FUNDAMENTOS E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

1. Introdução

Todas as obras de engenharia civil são realizadas com recursos de materiais de construção.O uso racional dos materiais, do ponto de vista técnico e econômico, exige o conhecimento adequado das suas propriedades e dos processos de fabrico ou de transformação. Só assim será possível selecionar, entre várias opções viáveis, aquela que permita melhores desempenhos.Torna-se, pois, necessário conhecer as propriedades básicas dos materiais, a sua origem e natureza, assim como o seu processo de fabricação.As propriedades determinam o tipo e a intensidade da resposta a um estímulo que é imposto ao material. As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em: Mecânicas: deformação com a carga ou força aplicada. Elétricas: resposta à aplicação de um campo elétrico. Térmicas: comportamento a temperaturas altas ou baixas. Magnéticas: resposta à aplicação de um campo magnético. Ópticas: respostas à radiação eletromagnética ou luminosa. Deteriorativas: reatividades químicas dos materiais.

2. Classificação dos materiais de construçãoOs materiais de construção podem ser classificados segundo diversos critérios.Seguidamente apresentamos alguns critérios de classificação.

A - Quanto à aplicação

1 - Materiais estruturaisMateriais que constituem os elementos resistentes de uma construção: Aço, Pedra, Madeira, Concreto.

2 - Materiais de enchimentoMateriais que ocupam o espaço entre os elementos estruturais: Tijolo cerâmico, Poliestireno (isopor)

3 - Materiais de revestimentoMateriais que revestem os materiais estruturais e os materiais de enchimento: Argamassa, Gesso, Tinta

4 - Materiais de isolamento térmicoMateriais utilizados para melhorar o desempenho térmico dos edifícios: Poliestireno, Cortiça

5 - Materiais de isolamento acústicoMateriais utilizados para melhorar o desempenho acústico dos edifícios: Cortiça, Tecidos, Revestimentos especiais

6 - ImpermeabilizantesMateriais utilizados para impermeabilizar elementos de construção: Betumes, produtos hidrofugantes (Vedacit, Vedajá, Vedapren, etc)

B - Relativamente à origem

1 – Naturais- De origem vegetal: Madeira, Borracha- De origem mineral: Pedras naturais, Areia

2 – Artificiais- Provenientes de compostos químicos: Plástico, Tintas, Colas- Provenientes de metais: Ligas metálicas- Provenientes de produtos naturais: Gesso, Materiais cerâmicos

3 - Materiais metálicosMateriais extraídos de minérios e depois transformados por complexos processos metalúrgicos- Ferrosos: Aço, Ferro Fundido- Não ferrosos de elevada densidade: Níquel, Cobalto, Chumbo- Não ferrosos de baixa densidade: Alumínio

4 - Materiais Cerâmicos ou Inorgânicos não MetálicosSão substâncias inorgânicas formadas por ligações iônicas e/ou covalentes: Tijolo, Azulejo

5 - Materiais PoliméricosSão substâncias orgânicas de estrutura complexa parcialmente cristalina e parcialmente amorfa, predominando a ligação covalente: PVC, Polipropileno, plásticos

C - Por cozeduraCom formação de fase vítrea- Cerâmicos não refractários tradicionais: tijolos, porcelanas - enfornados- Ligantes hidráulicos: Cimentos, cais

D - Por fusãoVidros, Vitrocerâmica, Esmaltes, Refractários electrofundidos

3. Os materiais usados em engenhariaComo foi dito no ponto anterior, podem-se considerar vários critérios para a classificação dos materiais. No entanto, em engenharia, e por razões de conveniência, é habitual admitir-se a classificação dos materiais em função da sua natureza. Dada a sua crescente importância em engenharia, devem considerar-se, nesta classificação os materiais compostos e os materiais eletrônicos

