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ensaios geotecnicos
Tipologia: Notas de estudo
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i. e x e
ENSAIOS TECNOLÓGICOS
DISCIPLINA: Materiais de Construção – I CÓDIGO : MCC-I
CAPÍTULOS : Cimento Portland
A análise química dos cimentos Portland resulta na determinação das proporções dos óxidos inicialmente mencionados. As propriedades do cimento são, entretanto, relacionadas diretamente com as proporções dos silicatos e aluminatos. As proporções destes últimos podem ser determinadas a partir do resultado da análise em óxidos. Denomina-se essa operação a determinação da composição potencial do cimento. Normalmente, usa-se para cálculo o chamado método de Bogue. A importância do conhecimento das proporções dos compostos constituintes do cimento reside na correlação existente entre estes e as propriedades finais do cimento também do concreto. O silicato tricálcico (C 3 S) é o maior responsável pela resistência em todas as idades especialmente até o fim do primeiro mês de cura. O Silicato bicálcico (C 2 S) adquire maior importância no processo de endurecimento em idades mais avançadas, sendo largamente responsável pelo ganho de resistência a um ano ou mais. O aluminato tricálcico (C 3 A) também contribui para a resistência, especialmente o primeiro dia. O ferro aluminato de cálcio (C 4 AFe) em nada contribui para a resistência. O aluminato de cálcio (C 3 A) muito contribui para o calor de hidratação, especialmente no início do período de cura. O silicato tricálcico é o segundo componente em importância no processo de liberação de calor. Os dois outros componentes contribuem pouco para a liberação de calor. O aluminato de cálcio, quando presente em forma cristalina, é o responsável pela rapidez de pega. Com a adição de proporção conveniente de gesso, o tempo de hidratação é controlado. O silicato tricálcico (C 3 S) é o seguindo componente com responsabilidade pelo tempo de pega do cimento. Os outros constituintes se hidratam lentamente, não tendo efeito sobre o tempo de pega.
As propriedades físicas do cimento Portland são consideradas sob três aspectos distintos; propriedades do produto em sua condição natural, em pó, da mistura de cimento e água e proporções convenientes de pasta e, finalmente, da mistura da pasta com agregado padronizado – as argamassas. As propriedades da pasta e argamassa são relacionadas com o comportamento desse produto quando utilizado, ou seja, as suas propriedades potenciais para a elaboração de concretos e argamassas. Tais propriedades se enquadram em processos artificialmente definidos nos métodos e especificações padronizados, oferecendo sua utilidade quer para o controle de aceitação do produto, quer para a avaliação de suas qualidades para os fins te utilização dos mesmos.
Densidade A densidade absoluta do cimento Portland é usualmente considerada como 3,15, embora, na verdade, possa variar para valores ligeiramente inferiores. A utilidade do conhecimento desse valor se encontra nos cálculos de consumo do produto nas misturas geralmente feitas com base nos volumes específicos dos constituintes. Nas compactações usuais de armazenamento e manuseio do produto, a densidade aparente do mesmo é da ordem de 1,5. Na pasta do cimento, a densidade é um valor variável com o tempo, aumentando à medida, que progride o processo de hidratação. Tal fenômeno; de natureza extremamente complexa, é conhecido pelo nome de retração. Esta ocorre nas pastas, argamassas e concretos. Pode atingir, em 24 horas, cerca de 7mm por metro na pasta pura, 4,5mm por metro na argamassa-padrão e 2mm por metro em concretos dosados a 350kg/cimento/m^3. Dada a excepcional importância que o fenômeno da retração tem na tecnologia do concreto, ele será tratado pormenorizadamente no estudo das propriedades do concreto endurecido.
