Tipo de cimento

Em geral, expansões por DEF foram detectadas em estruturas produzidas com cimento Portland de alta resistência inicial (HEINZ et al., 1999), classificado como ASTM III nos Estados Unidos e como CP V no Brasil, o qual é bastante empregado na indústria de concretos pré-moldados em virtude de suas características de endurecimento rápido. Fu e Beaudoin (1996) constataram que este tipo de cimento foi mais vulnerável do que cimento ASTM I (correspondente ao CP I no Brasil), evidenciando expansão significativa por DEF aos 90 dias de idade.

Cimentos expansivos, Tipo K13, têm comportamento similar ao cimento Portland (KELHAN, 1999). Yan et al. (2004) também constataram expansão por DEF em argamassas produzidas com agente expansivo baseado em sulfoaluminato. Neste caso, a expansão por DEF ocorreu devido ao inchaço (por absorção de água) da etringita coloidal.

Em contrapartida, em materiais produzidos com cimentos contendo cerca de 30% ou 40% de adições pozolânicas (THAULOW; JOHANSEN; JACOBSEN, 1999; KELHAN, 1999); ou 30% ou 50% de escória granulada de alto-forno (KELHAN, 1999); e cimentos resistentes a sulfato14 (KELHAN, 1996) as expansões são insignificantes ou inexistem. Já a presença de fíler calcário acelera as expansões (KELHAN, 1999), mas não alteram o seu valor final. Por sua vez, Hobbs (2001) realizou estudos com argamassas curadas a 90ºC e verificou que as expansões foram reduzidas quando se substitui 20% do cimento por cinza volante, ou 35% do mesmo por escória de alto-forno.

De acordo com Ramlochan et al. (2003), a eficácia da adição mineral para controlar a expansão depende da quantidade de Al2O3 presente. Assim, o metacaulim, por ser rico em

alumina, é eficaz quando presente em baixos teores, enquanto que a cinza volante e a escória de alto-forno requerem altos teores de substituição.

2.4.1.2 Relação SO3/Al2O3

A formação da etringita pode ser correlacionada às quantidades de sulfato e alumínio presentes no cimento por meio da relação SO3/Al2O3 (HEINZ et al., 1999; TAYLOR; FAMY;

SCRIVENER, 2001). De modo geral, a alumina é considerada como vinda do C3A, já que ele

representa sua maior fonte, sendo denominado de Al2O3 ativo.

Heinz et al. (1999) acreditam que cimentos Portland com teor de sulfato acima de 3% e relação SO3/Al2O3 maior do que 0,45, possam exibir DEF. Com base nos dados de

Tosun (2006), observa-se a partir da determinação da relação SO3/Al2O3 para os cimentos

utilizados, que expansões de pelo menos 0,1% ocorrem para um teor de 2,5% de SO3 e

13

De acordo com Mehta e Monteiro (2008), cimentos expansivos Tipo “K” são cimentos hidráulicos produzidos pela moagem de um clínquer do tipo sulfoaluminato, que é um clínquer de cimento Portland modificado

contendo grandes quantidades de C4A3S e CS, além C3S e C2S. 14

De acordo com Jakson (2007), as propriedades de resistência a sulfato são conseguidas pela diminuição da quantidade da quantidade de C3A ou pela substituição de parte do cimento Tipo I por escória de alto forno.

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relação SO3/Al2O3 igual a 0,46, e aumentam significativamente(> 0,5%) quando o teor de SO3

sobe para 4,5% e a relação SO3/Al2O3 para 0,9%, independentemente da finura.

Entretanto, Odler e Chen (1995) estudaram pastas contendo 7% ou 10% de C3A e, também,

3,4% ou 5% de SO3, constataram que somente a combinação de alto teor de C3A e SO3

apresentou expansão significante. Concluíram que a razão SO3/C3A não foi importante, mas

sim os seus valores individuais.

Analisando a relação SO3/Al2O3, pode-se deduzir que se houver muito sulfato e nenhum

alumínio ou, se em outro extremo, nenhum sulfato e muito alumínio, não será formada fase sulfoaluminato. Estando presente muito SO3 e pouco Al2O3, a fase sulfoaluminato, presente

ao final do tratamento térmico, será a etringita, sendo que, do contrário, será o monossulfato. Isto significa que, dependendo do tipo de cimento e das condições de cura e exposição, pode existir uma relação péssima de SO3/Al2O3.

