Tecnologia básica de concreto



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COLÉGIO METRÓPOLE


CIMENTOS PORTLAND




Curso: Técnico em Edificações

Disciplina: Material de Construção

Professor: Anderson Resende

Ano: 2009

1 - ESTUDO DO CIMENTO PORTLAND


1.1 - DEFINIÇÃO
O cimento Portland é um aglomerante hidráulico, obtido através da moagem do clinquer, resultante da calcinação até fusão incipiente de materiais calcários e argilosos, com gesso. Permite-se a adição de outros materiais, tipo: escória de alto-forno, pozolana e material carbonático.
Portanto, os componentes básicos do cimento portland são o calcário e a argila que, após analisados e definidas as respectivas proporções, são triturados e aquecidos em fornos cilíndricos rotativos a temperaturas elevadas (em torno de 1500º C) dando origem ao clinquer portland. O clinquer pulverizado em conjunto com o gesso, que regula o tempo de pega, resulta no cimento portland.
O cimento é, sem dúvida, o principal componente do concreto visto que é o único elemento ativo do mesmo, com exceção de alguns tipos de rocha consideradas potencialmente reativas que, por questões óbvias, são indesejáveis no preparo do mesmo.
No Brasil são fabricados vários tipos de cimento portland, tais como: Comum, Composto, Alto Forno, Pozolânico e Alta Resistência Inicial. Estes cimentos podem ser classificados como Resistente a Sulfatos (RS), desde que atendam a determinadas especificações.

1.2 - FABRICAÇÃO

A pedra calcária é extraída de pedreiras próximas a Fábrica e levada, por caminhões-caçamba, para o conjunto de britagem onde será reduzida para dimensões de aproximadamente 32 mm. A argila, que entra em menor proporção, e o calcário são dosados em conjunto e levados para o moinho de bolas, onde são triturados até se obter um pó, conhecido como farinha ou cru.


A farinha é estocada em silos de homogeneização e segue para o alto da torre de ciclones, onde, por gravidade, desce em direção ao forno. Nos ciclones os gases quentes provenientes do forno aquecem de tal modo a farinha que a mesma entra no forno a temperatura de aproximadamente 800ºC.
No forno a farinha é submetida a temperaturas acima de 1500ºC e se transforma em pequenas esferas denominadas “clinquer”. O clinquer sofre um processo brusco de resfriamento para fixação de seus compostos e, também, para permitir a sua estocagem em temperaturas de aproximadamente 80º C.O clinquer deve ser devidamente estocado em silos ou depósitos apropriados para manter as suas propriedades.
O clinquer é moído, em conjunto com o gesso, em moinhos de bola até atingir a finura requerida para o cimento. O gesso é adicionado ao cimento para regular o seu tempo de início de pega, evitando-se, assim, que o mesmo endureça rapidamente.
Durante a moagem do clinquer é permitido outras adições, alem do gesso, tais como: Escória de alto-forno, pozolana ou material carbonático.
O cimento é estocado em silos de concreto, perfeitamente estanques, de onde segue para o ensacamento. Os sacos de cimento são transportados em caminhões para o depósito ou diretamente para o consumidor. Os grandes consumidores preferem receber o cimento a granel - transportado por caminhões graneleiros ou containers.

1.3 - COMPOSIÇÃO POTENCIAL
Os cimentos são constituídos de silicatos e aluminatos de cálcio, tipo:
C3S - Silicato tri-cálcico C3A - Aluminato tri-cálcico

C2S - Silicato dicálcico C4AF - Ferro aluminato tetra-cálcico


O silicato tri-cálcico é o responsável pela resistência inicial dos cimentos e pelo calor de hidratação, reage nos primeiros 7 dias. O silicato dicálcico é o responsável pela resistência do cimento em idades mais longas e reage indefinidamente após os 7 primeiros dias.
Os cimentos de resistência inicial elevada (ARI) apresentam teores de C3S superiores a 50%. Os cimentos de baixa resistência inicial (AF e POZ) apresentam baixos teores de C3S e elevados teores de C2S.
O C3A reage com muita intensidade nos primeiros momentos da hidratação do cimento com participação acentuada na elevação do seu calor de hidratação e nos tempos de pega. Cimentos com altos teores de C3A não são recomendáveis. O ferro aluminato tetra-cálcico confere alta estabilidade química ao composto


1.4 – TIPOS DE CIMENTO
1.4.1. - CIMENTO PORTLAND COMUM - CP I - (NBR-5732/1991)
Definição:
"Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clinquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio.

Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais pozolânicos, escórias granuladas de alto-forno e/ou materiais carbonáticos nos teores especificados a seguir":


Componentes do Cimento Portland Comum (% em massa)

_________________________________________________________________________________


Sigla Classe de Clinquer + sul- Escória granula- Material Material

resistência fato de cálcio da de alto-forno pozolânico carbonático

_________________________________________________________________________________
25

CPI 32 100 0 0 0

40

_________________________________________________________________________________


25

CPI-S 32 99 a 95 1 a 5 1 a 5 1 a 5

40

_________________________________________________________________________________


CPI - Cimento Portland Comum CPI-S - Cimento Portland Comum com Adição
. Nota: Em relação às adições a EB-1 prescreve:
- O material carbonático utilizado como adição deve ter no mínimo 85% de Ca CO3.

- A escória de alto-forno utilizada como adição deve atender aos requisitos da EB208.

- A atividade do material pozolânico, utilizado como adição, deve ser no mínimo de 75%, aos 28 dias de idade

Características
Classificado em 2 tipos (CPI e CPI-S), cada tipo apresenta 3 diferentes classes de resistência (25 - 32 - 40). Cada classe representa a resistência mínima à compressão de corpos de prova de argamassa, traço 1:3 em peso, fator água/cimento igual a 0,48 l/kg e testados com a idade de 28 dias, expressa em MPa.
Em relação as suas características principais podemos citar, de modo simplificado, que o mesmo é basicamente o meio termo entre o cimento de alta resistência inicial e o cimento de alto forno, conforme demonstraremos a seguir:
. Calor de hidratação..................................... AF < COMUM < ARI

. Resistência Inicial........................................ AF < COMUM < ARI

. Início e Fim de Pega.................................... AF > COMUM > ARI

. Resistência aos Meios Agressivos........... AF > COMUM > ARI

. Fissuramento................................................ AF < COMUM < ARI
Geralmente não existe nenhuma restrição ao uso do Cimento Portland Comum em nenhum tipo de estrutura ou locais de aplicação, apesar disso, em determinadas situações outros tipos de cimento são mais recomendáveis.

1.4.2 - CIMENTO PORTLAND COMPOSTO - CPII - (NBR -11578/1991)

Definição
"Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clinquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio.
Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais pozolânicos, escórias granuladas de alto-forno e/ou materiais carbonáticos nos teores especificados a seguir:"

Componentes do Cimento Portland Composto (% em massa)

_________________________________________________________________________________
Sigla Classe de Clinquer+sulfato Escória granulada Material Material

resistência de cálcio de alto-forno pozolânico carbonático

_________________________________________________________________________________
25

CPII-E 32 94 a 56 6 a 34 - 0 a 10

40

_________________________________________________________________________________


25

CPII-Z 32 94 a 76 - 6 a 14 0 a 10

40

_________________________________________________________________________________


25

CPII-F 32 94 a 90 - - 6 a 10

40

_________________________________________________________________________________


CPII-E : Cimento Portland Composto com Escória

CPII-Z : Cimento Portland Composto com Pozolana

CPII-F : Cimento Portland Composto com Filer

. Nota: Em relação às adições a EB-2138 prescreve as mesmas definições da EB-1

(item 1.3.1. desta publicação)




Características
Quando se considera os diversos tipos de cimento CPII, suas várias adições e, principalmente, a amplitude permitida para essas adições fica difícil definir uma característica predominante no comportamento físico-mecânico destes cimentos. A seguir descreveremos as características mais prováveis:

CPII-E:
A possibilidade de adições de escória até o patamar de 34%, juntamente com adições de filer calcário até 10%, pode acarretar sensíveis alterações no comportamento físico-químico do cimento (comparado com o Cimento Portland Comum), em função dos quantitativos estabelecidos por cada fabricante.
Evidentemente cimentos produzidos com teor de escória mais elevado apresentarão menor resistência inicial, mais baixo calor de hidratação, tempos de início de pega mais prolongados, maior durabilidade em presença de meios agressivos.

CPII-Z:
Pelo fato da adição de material pozolânico não ser tão elevada ( 6% a 14% ) e, em função das características desse material, o CPII-Z, em relação ao Portland Comum, não apresenta variações sensíveis a não ser um ligeiro aumento no início de pega, pequena redução na resistência inicial e no calor de hidratação, melhor resistência ao ataque de sulfatos e consequente aumento da durabilidade. Determinadas pozolanas obtidas através da queima de argila podem elevar a resistência inicial do cimento.