Finura A finura do cimento é uma noção relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão, quando as especificações estabelecem uma proporção em peso do material retido na operação de peneiramento em malha de abertura definida, e, alternativamente, pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos grãos contidos em um grama de cimento). A finura, mais precisamente a superfície específica do produto, é o fator que governa a velocidade da reação de hidratação do mesmo e tem também sua influência comprovada em muitas qualidades de pasta, das argamassas e dos concretos. O aumento da finura melhora a resistência, particularmente a resistência da primeira idade, diminui a exsudação e outros tipos de segregação, aumenta a impermeabilidade, a trabalhabilidade e a coesão dos concretos e diminui a expansão em autoclave. Exsudação é o fenômeno que consiste na separação espontânea da água de mistura, que naturalmente aflora pelo efeito conjunto da diferença de densidades entre o cimento e a água e o grau de permeabilidade que prevalece na pasta. É um tipo de segregação, fenômeno mais geral, entendido como separação dos diversos constituintes das argamassas e dos concretos por via de ação de diferentes causas, conduzindo, finalmente, a uma heterogeneidade indesejável. A coesão nos concretos e argamassas frescas é responsável pela estabilidade mecânica dos mesmos, antes do início da pega, e é medida pelo valor de resistência do cisalhamento
mistura, quando o processo de pega alcança determinado estágio, a pasta não é mais trabalhável, não admite operação de remistura. Tal período de tempo constitui o prazo disponível para as operações de manuseio das argamassas e concretos, após o qual esses materiais devem permanecer em repouso, em sua posição definitiva, para permitir o desenvolvimento do endurecimento. A caracterização da pega dos cimentos é feita pela determinação de dois tempos distintos – o tempo de início e o tempo de fim de pega. Os ensaios são feitos com pasta de consistência normal, noção detalhada mais adiante, e, geralmente, com o aparelho de Vicat. Nesse aparelho mede-se, em última análise, a resistência à penetração de uma agulha na pasta de cimento. Têm sido tentados outros procedimentos para a medida de outras características físicas da mistura que conduzissem a uma melhor caracterização de fenômenos da pega. A medida da evolução do valor do atrito interno da pasta de cimento mostra claramente pontos de estreita correlação com os ensaios de penetração de agulha, confirmando, pelo crescimento rápido desse valor no intervalo entre o tempo de início e o fim de pega, a ocorrência de uma aglomeração de marcantes características mecânicas no interior da massa durante essa fase do processo de hidratação. Medições feitas sobre os valores de velocidade de propagação do som durante o início de hidratação das pastas têm mostrado pontos característicos coincidentes com os tempos de início e fim de pega definidos por penetração da agulha. O mesmo ocorre no exame dos valores de resistência elétrica a correntes de alta freqüência, onde as curvas também mostram pontos característicos coincidentes com os tempos de início e fim de pega. Não há dúvida de que, embora artificialmente definido o fenômeno, ele corresponde a uma realidade física caracterizada por pontos importantes no desenvolvimento do processo de endurecimento de aglomerante nos seus primeiros tempos de vida.
Pasta de cimento A ocorrência da pega do cimento deve ser regulada tendo-se em vista os tipos de aplicação do material, devendo-se processar ordinariamente em períodos superiores a uma hora após o inicio da mistura. Nesse prazo são desenvolvidas as operações de manuseio do material, mistura, transporte, lançamento e adensamento. Há casos, entretanto, em que o tempo de pega deve ser diminuído ou aumentado. Nas aplicações em que se deseja uma pega rápida, como, por exemplo, nas obturações de vazamentos, são empregados aditivos ao cimento, conhecidos com o nome de aceleradores de pega. Tais aditivos serão tratados mais adiante, cabendo, no momento, a citação de dois exemplos de aceleradores, o cloreto de cálcio e o silicato de sódio. Contrariamente, em outros processos tecnológicos, ressalta-se a conveniência de um tempo de pega mais longo, como, por exemplo, nas operações de injeção de pastas e argamassas e nos
lançamentos de concretos sob água, quando então se empregam aditivos denominados retardadores. Entre estes, citam-se os açucares ordinários, a celulose e outros produtos orgânicos. Alguns cimentos oferecem raramente o fenômeno da falsa pega, que tem as características da pega ordinária, ocorrendo em período mais curto e não correspondendo, entretanto, à evolução já descrita para o fenômeno. Trata- se de uma anomalia, geralmente atribuída ao comportamento do gesso adicionado ao cimento, no processo de manufatura, e que pode ser corrigida por destruição do incipiente esqueleto sólido e formação mediante ação enérgica de mistura ou remistura. O tempo de pega do cimento é determinado, como já foi dito, por ensaio do aparelho de Vicat. A pasta é misturada em proporção que conduz a uma consistência denominada normal. Essa consistência normal é verificada no mesmo aparelho de Vicat, utilizando-se a chamada sonda de Tetmajer, um corpo cilíndrico, metálico, liso de 10mm de diâmetro e terminado em seção reta. A sonda é posta a penetrar verticalmente em pasta fresca por ação de um peso total (incluindo a sonda) de 300g. Na Fig. 3.5 está representado o aparelho de Vicat.
