universidade tecnolÓgica federal do paranÁ aditivos

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

PRTECNOLOGIA AVANÇADA

DO CONCRETO

Prof. Wellington Mazer 01/01

Aditivos



DO CONCRETO


Conceituação

São materiais adicionados ao concreto (que não sejam cimento, água ou agregados) em quantidades inferiores a 5% da massa de cimento.



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Conceituação

Função dos Aditivos

Modificar ou melhorar a

trabalhabilidade, a pega e o

endurecimento, resistência às ações físicas, químicas ou

mecânicas, etc.

Obter regularidade na

fabricação do concreto

Ampliar o campo de aplicação do

concreto Diminuir custos



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Conceituação

Tipos (NBR 11768:2011):

Redutor de água/plastificante (PR, PA, PN)

Alta redução de água/superplastificante tipo I (SP-I R, SP-I A, SP-I N)

Alta redução de água/superplastificante tipo II (SP-II R, SP-II A, SP-II N)

Incorporador de ar (IA)

Acelerador de pega (AP)

Acelerador de resistência (AR)

Retardador de pega (RP)



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Aditivos Redutores de Água

Definições

Química

Efeito no sistema água-cimento

Efeito nas propriedades do concreto fresco

Efeito nas propriedades do concreto endurecido



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Definições

São produtos cuja função principal é produzir concretos com uma

dada trabalhabilidade com menor relação água/cimento que outro

concreto sem o aditivo.

Caso seja mantida a relação água/cimento, haverá um aumento no

abatimento.



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Definições



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Definições

1932 – Sal sufonatado naftaleno formaldeído polimerizado.

Década de 1940 - Lignosulfonatos.

Década de 1950 – Ácidos hidrocarboxilícos.



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Definições

O uso destes aditivos pode produzir os seguintes efeitos:

1 – Manter a trabalhabilidade, reduzindo a relação água/cimento com

consequente aumento da resistência.

2 – Aumentar a trabalhabilidade, sem reduzir a quantidade de água e

mantendo a mesma resistência.

3 – Reduzir a quantidade de cimento mantendo a trabalhabilidade e

resistência.



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Definições

Referência

Resistência = A

Trabalhabilidade = B

Resistência > A


Resistência = A

Trabalhabilidade >= B

Resistência = A


Resistência >= A


Resistência = A

Trabalhabilidade >= B

+ cimento

+ cimento + água

+ aditivo - água

- cimento - água + aditivo

+ aditivo



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Definições

Alguns destes aditivos possuem mais de uma função:

1 – Redutores de água e aceleradores de pega.

2 – Redutores de água e retardadores de pega.

3 – Redutores de água com incorporadores de ar.



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Definições



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Química

Os redutores de água são produzidos, basicamente, a partira de três

bases químicas:

- Lignosulfonatos;

- Ácidos hidrocarboxilícos;

- Polímeros hidroxilados.



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Química

Tipo de aditivo

Normal Com acelerador Com retardador Com incorporador de ar

Lignosulfonato purificado

Lignosulfonato + CaCl2 Lignosulfonato com açúcares

Lignosulfonato impuro

Lignosulfonato + agente eliminador de ar

Lignosulfonato + trietanolamina

Ácido hidrocarboxílico Lignosulfonato + surfactante

Ácido hidrocar-boxilíco em baixa dosagem

Lignosulfonato + Ca Polímero hidroxilado Ácido hidrocarboxílico + surfactante

Polímero hidroxilado em baixa dosagem

Ácido hidrocarboxílico + CaCl2



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Química

Lignosulfonatos:

É um subproduto do processo de fabricação do papel.

Os lignosulfonatos comerciais utilizam formulações

predominantemente com sódio ou cálcio com carbohidratos

(açúcar).



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Química

Lignosulfonatos:

Os sais de sódio utilizados tendem a manter a solubilidade em baixas

temperaturas, e possuem um grau de ionização maior que os sais

de cálcio.



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Química

Ácidos Hidrocarboxílicos:

Como o próprio nome indica, este é um composto da química

orgânica que contém grupos Hidroxila e Carboxila em suas

moléculas.



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Química

Ácidos Hidrocarboxílicos:

Normalmente são utilizados sais de sódio e ocasionalmente são

encontrados sais de amônia ou trietanolamina.



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Química

Polímeros Hidroxilados:

São produtos derivados de polisacarídeos, como o amido de milho,

pela hidrólise parcial de polímeros de menor peso molecular,

contendo até 25 unidades de glicose.



