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Grupo de Materiais de Construção

Departamento de Construção Civil

Universidade Federal do Paraná

1

Direitos Reservados UFPR

Prof. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

1

Estrutura Interna do Concreto

Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

GRUPO MATERIAIS DE CONSTRUÇÃOADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR


2

• Complexa

• Estrutura Heterogênea

• Composição depende de Inúmeros Fatores

Concreto

A ESTRUTURA DO CONCRETO

Micro Estrutura

Macro Estrutura

IntroduçãoProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de ConstruçãoESTRUTURA INTERNA

Estrutura do concreto


3

Resistência

Deformações

DurabilidadeDensidade e

compacidade

Fatores

externos e

agentes

agressivos

Estrutura

internapermeabilidade

.....


Estrutura do concretoProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

4

• Agregados

• Pasta

• Macro-poros

Macro Estrutura




5

Micro Estrutura

• Agregados

• Pasta

• Água

• Micro-poros

• Zona de Transição



6

Macro-poros Micro-poros

> 50 nm < 50 nm

• Resistência• Permeabilidade

• Retração por secagem• Fluência






2



7

RetraçãoRetração

Cimento (kg/m3) a/c Retração (x10-5)

Pasta 1800 0,25 220

Argamassa 550 0,50 90

Concreto 450 0,30 20


Concreto 450 0,70 140

Concreto 250 0,30 5



Agregados Relação a/c



8

FluênciaFluência

Aumento de deformação com o tempo, sob carregamento constante!




9

Fluência x RelaxaçãoFluência x Relaxação

Em estruturas de concreto onde há restrição à deformação (deformação

imposta), a fluência apresentará um decréscimo da tensão com o tempo!

Tensão constante Deformação

aumentaFLUÊNCIA

Deformação constante

Resistência diminui

RELAXAÇÃO

tempo

tempo

σσ x x t x Ɛt x Ɛ



10

RelaxaçãoRelaxação




11

Fluência e relaxação Fluência e relaxação –– efeitosefeitos

• Perda de protensão ao longo do tempo em peças de concreto

protendido ( previsão no cálculo )

• Ocorrência de flechas provocam fissuração de elementos de vedação e

revestimentos

• Transferência de tensões do concreto para o aço em peças

comprimidas de concreto armado

Ruptura com cargas mais baixas



12

Microscópio Eletrônico de Varredura MEV


Microestrutura

Microestrutura

Estudo através de microscopia ótica e eletrônica




3



13(Leica)


MicroestruturaProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

14

Aumentos de até 900.000 xImagens tridimensionais


Microestrutura


15

Microscópio Eletrônico de Varredura MEV

EDS - Espetroscopia por Energia Dispersiva por feixes de raios X

DRX – Difração de raios X

Permite identificar qualitativa e quantitativamente a composição de uma região da amostra



16

Importância do estudo da Importância do estudo da microestruturamicroestrutura


Microestrutura


17

� Auxiliar na previsão e otimização das propriedades

físicas e mecânicas do concreto;

� Prevenir manifestações patológicas nas estruturas;

� Ferramenta para análise de manifestações patológicas;

� “Contribuir” para a durabilidade das estruturas;

�Desenvolvimento de novos aditivos, adições e suas

consequências;



18

�Ensaios não-destrutivos


Microestrutura




4



19

Características físicas:

- Ocupam 80 a 90 % do volume

- Influenciam: E - módulo de elasticidadeCondutibilidade térmicaResistência mecânica


Agregados

FASE AGREGADO


20

Efeitos da geometria dos grãos:

Porosidade: absorvem água - altera a/c e ZT

Pode faltar água na região de aderência do agregado com a pasta

Agregados leves - argila expandida, ...

Agregados naturais como a areia e os seixos tem superfície polida com pouca porosidade.


Agregados


21


Rugosidade: Aumenta aderência com a pasta, Altera a fluidez

Britas tem superfície

mais rugosa

Areia e os seixo são menos rugosos.


AgregadosProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

22


Forma dos grãos: Grãos lamelares reduzem a fluidez

Alongados ou lamelares± cúbico


Agregados


23

Classificação:

�Normais (cúbicos, esféricos ou tetraédricos): todas as dimensões aproximadamente iguais

�Lamelares: há grande variação na ordem de grandeza das dimensões

Forma ou geometria

Créditos: Engº. Carlos Gustavo Marcondes – Assessor Técnico Comercial Itambé



24

Maiores superfícies de interface(superfícies preferenciais de ruptura)

Forma ou geometria

�Esféricas: melhores características�Lamelares: < trabalhabilidade; portanto, > consumo de cimento


Agregados




5



25

Grãos lamelares

Maior quantidade de vazios

Maior consumo de pasta de cimento

Aumenta retraçãoAumenta calor ....

