PROPRIEDADES TRMICAS DOS MATERIAIS COM FOCO NOS MATERIAIS DE CONSTRUO CIVIL NO CIMENTCIOS

1. ResumoNo presente trabalho, ser abortado o tema Propriedades Trmicas em materiais de construo no cimentcios, que refere-se resposta de um material ao de calor. Dentro do estudo, sero apresentadas as principais definies do tema, influncia da microestrutura na resposta do material ao calor, aplicaes na construo civil e mtodos de anlises baseados na reviso bibliogrfica apresentada ao final do trabalho.

2. IntroduoCallister define propriedade trmica como sendo como a resposta de um material aplicao de calor. Dentro das principais respostas de um material sob tais condies, encontram-se a absoro de calor nos arredores de um material (capacidade calorfica), a alterao dimensional de um corpo (expanso trmica), a capacidade de transferncia de calor (condutividade trmica) e a gerao de tenses internas (tenses trmicas). O estudo e compreenso destas propriedades se faz necessrio pois as mesmas geram influncias, de forma positiva ou negativa, diretamente no comportamento do material perante uma dada situao real de uso, e se no previstas em projeto, poder acarretar em subdimensionamento ou superdimensionamento, gerando perigo na utilizao ou sobrepreo no oramento, respectivamente. Para que se possa avaliar as propriedades trmicas de cada tipo de material e se tenha em mos dados confiveis para escolhas de projeto, so necessrios alguns mtodos anlise trmica de materiais, que podem ser definidos como um grupo de tcnicas, atravs das quais uma propriedade fsica de uma espcie qumica ou seus produtos de reao, medida em funo da temperatura ou tempo, enquanto a mesma submetida a uma programao controlada de temperatura. (CINCOTTO,2014). Dentre os principais mtodos de ensaios, esto a Anlise Trmica Diferencial (DTA), Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG), Termogravimetria Diferencial (DTG), Anlise de Gs Desprendido (EGA) e Calorimetria de Conduo.

3. Propriedades Trmicas3.1. Capacidade TrmicaA capacidade trmica, tambm conhecida por capacidade calorfica, pode ser definida como uma propriedade indicativa da habilidade de um material em absorver calor de sua vizinhana; ela representa a quantidade de energia necessria para produzir um aumento unitrio na temperatura (CALLISTER, 2011).A capacidade trmica (C) quantificada atravs da verificao da quantidade de calor necessria para elevar a temperatura do material em 1 K (=1C), onde em termos matemticos temos:

Sendo dQ a quantidade de calor necessria para produzir uma alterao na temperatura de dT.Na maioria dos materiais slidos, a maior parte da energia trmica assimilada pelo material que contribui para a magnitude da capacidade trmica dada atravs da vibrao atmica que est associada com a relao vibracional dos tomos medida que estes absorvem energia, gerando ondas que podem ser consideradas como ondas elsticas ou simplesmente ondas sonoras com comprimentos de onda pequenos e frequncias muito altas, que se propagam atravs do cristal na velocidade do som. A energia trmica vibracional de um material consiste em uma srie dessas ondas elsticas com uma faixa de distribuies e frequncias. Um nico quantum de energia vibracional chamado de fnon, onde ocasionalmente as prprias ondas vibracionais possuem tal definio. (CALLISTER, 2011). Alm das vibraes atmicas, existem outros mecanismos de absoro de energia que contribuem com a capacidade trmica. Dentre eles esto absoro de energia por eltrons livres nos metais e o desarranjo dos spins eletrnicos nos materiais ferromagnticos (SHACKELFORD, 2008)A capacidade calorfica pode ser quantificada em duas condies ambientais diferentes. Uma mantendo-se constante o volume da amostra, que denominada por Cv, e a outra mantendo-se a presso constante sobre a amostra, que chamada de Cp. Estudos sobre a relao das vibraes atmicas e a capacidade calorfica no incio do sculo XX, mostraram que em temperaturas muito baixas, prximas a 0 K, o valor de Cv varia bruscamente com a temperatura conforme a equao abaixo:

sendo que A uma constante independente da temperatura. Alm disso, temperaturas acima da conhecida como temperatura de Debye (d), o valor de Cv se estabiliza em aproximadamente 3R, onde R constante universal dos gases. (SHACKELFORD, 2008)

3.2. Expanso TrmicaA expanso trmica a propriedade de um material em variar suas dimenses conforme o aumento ou diminuio da temperatura. Este fenmeno pode ser explicado atravs da vibrao trmica dos tomos, que aumentam ou diminuem as distncias de separao mdia dos tomos adjacentes, desta forma a dimenso total do material e uma determinada direo aumenta com elevao da temperatura e diminui com a reduo da temperatura. (SHACKELFORD, 2008). Este efeito pode ser representado atravs da expresso:

Onde : = Comprimento final e inicial respectivamente = Temperatura final e inicial respectivamente Coeficiente linear de expanso trmica Segundo Callister, o coeficiente linear de expanso trmica () uma propriedade do material que indica a capacidade do material de alterar suas dimenses com a variao da temperatura, desta forma, quanto maior for energia da ligao atmica, menor ser o coeficiente de expanso trmica.

