Cimento Portland: Propriedades, Hidratação e Microestrutura - Guia Completo

Propriedades e definições Professora MSc Nicole Nascimento MATÉRIAS PRIMAS ABREVIAÇÕES C3S C2S C3A C4AF 1450C PROPRIEDADES REAÇÃO DE HIDRATAÇÃO Cimento em contato com a água Compostos de cálcio e o Sulfato de Cálcio Solução Fase Líquida Fase Saturada com diversos íons Cálcio Sulfato aluminato e íons hidroxila Cristais aciculares de trissulfoaluminato de cálcio hidratado ETRINGITA Minutos Grandes cristais prismáticos de hidróxido de cálcio Pequenos cristais fibrosos de silicato de cálcio hidratado Preenchimento dos vazios água e partículas de cimento em dissolução Horas Relação AluminaSulfato do cimento Portland Dias A ETRINGITA pode se tornar instável decompondose e formando o monossulfoaluminato de cálcio hidratado Cristais de Placas Hexagonais PROPRIEDADES REAÇÃO DE HIDRATAÇÃO PROPRIEDADES MICROESTRUTURA DO CIMENTO PROPRIEDADES MICROESTRUTURA DO CIMENTO PROPRIEDADES REAÇÃO DE HIDRATAÇÃO PROPRIEDADES ETRINGITA TARDIA A ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland se baseia em guias internacionais como França e Portugal e orientam ações importantes para evitar etringita tardia Limitar temperatura máxima do concreto e da cura Evitar contato da estrutura com água eou umidade Limitar teores de sulfato e C3A no cimento Limitar teor de álcalis no concreto Realizar ensaios de desempenho de traços Controlar o teor de hidróxido de cálcio usar adições A representa agregação de partículas de CSH pouco cristalinas H representa produtos cristalinos hexagonais como CH C representa cavidades capilares ou vazios que existem quando os espaços originalmente ocupados com água não estão completamente preenchidos com os produtos da hidratação do cimento Fig 03 Modelo de pasta de cimento Portland bem hidratada PROPRIEDADES REAÇÃO DE HIDRATAÇÃO PROPRIEDADES MECANISMO DE HIDRATAÇÃO 30s Tempo da mistura Início da Pega água de amassamento Aumento da velocidade da reação Fim da hidratação PROPRIEDADES MECANISMO DE HIDRATAÇÃO PROPRIEDADES MECANISMO DE HIDRATAÇÃO C3S 45 e 60 C2S 15 e 30 C3A 6 e 12 C4AF 6 e 8 PROPRIEDADES dos compostos no cimento O cimento é um material polifásico composto de silicato de cálcio e fases de aluminato de cálcio Taylor 1997 Os dois maiores constituintes do cimento Portland são o 3CaOSiO2 C3S e o 2CaOSiO2 C2S enquanto os produtos primários de hidratação dessas fases são o hidróxido de cálcio também denominado portlandita e os silicatos de cálcio hidratados CSH C3S 3 CaO SiO2 silicato tricálcico ALITA quando impuro É a fase principal do clínquer do cimento Portland É responsável pela resistência mecânica dos cimentos nas primeiras idades possuindo uma velocidade de reação média e médio desenvolvimento de calor de hidratação Possui reação rápida com a água C2S 2 CaO SiO2 silicato dicálcico BELITA quando impuro É responsável pela resistência mecânica dos cimentos nas idades avançadas aumentando significativamente com o decorrer da hidratação possuindo uma velocidade de reação lenta e pequeno desenvolvimento de calor de hidratação PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO QUÍMICA Fases de aluminato apresentam uma alta reatividade em água causando um rápido endurecimento da pasta e baixa resistência mecânica quando relacionado com a precipitação do aluminato de cálcio hidratado C3A 3 CaO Al2O3 aluminato tricálcico Reage instantaneamente com a água elevada liberação de calor de hidratação sendo por isso necessária adição de sulfato gesso na produção do cimento para geração de produtos insolúveis na água C4AF 4 CaO Al2O3 Fe2O3 ferro aluminato tetracálcico Apresenta pega muito rápida PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO QUÍMICA PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO QUÍMICA Calor de hidratação dos componentes Calor Jg por 1 C3A C3S C4AF C2S d d UNICAP ICAM TECH RECIFE BRASIL CaO é o componente essencial do cimento as propriedades mecânicas aumentam com o teor de cal desde que combinadas SiO2 é da sua combinação com a cal que resultam os principais compostos do cimento Al2O3 o composto formado por este óxido com a cal acelera o tempo de pega e reduz a resistência a sulfatos Fe2O3 em pequenas quantidades funciona como fundente PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO QUÍMICA MgO este elemento não se apresenta combinado em grandes quantidades é expansivo SO3 em grandes quantidades é perigoso devido à formação de sulfoaluminatos K2O e Na2O atuam como fundentes e aceleradores de pega TiO2 Mn3O4 e P2O5 encontrados em pequenas quantidades e raramente são determinados separadamente PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO QUÍMICA COMPOSIÇÃO do