Slides Cimento Atual

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AGLOMERANTES

CIMENTO PORTLAND

FACULDADE IDEALENGENHARIA CIVILMATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

Profº. MSc Jefferson Maia Lima

[email protected]

http://patologiaestrutura.vila.bol.com.br

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HISTÓRICO

egípcios, gregos e romanos

Gesso e cal + terras vulcânicas com a água

formando compostos endurecidos

Engº. John Smeaton (1756)

calcários moles e argilas = material de maior resistência

Engº. Pesquisador francês Vicat (1818)

Leva o título de inventor do cimento artificial

Patenteado em 1824 pelo pedreiro John Aspdin

semelhança de coloração e das propriedades com asrochas da ilha britânica de Portland

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1 – MATÉRIAS PRIMAS

CIMENTO PORTLAND = CLÍNQUER + ADIÇÕES

CLÍNQUER é o principal componente e está presente em todos os

tipos de cimento portland

- mistura de calcários e argilas calcinadas

ADIÇÕES podem variar de um tipo de cimento para outro e são

principalmente elas que definem os diferentes tipos decimento

- gesso, escórias de alto-forno, materiais pozolânicos,materiais carbonáticos

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CALCÁRIO O calcário é o carbonato de cálcio (CaCO3) que se apresenta na natureza com impurezas como óxido de magnésio

O carbonato de cálcio puro (calcita), sob ação do calor, decompõe-se do seguinte modo:

CaCO3 CaO + CO2

(100%) (56%) (44%)

1 t calcário 560 kg de cal

CaO = matéria-prima p/ fabricação do cimento440 kg de CO2 sob a forma de gás

dolomita CaMg(CO2)2 30,4% de CaO ñ utilizada na fabricação de cimentos


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ARGILA A argila empregada na fabricação do cimentoé essencialmente constituída de um silicato de alumíniohidratado, geralmente contendo ferro e outros minerais,em menores porcentagens

A argila fornece os óxidos SiO2, Al2O3 e Fe2O3,necessários à fabricação do cimento

deficiência de SiO2 na argila = utilização da areia, comocorretivo da farinha crua

Fe2O3 = adição de minério de ferro (hematita)

Al2O3 = adição de minério de bauxita


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GESSO produto de adição final no processo defabricação do cimento Portland com a finalidade deregular o tempo de pega por ocasião das reações dehidratação.


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ESCÓRIAS DE ALTO-FORNO obtidas durante a produçãodo ferro-gusa nas indústrias siderúrgicas e tem a forma degrãos de areia. Prop. aglomerante hidráulico semelhantes ao clínquer Adicionadas à moagem do clínquer e gesso em certas

proporções p/ obter tipos de cimentos diferenciados

1SiO

OAl MgO CaO

2

32

SiO2 35,54 36,1

Al2O3 12,46 11,18

Fe2O3 0,4 0,41

CaO 41,64 43,19

MgO 6,01 5,59

MnO 1,94 1,62

S 1,42 1,33

I.H =1,69 I.H = 1,66

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MATERIAIS POZOLÂNICOS materiais silicosos ou alumino-silicosos que, quando

sozinhos, quase não têm propriedades hidráulicas

Entretanto, quando finamente divididos reagem com o

hidróxido de cálcio, quando na presença de umidade emtemperatura ambiente, formando compostos compropriedades cimentícias

Atividade pozolânica dos materiais:Reagir com o hidróxido de cálcio em temperatura ambiente por um tempo não

muito longo; eFormar compostos aglomerantes e insolúveis em água idênticos aos obtidos

na hidratação do cimento Portland.

Ex.: cinzas volantes; argilas calcinadas;

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MATERIAIS CARBONÁTICOS são minerais moídos, tais

como o próprio calcário

Tal adição serve também para tornar os concretos e asargamassas mais trabalháveis, porque os grãos oupartículas desses minerais moídos têm dimensõesadequadas para se alojar entre os grãos ou partículas dosdemais componentes do cimento, funcionando como umverdadeiro lubrificante

Quando presentes no cimento são conhecidos com fíler calcário.

