Indaial – 2019
M ateriais de C onstrução - C onCreto
Profª. Luciana de Figueirêdo Lopes Lucena
1a Edição
Elaboração:
Profª. Luciana de Figueirêdo Lopes Lucena
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial.
Impresso por:
A presentAção
Prezados acadêmicos, estamos aqui iniciando uma nova etapa no estudo dos Materiais de Construção, os quais empregamos em nossa profissão para os mais diversos fins: estruturais, vedação, revestimento, acabamento, entre outros.
O campo de estudo dos materiais de construção é abrangente e tem chamado cada vez mais atenção dos profissionais de mercado, acadêmicos e pesquisadores, tanto pelo desenvolvimento tecnológico contínuo e crescente ao longo das últimas décadas, quanto pela necessidade do emprego de materiais mais sustentáveis, dentro da perspectiva do estímulo à construção sustentável. Neste livro, trataremos da tecnologia de alguns dos materiais de construção mais empregados na construção civil no mundo: as argamassas e os concretos. Materiais compostos predominantemente de água, aglomerantes (cal, cimento) e agregados (areias, britas).
As suas caraterísticas físicas, mecânicas e químicas os tornam de uma importância essencial para a Engenharia Civil e por isso os abordaremos em detalhes neste livro.
Na Unidade 1, traremos uma breve revisão de conteúdos já estudados por você anteriormente, mas por necessitarmos de alguns conceitos que talvez não estejam tão presentes em sua memória, os recordaremos aqui. No primeiro tópico da Unidade 1, faremos uma revisão de conceitos básicos relacionados à cristalografia dos materiais, ou seja, de aspectos relativos a sua microestrutura. O entendimento da microestrutura dos materiais e, no caso particular do concreto, da microestrutura dos seus materiais constituintes e relações de interface entre eles, é fundamental para entendermos e modificarmos algumas de suas propriedades.
No segundo tópico, relembraremos algumas das propriedades fundamentais dos materiais, em particular as propriedades físicas, mecânicas e químicas, essenciais para avançarmos nas discussões relativas à resistência e durabilidade dos materiais. Após a revisão apresentada nos Tópicos 1 e 2 da Unidade 1, daremos início ao estudo propriamente dito das argamassas e concretos.
Na Unidade 2, apresentaremos e discutiremos sobre os principais materiais constituintes dos concretos. O Tópico 1 versa sobre os aglomerantes, materiais com características ligantes responsáveis pela união dos elementos.
Trataremos especificamente dos gessos, das cales e do cimento. Para cada um destes materiais apresentaremos a sua composição química, modo de produção, principais propriedades e normas regulamentadoras. No Tópico 2, discutiremos sobre os agregados, também relacionando o seu modo de produção, suas propriedades e normas. Nos Tópicos 3 e 4, discutiremos sobre dois materiais que são adicionados à composição convencional do concreto com o intuito de modificar uma ou mais de suas propriedades: os aditivos (Tópico 3) e as adições (Tópico 4). Os aditivos são produtos químicos e as adições, materiais de origem mineral, sendo esta a maior distinção entre os termos. Atualmente, ambos são largamente empregados na confecção de materiais mais resistentes e duráveis.
Por fim, na Unidade 3 trataremos especificamente das argamassas e dos concretos. No Tópico 1, apresentaremos as argamassas, discutiremos sua
Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.
O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.
Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador.
Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão.
Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.
Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE.
Bons estudos!
NOTA
patologias das argamassas. O Tópico 2 é dedicado ao estudo dos concretos, você verá que ele se diferencia dos demais por detalharmos as características microestruturais do material e, também, por apresentarmos alguns dos tipos de concreto especiais cuja tecnologia está em constante desenvolvimento.
Nesta altura, é importante lembrar que o bom aproveitamento da disciplina e do conteúdo requer a leitura atenta e a realização das atividades, não se atendo apenas aos conteúdos aqui apresentados. É essencial que o estudo dos materiais seja complementado pela leitura das normas, cujas referências se encontram ao final de cada Unidade, bem como comentadas ao longo do texto. Essas normas auxiliarão a compreensão dos requisitos de cada material, formas de ensaio das propriedades e são imprescindíveis ao trabalho de todo bom engenheiro.