Fig. 3.5 Esquema do aparelho de Vicat.
No ensaio de consistência da pasta, a sonda penetra e estaciona a uma certa distancia do fundo do aparelho. Essa distancia, medida em milímetros, é denominada índice de consistência. A pasta, preparada para ensaios de tempo de pega, deve ter uma consistência normal de 6mm, isto é, a sonda de Tetmajer deve estacionar à distância de 6mm do fundo da amostra. Essa amostra de consistência normal é ensaiada nesse mesmo aparelho à penetração de uma agulha corpo cilíndrico circular, com 1mm^2 de área de seção e terminando em seção reta. A amostra é
Fig. 3.6 Mesa cadente para ensaio de consistência
A base inferior do cone moldado espalha-se, e a medida do diâmetro final é definida como índice de consistência da argamassa. Diz-se que a consistência é normal quando esse diâmetro alcança 165mm. A argamassa é constituída pela mistura de cimento e areia normal nas proporções de 1:3 em peso, materiais secos. A água a ser adicionada será determinada para se conseguir a consistência normal anteriormente definida. O ensaio requer, portanto, algumas tentativas. A areia utilizada nesse ensaio é a chamada areia normal, definida no método NBR 7215 (MB-1) como areia natural, proveniente do rio Tietê em São Paulo, lavada e peneirada com a composição granulométrica fixada pela Tab. 3.3.
Tabela 3.3 Granulometria da Areia (NB-1) Materiais Retidos entre as Peneiras Porcentagem em Peso 2,4 – 1,2mm 25 1,2 – 0,6mm 25 0,6 – 0,3mm 25 0,3 – 0,15mm 25
Os corpos-de-prova assim executados são conservados em câmara úmida por 24 horas, e a seguir imersos em água até a data do rompimento. Este se processa, geralmente nas idades de 1,3,7 e 28 dias. Para o cimento Portland ordinário, a especificação brasileira NBR 5732 (EB-1) exige, aos três dias de idade, resistência mínima de 8 MPa. Aos sete dias, 15 MPa e, aos 28 dias, 25 MPa.
Exsudação A exsudação é um fenômeno de segregação que ocorre nas pastas de cimento. Os grãos de cimento, sendo mais pesados que a água que os envolve, são forçados por gravidade, a uma sedimentação, quando possível. Resulta dessa tendência de movimentação dos grãos para baixo um afloramento do excesso de água, expulso das porções inferiores. Esse fenômeno ocorre, evidentemente, antes do início da pega. A água que se acumula superficialmente é chamada exsudação e é quantativamente expressa como percentagem do volume inicial da mesma, na mistura. É uma forma de segregação que prejudica a uniformidade, a resistência e a durabilidade dos concretos. Já foi dito que a finura do cimento influi na redução da exsudação, o que se compreende facilmente, considerando-se que a diminuição dos espaços intergranulares aumenta a resistência ao percurso ascendente da água.