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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND

1 - Extração e preparo da mistura cruaCALCÁRIO dureza elevada

- emprego de explosivos seguido de britagem suficientemente mole

- emprego de desintegradores(redução ao tamanho de partículas ~ 1cm)

ARGILASAs argilas contendo silicatos, alumina e óxido de ferro, podem ser misturadas diretamente com o calcário

CALCÁRIO + ARGILA = proporções pré-determinadas1 - enviadas ao moinho de cru2 - mistura íntima das matérias-primas3 - pulverização (diâmetro das partículas ~ 0,050mm)

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2 - Dosagem da mistura crua

A determinação da porcentagem de cada matéria-prima namistura crua depende:

a) composição química das matérias-primasb) composição p/ o cimento Portland

Análise química das matérias primas e da mistura crua:

realizada numerosas vezes (~ 30 min a ~ 1 h) p/

que o laboratório indique as porcentagens de cada matéria-prima

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2 - Dosagem da mistura cruaSão numerosos os métodos de controle da composição química da mistura crua, sendo as fórmulas seguintes as mais empregadas Módulo Hidráulico

- excesso de cal livre- 1,8 a 2,2

Módulo de Sílica- pureza da argila- 1,7 a 3,1

Módulo de Alumina-Ferro

- pega- 1,2 a 3,2

3232 OFeOAl2SiO

MS

3232 OFeOAl2SiO

CaO MH

32

32

OFe

OAl MAF

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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND3 - Homogeneização

fabricação por via úmida

a matéria-prima é moída com água;sai dos moinhos sob a forma de pasta (30 a 40% de água); homogeneização em tanques cilíndricos

por via seca

matéria prima sai do moinho já misturada, pulverizada e

seca; homogeneização em silos

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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND4 - Clinquerização

Temperatura Processo Reação

Até 100oC Evaporação da água livre Endotérmica

500oC a

800ºC

Desidroxilação dos minerais argilosos, com a quebra das

estruturas cristalinas e aumento da sua reatividadeExotérmica

800ºC a

900oC

Descarbonatação dos carbonatos e consequente

reações preliminares com os argilominerais: C12A7;

C2(A, F); C2S

Exotérmica

900oC a

1200oC

Intensificação da cristalização do C2S; conversão do

C12A7 e C2(A, F) em C3A e C4AFExotérmica

1200oC a

1350oC

Ocorre a fusão do C3A e C4AF e, a geração dos

primeiros cristais de C3S a partir dos cristais pré-

existentes de C2S e CaO.

Endotérmica

Acima de

1350oC

Formação de vidro e dos compostos do cimento

(clinquerização)

Provavelmente

Endotérmica

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4 - ClinquerizaçãoAs reações químicas que ocorrem no sistema de

fornos de clinquerização, podem, aproximadamente, serrepresentadas como as seguintes:

3 CaO . SiO2

2 CaO . SiO2

3 CaO . Al2O2

4 CaO . Al2O2 . Fe2O3

CALCÁRIO CaO + CO2

}ARGILAS

SiO2 + Al2O2 +

Fe2O3 + H2O

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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND5 - Esfriamento

Saída do forno

o clínquer apresenta-se na forma de bolas ( Ø máx 1cm a 3cm)

Temperatura entre 1200oC a 1300oC.

passa por um equipamento = esfriador

- Sua finalidade é reduzir a temperatura, mais ou menosrapidamente, pela passagem de uma corrente de ar fria noclínquer saída do esfriador (50oC e 70oC)

O clínquer, após o esfriamento, é misturado com as ADIÇÕES,transportado e estocado em depósitos

