Cimento Portland Materiais Técnicas e Tecnologias da Construção Aula 2

Materiais técnicas e tecnologias da construção Aula 2 Cimento Portland Professor Dimas Alan Strauss Rambo São Paulo 23 de agosto de 2024 Competências No sentido geral da palavra cimento pode ser definido como um material com propriedades adesivas e coesivas que o fazem capaz de unir fragmentos minerais na forma de uma unidade compactaAM Neville Comumente tratase cimento como um liganteaglomerante hidráulico Cronograma de aulas Definição de cimento 3 Competências Cronograma de aulas Matérias primas dos cimentos hidráulicos 4 Argila Calcário Fonte de óxido de cálcio CaCO3 CaO CO2 Fonte de minerais SiO2 Al2O3 Fe2O3 httpremediodaterracombrbeneficiosdaargilavermelha httpwwwgrupopirineuscombrfotoscalcarioourobranco Competências Cronograma de aulas Patente do cimento Portland 5 A patente foi produzida por Joseph Aspdin pedreiro e construtor 1824 Aquecia a mistura até a extinção do CO2 mas não até a CLINQUERIZAÇÃO formação de compostos de alta capacidade cimentante httpsptdreamstimecomphotosimagesilhadeportlandhtml Portland Ilha Britânica 6 Competências Cronograma de aulas Clinquerização Isaac Johnson introduziu este conceito calcinando argila e giz até se tornarem clínquer 1400C e moendo o material resultante até se tornar pó Também introduziu o conceito de grau de moagem Pelotas de clínquer Competências Cronograma de aulas Processo de fabricação do cimento 7 Competências Cronograma de aulas Préhomogeneização do cru reduz variações da composição 8 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Préhomogeneização do cru reduz variações da composição 9 9 Ib Finn Petersen Blending in circular and longitudinal mixing piles Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 74 2004 135 141 Marques Costa The Use of Geostatistical Simulation to Optimize the Homogenization and Blending Strategies Doi 101007978940074153935 O aumento do número de camadas da pilha reduz o desvio padrão da composição Competências Cronograma de aulas Processo de fabricação do cimento 10 moagem final 12 Calcário 06 Argila moagem 095 clínquer 005 Gipsita CaSO42H2O Adições CO2 NOx 095 clínquer CO2 NOx Aqui o material é sinterizado e fundido parcialmente Outros poluentes Óxidos de nitrogênio NO2 e NO 15 do custo do cimento Evitar a pega instantânea do cimento Fíler calcário Escória Cinza volante etc Competências Cronograma de aulas Composição química 11 Fase Composição óxidos Notaçãoa Solubilidadereatividade em massa Alita 3CaOSiO2 C3S Alta 50 70 Belita 2CaOSiO2 C2S Baixa 15 30 Aluminato de cálcio 3CaOAl2O3 C3A Alta com Na e K 5 10 Ferroaluminato de cálcio Ca2AlxFe1x2O5 C4AF x 05 com razão AlFe 5 15 Periclásio MgO M Baixa 0 2 Cal livre CaO C Baixa supercalcinação 0 1 Arcanita K2OSO3 K𝑆 Alta 0 1 Tenardita Na2OSO3 N𝑆 Alta 0 1 Singenita K2OCaO2SO3 KC𝑆 2 Alta 0 1 Langbeinita K2O2CaO3SO3 KC2𝑆 3 Alta 0 1 Aphtitalita 3K2ONa2O4SO3 K3N𝑆 4 Alta 0 1 Gipsita CaOSO32H2O C𝑆 𝐻2 Alta 2 5 Hemidrato CaOSO305H2O C𝑆 𝐻05 Alta 2 5 Anidrita CaOSO3 C𝑆 Alta 1 2 a Notação simplificada em química de cimento S SiO2 C CaO A Al2O3 F Fe2O3 M MgO N Na2O K K2O 𝑆 SO3 T TiO2 H H2O Competências Cronograma de aulas Composição química 12 Fase Composição óxidos Notaçãoa Solubilidadereatividade em massa Alita 3CaOSiO2 C3S Alta 50 70 Belita 2CaOSiO2 C2S Baixa 15 30 Aluminato de cálcio 3CaOAl2O3 C3A Alta com Na e K 5 10 Ferroaluminato de cálcio Ca2AlxFe1x2O5 C4AF x 05 com razão AlFe 5 15 Periclásio MgO M Baixa 0 2 Cal livre CaO C Baixa supercalcinação 0 1 Arcanita K2OSO3 K𝑆 Alta 0 1 Tenardita Na2OSO3 N𝑆 Alta 0 1 Singenita K2OCaO2SO3 KC𝑆 2 Alta 0 1 Langbeinita K2O2CaO3SO3 KC2𝑆 3 Alta 0 1 Aphtitalita 3K2ONa2O4SO3 K3N𝑆 4 Alta 0 1 Gipsita CaOSO32H2O