Princípios da Ciência dos Materiais Cimentícios: Produção, Reações, Aplicações e Avanços Tecnológicos

De Daniel Véras Ribeiro

O escopo do livro Princípios da Ciência dos Materiais Cimentícios: produção, reações, aplicações e avanços tecnológicos é muito mais amplo que o dos livros existentes, que tendem a se concentrar em cimento e concreto, e permite observar a versatilidade da equipe de autores. Felizmente, inclui tópicos que, de forma usual, são solenemente ignorados pela literatura tradicional, como os vários tipos de argamassas (que consomem provavelmente 40% do cimento brasileiro), materiais cimentícios reforçados com fibras e até novos cimentos (geopolímeros e os de fosfato de magnésio, por exemplo), incluindo os métodos de dosagem. A abordagem, embasada na ciência de materiais, na química e na físico-química oferece ao leitor uma perspectiva mais moderna e funcional do que a dos livros tradicionais. Mas, a tecnologia está presente e, em muitas passagens, os autores fornecem diferentes perspectivas e soluções tecnológicas para um mesmo problema, permitindo uma avaliação mais ampla das opções disponíveis aos profissionais. É importante observar que os conteúdos não se limitam às normas técnicas (sempre voláteis e frequentemente resultantes de acordos) que, no Brasil, muito frequentemente têm ignorado os conhecimentos técnicos estabelecidos, mas, apresenta, também, conceitos e métodos mais atualizados e avançados. Esta abordagem oferece ao leitor uma nova perspectiva das normas brasileiras e, ao mesmo tempo, permite que este se aproprie de ferramentas novas, úteis no enfrentamento dos problemas atuais. Em um escopo desta amplitude nenhum tópico é esgotado.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 25 de mai. de 2021
• ISBN: 9786525002224

Pré-visualização do livro

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O principal objetivo da educação é criar pessoas capazes de fazer coisas novas e não simplesmente repetir o que outras gerações fizeram.

(Jean Piaget)

SOBRE OS AUTORES

Daniel Véras Ribeiro (coordenador)

Professor da Universidade Federal da Bahia, Docente Permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA) e do Centro Interdisciplinar de Energia e Meio Ambiente (CIEnAm/UFBA). Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Bahia (2004), mestrado em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (2006) e doutorado (2010) e pós-doutorado (2011) em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos. Desenvolveu, ainda, estágio de pós-graduação na Universidade de Aveiro, no Instituto Superior Técnico de Viana do Castelo e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), ambos em Portugal e possui especialização em Gestão Ambiental (UFSCar, 2007). Foi vencedor do Prêmio Nacional de Teses Marechal-do-Ar Casimiro Montenegro Filho (2011), promovido pela Secretaria Nacional de Assuntos Estratégicos (SAE). É Diretor Regional da ALCONPAT Brasil e do IBRACON e coordena o Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa) e o Laboratório de Ensaios Mecânicos (LEM), sendo ainda assessor ad hoc do CNPq, CAPES e da FACEPE para a área de Engenharias I, revisor de diversos periódicos nacionais e internacionais, Editor-Chefe da Revista Ambiente Construído e coordenador do Comitê Técnico IBRACON/ALCONPAT 702 (Procedimentos para Ensaios de Avaliação da Durabilidade das Estruturas de Concreto). Atua no desenvolvimento de materiais para a Engenharia Civil, com ênfase em concretos e argamassas, com foco no desenvolvimento em novos materiais, reutilização de resíduos industriais, reologia de matrizes cimentícias e análise da durabilidade de materiais e componentes. Autor dos livros Resíduos Sólidos: Problema ou Oportunidade? (Interciência, 2009) e Corrosão e Degradação em Estruturas de Concreto: Teoria, Controle e Técnicas de Análise e Intervenção (Elsevier, 2013 e 2018), com fator IH-12 (Scopus) nos últimos 10 anos. Orcid: 0000-0003-3328-1489

Bruna Silva Santos

Possui graduação (2017) e mestrado (2020) em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Representou a UFBA nas competições estudantis promovidas pelo IBRACON (2015-2017) e desenvolveu pesquisas no LEDMa sobre durabilidade de matrizes cimentícias, com foco na reação de carbonatação e reação álcali-agregado, reologia, concreto leve, concreto de alta-resistência e concreto colorido. Atualmente é subsecretária do Comitê Técnico IBRACON/ALCONPAT CT-702 - Procedimentos para Ensaios de Avaliação da Durabilidade das Estruturas de Concreto. Orcid: 0000-0002-1635-5979

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Cléber Marcos Ribeiro Dias

Professor da Universidade Federal da Bahia e Docente Permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA). Técnico em Construção de Estradas pela Escola Técnica Federal da Bahia (ETFBa, atual IFBA). Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Bahia (2002), mestrado (2005) e doutorado (2011) em Engenharia de Construção Civil e Urbana pela Universidade de São Paulo (USP). Recebeu Menção Honrosa no Prêmio Tese-destaque USP do biênio 2011-2012. Atuou como pesquisador de Centro de Inovação CETREL S/A entre 2009 e 2013. Atuou em Instituições de ensino superior da rede Estácio (2010 – 2012), Devry (2013 - 2017) e Laureate (2012 – 2017). Atualmente é Vice-coordenador do Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa) e pesquisador da área de Materiais de Construção que atua nos temas: materiais com gradação funcional, biomimética, compósitos engenheirados, fibrocimentos, misturas cimentícias, geopolímeros, ligantes álcali-ativados, impressão 3D, durabilidade dos materiais, materiais alternativos para a construção, planejamento e delineamento estatístico de experimentos com misturas. Orcid: 0000-0001-5104-9240

Henrique Almeida Santana

Possui graduação em Ciências Exatas e Tecnológicas (2015) e em Engenharia Civil (2017) pela Universidade Federal do Recôncavo da Bahia (UFRB) e Mestrado em Engenharia Civil (2020) pela Universidade Federal da Bahia (UFBA), onde, atualmente, é doutorando, atuando como pesquisador do Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa/UFBA). Desenvolveu pesquisas sobre durabilidade de argamassas industrializadas, análises térmicas de fachadas e materiais pozolânicos. Atua nas áreas de matrizes geopoliméricas, cimentos álcali-ativados, manufatura aditiva e polímeros termoplásticos. Orcid: 0000-0003-1425-943

Igor Brumano Coelho Amaral

Possui graduação em Ciência e Tecnologia (2013) pela Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM), e em Engenharia Civil (2016) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV), além de mestrado em Geologia (2019) pela Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM). Atualmente é doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA) e pesquisador do Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa/UFBA). Atua em pesquisas na área de utilização de resíduos na produção de novos materiais e manufatura aditiva, com ênfase em cerâmica estrutural, materiais álcali-ativados e resíduos de mineração de ferro, garimpo e resíduos industriais. Revisor de alguns periódicos nacionais, autor do livro Patologias mais comuns na construção civil (UFVJM, 2018) e da patente do software SDren 1.0 (INPI, 2018). Orcid: 0000-0003-3580-0289

José da Silva Andrade Neto

Possui graduação em Engenharia Civil (2018) pela Universidade Federal da Bahia (UFBA) e mestrado em Engenharia Civil, com ênfase em Construção e Infraestrutura (2021) pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), com período sanduíche na Universidade de Málaga, Espanha. Realizou iniciação científica no Centro Tecnológico das Argamassas (CETA) tendo como foco a reologia de argamassas industrializadas e no Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa) trabalhando com clínquer e cimento Portland, hidratação do cimento Portland, geopolímeros e materiais álcali-ativados, materiais pozolânicos, nanotubos de carbono, reologia e durabilidade. Durante o mestrado atuou como pesquisador do Laboratório de Inovação em Cimentos Ecoeficientes (LINCE/UFRGS), estudando a hidratação dos polimorfos do C3A e do C3S, otimização de sulfatos e o uso do fosfogesso como controlador de pega. Orcid: 0000-0001-9655-2659

Marcelo Strozi Cilla

Professor da Universidade Federal da Bahia, Docente Permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA) e colaborador do Centro Interdisciplinar de Energia e Meio Ambiente (CIEnAm/UFBA). Possui graduação (1999) em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos e mestrado (2011) e doutorado (2015) em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos e em Engenharia Industrial pela Università degli Studi di Padova, na Itália. Possui, ainda, pós-doutorado CAPES-PNPD na Universidade Federal de Campina Grande (2016) e especialização MBA em Gestão Empresarial pela Universidade de São Paulo (USP, 2005). Atuou no desenvolvimento de estruturas geopoliméricas porosas em parceria com o grupo de pesquisa em cerâmicas porosas da Università degli Studi di Padova (Itália) sob coordenação do professor Ing. Paolo Colombo (UNIPD/Itália) como bolsista FAPESP. Sócio fundador da empresa Green Casting Comércio de Resinas Ltda., para a produção e comercialização de resinas ecológicas derivadas de óleo de mamona para moldes de areia de fundição. Atuou no desenvolvimento de fiação de nanofibras cerâmicas por solution blow spinning (SBS) e processos de freeze casting em cerâmicas porosas. Atualmente trabalha com o desenvolvimento de novos ligantes cimentícios álcali ativados, reuso de resíduos industriais e manufatura aditiva por impressão 3D. Publicou diversos artigos em congressos nacionais e internacionais e em periódicos indexados, atuando também como revisor de periódicos nacionais e internacionais. Orcid: 0000-0001-7984-6620

Nilson Santana de Amorim Jr.