Agregados mais rugosos

Maior aderência c/ pasta

Reduz a fluidez

Exige mais pastaMaior custo

Maior consumo de cimento



26

Pasta = matriz contínua e porosa

• Idade da pasta ou grau de hidratação

• Quantidade de água ou a/c

• Proximidade com uma superfície

Não é homogênea nem imutável!!!

FASES CONSTITUINTES DA PASTA


Pasta


27

Estagio I: Em contato com a água ocorre uma rápida dissolução dos grãos do cimento. Sobem as concentrações de álcalis solúveis, Ca2+, SO4

2- e íons OH em solução, resultando em um pH de 12 a 13.

Estagio II: Os íons Ca2+, SO42- e íons OH reagem com os

silicatos e aluminatos para formar gel de C-S-H, etringita e portlandita, formando uma barreira em torno dos grãos de

cimento não hidratados, retardando novas hidratações, permitindo um período de trabalhabilidade durante o qual o

concreto deve ser lançado e assentado.

Estágios da hidratação do cimento:

( K. Luke)


PastaProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

28

Estagio III: Durante o Estágio II, a concentração de íons Ca2+ continua a aumentar, reiniciando lentamente a hidratação dos grãos de cimento atrás da barreira.

Com a supersaturação de Ca2+, seguida da precipitação de Ca(OH)2, ocorre uma rápida hidratação dos grãos de cimento

gerando gel de C-S-H e etringita.A formação de gel de C-S-H e o intertravamento das partículas promovem a pega e o endurecimento.

( K. Luke)

Estágios da hidratação do cimento:


Pasta


29

3 fases

Fase 1 - Sólidos

Fase 2 – Vazios ou poros

Fase 3 - Água

FASES CONSTITUINTES DA PASTA


PastaProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

30

1: C-S-H

2: Ca(OH)2 ou (C-H)

3: Vazio Capilar

(Moranville, 1992)

C-S-H

C-H

Vazio


Pasta




6



31

FASE 1 FASE 1 -- SÓLIDOSSÓLIDOS


Pasta - SólidosProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

32

– produtos da hidratação;

• C-S-H;

• Hidróxido de cálcio;

• Sulfoaluminatos;

• Etringita;

• Observação: existem grãos anidros (não hidratados).

FASE 1 -SÓLIDOS


Pasta - Sólidos


33

3 principais produtos da hidratação do cimento Portland;

• C-S-H;

• Hidróxido de cálcio;

• Etringita.

C-H

Etringita



34

2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120 cal/g

2C2S + 4H C3S2H3 +CH + 62 cal/g

50 % a 60% do volume da pasta


Pasta - Sólidos

Estruturas Fibrilares: C-S-H

Cristais de C3S e C2S hidratados


35

• São as estruturas C-S-H:

C=CaO, S=SiO2, H=H2O

• Estruturas unidas através de ligações de Van

Der Waals

• Excelente resistência mecânica e química




36


(Furnas Centrais Elétricas)


Pasta - Sólidos




7



37

Cristais de C-S-H crescendo depois de duas semanas de

hidratação (a/c=0,8). A morfologia dos cristais

depende das condições de cura.

www.cementlab.com

Cristais de silicato de cálcio hidratado (C-S-H)

FONTE: ALIZADEH, 2011




38

Estruturas Prismáticas: C-H C-H

2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120 cal/g

2C2S + 4H C3S2H3 +CH + 62 cal/g

20 % a 25% do volume da pasta


Pasta - Sólidos


39

Estruturas Prismáticas: C-H

• Cristais de grande tamanho

• Formas hexagonais

• Formados p/ hidróxido de cálcio - Ca(OH)2

C-H



40


•pH elevado da pasta (pH ≅ 13)

• Cristais porosos, solúveis em água, muito reativos quimicamente

• Baixa resistência mecânica.

C-H


Pasta - Sólidos


41


Micrografias (MEV)(Silva , F.J. da, IME)

C-HC-S-H C-HC-S-H

C-H



42

Etringita: Produto da hidratação dos Aluminatos

Cristais grandes e volumosos

Formados por C3A + gesso hidratados

(ocupa menor volume)

Instáveis, com a redução na concentração de sulfato,

a etringita se decompõe, formando monossulfato

C3A +3CSHx + 32H C3A . 3CSH32 Etringita

C3A + CSHx + 12H C3A . CS.H12 Monossulfato


Pasta - Sólidos




8



43

• Etringita:

Reação do C3A em solução de gesso.

