CIMENTO PORTLAND - conteúdo de aula
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO -
Aglomerantes - Cimento Portland
1- INTRODUÇÃO
O cimento Portland com certeza é o material de maior utilização na construção civil, por isso a importância do estudo deste aglomerante, para todos que atuam em qualquer setor da cadeia produtiva da construção civil
2 - CONCEITO
O cimento Portland é o produto obtido pela pulverização de clinker, constituído essencialmente de silicatos hidráulicos de cálcio, com certa proporção de sulfato de cálcio natural, contendo, eventualmente, adições de certas substâncias que modificam suas propriedades ou facilitam seu emprego.
3 - MATÉRIAS-PRIMAS
As matérias-primas do clinker são:
- cal (CaO) ou calcário;
- sílica (SiO2) da areia;
- alumina (Al2O3) da argila;
- óxido de ferro (Fe2O3) da argila.
Ainda é adicionada certa proporção de magnésia (MgO) e uma pequena porcentagem de anidrido sulfúrico (SO3), que é adicionado após a calcinação para retardar o tempo de pega do produto final.
O cimento Portland tem ainda, como constituintes em menor proporção, impurezas como o óxido de sódio (Na2O), óxido de potássio (K2O) e óxido de titânio (TiO2). Os óxidos de potássio e sódio são os denominados álcalis do cimento.
4 - OBTENÇÃO
A mistura em proporção conveniente das matérias primas citadas no item anterior, finamente pulverizada e homogeneizada, é submetida à ação do calor no forno produtor de cimento, até a temperatura de fusão incipiente, que resulta na obtenção do clinker, que tem natureza granulosa. A pulverização do clinker resulta no cimento Portland.
5 - CONSTITUINTES
Durante a calcinação das matérias-primas citadas, ocorrem combinações químicas, principalmente no estado sólido, que conduzem à formação dos constituintes principais do cimento Portland:
- silicato tricálcico (3CaO.SiO2);
- silicato bicálcico (2CaO.SiO2);
- aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3);
- ferro aluminato tetracálcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3).
6 - INFLUÊNCIA DOS CONSTITUINTES
As propriedades do cimento são diretamente relacionadas com as proporções dos silicatos e aluminatos.
A composição potencial do cimento Portland varia em função das condições de operação do forno e do subseqüente resfriamento do clinker.
O conhecimento das proporções dos constituintes do cimento reside na correlação existente entre estes e as propriedades finais do cimento e também do concreto.
O silicato tricálcico é o maior responsável pela resistência em todas as idades, especialmente até o fim do primeiro mês de cura. O silicato bicálcico 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 também contribui para a resistência, especialmente no primeiro dia. O ferro aluminato de cálcio em nada contribui para a resistência.
O aluminato de cálcio 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 é o segundo componente com responsabilidade pelo tempo de pega do cimento. Os outros componentes se hidratam lentamente, não tendo efeito sobre o tempo de pega.
7 - PROPRIEDADES FÍSICAS
As propriedades físicas do cimento Portland são consideradas sob três aspectos: propriedades do cimento puro (pó), propriedades da mistura do cimento com água (pasta) e propriedades da mistura da pasta de cimento com agregado padronizado (argamassa).
7.1 - Densidade
A densidade absoluta do cimento Portland é usualmente considerada como 3,15 . Na realidade, a densidade pode variar para valores ligeiramente inferiores.
Nas compactações usuais de armazenamento e manuseio do produto, a densidade aparente é da ordem de 1,5 .
Na pasta de cimento, a densidade é 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 concreto. Pode atingir, em 24 horas, cerca de 7mm por metro na pasta pura, 4,5 mm por metro na argamassa-padrão e 2 mm por metro em concretos dosados a 350 kg de cimento por metro cúbico de concreto. Dada a importância que o fenômeno da retração tem na tecnologia de concreto, ele será mais estudado com as propriedades do concreto endurecido.
7.2 - Finura
A finura do cimento é relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão ou pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos grãos contidos em um grama de cimento).
A finura é o fator que governa a velocidade das reações de hidratação do cimento e tem também sua influência comprovada em muitas qualidades da pasta, das argamassas e dos concretos.
O aumento da finura:
- melhora a resistência, particularmente a resistência da primeira idade;
- diminui a exsudação (será descrita no próximo item) e outros tipos de segregação;
- aumenta a impermeabilidade;
- aumenta a trabalhabilidade;
- aumenta a coesão dos concretos.
7.3 - Exsudação
Exsudação é o fenômeno que consiste na separação espontânea da água da 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 indesejável heterogeneidade da mistura.
A exsudação ocorre porque os grãos de cimento, sendo mais densos que a água que os envolve, são forçados, por gravidade, a uma sedimentação. Com a tendência de os grãos se movimentarem para baixo, ocorre um afloramento do excesso de água. O fenômeno ocorre antes do início da pega. A água que se acumula superficialmente é comumente chamada exsudação.
7.4 - Trabalhabilidade
Trabalhabilidade é uma noção subjetiva, aproximadamente definida como a propriedade de oferecer maior ou menor facilidade nas operações de manuseio com as argamassas e concretos frescos.
7.5 - Pega
O fenômeno da pega do cimento compreende a evolução das propriedades mecânicas da pasta no início do processo de endurecimento, conseqüente de um processo químico de hidratação.
É um fenômeno artificialmente definido como o momento em que a pasta adquire certa consistência que a torna imprópria a um trabalho de manuseio. Tal conceituação se estende tanto a argamassas quanto a concretos.
