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Grupo de Materiais de ConstruçãoDepartamento de Construção CivilUniversidade Federal do Paraná

Direitos Reservados UFPR

1

Propriedades da água

Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEINADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR

Prof. Marcelo Medeiros

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Departamento de Construção Civil

Universidade Federal do Paraná

Água – Conceitos gerais:

É o estado líquido do composto hidrogênio e oxigênio: H2O.

Introdução

PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUA


3



• Quase toda a água do planeta está concentrada nos oceanos.

• Menos de 3% está em terra e a maior parte desta está sob a forma de gelo e neve ou abaixo da superfície (água subterrânea).

Água – Dados gerais:

• Cerca de 1% está diretamente disponível ao homem e aos outros organismos, sob a forma de lagos e rios, ou como umidade presente no solo, na atmosfera e como componente dos mais diversos organismos.

Introdução

PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUAProf. Marcelo Medeiros

4



SOLVENTE UNIVERSAL


• Componente principal da matéria viva.

• Constitui de 50% a 90% da massa dos organismos vivos.

Introdução


Poder de dissolução


Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!

A água tem elevado poder de dissolução

• Reações de hidratação do cimento Portland

• Dissolução de sais, compostos ácidos e básicos

• Dissolução de produtos agressivos às estruturas de concreto

• Meio de transporte: ao penetrar/evaporar do concreto


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Resumindo:

A água é muito importante para as propriedades químicas e físicas dos materiais



Nem sempre para o bem!!!

Responsável por manifestações patológicas no concreto



2



Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!

Isso não aconteceria sem água...


PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUAPoder de dissolução


Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!


Foto: M. Medeiros (2006) - SP

Foto: P. Brito (2008) - RN


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Universidade Federal do ParanáPoder de dissolução


Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!



10



Foto: M. Medeiros (2003) - RJ



Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!



11



Foto: M. Medeiros (2010) - SP



Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!



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Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade

Retração em concreto

Pressão de vapor

Propriedades




3


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Calor específico:

Define a variação térmica de uma dada massa de uma substância aoreceber determinada quantidade de calor.

Unidade:

SI J/kg.K (Joule por Kilograma Kelvin).

cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).

Calor específico


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É possível determinar a partir da quantidade de calor cedida a umcorpo, sabendo a variação térmica resultante e a massa desse corpo.

Quanto maior o calor específico de uma substância, menores variações de temperatura ela experimenta.

Tm

Qc

∆=

Calor específico = c Quantidade de energia = QVariação de temperatura = ∆TMassa do corpo = m

Calor específico



15



O calor específico da água é muito alto, fazendo com que a águaatue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas,impedindo mudanças bruscas de temperatura.

Água atua como importante fator de termorregulação.

Calor específico


Calor específico


Água:

Calor específico:

O calor específico da água é o número de calorias

necessárias para elevar 1 grama de água de

14,5°C para 15,5°C.

O calor específico da água é muito alto, é o valor mais alto entre os solventes comuns.

Atuação importante no equilíbrio da temperatura de sistemas, impedindo

mudanças bruscas de temperatura.

Calor específico


Equilíbrio da temperatura de sistemas:

A hidratação do cimento Portland é exotérmica.


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Grandes massas de concreto:

Grandes massas de concreto, como barragens geram enormesquantidades de calor.

A concentração e dispersão deste calor é lenta e complexa, levando aformação de gradientes de temperaturas.

Aplicações na engenharia:

Calor específico




4


19



Grandes massas de concreto

Modelo termo-químico-mecânico da

fase construtiva de barragem de usina

hidrelétrica.

(E. M. R. Fairbairn, F. L. B. Ribeiro, R. D. Tolêdo-F.)


Calor específico


20




O que ocorre quando o concreto aquece?


Calor específico



21



E quando esfria?



Calor específico


22



E se o concreto aquecer e depois esfriar?

Surgimento de tensões internas!!!



Calor específico



23



Qual a consequência disso?

A estrutura pode fissurar seriamente!!!



Calor específico


24



O que fazer?



