Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2015 – Apontamentos das aulas teóricas – “Cimentos”
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Materiais de Construção II
Módulo – Cimentos – Adjuvantes
Apontamentos das Aulas Teóricas
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
2014/2015
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CIMENTOS
ADIÇÕES PARA CIMENTO PORTLAND
- Adição: material inorgânico que se adiciona ao cimento Portland com o objectivo de melhorar as suas características e justificado ainda por razões ambientais e económicas.
- Adições: - quase inertes;
- pozolânicas;
- com propriedades hidráulicas latentes.
- Tipos de Adições (NP EN197-1):
- Adições quase inertes (Tipo I);
- Adições pozolânicas ou hidráulicas latentes (Tipo II).
- Calcário (L) - Tipo I
- Cinzas Volantes (V) - Tipo II
- Escória de Alto Forno (S) - Tipo II
- Sílica de Fumo (D) - Tipo II
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TIPOS DE CIMENTO
- Cimentos Correntes
- Cem I – Cimento Portland
- CEM II – Cimento Portland composto
- Cem III – Cimento de alto forno
- CEM IV – Cimento pozolânico
- CEM V – Cimento composto
Outros Cimentos
- Cimento Branco
- Cimento de aluminato de cálcio
- Cal Hidráulica
CINZAS VOLANTES - (FLY ASH) - Resíduo das centrais térmicas a carvão recolhido em filtros electrostáticos e de saco (ou de mangas).
- São formadas por um pó muito fino.
- Perda ao fogo inferior a 5%.
- A cinza volante pode ser de natureza:
- Siliciosa (V) – Propriedades pozolânicas;
- Calcária (W) – Propriedades Pozolânicas e Hidráulicas.
- Cinza volante siliciosa constituída por (correntemente usada em Portugal):
- sílica reactiva (SiO2) e alumina (Al2O3).
- Cinza volante calcária constituída por (em geral não utilizada em Portugal):
- óxido de cálcio (CaO), sílica reactiva (SiO2) e alumina (Al2O3);
- têm propriedades hidráulicas latentes;
- Teor mínimo de (CaO) de 10%;
- As cinzas com 15% de CaO devem ter resistência à compressão aos 28 dias de idade ≥ 10 MPa.
- Efeitos das cinzas volantes num cimento:
< calor de hidratação;
< concentração de Ca(OH)2;
< reacções expansivas;
< resistência inicial;
< tensão de rotura;
> tempo de presa;
> tempo de endurecimento;
> resistência aos agentes agressivos;
< quantidade de água de amassadura – funciona como plastificante (devido à forma esférica das suas partículas);
< concentração de Ca(OH)2 – Pode reduzir o potencial de proteção das armaduras;
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< permeabilidade do betão – compensa parcialmente a redução do Ca(OH)2;
> resistência aos sulfatos e reações álcalis-sílica se % cinzas > 30%;
> resistência do betão à penetração de cloretos;
< reações expansivas (não é relevante);
- Produz um betão um pouco mais escuro que o de cimento Portland;
- Adequada para utilização em betão em massa.
ESCÓRIAS DE ALTO FORNO - (GROUND GRANULATED BLAST-FURNACE SLAG – SLAG - GGBS)
- Resíduo da produção do aço em alto forno;
- Material vítreo em grânulos que são secos e moídos;
- Resulta do arrefecimento rápido com água da escória fundida que deve ter 2/3 em fase vítrea;
- Composição semelhante à do clinquer:
- Deve ter 2/3 de [ óxido de cálcio (CaO) + óxido de magnésio (MgO) + sílica (SiO2) ];
- O restante contém alumina (Al2O3) e outros minerais;
- (CaO + MgO) / SiO2 ≥ 1,0.
- Tem propriedades hidráulicas – faz presa com a água.
- Tem propriedades hidráulicas latentes – faz presa com a água, embora de forma muito lenta. A velocidade aumenta em ambiente de pH > 12;
- Num ambiente alcalino (conferido pelo Ca(OH)2) a reação é mais rápida.
- A utilização de escória num betão causa:
- menor calor de hidratação;
- maior tempo de presa e de endurecimento;
- maior plasticidade do betão fresco;
- Redução da resistência final (mais significativa com teores > 30%);
- redução da permeabilidade do betão;
- maior resistência ao ataque de sulfatos e de ácidos fracos;
- maior resistência à penetração de cloretos;
- reduz o risco de ocorrência de reação álcalis-sílica.