C𝑆 𝐻2 Alta 2 5 Hemidrato CaOSO305H2O C𝑆 𝐻05 Alta 2 5 Anidrita CaOSO3 C𝑆 Alta 1 2 a Notação simplificada em química de cimento S SiO2 C CaO A Al2O3 F Fe2O3 M MgO N Na2O K K2O 𝑆 SO3 T TiO2 H H2O Clínquer Gipsita Combustível Competências Cronograma de aulas Précalcinador aproveita energia do escapamento de gases 13 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Entrada do CRU Parte do gás deve ser purgada para evitar elevado teor de álcalis e cloretos Competências Cronograma de aulas Combustíveis 14 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Principal coque de petroleo Outros Pneus madeira resíduos etc Competências Cronograma de aulas Forno rotativo 15 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Esquema geral do forno 16 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Entrada do CRU Saída do clínquer para moagem Competências Cronograma de aulas Clínquer 17 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP 15 mm Como as reações são de superfície é necessário fracionar o clínquer Competências Cronograma de aulas Moagem do Clínquer 18 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP httpuploadwikimediaorgwikipediaen44 3LDFMBallMilljpg Diafragmas só permitem a passagem de material fino sistema de peneiras Competências Cronograma de aulas Reações no forno 19 Decomposição das matérias primas CaOCO2 E CaO CO2 Al2O3xSiO2Fe2O3nH2O E Al2O3xSiO2Fe2O3 nH2O Fusão parcial formação de compostos com alta capacidade cimentante Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Fases do clínquer micrografia quantificação 20 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Vermelho C3S Azul C2S Verde C3A C4AF Análise por Micr Eletrônico EDS espectroscopia de energia dispersiva baseada na composição do material Competências Cronograma de aulas Hidratação como ocorre 21 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Alita C3S Belita C2S Aluminato de cálcio C3A Ferro aluminato de cálcio C4AF Ca2 H2SiO4 2 AlOH4 OH SO4 2 CO3 2 Grãos de cimento Dissolução Precipitação hidratos CSH Silicato de cálcio hidratado CH Hidróxido de cálcio Trisulfo aluminatos etringita Monosulfo aluminatos Forma de Ilustração Profa Karin Scrivener Competências Cronograma de aulas Estrutura hidratada é porosa 22 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas CSH e Portlandita 23 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Portlandita CaOH2 24 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Hidratação do cimento Portland fases principais 25 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Libera Calor Rápida 2C3S 6H C3S2H3 3CH CSH e cal hidratada Lenta 2C2S 4H C3S2H3 CH CSH e cal hidratada CSH principal fase hidratada silicato de cálcio hidratado principal produto estequiometria variável C3S forma muito mais CH subproduto Confere resistência ao concreto Confere resistência ao concreto em idade mais avançadas Competências Cronograma de aulas Hidratação do cimento Portland 26 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Libera Calor Sem adição de gipsita reação imediata C3A xH C3AH6 ou C2AH8 uso muito difícil exceto concreto projetado Com gipsita retardada C3A 3C ŠH2 26H C6A Š3H32 etringita C3A C ŠH2 16H C4A ŠH18 monosulfato C6A Š3H32 2 C3A 22H 3C4A ŠH18 monosulfato Consome 26 moléculas de água e forma cristais enormes que diminuem a mobilidade da pasta Diminui o sulfato disponível Gipsita Etringita No final teremos só MONOSULFATO Cristal menor comportado Competências Cronograma de aulas Resistência à compressão dos compostos do cimento Portland 27 Competências Cronograma de aulas Teste seus conhecimentos 28 Competências Cronograma de aulas Fases Hidratadas formação 29 Aft é um dos primeiros produtos hidratados