Calor específico




5


25



Pré-resfriamento

Pós-resfriamento



Calor específico


26



Pré-resfriamento

Pós-resfriamento



Calor específico



27



Pré-resfriamento – Com a finalidade de minimizar o aumento detemperatura do concreto, pode-se resfriar os materiais dos quais ele éproduzido, imediatamente antes da mistura.

Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC.


Calor específico


28



Pré-resfriamento

Pode-se também refrigerar os agregados e o concreto com nitrogêniolíquido. As rochas tem menor calor específico do que a água.

Estas operações também geram um retardo nas reações dehidratação do cimento.

Pré-resfriamento do concreto com

nitrogênio líquido


Calor específico



29



Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Tucuruí


Calor específico


30



Pré-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Itaipú


Calor específico




6


31



Pré-resfriamento

Pós-resfriamento



Calor específico


32



Pós-resfriamento

Utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de tubulaçõesmetálicas instaladas preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-seágua resfriada.

A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro doconcreto.



Calor específico



33



Instalações para resfriamento e

bombeamento da água

Tubulação para circulação de água gelada

Esquema de tubulações para

circulação de água

(José Marques Filho)




Calor específico


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Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor

Propriedades físico-químicas da água:


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Solventes são substâncias capazes de dissolver - estadofísico da dissolução.

Dissolução de água e sal de cozinha:- a água é o solvente porque dispersa no seu meio o sal

A água tem poder de dissolução muito grande.



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Propriedade importante:

• Muitas reações químicas, como a hidratação do cimentoPortland, ocorrem em solução.

• A água é importante meio de transporte de substâncias dentro efora dos materiais sólidos.

H2O = SOLVENTE UNIVERSAL





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A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos,sulfatos e outros.

Com estes agentes dissolvidos, ela penetra nos poros doconcreto.

Degradação do concreto

O que acontece?

Poder de dissolução:



38



Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor



39



Transporta substâncias para dentro ou para fora dosmateriais sólidos, levando agentes agressivos paradentro dos materiais sólidos e arrastando os resíduospara fora.

Meio de transporte


40



Ca(OH)2 + Na2SO4 10H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH + 8H2O

Ataque de sulfatos:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.

Ataque por sulfato de sódio:

Gesso


Meio de transporte



41



Sulfato de cálcio:

4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2

Aluminato Gesso etringita

Ataque de sulfatos:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.


Meio de transporte


42



Deterioração do concreto por ataque de sulfatos:

Estrutura de concreto atacada por sulfatos

(Joana S. Coutinho)(Joana S. Coutinho)




Meio de transporte



8



Fonte: MARQUES FILO (anterior a 2013)

Hidrólise dos componentes da pasta!

Barragem do Vossoroca:

• Barragem de gravidade;

• 21 m (altura) por 152 m

(comprimento);

• ≈ 40 anos de idade na época.

Acúmulo de incrustações de

material carbonatado ao longo

das juntas frias, a jusante da

barragem.

Meio de transporte



Fonte: MARQUES FILO (anterior a 2013)

Hidrólise dos componentes da pasta!

Barragem do Vossoroca:

• Barragem de gravidade;

• 21 m (altura) por 152 m

(comprimento);

• ≈ 40 anos de idade na época.

Detalhe da porosidade da junta

de concretagem:

agregados expostos.

Meio de transporte


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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:

(José Marques Filho - COPEL)

Aparecimento do agregado do concreto



Meio de transporte


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Prédio da FAU-USP

Marcelo Medeiros



Meio de transporte

Água:

SOLVENTE UNIVERSAL!

Hidrólise dos componentes da pasta:

Dissolução, em primeiro lugar, do hidróxido de cálcio Ca(OH)2 que por

lixiviação é transportado pela água até a superfície do concreto.

O Ca(OH)2 entra em contato com o CO2 do ar, gerando eflorescências

esbranquiçadas:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

Quando o pH está entre 8,5 e 9,0 com excesso de CO2, acontece a formação

do bicarbonato de cálcio que é 145 vezes mais solúvel na água:

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2



Meio de transporte


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Eflorecência/Lixiviação de estruturas de concreto:

Água da chuva penetra dentro do concreto por seus poros.