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FILER CALCÁRIO
- Filer Calcário ou “pó de pedra” calcária;
- Filer – material que passa no peneiro de 0,063 mm de abertura;
- O cálcário deve ter um teor de carbonato de cálcio (CaCO3) ≥ 75%;
- Teor de argila ≤ 1,2 % - A argila tem um efeito prejudicial nos materiais cimentícios devido à significativa variação de volume que regista quando varia o seu teor de água;
- Efeito de filer – preenchimento de espaços pequenos;
- Efeito mecânico de facilitar a cristalização do cimento hidratado;
- O filer tem uma acção fundamentalmente física – a acção química não é relevante;
- Um betão corrente tem necessidade de 350 kg/m3 de material < 0,0063 mm. Se tiver 250 kg/m3 de cimento resultam vazios à redução da compacidade do material. O Filer preenche os vazios - aumenta a compacidade à redução da permeabilidade e aumento da resistência;
- Efeitos do Filer no Betão
- Aumenta a trabalhabilidade;
- Redução da exsudação;
- Aumento da capacidade de retenção de água;
- Menor permeabilidade.
- Exigência Normativa: teor de CaCo3 > 75%
- A NP EN 197 – considera dois tipos de filer:
L – Teor de Carbono orgânico < 0,50 %;
LL – Teor de Carbono orgânico < 0,20 %.
XISTO COZIDO (BURNT SHALE)
- Xisto Cozido – xisto obtido por processamento térmico em forno – 800º;
- Funciona sobretudo como filer – muito fraco poder ligante;
- O xisto não cozido contém argila que causa expansão no betão.
SÍLICA DE FUMO (MICROSÍLICA)
- Resíduo de fornos eléctricos de produção de ligas de ferro-silício;
- Resulta da redução de quartzo puro com carvão;
- Constituída por partículas esféricas muito finas (≈1/10 a 1/100 da dimensão das partículas de cimento);
Dmax ≈ 0,3 µ - Dmed ≈ 0,1 µ – Dmin ≈ 0,01 µ - Superfície específica 20 000 m2 / kg
Dmed ≈ 1 / 100 do cimento
Superfície específica ≈ 10 a 20 vezes superior à dos restantes materiais pozolânicos
- Teor de sílica amorfa (SiO2) ≥ 85%;
- Adição pozolânica muito reactiva (reacção com o Ca(OH)2)
- A menor dimensão das partículas aumenta a compacidade à ì Resistência e î permeabilidade do betão
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- A elevada eficácia da sílica resulta do preenchimento dos vazios na zona da interface pasta/agregado (reduz o efeito de parede). A adição de sílica de fumo numa pasta de cimento não causa aumento de resistência o que evidencia o facto da sílica actuar na interface pasta-agregado.
- Efeitos da sílica de fumo num betão:
- reduz a exsudação e a segregação (> coesão);
- maior necessidade de água devido à maior superfície específica. A utilização de plastificantes anula este acréscimo;
- aumenta a velocidade de hidratação;
- confere maior resistência inicial ao betão;
- reage com o hidróxido de cálcio aumentando a resistência;
- elevada redução da permeabilidade do betão ⇒ incremento da durabilidade
- produz betões de maior resistência química;
- Dosagem de 5 a 10 % do peso de cimento. A EN206-1 especifica um teor mínimo de sílica de 6% em relação à massa total de ligante;
- Quantidades superiores a 10% não se conseguem arrumar na interface pasta-agregado;
- Quantidades inferiores a 5% não são suficientes para preencher a totalidade dos vazios;
- Um excesso de sílica apenas funciona como filer;
- Não tem efeito numa pasta de cimento por não haver interface pasta-agregado;
- Adição de custo elevado (5 a 10 x o preço do cimento.) ⇒ em geral 6% do peso total do ligante de cimento
- Adição fundamental para a obtenção de betões de elevado desempenho: resistência e durabilidade
POZOLANAS
- Os materiais pozolânicos não endurecem com a água;
- No entanto, reagem com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) formando silicatos e aluminatos de cálcio desenvolvendo resistência;
- Constituídas por sílica reactiva (SiO2) e alumina (Al2O3);
- Quanto mais amorfas (mais vítreas, menos cristalinas) maior é a sua reactividade;
- Os efeitos das pozolanas no betão são semelhantes aos da cinza volante;
- Pozolanas naturais: origem vulcânica – magmas arrefecidos rapidamente;
- Pozolanas artificiais: materiais de origem vulcânica, argilas ou xistos que são activados termicamente por tratamento térmico
- Outros materiais pozolânicos – cinza de casca de arroz e metacaulinos (obtidos por activação térmica de caulinos)
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EFEITO DAS ADIÇÕES PARA CIMENTO
- Tipos de Adições: Cinzas volantes, escória de alto forno, sílica de fumo e filer calcário
- Aumento da compacidade pelo facto de possuírem partículas de menor dimensão do que as de cimento
- O seu efeito depende significativamente da:
- Finura – (efeito de filer)
- Reacticvidade – depende da composição química e também da finura
- As adições que são resíduos industriais fazem com que a sua utilização em betão seja sob o ponto de vista ambiental interessante porque:
- reduzem a “pegada” de CO2 do betão;
- o resíduo é consumido não ficando depositado na natureza;
- à excepção da sílica de fumo, o custo final do betão é menor uma vez que o preço das adições é inferior ao do cimento.