CPII-F:
O Cimento Portland Composto com Filer é, sem dúvida, aquele que mais se aproxima do Portland Comum, principalmente do CPI-S, tendo, portanto, características semelhantes.


1.4.3 - CIMENTO PORTLAND DE ALTO FORNO - CPIII - (NBR5735/1991)

Definição
"Aglomerante hidráulico obtido pela mistura homogênea de clinquer Portland e escória granulada de alto-forno, moídos em conjunto ou separado. Durante a moagem é permitida a adição de uma ou mais formas de sulfato de cálcio e materiais carbonáticos nos teores abaixo:"
Componentes do Cimento Portland de Alto-forno (% em massa)

_________________________________________________________________________________


Sigla Classe de Clinquer+sulfato Escória granulada Material

resistência de cálcio de alto-forno carbonático

_________________________________________________________________________________
25

CPIII 32 65 a 25 35 a 70 0 a 5

40

_________________________________________________________________________________



Escória granulada de alto-forno:
A escória é o subproduto da indústria siderúrgica e é obtida em estado líquido nos alto-fornos durante a fabricação do ferro gusa.
No cadinho do alto-forno a escória por ser mais leve que o ferro sobrenada, protegendo-o contra a oxidação e purificando-o do enxofre, impureza contida no mineral de ferro e no combustível.
A escória é retirada do alto-forno e pode receber variados tratamentos durante o seu resfriamento, tipo:


  • Resfriamento lento ao ar




  • Resfriamento rápido em água




  • Resfriamento por vaporização de água:




  • Resfriamento com ar comprimido:

Somente as escórias resfriadas rapidamente em água são utilizáveis para a produção do cimento de alto-forno, além disso, outras condições deverão ser satisfeitas:


. Físico-químicas - a escória deve ser amorfa;

. Química - a escória deve ser alcalina.


A escória tem seu poder hidráulico em estado latente, logo, necessita de um catalisador para despertar essa propriedade. Sabe-se que o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2 ), liberado pela hidratação do C3S e C2S, os álcalis e o NaOH são os catalisadores, pois apresentam o íon oxidrila (OH)- . Sua composição química deve obedecer à relação:
Ca O + Mg O + AL2 O3 > 1

Si O2


Material Carbonático: O material carbonático utilizado como adição deve ter, no mínimo, 85% de Ca CO3.

Características
O cimento de alto-forno tem como características principais um calor de hidratação relativamente baixo, portanto o surgimento de fissuras no concreto é sensivelmente inferior aos concretos executados com cimento ARI e Comum. Em concretos submetidos a meios e agentes agressivos, principalmente água do mar e águas residuais, apresenta uma boa durabilidade.

Em relação a resistência mecânica podemos afirmar que nas idades iniciais (3 e 7 dias) o seu desempenho deixa a desejar, ocorrendo considerável acréscimo na idade de 28 dias, superando ao Portland Comum em idades superiores a 60 dias. O tempo de pega, tanto inicial quanto final, é superior aos cimentos ARI e Comum possibilitando ao Construtor um maior tempo de manuseio da argamassa ou concreto, característica muito importante principalmente em dias quentes. Com referência a probabilidade de reação álcali-agregado no concreto o cimento AF reduz essa possibilidade.


Pode ser empregado em todo tipo de concreto e estrutura, com especial destaque para construções de galerias, canais, fundações e pavimentos rígidos. O seu emprego também deveria ser estimulado ou mesmo exigido quando em concretagens prediais em cidades litorâneas. Outra vantagem do cimento AF é a sua excelente estabilidade de volume em tempo frio ou calor excessivo.
Devido a resistência inicial baixa não é recomendável a sua utilização em peças que necessitem desforma rápida.
Algumas especificações de obras proíbem o seu uso em concretos protendidos com receio de corrosão das bainhas e das cordoalhas ao se fazer a injeção de nata, devido ao enxofre (S) limitado por norma em 2%, que se encontra na escória em forma de sulfeto e pode dar origem a ácidos sulfúricos que atacam as armaduras. Essa proibição é contestada por grande número de técnicos.