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No m e técnicoDesignação d o tip o e

c lasseNo rm as

CP I 25 – 32 – 40

CP I S 25 – S 32 – S 40

CP I I E 25 – E 32 – E 40

CP I I Z 25 – Z 32 – Z 40

CP I I F 25 – F 32 – F 40

Cim ento Po rtland d e

Alto -fo rnoCP I I I 25 – 32 – 40 NBR – 5735

Cim ento Po rtland

Po zo lânicoCP IV 25 – 32 NBR – 5736

Cim ento Po rtland d e

Alta Resistênc ia Inic ia lCP V ARI NBR – 5733

Cim ento Po rtland

Resistentes a Sulfa to s

Sigla o rigina l ac resc id a d e

“RS”NBR – 5737

Cim ento Po rtland

Co m umNBR – 5732

Cim ento Po rtland

Co m p o stoNBR – 11578

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a) CAL (CaO)- componente principal do cimento - origem = CaCO3

- cal livre prejudica a estabilidade de volume dasargamassas e dos concretos

b) SÍLICA (SiO2)- provém basicamente das argilas- SiO2 + CaO = compostos mais importantes do cimento: silicatos dicálcico (C2S) e tricálcico (C3S)

3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND

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c) ALUMÍNIO (Al2O3)- origina-se da argila- Al2O3 + CaO (aluminato tricálcico: C3A) acelera o início depega do cimento- ação fundente facilita o desenvolvimento das reações quepossibilitam a formação do clínquer

d) TRIÓXIDO DE FERRO (Fe2O3)- também é gerado a partir da argila- O trióxido de ferro (% pequena) é útil pelo seu papel defundente- ação mais enérgica do que a alumina

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e) MAGNÉSIO (MgO)- provém do carbonato de magnésio presente no calcário- quantidades elevadas atua como agente expansor

f) POTÁSSIO E SÓDIO- são álcalis, os quais desenvolvem papel de fundentes eaceleradores de pega- provocam manchas que aparecem na massa depois deendurecida- Certos agregados podem reagir com os álcalis

g) SULFATO (SO3) advém principalmente do sulfato decálcio, adicionado ao cimento como retardador de pega

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Fórmula AbreviaçãoComposição

(%)

Óxido de Cálcio CaO C 59 – 67

Sílica SiO2 S 16 – 26

Alumínio Al2O3 A 4 – 8

Ferro Fe2O3 F 2 – 5

Magnésio MgO M 0,8 – 6,5

Sódio Na2O - 0 – 1,5

Potássio K2O - 0 – 1,5

Sulfato SO3 S 0,5 – 1,2


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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND

Compostos Fórmula Química Abreviatura% no

clínquerPropriedades Tecnológicas

Silicato

Tricálcico3 CaO . SiO2 C3S 50 – 65

Endurecimento Rápido; Alto Calor de

Hidratação; Alta Resistência Inicial

Silicato

Dicálcico2 CaO . SiO2 C2S 15 – 25

Endurecimento Lento; Baixo Calor de

Hidratação; Baixa Resistência Inicial

Aluminato

Tricálcico3 CaO . Al2O3 C3A 6 – 10

Pega muito rápido e deve ser

controlado com adição de gesso;

suscetível ao ataque de meios

sulfatados; alto calor de hidratação;

alta retração; baixa resistência final

Ferro

Aluminato

Tetracálcico

4 CaO . Al2O3 .

Fe2O3

C4AF 3 – 8

Endurecimento Lento; resistente a

meios sulfatados; não tem

contribuição para resistência; cor

escura

Cal Livre CaO C 0,5 – 1,5

Aceitável somente em pequenas

quantidades, em maiores

quantidades causam aumento de

volume e fissuras

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A composição mineralógica do clínquer: Resistência

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A composição mineralógica do clínquer: Calor de Hidratação

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A composição mineralógica do clínquer depende: matérias primas disponíveis processo de cozimento aplicado

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A composição mineralógica do clínquer:(C³S Castanho); (C²S Azul); (C³A e C4AF Matriz)

Obs.: Largura da figura 0,6 mm (600 µm)

Micrografia ótica do clínquer não hidratado (JOHN; POOLE; SIMS, 1998 apud THOMAZ).