1. Metálicos2. Poliméricos3. Cerâmicos

4. Compósitos5. Eletrônicos

3.1 - Materiais metálicosOs materiais metálicos são substâncias de origem inorgânica que contêm elementos metálicos tais como ferro, cobre, alumínio, níquel ou titânio e não metálicos (por exemplo carbono e oxigênio). Microscopicamente, os metais têm uma estrutura cristalina, na qual os átomos se dispõem de forma ordenada. Estes materiais são, na generalidade, dúcteis e resistentes à temperatura ambiente e apresentam boa condutibilidade térmica e elétrica. Em função da quantidade de ferro que contêm, dividem-se em materiais ferrosos (com elevada percentagem de ferro) e não ferrosos (quando o ferro não entra na sua composição ou surge em quantidades muito reduzidas). O ferro fundido e o aço são materiais ferrosos, enquanto que o alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel são materiais não ferrosos

3.2 Materiais poliméricosOs materiais poliméricos são constituídos por longas cadeias de moléculas orgânicas.Trata-se de materiais cuja estrutura é não cristalina ou mista (com regiões cristalinas e regiões não cristalinas). A maioria destes materiais é mau condutor térmico e elétrico, possuindo baixa densidade e decompõem-se a baixas temperaturas.Utilização em: Tubos para a condução de água; Caixilharias de janelas; Enchimento para Lajes.

3.3 Materiais cerâmicosOs materiais cerâmicos são constituídos por elementos metálicos e elementos não metálicos, podendo ser, do ponto de vista estrutural, cristalinos ou mistos. São inorgânicos de elevadas dureza e resistência mecânica à compressão, mesmo quando submetidos a temperaturas elevadas. Estes materiais apresentam baixa condutibilidade térmica e elétrica e elevada resistência ao calor e ao desgaste. No domínio da construção, os materiais cerâmicos são utilizados desde tempos imemoriais.

3.4 Materiais compósitosOs materiais compósitos resultam da mistura de pelo menos dois materiais, de modo aobter um material com determinadas características e propriedades. Os materiais que constituem um compósito não se dissolvem entre si, podendo ser facilmente identificáveis. Materiais compósitos, como por exemplo, os que resultam da associação de fibras de vidro e poliéster ou de fibras de carbono e resina epoxídica

3.5 Materiais eletrônicosOs materiais eletrônicos assumem importância extrema no domínio das tecnologias avançadas, já que são utilizados em sistemas de microeletrônica. É graças a esta tecnologia que são possíveis os computadores, os satélites de comunicação ou os relógios digitais. O silício é um dos materiais mais importantes neste domínio, pois um simples cristal de silício permite condensar num chip, um elevado número de circuitos eletrônicos.

Processamento e DesempenhoProcessamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas.Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização.

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

• As condições de operação a que será submetido o referido material. • As propriedades requeridas para tal aplicação.• O tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Exemplo: elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica • Finalmente, a consideração talvez mais convincente é a econômica:• Qual o custo do produto acabado???Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo.• Tempo de vida ou Durabilidade• Aparência• Finalidade

4. Normas e organismos relacionados com os materiais de construçãoPara aferir todas as intervenções no domínio dos materiais de construção existem as Normas. As Normas são documentos do domínio público com funções diversas, mas que relativamente aos materiais de construção visam a satisfação de alguns dos seguintes objetivos:- estabelecer regras para cálculos ou métodos para a execução dos trabalhos;- especificar características de materiais e meios de as controlar;- descrever pormenorizadamente procedimentos de ensaios;- estabelecer dimensões e tolerâncias de materiais e produtos;- criar terminologia técnica específica e atribuir convenções simbólicas em desenhos;- definir classes de produtos ou materiais.Em todos os países existem organismos responsáveis pela realização de normas:ABNT – Associação Brasileira de Normas TécnicasASTM – American Society for Testing MaterialDIN – Deutsche NormenausschussISO – Organização Internacional de Normalização

5. Seleção e controle de qualidade dos materiaisA seleção de um material deve basear-se em critérios científicos que atendam à estrutura interna e às propriedades desse material de modo a assegurar-se uma escolha é adequada para um determinado fim.Quando se seleciona um material para um determinado fim há que garantir a “qualidade técnica” e um “custo aceitável”. A qualidade técnica deve ser uma garantia da confiabilidade e durabilidade do material selecionado.

