Tipos e Propriedades do Cimento Portland - Prof. Sacur, Resumos de Construção

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INSTITUTO SUPERIOR UNIVERSITÁRIO DE TETE

ISUTE

Cimento-Dosagem Amílcar Andrade Zacarias Mucuata Carmona dos Santos Castigo Chicuni Obedias Sidumo Tete, Agosto de 2024

Cimento-Dosagem Amílcar Andrade Zacarias Mucuata Carmona dos Santos Castigo Chicuni Obedias Sidumo Trabalho de Pesquisa Ciêntifica, para ser apresentado na no Instituto superior Universitario Tete como requisito parcial de avaliação na Cadeira de Tecnologia de Betão, curso engenharia civil Docente: Eng°. José Ismael Sacur. Tete, Agosto de 2024

• 1. Introdução......................................................................................................................................................
  • 1.1. Conceitos Gerais.
    • Definição da Pesquisa.............................................................................................................................................
  • 1.2. Justificativa
  • 1.3. Objectivos
    • 1.3.1. Objectivo Geral.......................................................................................................................................
    • 1.3.2. Objectivos específicos
  • 1.4. Resultados esperados
• 2. Revisão de Literatura..................................................................................................................................................
  • 2.1. Conceito...............................................................................................................................................................
  • 2.2. Tipos de cimento
  • 2.2.1. Cimento portland
  • 2.2.2. Cimento portland comum (CPI)
  • 2.2.3. Cimento portland com adição (CP I - S)
  • 2.2.4. Cimento portland composto com escória granulada de alto forno (CP II - E)
  • 2.2.5. Cimento portland composto com adição de material pozolânico (CP II - Z)
  • 2.2.6. Cimento portland composto com adição de material carbonático fíler (CP II - F)...........................................
  • 2.2.7. Cimento portland de alto-forno com escória (CP III)
  • 2.2.8. Cimento portland com pozolânico (CP IV)
  • 2.2.9. Cimento portland alto forno resistência inicial (CP V - ARI)
  • 2.2.10. Cimento portland de baixo calor de hidratação (CP - BC)
  • 2.2.11. Cimento portland branco (CP - B)
  • 2.2.12. Cimento portland resistente a sulfatos (CP - RS)
  • 2.3. Classificação do cimento
  • 2.4. Propriedades do cimento
  • 2.5. Processos de produção do cimento
  • 2.5.1. Matérias-Primas Utilizadas no Processo
  • 2.5.1.1. Calcário........................................................................................................................................................
  • 2.5.1.2. Argila
  • 2.5.1.3. Minério de Ferro e Areia
  • 2.5.1.4. Gesso
  • 2.5.1.5. Escória de Alto Forno
  • 2.6. Natureza e dosagem mínima do ligante
  • 2.6.1. Dosagem do concreto
  • 2.7. Cinzas
  • 2.7.1. Cinzas do bagaço da cana-de-açúcar
  • 2.7.2. Cinza volante e cal hidratada
  • 2.7.3. Cinza volante e hidróxido de cálcio p.a.
    • 2.8. Classe do Betão
    • 2.8.1. Tipos e classes de betões
    • 2.8.2. Tensão de rotura à compressão
• 3. Conclusão....................................................................................................................................................
• 4. Referências Bibliograficas...........................................................................................................................