No interior a água solubiliza o hidróxido de cálcio Ca(OH)2, quecorresponde a 30% da pasta de cimento hidratada.

O Ca(OH)2 vem para a superfície carregado pela água.

Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gás carbônico CO2.



Meio de transporte



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Eflorescências:

Manchas esbranquiçadas que surgem na superfície devido ao carreamento

de materiais dissolvidos do substrato emboço/reboco, trazidos pela água

para a superfície.

Juntas dos blocos de

concretoAtravés de tijolos

cerâmicos

Através de tinta acrílica


Meio de transporte


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Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor



51



A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta comouma membrana tensa (esticada).

Entre as moléculas que constitui a matéria (sólidos e líquidos)existem forças de interação de origem elétrica.

Tensão superficial surge graças à essas forças.

Esta propriedade é causada pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja resultante vetorial é diferente na interface.

Tensão superficial


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No interior do líquido:

Cada molécula é cercada e atraída por outras moléculas.

Se as forças que atuam nesta molécula forem somadasvetorialmente, obteremos uma força resultante média nula.

Molécula na superfície

Molécula no interior

Gás

Líquido

Tensão superficial



53



Na superfície do líquido:

Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido.

As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante damassa, pelas forças de interação elétrica.



Gás

Líquido

Tensão superficial


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Gás

Líquido

Enquanto as moléculas situadas no interior de um líquido são

atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas, as moléculas

da superfície do líquido sofrem apenas atrações laterais e internas.

Este desbalanço de forças de atração que faz a interface se comportar

como uma película elástica como um látex.

Tensão superficial




10


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Água tem grande tensãosuperficial.

Tensão superficial


56



Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o quepermite a estabilidade coloidal das pastas de aglomerantes como a cal,gesso e cimento Portland.

O uso de aditivos tensoativos, que diminuem a tensão superficial da água, faz com que um mesmo volume de água

molhe (cubra) uma maior área superficial das partículas componentes das mistura.

Exemplo na Engenharia:

Tensão superficial



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Substâncias, geralmente líquidas, que, quandoadicionadas durante o processo de mistura, alteramdeterminadas propriedades do concreto, argamassas,pastas e etc.

Tensão superficial


Aplicações na engenharia


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• Análise de custo-benefício

( curto e longo prazo )

• Pequena proporção em relação ao cimento

• Importância da homogeneização

• Dissolução na água de amassamento

Tensão superficial




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- Aditivo Plastificante (Tipo P): Produto que aumenta o índice deconsistência do concreto mantida a quantidade de água deamassamento; possibilita a redução de, no mínimo, 6% da quantidadede água de amassamento para produzir um concreto com determinadaconsistência.

- Aditivo Superplastificante (Tipo SP): Possibilita a redução de, nomínimo, 12% da quantidade de água de amassamento para produzirum concreto com determinada consistência.

Tensão superficial




60



Quando uma pequena quantidade de água é adicionada ao

cimento, sem a presença de tensoativos, não se obtém um

sistema bem disperso, primeiro porque a água possui tensãosuperficial elevada e segundo porque as partículas de cimentotendem a formar flocos e se aglomerarem.

Mecanismo sem Mecanismo sem tensoativotensoativo

Tensão superficial





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Plastificantes e Superplastificantes (Redutores de água)

1. Possuem substâncias químicas.

2. Melhoram a deformabilidade dos concretos frescos, reduzindo aformação dos flóculos provocados pelas forças de Van der Waal.Esse efeito é consequência da mudança da carga elétrica ocorrida nasuperfície das partículas de cimento que passam a se repelireletrostáticamente. Com isso, reduzem o coeficiente de atritodinâmico entre a fase líquida e os materiais sólidos em suspensão.

Aditivos Aditivos -- tipostipos

Tensão superficial




62



Plastificantes e Superplastificantes (Redutores de água)

3. Certas substâncias tensoativas são as responsáveis pela ação detais aditivos. Elas reduzem a tensão superficial da água, fazendo comque as moléculas de água tenham menor coesão e, portanto,capacidade de aumentar sua superfície de contato (maiormolhabilidade).