As propriedades químicas do cimento Portland estão diretamente ligadas ao processo de endurecimento por hidratação. Ainda não se conhecem com muita precisão as reações e os compostos envolvidos no processo de endurecimento, restando muitas questões a serem esclarecidas. O processo é complexo, admitindo-se, atualmente, que se desenrole em desenvolvimentos que compreendem a dissolução na água, precipitações de cristais e gel com hidrólises e hidratações dos componentes do cimento. Inicialmente, o silicato tricálcico (C 3 S) se hidrolisa, isto é, separa-se em silicato bicálcico (C 2 S) e hidróxido de cal. Este último precipita como cristal da solução supersaturada de cal. A seguir, o silicato bicálcico existente, resultante da hidrólise, combina-se com a água no processo de hidratação, adquirindo duas moléculas de água e depositando-se, a temperaturas ordinárias, no estado de gel. Esse processo, quando conduzido em temperaturas elevadas, resulta numa estrutura de natureza cristalina. Os dois últimos constituintes principais do cimento, o aluminato tricálcico e o ferro aluminato de cálcio, se hidratam, resultando, do primeiro, cristais de variado conteúdo de água e, do segundo uma fase amorfa gelatinosa. Esse processo é realmente rápido no clinker simplesmente pulverizado. O aluminato tricálcico presente é, de um modo geral, considerado o responsável pelo início imediato do processo de endurecimento. O produto, nessas condições, é de pega rápida. Como se sabe, o cimento, nessas condições, é material inútil para o construtor, impossibilitando qualquer manuseio pela rapidez da pega. Também é conhecido que a correção se efetua pela adição de sulfato de cálcio hidratado natural, gipsita, ao clinker antes da operação de moagem final. As investigações demonstraram que a ação do gesso no retardamento do tempo de pega se prende ao fato de ser muito baixa a solubilidade dos aluminatos anidros em soluções supersaturadas de gesso. O processo prossegue em marcha relativamente lenta pela
Calor de Hidratação Durante o processo de endurecimento do cimento, considerável quantidade de calor se desenvolve nas reações de hidratação. Essa energia térmica produzida é de grande interesse para o engenheiro, principalmente pela elevação de temperatura, resultante nas obras volumosas, a qual conduz ao aparecimento de trincas de contração ao fim do resfriamento da massa. O desenvolvimento de calor varia com a composição do cimento, especialmente com as proporções de silicato e aluminato tricálcicos. O valor do calor de hidratação do cimento Portland ordinário varia entre 85 e 100cal/g, reduzindo- se a 60 a 80cal/g nos cimentos de baixo calor de hidratação. Os valores do calor de hidratação dos constituintes do cimento são os seguintes: C 3 S – 120cal/g C 2 S – 62cal/g C 3 A – 207cal/g C 4 AF – 100cal/g Magnesia – 203cal/g Cal – 279cal/g O método mais comum para a determinação do calor de hidratação do cimento é o calor de dissolução. Amostras secas de cimento em pó e de cimento parcialmente hidratado e subseqüentemente pulverizado são dissolvidas em mistura de ácidos nítrico e clorídrico numa garrafa térmica. A elevação de temperatura devidamente corrigida pela eliminação dos fatores estranhos ao fenômeno determina as medidas do calor de dissolução das amostras. Por diferença, o calor de hidratação do cimento é calculado. O interesse do conhecimento do valor do calor de hidratação do cimento reside na possibilidade do estudo da evolução térmica durante o endurecimento do concreto em obras volumosas. Basicamente, trata-se de multiplicar o calor de hidratação do cimento pelo peso do cimento contido no metro cúbico de concreto e dividir o resultado pelo calor específico do concreto. Esse cálculo aproximado não se desenvolve, evidentemente, com essa simplicidade esquemática, devendo ser considerados vários outros fatores que intervêm na evolução do fenômeno, tais como a velocidade de reação, o coeficiente de condutibilidade térmica do concreto, a variação do calor especifico do concreto com a temperatura etc.