3.3. Condutividade trmicaA condutividade trmica de um material uma propriedade definida como a capacidade de transporte de calor de uma regio de alta temperatura para uma regio de baixa temperatura. (CALLISTER, 2011). Matematicamente, a condutividade trmica pode ser definida atravs da expresso a seguir:

Sendo q definido como fluxo de calor, ou transporte de calor, por unidade de tempo por unidade de rea (W/m) e dT/dx o gradiente de temperatura atravs do meio de conduo (W/m.K). A equao vlida somente se o fluxo de calor no varivel com o tempo, ou seja, em regime estacionrio.Os mecanismos envolvidos na conduo de calor nos materiais slidos so as ondas vibratrias de rede (fnons) e eltrons livres. Desta forma, para a composio do valor de condutividade trmica dado por:

refere-se a parcela referente s ondas vibratrias de rede que contribuem com a condutividade trmica atravs de um movimento resultante dos fnons das regies de alta temperatura para as de baixa temperatura, onde existe um gradiente de temperatura. indica a parcela de condutividade trmica devido aos eltrons livres que ganham energia cintica nas regies mais quentes e consequentemente migram para as partes mais frias, onde parte da energia cintica transferida aos tomos na forma de energia vibracional.

3.4. Tenses TrmicasAs tenses trmicas so tenses induzidas dentro de um material slido ao qual submetido a variaes de temperatura. Tais propriedades so de grande importncia nos estudos das propriedades trmicas pois as aes resultantes das tenses trmicas podem gerar fraturas no material e deformaes plsticas indesejadas.Os principais fenmenos que podem gerar tenses trmicas so a restrio expanso e contrao trmica, o gradiente de temperaturas e o choque trmico de materiais frgeis.Nas tenses geradas por restrio expanso e contrao trmica, estes esforos so devidos a variao do comprimento inicial pela expanso trmica que contrabalanceado com as reaes geradas na restrio do movimento. Desta forma, a partir da lei de Hooke e da equao da expanso trmica, temos a tenso trmica gerada pode ser expressa pela seguinte equao:

Sendo E o mdulo de elasticidade do material, e referente deformao devido a expanso trmica.Os gradientes de temperatura geram tenses devido s variaes diferenciais de dimenses adjacentes, causando esforos alternados de compresso e trao nas regies adjacentes.Nos materiais dcteis, as tenses trmicas induzidas pela ao do calor podem ser aliviadas com as deformaes plsticas do material, o que j no ocorre nos materiais frgeis. Desta forma, o resfriamento rpido de um corpo frgil pode gerar fraturas frgeis devido ao choque trmico ao introduzir tenses de trao. (CALLISTER, 2011)

4. A relao das propriedades trmicas com o processamento, microestrutura, e desempenho dos materiais de construo civilA microestrutura fator marcante quando se considera as caractersticas dos materiais. a disposio da microestrutura de um material que define, por exemplo, as propriedades trmicas dos mesmos. Dessa forma, extremamente importante entender a metodologia de processamento (fabricao) desses materiais, pois sabe-se que organizao das suas microestruturas so diretamente influenciadas pelo seu processamento.

(a)(b)

Figura 1: (a) Representao esquemtica do polietileno. Estrutura linear (termoplstico), onde as nicas foras que ligam molculas adjacentes so de Van Der Waals. (b) Representao esquemtica de polmeros que apresentam ligaes cruzadas (termofixos) (Fonte: Van Vlack, 2000)

Relacionado condutividade trmica, os polmeros so considerados isolantes trmicos. Suas transferncias de calor so realizadas por ondas de vibrao das molculas da cadeia estrutural, ou por rotao das mesmas ( Quanto mais cristalina a estrutura molecular do polmero, mais efetivas so as propagaes das vibraes, e consequentemente maior sua condutividade trmica. Alm do grau de cristalinidade, outro fator influente na condutividade trmica dos polmeros o teor de poros presentes em sua estrutura, de forma que quanto maior o teor de poros, menor sua condutividade trmica.Um polmero muito utilizado na engenharia civil poliestireno expandido (EPS), comumente chamado de isopor. Alm de apresentar baixo custo, baixa densidade e baixa absoro de gua, o EPS um bom isolante trmico. Fatores que viabilizam sua utilizao em enchimentos para lajes e paredes, ou como agregado para concretos de baixa densidade.

