Matriz (Pasta de Cimento)

A pasta de cimento (mistura de água e cimento) é chamada de matriz por ser contínua e envolver as partículas de agregado miúdo na argamassa. Ela é constituída por diferentes tipos de compostos hidratados de cimento, sendo os mais importantes os silicatos hidratados de cálcio C-S-H, que podem aparecer como estrutura fibrosa, o hidróxido de cálcio Ca(OH)2,

que cristaliza em grande placas hexagonais superpostas, e a etringita, que cristaliza no início da pega em forma de agulhas (Figura 3-6) (KAEFER, 2000).

FONTE: (OLIVEIRA, 2007)

(a) (b)

Figura 3-6 - Produtos de hidratação do cimento: a) cristais de etringita; b) cristais de

monossulfato de cálcio.

Para compreender a matriz de uma argamassa, é importante primeiramente conhecer sobre seu principal constituinte, ou seja, o cimento Portland. Por isso, uma breve explicação

18 sobre a composição química, os diferentes tipos de cimento, as reações de hidratação e sobre as características dos compostos gerados, bem como suas influências sobre as propriedades das argamassas, será primeiramente feita.

Cimento Portland

O cimento Portland foi criado por um construtor inglês, Joseph Aspdin, que o patenteou em 1824. Nessa época, era comum na Inglaterra construir com pedra de Portland, uma ilha situada no sul desse país. Como o resultado da invenção de Aspdin assemelhou-se em cor e dureza das pedras de Portland, ele registrou esse nome em sua patente. É por isso que todo o tipo de cimento é chamado cimento Portland (ABCP, 2002).

O cimento Portland é o aglomerante hidráulico mais utilizado na produção de concreto e argamassa. É um pó constituído de partículas de tamanho entre 1 e 50 m, obtido pela moagem do clínquer e adição de sulfato de cálcio, na forma de gipsita (CaSO4.2H2O). O

clínquer é formado pelo aquecimento de uma mistura de calcário e argila, em forno giratório que pode alcançar temperatura interna de até 1450ºC.

• _{Composição Química}

Os principais constituintes do cimento Portland são os silicatos de cálcio: C3S (silicato

tricálcico – 3CaO . SiO2) e o C2S (silicato dicálcico - 2CaO . SiO2); o aluminato de cálcio:

C3A (aluminato tricálcico – 3CaO . Al2O3) e o C4AF (ferroaluminato de cálcio - 4CaO . Al2O3

. Fe2O3) e a gipsita adicionada para inibir a tendência à pega instantânea ocasionada pela

grande reatividade do C3A. As fórmulas genéricas dos constituintes do cimento são formadas

pelas letras C, S, A e F que representam, respectivamente, óxidos de cálcio, silicatos, óxidos de alumínio e óxidos de ferro (MEHTA e MONTEIRO, 1994).

• _{Tipos de Cimento Portland}

O clínquer é o principal componente do cimento e ele está presente em todos os tipos de cimento Portland. O que define esses tipos é: a moagem, as diferentes adições, ou seja, as outras matérias-primas que são misturadas ao clínquer durante a moagem, tais como o gesso, as escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos, além do tempo de moagem do clínquer. Segundo a ABCP, o mercado brasileiro dispõe de diferentes tipos básicos de cimento, que atendem a diversos tipos de aplicações. São eles (ABCP, 2002):

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CP I e CP I S - Cimento Portland Comum e Cimento Portland Comum com Adição,

respectivamente.

CP II E, CP II Z, CP II F - Cimento Portland Composto com Escória, Cimento Portland

Composto com Pozolana e Cimento Portland Composto com Fíler Calcário, respectivamente.

CP III - Cimento Portland de Alto-forno. CP IV - Cimento Portland Pozolânico.

CP V ARI - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial. CPRS - Cimento Portland Resistente a Sulfatos.

CPBC - Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação. CPB - Cimento Portland Branco estrutural e não estrutural. CPP - Cimento para Poços Petrolíferos.

O tipo de cimento mais empregado pode variar em cada região, pois depende da matéria-prima local. Portanto, nas cidades mineiras, o mais utilizado é o CP II E, formado pela adição de escória de alto-forno, considerando a grande disponibilidade dessa matéria- prima em regiões produtoras de minério de ferro. Esse tipo de cimento combina bons resultados de baixo calor de hidratação com o aumento de resistência do Cimento Portland Comum e é recomendado para estruturas que exijam desprendimento de calor moderadamente lento.

Na indústria de elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados, como fábricas de blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes, meio fio, mourões e postes, é necessário que o produto tenha alta resistência inicial e rápido desmolde, visto que a produção e saída desses elementos devem ser consideravelmente rápidas. Sendo assim, o CP V ARI é o mais recomendado, por proporcionar essas características ao concreto e argamassas confeccionados com ele. O desenvolvimento dessa propriedade é conseguido pela utilização de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer e pela moagem mais fina do cimento. Assim, ao reagir com a água, o CP V adquire elevadas resistências e endurecimento com maior velocidade (ABCP, 2002).

