materials) têm área específica determinada pelo método Blaine, de 450 m2/Kg a 600

m2/Kg, enquanto que os cimentos tipo I têm 300 m2/Kg a 400 m2/Kg. A resistência das 10

horas até às 20 horas é significativamente aumentada pela finura do cimento, persistindo

essa diferença até 28 dias. As resistências se igualam à idade de 2 meses a 3 meses, mas

com o tempo a resistência dos cimentos de menor finura ainda ultrapassa a dos cimentos de

maior finura. Neville [1997] afirma que de modo semelhante à reação do composto

aluminato tricálcico com o gesso, formando o sulfoaluminato de cálcio, no cimento

endurecido o aluminato de cálcio pode reagir com o sulfato proveniente do exterior cujo

produto é o mesmo sulfoaluminato de cálcio que surge dentro da estrutura da pasta de

cimento. Outra reação possível é a troca de bases entre o hidróxido de cálcio e os sulfatos,

resultando na formação de gesso com aumento de volume da fase sólida em 124%. Os sais

particularmente ativos são os sulfatos de magnésio e o sulfato de sódio, e as reações são

conhecidas como ataques por sulfatos, sendo bastante acelerados quando acompanhados

por molhagem e secagem alternadas. Para situações em que o cimento pode ser atacado por

sulfatos, deve-se utilizar um cimento com baixo teor de aluminato tricálcico. Então, para

ambientes agressivos com presença de sulfatos, quer seja solos contaminados ou água

saloba, se faz necessária a utilização de um cimento resistente à ação desses sulfatos.

As tabelas 1.4 e 1.5 apresentam os limites estabelecidos de exigências químicas,

físicas e mecânicas para os diferentes tipos de cimento. As exigências químicas visam

limitar o teor de adições, a pré-hidratação e falhas no processo de fabricação, enquanto que

36

as exigências físico-mecânicas garantem o desempenho mecânico e reológico quando da

aplicação em pastas, argamassas e concretos [GIUSTI, 2002].

Tabela 1.5 Exigências físicas e mecânicas [GIUSTI, 2002]

Finura Tempos de

pega

Expansibilidade Resistência à compressão

Tip

o de

cim

ent

o

port

land

Cla

sse

Resíduo na

peneira 75mm

(%)

Área

específica

(m2/Kg)

Início

(h)

Fim

(h)

A frio

(mm)

A quente

(mm)

1 dia

(MPa)

3 dias

(MPa)

7 dias

(MPa)

28 dias

(MPa)

91 dias

(MPa)

CP I

CP I-S

25

32

40

≤ 12

≤ 10,0

� 240

� 260

� 280

� 1 ≤ 10 ≤ 5 ≤ 5 -

� 8,0

� 10

� 15

� 15

� 20

� 25

� 25

� 32

� 40

-

CP II – E

CP II – Z

CP II – F

25

32

40

≤ 12

≤ 10,0

� 240

� 260

� 280

� 1 ≤ 10 ≤ 5 ≤ 5 -

� 8

� 10

� 15

� 15

� 20

� 25

� 25

� 32

� 40

-

CP III

25

32

40

≤ 8,0 - � 1 ≤ 12 ≤ 5 ≤ 5 -

� 8

� 10

� 12

� 15

� 20

� 23

� 25

� 32

� 40

� 32

� 40

� 48

CP IV

25

32 ≤ 8,0 - � 1 ≤ 12 ≤ 5 ≤ 5 -

� 8

� 10

� 15

� 20

� 25

� 32

� 32

� 40

CP V-ARI ≤ 6,0 � 300 � 1 ≤ 10 ≤ 5 ≤ 5 � 14 � 24 � 34 - -

Tabela 1.6 Exigências químicas [GIUSTI, 2002]

Tipo de

cimento

Portland

Resíduo

insolúvel

(%)

Perda ao

fogo (%)

MgO

(%)

SO3

(%)

CO2

(%)

S (%)

CP I

CP I – S

� 1,0

� 5,0

� 2,0

� 4,5 � 6,5 � 4,0

� 1,0

� 3,0 -

CP II-E

CP II-Z

CP II-F

� 2,5

�16,0

� 2,5

� 6,5 � 6,5 �4,0 � 5,0 _

CP III � 1,5 � 4,5 - � 4,0 � 3,0 � 1,0

CP IV (1) � 4,5 � 6,5 � 4,0 �3,0 _

CP V-ARI � 1,0 � 4,5 � 6,5 � 3,5

� 4,5 � 3,0 _

(1) O teor de material pozolânico deve ser determinado pelo ensaio de resíduo insolúvel.

37

1.1.5 Influência dos tipos de cimento nas argamassas e concretos

A tabela 1.6 mostra, de forma simplificada, de que forma os diversos tipos de

cimento agem sobre as argamassas e concretos de função estrutural com eles fabricados.