Concrete.cee.hiroshima-u.ac.ip/research e.html

C3A +3CSHx + 32H C3A . 3CSH32 Etringita primária

C3333A + gesso hidratados



44

• Formam-se nas primeiras horas de hidratação;• São os primeiros cristais da pasta a se formar• Cristais em formato de agulhas;• Agulhas se intertravam e prendem muita água;• Cristais muito porosos com baixa resistência mecânica

C6AS3H32

Etringita, Aft

_


Pasta - Sólidos

• Etringita:


45

(Griesser, A.;Swiss Federal Institute of Tecnology, 2002)(Stark, J.; Bollmann, K., Bauhaus-University Weimar Germany,)

Cristais em formato de agulhas;

Podem ocasionar uma hidratação inadequada (falsa pega) levando ao enrijecimento prematuro do concreto, prejudicam a trabalhabilidade (altera início e fim de pega) – depende do sulfato adicionado ao clínquer.


Pasta - Sólidos

• Etringita:


46

Etringita secundária em vazio de ar

Na presença de umidade no concreto já endurecido, a etringita recristaliza em cristais maiores dentro dos vazios.

Etringita secundária em microfissuras

(Sta

rk, J

.; B

ollm

ann,

K.,

Bau

haus

-Uni

vers

ity W

eim

ar G

erm

any,

)

(Maria Virginia Heumann e Fabiana Moares)


Pasta - Sólidos

Etringita secundária:


47

Micrografia eletrônica (MEV) mostrando um vazio capilar

com alguns cristais de estruturas crescendo para o

seu interior.

(Mehta e Monteiro, 2006)


Pasta - Sólidos



48

Etringita secundária em vazio de ar


Depósitos secundários em um vazio de ar: Pequenas agulhas de etringita secundária.

(Sta

rk, J

.; B

ollm

ann,

K.,

Bau

haus

-Uni

vers

ity W

eim

ar G

erm

any,

)


Pasta - Sólidos




9



49

A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato.

Com a redução na concentração de sulfato, a etringita se decompõe, em monossulfato, se o sulfato volta a estar

disponível, forma-se novamente a etringita.

C4AS.H18

_

Monossulfato Afm



50

A etringita é instável e se transforma em cristais de monossulfato.

(Grie

sser

, A.;

Sw

iss

Fed

eral

Inst

itute

of T

ecno

logy

, 20

02)

•Cristais hexagonais organizados em forma de “rosas”

•Vulnerável ao ataque de sulfatos

Monossulfato Afm

C4AS.H18

_


Pasta - Sólidos

• Monossulfato:


51

Etringita

Monossulfato


C3A . 3CSH32

C3A . CS.H12

C-S-H



52

Grãos de clínquer não hidratados:

Grãos de clínquer não hidratados


Pasta - Sólidos


53

Volumes Relativos x Grau de hidratação em pasta com a/c=0,5

(Wei

ss, J

.; 20

05)



54

(Wei

ss, J

.; 20

05)


Pasta - Sólidos

FASE “PASTA MATRIZ”




10



55

FASE 2 FASE 2 –– VAZIOS E VAZIOS E POROSPOROS


Pasta – Vazios/PorosProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

56

Vazios na pasta endurecida:

São de extrema importância

Maior quantidade de vazios:

� > porosidade� > permeabilidade� < resistências mecânica � < resistência química� > retração � > fluência


Pasta – Vazios/Poros


57

� Espaço interlamelar no C-S-H;

� Vazios capilares;

� Vazios de ar incorporado;

� Vazios de ar aprisionado;

Onde estão?



58

Espaço interlamelar no C-S-H 1 a 4 nm

Vazios capilares 0,01 a 1 µm

Ar incorporado 0,05 a 1 mm

Ar aprisionado 0,5 a 5 mm

1 nm � 10-9 m

Que tamanho?




59

Intervalos dimensionais dos sólidos e poros na pasta endurecida



60

Espaço interlamelar das estruturas C-S-H:

Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas5 a 25Å (1 Å= 10-10m)

Poros muito pequenos - pouco afetam a resistência mecânica ou a permeabilidade.

Porém, quando a água sai

destes espaços, podem ocasionar retração significativa.






11



61

Vazios Capilares:

� Poros formados pela parte da água de amassamento que não reage.