1. Introdução O presente trabalho de pesquisa, Intitulado Cimento ( Dosagem ) visto que em busca pela segurança e durabilidade para as edificações conduziu o homem à experimentação de diversos materiais aglomerantes. Segundo Lima 2011, Os romanos chamavam esses materiais de "caementum", termo que originou a palavra cimento. O engenheiro John Smeaton, por volta de 1756, procurava um aglomerante que endurecesse mesmo em presença de água, de modo a facilitar o trabalho de reconstrução do farol de Edystone, na Inglaterra. Em suas tentativas, verificou que uma mistura calcinada de calcário e argila tornava-se, depois de seca, tão resistente quanto as pedras utilizadas nas construções (Lima, 2011). Coube, entretanto, a um pedreiro, Joseph Aspdin, em 1824, patentear a descoberta, batizandoa de cimento Portland, numa referência à Portlandstone, tipo de pedra arenosa muito usada em construções na região de Portland, Inglaterra. No pedido de patente constava que o calcário era moído com argila, em meio úmido, até se transformar-se em pó impalpável. A água era evaporada pela exposição ao sol ou por irradiação de calor através de cano com vapor. Os blocos da mistura seca eram calcinados em fornos e depois moídos bem finos. Poucos anos antes, na França, o engenheiro e pesquisador Louis Vicat publicou o resultado de suas experiências contendo a teoria básica para produção e emprego de um novo tipo de aglomerante: o cimento artificial. Aquele produto, no entanto, exceto pelos princípios básicos, estava longe do cimento Portland que atualmente se conhece, resultante de pesquisas que determinam as proporções adequadas da mistura, o teor de seus componentes, o tratamento térmico requerido e a natureza química dos materiais. O cimento Portland desencadeou uma verdadeira revolução na construção, pelo conjunto inédito de suas propriedades de moldabilidade, hidraulicidade (endurecer tanto na presença do ar como da água), elevadas resistências aos esforços e por ser obtido a partir de matérias-primas relativamente abundantes e disponíveis na natureza (Lima, 2011).

2. Revisão de Literatura 2.1. Conceito Segundo a normalização europeia (EN 197 - 1): Cimento é um ligante hidráulico, isto é, um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água forma uma pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água. 2.2. Tipos de cimento Existem aproximadamente 11 tipos de cimento disponíveis no mercado (NBR 16697, 2018), cada um deles carrega sua especificidade a depender da adição mineral ou artificial que existe em sua composição, são eles: 2.2.1. Cimento portland O cimento Portland exerce o papel de ligante na composição do concreto. É resultado da mistura e moagem de compostos minerais inorgânicos calcinados que ao reagirem com a água tendem a formar uma pasta, que se torna sólida com o passar do tempo, capaz de unir-se em torno dos agregados do concreto (PEDROSO, 2009). Na normativa brasileira ABNT NBR 12655 (2015) o cimento no item 3.1.22 é definido como sendo: Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer Portland, ao qual se adiciona, durante essa operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio. Durante a moagem é permitido adicionar a essa mistura materiais pozolânicos, escórias granuladas de alto-forno e/ou materiais carbonáticos, nos teores indicados nas normas específicas. (NBR 12655, 2015). Quando em contato com a água o cimento reage, quimicamente, resultando numa liberação exotérmica de calor, sendo associado a essa liberação de calor o termo calor de hidratação. A reação pode ser denominada hidrólise, e tende a variar com o tipo de cimento aplicado e o volume (NEVILLE, 2015).

2.2.2. Cimento portland comum (CPI) A NBR 16697 (2018) diz que o cimento Portland comum se trata de: Aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer 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. Esse é o cimento mais usual, é ideal para construções onde não se possui perigo de exteriorizar sulfatos no solo ou em correntes subterrâneas, além de não conter adição de gesso (GALHARDO, 2014). 2.2.3. Cimento portland com adição (CP I - S) Esse é um tipo de cimento Portland comum onde a sua massa é composta por 5% de material pozolânico, é ideal para construções de concreto onde há pouca decorrência de exteriorização de sulfatos no solo e em águas subterrâneas. O cimento Portland com adição (CP I - S) é usado também caso não sejam necessárias propriedades especiais no cimento (NEVILLE, 2016). 2.2.4. Cimento portland composto com escória granulada de alto forno (CP II - E) O cimento Portland CP II é composto por conta de conter a adição de um outro material além da sua composição básica (clínquer e gesso). É comumente usado em construções onde as estruturas precisam transmitir calor lentamente, pois o calor gerado pelo CP II é transmitido em uma velocidade menor do que pelo CP I. O CP II - E, em especial, abrange em sua massa a adição de 6 a 34% de escória, podendo também obter até 10% de fíler (GALHARDO, 2014). A NBR 16697 (2018) diz que a escória granulada de alto forno se trata de “um subproduto da produção do gusa, resultante do tratamento de minério de ferro em alto-forno, obtido sob forma granulada por resfriamento brusco, na forma vítrea, constituído em sua maior parte de silicatos e aluminosilicatos de cálcio.”