As influências assinaladas na tabela 1.6 são relativas, podendo-se ampliar ou

reduzir seu efeito sobre as argamassas e concretos por meio de aumento ou diminuição da

quantidade de seus componentes, sobretudo a água e o cimento. As características dos

demais componentes, que são principalmente os agregados (areia, pedra britada, pó-de-

pedra etc.), também poderão alterar o grau de influência, sobretudo se contiverem matérias

orgânicas (folhas, raízes etc.). Finalmente, pode-se usar aditivos químicos para reduzir

certas influências ou aumentar o efeito de outras, quando desejado ou necessário. Tudo

isso leva à conclusão de que é necessário estudar a dosagem ideal dos componentes das

argamassas e concretos a partir do tipo de cimento escolhido ou disponível na praça, de

forma a estabelecer uma composição que dê o melhor resultado ao menor custo. As

dosagens devem obedecer a métodos racionais comprovados na prática e que respeitem as

normas técnicas aplicáveis, e o uso dos aditivos deve seguir as instruções do seu fabricante.

Além disso, é absolutamente fundamental fazer corretamente o adensamento e a cura das

argamassas e dos concretos. O adensamento e a cura mal feitos são as principais causas de

defeitos e problemas que surgem nas argamassas e nos concretos, como a baixa resistência,

as trincas e fissuras, a corrosão da armadura etc. O bom adensamento é obtido por

intermédio de uma vibração adequada. O principal cuidado que se deve tomar para obter

uma cura correta é manter as argamassas e os concretos úmidos após a pega, molhando-os

com uma mangueira ou com um regador, ou então cobrindo-os com sacos molhados (de

aniagem ou do próprio cimento), ou até colocando tábuas ou lâminas de madeira molhadas

sobre a superfície, de modo a impedir a evaporação da água por ação do vento e do calor

do sol durante um período mínimo de sete dias [GIUSTI, 2002].

Tabela 1.7 Influência dos tipos de cimento nas argamassas e concreto [GIUSTI, 2002]

Tipo de Cimento PortlandPropriedade

Comum e

composto

Alto-Forno Pozolânico Alta

resistência

inicial

Resistente

aos sulfatos

Branco

estrutural

Baixo calor

de hidratação

Resistência à Padrão Menor nos Menor nos Muito Padrão Padrão Menor nos

38

compressão primeiros

dias e maior

no final da

cura

primeiros

dias e maior

no final da

cura

maior nos

primeiros

dias

primeiros

dias e padrão

no final da

cura

Calor gerado na

reação do cimento

com a água

Padrão Menor Menor Maior Padrão Maior Menor

Impermeabilidade Padrão Maior Maior Padrão Padrão Padrão Padrão

Resistência aos

agentes agressivos

(água do mar e

esgotos)

Padrão Maior Maior Menor Maior Menor Maior

Durabilidade Padrão Maior Maior Padrão Maior Padrão Maior

1.2 Agregados

Agregado é um material particulado natural, processado ou manufaturado, de

diferentes tamanhos, que, interligado por um material aglomerante, forma argamassas ou

concretos [SILVA, 1991].

Os agregados utilizados em argamassas são, normalmente, areias retiradas de leitos

fluviais e de outras jazidas naturais, ou artificiais, resultantes de processos especiais de

fabricação, como britamento de rochas estáveis ou pelotização de argilas expandidas

[HANAI, 1992].

Pode-se classificar os agregados quanto [BAUER, 1985]:

• à origem:

a) naturais – são aqueles que já são encontrados na natureza sob a forma de

agregado: areia de mina, areia de rios, seixos rolados e pedregulhos.

b) artificiais – são aqueles que necessitam de um trabalho para poder chegar à

condição necessária e apropriada para seu uso: areia artificial e brita.

• às dimensões:

39

a) agregado miúdo – é a areia natural quartzoza ou artificial, resultante do

britamento de rochas estáveis, de diâmetro máximo igual ou inferior a 4,8 mm

– NBR 7211;

b) agregado graúdo – é o pedregulho natural, ou a pedra britada proveniente do

britamento de rochas estáveis, de diâmetro superior a 4,8 mm – NBR 7211. A

argamassa fabricada com esse tipo de agregado é chamada de concreto. O

concreto também pode conter uma mistura de agregado miúdo e graúdo.

• ao peso unitário:

a) leves – menor que 1 T/m3;

b) normais – entre 1 a 2 T/m3;

c) pesados – acima de 2 T/m3.