A formação da etringita tardia se dá, principalmente, pela reconversão do monossulfato. Sendo assim, qualquer mecanismo que reduza a quantidade de Al2O3 durante a cura,

propiciam uma maior quantidade de monossulfato, bem como o de íons SO42- livres ou

fracamente ligados ao C-S-H, aumentado a quantidade da etringita neoformada. Evidentemente, que uma remoção total do alumínio por outras ligações fortes impede a formação de fases sulfoaluminatos.

Os principais fatores (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001) que afetam a disponibilidade de Al2O3 para formar fases sulfoaluminatos são:

· MgO: a hidratação do periclásio (MgO) forma a brucita, uma fase expansiva que também pode contribuir com a expansão final da pasta. Entretanto, essa fase também influi sobre a diminuição da quantidade de Al2O3 disponível para reagir durante a cura térmica, porque o

alumínio tende a substituir o magnésio na hidratação do periclásio, formando uma fase hidrotalcita15. Kelhan (1999), investigando a influência da composição química do cimento, variou o teor de MgO entre 0,6 e 2%, constatou que a expansão é diretamente proporcional ao teor de MgO. Thaulow, Johansen e Jakobsen (1997) acreditam que cimentos contendo pelo menos 2,5% de SO3 e mais de 1% de MgO, podem causar DEF;

15

Segundo Taylor (1997) trata-se de uma fase de composição [Mg0,75Al0,25(OH)2](CO3)0,125(H20)0,5, relacionada

· relação Al2O3/Fe2O3: a expansão por DEF é insignificante para cimentos Portland com

resistência ao sulfato (KELHAM, 1996), provavelmente porque o Al2O3 e o Fe2O3 presentes

na fase ferrita entram na hidrogranada ou nas fases tipo hidrocalcita;

· temperatura e tempo de cura: expansão por DEF tende a aumentar para temperatura de próxima de 100ºC e com tempo de cura de aproximadamente 3 dias, mas torna-se insignificante se esse tempo se prolonga entre 7 e 10 dias (LAWRENCE, 1995). Segundo Taylor, Famy e Scrivener (2001), o aumento da expansão pode, parcialmente, ser devido a um aumento significativo da quantidade de hidrogranada formada em cura térmica prolongada; · presença do CO2: como foi visto na Seção 2.3.4.3, a presença do CO2 favorece a formação

de fases carboaluminatos (KUZEL, 1995), disponibilizando mais íons SO42- para formar

etringita.

2.4.1.3 Efeito do SO3

Os sulfatos podem ser incorporados ao clínquer na forma de matéria-prima ou pelo combustível do forno, formando as fases sulfatos alcalinos, que são solúveis (MEHTA; MONTEIRO, 2008); ou substituindo um óxido nas fases silicatos, principalmente na belita; ou de forma rara, constituindo a anidrita16 (TAYLOR, 1997). Sulfato de cálcio na forma de dihidrato (CaSO4.2H2O), hemidrato (CaSO4.1/2H2O ou g-CaSO4) ou anidrita

(CaSO4), é também adicionado ao clínquer durante a etapa final de fabricação do cimento

Portland, quer por mistura ou moído juntamente com ele, com a finalidade de regular a pega.

a) Teor de SO3

Kelhan (1996, 1999) submeteu argamassas, produzidas com vários tipos de cimentos e diferentes teores de SO3, à cura térmica a 90ºC por 12 horas. As expansões, medidas após 5

anos de estocagem em água, apontaram para um valor crítico de 4% no teor de sulfato, conforme se pode notar no gráfico da Figura 2.16. Os cimentos que apresentaram baixas expansões para teores de SO3 de aproximadamente 4%, tinham pequena área de superfície

específica (350 m2/kg), teor de MgO igual a 0,6 e NaOeq igual a 0,58.