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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER

PERÍODO CARACTERÍSTICAS TEMPO

Inicial Reações instantâneas e intensas 10 minutos

Indução ou

dormente

Fase de baixa atividade com pequenas alterações na

pasta de cimento; a mistura ainda pode ser manuseada

normalmente

1 a 3 horas

AceleraçãoNova intensificação das reações de hidratação; coesão

e resistência mecânica em razão dos produtos geradosAté 12 horas

Desaceleração Declínio da intensidade Após 12 horas

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Curva esquemática mostrando a taxa de liberação de calor nos vários períodos de hidratação docimento Portland (ZAMPIERI, 1993).

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1) Silicato Tricálcico (C3S)

2 (C3S) + 6 H2O C3S2 . 3 H2O + 3 Ca(OH)2

(100%) (61%) (39%)

2) Silicato Dicálcico (C2S)

2 (C2S) + 4 H2O C3S2 . 3 H2O + Ca(OH)2(100%) (82%) (18%)

C3S C2S

Resistência

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3) Aluminato Tricálcico (C3A)

C3A + 3 (CaSO4 . 2 H2O) + 26 H2O C3A . 3 CaSO4 . 32 H2O

etringita etringita + 2 C3A + 4 H2O 3(C3A . CaSO4 . 12 H2O)

monossulfato de cálcio

C3A + 6 H2O C3A . 6 H2O (aluminato de cálcio hidratado)

hidrogranada4) Ferro Aluminato Tetracálcico (C4AF)

C4AF + 2 Ca(OH)2 + 10 H2O C3A . 6 H2O + C3F . 6 H2O

C3A C4AF

pega

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Após alguns minutosC3A + H2O = é uma reação imediata

CaSO4 . 2 H2O

gipsita e álcalis entram em solução primeiros

Solubilidade do C3A

C3A + SO3 = C6AS3H32

trissulfoaluminato de cálcio hidratado (etringita) Enrijecimento Pega Resistência inicial Liberação de calor

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Após algumas horas

2 C3S + 6 H = C3S2H3 + 3 CH

60% 40%

2 C2S + 4 H = C3S2H3 + CH

80% 20%


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Após alguns dias

C6AS3H32 + 2 C3A = C4AS3H18

A presença de monossulfoaluminato de cálcio hidratado torna o concreto vulnerável ao ataque de sulfatos

Pode reagir c/ sulfatos (solos e efluentes industriais)

Produtos expansivos

Fissuração

Perda da resistência

Desagregação

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6 – PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS CIMENTOS PORTLAND

a) FINURA determinada através de peneira de malha no 200,

(0,075 mm), permeabilímetro Blaine e granulômetro a laser

FINURA VELOCIDADE DAS REAÇÕES CALOR HIDRATAÇÃO

fissuras térmicas

b) EXPANSIBILIDADE pode ocorrer após o final de pega, ao

longo do tempo, quando na queima do clínquer o teor demagnésio ou CaO livre é elevado

fissuras

c) TEMPO DE PEGA é importante p/ permitir a aplicação

adequada de pastas, argamassas ou concretos- garantir a plasticidade e trabalhabilidade- p/ controlar o tempo de pega adicionar o CaSO4 . 2 H2O

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d) FALSA PEGA é um fenômeno que ocorre quando a mistura

perde a plasticidade com um tempo menor que o previsto

- sua plasticidade inicial é recuperada c/ uma remistura

1 - C3A é de baixa reatividade- cimentos parcialmente hidratado- cimentos carbonatados- descuidos no armazenamento

2 – grande quantidade de hemidrato (CaSO4 . 1/2 H2O)- moagem do cimento ultrapassa a 120oC


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e) CALOR DE HIDRATAÇÃO água + cimento = reação exotérm.

