Concreto-microestrutura-propriedades e Materiais - Mehta e Monteiro

P. Kurnus Macit\nPaulo J. H. Montain\nMicroestrutura do Concreto\n\nMicroestrutura, Propriedades\nMateriais, 3ª ed. 508, Paulo 2009\nEdição: IBRACON - Instituto Brasileiro de Concreto\n\nApresentação\n\nAs relações microestrutura-propriedades são o foco da moderna ciência dos materiais. O concreto tem uma microestrutura altamente complexa e heterogênea. Assim, é muito difícil elaborar modelos reais de sua microestrutura, a partir dos quais o comportamento do material pode ser previsto com precisão. Pretende-se, portanto, o conhecimento tanto da microestrutura e das propriedades individuais dos constituintes do concreto, quanto a relação entre eles serve para auxiliar no controle das suas propriedades. Este capítulo descreve os três constituintes da microestrutura do concreto: pasta de cimento hidratada, agregado e zona de transição na interface entre a pasta de cimento e o agregado. Por fim, discutem-se as relações microestrutura-propriedade, abordando sua influência sobre resistência, estabilidade dimensional e durabilidade do concreto.\n\n2.1 Definição.\n\nO tipo, a quantidade, o tamanho, a forma e a distribuição das fases presentes em um sólido constituem a sua microestrutura. Os elementos macroscópicos de um material podem ser vistos facilmente em um corte transversal; os elementos mais finos, por sua vez, são geralmente analisados com a ajuda de um microscópio. O termo macroestrutura é geralmente usado para a microestrutura primeiramente visível a olho nu; o limite de resolução do olho humano é aproximadamente um quinto de um milímetro (200 µm). O termo microestrutura é usado para a porção com grandeza microscópica da macroestrutura. A capacidade de aumento dos microcópios eletrônicos modernos é da ordem de 10^6 vezes. Assim, a aplicação de técnicas de microscopia eletrônica de transmissão e varredura permite analisar a microestrutura de materiais até fração de um micrômetro. Microestrutura e Propriedades do Concreto Endurecido\n\n2.2 Importância\n\nO progresso no campo dos materiais resultou principalmente no reconhecimento do princípio de que as propriedades têm origem na microestrutura interna; em outras palavras, as propriedades podem ser modificadas fazendo certa alteração na microestrutura de um material. Embora o concreto seja o material estrutural mais amplamente usado, sua microestrutura é heterogênea e extremamente complexa. As relações microestrutura-propriedade do concreto não estão ainda completamente esclarecidas; no entanto, certo conhecimento sobre os elementos essenciais da microestrutura é necessário antes de se discutir os fatores de influência nas propriedades importantes para a engenharia do concreto, tais como: resistência (Cap. 3), elasticidade, retração, fluência, fissuração (Cap. 4) e durabilidade (Cap. 5).\n\n2.3 Complexidades\n\nA partir da investigação de uma seção transversal do concreto (Figura 2-1), as duas fases que podem ser facilmente distinguida são as partículas de agregado com formas e tamanhos variados e o meio ligante composto de uma massa de pasta de cimento hidratada. Em nível macroscópico, portanto, concreto pode ser considerado como um material bifásico, constituído de partículas de agregado dispersas em uma matriz de pasta de cimento.\n\nEm nível microcópio, as complexidades da microestrutura do concreto são evidentes. Torna-se óbvio que as duas fases da microestrutura não estão distribuídas de forma homogênea entre elas, nem elas mesmas são homogêneas entre si. Por exemplo, em algumas regiões, a massa de pasta de cimento hidratada aparenta ser tão densa quanto o agregado, enquanto em outras ela é altamente porosa (figura 2-2). Além disso, se diversos corpos-de-prova do concreto contiverem a mesma quantidade de cimento, mas com diferentes quantidades de água, e foram examinados em vários intervalos de tempo, podem ser 24 Microestrutura e Propriedades do Concreto Endurecido vado que, em geral, o volume de vazios capilares na pasta de cimento hidratada diminui com a redução da relação água/cimento ou com o aumento da idade da hidratação. Para uma pasta de cimento bem hidratada, a distribuição não longitudinal de líquidos e vazios isoladamente pode, talvez, ser ignorada quando se modela o comportamento do material. Entretanto, estudos microestrutrais têm mostrado que isso não se aplica à pasta de cimento hidratada presente no concreto. Na presença de agregados, a microestrutura da pasta de cimento hidratada na vizinhança da grandeza das partículas de agregado é, geralmente, muito diferente da microestrutura da matriz de pasta ou argamassa no sistema. De fato, muitos aspectos do comportamento do concreto sob tensão podem ser explicados apenas quando a interface pasta e cimento-agregado é tratada como uma terceira fase na microestrutura do concreto. Dessa forma, as características singulares da microestrutura do concreto podem ser resumidas como segue. Primeiro, há uma zona de transição na interface, que representa uma pequena região próxima às partículas de agregado graúdo. Apresenta-se na forma de uma camada delgada, normalmente com espessura de 10 a 50 pm em volta do agregado leve e pouco desenvolvido na interface e fotorrecursos de forma algo menos favorável na camada ligada. 