1.4.4. CIMENTO PORTLAND POZOLÂNICO - CPIV - (NBR 3/1991)
Definição
"Aglomerante hidráulico obtido pela mistura homogênea de clinquer Portland e materiais pozolânicos, moídos em conjunto ou separado. Durante a moagem é permitido adicionar uma ou mais formas de sulfato de cálcio e materiais carbonáticos no teor especificado a seguir."
Componentes do Cimento Portland Pozolânico (% em massa)

_________________________________________________________________________________


Sigla Classe de Clinquer+sulfato Material Material

resistência de cálcio pozolânico carbonático

_________________________________________________________________________________
25

CPIV 32 85 a 45 15 a 50 0 a 5

_________________________________________________________________________________

Materiais pozolânicos:
Materiais silicosos ou silicoaluminosos que por si só possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante mas que, quando finamente divididos e na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio, à temperatura ambiente, para formar compostos com propriedades cimentícias.

Pozolanas naturais:
Materiais de origem vulcânica, geralmente ácidos, ou de origem sedimentar.

Pozolanas artificiais:
Materiais provenientes de tratamento térmico ou subprodutos industriais com atividade pozolânica.

Argilas calcinadas:
Materiais provenientes da calcinação de determinadas argilas que, quando tratadas a temperaturas entre 500ºC e 900ºC, adquirem a propriedade de reagir com o hidróxido de cálcio.

Cinzas volantes:
Resíduos finamente divididos provenientes da combustão de carvão pulverizado ou granulado.

Outros materiais:
São considerados ainda como pozolanas artificiais outros materiais não tradicionais, tais como: escórias siderúrgicas ácidas, sílica ativa, rejeito sílico-aluminoso de craqueamento de petróleo, cinzas de vegetais e de rejeito de carvão mineral.


Características
Entre as vantagens e desvantagens do cimento pozolânico podemos citar:
Vantagens
. Economia no processo de fabricação;

. Melhora da plasticidade do concreto;

. Menor calor de hidratação;

. Aumento da resistência ao ataque de sulfatos;

. Estabilidade de volume;

. Inibição da reação álcali-agregado.


Desvantagens
. Baixa velocidade de endurecimento em tempo frio. Atenuada com cura a vapor

O cimento pozolânico é especialmente indicado para obras de barragens, em concretos produzidos com agregados potencialmente reativos e estruturas em contato com agentes e meios agressivos.




1.4.5. Cimento Portland de Alta Resistência Inicial - CPV - (NBR 5733/1991)
Definição
"Aglomerante hidráulico que atende as exigências de alta resistência inicial, obtido pela moagem de clinquer Portland, constituído em sua maior parte de silicatos de cálcio hidráulicos, ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio. Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais carbonáticos, no teor especificado a seguir:"
Componentes do Cimento de Alta Resistência Inicial - ARI - (% em massa)

_________________________________________________________________________________


Sigla Clinquer+sulfato de cálcio Material Carbonático

_________________________________________________________________________________


CPV 100 a 95 0 a 5

_________________________________________________________________________________



Características
No cimento ARI o processo de endurecimento ocorre de modo muito mais rápido, sendo que o início de pega é normal, mais ou menos 2 horas.
As inúmeras análises executadas em diversos laboratórios demonstram que, aos 3 dias de idade, o ARI alcança valores superiores a 30,0 MPa, resistência somente adquirida pelos cimentos de classe 32 em idades superiores a 14 dias. Aos 28 dias esses valores atingem e ultrapassam a 50,0 MPa.
A resistência inicial e final elevada pode ser explicada em função das seguintes características do cimento:
. Seleção cuidadosa da matéria prima;

. Não possui adição de escória ou pozolana;

. Queima mais completa do clinquer;

. Elevado grau de finura;

. Alto teor de C3 S.

Nota: Em 1992 foi lançado no mercado um novo tipo de cimento ARI, denominado Cimento de Alta Resistência Inicial Resistente a Sulfatos (ARI-RS). Esse cimento é fabricado com adição de escória, em teores superiores a 20%.



Vantagens
O uso do cimento ARI, embora seu custo seja maior que os demais ( 15% a 20% superior aos cimentos da classe 32 e 8% a 12% mais que os cimentos da classe 40), tem como vantagens principais:
. redução do consumo de cimento em cada m3 de concreto, em função de sua maior resistência à compressão. Essa redução de consumo compensa o seu custo mais elevado;

. eliminação do uso de aditivos aceleradores, geralmente a base de cloretos, que podem acarretar sérios danos a armadura;

. eliminação de cura a vapor, na indústria de pré-moldados, que requer um equipamento gerador de vapor e um controle tecnológico de alto custo.