Esse efeito poderá acontecer durante meses, em funçãodo volume concretadoA quantidade de calor gerado depende

- composição química do cimento- quantidade e tipo de adições- finura, etc

f) RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO é medida através de corpos deprova cilíndricos 50mm x 100mm, com um traço normalizado,

com areia padrão do IPT (NBR 7251)

- ensaio importante para o controle de qualidade do cimento


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Brasil

os mais empregados são:

• cimento portland comum;

• cimento portland composto;

• cimento portland de alto-forno;

• cimento portland pozolânico.

menor escala são consumidos:

• cimento portland de baixo calor de hidratação;

• cimento portland para poços petrolíferos.

• cimento portland de alta resistência inicial;

• cimento portland resistente aos sulfatos;

• cimento portland branco (NBR 12989);

7 – TIPOS DE CIMENTO

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cimento portland comum

cimento portland comum com adição

cimento portland composto

CP termo de referência p/ cimentos novos

CP S e CP II cimento c/ aplicações usuais

Clínq uer + sulfa to

d e cá lc io

Escó ria d e

a lto -fo rno

Materia l

p o zo lânico

Materia l

carb o nático

CP I 100

CP I S 99 – 95

CP I I E 94 – 56 6 – 34 -

CP I I Z 94 – 76 6 – 14

CP I I F 94 – 90 -

0 – 10

-

-

1 – 5

Siglas

Co m p o nentes (% em m assa)


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cimento portland composto

escórias

considerada um aglomerante

escória + água = material cimentante

cinzas volantes

dist. granulométrica como a do cimento Portland

materiais com características pozolânicas

Argilas calcinada

maior finura otimiza a granulometria

microestrutura da pasta mais densa e compacta

Filler calcário

muito fino maior calor de hidratação

carboaluminato de cálcio CaCO3 . C3A . 11 H2O

acelera a hidratação do C3A e do C3S


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CP III tempo maior p/ endurecer

menor calor de hidratação

melhor ligação entre os grãos

menor porosidade

maior durabilidade

maior resistência final

S = 35% C = 40% A = 12% MATERIAL CIMENTÍCIO

cimento portland de alto-forno


d e cá lc io

Escó ria d e

a lto -fo rno

Materia l

p o zo lânico

Materia l

carb o nático

CP I I I 65 – 25 35 – 70 - 0 – 5

Siglas



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cimento portland de alto-forno

CP III S = 35% C = 40% A = 12% MATERIAL CIMENTÍCIO

Precisa do Ca(OH)2 iniciar as reações

Menor teor de C3A

Maior proporção de silicatos C3S e C2S

Menor produção de Ca(OH)2

Maior resist. aos sulfatos

desempenho


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CP IV

Reagirá com o Ca(OH)2 liberado da hidratação

menor calor de hidratação

melhor ligação entre os grãos

menor porosidade

maior durabilidade

maior resistência final

cimento portland pozolânico


d e cá lc io

Escó ria d e

a lto -fo rno

Materia l

p o zo lânico

Materia l

carb o nático

CP IV 85 – 45 - 15 – 50 0 – 5

Siglas



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CP V ARI CP

Dosagens diferentes calcário e argila

Moagem mais fina

Elevadas resist. Iniciais c/ velocidade maior

cimento portland de alta resistência inicial


d e cá lc io

Escó ria d e

a lto -fo rno

Materia l

p o zo lânico

Materia l

carb o nático

CP V ARI 100 – 95 0 – 5-

Siglas



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Sulfatos provenientes:

rede de esgoto de águas servidas ou industriais;

água do mar e alguns tipos de solos

Quaisquer um dos cinco tipos básicos podem ser considerados

resistentes aos sulfatos desde que obedeçam a pelo menos uma das

seguintes condições:

C3A 8% e Material carbonático 5%

CP III Teor de escória = 60 e 70%

CP IV teor de pozolana = 25 e 40%

cimento portland resistentes a sulfatos


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Obrigado!!

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