� 20 a 25% peso de CP em água reage quimicamente (“água estequeométrica”)

� Toda água além, sobra e fica dentro dos poros capilares



62

Vazios Capilares:

Qual a faixa comum de relação a/c?

a/c comum: 0,40 a 0,65




63

Vazios Capilares:

Mas porque não usamos 0,20 a 0,22 que é a água necessária para reação química com o cimento?

Fluidez



64

Sobra 50 a 70% da água utilizada

Vazios Capilares:

Resultado disso:

É isso que gera os poros capilares nos concretos e argamassas




65(Mehta e Monteiro, 2006)

Vazios Capilares:

100 cm3 + H2O cm3

Densidade do cimento?

3,18 g/cm3




Vazios Capilares:

318 g de cim.

± 200 g de H2O






12




Vazios Capilares:




Vazios Capilares:

318 g de cim.

Vt = 100 + 318x0,7 == 320 cm3





Vazios Capilares:

318 g de cim.

Vvaz. Cap. = 320 – 200 = 120 cm3 = 37%




Vazios Capilares:





Vazios Capilares:




Vazios Capilares:






13



73

Poros provocados pela água que “sobra” da relação a/c.

(Her

vé N

eto,

E.;

2008

)

Vazios Capilares:



74

Poros com diâmetros de 0,01 µm a 1,0 µm.

10 nm a 1000 nm

• Quanto > a/c, maior a quantidade de poros capilares e maiores os seus diâmetros.

• Poros com Ø < 50nm não afetam a resistência mecânica mas provocam forte retração com a saída da água.

• Poros com Ø > 50nm prejudicam a resistência mecânica mas não causam muita retração com a saída da água.

Vazios Capilares:




75

Ar Aprisionado:

Bolhas de ar (± 5 mm) ficam aprisionadas devido a mistura na betoneira

Representa (1 a 2 %) do volume total do concreto



76

Os aditivos incorporadores de ar (IAR) também são compostostensoativos iônicos que reduzem a tensão superficial da água.

Moléculas do aditivo

(Mehta/Monteiro)

Aditivos Incorporadores de ar:

Ar incoporado:




77

Incorporador de ar

1. As bolhas de ar se repelem devido a cargas de igual polaridadeatuando em suas superfícies.

2. O sistema de microbolhas é estável, não se desfazendofacilmente mediante vibração convencional. Contribuem para diminuira exsudação.

(Mehta/Monteiro)



Ar incoporado:


78

Ar incoporado:

• Bolhas de 50 a 200 µm.

• Aumenta a fluidez;

Incorporação de ar também é utilizada para resistênciaao fenômeno gelo-degelo.






14



79Micrografia MEV mostrando uma bolha de ar incorporado de 1 mm.


Ar incoporado:

Esféricos



80

FASE 3 FASE 3 –– ÁGUAÁGUA


Pasta – Água


81

Na pasta recém endurecida existe muita água, tanto livre (líquida) ou quimicamente combinada.

Estas “águas” são mais ou menos fáceis de sair do concreto, a pasta que é inicialmente saturada sofre uma perda contínua da água até o equilíbrio com a

umidade do meio ambiente.

Sob calor 100 % da água pode sair.

A ÁGUA NA PASTA ENDURECIDA:


Pasta – ÁguaProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

82

� Quimicamente combinada

� Interlamelar

� Adsorvida

� Capilar ou livre

A água presente na pasta é classificada em função da dificuldade com que pode ser removida.


Pasta – Água


83

1. Água quimicamente combinada de cristalização

• Integra a estrutura física do C-S-H e CH

• Varia de 0,20 a 0,25 kg/kg cimento anidro (para 100 %

de hidratação)

• 500ºC inicia a saída da água nos cristais Ca(OH)2

• 900ºC sai a água das estruturas C-S-H



84

2. Água interlamelar ou água de gel

• “monomolecular”, fixada ao C-S-H por pontes de H

(presa entre as lâminas das estruturas C-S-H)

• apenas se movimenta p/ U.R. < 11% e temp. > 100 ºC;

• Pode causar fluência e forte retração

xxxxxxx

x

x

xxx

x x x x x

Lamela deC-S-H

xxxxxxx

x

x

xxx

x x x x x


Pasta – Água




15



85

3. Água adsorvida

• aderida às superfícies sólidas, sob atração elétrica

(pontes de hidrogênio)

• apenas se movimenta p/ U.R. < 30%;

xxxxxxx

x

x

xxx

x x x x x

xxxxxxx

x

xxx

x x x x x

x

xxxxxxx

x

xxx

x x x x x

x

xxxxxxx

x

xxx

x x x x x

x

xxxxxxx

x

xxx

x x x x x

x

xxxxxxx

x

xxx

x x x x x

x

• Sua saída é o principal

causador da retração por

secagem.