16

Trata-se da anidrita tipo II, que segundo John e Cincotto (2007), é também chamada de anidrita de alta temperatura ou anidrita-a. É obtida da calcinação da gipsita à temperatura entre 1100ºC e 1200ºC, sendo uma fase de pega e endurecimento lento. A anidrita tipo II ou anidrita insolúvel de formulação (CaSO4) quando produzida a 350ºC reage lentamente e pode levar até 7 dias para hidratar. Calcinada às temperaturas entre 700ºc

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Para Thaulow, Johansen e Jakobsen (1995), uma quantidade de pelo menos 2,5% de SO3 e

1% de MgO no cimento seria suficiente para promover DEF em concreto curada termicamente.

Figura 2.16 - Efeito do teor de SO3 sobre a expansão em argamassas curadas a 90ºC por 12

horas (KELHAN, 1999)

Lewis e Scrivener (1997) variaram o teor de sulfato entre 3, 4 e 5% para cimentos de mesmo clínquer, com área de superfície específica de 450 m2/kg e constataram expansões significativas (aproximadamente 1%) aos 100 dias de idade em barras de argamassa com teores acima de 4%. Quando se acrescentou KOH para obter Na2Oeq de 0,8% no cimento

contendo 5% de sulfato, as expansões aumentaram para aproximadamente 2%, como mostra a Figura 2.17.

0 0

Idade (dias)

Expansão (%)

1 2 50 100 150 200 250 5%+KOH 4%, 350 4% SO3 5% SO3

Figura 2.17 - Expansões em barras de argamassa variando-se SO3 (LEWIS; SCRIVENER, 1997)

b) Fonte de SO3

De acordo com Kelhan (1996, 1999), quando se trata da influência do sulfato, não há uma dependência da expansão e a sua fonte, isto é, quer tenha sido adicionada como sulfato alcalino ou como sulfato de cálcio, embora o aumento da concentração de álcalis possa aumentar a expansão.

Por sua vez, Escadeillas et al. (2007) acreditam que o tipo de sulfato adicionado é um importante fator sobre a ocorrência de DEF, pois nenhuma expansão foi observada até 800 dias para argamassas curadas a temperatura ambiente quando se adicionou sulfato de cálcio, mas expansões significativas foram observadas quando se adicionou o sulfato de sódio, mostrando que os álcalis aumentam o risco de expansão após cura térmica.

Quanto aos sulfatos disponibilizados pelas fases clínquer, como a belita e a anidrita, Taylor, Famy e Scrivener (2001) ressaltam que eles têm muito pouca influência sobre a DEF, pois a quantidade de sulfato que poderá ser liberada tardiamente pela belita (C2S) é insignificante, e

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2.4.1.4 Quantidade de Álcalis

Como discutido na Seção 2.1.2.2, a presença dos álcalis diminui a estabilidade da etringita primária e propicia a formação de fases mais estáveis como o monossulfato e a hidrogranada. Kelhan (1996, 1999) observou que a quantidade de álcalis presente não afetou a expansão para argamassas com cimento contendo 5% de SO3 curadas a 20ºC e 70ºC, mas provocou

expansão significativa (aproximadamente 0,5%) para as que foram curadas a 80ºC, enquanto a 90ºC a expansão atingiu aproximadamente 2% ao longo de 3,5 anos (Figura 2.18). Pode-se notar que em material que não foi submetido à cura térmica, ainda que apresente altos teores de sulfato e álcalis não apresentam expansão significativa, o que mostra que DEF é um fenômeno relacionado a altas temperaturas nas idades iniciais. Interessantemente as expansões das argamassas curadas a 70ºC foram menores do que as curadas à 20ºC, mas o autor não faz referência a esse fato.

0,01 0,1 1 10 0,4 0,6 0,8 1,2 Na2Oe q (%) Expansão (%) 20ºC 70ºC 80ºC 90ºC

Figura 2.18 - Efeito do teor de álcalis sobre a expansão após cura a várias temperaturas (KELHAN, 1999)

2.4.1.5 Finura do cimento

A finura afeta a expansão porque influi sobre a porosidade da microestrutura da pasta nas primeiras e nas idades tardias. A expansão em idades avançadas aumenta significativamente para cimentos com alta finura (área de superfície específica de 500 m2/kg) e alto teor de SO3

(4,5%), conforme resultados de Tosun (2006) ilustrados no gráfico da Figura 2.19. Neste verifica-se que a primeira letra “H” indica que as argamassas foram curadas termicamente e as letras H, M, L significam respectivamente alto, médio e baixo teor de sulfato. O número indica a área de superfície específica em kg/m2.