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Química

Polímeros Hidroxilados:

São eficientes redutores de água, mas retardam a pega, então pode

ser necessário adicionar pequenas quantidades de cloreto de

cálcico ou trietanolamina.



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Considerações reológicas:

A fluidez de uma pasta de cimento pode ser medida através do torque

produzido nela em sistema estacionário, com um viscosímetro.



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Relações lineares indicam um escoamento plástico e o valor que

intercepta o eixo das tensões de cisalhamento é denominado de

limite de elasticidade transversal.

A viscosidade do sistema é dada pela declividade da curva em um

trecho linear.



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Entre os diversos parâmetros que influenciam as propriedades do

concreto no estado plástico, é possível isolar os efeitos reológicos

da pasta:

- A consistência ou fluidez é função da viscosidade da pasta;

- A coesão será função do limite de elasticidade transversal da

pasta (“yield stress”).



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Mas como os aditivos redutores de água influenciam na reologia da

pasta?



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Os gráficos indicam os resultados variam em função do tipo de

aditivo, da relação água/cimento e do tipo de cimento.

Resultados típicos para pasta são:



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Aditivos em dosagens normais Média da redução de água (%) (a/c = 0,3 a 0,5)

Lignosulfonato de sódio 10

Gluconato de sódio 16

Naftaleno sulfonado de sódio Polímero formaldeído

26



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Efeitos de superfície inicial:

1 – Forças de atração de Van der Walls – são de grande magnitude

mas só atuam para distâncias entre partículas de 5 a 7 mm.

2 – Repulsão elétrica devido à natureza catódica das valências livres

na superfície das partículas de cimento – são de menor magnitude

mas atuam em distâncias entre partículas de até 15nm.



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Efeitos de superfície inicial:

A adsorção dos aditivos na superfície dos produtos da hidratação do

cimento diminui a atração entre partícula devido à repulsão iônica.



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Efeitos na cinética e nos produtos da hidratação:

Efeitos no calor de hidratação



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Interpretação do modo de ação

Considera-se que os aditivos redutores de água operam por adsorção

sobre os produtos de hidratação do C3A e C3S formando uma

película de aditivo na interface água/cimento.



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Interpretação do modo de ação

Isso resulta em uma repulsão elestrostática das partículas, reduzindo

a fricção entre as partículas, exigindo menor quantidade de

energia para induzir o escoamento no sistema.



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Ar incorporado:

Devido ao processo de mistura do concreto já ocorre uma

incorporação de ar da ordem de 1,5%. O uso de aditivos redutores

de água aumenta este teor, variando com a dosagem e o tipo de

aditivo, sendo em média 1% a mais.



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Trabalhabilidade:



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Perda de trabalhabilidade:



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Redução de água:

Depende de diversos fatores:

- relação agregados/cimento;

- trabalhabilidade desejada;

- quantidade de aditivo adicionada;

- características do cimento;

- tipo de aditivo.



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Redução de água:

Abatimento desejado (mm) Redução na relação água/cimento (%)

50 5 – 8

75 8 – 10

100 10 – 12

150 12 - 15



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Redução de água:

Tipo de aditivo Nível de adição Relação água/cimento

Sem aditivo --- 0,55

Lignosulfonato Normal 0,51

2x 0,49

4x 0,47

Ácido hidrocarboxilíco 2x 0,48

4x 0,46



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Redução de água:

Método de colocação

(0,225% lignosulfonato de cálcio)

Relação água/cimento Abatimento (mm)

Redução de água (%)

Sem adição 0,59 100 ---

Inicial (junto com a água) 0,55 88 6,8

Após 2 min de mistura 0,55 163 6,8

Após 2 min de mistura 0,51 81 13,6



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Parâmetros do projeto estrutural:

Resistência:

Tipo de agregado

Relação água/cimento

Aditivo Fc28 (MPa) Ft28 (MPa)

Quartzo 0,65 Não 30,0 29,6

0,65 Sim 29,3 29,2

Calcário 0,65 Não 29,2 30,5

0,65 Sim 26,7 32,5



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Parâmetros do projeto estrutural:

Permeabilidade:



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Aspectos de durabilidade:

Resistência a sulfatos:

- Melhora no caso da redução da relação a/c.

- Piora no caso da redução do consumo de cimento.