TIPOS DE CIMENTO
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CLASSES DE RESISTÊNCIA DO CIMENTO
fk – Valor característico da Resistência à compressão aos 28 dias de idade;
N – Cimento de endurecimento Normal;
R – Cimento de endurecimento Rápido.
RESISTÊNCIA DO CIMENTO À COMPRESSÃO
- Avaliada aos 28 dias de idade numa argamassa normalizada
- Procedimento estabelecido na NP EN 196-1
- Argamassa com traço ponderal (em peso) da argamassa 1:3 (cimento:areia) com a/c =0,5 ⇒
450 gr cimento : 1350 gr de areia normalizada e 225 gr água
qde de água = 0.5 x peso de cimento = 225 gr
- Provetes de 40 x 40 x 160 mm3
TIPO DE CIMENTO E TEMPERATURA AMBIENTE
Temperatura Elevada - < tempo de presa;
- endurecimento mais rápido;
- > calor de hidratação ( ⇒ + fendilhação).
Temperatura Baixa - > tempo de presa;
- endurecimento mais lento;
- < calor de hidratação.
No Inverno - preferível 52,5R, 52,5 ou 42,5R
No Verão - preferível 42,5, 32,5 ou 42,5R
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APLICAÇÕES MAIS ADEQUADAS (RECOMENDADAS) PARA CADA TIPO DE CIMENTO
CEM I 42,5 OU 42,5R E CEM II/A-L 42,5 42,5R
- Em geral CEM II/A-L 42,5R - Aplicações correntes:
- Betão armado betonado in-situ ou pré-fabricado;
- Betão Pré-esforçado.
- Aplicações que requerem cuidados e prescrições especiais:
- Obras em meios agressivos – águas sulfatadas ou industriais, mar, betão em massa;
- Descofragem rápida – CEM II/A-L 42,5.
- Características:
- Tempo de presa superior a 1h;
- Retracção inferior a 0,1%;
- fcm ≈ 55,0 MPa.
- Cuidados na cura, em especial em elementos de baixa espessura.
CEM I 52,5 OU 52,5R
- Normalmente CEM I 52,5R
- Aplicações correntes:
- Betão armado betonado in-situ ou pré-fabricado com necessidade de descofragem rápida;
- Betão Pré-esforçado com necessidade de aplicação rápida de pré-esforço;
- Betonagens a baixas temperaturas;
- Betão de elevada resistência ou desempenho;
- Aplicações que requerem cuidados e prescrições especiais:
- Obras em meios agressivos – águas sulfatadas ou industriais, mar, betão em massa;
- Betonagem com temperaturas elevadas.
- Características:
- Tempo de presa superior a 1h;
- fcm ≈ 65,0 MPa.
- Cuidados na cura, em especial em elementos de baixa espessura.
CEM II/A OU CEM II/B 32,5 OU 32,5R
- Em geral CEM II/B-L 32,5 N
- Aplicações correntes:
- Cimento mais utilizado em obras correntes;
- Elementos de Betão Armado – Pilares, vigas e lajes;
- Fundações e outros elementos enterrados em meios não agressivos;
- Massames, alvenarias, rebocos, estabilização de solos.
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- Aplicações que requerem cuidados e prescrições especiais:
- Obras em meios agressivos – águas sulfatadas ou industriais, mar.
- Características:
- Tempo de presa superior a 1h30m;
- fcm ≈ 45,0 MPa;
- Retracção inferior a: 32,5 – 0,08%; 32,5 – 0,10%.