4.1. Metais e o AoOs metais por sua vez, apresentam uma expansibilidade trmica de magnitude mediana, ou seja, coeficientes lineares de expansibilidade trmica intermedirios. Sua condutividade trmica extremamente boa, sendo considerados ento condutores trmicos. Nos metais, as transferncias de calor so realizadas principalmente por eltrons livres, encontrados em grande nmero nos metais (. Segundo Callister, o mecanismo eletrnico de transferncia de calor mais eficiente que as vibraes diretas das molculas da cadeia estrutural, pois os eltrons no so facilmente espalhados como os fnons, alm de possurem maiores velocidades.Algumas ligas metlicas de baixa expanso ou de expanso controlada, foram desenvolvidas para aplicaes especficas que exigem estabilidades dimensionais mesmo em ocasies onde h variaes de temperatura. Essas ligas especiais, so utilizadas em tiras bimetlicas (Figura 2) para microchaves de segurana em sistemas de aquecimento de gua e em tubulaes de transporte de gs natural liquefeito, por exemplo.

Figura 2: Um dos metais utilizados tem maior coeficiente de dilatao trmica que a liga de baixa expanso. Dessa forma, tenses de trao e compresso so induzidas pelas altas temperaturas, ativando assim o circuito de segurana.

A utilizao dos metais na fabricao de equipamentos para leituras e anlises trmicas muito comum. Sua grande condutibilidade trmica otimiza a preciso das leituras e evita variaes em ensaios.O ao a mais importante liga metlica, sendo utilizada em larga escala na fabricao de mquinas, ferramentas e na construo civil. um material de fcil acesso, tendo em vista que seu processo de extrao e fabricao relativamente econmico. Porm, ressalta-se que ao analisar a combinao do ao com o concreto na construo civil, suas caractersticas trmicas apresentam certo risco. Ao se expandir mais que o concreto, quando submetido a altas temperaturas, a movimentao volumtrica do ao gerar tenses de cisalhamento quais o concreto no capaz de suportar. Dessa forma, fissuras sero induzidas internamente no concreto, reduzindo consequentemente sua resistncia. 4.2. Cermicas e os RefratriosAs fortes ligaes interatmicas presentes em alguns materiais cermicos garantem que seus coeficientes de expanso trmica sejam ainda menores que os dos metais, alm de possurem caractersticas isotrpicas, para as cermicas de estruturas no-cristalinas ou cristalinas cbicas. Nos demais casos, os coeficientes de dilatao so anisotrpicos podendo, inclusive, apresentar contraes em certas direes e expanses em outras. Os materiais cermicos so considerados isolantes trmicos, j que o mecanismo de transferncia de calor negativamente influenciado por vrios fatores. Ao contrrio dos metais, os materiais cermicos possuem poucos eltrons livres, sendo ento os fnons responsveis pela condutividade trmica (). Alm da condutividade trmica ser deficiente quando feita atravs dos fnons, a incidncia de imperfeies na microestrutura dos materiais cermicos grande, impactando de forma muito negativa a eficincia dos fnons. O aumento do teor de poros tambm uma opo para reduzir a condutividade trmica dos materiais cermicos. Segundo Callister, o aumento dos espalhamentos das vibraes da rede se torna ainda mais pronunciado com o aumento da temperatura. Dessa forma, os materiais cermicos se tornam ainda mais isolantes trmicos com o aumento da temperatura.Considerando a empregabilidade dos refratrios, esses materiais cermicos so capazes de manter caractersticas fsico-qumicas mesmo quando submetidos a altas temperaturas. Possuem coeficientes de expanso trmica extremamente baixos, alm de serem isotrpicos, evitando assim variaes dimensionais no-uniformes, que gerariam fissuras e/ou rompimentos. Os refratrios so utilizados de vrias formas: desde tijolos para churrasqueiras ou fornos de aquecimento, at revestimentos para fornos de altssimas temperaturas, como o forno de clnquer para fabricao de cimento (qual atinge cerca de 2000C) ou caldeiras de usinas de acar e lcool, mantendo suas caractersticas isolantes.