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Aspectos de durabilidade:

Resistência a sulfatos:

Amostra Realção a/c Fator de durabilidae (Ck)

10 meses 20 meses 28 meses

Referência 0,50 1,00 0,73 0,45

Com plastificante 0,47 1,02 0,94 0,87

Com plastificante e redução da quantidade de cimento

0,50 0,94 0,45 0,33



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Aditivos Superplastificantes

Definições

Química






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Definições

São uma categoria especial de agentes redutores de água formulado a

partir de materiais que permitem maiores reduções de água sem os

efeitos colaterais de incorporação de ar ou retardo da pega.



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Química

Os materiais utilizados são:

- Formaldeídeo sulfonado naftaleno (SNF);

- Formaldeído sulfonado melamina (SMF);

- Polímeros à base de poliacrilatos.



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Química

Formaldeídeo sulfonado naftaleno:

Foi um dos primeiros materiais referenciados como agente redutor

de água, mas somente na década de 1970 teve uma aplicação mais

extensiva na produção dos aditivos.



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Química

Formaldeídeo sulfonado naftaleno:

É produzido a partir do naftaleno pela sulfonação de óleo ou trióxido

de enxofre sob condições propícias para a formação do sulfonado

b.

Comercialmente possui uma quantidade de sólidos de 25% a 45%.



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Química

Formaldeídeo sulfonado melamina:

Foi desenvolvido na década de 1950 como dispersante para várias

indústrias, mas somente após 10 anos foi reconhecida a

possibilidade de utilizá-lo em concretos.



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Química


Este produto pode ser utilizado sozinho ou em conjunto com o SNF.

Quando utilizado sozinho apresenta pequeno efeito sobre a

incorporação de ar e o tempo de pega.

Para diminuir a perda de slump é adicionado ácido hidrocarboxílico

em sua formulação.



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Química


As principais características deste tipo de aditivo são:

Característica Valor

Concentração de sólidos 20%

Viscosidade a 20º C 10 cp

pH 8,5

Densidade a 20º C 1,12



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Química

Poliacrilatos:

Os vários tipos de polímeros poliacrilatos são produzidos a partir de

monômeros relevantes pelo processo de radical livre usando

peróxido iniciador, e podem ser polímeros em bloco ou aleatórios

dependendo do grau de pré-polimerização do monômero usado.



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Para o melhor entendimento de como os superplastificantes atuam

nas propriedades do concreto, os estudos costumam ser feitos, por

conveniência, em pastas de cimento.



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Efeitos reológicos

A reologia das pastas de cimento é estudada com a utilização de um

viscosímetro, e analisa-se a relação “taxa de cisalhamento x

tensão de cisalhamento”.



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Efeitos reológicos



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Efeitos reológicos

Admite-se que as pastas de cimento apresentam um comportamento

plástico segundo a Lei de Bingham, onde o ponto onde a curva

taxa de cisalhamento x tensão de cisalhamento intercepta a

abscissa está relacionado com a coesão e a declividade da curva é

a viscosidade aparente, relacionada com a consistência ou

trabalhabilidade do sistema.



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Efeitos reológicos

Os superplastificantes diminuem a tensão de cisalhamento e a

viscosidade plástica das pastas.

Em altas dosagens, o sistema se aproxima de um fluido Newtoniano.



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Adsorção

Os aditivos redutores de água são adsorvidos pelo cimento hidratado,

não permanecendo em solução.

A adsorção é estudada através da filtragem de uma pasta de cimento

com aditivo, em diversos períodos de tempo, e calculada pela

diferença de aditivo utilizado e o existente na solução filtrada.



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Adsorção

SMF e SNF são adsorvidos rapidamente pelo C3A e mais lentamente

pelas fases silicatos.



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Adsorção

A quantidade de superplastificante adsorvida é dependente de:

- Tipo de cimento;

- Finura do cimento;

- Taxa C3S/C2S e C3A/C4AF.



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Cinética da hidratação

Fase C3A

O SNF e o SMF retardam a hidratação do C3A.



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Fase C3A

O peso molecular do aditivo SNF influencia na velocidade do

processo de hidratação do C3A.

A presença de sulfatos com estes aditivos retarda a conversão de

etringita em monossulfatos.



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Fase C3S

O SNF e o SMF retardam a hidratação do C3S.



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Fase C3S

Após o retardo inicial do C3S, ocorre um processo de hidratação

acelerado até os 28 dias, resultando em um grau de hidratação da

pasta igual ou superior ao da pasta sem aditivo.



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Fase C3S

O tipo de quantidade de sulfato e de álcalis influencia no grau de

retardo na hidratação da fase C3S.