2.2.8. Cimento portland com pozolânico (CP IV) O cimento Portland pozolânico abrange em sua massa um alto índice entre 15 e 50% de pozolana, o que favorece quando usado com agregados reativos. Os materiais pozolânicos e o clínquer são usados juntos. O CP IV é considerado o mais resistente entre os demais cimentos Portland, por conta de dispor de um nível de porosidade bem baixo e dessa forma é ideal para ser usado em construções de estrutura de alta complexidade (GALHARDO, 2014). A NBR 16697 (2018) diz que cimento Portland pozolânico se trata de “cimento Portland obtido pela mistura homogênea de clínquer Portland e materiais pozolânicos, moídos em conjunto ou separadamente, podendo conter uma ou mais formas de sulfato de cálcio e materiais carbonáticos, nos teores estabelecidos nesta Norma.” 2.2.9. Cimento portland alto forno resistência inicial (CP V - ARI ) O cimento Portland de alta resistência inicial, CP V - ARI, não abrange adições em sua massa, mas pode obter até 5% de fíler. O CP V - ARI diferentemente dos demais tipos de cimento Portland alcança uma alta resistência logo após a sua aplicação e obtendo resistência até 28 dias que permite maior aproveitamento do concreto. É ideal para construções de estruturas que necessitam de desforma rápida (GALHARDO, 2014). A NBR 16697 (2018) diz que cimento Portland de alta resistência inicial se trata de “cimento Portland que atende aos requisitos de alta resistência inicial.” 2.2.10. Cimento portland de baixo calor de hidratação (CP - BC) O cimento Portland de baixo calor de hidratação, CP - BC surgiu nos Estados Unidos para combater o problema de superaquecimento gerado pelos concretos fabricados com os cimentos convencionais em obras de barragem verticais. O calor proveniente da cura do concreto, além de gerar fissuras e trincas nos elementos, impedia o trabalho dos colaboradores (SOBRAL, 2000). No Brasil, a fabricação deste cimento é regulamentada, também, pela NBR 16697 (2018) que preconiza os critérios para o CP - BC como a capacidade de manter durante 41 horas temperaturas inferiores a 270 J.g-^1.

2.2.11. Cimento portland branco (CP - B) O cimento Portland branco difere dos demais tipos de cimento devido a sua coloração, que é resultado da matéria-prima e da sua fabricação. O cimento Portland branco é dividido em dois tipos: o estrutural e o não estrutural, onde o não estrutural é utilizado para fins arquitetônicos não estruturais e para rejuntamento de cerâmicas (GALHARDO, 2014). A NBR 16697 (2018) diz que cimento Portland branco se trata de “cimento Portland constituído de clínquer Portland branco e cujas adições (sulfato de cálcio ou outras) não geram alterações em sua coloração além dos limites estabelecidos nesta Norma.” A NBR 16697 (2018) diz que cimento Portland de baixo calor de hidratação se trata de “cimento Portland que atende à condição de baixa liberação de calor durante a sua hidratação, de acordo com os limites estabelecidos nesta norma.” 2.2.12. Cimento portland resistente a sulfatos (CP - RS) O cimento Portland resistente a sulfatos tem a função de proporcionar resistência aos ambientes agressivos sulfatados. É ideal para ser usado em construções de obras de recuperação estrutural, concretos, dentre outras (GALHARDO, 2014). A NBR 16697 (2018) diz que sulfato de cálcio se trata de “material de origem natural ou industrial encontrado sob as formas de gipsita (CaSO4.2H2O), hemidrato ou bassanita (CaSO4.½H2O), anidrita (CaSO4) ou mistura das várias formas, adicionado ao cimento com o objetivo de regular a pega.”