Possui graduação (2017) e mestrado (2020) em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Bahia. Atualmente é doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA) e pesquisador do Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa/UFBA). Atuou em diversas pesquisas envolvendo materiais para construção civil, com ênfase em clínquer e cimento Portland, materiais pozolânicos, concreto permeável, geopolímeros e materiais álcali-ativados, reaproveitamento de resíduos (resíduos de construção civil e industriais) além da análise da durabilidade de concretos (corrosão e gelo-degelo), agressividade ambiental e concretos auto curáveis. É revisor de diversos periódicos e Secretário do Comitê Técnico IBRACON/ALCONPAT CT-702 - Procedimentos para Ensaios de Avaliação da Durabilidade das Estruturas de Concreto. Publicou diversos artigos em congressos nacionais e internacionais e em periódicos indexados. Orcid: 0000-0002-0726-4645

Paulo Roberto Lopes Lima

Professor Pleno da Universidade Estadual de Feira de Santana e Docente Permanente do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil e Ambiental da UEFS e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFBA. Possui graduação (1993) em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Feira de Santana, mestrado (1996) e doutorado (2004) em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e doutorado (2010) e pós-doutorado (2016) na Universidade do Minho, Portugal, com bolsa de Estágio Senior/CAPES. Especialista em Gestão da Inovação Tecnológica (UEFS, 2012). Publicou artigos em periódicos indexados, capítulos de livro e trabalhos completos em anais de eventos, com ênfase em concreto com fibras, compósitos com fibras vegetais, concreto armado, durabilidade e aproveitamento de resíduos na construção civil. Desde 2007 vem trabalhando também no aperfeiçoamento de tecnologias sociais para captação e armazenamento de água da chuva utilizadas no semiárido brasileiro. Criou, em 2010, o Grupo de Pesquisa Materiais e Produtos com Fibras Vegetais (PROFIV) que vem trabalhando no desenvolvimento de elementos construtivos que incorporem fibras vegetais em colaboração com vários parceiros: COPPE/UFRJ, UESC, UFBA, EMBRAPA, UMinho/Portugal. Pesquisador do LEDMa/UFBA e NUMATS/UFRJ. Atualmente é Diretor do Departamento de Tecnologia da UEFS, Diretor Técnico da Regional IBRACON do Interior da Bahia e subcoordenador de um dos grupos de trabalho do CT IBRACON/ALCONPAT 702. Membro do CT IBRACON/ABECE 303 e da Comissão de Estudos CE02 Estruturas de Concreto Reforçado com Fibras do CB 02 da ABNT. Editor Associado da Revista Ambiente Construído, assessor ad hoc do CNPq, CAPES e da FAPESB e revisor de periódicos nacionais e internacionais, com fator IH-10 (Scopus). Autor do livro Manual Técnico para a Construção de Pequenas Obras de Abastecimento de Água no Semiárido Brasileiro. Orcid: 0000-0003-2937-9520

Silas de Andrade Pinto

Possui graduação em Engenharia Civil (2013) pela Universidade Católica do Salvador (UCSal) e mestrado em Engenharia Ambiental e Urbana (2016) pela Universidade Federal da Bahia (MEAU/UFBA). Atualmente é doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA) e pesquisador do LEDMa/UFBA. Atuou como professor em instituições de ensino superior do grupo Devry, UNIDOM e Senai-CIMATEC. Possui diversos artigos publicados em congressos nacionais e internacionais e periódicos, sendo revisor da revista Ambiente Construído e Secretário do Comitê Técnico IBRACON/ALCONPAT 702 (Procedimentos para Ensaios de Avaliação da Durabilidade das Estruturas de Concreto). Atua na avaliação da agressividade ambiental e na durabilidade de matrizes cimentícias contendo materiais pozolânicos e nanomateriais (nano-sílica e nanotubos de carbono). Orcid: 0000-0003-0445-1872

Thaís Pinto Lôbo Siqueira

Possui graduação (2017) e mestrado em Engenharia Civil (2020) pela Universidade Federal da Bahia. Desenvolveu um ano de sua graduação na University of Wyoming (EUA) pelo Programa Federal Ciência sem Fronteiras com bolsa CAPES. Atuou, ainda como pesquisadora convidada na University of Illinois at Chicago (UIC), desenvolvendo pesquisa acerca de concreto de ultra-alta performance (UHPC) sob orientação do professor Dr. Mohsen Issa. Atuou em pesquisas que tiveram como tema a carbonatação de matrizes cimentíceas e a incorporação de finos de rocha granítica e areia artificial em concretos autoadensáveis. Orcid: 0000-0003-1124-5698

Tiago Assunção Santos

Possui graduação em Engenharia Ambiental (2014) pela Faculdade de Ciências e Tecnologia-Área 1 e mestrado em Engenharia Ambiental e Urbana (2017) pela Universidade Federal da Bahia (MEAU/UFBA). Atualmente é doutorando do Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente (PGEnAm/UFBA) e pesquisador do Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa/UFBA). Desenvolveu pesquisas sobre o reaproveitamento de resíduos sólidos (industriais e agroindustriais) na construção civil, nanotubo de carbono, produção de pozolanas, clínqueres e cimentos Portland, hidratação do cimento Portland e avaliação de ciclo de vida (ACV). Atua, também, como revisor dos periódicos Ambiente Construído e Construction and Building Materials. Possui experiência na área ambiental, em específico, no gerenciamento e reuso de resíduos sólidos, publicando diversos artigos em congressos nacionais e internacionais e periódicos. Orcid: 0000-0002-4850-0384

AGRADECIMENTOS

A Deus, por mais um sonho realizado e por nos dar força para superar todos os momentos de adversidade, nas esferas pessoal e profissional.

Aos meus pais, Everaldo (in memoriam) e Carmen, grandes incentivadores em todos os nossos projetos. A educação sempre foi o grande legado deixado por eles e os frutos brotam como consequência de toda essa dedicação.

Ao meu grande amigo e eterno orientador, Márcio Morelli, pelos conselhos e apoio desde o início de carreira, com tantas dificuldades.

Ao professor Vanderley Moacyr John (USP), renomado e experiente pesquisador, com atuação em diversos trabalhos técnicos sobre matrizes cimentícias, sendo um dos pioneiros na aplicação da Ciência dos Materiais aos materiais de construção em nosso país, que nos agraciou com um belo texto, prefaciando esta obra.

Aos integrantes do LEDMa, os colegas docentes Cléber Ribeiro Dias, Marcelo Strozi Cilla e Paulo Roberto Lopes Lima; e pesquisadores discentes Bruna Silva Santos, Henrique Almeida Santana, Igor Brumano Coelho Amaral, José da Silva Andrade Neto, Nilson Santana de Amorim Jr., Silas de Andrade Pinto, Thaís Pinto Lôbo Siqueira e Tiago Assunção Santos, que abrilhantaram esta obra, dando suas valiosas contribuições na redação de cada um de seus capítulos.

Aos professores pioneiros no ensino e pesquisa na área de materiais cimentícios na Escola Politécnica da UFBA, tais como Hernani Savio Sobral, José Clodoaldo Cassa e Adailton de Oliveira Gomes, além do pesquisador Alexandre Machado, que ajudou a plantar a semente a Ciência dos Materiais de construção em nossa instituição.

Aos colegas do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPEC/UFBA), Dayana Costa, Sandro Lemos, Vanessa Silveira e Carlos Alberto, além do técnico laboratorial Paulo César Sant’Anna, pela força e pelo apoio, fazendo do ambiente de trabalho uma extensão de meu lar.