Resistência aos Agentes Agressivos Nos concretos em contato com a água e com a terra podem ocorrer fenômenos de agressividade. As águas, como as terras, podem conter substâncias químicas suscetíveis a reações com certos constituintes do cimento presentes nos concretos. Nestes últimos, o cimento constitui o elemento mais suscetível ao eventual ataque, já que os agregados são de natureza predominantemente inerte. Os silicatos de cálcio mais ou menos hidratados e principalmente a cal hidratada, presentes no cimento
hidratado, são os elementos submetidos a ataque químico. O hidróxido de cálcio presente na proporção de 15 a 20% do peso do cimento original constitui o ponto mais vulnerável. As águas puras, de fontes graníticas ou oriundas do degelo atacam o cimento hidratado por dissolução da cal existente. Essa dissolução alcança cerca de 1,3 grama por litro nas temperaturas correntes. Águas puras renovadas acabam levando toda a cal existente no cimento hidratado, após o que começam, com menor intensidade, a dissolver os próprios silicatos e aluminatos. As águas ácidas, como, por exemplo, a água de chuva, com certa proporção de gás carbônico dissolvido, agem sobre a cal do cimento hidratado segundo processo que varia em função da concentração do anidrido carbônico. Se a concentração é baixa, o sal formado é o carbonato de cálcio, pouco solúvel, que obstrui os poros, constituindo proteção a ataques posteriores. Se a concentração é relativamente forte, o carbonato formado é dissolvido como bicarbonato, prosseguindo o ataque até completa exaustão da cal presente. Os sais de cálcio são atacados em seguida. As águas podem ser igualmente agressivas quando contêm outros ácidos, como acontece com os resíduos industriais e águas provenientes de charcos contendo ácidos orgânicos. Tanto num caso como no outro, há exaustão da cal, e um ataque posterior dos sais constituintes do cimento hidratado deixa no concreto um esqueleto sem coesão e inteiramente prejudicado nas suas características mecânicas e outras. Para estimar a resistência química de um cimento à água pura e acida, é útil conhecer seu índice de Vicat, isto é, a relação sílica mais alumina dividida por cal. Se é inferior a 1, tem-se o cimento rico em cal, como o Portland, portanto um cimento facilmente atacável. Se, ao contrário, o índice é superior a 1, cimento aluminoso, cimento metalúrgico, cimento pozolânico, trata-se de material pobre em cal e capaz de resistir à agressividade da água dissolvente. A água sulfatada ataca o cimento hidratado por reação do sulfato com aluminato, produzindo um sulfoaluminato com grande aumento de volume. Essa expansão interna é responsável pelo fissuramento que, por sua vez, facilita o ataque, conduzindo o processo a completa deterioração do material. Águas parada, contendo mais de meio grama de sulfato de cálcio/litro, e águas correntes com mais de 0,3g podem, em geral, ser consideradas perigosas.