2.4. Propriedades do cimento Tabela 1 : Propriedades do cimento Fonte: GALHARDO, 2014 Propriedades dos compostos cimento Portland Compostos Fórmula Abreviação % no clinquer Propriedades tecnologicas Silicato Tricalito (Alita) 3CaO. SiO 2 C 3 S 50 - 65  Inicia as reações em poucas horas;  Endurecimento rapido;  Pega lenta;  Alto calor de hidratação;  Alta resistência inicial; Libera muito cal Silicato Bilcalito (Belita) 2CaO. SiO 2 C 2 S 15 - 25  Inicia a reação lentamente, após, dias;  Endurecimento lento;  Pega lenta;  Baixo calor de hidratação;  Baixa resistência inicial e alt resistência final;  Libera pouco cal. Aluminato Tricalcico (Aluminato ou Celita) 3CaO. Al 2 O 2 C 3 A 6 - 10  Inicia a reação em minutos;  Endurecimento lento;  Pega muito rápida. Devendo ser controlada com a adição de gesso;  Alta retração;  Baixa resistência final e inicial;  Não libera cal;  Age como fundente. Ferro Aluminato Tricalcico (Ferrita ou Brownmillerita) 4CaO. Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 4 AF 3 - 8  Inicia areação em minuto;  Endurecimento lento;  Pega rápida (mas não instantânea);  Baixo calor de hidratação;  Optima resistência ao ataque de meios sulfatados;  Baixa resistência final e inicial;  Age como fundente.

Cal Livre CaO C 0,5-1,  Aceitável somente em pequenas quantidades. Pode causar expansão e fissuras. 2.5. Processos de produção do cimento Atualmente, há um conjunto de normativas que regem a produção de cimento e buscam, de modo simples, padronizar, em termos quantitativos, a dosagem dos minerais essenciais e adições necessárias aos tipos específicos de cimentos (NOGUEIRA, 2011). Tendo em vista o processo de fabricação, Nogueira (2011) descreve os materiais primários da composição, sendo eles: gesso, argila e calcário. Após a extração, temse os seguintes processos: pré-homogeneização ou moagem, homogeneização, cozedura, resfriamento e as adições conforme o tipo a ser fabricado, podendo ser adicionado material carbonático, escórias e material pozolânico. A figura 2 ilustra o fluxo da fabricação do cimento. O produto final destes processos é o cimento, comumente conhecido e comercializado no mercado. Figura 2: Processo de fabricação do cimento Fonte: Cimento Mauá (2017)

2.6. Natureza e dosagem mínima do ligante O ligante a utilizar deve em geral ser o cimento portland normal, podendo no entanto utilizar-se outros cimentos desde que seja tida em conta a eventual alteração das propriedades do betão relativamente às prescritas no presente Regulamento; esta utilização de ligantes de outros tipos pode mesmo tornar-se obrigatória em presença de agentes agressivos, nas condições estipuladas pelo RBLH. 14.2 – A dosagem mínima de ligante deve respeitar o disposto no RBLH. Quando o betão não seja sujeito a estudo prévio de composição ou não seja recepcionado com base em ensaios de verificação, a dosagem de cimento não deve ser inferior a 300 kg por metro cúbico de betão; nestes casos, para efeitos de dimensionamento, o betão deve ser sempre considerado como pertencendo à classe B15 (REBAP-Artigo 14-14.1) A natureza e a dosagem do ligante a empregar nas estruturas de betão armado e préesforçado são em parte condicionadas pela agressividade do ambiente a que elas estão expostas, pois é necessário assegurar durabilidade suficiente ao betão e às armaduras de forma a não comprometer, no decurso do tempo, a segurança das estruturas; o RBLH trata deste problema para alguns tipos de agressividade do ambiente. Quanto à condição de dosagem mínima de 300 kg/m3 especificada na parte final de 14.2, ela deve-se fundamentalmente a que é necessário, no caso de deficientes condições de fabrico e controle, procurar assegurar o nível de resistência que se considera no dimensionamento (REBAP-Artigo 14-14.2). 2.6.1. Dosagem do concreto A dosagem do concreto, também conhecida como traço, é a fase onde a quantidade de materiais é dosada entre si, a fim de obter-se a melhor proporção, para atender às questões econômicas, disponibilidade materiais constituintes e as solicitações especificadas. A mistura ideal busca atender especificações técnicas solicitadas em conformidade com a execução e resistência final (NEVILLE, 2015).