Aos jovens pesquisadores que compõem o Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa), que são a certeza de um futuro promissor para a área, cujos resultados e apoio enriqueceram esta nova edição ou enriquecerão as futuras edições, em especial à ex-pesquisadora do LEDMa Bruna Mariani, cujos resultados de pesquisa ajudaram a enriquecer este livro.

Às empresas e às instituições que acreditaram neste trabalho, consolidando seu comprometimento com a ciência e a tecnologia, apoiando iniciativas que visem desenvolvê-las em nossa região. Deixamos aqui um agradecimento especial aos patrocinadores da obra: Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), Intercement, Lacrose Engenharia, Grupo Civil e Impertudo.

À minha esposa, Adriana (Drica, Adri ou Dri), sempre presente e apoiando os meus projetos. Aos sempre presentes, Nina e Tobias. A Micael e aos amigos pelo apoio incondicional, além de todos que, direta ou indiretamente, colaboraram para que este livro se tornasse uma realidade.

Daniel Véras Ribeiro

Coordenador da Obra

APRESENTAÇÃO

É como muita satisfação que apresentamos esta obra, que aborda diversas temáticas dentro da Ciência dos Materiais Cimentícios, indo desde a hidratação até os avanços tecnológicos mais recentes.

A obra, desenvolvida a partir de 2019 e finalizada em 2020, durante a pandemia do Covid-19, surge em um momento em que há muita dificuldade em se encontrarem referências especializadas a respeito do tema e disponíveis para os engenheiros e pesquisadores em geral, ao mesmo tempo que cresceram as demandas pelo assunto, bastante influenciadas, no Brasil, pela publicação de novas normas sobre cimentos e pelo aumento da pressão sobre as cimenteiras quanto a aspectos ambientais.

Um aspecto que nos traz muita felicidade e que deve ser fruto de atenção dos leitores é o fato de termos 12 autores distribuídos entre os 10 capítulos desta obra, sendo que todos eles são ou foram vinculados ao LEDMa, na condição de discentes, ex-discentes ou docentes. É uma grande vitória e fruto de uma transformação ocorrida na ciência regional ao longo dos últimos anos. Os frutos começam a brotar e isso nos dá força a seguir em frente.

Se observarmos os capítulos que compõem esta primeira edição, nota-se a formação multidisciplinar dos autores, auxiliando no entendimento das particularidades do mundo do cimento: engenheiros civis, engenheiros de materiais de diferentes áreas e engenheiro ambiental que, juntos, contribuem, de forma fundamental.

O professor Vanderley Moacyr John, autor de diversas referências técnicas e um dos mais reconhecidos pesquisadores do país, presenteia-nos com um excelente texto que prefacia esta obra, mostrando seu entusiasmo sobre o estudo das matrizes cimentícias.

O livro é iniciado com uma discussão a respeito do processo de produção, comparando os tipos de cimento Portland e apontando seus aspectos positivos e negativos. Além disso, também é discutido o processo sinterização do clínquer Portland e formação de suas principais fases mineralógicas com consequência nas propriedades do cimento.

No Capítulo 2, é discutido o complexo processo de hidratação do cimento Portland. Pelo fato de ser um material multifásico, sua hidratação consiste em uma série de reações químicas individuais que acontecem paralela e sucessivamente, que são desencadeadas a partir do contato com a água.

O Capítulo 3 trata do uso dos materiais cimentícios suplementares, tão importantes por questões técnicas, econômicas e ambientais. Nesse sentido, diversos métodos estão sendo desenvolvidos, visando a não geração de resíduos ou sua reutilização no processo produtivo. Entre as possibilidades existentes, está o uso desses resíduos como materiais cimentícios suplementares (MCS), também conhecidos como adições minerais.

Nem só de cimento Portland vive o mundo do cimento. Assim, o Capítulo 4 trata dos ligantes alternativos, com destaque para o cimento de aluminato de cálcio (CAC), o cimento belítico, o cimento sulfoaluminato de cálcio belítico (CSAB), o cimento de silicato de cálcio (CSC), LC³, os cimentos álcali-ativados e o cimento de fosfato de magnésio (chemically bonded phosphate ceramic, CBPC).

Se quisermos utilizar os diversos tipos de cimento de forma adequada, precisamos estabelecer parâmetros de qualidade mínimos e avaliar continuamente a qualidade desses materiais. Nesse sentido, o Capítulo 5 é focado nas técnicas de caracterização de matrizes cimentícias, sendo um guia de consulta a usuários iniciantes e experientes.

No Capítulo 6, os conceitos mais modernos a respeito da reologia de matrizes cimentícias são discutidos. Para um melhor entendimento de todos os fenômenos envolvidos no escoamento de um fluido complexo como as matrizes cimentícias, devem-se compreender os conceitos de fluxo, viscosidade e tensão de escoamento, que são apresentados neste capítulo.

No Capítulo 7, são abordadas as matrizes cimentícias reforçadas com fibras (naturais e sintéticas), compósitos que ganham cada vez mais espaço na construção civil, com propriedades diferenciadas e, muitas vezes, menor custo.

No Capítulo 8, são tratados alguns dos diversos métodos de dosagem aplicados às misturas cimentícias, desde os mais simples e empíricos até métodos modernos de dosagem, sem ter a audácia de esgotar esse quase infinito tema.

A degradação das matrizes cimentícias é foco do Capítulo 9. Com o desenvolvimento de normatização nacional sobre durabilidade de matrizes cimentícias (argamassas e concretos), é um tema que desperta cada vez mais interesse do corpo técnico na engenharia civil. Por ser um dos principais focos de trabalho do grupo, apresenta um volume de informações destacado.

Para finalizar com chave de ouro e mirando o futuro, o Capítulo 10 discute avanços tecnológicos em matrizes cimentícias com alto nível de inovação, tais como matrizes translúcidas, os aerogéis, impressão 3D e até matrizes cimentícias produzidas em microgravidade. Será que veremos isso acontecendo de fato? Só o tempo dirá...

Assim, percebe-se que este livro aborda o tema de forma bastante detalhada e completa, trazendo diversos aspectos do mundo da Ciência dos Materiais cimentícios, fornecendo aos leitores de todos os níveis as informações necessárias para a iniciação ou o aprofundamento na área.

Os autores esperam que a obra sirva de inspiração para engenheiros e pesquisadores e que estes desfrutem das informações aqui contidas com a mesma satisfação que nós tivemos em escrevê-la, servindo como vetor de disseminação dessas informações.

Prof. Dr. Daniel Véras Ribeiro

Coordenador da Obra

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PREFÁCIO

Escrever é difícil. Escrever um livro, com todo o desafio de organização de um texto longo, é ainda mais duro. E, em se tratando de um livro técnico, no Brasil, as chances de remuneração pecuniária à altura do esforço são nulas. Quem decide enfrentar o desafio busca oferecer aos leitores, profissionais no mercado ou ainda em formação, uma síntese do conhecimento disperso em um crescente número de artigos altamente especializados, publicados por cientistas de todo mundo. É, portanto, um ato de generosidade dos autores para a comunidade. A organização é sempre pessoal e, quase sempre, sofre influências da realidade em que os autores atuam, o que amplifica as possibilidades de utilização. Além disso, é quase inevitável que ele inclua o trabalho dos autores.

Não surpreende que todas essas características sejam encontradas neste livro. Os jovens autores, vinculados ao Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais da Escola Politécnica da UFBA (LEDMa/UFBA), uma das mais tradicionais escolas de engenharia brasileira, organizam a vasta e complexa ciência e tecnologia dos materiais cimentícios. Ao lado de conceitos mais fundamentais, introduzem o melhor dos resultados que geraram. A Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia (EPUFBA) tem tradição em ensino e pesquisa na área de materiais cimentícios, tendo contado com professores do porte de Hernani Savio Sobral, José Clodoaldo Cassa e Adailton de Oliveira Gomes – este último um dos pioneiros na tecnologia de argamassas, tópico tradicionalmente negligenciado pela engenharia. O leitor poderá não apenas encontrar valiosas informações para resolver muitos dos seus problemas, mas, também, tendências que, esperamos, possam inspirar inovações e inovadores capazes de gerar riquezas, uma das condições para que nosso país saia da pobreza a que permanece condenado e, também, ajudar a resolver nossos crescentes e graves problemas ambientais globais e locais.