O peso molecular do aditivo influencia no grau de hidratação do C3S.



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Ar incorporado

Diferentes tipos de superplastificantes alteram a quantidade de ar

incorporado no concreto no estado fresco e o efeito também

depende do modo como o aditivo é utilizado.



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Ar incorporado

Quando o intuito é produzir concretos com grande trabalhabilidade,

maior quantidade de ar será incorporada, sendo o efeito maior nos

aditivos à base de SNF e poliacrilatos e menores nos SMF.



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Ar incorporado

Quando o intuito é reduzir a relação água/cimento, o aumento na

quantidade de ar incorporado será mínima, especialmente em

concretos com alto consumo de cimento.



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Trabalhabilidade

Perda de abatimento.



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Trabalhabilidade

Perda de abatimento,

Poliacrilato x SNF.



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Tempo de atuação

Depende de diversos fatores, tais como tipo de superplastificante,

cimento, finos, dosagem e forma de uso.



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Tempo de atuação

Quando usado para aumentar a trabalhabilidade, tem-se:

SMF < SNF < Poliacrilatos.

Quando usado para reduzir a/c mantendo o slump, apresentam

desempenho muito similar.



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Resistência à compressão

Quando utilizado para aumentar a trabalhabilidade, não apresenta

grandes efeitos sobre a resistência, mas quando utilizado para

diminuir a relação a/c mostra grande incremento de resistência.



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Aditivos Incorporadores de Ar

Definições

Os aditivos incorporadores de ar são materiais orgânicos,

adicionados na água de amassamento do concreto, que promovem

a entrada de uma quantidade controlada de ar, na forma de

microbolhas, uniformemente dispersas na massa de concreto.

Durabilidade a gelo/degelo

Coesão

Densidade



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Química

A literatura descreve diversos tipos de surfactantes para compor as

formulações dos aditivos incorporadores de ar. Os mais utilizados

são:

- Resinas de madeiras neutralizadas;

- Ácidos gordurosos;

- Alquil-aril sulfonato;

- Alquil sulfonato;

- Etoxilatos fenólicos.



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Química

Resinas de madeira neutralizadas

São materiais derivados de resinas de madeira, constituídos por

misturas complexas contendo ácido acético, ácido primário e

compostos fenólicos.

O produto final é uma solução aquosa com 5% a 20% de material

ativo.



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Química

Ácidos gordurosos

São produtos derivados de óleo de coco e petróleo, sendo

compatíveis com lignosulfonatos e ácido hidrocarboxílicos para a

produção de incorporadores de ar com capacidade de reduzir água

O produto final é uma solução aquosa com 5% a 20% de material

ativo.



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Química

Alquil-aril sulfonatos

O produto mais utilizado é o ortododecilbenzeno sulfonato, que é

uma base surfactante derivada do petróleo.



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Química

Alquil sulfonatos

Existem diversos materiais que se enquadram nesta classe, sendo

compatíveis com agentes redutores de água.



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Química

Etoxilatos fenólicos

Estes produtos diferem dos demais por se tratar de materiais não

iônicos. São muito efetivos em baixos níveis de adição e as

soluções possuem dosagens de 2% a 4% da massa de água.



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Tipo e concentração de aditivo



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Tipo de cimento e relação a/c



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Química da hidratação do cimento



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Para aditivos à base de sódio, pico do C3S não é afetado, mas o pico

do C3A é acelerado e divido em 2 para altas dosagens de aditivo,

porque as reações da etringita e dos monossulfatos são retardadas.



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Para outros aditivos aniônicos, altas dosagens conduzem os retardo

do pico do C3S e o pico do C3A é acelerado.

Os materiais não iônicos produzem efeitos.



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Ensaios de caracterização dos aditivos

Determinação do pH

Determinação do teor de sólidos

Determinação da massa específica

Determinação de cloretos

Homogeneidade (análise infravermelho)



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Ensaios de caracterização dos aditivos

Sempre fazer a verificação da compatibilidade cimento x aditivo.

De maneira prática, o desempenho do aditivo depende de fatores como: Cimento: tipo, marca, lote, local de fabricação, consumo;

Adições: tipo e consumo;

Agregados: forma, tipo (natural ou artificial), granulometria e proporções;

Presença de outros aditivos;

Tempo e seqüência de mistura do concreto;

Temperatura e umidade relativa do ar (ambientes);

Temperatura dos materiais do concreto e do concreto após a mistura;

Consistência inicial do concreto (sem aditivo).

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