5. Ensaios existentes para anlise de propriedades trmicas5.1. Anlise Trmica Diferencial (DTA)A Anlise Trmica Diferencial (Differential Thermal Analysis, DTA), a tcnica que monitora a diferena de temperatura entre a amostra em anlise e outra de referncia, em funo do tempo ou da temperatura, admitindo que estejam ambas sujeitas s mesmas condies ambientais, a uma taxa de aquecimento ou de resfriamento selecionada (CINCOTTO, 2014). A propriedade quantificada por esse tipo de anlise trmica a liberao ou consumo de calor. Havendo algum tipo de alterao fsica ou qumica na amostra, o programa de aquecimento detecta as alteraes de temperatura. Quando a temperatura da amostra for maior que a de referncia, caracteriza-se uma reao exotrmica, onde a amostra libera calor. Ao modo que, caso a temperatura seja menor que a da referncia, a reao ser endotrmica, ou seja, absorve calor.Atravs dessa anlise possvel detectar transies de fase (fuso, ebulio, sublimao, congelamento, inverses de estrutura cristalina), reaes de desidratao, reduo e algumas decomposies para reaes do tipo endotrmicas. Para efeitos exotrmicos as cristalizaes, oxidaes e decomposies.A representao dos ensaios apresenta-se como uma curva (figura 1), onde os picos em relao linha base T, indicam o comportamento Endotrmico ou Exotrmico.

Figura 1 Representao das curvas tpicas de variao de temperatura e seus respectivos efeitos endotrmico e exotrmico (CINCOTTO,2014).

Para obter resultados significativos, alguns cuidados devem ser tomados para realizar a anlise, como: garantir o aquecimento sob taxa uniforme, a escolha adequada do recipiente da amostra (recipientes metlicos possuem melhores propriedades trmicas, afetando menos o ensaio), adequado controle de temperatura e posicionamento correto dos termossensores que recolhem os dados medidos (MACKENZIE; MITCHELL, 1962).

5.2. Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC) A Calorimetria Exploratria Diferencial (Differential Scanning Calorimetry DSC) uma anlise trmica que registra a quantidade de energia em forma de calor requerida para manter a diferena de temperatura da amostra em anlise e a de referncia igual zero, em funo do tempo ou da temperatura, a uma taxa de aquecimento ou de resfriamento selecionada, admitindo ambas nas mesmas condies ambientais. Ela determina a quantidade de calor requerida para as transformaes endotrmicas e exotrmicas que ocorrem na amostra ensaiada (CINCOTTO, 2014).Podemos diferenciar a DTA da DSC no seguinte aspecto, de acordo com a DIN 51 007, a Anlise Trmica Diferencial (DTA) adequada para a determinao de temperaturas caractersticas, enquanto que o Calormetro Diferencial de Varredura (DSC), adicionalmente, permite a determinao de valores calricos como calor de fuso ou calor de cristalizao (CINCOTTO E COELHO, 2015). Os mtodos como so determinadas tambm um fator a se considerar: a) Na DSC a fonte de aquecimento e os sensores so individuais, tanto na referncia quanto na amostra, o que no ocorre na DTA, onde amostra e referncia so aquecidas simultaneamente por uma mesma fonte de aquecimento e a diferena de temperatura devida ao consumo de liberao de energia da amostra, consequente s transformaes que ocorrem ao longo do aquecimento; b) enquanto a DTA mede variao de temperatura em funo da temperatura e calibrada para convert-la em energias de transio, a DSC a obtm diretamente, sem fatores de converso em unidades de energia, neste caso, a energia a fornecida amostra ou referencia de modo a manter ambas a uma mesma temperatura (CINCOTTO, 2014).A partir da DSC podemos caracterizar uma gama de materiais como polmeros, cermicas, vidros, metais e ligas, fibras, plsticos e compsitos (RAMACHANDRAN et. al., 2002).

5.3. Termogravimetria (TG)A Termogravimetria (TG) determina a variao de massa de uma amostra em funo do tempo, a uma determinada temperatura (temperatura constate) ou a variao de massa durante um perodo de aquecimento a uma taxa controlada (aquecimento constante) (CINCOTTO, 2014).A anlise realizada por um equipamento provido de balana e forno de aquecimento. O programa do equipamento monitora a perda de massa medida que se aumenta a temperatura. Ao fim do experimento obtida uma curva do tipo perda de massa x temperatura.Comumente so utilizados trs tipos de termogravimetria, sendo elas: a) Isotrmica, onde a massa registrada em funo de uma temperatura constante (estudo da cintica da reao); b) Quasi-isotrmica, a amostra aquecida at massa constante a cada srie de aumento de temperaturas; c) Dinmica, onde a amostra aquecida num ambiente cuja temperatura esta variando de uma maneira pr-determinada, preferencialmente uma razo linear, sendo a dinmica mais utilizada dentre as apresentadas (CINCOTTO E COELHO, 2015).