Segundo Pinheiro (2010), Fck é a resistência característica do concreto à compressão, valor esse que tem a probabilidade de 95% de ser alcançado através do ensaio de compressão axial para cada lote de concreto. Outras propriedades também podem ser levadas em consideração, tais como a trabalhabilidade, tangendo ao transporte, lançamento e bombeamento, taxa de armadura existente, onde a acomodação deve ser realizada sem segregação (HELENE; ANDRADE, 2011). A durabilidade e deformabilidade também são parâmetros consideráveis, uma vez que são previstas perdas e são realizadas compensações. A sustentabilidade na produção de concreto pode ser introduzida em termos de se fazer mais com menos, aplicando concreto de maiores resistências, reduzindo seções a serem concretadas há a redução de matéria prima utilizada (TUTIKIAN; HELENE, 2011). 2.7. Cinzas 2.7.1. Cinzas do bagaço da cana-de-açúcar As cinzas do bagaço de cana-de-açúcar utilizadas nesta pesquisa foram oriundas de diferentes procedências, sendo três usinas sucroalcooleiras da região Norte Fluminense do Rio de Janeiro e uma usina localizada no município de Juazeiro, na Bahia. Inicialmente, foram utilizadas seis cinzas distintas, denominadas de CBCA-1 a CBCA-6, para caracterização e estudo dos tempos de início e fim de pega através da metodologia clássica de Vicat. A primeira cinza (CBCA-1) foi coletada na Usina Coagro (Figura 3.2), localizada no Município de Campos dos Goytacazes/RJ, durante uma operação de limpeza que ocorre quinzenalmente. A cinza da Usina Coagro é resultado da queima do bagaço na caldeira, sendo retirada, periodicamente, a cada quinze dias, pela parte inferior da caldeira (Figura 3.3). Ela apresentou coloração preta indicativa da presença de grande quantidade de carbono residual (BARROSO, 2011).

Figura 3 : Retirada da cinza do bagaço durante uma operação de limpeza na Usina Coagro Fonte: (BARROSO, 2011). A cinza CBCA-5 foi procedente da Usina Barcelos, localizada no município de São João da Barra /RJ. A coleta dessa cinza residual também foi realizada na caldeira da Usina durante sua limpeza, local onde, em função da variação de temperatura (600 a 800˚C), são encontradas cinzas com variados graus de calcinação. Em estudo anterior, Cordeiro (2006) optou por uma coleta seletiva composta por cinzas residuais com baixo teor de carbono. Por fim, a sexta cinza (CBCA-6) foi coletada na Usina Agrovale, localizada na cidade de Juazeiro/BA. Caldeiras da Usina Agrovale podem ser vistas na Figura 3.6.

Figura 4 : Caldeiras da Usina Agrovale – Juazeiro / BA Fonte: Cordeiro (2006) A Figura 3.7 ilustra as diferentes cores das cinzas utilizadas neste estudo. Cinzas em tons mais escuros indicam a presença de maior quantidade de carbono residual em suas composições. Figura 5 : Coloração das cinzas CBCA-1 (a), CBCA-2(b), CBCA-3 (c), CBCA-4 (d), CBCA- 5 (e) e CBCA-6 (f). Fonte: Freitas 2013