- Confiabilidade (reability) - é a aptidão de um material para realizar uma função pretendida em condições definidas, durante um certo tempo.- Durabilidade (durability) – é a avaliação da resistência do material ao desgaste e às alterações físicas e químicas sob determinadas condições de uso

6. Propriedades gerais dos materiaisA relação entre a massa e o volume dos materiais permite caracterizar objetivamente alguns materiais. A massa corresponde à quantidade de matéria encerrada num corpo e a unidade utilizada para a quantificar é quilograma (kg). A massa é proporcional ao peso do mesmo corpo quando estas duas grandezas são aferidas no mesmo local, isto porque o peso de um corpo corresponde à força com que a sua matéria é atraída para o centro da Terra. A unidade utilizada para quantificar o peso de um corpo é quilograma força (kgf). A partir destas duas propriedades podem ser definidas outras grandezas tais como:Volume aparente, V (ou volume total): na quantificação do volume aparente de um corpo consideram-se o volume de matéria e o volume dos vazios nele encerrados:

V=Vr+VvEm que:

V = Volume aparente (m³)Vr = Volume absoluto (m³)Vv = Volume de vazios (m³)

Volume absoluto, Vr (ou volume real): corresponde ao volume ocupado pela matéria,não se considerando o volume de vazios desse corpo;

Vr = V - Vv (2)Massa volumétrica aparente: corresponde à massa de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo (kg/m³);Massa volumétrica absoluta: é a relação entre a massa de um corpo e o volume absoluto (real) desse corpo (kg/m³);Peso volumétrico: é o peso de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo (kgf/m³);Densidade: relaciona a massa de um corpo com a massa de igual volume de água a uma temperatura de 4ºC;Porosidade: corresponde ao quociente entre o volume de vazios e o volume aparente (expresso em %).

7. Características mecânicas dos materiaisO dimensionamento estrutural de uma edificação só é possível quando se conhecem perfeitamente as propriedades mecânicas dos materiais que vão ser utilizados na sua construção.De uma forma muito simples, pode-se afirmar que o cálculo estrutural de um edifício consiste na definição de áreas capazes de resistir a uma determinada solicitação (por exemplo a uma carga, à ação do vento ou à ação de um sismo).Qualquer corpo quando é submetido à ação de uma solicitação exterior (força ou momento) sofre uma deformação. As deformações podem ter caráter reversível ou irreversível. No primeiro caso, quando a força externa deixa de ser aplicada, o corpo retoma a sua forma inicial.

a) Traçãob) Compressãoc) Esforço cortanted) Momento de flexãoe) Momento de torção

Em cada secção o esforço distribui-se pela área. Se a área da secção transversal é pequena, o esforço será grande; se a área aumentar, o esforço diminuirá. A relação entre as forças aplicadas numa determinada secção e a sua área designa-se por tensão: s

Tensão (s) = Força/Superfície

O conceito de tensão é essencial em engenharia. A tensão máxima que um material suporta em determinadas condições de carregamento é uma característica muito importante desse material.Cada material reage de forma diferente às tensões instaladas, isto é, para uma mesma tensão poderá haver uma deformação diferente, em diferentes materiais. No entanto, a uma ação aplicada num determinado elemento corresponde sempre uma variação das suas dimensões (deformação). As variações dimensionais para além de serem proporcionais às tensões instaladas, também variam em função das dimensões lineares dos elementos onde os esforços estão a ser exercidos, pelo que devem ser expressas em função do comprimento unitário.

Os materiais também se podem deformar devido a outras causas, tais como o acréscimo de temperatura: se um material sofrer um aumento de temperatura dilatar-se-á. Para um estudo mais pormenorizado, pode-se classificar essa dilatação em três tipos: dilatação linear (que ocorre apenas numa dimensão), dilatação superficial (ocorre em duas dimensões) e dilatação volumétrica (ocorre em três dimensões).Todos os materiais são caracterizados por um coeficiente de dilatação térmica linear a.Este parâmetro permite prever as deformações sofridas pelos materiais devido à ação da temperatura.