5.3.1. Termogravimetria diferencial (DTG)Corresponde primeira derivada da curva TG, em funo do tempo ou da temperatura, onde so exibidos picos correspondentes s alteraes de massas ao longo do aquecimento da amostra. As informaes obtidas pela curva DTG no se diferem da TG, sendo apenas uma maneira mais simples para se interpretar. A figura 2 apresenta a curva TG e sua correspondente DTG.

Figura 2 Curva DTG e comparao com a correspondente curva TG (CINCOTTO, 2014)

Das diversas aplicaes da TG podemos relacionar as seguintes para os materiais de construo civil: caracterizao de materiais (minrios, argilas, cimentos); termo-decomposio de espcies qumicas orgnicas (polmeros) e inorgnicas; corroses de metais (ligas) e, diferentes atmosferas, testes de resistncia qumica; determinao de umidade, frao voltil e teor de cinza, entre outras.

5.4. Calorimetria de ConduoA Calorimetria de Conduo, tambm conhecida como calorimetria isotrmica, uma tcnica simples e direta de acompanhar a cintica das reaes de hidratao. comumente utilizada na construo civil para determinao do fluxo de calor (taxa de calor liberado) durante a hidratao de qualquer tipo cimento, pois permite obter informaes como o grau de hidratao, mecanismo de hidratao, o efeito dos aditivos e o endurecimento.O procedimento de anlise realizado sob temperatura constante, onde sensores de fluxo de calor comparam o fluxo obtido do material com uma amostra de referncia, analisando qual a intensidade e as reaes presentes na amostra (endotrmica ou exotrmicas). Uma vantagem deste tipo de anlise para cimentos que permite determinar a taxa de evoluo de calor a qualquer momento, desde os primeiros minutos de mistura do cimento com a gua. A reao de hidratao do cimento caracteriza-se por exotrmica, e o total de calor depende do tipo de composio, rea superficial, reativadade e etc. A figura 3 exibe taxa de calor liberado durante a hidratao do cimento Portland.

Figura 3: Representao esquemtica da taxa de liberao de calor durante a hidratao do cimento Portland. Indicao das etapas da reao: (I): perodo de molhagem ou de pr-induo; (II) Perodo de induo;(III) Perodo de acelerao; (IV) perodo de desacelerao; e (V) Estgio Final (Fonte: Adaptado de CALLISTER, 2011)

6. Consideraes finaisAs respostas dos materiais frente s aes do calor e da variao de temperatura podem gerar efeitos indesejveis no desempenho dos materiais de construo civil, desta forma as propriedades trmicas devem ser amplamente estudadas e conhecidas pelos engenheiros na elaborao e escolha adequada de projeto e materiais, respectivamente.As principais propriedades trmicas (capacidade calorfica, expanso trmica, condutividade e tenses trmicas) so funo, principalmente, do tipo de material (cermicos, polmeros, metlicos) e consequentemente suas ligaes interatmicas, que interferem diretamente na forma como o material se comporta frente s variaes de temperatura. A capacidade de um material absorver calor de sua vizinhana definida por capacidade trmica. Em relao esta propriedade, diversos so os tipos de mecanismos que contribuem na absoro do calor, dos quais foram apresentados: o aumento vibracional atmico, que atravs dos fnons assimilam a maior parte de energia trmica contribuinte para a capacidade calorfica nos materiais slidos; os eltrons livres dos metais e o desarranjo dos spins eletrnicos nos materiais ferromagnticos.A expanso trmica est associada com o aumento ou diminuio no distanciamento interatmico (que ocasionam a expanso e contrao do material) devido o respectivo acrscimo ou decrscimo da temperatura que geram diferentes ondas vibracionais produzindo tal fenmeno.O transporte de energia trmica em um material, ou condutividade trmica, nos materiais slidos, causada pelo transporte de calor atravs de eltrons livres e ondas vibracionais, ou fnons.As tenses trmicas surgem principalmente devido trs mecanismos que so: a expanso e contrao trmica; o gradiente de temperaturas; e o choque trmico de materiais frgeis. As tenses so induzidas devido variao das medidas lineares ou volumtricas de um corpo que ao restringir o movimento destes materiais ou variarem atravs de gradientes, geram esforos internos de equilbrio.Para anlise das propriedades trmicas dos materiais, existem diversos mtodos de ensaio disponveis (DTA, DSC, TG, DTG e Calorimetria de Conduo), e conhecer os mtodos de ensaio e os resultados esperados imprescindvel para dominar as propriedades trmicas de um material e consequentemente, a engenharia de materiais.

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