Locais de aplicação
NA CONSTRUÇÃO CIVIL - em substituição aos demais cimentos permite uma redução acentuada no tempo necessário ao descimbramento. As normas brasileiras recomendam que a retirada do escoramento ocorra após 14 dias, mesmo assim aconselha deixar pontaletes bem encunhados e devidamente espaçados na peça desformada. Quando da utilização do ARI os Construtores executam o descimbramento com 3 dias obtendo, portanto, grande economia devido a rotatividade das formas além de reduzir o tempo de construção da obra;
NA FABRICAÇÃO DE BLOCOS DE CONCRETO - a elevada resistência inicial possibilita liberar os blocos mais rapidamente para o transporte, diminuindo a quebra no manuseio e reduzindo o estoque em cura;
NA FABRICAÇÃO DE ARTEFATOS DE CONCRETO - os artefatos de concreto exigem formas de aço de alto custo, quanto maior a rotatividade das formas menor o custo operacional;
NO CONCRETO PROTENDIDO - possibilita a protenção em prazos mais curtos, liberando as peças protendidas e possibilitando imediata aplicação de cargas.

Desvantagens
. Por ser um cimento com alto teor de C3 S seu calor de hidratação é mais elevado, por isso o uso em concreto massa ou peças de grandes dimensões e volume deve ser evitado;

. Apesar do tempo necessário para manter a estrutura em processo de cura ser inferior ao tempo dos demais cimentos, 2 ou 3 dias, é importantíssimo que a mesma seja iniciada o mais breve possível e efetuada de forma rigorosa com o objetivo de reduzir ao mínimo o surgimento de trincas e fissuras, principalmente em lajes e pisos. Ocorrência bastante provável quando do emprego do cimento ARI.



1.5. Ensaios Físicos de Cimento Portland


1.5.1. Determinação da finura por meio da peneira n.º 200 - (NBR11579/91)

Finalidade:
Um grão de cimento quando em contato com a água se hidrata até uma certa profundidade enquanto o seu núcleo permanece praticamente inerte. Evidentemente quanto mais fino estiver o cimento melhor será a sua hidratação e consequentemente maior será a sua resistência mecânica. Não queremos com isso afirmar que a resistência do cimento depende exclusivamente da finura, e sim que a mesma é muito importante no processo.
Por outro lado cimentos excessivamente finos podem acarretar danos ao concreto devido a elevações no calor de hidratação, em função de reações muito rápidas, com probabilidade de ocorrência de fissuras. Quando do armazenamento por períodos prolongados e sem maiores cuidados os cimentos mais finos absorvem com maior rapidez a umidade do ar e sofrem uma semi-hidratação, com consequente queda na resistência por ocasião de seu emprego.
O ensaio descrito na NBR 11579/91 é bastante simples e consiste no peneiramento de 50 g de cimento, através de uma peneira com abertura de malha quadrada de 0,075 mm (n.º 200).

Aparelhagem:
. Peneira n.º 200 com fundo e tampa.

. Balança com sensibilidade de 0,01 g.

. Pincéis de cerdas de náilon e cerdas naturais.

. Bastão de PVC.

. Flanela.

. Cronômetro.



Amostragem:
A massa da amostra a ser ensaiada será 50 g (M), não apresentar sinais de hidratação e ter sido coletada de modo a representar o cimento analisado.

Ensaio:
O peneiramento é executado do seguinte modo:

. Colocar as 50 g de cimento sobre a tela da peneira, previamente encaixada no fundo e, através de movimentos de vaivém horizontal, peneirar durante 3 a 5 minutos. Durante a operação de peneiramento deve-se evitar perdas de material.


. Tampar a peneira, após o peneiramento, e com o bastão aplicar golpes suaves sobre o caixilho de modo a desprender as partículas aderidas a tela. Limpar a superfície inferior da tela com o pincel de cerdas de náilon.
. O material passante deverá ser eliminado.
. Reiniciar o peneiramento por mais 15 a 20 minutos, girando o conjunto a intervalos regulares:
. Limpar o fundo com auxílio da flanela e a peneira conforme indicação anterior.
. Reiniciar o peneiramento segurando o conjunto com as duas mãos (fundo, peneira e tampa), ligeiramente inclinado, e imprimir-lhe movimentos rápidos de vaivém durante 60 segundos, girando o conjunto em mais ou menos 60º a cada 10 segundos.
. Repetir o último peneiramento sempre que o resíduo que passou pela peneira for superior a 0,05 gramas;
. Pesar o material retido (R) com precisão de 0,01 grama.

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