No processo de hidratação, os grãos de cimento que inicialmente se encontram em suspensão vão se aglutinando paulatinamente uns aos outros, por efeito de floculação, conduzindo à construção de um esqueleto sólido, finalmente responsável pela estabilidade da estrutura geral. O prosseguimento da hidratação em subseqüentes idades conduz ao endurecimento responsável pela aquisição permanente de qualidades mecânicas, características do produto acabado.
A pega e o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do cimento, vistos em períodos diferentes - a pega na primeira fase do processo e o endurecimento na segunda e última fase do mesmo.
A partir de certo tempo após a mistura, quando o processo de pega alcança determinado estágio, a pasta não é mais trabalhável, não admite operação de remistura. Este intervalo de tempo é o período 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 de pega e o tempo de fim de pega. Os ensaios são feitos com pasta de consistência normal (explicada adiante) com a utilização do aparelho de Vicat. Nesse aparelho, mede-se a resistência à penetração de uma agulha na pasta de cimento.
7.5.1 - Aceleradores e retardadores
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 início 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 no caso de obturações de vazamentos, são empregados aditivos ao cimento, conhecidos com o nome de aceleradores de pega, tais como cloreto de sódio (NaCl) e silicato de sódio.
Em outros processos tecnológicos, há a necessidade de um tempo de pega mais longo, como no caso de operações de injeção de pastas e argamassas e nos lançamentos de concretos sob água, quando então se empregam aditivos denominados retardadores de pega, como açúcar, celulose e outros produtos orgânicos.
7.5.2 - Pasta de Consistência Normal
O tempo de pega é determinado por ensaio no aparelho de Vicat, utilizando a pasta de cimento misturada em proporção que conduz a uma consistência denominada normal.
A consistência normal é verificada no mesmo aparelho de Vicat, utilizando-se a chamada sonda de Tetmajer, um corpo cilíndrico, metálico, liso, de 10 mm de diâmetro e com extremidade em seção reta.
A sonda é posta a penetrar verticalmente em pasta fresca por ação de um peso total (incluindo a sonda) de 300 g .
A figura a seguir representa o aparelho de Vicat.
No ensaio de consistência da pasta, a sonda penetra e estaciona a uma certa distância do fundo do aparelho. Essa distância, medida em milímetros, é denominada índice de consistência. A pasta, preparada para ensaios de pega, deve ter uma consistência normal de 6 mm, isto é, a sonda de Tetmajer deve estacionar à distância de 6 mm do fundo da amostra.
7.5.3 - Tempo de Pega
A pasta de consistência normal é ensaiada no mesmo aparelho à penetração da agulha de Vicat: um corpo metálico com formato cilíndrico, com área da seção transversal de 1 mm2 (diâmetro de 1,13 mm) e terminado em seção reta.
A pasta é ensaiada periodicamente à penetração pela agulha de Vicat, determinando-se o tempo de início da pega quando esta deixa de penetrar até o fundo da amostra, parando a uma distância de 1 mm do fundo.
Os ensaios à penetração são prosseguidos até a determinação do tempo de fim de pega, quando a agulha não penetra na amostra, deixando apenas uma imperceptível marca superficial.
Em obra, quando necessário, pode-se fazer um ensaio grosseiro (expedito), que consiste na moldagem de uma série de pequenas bolas com pasta de consistência semelhante à normal de laboratório. Submetendo-se a posteriores esmagamentos das bolas, com os dedos, em uma seqüência cronometrada, quando o esmagamento deixa de ser plástico, tem-se grosseiramente, o início da pega; quando as bolas esfarinham por ação de esforço muito maior, tem-se o fim da pega.
7.6 - Resistência
A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão de corpos-de-prova realizados com argamassa.
No Brasil, empregam-se corpos-de-prova de forma cilíndrica, com 10 cm de altura e 5 cm de diâmetro, feitos com argamassa de consistência normal.
7.6.1 - Argamassa de Consistência Normal
A consistência da argamassa é determinada pelo ensaio de escorregamento sobre mesa cadente (falling table).
Molda-se com a argamassa um corpo-de-prova com o formato de um tronco de cone, tendo bases com diâmetros de 125 mm e 80 mm e altura de 65 mm. O corpo-de-prova é colocado sobre uma plataforma lisa de um mecanismo capaz de promover quedas de 14 mm de altura. São executadas trinta quedas em trinta segundos.
A figura a seguir representa o mecanismo citado:
A base inferior do tronco de cone moldado se espalha como efeito das trinta quedas. A medida do diâmetro final é definida como índice de consistência da argamassa. A argamassa possui consistência normal quando o diâmetro da base inferior alcança 165 mm ao final do ensaio.
A argamassa é constituída pela mistura de cimento e areia na proporção de 1:3 em peso, para materiais secos. A água tem sua quantidade regulada para obter a consistência normal, o que exige algumas tentativas.
A areia utilizada é chamada areia normal, com composição granulométrica definida em norma.
7.6.2 - Rompimento
Os corpos-de-prova (cp) moldados são conservados em câmara úmida por 24 horas e então imersos em água até a data do rompimento. O rompimento por compressão é realizado nas idades de 1, 3, 7 e 28 dias, contados desde a moldagem dos corpos-de-prova.
Para o cimento Portland comum, as especificações exigem, aos três dias de idade, resistência mínima de 8 MPa. Aos sete dias, 15 MPa e, aos vinte e oito dias, 25 MPa