Os materiais cimentícios são, de longe, o produto artificial de maior consumo no planeta, com uma taxa metabólica global atual de, aproximadamente, quatro toneladas por habitante. Sua presença é ubíqua e define o ambiente construído e a civilização que conhecemos: sua acumulação na crosta terrestre é um dos marcadores do holoceno, a era geológica definida pela ação humana. Países com alta qualidade de vida e elevado IDH contam com um estoque de edifícios e infraestrutura muito maior que o dos países em desenvolvimento.

A sustentabilidade social exige que essa mesma qualidade ambiental seja oferecida para a crescente população dos países em desenvolvimento. Isso irá requerer um crescimento substancial da produção desse material nas próximas décadas. Como mostram os estudos de fluxo de material, atualmente, a produção dos materiais cimentícios consome cerca de 1/3 do total de recursos naturais extraídos do planeta. E, em consequência, geram uma fração equivalente de resíduos, a maior parte dentro da malha urbana. Geram entre 6% e 8% do CO2 antropogênico.

O grande desafio da cadeia de valor da construção e da engenharia, em particular, já é buscar inovações que permitam desacoplar o atendimento das crescentes demandas sociais dos impactos ambientais, incluindo o consumo de recursos naturais. Esse não é um desafio trivial: a escala de consumo é viabilizada por uma tecnologia extremamente sofisticada e flexível, que evoluiu nos últimos 200 anos. Certamente, o cimento Portland em todas suas variantes é utilizado por especialistas para construir obras sofisticadas, aplicando os mais avançados equipamentos, aditivos dispersantes e conhecimentos científicos. Mas a maior parcela da produção é consumida por leigos, muito deles iletrados, para fazer, ampliar ou reparar suas casas em regime de autoconstrução. Soluções que atendam às necessidades desses diferentes mercados a custo competitivo e impacto ambiental substancialmente mais baixo são necessárias. Novas ideias e ferramentas estão presentes em todas as partes deste livro.

O escopo desta obra é muito mais amplo que o dos livros existentes, que tendem a se concentrar em cimento e concreto, e permite observar a versatilidade da equipe. Felizmente, inclui tópicos que, de forma usual, são solenemente ignorados pela literatura tradicional, como os vários tipos de argamassas (que consomem provavelmente 40% do cimento brasileiro), materiais cimentícios reforçados com fibras e até novos cimentos (geopolímeros e os de fosfato de magnésio, por exemplo), incluindo os métodos de dosagem.

A abordagem embasada na Ciência dos Materiais, na Química e na Físico-Química oferece ao leitor uma perspectiva mais moderna e funcional do que a dos livros tradicionais. Mas a tecnologia está presente e, em muitas passagens, os autores fornecem diferentes perspectivas e soluções tecnológicas para um mesmo problema, permitindo uma avaliação mais ampla das opções disponíveis aos profissionais. É importante observar que os conteúdos não se limitam às normas técnicas (sempre voláteis e frequentemente resultantes de acordos) que, no Brasil, muito frequentemente têm ignorado os conhecimentos técnicos estabelecidos, mas, apresentam, também, conceitos e métodos mais atualizados e avançados. Essa abordagem oferece ao leitor uma nova perspectiva das normas brasileiras e, ao mesmo tempo, permite que este se aproprie de ferramentas novas, úteis no enfrentamento dos problemas atuais. Em um escopo dessa amplitude, nenhum tópico é esgotado, no entanto, os autores oferecem aos leitores abundantes referências bibliográficas atualizadas, que hoje estão acessíveis de forma quase instantânea a qualquer um conectado à internet.

Este livro é uma contribuição relevante de um grupo jovem e em rápida evolução. Os autores estão de parabéns!

São Paulo, 11 de julho de 2020

Professor Dr. Vanderley Moacyr John¹

Universidade de São Paulo (USP)

Sumário

CAPÍTULO 1

PROCESSO DE PRODUÇÃO E TIPOS DE CIMENTO 29

Tiago Assunção Santos, José da Silva Andrade Neto, Daniel Véras Ribeiro

1.1. INTRODUÇÃO 29

1.2. HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DA PRODUÇÃO 29

1.3. IMPACTOS AMBIENTAIS 31

1.4. PROCESSO PRODUTIVO 34

1.4.1. Extração das Matérias-primas 35

1.4.2. Métodos de Dosagem 35

1.4.2.1. Diagrama de Fases Ternário 36

1.4.2.2. Equações de Bogue 37

1.4.2.3. Módulos químicos 37

1.4.3. Produção da Farinha 40

1.4.4. Síntese do clínquer Portland 40

1.4.4.1 Fases do clínquer Portland 43

1.4.4.2. Uso de mineralizantes 48

1.4.5. Obtenção do cimento Portland 50

1.5. TIPOS DE CIMENTO PORTLAND BRASILEIROS 50

1.5.1. Cimento Portland Comum (CP I) 53

1.5.2. Composto (CP II) 53

1.5.3. Cimento Portland de Alto-Forno (CP III) 54

1.5.4. Cimento Portland Pozolânico (CP IV) 54

1.5.5. Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V ARI) 55

1.5.6. Cimento Portland Branco (CP Branco) 55

1.5.7. Cimentos resistentes a sulfatos (RS) 56

1.5.8. Cimento com Baixo calor de hidratação (CP BC) 57

1.6. REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS NA PRODUÇÃO DE CIMENTO PORTLAND 57

1.6.1. Resíduos adicionados ao clínquer 57

1.6.2. Coprocessamento 58

1.6.3. Mineralizantes – Estudo de Caso 59

REFERÊNCIAS 60

CAPÍTULO 2

HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND 67

José da Silva Andrade Neto, Tiago Assunção Santos, Daniel Véras Ribeiro

2.1. INTRODUÇÃO 67

2.2. MECANISMOS DE HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND 67

2.2.1. Hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) 68

2.2.2. Hidratação dos silicatos 70

2.2.3. Evolução do calor de hidratação do cimento Portland 72

2.3. PRODUTOS DA HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND 76

2.3.1. Silicatos de cálcio hidratado (C-S-H) 76

2.3.2. Portlandita (CH) 78

2.3.3. Etringita (AFt) 79

2.3.4. Fases AFm 80

2.4. MICROESTRUTURA DA MATRIZ CIMENTÍCIA 82

2.4.1. Sólidos na pasta de cimento hidratada 83

2.4.2. Vazios na pasta de cimento hidratada 83

2.4.3. Água na Pasta de Cimento hidratada 84

2.5. FATORES QUE INFLUENCIAM NA HIDRATAÇÃO DO CIMENTO 86

2.5.1. Relação água/cimento 86

2.5.2. Finura do Cimento 86

2.5.3. Temperatura 87

2.5.4. Presença de aditivos superplastificantes 88

2.5.5. Presença do óxido de zinco 88

REFERÊNCIAS 91

CAPÍTULO 3

MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES 95

Tiago Assunção Santos, Nilson Santana de Amorim Jr., Daniel Véras Ribeiro

3.1. INTRODUÇÃO 95

3.2. MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES (MCS) 95

3.2.1. Materiais Cimentícios Suplementares Não Pozolânicos 98

3.2.1.1. Fíler Calcário 100

3.2.1.2. Fíler Quartzoso 101

3.2.1.3. Escória de Alto-Forno 103

3.2.2. Materiais Cimentícios Suplementares Pozolânicos 104

3.2.2.1. Sílica Ativa 106

3.2.2.2. Metacaulim 107

3.2.2.3. Cinza Volante 108

3.3. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL POZOLÂNICO DE MCS 110

3.3.1. Métodos Diretos 110

3.3.1.1. Difração de raios-X (DRX) 110

3.3.1.2. Termogravimetria 111

3.3.1.3. Método de Fratini 113

3.3.1.4. Método de Chapelle Modificado 115

3.3.2. Métodos Indiretos 116

3.3.2.1. Condutividade Elétrica (método proposto por Luxán e colaboradores) 116

3.3.2.2. Calor de hidratação 118

3.3.2.3. Índice de atividade pozolânica (IAP) 118

3.4. ESTUDOS DE CASO 120

3.4.1. Cinza de Bagaço de Cana-de-Açúcar (CBCA) 120

3.4.2. Avaliação da Pozolanicidade do Minério Não Reagido (MNR) e dos Finos de Resíduo de Construção Civil (FRCC) 124

REFERÊNCIAS 126

CAPÍTULO 4

LIGANTES ALTERNATIVOS 131

Nilson Santana de Amorim Júnior, Henrique Almeida Santana, Tiago Assunção Santos, José da Silva Andrade Neto, Marcelo Strozi Cilla, Daniel Véras Ribeiro