25 Microestrutura do Concreto elasticidade e pela estabilidade dimensional do concreto. Essas propriedades do concreto endurecido, principalmente, da densidade e resistência do agregado, que por sua vez, são determinadas mais por suas características físicas do que químicas. Em outras palavras, a composição química ou mineralógica das fases distintas no agregado é formalmente menos importante do que as características físicas, tais como volume, tamanho e distribuição dos poros. Além da porosidade, a forma e a textura do agregado graúdo também afetam as propriedades do concreto. Em geral, o cascalho natural tem a forma arredondada e uma textura superficial lisa. Rochas brutas têm uma textura áspera. Dependendo do tipo de rocha e da escolha do britador, o agregado britado pode conter uma proporção de partículas achatadas ou alongadas que afetam negativamente muitas propriedades do concreto. Partículas de agregados leves de pedra-pomes, em particular, também são geralmente arredondadas às lisas. Mesmo sendo menos resistente que as outras fases, a fase agregado normalmente não influencia diretamente na resistência do concreto, no caso de alguns agregados apenas processos ou quebradiços, como a pedra-pomes. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 2.3 - Forma e textura superficial de partículas de agregado graúdo (a) cascalho, arredondado; (b) brita, aquidimentada; (c) brita, alongada; (d) brita, achatada; (e) agregado leve; anguloso e áspero; (f) agregado leve, arredondado e liso. 26 Microestrutura e Propriedades do Concreto Endurecido Água de exsudação visível Água de exsudação interna (a) (b) Figura 2.4 - (a) Representação esquemática da exsudação no concreto fresco retão-languido; (b) falha de aderência por estilhaçamento em um corpo-de-prova exsudado em compressão uniaxial. A água de exsudação presente tende a se acumular em torno de partículas de agregado ao longo, obtidas durante a cura. Nossa reação, ao longo da investigação, tem interpretado partes muito mais relevantes em razão com grande tendência à microfissuração. Esse fenômeno é responsável pela ruptura por calçamento no sugere-figura de partículas de agregado destacada na fotografia. A dimensão e a forma do agregado graúdo podem, entretanto, afetar a resistência do concreto de forma indutiva. Está claro, na Figura 2.4, que, quanto maior o tamanho do agregado no concreto e quanto maior a proporção de partículas alongadas e achatadas, maior será a tendência de acúmulo de filme de água junto à superfície do agregado, oferecendo a zona de transição na interface pasta-agregado. Esse fenômeno, conhecido como exsudação, é discutido em detalhes no Cap. 10. 2.5 Microestrutura da Pasta de Cimento Hidratada O termo pasta de cimento hidratada, conforme usado ao longo do texto, refere-se às pastas de cimento Portland. Emboras o Cap. 6 discuta em detalhes a composição e as propriedades do cimento, será apresentado um resumo da composição antes de descrever como a microestrutura da pasta de cimento hidratada evoluiu como resultado de mudanças na proporção e conteúdo. O cimento é composto por uma mistura de diferentes tipos de agregados aos quais descritas em detalhes nos Cap. 7. Aqui é apresentada apenas uma breve descrição do cimento, sua estrutura e como uma pequena quantidade de sulfato de cálcio, além de outros elementos, ocorrem com maior influência nas propriedades do concreto. 30\nMicroestrutura e Propriedades do Concreto Endurecido\n\nbém chamado de etringita, que forma cristais prismáticos na forma acicular. Nas pastas de cimento puro, a etringita eventualmente se transforma em monossulfato hidratado, CaSxH2x, que forma cristais de placas hexagonais. A presença de monossulfato hidratado no concreto de cimento Portland torna o concreto vulnerável ao ataque por sulfato. Deve-se observar que tanto a etringita quanto o monossulfato contêm pequenas quantidades de ferro, que podem substituir os íons de alumínio na estrutura dos cristais.\n\nGrãos de clínquer não hidratados. Dependendo da distribuição do tamanho das partículas do cimento anidro e do grau de hidratação, alguns grãos de clínquer não hidratados podem ser encontrados na microestrutura de pastas de cimento hidratadas, mesmo muito tempo depois da hidratação. Como dito anteriormente, as partículas de clínquer no cimento hidratado geralmente são menores na faixa de 1 a 50 micrômetros. Com o progresso do processo de hidratação, as partículas menores se dissolvem primeiro e desaparecem do sistema; então, as maiores ainda permanecem, os produtos da hidratação tendem a se cristalizar bem junto às partículas de clínquer em hidratação, o que faz parecer que em alguma parte um novo espaço é formado em torno delas. Em índices mais avançados, por causa da falta de espaço disponível, a hidratação in situ das partículas de clínquer resulta na formação de um produto de hidratação muito denso, cuja morfologia deve assemehar-se à da partícula do clínquer original.\n\n2.5.2 Vazios na pasta de cimento hidratada\nAlém dos sólidos, a pasta de cimento hidratada contém muitos tipos de vazio que têm uma influência importante em suas propriedades. Os tamanhos característicos de fase sólida e vazios na pasta de cimento hidratada estão ilustrados na Figura 2.7a. Os diferentes tipos de vazios e suas quantidades e importância são discutidos a seguir. Apenas para informação, a Figura 2.7b mostra a faixa de tamanho de diferentes objetos, da altura humana ao diâmetro de Marte.\n\nEspaco interlamelar no C-S-H. Powers assumiu que a largura do espaço interlamelar na estrutura do C-S-H é de 1Å e estabeleceu que esse espaço representa por 28% da porosidade do C-S-H sólido. Entretanto, Feldman e Sereda sugeriram que o espaço poderia variar entre 5 e 25Å. Esse tamanho de vazio é muito pequeno para que se tenha um efeito adverso na resistência e permanência da pasta de cimento hidratado. Entretanto, continuam, de forma adiante, aos pontos de hidrogênio podem reter algumas nessas pequenas vazios, e sua remoção, sob certas condições, pode contribuir para a retração por secagem e influência.