Lamela deC-S-H

6 camadas de água



86

4. Água capilar

• No interior dos vazios;

• (nos poros entre 5 nm e 50 nm) sob efeitos de

tensão capilar → retração hidráulica ou de

secagem

• (nos poros acima de 50 nm) – “água livre”, sua

saída não causa retração


Pasta – Água





88(José Freitas Jr.)


Pasta – Água


89

www.concrete.org

Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado plástico.



90

www.concrete.org

Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido.


Pasta – Água




16



91

http://propriedadesdoconcreto.blogspot.com.br/

Fissuras decorrentes da retração do concreto no estado endurecido.



92

Quais as águas da

pasta hidrata?


Pasta – Água


93



94

AA ZONAZONA DEDE TRANSIÇÃOTRANSIÇÃO::


Zona de Transição


95

Zona de Transição

Zona de Transição


Zona de Transição

A ESTRUTURA DO CONCRETO


96

Onde ocorre preferencialmente a ruptura no concreto

Concreto 1 Concreto 2

Zona de transição


Zona de Transição




17



97

A ZT é a interface entre o agregado e a pasta Espessura de aproximadamente 1/20 mm

É o “elo” mais frágil do concreto

As rupturas em concretos comuns iniciam na zona de transição

A ZONA DE TRANSIÇÃO:Introdução

Prof. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de ConstruçãoESTRUTURA INTERNA

Zona de TransiçãoProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna


agregado

Zona de transição Pasta de Cimento


Zona de Transição

Baixa resistência mecânica da ZT:


99

Baixa resistência mecânica da ZT:

Concentração de “etringita” - cristais grandes, porosos com baixa resistência mecânica

Filme de água - aumenta a/c (exsudação interna)

Os cristais de hidróxido de cálcio se posicionam paralelamente à superfície do agregado, favorecendo a existência de planos de clivagem.

(Paulon, V.; 1991)


Zona de Transição

A ZONA DE TRANSIÇÃO:



agregado

Zona de transição Pasta de Cimento


Zona de Transição


101

Zona de Transição

(Mehta e Monteiro,2006)


Zona de TransiçãoProf. Dr. Ronaldo Medeiros-Junior | Materiais de Construção 1Estrutura Interna

102

Corante azul indicando a maior porosidade da zona de transição no entorno dos grãos dos agregados graúdos.

www.cmc-concrete.com


Zona de Transição




18



103

Exsudação é a tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém lançado, devido ao sua

densidade (1g/cm3) ser menor que a dos agregados (≈2,4g/cm3) e a do cimento (≈ 3,1g/cm3).

Fenômeno faz com que o fator a/c da superfície fique enorme, reduzindo a resistência mecânica na região.

(Granato, Basf)


Zona de Transição

A ZONA DE TRANSIÇÃO: Exsudação


104

21:33

(Mehta e Monteiro,2006)

Exsudação interna é a não visível.

É a água que ao subir fica presa sob os agregados e vergalhões de aço.

A exsudação interna prejudica a aderência da pasta de cimento aos agregados e

vergalhões de aço.


Zona de Transição

Exsudação interna


105Silia Fume Association


Zona de Transição

Exsudação interna


106

A ZONA DE TRANSIÇÃO:

Concreto convencional Concreto de alta resistência - CAR


Zona de Transição


107

ZT “perfeita”

(Aïtcin, 2000)


Zona de Transição

CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO - CADMICROESTRUTURA

FASE AGREGADORocha com alta resistência.Lamelaridade prejudica.

FASE PASTA MATRIZBaixas relações A/A - minimizam vazios.Sílica ativa, mais C-S-H e efeito microfiler.

ZONA DE TRANSIÇÃOBaixas relações A/A e a SA melhoram ZT.


108

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:

•CONCRETO: Estrutura, Propriedades e Materiais, P. Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro, São Paulo: Pini, 1994.

•CONCRETE, Microstucture,Properties and Materials, , P. Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro,

McGraw-Hill, 2006

•Aulas Prof. José Marques Filho

•A microestrutura do concreto convencional – Concreto Ensino, Pesquisa e Realizações – IBRACON, Capítulo 19, Vladimir A. Paulon.

•Considerações sobre a microestrutura do concreto, Luis Fernando Kaefer


Estrutura Interna

Materiais de ConstruçãoA ESTRUTURA DO CONCRETO

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