Figura 2.19 - Expansão ao longo do tempo para argamassas curadas a 85ºC por 4 horas e estocagem após três

ciclos de molhagem/secagem (TOSUN, 2006)

Ainda, segundo Tosun (2006), nas pastas de cimento com baixa área de superfície específica, a expansão se propaga mais rapidamente nas idades iniciais, devida à rápida formação da etringita na superfície do grão não hidratado, cujo gel circundante é permeável. Em idades tardias, a expansão por DEF é menor e mais lenta nestas pastas do que nas pastas contendo cimento com alta finura, porque apesar de sua maior porosidade facilitar o ingresso da água, ela oferece amplos locais para deposição dos cristais de etringita neoformada.

Em contrapartida, a redução na dimensão das partículas de cimento faz com que o seu volume e a área da superfície específica aumentem. Assim, para uma mesma relação água-cimento em massa, a quantidade de água necessária para molhagem dos grãos aumenta, reduzindo volume de água livre. Segundo Tosun (2006), isso possibilita a formação de uma maior quantidade de produto interno e de um produto externo mais denso, tornando a microestrutura mais compacta, dificultando o acesso da água. Mas, uma vez que a água ingressa no material, como a microestrutura é mais densa, a cristalização da etringita nos pequenos poros gera tensões, causando expansão.

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2.4.2 Microestrutura da pasta

Embora a quantidade de etringita neoformada influa sobre a expansão, as características microestruturais da pasta determinam as tensões que podem resultar do crescimento dos cristais (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001; YAN et al., 2001; TOSUN, 2006).

De acordo com Taylor, Famy e Scrivener (2001), o tamanho dos vazios e a característica da conexão entre eles influem sobre a expansão. Assim, os poros pequenos e pobremente conectados podem gerar mais expansões do que os maiores e bem conectados. Por isso, é esperado que a expansão da pasta aumente com o seu grau de hidratação. E, como este está relacionado à resistência a compressão, os fatores que aumentam a resistência ao final da cura térmica, tais como teor de C3S, temperatura e tempo de cura e teor de SO3 e álcalis, também

aumentam a expansão por DEF.

A velocidade e a extensão da expansão são complexas. Por um lado, o aumento do grau de hidratação ao final do tratamento térmico diminui a permeabilidade da pasta e da argamassa ou do concreto como um todo. Isso pode explicar o porquê, embora as expansões finais de DEF sejam altas para materiais de baixa relação de água/cimento, a velocidade de sua propagação pode ser baixa. Mas, por outro lado, uma baixa velocidade de expansão pode aumentar a área, na qual as forças expansivas são aliviadas pela fluência, diminuindo a expansão (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001).

2.4.3 Microestrutura do concreto ou da argamassa

De acordo com Taylor, Famy e Scrivener (2001), microestrutura do concreto ou da argamassa determina como o material responde às tensões produzidas pela formação da etringita. Assim, a qualidade da zona de transição, bem como a pré-exitência de fissuras, são fatores relevantes sobre a expansão por DEF. Segundo Hobbs (2001), a expansão tende a ser mais lenta quando se emprega agregados calcários ou leves (porosos).

2.4.4 Condições de cura

As condições de cura por si só podem modificar os tipos de hidratos formados para um mesmo cimento, contribuindo para DEF, sendo os principais parâmetros: a temperatura máxima de cura, taxa de elevação da temperatura, período de pré-cura, umidade e CO2.

2.4.4.1 Temperatura de cura

A temperatura crítica, isto é, aquela que gera expansões significativas é aproximadamente maior do que 70ºC para pastas, argamassas e concretos (TAYLOR, 1997, KELHAN, 1999, HEINZ et al., 1999; HOBBS, 2001). Sob condições especiais, tais como: alto consumo de cimento com grande área de superfície especifica e contendo alto teor de álcalis, expansões significativas podem ocorrer em materiais curados à 60ºC, como constatado por Sahu e Thaulow (2004).

Hobbs (2001), em seu estudo com argamassas confeccionadas com 19 diferentes tipos de cimento e com a mesma relação água-cimento (a/c igual a 0,45), verificou que a velocidade e o valor da expansão dependem, também, do pico da temperatura de cura e de seu tempo de duração, conforme mostrado na Figura 2.20.