CEM IV/A 32,5 (COM CINZAS VOLANTES)
- Aplicações correntes:
- Fundações e outros elementos enterrados em meios não agressivos: águas sulfatada, águas puras, águas ácidas, águas industriais, esgotos;
- Obras marítimas; Betão em massa;
- Obras com baixo calor de hidratação;
- Estabilização de solos.
- Aplicações que requerem cuidados e prescrições especiais:
- Elementos elevados – requerem cura cuidada;
- Betonagens a temperaturas baixas.
- Características:
- fcm ≈ 45,0 MPa.
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DOSAGEM DE CIMENTO
Valor médio da resistência de um betão: fcm = fck + 5,0 MPa.
Estimativa da resistência do betão (fc) - (Fórmula de Bolomey):
fc = 0,55 fmc (C / (A+V) – 0,5)
fmc – Resistência do cimento C – dosagem de cimento (kg/m3)
A – Dosagem de água (kg/m3) V – Volume de vazios – V = 0,1 A (l/m3)
RESISTÊNCIA AOS 2 DIAS DE IDADE
52,5R 52,5 42,5R 42,5 32,5R 32,5
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA RESISTÊNCIA AOS 2 DIAS
fc,2 20º = k fc,2 θ
TIPO DE CIMENTO E TEMPERATURA AMBIENTE
- Temperatura Elevada - < tempo de presa;
- endurecimento mais rápido;
- > calor de hidratação ( ⇒ + fendilhação).
- Temperatura Baixa - > tempo de presa;
- endurecimento mais lento;
- < calor de hidratação.
- No Inverno - preferível 52,5R, 52,5 ou 42,5R
- No Verão - preferível 42,5, 32,5 ou 42,5R
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BETÃO ARQUITECTÓNICO
- Dosagem de cimento mínima de 350 kg/m3.
BETÃO “POBRE”
- Dosagem de cimento ≈ 100 a 200 kg/m3.
BETÃO DE REGULARIZAÇÃO
- Dosagem de cimento ≈ 200kg/m3.
CIMENTO BRANCO
- Semelhante ao comento Portland corrente;
- Diferenças nas matérias primas e no processo de fabrico;
- Matéria prima: - calcários brancos;
- sílica e alumina sem óxidos metálicos capazes de colorir o cimento, em particular:
o óxido de ferro, magnésio ou de crómio.
- Maior cuidado na produção ⇒ cuidado na selecção das matérias primas;
- A ausência de óxido de ferro no cru ⇒ aumento da temperatura de fusão do cru ⇒ > temperatura no forno
- São adicionados outros fundentes;
- Combustíveis: “fuel” ou gás – o carvão contamina a cor;
- As características físicas e químicas do cimento branco são semelhantes às do cimento Portland corrente;
- O cimento branco permite a produção de argamassa e de betões brancos e coloridos através da adição de pigmentos;
- Aplicações do cimento branco;
- Pré-fabricação de elementos de fachadas, peças ornamentais, ...
- Betão branco e colorido através da adição de pigmentos.
CIMENTO ALUMINOSO FUNDIDO (OU DE ALUMINATO DE CÁLCIO)
- Cimento com características diferentes do cimento Portland:
- matérias primas;
- processo de fabrico;
- elevadas resistência inicial;
- Patente de fabrico – 1908 – Jules Bied – França.
- Matéria prima: bauxite e calcário – Tfusão = 1600º.
- Composição: Cal (CaO) e alumina (Al2O3) – 75 a 80% que originam Aluminato de cálcio responsável pelo comportamento hidráulico.
- Tempo de presa semelhante ao do cimento Portland – 1h.
- Resistência à compressão mínima:
- 6 horas: 20 MPa;
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2015 – Apontamentos das aulas teóricas – “Cimentos”
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- 24 horas: 40 MPa.
- A resistência química aos agentes agressivos do cimento de aluminato de cálcio é muito superior à do cimento Portland, em particular aos sulfatos e aos ácidos.
- Boa durabilidade face à água do mar.
- Elevadas características refractárias – suportam temperaturas até 1600ºC.
- Não se podem incorporar cloretos na água de amassadura e nos adjuvantes (prejudicam a presa e o endurecimento).
- Exige cura cuidada e intensa em 24 horas.
- Perda de resistência ao longo do tempo, em especial em ambientes quentes e húmidos.
- Pode ser aplicado a baixas temperaturas.
- Interessante em obras em que é necessário colocá-las em funcionamento num curto intervalo de tempo
- Utilizado em betões refractários.