4.1. INTRODUÇÃO 131

4.2. CIMENTO DE ALUMINATO DE CÁLCIO (CAC) 132

4.2.1. Síntese do Clínquer de Aluminato de Cálcio 132

4.2.2. Composição Mineralógica do Cimento de Aluminato de Cálcio 133

4.2.3. Hidratação do Cimento de Aluminato de Cálcio 134

4.3. CIMENTO BELÍTICO 135

4.3.1. Síntese do Clínquer Belítico 135

4.3.2. Composição Mineralógica do Cimento Belítico 136

4.3.3. Hidratação do Cimento Belítico 137

4.4. CIMENTO SULFOALUMINATO DE CÁLCIO BELÍTICO (CSAB) 137

4.4.1. Sinterização do Clínquer de Sulfoaluminato de Cálcio 137

4.4.2. Constituintes Mineralógicos do Clínquer de Sulfoaluminato de Cálcio Belítico 138

4.4.3. Hidratação do Cimento Sulfoaluminato de Cálcio Belítico 138

4.5. CIMENTO DE SILICATO DE CÁLCIO (CSC) 139

4.5.1. Síntese do Clínquer de Silicato de Cálcio 139

4.5.2. Composição Mineralógica do Cimento de Silicato de Cálcio 140

4.5.3. Carbonatação do Cimento de Silicato de Cálcio 141

4.6. LC³ (LIMESTONE CALCINED CLAY CEMENT) 142

4.6.1. Composição dos cimentos LC³ 143

4.6.2. Produção dos cimentos LC³ 143

4.6.3. Hidratação 144

4.6.4. Reologia e Desempenho Mecânico 146

4.6.5. Durabilidade 146

4.7. CIMENTOS DE FOSFATO DE MAGNÉSIO (MPC) 150

4.7.1. Composição Mineralógica do Cimento de Fosfato de Magnésio 151

4.7.2. Matérias-Primas 152

4.7.2.1. Óxido de Magnésio 153

4.7.2.2. Monofosfato dihidrogênio amônio (ADP) 155

4.7.2.3. Ácido bórico 155

4.7.2.4. Tripolifosfato de sódio (STPP) 156

4.7.3. Cinética das Reações 156

4.7.3.1. Dissolução de óxidos e formação do sols por hidrólise 158

4.7.3.2. Reação ácido-base e formação do gel por condensação 158

4.7.3.3. Saturação e cristalização do gel em cerâmica 158

4.7.4. Microestrutura e Propriedades do Cimento de Fosfato de Magnésio 158

4.7.5. Aplicações para o Cimento de Fosfato de Magnésio 159

4.7.5.1. Moldes de gesso 159

4.7.5.2. Construção civil 159

4.7.5.3. Estabilização e Solidificação de Resíduos 160

4.8. LIGANTES ÁLCALI-ATIVADOS 162

4.8.1. Geopolimerização 164

4.8.1.1. Mecanismo de geopolimerização 164

4.8.1.2. Relações Molares Importantes 167

4.8.2. Cimentos Álcali-Ativados 168

4.8.3. Matérias-Primas 169

4.8.3.1. Materiais Precursores 169

4.8.3.2. Materiais ativadores 170

4.8.4. Limitações e Desafios Futuros 170

4.8.4.1 Viabilidade técnica e financeira 170

4.8.4.2 Limitações de aplicações 170

REFERÊNCIAS 172

CAPÍTULO 5

TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATRIZES CIMENTÍCIAS 185

Tiago Assunção Santos, José da Silva Andrade Neto, Daniel Véras Ribeiro

5.1. INTRODUÇÃO 185

5.2. TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 185

5.2.1. Análise Granulométrica 185

5.2.1.1. Peneiramento 185

5.2.1.2. Granulometria a laser 186

5.2.2. Análise de Área Superficial Específica 189

5.2.2.1. Método B.E.T. (Brunauer, Emmet e Teller) 190

5.2.2.2. Método Blaine 191

5.2.3. Análise de Massa Específica 192

5.2.4. Determinação do Tempo de pega 193

5.2.4.1. Agulha de Vicat 193

5.2.4.2. Medida da velocidade de propagação de pulso ultrassônico (VPU) 195

5.2.4.3. Calorimetria 198

5.2.5. Avaliação da Expansibilidade 202

5.2.6. Porosidade 202

5.2.6.1. Porosidade aparente 203

5.2.6.2. Distribuição de tamanho de poros 203

5.3. TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA 209

5.3.1. Caracterização Química por Fluorescência de Raios-X (FRX) 209

5.3.2. Caracterização Mineralógica por Difração de Raios-X (DRX) 210

5.3.3. Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) 214

5.3.4. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) 218

5.3.5. Espectroscopia Raman 221

5.4. RETRAÇÃO QUÍMICA 222

5.5. TÉCNICAS DE ANÁLISES TÉRMICAS 224

5.5.1. Termogravimetria (TG) 224

5.5.2. Análise Térmica Diferencial (DTA) 229

5.5.3. Análise Exploratória Diferencial (DSC) 230

5.5.4. Calorimetria 234

5.6. TÉCNICAS DE ANÁLISE MORFOLÓGICA E MICROESTRUTURAL 235

5.6.1. Microscopia Ótica (MO) 236

5.6.2. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 242

5.6.2.1. Interação feixe-amostra e tipos de detectores 242

5.6.2.2. Preparação das Amostras 246

5.6.2.3. Aplicações em matrizes cimentícias 247

5.6.3. Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) 249

5.7. TÉCNICAS DE ANÁLISE FÍSICO-MECÂNICA DE MATERIAIS CIMENTÍCIOS 251

5.7.1. Densidade e porosidade aparentes 251

5.7.2. Absorção de água por capilaridade 251

5.7.3. Determinação da resistência à tração 252

5.7.3.1. Tração direta 252

5.7.3.2. Tração na flexão 253

5.7.3.3. Tração por compressão diametral 254

5.7.4. Resistência à compressão axial 255

5.7.4.1. Ensaios de compressão indicados para Caracterização do cimento 255

5.7.4.2. Ensaios de compressão axial em argamassas 256

5.7.4.3. Ensaios de compressão axial em concreto 256

5.7.5. Determinação do módulo de elasticidade estático 257

5.7.5.1. Módulo de elasticidade tangente inicial – tensão fixa 259

5.7.5.2. Módulo de elasticidade tangente inicial – deformação específica 259

5.7.5.3. Módulo de elasticidade secante a uma tensão específica 260

5.7.6. Determinação do módulo de elasticidade dinâmico 261

REFERÊNCIAS 263

CAPÍTULO 6

REOLOGIA DAS MATRIZES CIMENTÍCIAS 269

Thaís Pinto Lobo Siqueira, José da Silva Andrade Neto, Cléber Marcos Ribeiro Dias, Daniel Véras Ribeiro