a surgir junto com CH 10h Começamos a trabalhar o concreto como sólido Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Finura e Calor de hidratação 30 Evolução de temperatura Cimento Finura I Alta 500 m2kg II Média 400 m2kg III Baixa 300 m2kg Competências Cronograma de aulas Fatores que influenciam na velocidade de hidratação do CP 31 Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Composição química C3S rápido C2S lento matérias primas Finura m2g grau de moagem área superficial para reação de hidratação condições de mistura Temperatura alta rápido Uso de vapor garante a umidade Autoclave é possível pressão temperatura Competências Cronograma de aulas Teste seus conhecimentos 32 Burj Khalifa Bin Zayid Detalhe Temperatura durante a tarde pode alcançar 50C Estrutura com mais de 800 metros de altura Alternativas para o bombeamento seguro do concreto Competências Cronograma de aulas Teste seus conhecimentos 33 Usina de Itaipú Alternativas contra o risco de fissuração gerado pelo calor de hidratação dos grandes volumes de concreto 13 milhões de m³ de concreto Detalhe Obra de grande porte Grande quantidade de recursos Construção lenta Competências Cronograma de aulas Teste seus conhecimentos 34 Usina nuclear de Angra III Alternativas contra o risco de fissuração gerado pelo calor de hidratação dos grandes volumes de concreto Detalhe O cimento e os agregados já foram escolhidos Nenhum novo material será comprado Utilização de gelo é impossível Recursos escassos Materiais técnicas e tecnologias da construção Continuação Aula 3 Adições e tipos de cimento Portland Professor Dimas Alan Strauss Rambo São Paulo 23 de agosto de 2023 Competências Cronograma de aulas Adições 36 O que é uma adição Adição é soma Cimento composto cimento no qual materiais distintos são somados ao cimento Portland Competências Cronograma de aulas Adições 37 Modificam os produtos hidratados durabilidade permeabilidade Afetam a resistência Reduzem a inicial Aumentam a final Ex escória AF pozolana Benefícios Reduzir custos de produção Reduzir a emissão de CO2 Menos clínquer menos calcário menos CO2 Preservam as jazidas de calcário Evitam deposição em aterros Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Adições 38 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP 38 moagem final 12 Calcário 06 Argila moagem 095 clínquer 005 Gipsita CaSO42H2O Adições 095 clínquer Fíler calcário Escória Cinza volante etc Muitas vezes o uso de adições é motivado por economia de energia uma vez que elas não precisam ser submetidas a processos de aquecimento como o clínquer Competências Cronograma de aulas Tipos e efeitos das adições 39 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Fíler Preencher vazios deixados na hidratação do cimento Escória de altoforno Substituir o clínquer portanto é um cimento alternativo Pozolanas Reagir com subprodutos da hidratação do cimento portland CH ou CaOH2 Competências Cronograma de aulas Efeito fíler Contribui fisicamente 40 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Competências Cronograma de aulas Escória de altoforno 41 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Altoforno minério FeO ferro gusa PRINCIPAL Si Al escória os mesmos componentes utilizados na fabricação do cimento Portland cal virgem CaO escória coque C CO2 Separação por densidade Escória leve 300kg p cada 1t de ferro gusa produzida Ferro gusa pesado httpwwwgreenmetalscombrportfoliogranulacao httpwwwebahcombrcontentABAAAftskAAaltofornomecanica Competências Cronograma de aulas Escória de altoforno 42 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP httpwwwgreenmetalscombrportfoliogranulacao httpwwwebahcombrcontentABAAAftskAAaltofornomecanica Resfriamento