- Principais utilizações:
- pavimentos industriais;
- fixação de canalizações;
- condutas de esgotos.
- São incluídos nos seguintes produtos:
- produtos autonivelantes de endurecimento rápido;
- argamassa de selagem (grouts);
- cimentos cola.
- Custo superior ao cimento Portland.
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2009 – Apontamentos das aulas teóricas – “Adjuvantes”
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ADJUVANTES
- Permitem alterar as características do betão:
- Facilitar a colocação em obra;
- Adaptar o betão ao tempo frio ou quente;
- Reduzir os custos de colocação em obra;
- Melhorar as características do betão endurecido.
- A palavra adjuvante significa que ajuda.
- A maioria é objecto de segredo industrial, não se conhecendo assim as suas propriedades e composição química. Em geral apenas são divulgados os efeitos sobre os betões.
- É difícil estabelecer regras gerais para a utilização de adjuvantes.
- EN 934-2 – Adjuvantes para betões, argamassas e caldas de injecção.
PLASTIFICANTES OU REDUTORES DE ÁGUA
- Com a mesma consistência permitem uma redução de água e com a mesma quantidade de água conferem maior abaixamento (no cone de Abrams).
- Redução de água ≥ 5%;
- Resistência à compressão aos 7 ou 28 dias ≥ 110%.
SUPER PLASTIFICANTES OU ALTOS REDUTORES DE ÁGUA
- Com a mesma consistência permitem uma redução de água e com a mesma quantidade de água conferem maior abaixamento (no cone de Abrams).
- Mantendo a mesma consistência:
- Redução de água ≥ 12%;
- Resistência à compressão com 1 dia ≥ 140%;
- Resistência à compressão com 28 dias ≥ 115%.
- Mantendo a mesma quantidade de água:
- Aumento de Abaixamento ≥ 30mm.
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2009 – Apontamentos das aulas teóricas – “Adjuvantes”
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RETENTORES DE ÁGUA (REDUÇÃO DA EXSUDAÇÃO)
- Exsudação = quantidade de água que vem à superfície num provete com ∅ = 0.25m e h=0.28m.
- Redução da água exsudada ≤ 50%.
INTRODUTORES DE AR
- Em geral o betão tem 1 a 2% de ar.
- Um introdutor de ar retém pequenas bolhas de ar bem distribuídas que aumentam a resistência ao gelo/degelo.
- Acréscimo da quantidade de ar introduzida ≥ 2.5%;
- Distância entre bolhas de ar ≤ 0.2mm.
ACELERADOR DE PRESA
- Tempo de presa a 20ºC ≥ 30min;
- É imposto um tempo mínimo de 30 min para garantia de trabalhabilidade;
- Redução do tempo de presa a 5ºC T (c/ acelerador) ≤ 60% (T s/ acelerador).
- A maioria dos aceleradores de presa é baseada em cloretos.
- O betão produzido deve respeitar o máximo teor de cloretos permitido.
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2009 – Apontamentos das aulas teóricas – “Adjuvantes”
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ACELERADOR DE ENDURECIMENTO
- Resistência à compressão às 24h a 20ºC ≥ 120%;
- Resistência à compressão às 48h a 5ºC ≥ 130%;
- Permitem uma redução dos tempos de descofragem, descimbramento, aplicação de pré-esforço, pré-fabricação.
RETARDADOR DE PRESA
- Acréscimo do tempo de início de presa a 20ºC ≥ 90min;
- Acréscimo do tempo de fim de presa a 20ºC ≤ 360min;
- É imposto um acréscimo máximo para garantir endurecimentos com velocidades mínimas.
HIDRÓFUGO
- Reduz a absorção capilar do betão endurecido.
- Absorção capilar durante 7 dias, após 7 dias ≤ 50%;
- Absorção capilar durante 28 dias, após 90 dias ≤ 60%.
EFEITOS NÃO DESEJADOS DOS ADJUVANTES
- Os adjuvantes podem ter efeitos não desejáveis como:
- Redução da resistência à compressão;
- Introdução de ar em quantidades exageradas;
- Redução da Durabilidade (Introdução de cloretos);
- Despassivação das armaduras.
DOSAGEM DE ADJUVANTES
- Dosagem referida em % da quantidade de cimento (em peso).
- Ex: betão com 350 kg/m3 cimento: 1% de adjuvante à 3.5 kg/m3 à 3.5/1.21= 2.9 l/m3 γadj= 1.21 kg / l.
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