6.1. INTRODUÇÃO 269

6.2. CONCEITOS BÁSICOS 269

6.2.1. Conceito de Fluxo 269

6.2.2. Conceito de Viscosidade 270

6.2.3. Conceito de Tensão de Escoamento 271

6.3. MODELOS REOLÓGICOS 271

6.3.1. Modelo Newtoniano 271

6.3.2. Modelos Não-Newtonianos 272

6.3.2.1. Comportamentos reológicos independentes do tempo 273

6.3.2.2. Comportamentos reológicos dependentes do tempo 275

6.4. FATORES QUE AFETAM A REOLOGIA DAS MATRIZES CIMENTÍCIAS 276

6.4.1. Influência das Partículas Finas 277

6.4.2. Influência das Partículas Grossas (agregados) 278

6.4.3. Influência do Procedimento de Mistura 278

6.5. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA 278

6.5.1. Ensaios Monoponto 278

6.5.1.1. Espalhamento na mesa de consistência (flow table) para argamassas 280

6.5.1.2. Ensaio Dropping Ball para argamassas 281

6.5.1.3. Ensaio Gtec Test para argamassas 282

6.5.1.4. Ensaio de miniespalhamento para argamassas 283

6.5.1.5. Abatimento de tronco de cone (slump test) para concreto 283

6.5.1.6. Espalhamento, tempo de escoamento e índice de estabilidade visual (IEV) para concretos autoadensáveis 285

6.5.1.7. Ensaio de Funil V para concretos autoadensáveis 287

6.5.1.8. Ensaios de Caixa-L e Caixa-U para concretos 288

6.5.1.9. Anel-J 289

6.5.2. Ensaios Polipontos 290

6.5.2.1. Reometria 291

6.5.2.2. Squeeze-flow 294

6.6. APLICAÇÕES PRÁTICAS DA REOLOGIA 299

6.6.1. Argamassas de assentamento 300

6.6.2. Argamassas de revestimento e argamassa colante 300

6.6.3. Argamassas autonivelantes (contrapiso) 300

6.6.4. Argamassas projetadas 301

6.6.5. Concreto autoadensável (CAA) 301

6.6.6. Concreto bombeado 302

REFERÊNCIAS 302

CAPÍTULO 7

COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS 307

Paulo Roberto Lopes Lima, Cléber Marcos Ribeiro Dias

7.1. INTRODUÇÃO 307

7.2. EVOLUÇÃO DAS MATRIZES CIMENTICIAS PARA COMPÓSITOS 307

7.3. TIPOS DE FIBRAS UTILIZADAS 309

7.3.1 Propriedades físicas e mecânicas das fibras 311

7.3.2. Geometria 312

7.4. TRABALHABILIDADE DOS COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS (CCRF) 315

7.4.1. Ensaio de consistência VeBe (VB Test) 318

7.4.2. Ensaio de Mesa de Graff (flow table test) 319

7.4.3. Ensaio de cone invertido 320

7.4.4. Ensaio de fluidez com LCL workabilimiter 322

7.5. ADERÊNCIA FIBRA-MATRIZ 323

7.5.1 Zona de transição fibra-matriz 324

7.5.2. Ensaio de arrancamento (pull-out test) 326

7.5.3. Fatores que afetam a aderência 328

7.5.3.1. Influência da matriz 328

7.5.3.2. Influência da fibra 328

7.6. COMPORTAMENTO MECÂNICO 332

7.6.1. Resistência à tração direta 332

7.6.2. Resistência à Compressão 337

7.6.3 Comportamento dos compósitos sob flexão 342

7.6.3.1. Ensaio de flexão 343

7.6.3.2. Tenacidade na flexão 344

7.6.3.4. Determinação da tensão residual 346

7.7. MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO DOS COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS REFORÇADOS COM FIBRAS (CCRF) 350

7.7.1. Mecanismos de degradação das fibras 351

7.7.2. Efeitos da degradação das fibras 353

7.7.3. Mecanismos de degradação da interface fibra-matriz 354

7.7.4. Os efeitos da degradação da interface fibra-matriz 355

REFERÊNCIAS 357

CAPÍTULO 8

MÉTODOS DE DOSAGEM DE MATRIZES CIMENTÍCIAS 369

Henrique Almeida Santana, Cléber Marcos Ribeiro Dias, Thaís Pinto Lôbo Siqueira, Paulo Roberto Lopes Lima

8.1. INTRODUÇÃO 369

8.2. DESAFIOS DA DOSAGEM MODERNA 370

8.3. MÉTODOS DE DOSAGEM DE ARGAMASSAS 372

8.3.1. Argamassas tradicionais 372

8.3.1.1. Método CETA – EPUFBA 373

8.3.1.2. Método de Selmo (1989) 374

8.3.1.3. Método granulométrico-reológico 375

8.3.1.4 Método da curva granulométrica 377

8.3.2 Argamassa estabilizada 378

8.3.3. Argamassas autonivelantes 380

8.4. MÉTODOS DE DOSAGEM DE CONCRETOS 383

8.4.1. Concretos convencionais 383

8.4.1.1. Método ABCP/ACI 384

8.4.1.2. Método IBRACON 388

8.4.2. Concretos autoadensáveis (CAA) 390

8.4.2.1. Método de dosagem proposto por Okamura e Osawa (1995) 391

8.4.2.2. Método de dosagem proposto pela EFNARC (2002/2005) 392

8.4.2.3. Método de dosagem proposto por Gomes et al. (2003) 394

8.4.2.4. Método de dosagem proposto por Tutikian (2004) 395

8.4.2.5. Método de dosagem proposto por Repette-Melo (2005) 397

8.4.2.6. Método de dosagem proposto por Tutikian e Dal Molin (2007) 398

8.4.2.7. Outros métodos 399

8.4.3. Concretos de alto desempenho (CAD) 399

8.4.4. Concretos reforçados com fibras 400

8.4.4.1. Método do teor limite de fibras 401

8.4.4.2. Método Baron-Lesage 401

8.4.4.3. Método da trabalhabilidade limite 403

8.4.4.4. Método baseado no modelo de reologia de pasta 404

8.4.4.5. Método baseado na viscosidade plástica 406

8.5. DOSAGEM POR MEIO DO DELINEAMENTO ESTATÍSTICO DE EXPERIMENTOS COM

MISTURAS 407

8.5.1. Estabelecimento das formulações de base 408

8.5.2. Projeto de vértices extremos 411

8.5.3. Metodologia Screening 412

8.5.4. Preparo e caracterização das formulações de base 413

8.5.5. Análise dos dados e elaboração dos modelos 414

8.5.6. Determinação da formulação ótima 416

8.5.7. Exemplos de aplicações do delineamento estatístico de experimentos com misturas (DEEM) 418

8.5.7.1. O uso do DEEM na dosagem de fibrocimentos 418

8.5.7.2. O uso do DEEM na dosagem de argamassas estabilizadas 426

8.5.7.3. O uso do DEEM na dosagem de misturas geopoliméricas autoadensáveis 430

REFERÊNCIAS 435

CAPÍTULO 9

DEGRADAÇÃO DAS MATRIZES CIMENTÍCIAS 441

Bruna Silva Santos, Nilson Santana de Amorim Junior, Daniel Véras Ribeiro

9.1. INTRODUÇÃO 441

9.2. CAUSAS FÍSICAS DE DETERIORAÇÃO 443

9.2.1. Ação dos ciclos de gelo-degelo 443

9.2.1.1. Comportamento anômalo da água 443

9.2.1.2. Ação dos ciclos de gelo-degelo 444

9.2.1.3. Ação do congelamento na pasta de cimento endurecido 444

9.2.1.4. Fatores que controlam a resistência ao congelamento 446

9.2.1.5. Fator de Durabilidade 451

9.2.2. Desgaste da superfície 452

9.2.2.1. Abrasão 452

9.2.2.2. Erosão 453

9.2.2.3. Cavitação 454

9.3. CAUSAS QUÍMICAS DE DETERIORAÇÃO 455

9.3.1. Ataque Ácido 455

9.3.2. Carbonatação 456

9.3.2.1. Fatores que influenciam a velocidade da profundidade de carbonatação 461

9.3.2.2. Ensaios de Avaliação da Carbonatação 467

9.3.3. Reação Álcali-Agregado (RAA) 473

9.3.3.1. História 473

9.3.3.2. Mecanismo de Ocorrência e Tipos de RAA 474

9.3.3.3. Fatores condicionantes 479

9.3.3.4. Métodos de avaliação da RAS 482

9.3.3.5. Mitigação da RAS 485

9.3.4. Ataque por Sulfatos 489

9.3.4.1. Fontes de sulfatos 491

9.3.4.2. Formas de ataques por sulfatos 492

9.3.4.3. Mecanismos dos ataques por sulfatos 493

9.3.4.4. Teoria da pressão de cristalização 498

9.3.4.5. Ataque interno de sulfatos induzido pelo calor 500

9.3.4.6. Avaliação do ataque por sulfatos 501

9.3.4.7. Mitigação do ataque por sulfatos 504

9.3.4.8. Diferenças entre DEF e RAA 506

9.4. BIODETERIORAÇÃO 506

9.4.1. Biodeterioração Física ou Mecânica 507

9.4.2. Biodeterioração Estética 507

9.4.3. Biodeterioração Química 508

9.4.3.1. Biodeterioração química assimilatória 508

9.4.3.2. Biodeterioração química não assimilatória 508

9.5. DETERIORAÇÃO POR AÇÃO DO FOGO 508

REFERÊNCIAS 510

CAPÍTULO 10

AVANÇOS TECNOLÓGICOS EM MATRIZES CIMENTÍCIAS 521

Silas Andrade Pinto, Igor Brumano Coelho Amaral, Nilson Santana de Amorim Jr., Henrique Almeida Santana, Marcelo Strozi Cilla, Cléber Marcos Ribeiro Dias, Daniel Véras Ribeiro