Reação Álcali-Agregado. Identifica-se como reação álcali-agregado a formação de produtos gelatinosos acompanhada de grande expansão de volume pela combinação dos álcalis do cimento com a sílica ativa finamente dividida, eventualmente presente nos agregados. Trata-se de fenômeno estudado em época recente que, embora não tenha sido, até agora, constatado objetivamente no Brasil, por constituir importante risco na durabilidade dos concretos, merece detalhada investigação quando do uso de agregados oriundos de
alimentação do forno, com a mistura pulverulenta proveniente da via seca ou com a lama proveniente da via úmida. O forno, como é utilizado atualmente, é constituído por um longo tubo de chapa de aço, revestido internamente de alvenaria refratária, girando lentamente em torno de seu eixo, levemente inclinado, tendo na extremidade mais baixa um maçarico onde se processa a queima de combustível e recebendo pela sua boca superior o cru. A operação de queima da mistura crua devidamente proporcionada num forno onde, pela combustão controlada de carvão, gás ou óleo, a temperatura é elevada aos níveis necessários a transformação química que conduz a produção do clinker, subseqüentemente resfriado, é, talvez, a mais importante fase na fabricação do cimento. O material submetido ao processamento das queimas percorre o forno rotativo de uma ponta a outra em cerca de 3 horas e meia a 4 horas. O clinker produzido sai do forno em elevada temperatura, incandescente, e é resfriado mediante corrente de ar ou mesmo por ação de água. O clinker resfriado é conduzido a depósitos apropriados, onde aguarda o processamento da moagem. A operação de moagem do clinker é realizada em moinhos de bola conjugados com separadores a ar. Sendo o clinker um material extremamente duro, a moagem é uma operação dispendiosa, onde são consumidas as esferas de aço duro utilizadas dentro do moinho. O clinker entra no moinho já de mistura com a parcela de gipsita utilizada para controle do tempo de pega do cimento. Para facilitar a operação de moagem, a indústria manufatureira de cimento tem utilizado como aditivos certas substancias que facilitam essa operação, os aditivos de ajuda na moagem. O clinker pulverizado é conduzido pneumaticamente para os separadores de ar, um ciclone que reconduz ao moinho os grãos de tamanho grande e dirige os de menor tamanho, o cimento propriamente dito, para os silos de estocagem. O produto acabado, o cimento Portland artificial, é então ensacado automaticamente em sacos de papel apropriado ou simplesmente encaminhado a granel para os veículos de transporte.
Fig – Fábrica de Cimento
A maior parte do cimento consumido em obras é transportada, ensacada, por via ferroviária ou rodoviária. Envolve tal operação perda por sacos rasgados, que alcança até 2%. Sendo o cimento um material de grande densidade e de baixo preço, o custo de frete incide de maneira ponderável. Resulta daí a necessidade de processar o transporte com utilização plena dos veículos, operando-se com partidas que ocupem a carga total de um vagão ou de um caminhão, conforme seja o caso. O transporte de parcelas menores que a capacidade do veiculo onera desnecessariamente o custo do produto. Como o preço do saco de papel contribui de maneira apreciável na formação do custo do cimento, procede-se, sempre que possível, ao seu transporte a granel. Há diversos sistemas apropriados para o transporte de cimento a granel, feito sempre em reservatórios metálicos estanques, quer sobre gôndola ferroviária, quer sobre chassis de caminhões. Diferenciam-se, porém, os processos de carga e descarga do material, utilizando-se sistema pneumático, de escorregamento e parafuso sem fim. Tais sistemas de transporte a granel são econômicos e se impõem no caso de grande consumo. No Brasil, esse gênero de transporte está sendo desenvolvido atualmente como conseqüência da fabricação local desse tipo de equipamento. A quantidade mínima de consumo de cimento que permite a instalação de uma frota para o transporte a granel é da ordem de 200t por mês, ou seja, 10.000 sacos de cimento por mês. O problema econômico é resolvido mediante uma análise dos custos de investimento e operação do equipamento de transporte em face da economia resultante da eliminação dos sacos de papel.
O cimento exige algum cuidado no seu armazenamento no canteiro de serviço. É necessário evitar qualquer risco de hidratação. Os sacos de papel não garantem a impermeabilização necessária, razão pela qual não se deve armazenar cimento por muito tempo. Os barracões para armazenamento de cimento devem ser bem cobertos e bem fechados lateralmente, devendo ser o soalho bem acima do nível do solo. Para armazenagem por curto espaço de tempo, podem-se cobrir as pilhas de sacos de cimento com lona, sendo elas colocadas sobre estrados de madeira convenientemente elevados do solo. Não se recomenda o armazenamento de cimento por mais de três meses. Quando se inicia a hidratação, o que se reconhece pela existência de nódulos que não se desmancham com a pressão dos dedos, o cimento torna-se suspeito. Pode ser usado, após peneiramento, somente em serviços secundários, como argamassas, pavimentos secundários etc.