É indispensável conhecer a composição mineralógica dos agregados que servem

para a confecção das argamassas ou concretos. Eles são freqüentemente considerados

como inertes; entretanto, possuem características físicas (modificações de volume por

variação de umidade) e químicas (reação com os álcalis do cimento) que intervêm no

comportamento da argamassa ou do concreto. A porosidade, permeabilidade e absorção

influem nas reações químicas, na resistência mecânica, na elasticidade, na massa específica

e na aderência entre o aglomerante e os grãos do agregado [SILVA, 1991].

Na fase inicial de prospecção dos agregados um grande cuidado deve ser tomado

quanto às características mineralógicas de suas rochas matrizes. A identificação

petrográfica dos agregados torna-se de grande importância na previsão do comportamento

deles. Pequenas quantidades de rochas ou minerais que possam ocorrer como elementos de

contaminação no agregado poderão ter influência decisiva em sua qualidade.

A areia utilizada como agregado deve satisfazer aos requisitos estabelecidos pelas

normas técnicas, como a resistência aos esforços mecânicos, o conteúdo máximo de

substâncias nocivas, tais como torrões de argila, matérias carbonosas, material

pulverulento e impurezas orgânicas. Outras características de qualidade devem ser

investigadas em caso de areias de jazidas pouco conhecidas, como a resistência aos

sulfatos de sódio e magnésio e a reatividade potencial, que se refere as reações de interação

entre os álcalis do cimento e o agregado. Aspectos importantes a serem considerados são o

módulo de finura, a área específica, a forma dos grãos e a composição granulométrica

[HANAI, 1992].

40

A areia, conforme sua distribuição granulométrica e seu módulo de finura (MF),

de acordo com a NBR 7211, pode ser classificada como [BAUER, 1985]:

• muito finas – 1,35 < MF < 2,25;

• finas – 1,71 < MF < 2,78;

• médias – 2,11 < MF < 3,28;

• grossas – 2,71 < MF < 4,02.

Quanto à forma dos grãos, os arredondados e com superfície lisa proporcionam

argamassas mais plásticas e permitem redução da relação água/cimento. Contudo, os grãos

de forma irregular e superfície áspera levam, por causa da melhor aderência com a pasta de

cimento, as argamassas mais resistentes ao desgaste e à tração [HANAI, 1992].

A granulometria da areia ou agregado tem grande influência nas propriedades das

argamassas. A Tabela 1.7 apresenta um comparativo entre a granulometria da areia e as

principais propriedades das argamassas [GUIMARÃES, 1997].

Tabela 1.8. Influência da granulometria da areia nas propriedades da argamassa [CRUZ,

2002]

Granulometria

Propriedades

Da Argamassa

Quanto menor o

módulo de finura

Quanto mais dispersa

for a Granulometria

Quanto maior o teor

de grãos angulosos

Trabalhabilidade Melhor Pior Pior

Retenção de Água Melhor Variável Melhor

Elasticidade Pior Pior Pior

Retração na Secagem Aumenta Aumenta Variável

Porosidade Variável Aumenta Variável

Aderência Pior Pior Melhor

Resistência Mecânica Variável Pior Variável

Impermeabilidade Pior Pior Variável

1.3 Água

A água utilizada na argamassa não pode conter matéria orgânica e colóides em

suspensão, nem tampouco salinidade acima dos tolerados pelos índices de potabilidade

[GUIMARÃES, 1997]. A quantidade e a qualidade dos elementos dissolvidos na água

41

dependem das características químicas e físicas do solo e do subsolo, do tempo de

permanência nos condutos naturais e da distância que o líquido percorre em seus drenos.

Permanecendo na superfície, a água pode ser concentrada por evaporação e interceptar

outras águas, com mudanças complexas de composição e volume. Provém das chuvas, em

geral, a maioria das variedades de águas que ocupam os reservatórios naturais. Elas

carregam o dióxido de carbono do ar, elemento que em combinação com a água desses

reservatórios produz o ácido carbônico. No solo adquirem ácidos húmicos e os sais

solúveis. Nas camadas mais profundas aumentam a variedade dos elementos dissolvidos –

pelo percurso e tempo de permanência – ainda que possam ter diminuída a quantidade total

de solutos. Assim, geralmente se apresentam com sódio, potássio, cálcio, magnésio, ferro,

cloretos, sulfatos e bicarbonatos, em várias combinações. Sílica e silicatos também são

comuns. Fluoretos, nitratos, nitritos e boro, quando presentes, ocorrem em concentrações

baixas, mas assim mesmo podem ser importantes. O dióxido de carbono nem sempre

forma bicarbonatos, podendo permanecer como gás dissolvido. Metais, como o cobre, o

zinco, o estrôncio, o bromo e o iodo, podem ocorrer particularmente nas águas salinas

originárias de lagos e mares [TARTUCE e GIOVANNETTI, 1990].