10.1. INTRODUÇÃO 521

10.2. NANOTECNOLOGIA EM MATRIZES CIMENTÍCIAS 522

10.2.1. Nanossílica (Nano-SiO2) 523

10.2.1.1. Produção de nanossílica 523

10.2.1.2. Efeitos da nanossílica na matriz cimentícia 523

10.2.2. Nanotitânia (Nano-TiO2) 524

10.2.2.1. Produção da nanotitânia 525

10.2.2.2. Aplicações da nanotitânia 525

10.2.3. Nanotubos de Carbono (NTC) 528

10.2.3.1. Produção de nanotubos de carbono 528

10.2.3.2. Efeitos da adição de nanotubos de carbono na matriz cimentícia 529

10.2.4. Dispersão dos Nanomateriais 531

10.2.4.1. Métodos de Dispersão 531

10.2.4.2. Avaliação da eficiência da dispersão – Potencial Zeta 535

10.3. MANUFATURA ADITIVA – IMPRESSÃO 3D 537

10.3.1. Tecnologias de manufatura aditiva disponíveis e avanços recentes 539

10.3.2. Propriedades Reológicas e Mecânicas 541

10.4. MATERIAIS COM MUDANÇA DE FASE (PCM) 544

10.4.1. Princípio de atuação 545

10.4.2. Classificação dos PCMs 546

10.4.2.1. PCMs Orgânicos 546

10.4.2.2. PCMs Inorgânicos 546

10.4.2.3. Misturas Eutéticas 547

10.4.3. Propriedades dos PCMs 547

10.4.4. Limitações dos PCMs 548

10.4.4.1. Separação de fases 548

10.4.4.2. Super-resfriamento 548

10.4.4.3. Resistência ao fogo 549

10.5. MATERIAIS CIMENTÍCIOS AUTORREPARÁVEIS 549

10.5.1. Autocura autógena 550

10.5.2. Autocura autônoma 550

10.5.2.1. Encapsulamento 550

10.5.2.2. Sistema vascular 550

10.5.2.3. Imobilização 551

10.5.3. Tipos de materiais de autocura do concreto 551

10.5.3.1. Bacterianos 551

10.5.3.2. Poliméricos 552

10.5.3.3. Compostos Químicos 552

10.5.4. Autocura associada à carbonatação 553

10.5.5. Eficiência da autocura 553

10.6. MATERIAIS CIMENTÍCIOS COM GRADAÇÃO FUNCIONAL 554

10.6.1. Formas de gradação em compósitos cimentícios 556

10.6.2. Aplicações do conceito de MGF em compósitos cimentícios 556

10.7. OUTRAS INOVAÇÕES 558

10.7.1. Concreto Translúcido 558

10.7.2. Aerogel 559

10.7.3. Matrizes Cimentícias Produzidas em Microgravidade 560

REFERÊNCIAS 561

CAPÍTULO 1

PROCESSO DE PRODUÇÃO E TIPOS DE CIMENTO

²

Tiago Assunção Santos

José da Silva Andrade Neto

Daniel Véras Ribeiro

1.1. INTRODUÇÃO

O cimento Portland é um material pulverulento, com partículas entre 1 µm e 100 µm, constituído de silicatos e aluminatos de cálcio (além de sulfato de cálcio) que, ao serem misturados com água, apresenta plasticidade e trabalhabilidade para ser moldado em diferentes formas. O cimento reage com a água, levando à precipitação de diferentes compostos hidratados que resultam no enrijecimento da mistura, oferecendo, assim, elevada resistência mecânica e durabilidade.

O cimento é empregado na produção de argamassas e concretos, sendo bastante utilizado na construção de edifícios, pavimentos, barragens e diversas outras obras de engenharia e tem como base para a sua fabricação, produtos minerais naturais como calcário, argila e gipsita.

Dessa forma, no presente capítulo será abordado o processo de fabricação do cimento Portland, bem como a sua classificação. Ademais, também será discutida a sinterização do clínquer Portland, as suas principais fases mineralógicas e os principais mineralizantes utilizados pela indústria do cimento.

1.2. HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DA PRODUÇÃO

O cimento é o principal componente para a produção de concreto, material usado como solução estrutural na maioria das obras no Brasil. A palavra cimento é originada do latim caementu, que, na antiga Roma, designava uma espécie de pedra natural de rochedos. As grandes obras greco-romanas, como o Panteão e o Coliseu, foram construídas com o uso de solos de origem vulcânica da ilha grega de Santorini ou das proximidades da cidade italiana de Pozzuoli, que possuíam propriedades de endurecimento sob a ação da água (ABCP, 2016).

A história do cimento iniciou no século XVIII, quando, em 1756, um grande passo em seu desenvolvimento foi dado pelo inglês John Smeaton, que conseguiu obter um produto de alta resistência por meio de calcinação de calcários moles e argilosos, usado nos trabalhos de reconstrução do Farol de Eddystone, na costa da Inglaterra (PECCHIO, 2013). Em 1818, o francês Louis Vicat obteve resultados semelhantes aos de Smeaton, pela mistura de componentes argilosos e calcários, sendo ele considerado o inventor do cimento artificial. Em meados de 1824, o inglês Joseph Aspdin patenteou o processo de fabricação de um ligante que resultava da mistura de argila e calcário, calcinada em proporções adequadas. O resultado foi um pó que, por apresentar cor e características semelhantes a uma pedra abundante na ilha de Portland, na Inglaterra, foi denominado cimento Portland (SNIC, 2013; SNIC, 2016).

O cimento Portland descoberto e patenteado por Aspdin era somente calcinado e não sinterizado, cabendo a Isaac Charles Johnson, em 1847, descobrir que para obtenção de um cimento de melhor qualidade era necessária uma queima da mistura em temperatura superior à de calcinação, bem como o uso de elevada proporção entre materiais calcários e argila.

Depois da descoberta de Johnson, o cimento Portland não sofreu mudanças radicais em seu aspecto fundamental da química de fabricação. Entretanto, seus processos de fabricação vêm sofrendo avanços tecnológicos quanto ao uso racional de energia, emissões de poluentes e substituição de parte de combustíveis fósseis, que possibilitaram o aumento da produção e uma melhor qualidade e uniformidade do produto, tornando o cimento Portland um insumo largamente utilizado na construção civil.

Após uma fase pioneira, iniciada no final do século XIX, o cimento começou a ser produzido no Brasil em escala industrial a partir de 1926, com a inauguração da fábrica da Companhia Brasileira de Cimento Portland, em Perus, São Paulo.

Após a Segunda Guerra Mundial, o Brasil entrou num processo de desenvolvimento industrial e de sua infraestrutura. O consumo per capita de cimento saltou de 12,9 kg/hab.ano em 1935, para 22,3 kg/hab.ano no fim da guerra e para 67,7 kg/hab.ano em 1962. Entre 1945 e 1955, foram inauguradas 16 novas fábricas e, desde então, o país se tornou autossuficiente no consumo de cimento (ABCP, 2016; SNIC, 2016).

Após uma queda no consumo, provocada pela recessão da economia nacional no início da década de 1980, houve uma retomada no crescimento do consumo a partir de 2005. Em 2014, o consumo de cimento no Brasil superou a marca de 70 milhões de toneladas, mas, nos últimos anos, sofreu uma forte queda, chegando a produzir apenas 39 milhões de toneladas em 2016. Em seguida, mostrou sinais de recuperação e, em 2018, foram produzidas cerca de 53,5 milhões de toneladas (SNIC, 2018). Esses índices são apresentados na Figura 1.1, que apresenta o consumo total e per capita aparente de cimento, no Brasil, a partir de 1965.

Figura 1.1 – Consumo total e per capita aparente de cimento no Brasil, a partir de 1965

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Fonte: adaptado de SNIC (2016)

Segundo dados da SNIC (2019), a indústria brasileira de cimento é composta por 100 fábricas, pertencentes a grupos industriais nacionais e estrangeiros, com capacidade produtiva de 100 milhões de toneladas/ano, distribuídas em 24 estados brasileiros, sendo a região Sudeste a que mais possui plantas instaladas e, em segundo lugar, a região Nordeste.

Os índices apresentados na Figura 1.2 demonstram que, apesar de o consumo de cimento no Brasil ser alto (cerca de 350 kg/habitante.ano), esse índice é consideravelmente inferior ao de outros países em crescimento, como China e Coreia do Sul. A Figura 1.2 retrata uma projeção em que é possível observar o crescimento recente da produção mundial de cimento, que foi igual a 4,1 Gton em 2018 (IEA, 2019a) e pode alcançar 4,38 Gton em 2050 (WBCSD, 2016).