0 0 Idade (dias) Expansão (%) 85° C / 6hr / 0.38 w/c 1000 2000 3000 0.5 1.0 95° C / 5hr 85° C / 6hr 75° C / 7hr 20° C

Figura 2.20 - Influência da temperatura de cura e a idade sobre a expansão (HOBBS, 2001)

Lawrence (1995) estudou a influência da temperatura (Figura 2.21a) e seu tempo de duração sobre a expansão de argamassas (Figura 2.21b) e verificou que nenhuma argamassa curada a 60ºC e 65ºC apresentou expansão significativa (> 0,2%), e dentre as curadas a 70ºC somente uma expandiu. Já a 75ºC, das seis argamassas produzidas com diferentes cimentos, cinco expandiram, enquanto que em uma cura a 100ºC por 3 horas, as argamassas confeccionadas com 55 tipos de cimentos, 37 tiveram expansões significativas. Quanto ao efeito do tempo de cura, o autor constatou que, a 100ºC, o prolongamento do período de cura entre 16 e 24 horas provocou expansão em 11 dos 14 cimentos testados. A expansão aumentou quando o período

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de cura se estendeu até 3 dias, porém reduziu significativamente quando a cura se prolongou entre 7 a 10 dias (Figura 2.21b).

0 0

Raiz quadrada do tempo (dias)

Expansão (%) 5 10 15 20 25 30 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 100° C / 3h 75° C / 16h 70° C / 16h 65° C / 16h 60° C / 16h 20° C b) 0 0

Raiz quadrada do tempo (dias)

Expansão (%) 5 10 15 20 25 30 0.5 1 1.5 2 3 horas 1 dia 2 dias 8 / 10 dias a)

Figura 2.21 - Influência da temperatura e período de cura sobre a expansão: a) temperatura; (b) influência do

período de cura para temperatura próxima de 100ºC (LAWRENCE, 1995)

Assim como Lawrence (1995), Heinz et al. (1999) constatou que as expansões tendem a iniciar mais cedo com o aumento da temperatura de cura. Em seus estudos com argamassas, este pesquisador verificou que, quando curadas a 100ºC, as expansões nas argamassas iniciaram aos 14 dias de idade, enquanto que a 90ºC elas tinham início aos 42 dias. Para uma cura a 85ºC, as expansões começaram aos 70 dias; e, a 80ºC, elas demoravam até 6 meses para surgir, sendo que nas pastas curadas à 75ºC elas iniciaram após 1 ano. As argamassas, curadas a 70ºC e submetidas a 10 ciclos de gelo-desgelo em água, também apresentaram expansão, o que o levou a concluir que esta seria a temperatura crítica para promover DEF.

2.4.4.2 Taxa de elevação da temperatura

A velocidade do aumento da temperatura de cura pode promover microfissuras devido às diferenças do coeficiente térmico de expansão dos materiais constituintes, enfraquecendo a matriz e a interface pasta-agregado; e facilitar o acesso de água durante a exposição. Em geral, a taxa de elevação de temperatura recomendada para evitar o surgimento de fissuras térmicas é de 20ºC/h (NEVILLE, 1997; THAULOW; JOHANSEN; JAKOBSEN, 1999).

2.4.4.3 Aumento da temperatura devido ao calor de hidratação

A elevação da temperatura no interior de elementos de concreto devido ao calor de hidratação pode atingir níveis extremamente altos. Dependendo do tipo de cimento, o total de calor gerado é da ordem de 320 kJ/kg de cimento. Johansen e Thaulow (1999) chamam a atenção para esse aspecto, simulando uma curva isotérmica para um elemento de concreto com seção transversal de 1 m x 1 m, concretado a 35ºC, em que o núcleo atingiria 84ºC. Desta maneira, os autores esclarecem que muitos relatos de casos de DEF em material não curado termicamente podem ter negligenciado o efeito do calor de hidratação sobre o aumento da temperatura interna. A empresa FURNAS possui um rico acervo de monitoramento de temperaturas de elementos de barragem, nos quais a temperatura máxima desenvolvida por calor de hidratação atinge níveis superiores a 80ºC para diversos tipos de cimento.