cimento A composição química do cimento C3S e C2S assim como as adições escórias e pozolanas influenciam no ganho de resistência dos concretos A finura também é um fator a ser considerado Silicato de cálcio hidratado A fase silicato de cálcio hidratado CSH compõe de 50 a 60 do volume de sólidos em uma pasta de cimento completamente hidratada e é portanto a fase mais importante e determinante de suas propriedades TAYLOR 1997 O CSH é o principal responsável pelas propriedades microestruturais resistência mecânica e durabilidade do concreto de cimento Portland e seus compósitos cimentícios como argamassa originado a partir da pasta de cimento Portland comum totalmente hidratada NEVILLE 1997 Os produtos de hidratação das fases de silicato são silicatos de cálcio hidratados conhecido como CSH C para CaO S para SiO2 e H para H2O em nomenclatura de cimento e hidróxido de cálcio CaOH2 COMPOSIÇÃO do cimento Hidróxido de cálcio Cristais de hidróxido de cálcio também chamados portlandita constituem 20 a 25 do volume de sólidos na pasta de cimento hidratada O hidróxido de cálcio é um composto com estequiometria definida CaOH2 Isso tende a causar a formação de grandes cristais com uma morfologia prismática hexagonal distinta A potencial contribuição à resistência do hidróxido de cálcio é limitada devido à área superficial consideravelmente mais baixa quando comparado ao CSH COMPOSIÇÃO do cimento Sulfoaluminatos de cálcio Os sulfoaluminatos de cálcio ocupam de 15 a 20 do volume sólido da pasta de cimento hidratada e possuem portanto apenas um papel secundário nas relações microestruturapropriedade É proveniente da bauxita do gesso e do calcário COMPOSIÇÃO do cimento Grãos de clínquer não hidratados Dependendo da distribuição do tamanho das partículas do cimento anidro e do grau de hidratação alguns grãos de clínquer não hidratados podem ser encontrados na microestrutura de pastas de cimento hidratadas mesmo muito tempo depois da hidratação Por causa do limitado espaço disponível entre as partículas os produtos da hidratação tendem a se cristalizar bem junto às partículas de clínquer em hidratação Cimento CARACTERÍSTICAS DAS ADIÇÕES GESSO A gipsita sulfato de cálcio dihidratado é comumente chamada de gesso É adicionada na moagem final do cimento com a finalidade de regular o tempo de pega permitindo com que o cimento permaneça trabalhável por pelo menos uma hora conforme ABNT Sem a adição de gipsita o cimento tem início de pega em aproximadamente quinze minutos o que tornaria difícil a sua utilização em concretos FÍLER CALCÁRIO A adição de calcário finamente moído é efetuada para diminuir a porcentagem de vazios diminui a permeabilidade melhorar a trabalhabilidade a exsudação a tendência à fissuração o acabamento e pode até elevar a resistência inicial do cimento Tem ação física são geralmente inertes mas podem ter alguma reação Cimento CARACTERÍSTICAS DAS ADIÇÕES POZOLANA A pozolana é a cinza resultante da combustão do carvão mineral utilizado em usinas termoelétricas A adição de pozolana propicia ao cimento maior resistência a meios agressivos como esgotos água do mar solos sulfurosos e a agregados reativos Diminui também o calor de hidratação permeabilidade segregação de agregados e proporciona maior trabalhabilidade e estabilidade de volume ESCÓRIA DE ALTOFORNO A escória de altoforno é subproduto da produção de ferro em altoforno obtida sob forma granulada por resfriamento brusco Benefícios redução da reação álcaliagregado do calor de hidratação e da retração por secagem assim como o aumento da resistência a sulfatos da resistência mecânica à compressão em idades avançadas e do aumento da resistência à tração Massucato 2005 PROPRIEDADES AGLOMERANTES Resistência mecânica Capacidade de resistir a esforços de compressão tração cisalhamento Importante também conhecer o comportamento deste ganho de resistência Durabilidade Capacidade de manter as suas propriedades durante o uso A degradação pode ser oriunda de agentes externos águas ácidas sulfatadas ou internos compostos no próprio aglomerante ou presentes na mistura na qual o mesmo está contido PROPRIEDADES AGLOMERANTES Solubilidade Determina a capacidade de dissolução em íons ânions e cátions efetuada em meio aquoso influenciada pelo tamanho das partículas reatividade temperatura etc Reatividade Facilidade do material de interagir quimicamente tendo influência significativa na cinética das reações Área específica Corresponde à superfície efetiva de contato do sólido com o meio externo sendo relacionada com a finura LITERATURAS Periódicos Cement and concrete research Cement and concrete composites Advances in Cement Research Teses e dissertações Google Scholar