Figura 1.2 – Evolução da produção mundial de cimento a partir de 2010

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Fonte: adaptado de BBC (2019)

1.3. IMPACTOS AMBIENTAIS

Depois da água, o concreto é o material mais usado na Terra e, consequentemente, a indústria de cimento é a maior consumidora de recursos naturais do mundo, tendo, assim, um impacto ambiental considerável. Cada tonelada de clínquer requer, aproximadamente, 1,57 toneladas de matérias-primas para a sua produção (CHOUDHURY; SALEEM HASHMI, 2020).

A indústria do cimento é conhecida por causar impactos ambientais em todas as fases do processo de fabricação. Esses impactos incluem as emissões de poluentes ambientais nas etapas de extração (na forma de poeira, ruído e vibrações) e produção (gases) (SNIC, 2013).

O consumo de energia e a geração de CO2 são outros grandes problemas observados. O consumo de energia representa de 12 a 15% do consumo total de energia industrial (ALI et al., 2011) e o parque produtivo brasileiro, que dependia quase que exclusivamente do óleo combustível na década de 1970, passou a utilizar uma mistura de carvão vegetal (40%), na década de 1980 e, atualmente, utiliza o coque de petróleo como combustível principal (UN ENVIRONMENT et al., 2018). Além disso, com base nos dados da IEA (International Energy Agency), a demanda energética mundial média para a etapa de clinquerização é 3,4 GJ/ton de clínquer, representando uma redução de 0,4% desde 2014, e sendo proveniente do uso de coque (69%), óleo combustível (17%), de gás natural (8,5%), além de biomassa ou resíduos industriais (5,5%) (IEA, 2019b).

A grande emissão de CO2 durante o processo de fabricação do cimento é devida à grande quantidade de calcário (CaCO3) utilizada no processo de clinquerização, que, quando aquecida, sofre descarbonatação, liberando o CO2 (Equação 1.1). Além disso, há uma significativa emissão de CO2 proveniente da queima de combustíveis fósseis.

A média mundial de emissão de CO2 na indústria de cimento é de 540 kg de CO2 por tonelada de cimento produzido (IEA, 2019a), considerada baixa se comparada à de países mais poluentes como China e Índia, nos quais esse valor pode chegar a 1,2 toneladas de CO2 por tonelada de cimento produzido. A Figura 1.3 ilustra os principais emissores de CO2 do mundo, na produção do cimento.

Figura 1.3 – Evolução da emissão mundial de CO2, na produção do cimento Portland, a partir de 2010

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Fonte: adaptado de BBC (2019)

Se considerarmos a produção mundial de cimento em 2018 (4,1 Gton), a geração de CO2 por tonelada produzida (540 kg/ton) e a geração total de CO2 no mundo (37 Gton), observa-se que a indústria cimenteira é responsável por cerca de 6% das emissões antropogênicas desse gás (cerca de 2,2 Gton). Se considerarmos a produção do concreto, as emissões podem chegar a 8% (BBC, 2019). Se essa atividade representasse um país, seria o terceiro maior emissor de dióxido de carbono do mundo, com até três bilhões de toneladas anualmente, superado apenas pela China e pelos Estados Unidos, conforme Figura 1.4. Como comparação, a produção de todos os polímeros produzidos nos últimos 60 anos emitiu cerca de oito bilhões de toneladas de CO2, quantidade que a indústria do cimento emite a cada três anos (THE GUARDIAN, 2019a).

Figura 1.4 – Maiores emissores antropogênicos de CO2 no mundo

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Fonte: adaptado de The Guardian (2019b)

Os principais líderes da indústria do cimento se reuniram na Polônia, em 2018, durante a conferência da ONU sobre mudanças climáticas (COP24) para discutir formas de atender aos requisitos do Acordo de Paris. Para isso, as emissões anuais do cimento deverão cair pelo menos 16% até 2030 (THE GUARDIAN, 2019a).

Nesse contexto, o setor de cimento está ampliando seu apoio à busca por alternativas que visem a redução de emissões em todos os estágios de fabricação, adotando uma abordagem de ciclo de vida.

Diversos estudos recentes (IEA, 2019b; SINGH; SUBRAMANIAM, 2019; RUAN; UNLUER, 2016) focaram no potencial de redução das emissões da indústria cimenteira. Usando diferentes cenários e com base em futuras previsões de demanda, foram destacadas quatro alternativas visando à redução dos impactos provenientes das emissões de carbono:

Uso de combustíveis alternativos: propõe a substituição de combustíveis fósseis por combustíveis alternativos, tais como biomassa e resíduos industriais, na produção de cimento. Esses resíduos podem ser coprocessados em incineradores, ao invés de serem aterrados ou destruídos indevidamente. O coprocessamento oferece maior desempenho ambiental, sendo uma opção prática, econômica e segura para o gerenciamento de resíduos (UN ENVIRONMENT et al., 2018).

Melhoria da eficiência térmica e elétrica: implantação de tecnologias de ponta existentes em novas plantas de cimento, e retrofit de eficiência energética nos equipamentos.

Substituição do clínquer: substituição do clínquer no processo de fabricação do cimento, por um material cimentício suplementar (MCS), com menor emissão de carbono, pois esses materiais geralmente têm uma pegada ambiental mais baixa do que os materiais cimentícios.

Captura e armazenamento de carbono (CAC): capturar o CO2 antes deste ser lançado na atmosfera e armazená-lo com segurança para que ele não seja liberado no futuro também é uma alternativa para reduzir os impactos ambientais associados a produção de cimento. Um Roadmap apresentado pela AIE/WBCSD introduziu a captura e armazenamento de carbono (CAC) como a principal estratégia para reduzir as emissões de CO2. Esse documento estimou que seria necessário entre US$ 321 e 592 bilhões em investimentos para capturar fração expressiva do CO2 da indústria de cimento. Desde 2009, a viabilidade da CAC tem sido extensivamente estudada, incluindo vários esquemas-piloto (UN ENVIRONMENT et al., 2018).

Em paralelo, a indústria cimentícia deve incentivar, ainda, colaborativamente, a sustentabilidade ao longo de toda a cadeia da construção. Entre as áreas que podem oferecer oportunidades de colaboração sustentável destacam-se:

Otimização do uso de concreto na construção: a especificação eficiente e uso de concreto com um design enxuto pode ajudar a reduzir o desperdício, alinhando a menor opção de carbono com o ótimo desempenho técnico requerido para a aplicação específica. O uso de concretos com maiores valores de resistência é fundamental para atingirmos esse objetivo, pois, enquanto um concreto de 20 MPa consome cerca de 12 kg de cimento/MPa, um concreto com 50 MPa consome cerca de 6 a 8 kg de cimento/MPa, por exemplo;

Maximização da vida útil dos edifícios e da infraestrutura: a durabilidade do concreto oferece oportunidades para uma longa vida útil e manutenção mínima, enquanto um projeto de durabilidade adequado pode assegurar sua utilização futura de forma relevante;

Redução do consumo de energia operacional da edificação: o uso otimizado das propriedades térmicas inerentes ao concreto pode reduzir as emissões de carbono operacionais de um edifício durante sua vida útil;

Contribuição para o efeito Albedo (do latim, brancura): por exemplo, a cor clara e as propriedades reflexivas das superfícies de concreto podem resultar em temperaturas do ar mais baixas nas cidades e podem reduzir a necessidade de iluminação nos túneis;

Incentivo à reutilização e reciclagem: reduzir o impacto de novas construções, reutilizando o resíduo proveniente de edificações de concreto e componentes de infraestrutura e reciclando o concreto, visando reduzir a demanda por concreto primário, evitando, assim, as emissões de carbono associadas à produção.

Captura e uso de carbono (CUC): os produtos à base de cimento absorvem e fixam quimicamente o CO2 ao longo da sua vida. A captura e uso de carbono (CCU) é uma alternativa que substitui o armazenamento subterrâneo por outra etapa industrial que transforma o CO2 em produtos químicos ou produtos de construção. No entanto, essa tecnologia está longe de ser economicamente viável no momento (UN ENVIRONMENT et al., 2018).

Cimentos alternativos como o Novacem, Calera, Calix’s, cimentos de fosfato de magnésio (CBPC), belíticos e geopolímeros são bastante promissores e serão abordados com maiores detalhes no Capítulo 4.

1.4. PROCESSO PRODUTIVO

A produção de cimento segue as etapas apresentadas na Figura 1.5, sendo elas: extração de matérias-primas, moagem,