2.4.4.4 Período de pré-cura

Se o concreto em estado fresco for submetido à temperatura antes do fim de pega do cimento, ele apresentará menor resistência e maior risco de danos por DEF. Thaulow, Johansen e Jakobsen (1999) recomendam um período de pré-cura de pelo menos 2 e 4 horas.

2.4.4.5 Umidade relativa do ar e Carbonatação

A influência do CO2 tanto na etapa de cura como de exposição foi discutida na Seção 2.3. A

aplicação de vapor quente e seco pode levar à secagem prematura, impossibilitando a hidratação do cimento e, com isso, disponibilizando mais grãos anidros e sulfato para reações posteriores. Nesse caso, para um mesmo material, a temperatura crítica para DEF tende a ser menor (THAULOW; JOHANSEN; JAKOBSEN, 1997).

2.4.5 Condições de exposição

Durante a estocagem, tanto a temperatura, quanto o teor de umidade, como alcalinidade influem sobre a expansão.

2.4.5.1 Temperatura de estocagem ou exposição

Na etapa de serviço, a temperatura do ambiente de estocagem também influi sobre a velocidade da expansão. A estocagem à temperatura próxima de 20ºC é mais favorável à

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expansão por DEF (FAMY, 1999 apud BAGHDADI, 2008). De acordo com Thaulow, Johansen e Jakobsen (1997), os ciclos de temperaturas induzidos por radiação solar em climas quentes podem intensificar a DEF, pois se a temperatura se eleva, dependendo dos níveis atingidos, o efeito sobre o material é o mesmo de uma cura térmica. Quanto aos ciclos gelo- desgelo na etapa de exposição, Heinz et al. (1999) ressaltam que a deterioração por DEF torna-se mais severa nestas condições.

2.4.5.2 Umidade relativa do ar

O contato do material endurecido com a água ou com o ar bastante úmido, isto é, com umidade relativa do ar acima de 80% a 90% (THAULOW; JOHANSEN; JAKOBSEN, 1997), é uma condição necessária para que a DEF ocorra, porque a água participa da reação, além de transportar os íons.

Por sua vez, Graf-Noriega (2007)17 apud Braghdadi (2008), ao estudar o efeito da umidade relativa do ar (UR) sobre a expansão em barras de argamassa, constatou que quando submersa, a expansão inicia mais cedo, mas tende a estabilizar em torno de 0,25% após certo período de tempo. As expansões nas barras expostas à umidade relativa entre 92% e 100% atingiriam cerca de 0,9% após 600 dias, sendo que elas iniciaram mais cedo quando a UR foi igual a 100%.

Em pesquisas laboratoriais, Famy et al. (2001) investigaram a influência de diferentes condições de estocagem à temperatura ambiente sobre a expansão, conforme mostra o gráfico da Figura 2.22. Estes pesquisadores constataram que a velocidade e a extensão da expansão por DEF são menores para estocagem em ar pouco úmido do que submerso em água; e inexistem ou são retardadas para armazenagem em soluções hidróxidas alcalinas (KOH). Entretanto, o efeito da substituição dessa solução por água após 300 dias seria o de aceleração da expansão, sendo o seu valor final o mesmo obtido, se a estocagem tivesse ocorrido em água durante todo o período.

17

GRAF-NORIEGA, L. A. Effect of relative himidity on expansion and microstrutcture of heat cured mortar. Potland Cement Association, RD139, Skokie, Illinois, 2007.

Figura 2.22 - Influência das condições de estocagem. Valores médios das expansões de argamassas curadas

por 12 horas a 90ºC e depois armazenada a temperatura ambiente em diferentes condições, onde [P] KOH = solução do poro simulada (460 mmol/l KOH); [2P]KOH = 920 mmol/L KOH (FAMY et al. 2001)

2.4.6 Associação com outras patologias

A expansão por formação tardia da etringita é favorecida por qualquer tipo de debilidade pré- existente, como fissuras e presença de outros processos deletérios. As microfissuras pré-

No documento ESTUDO DA FORMAÇÃO DA ETRINGITA TARDIA EM CONCRETO POR CALOR DE HIDRATAÇÃO DO CIMENTO (páginas 58-150)