• _{Reações de hidratação}

O mecanismo de hidratação do cimento é constituído por um processo de dissolução- precipitação nas primeiras fases seguido de um processo topoquímico (MEHTA e

20 MONTEIRO, 1994). O enrijecimento da pasta é caracterizado pela hidratação dos aluminatos e a evolução da resistência (endurecimento) é realizada pelos silicatos.

A reação do C3A com a água é imediata. Por isso há a necessidade da adição de sulfato

de cálcio na forma de gipsita (geralmente representada por CšH2) para retardar a reação. Os

cimentos tipo ARI são obtidos utilizando-se dosagem diferenciada de calcário e argila na produção de clínquer e, além disso, o tempo de moagem do clínquer é maior. Como produto dessa reação tem-se a formação de cristais aciculares de trissulfato aluminato de cálcio hidratado, chamada de etringita, que é responsável pelo fenômeno da pega. Com a evolução do tempo e dependendo da proporção sulfato/aluminato no cimento, a etringita pode se decompor em monossulfoaluminato de cálcio hidratado, que é uma configuração mais estável e apresenta formato de placas hexagonais. As reações que representam essas transformações estão demonstradas nas Equação 3-1 e Equação 3-2:

3 š 26 š etringita - 3CaO . Al2O3 . 3CaSO4 . 32H2O) Equação 3-1

š 2 4 š (monossulfoaluminato de cálcio -

(3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O))

Equação 3-2

O processo de hidratação do C4AF, pelo fato de gerar uma série de compostos, é de

difícil caracterização e tem pouca influência na pasta endurecida. Segundo Mehta e Monteiro (1994), seus compostos resultantes são estruturalmente similares aos formados a partir do C3A.

Embora os íons sulfato atuem como retardadores de hidratação dos aluminatos, os mesmos exercem um efeito contrário sobre os silicatos, acelerando as suas reações de hidratação (SILVA, 2005) .

A hidratação dos silicatos C3S e C2S ocorre algumas horas após o início de hidratação

do cimento e origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito variada sendo, por isso, representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio Ca(OH)2. Com o decorrer da hidratação, começam a aparecer cristais prismáticos grandes de

Ca(OH)2 e, na sequência, cristais pequenos e fibrilares de silicatos hidratados de cálcio. Esses

compostos são responsáveis por preencher os espaços ocupados pela água e pelas partículas de cimento em dissolução (MEHTA e MONTEIRO, 1994). As reações de hidratação dos silicatos estão representadas pelas Equação 3-3 e Equação 3-4:

21

2 6 3

Equação 3-3

2 4

Equação 3-4

O C3S é responsável pela resistência inicial (primeiros dias ou semanas) e o C2S pelo

desenvolvimento contínuo da resistência que se estende por meses ou anos, devido a uma hidratação mais lenta.

O C-S-H não tem composição nem estrutura definidas (forma amorfa) e é o principal responsável pela resistência da pasta endurecida. Quanto maior a quantidade de Ca(OH)2 na

pasta, menor é a resistência da pasta contra ataques de ácidos e de sulfatos. Verifica-se também que um cimento com maior teor de C3S resulta em um concreto mais susceptível ao

ataque químico e com menor resistência mecânica (KAEFER, 2000).

Na pasta hidratada, o C-S-H constitui cerca de 50 a 60% em volume, sendo a fase mais importante para as propriedades da pasta. O Ca(OH)2, conhecido como Portlandita, por ser o

primeiro composto formado durante a hidratação, é o principal responsável pela resistência inicial e constitui entre 20 e 25% do volume da pasta. Os sulfoaluminatos constituem entre 15 e 20% do volume da pasta e exercem menor influência nas propriedades da pasta, exceto em condições nas quais possam ocorrer ataques por sulfato, em que o monossulfato hidratado deixa a pasta vulnerável (MEHTA e MONTEIRO, 1994).

A microestrutura de uma pasta de cimento é um termo referente à estrutura básica após a hidratação do cimento junto com os agregados. Para compreensão, mecanismos de deterioração e até mesmo melhorar algumas propriedades da pasta endurecida, é necessário conhecer bem a sua microestrutura, que pode ser bem explorada pela alta resolução proporcionada pelo MEV e pelas técnicas de análise instantâneas a ele acopladas (RAMACHANDRAN e BEAUDOIN, 2001).

22 Vazios

A resistência da pasta é fortemente relacionada com sua porosidade, uma vez que somente os elementos sólidos resistem aos esforços. A porosidade da pasta de cimento hidratada se distribui da seguinte forma (MEHTA e MONTEIRO, 1994):

• _{Poros de gel ou entre camadas de C-S-H: vazios muito pequenos (entre 5 e} 25Ǻ), que não influenciam na resistência da pasta.

• _{Vazios capilares: representam o espaço não preenchido pelos componentes} sólidos da hidratação do cimento. O volume total e, principalmente, a distribuição do tamanho dos poros afetam a resistência da pasta. Poros de pequenos diâmetro (< 50nm) são descritos como pouco prejudiciais ao comportamento mecânico.

• _{Poros de ar incorporado: possuem formato esférico e dimensões superiores aos} vazios capilares. Podem ocorrer devido a pouca vibração da argamassa ou terem sido intensionalmente incorporados. Devido à grande dimensão, reduzem bastante a resistência do material e aumentam a permeabilidade.