4. Aumentando a dispersão dos finos e acelerando a formação do gelde cimento, estes aditivos reduzem o esforço de cisalhamentonecessário para movimentar e deslizar as partículas ao se lançar eadensar a mistura. O efeito dispersante expõe maior superfície docimento em contato com a água, resultando em melhor hidratação. Aadesão entre a pasta de finos e os agregados também aumentaevitando a segregação.

Tensão superficial




63



Separação dos constituintes

� Causas:

• Diferença de densidade:Argamassa = 2,2Agregados graúdos = 2,7

• Excesso de água

• Excesso de vibração / adensamento

• Falta de cuidado no lançamento

SegregaçãoSegregação

Segregação




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Efeito de aditivos Plastificantes (outra forma de tensoativo)

Aditivos Plastificantes:

+

- +

++--

-

--

- -

-

+

++

+

+++

+

++

- -

-

--

--

-

-+

+

++

+

++

+-

- --+

-

-++

++

++

+

+++

+

+

+-

-

-

- -

- - -

+-

-

- --

-

-

- -

-

--

-

--

-

-+

+

+

-

-

Sem aditivo Com aditivo

Formado por moléculas hidrófilas

Tensão superficial




65



Finalidade:

Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito entre os grãos de cimento e agregados.

Aditivos Plastificantes:

Tensão superficial




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Os aditivos incorporadores de ar (IAR) também são compostostensoativos iônicos que reduzem a tensão superficial da água.

Moléculas do aditivo

(Mehta/Monteiro)

Aditivos Incorporadores de ar:

Tensão superficial





12


67



Mecanismo: Hidrofugam as partículas de cimento

Incorporam ar a massa de concreto em pequenas bolhas (0,1 a 0,8 mmde diâmetro).

Moléculas do aditivo

(Mehta/Monteiro)


Tensão superficial




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Universidade Federal do ParanáAditivos Aditivos -- tipostipos

Incorporador de ar

1. As bolhas de ar se repelem devido a cargas de igual polaridadeatuando em suas superfícies.

2. O sistema de microbolhas é estável, não se desfazendofacilmente mediante vibração convencional. Contribuem para diminuira exsudação.

(Mehta/Monteiro)

Tensão superficial




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Excesso de água na mistura e poucos finos, formando nata decimento na parte superior

� Consequências:

• Fissuras na parte superior do concreto

� Correção:

• Aumentar o teor de finos• Utilizar aditivos plastificantes• Utilizar aditivos incorporador de ar

ExsudaçãoExsudação

Exsudação


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Excesso de água

� Conseqüências

• Aumento da permeabilidade• Diminui a durabilidade

Há que se encontrar um ponto ótimo, pois é necessário usar mais água que onecessário para as reações químicas, para se ter trabalhabilidade, ou seja, porossão inevitáveis!

Exsudação



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Efeitos colaterais:

Podem retardar a pega do cimento:


Tensão superficial




72



Finalidade:

Aumentar a resistência do concreto ao gelo-degelo, as bolhas com ar funcionando como “espaço de escape” para os cristais de gelo, quando da solidificação da água absorvida pelo concreto.

(Mehta/Monteiro)(Mehta/Monteiro)


Tensão superficial





13


73



Incorporação de ar, pequenas bolhas funcionam como “válvula de escape” p/ crescimento de volume do gelo.

Mehta & Monteiro, 2008

Gelo

Pasta de

cimento

Vazio

Tensoativos ou Incorporadores de ar - IAR

Tensão superficial




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Efeitos do gelo-degelo sobre o concreto:

Obras hidráulicas



Tensão superficial




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Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor

Propriedades físico-químicas da água:Prof. Marcelo Medeiros

76



Revisando:Sólidos = moléculas muito próximas, mantêm-se no lugarpelas forças de atração e coesão.

Líquidos = Moléculas um pouco mais próximas, forças deatração e coesão um pouco menores.

Gás = Quase não tem força de atração e coesão entre asmoléculas.