da escória 1550C RÁPIDO água LENTO ao ar Material amorfo estrutura desordenada Propriedades aglomerantes Material cristalino onde a organização dos átomos se dá de forma geométrica Não possui capacidade aglomerante httpesslidesharenetmagerencotema2slidoslquidosgases Competências Cronograma de aulas Escória de altoforno 43 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Óxido Escória Cimento Por CaO 40 45 55 65 SiO2 30 35 20 25 Al2O3 11 18 3 8 MgO 25 9 0 2 Fe2O3 0 2 3 8 FeO 0 2 SO3 05 15 Escória Cimento Portland Relação CaOSiO2 4030133 6622300 Analise a composição química do Cimento Portland e da escória de altoforno Qual a diferença Competências Cronograma e aulas Escória de altoforno 44 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP Escória Cimento Portland Relação CaOSiO2 4030133 6622300 Rápida 2C3S 6H C3S2H3 3CH CSH e cal hidratada Lenta 2C2S 4H C3S2H3 CH CSH e cal hidratada A hidratação dos cimentos compostos que utilizam escória de alto forno produz mais CSH e menos porlandita se comparada a hidratação do cimento Portland puro Escória H2O não há reação Escória H2O OH CSH CaOH2 Competências Cronograma e aulas Qual ou quais cimentos contém escória 45 Competências Cronograma e aulas Qual ou quais cimentos contém escória 46 Competências Cronograma e aulas Vantagens e desvantagens da utilização de escória de altoforno 47 Vantagens Ganhos de resistência no longo prazo Pico de temperatura causado pela hidratação do cimento será menor Maior durabilidade Densificação da microsestrutura Mais poros preenchidos por CSH em comparação a uma pasta de cimento puro Desvantagens Não é recomendado para ambientes com temperaturas abaixo de 10C Desenvolvimento de resistência é lento Dissolução e precipitação ocorrem mais lentamente Menor resistência inicial Necessária cura úmida prolongada Processo lento de hidratação pode gerar perda de água por secagem Competências Cronograma e aulas Pozolana 48 Nome derivado da localidade italiana de Pozzuoli nas imediações do Vesúvio onde são encontradas cinzas vulcânicas Material natural ou artificial contendo SiO2 predominante em forma reativa amorfa Material silicoso ou silicoaluminoso que na presença de humidade reage com o CH subproduto da hidratação do cimento formando CSH Competências Cronograma e aulas Tipos de pozolana 49 Pozolanas artificiais Argilas calcinadas Metacaolinita Resíduos industriais Cinza volante termoelétrica Resíduos cerâmicos Metacaulinita Cinza de bagaço de cana Cinza de casca de arroz Cinzas vegetais Cinza de casca de arroz Cinza de bagaço de cana Sílica ativa resíduo produção de Si e ferrosilício Pozolana natural cinzas de vulcões Pumicita Cherts Folhelos opalinos Competências Cronograma e aulas Tipos de pozolana 50 Cinza volante CP IV Sílica ativa aglomerada Adição Área específica m2kg Metacaulinita 10000 25000 Cinza volante 300 700 Sílica ativa 13000 30000 Alta demanda de água Uso de aditivos dispersantes é essencial Competências Cronograma e aulas Reação pozolânica 51 Pozolana CH H CSH Redução do teor de hidróxido ao longo do tempo Mehta e Monteiro 3ed Reação lenta Reação lenta Menor calor de hidratação Menor risco de fissuração Menor permeabilidade Mais CSH MAIOR RESISTÊNCIA Hidratação do cimento Rápida 2C3S 6H C3S2H3 3CH Lenta 2C2S 4H C3S2H3 CH Competências Cronograma e aulas Resistência x teor crítico 52 Adaptado de Notas de aula Prof Antônio FigueiredoUSP 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Resistência à compressão MPa Teor de cinza 91 28 3 dias Metha 1992 Competências Cronograma e aulas Designação normalizada sigla e classe do cimento Portland NBR16697 53 Competências Cronograma e aulas Limites de composição do cimento Portland porcentagem de massa 54