Capilaridade



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Propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos muito finos.

A capilaridade atua no sentido de puxar o líquido para cima, a altura

alcançada depende da tensão superficial e do raio do tubo capilar.

Capilaridade


78



Capilaridade:

Forças coesivas mais fortes que as adesivas.

Água subindo em tubo capilar

Forças adesivas líquido/vidro mais

fortes que as forças coesivas

dentro do líquido

Mercúrio

Água

Capilaridade




14


79



Capilaridade:

γ

ν

rh

2=

Lei de Jurin

Onde:h = alturaV = tensão superficial do líquidor = raios do capilarγ = massa específica da água

Capilaridade


80



Capilaridade:

(Medeiros-Junior, 2014)

Capilaridade



81




A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilizaçãoda viga.

As eflorescências na parte inferior da parede causam adecomposição da pintura e do emboço.

Capilaridade


82



Difícil solução.

Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado sobre a viga de baldrame.

(José A. Freitas Jr.)


Capilaridade



83



Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame,antes do erguimento das elevações, veda a interface parede xfundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e osurgimento de manifestações patológicas.


Capilaridade


84



Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor




15


85



Quando um concreto endurece e seca, a água mais presente nosporos sai para a atmosfera.

Esta saída origina pressões capilares, originando tensão superficialque “puxa” as paredes dos poros no sentido que estas se aproximem.

O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que podeoriginar fissuras.

Retração


86



Fissuras por retração

Retração



87



Procedimentos de cura para minimizar retração:

Manter o concreto saturado com água, nos primeirosdias, para a água não sair enquanto não alcança certaresistência mecânica.

O que fazer?

Retração


88



Sacos de aniagem encharcados

Procedimentos de Cura:

Retração



89



Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno


Retração


90



Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco.


Retração




16


91


Universidade Federal do ParanáRetração


92



Calor específico


Meio de transporte

Tensão Superficial

Capilaridade


Pressão de vapor



93



“Umidade do ar”: Qualquer medida da quantidade devapor de água contida numa dada porção de atmosfera.

Pressão de vapor: É uma medida da tendência deevaporação de um líquido.

Depende das condições de temperatura

Líquido entra em ebulição quando sua pressão de vaporiguala-se à pressão atmosférica.

Pressão de vapor


94



Pressão de vapor:

A pressão de vapor pode atuar de forma importante noâmbito das edificações.

Argamassas de cimento e concreto são materiais quecontém água

Pressão de vapor



95



Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:

A pressão de vapor surge dentro de argamassas ou concreto,decorrente da variação da temperatura/pressão atmosférica.

Pequenas quantidades de água contidas no interior destes materiais setransformam em vapor.

Bolhas em pinturas

Pressão de vapor




96



Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:

Bolhas em pinturas

Pressão de vapor



Grupo de Materiais de Construção




1


97



Lascamento de concreto devido ao calor:

Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura.

A água nos poros do concreto forma vapor, que cria tensões internas

elevadas dentro das argamassas e do concreto.

A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” oulascamento.

Sequência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002)

Pressão de vapor




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Eurotúnel após incêndio

(C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)

Pressão de vapor




99




Eurotúnel após incêndio

Pressão de vapor




100



Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)

Pressão de vapor




101



Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)

Pressão de vapor


Aplicações na engenharia1, 2, 3 TESTANDO…

TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

Propriedades da água

1) Descreva os efeitos das propriedades da água na engenharia:

a. Poder de dissolução

b. Calor específico

c. Tensão superficial

d. Capilaridade

e. Pressão de vapor

PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEINADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR

Grupo de Materiais de Construção




2


103



Referências bibliográficas:www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br/quimicainorganica/formulasquimicas.htm

CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear

MATERIAIS, A. Rermy, M. Gray e R. Gonthier, São Paulo – SP, Ed. Hemus, 1993.

Apostila AÇOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene – USP- SP.

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL e Princípios de Ciência e

Engenharia de Materiais, Capítulo 6 – Estrutura Atômica e Molecular dos

Materiais, Oswaldo Cascudo, IBRACON, 2007.

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