Espero que você desfrute do conteúdo aqui apresentado e desejo sucesso em sua vida acadêmica e profissional.
Profa. Luciana de Figueirêdo Lopes Lucena
Olá acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você e dinamizar ainda mais os seus estudos, a Uniasselvi disponibiliza materiais que possuem o código QR Code, que é um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta, acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar mais essa facilidade para aprimorar seus estudos!
UNIDADE 1 – ROPRIEDADES DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL ... 1
TÓPICO 1 – NOÇÕES DE MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS ... 3
1 INTRODUÇÃO ... 3
2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS ... 4
2.1 METAIS ...6
2.2 CERÂMICOS ...7
2.3 POLÍMEROS ...7
2.4 COMPÓSITOS ...7
2.5 SEMICONDUTORES ...8
2.6 BIOMATERIAIS ...8
2.7 NANOMATERIAIS ...8
3 ESTRUTURAS DOS MATERIAIS ... 8
3.1 ESTRUTURAS CRISTALINAS ...9
3.1.1 Polimorfismo e Alotropia ... 15
3.1.2 Materiais Monocristalinos e Policristalinos ...16
3.2 ESTRUTURAS AMORFAS ...17
3.3 ESTRUTURAS MOLECULARES ...18
4 SUPERFÍCIES E INTERFACES ... 20
5 TÉCNICAS DE ANÁLISE DE MICROESTRUTURAS ... 23
5.1 DIFRAÇÃO DE RAIOS X ... 23
5.2 MICROSCOPIA ...27
5.2.1 Microscopia óptica ...28
5.2.2 Microscopia eletrônica ...28
RESUMO DO TÓPICO 1... 31
AUTOATIVIDADE ... 33
TÓPICO 2 – PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ... 35
1 INTRODUÇÃO ... 35
2 PROPRIEDADES FÍSICAS ... 36
2.1 MASSA ESPECÍFICA, DENSIDADE E PESO ESPECÍFICO ... 36
2.2 POROSIDADE ... 38
2.3 ABSORÇÃO ... 39
2.4 PERMEABILIDADE ... 39
2.5 PROPRIEDADES ELÉTRICAS ... 39
2.5.1 Resistividade ... 40
2.5.2 Condutividade ... 41
3 PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 41
3.1 RELAÇÕES TENSÃO X DEFORMAÇÃO ... 41
3.1.1 Deformação elástica ... 43
3.1.2 Deformação Plástica ... 45
3.2 DUCTILIDADE ... 47
3.3 RESILIÊNCIA ... 48
3.4 TENACIDADE ... 49
s umário
4.1 CAPACIDADE TÉRMICA ... 50
4.3 EXPANSÃO TÉRMICA ... 52
4.2 CONDUTIVIDADE TÉRMICA ... 52
5 PROPRIEDADES QUÍMICAS ... 53
5.1 OXIDAÇÃO ... 53
5.2 CORROSÃO ... 56
5.3 DEGRADAÇÃO ... 58
LEITURA COMPLEMENTAR ... 60
RESUMO DO TÓPICO 2... 63
AUTOATIVIDADE ... 64
UNIDADE 2 – MATERIAIS CONSTITUTINTES DE ARGAMASSAS E CONCRETOS ... 67
TÓPICO 1 – AGLOMERANTES ... 69
1 INTRODUÇÃO ... 69
2 AGLOMERANTES AÉREOS: GESSO ... 71
3 AGLOMERANTES AÉREOS: CAL ... 76
3.1 CAL AÉREA ...76
3.1.1 A cal virgem ...77
3.1.2 A cal hidratada ...80
3.1.3 Cal hidráulica ... 84
4 CIMENTOS HIDRÁULICOS ... 84
4.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA ...86
4.2 HIDRATAÇÃO DO CIMENTO ...88
4.3 PROPRIEDADES ...89
4.3.1 Requisitos químicos ...89
4.3.2 Requisitos físicos e mecânicos ...90
4.4 TIPOS DE CIMENTO ...91
4.4.1 Cimento Portland Comum (CP-I) ...91
4.4.2 Cimento Portland Composto (CPII) ...92
4.4.3 Cimento Portland de Alto-forno (CP III) ...92
4.4.4 Cimento Portland Pozolânico (CP IV) ... 93
4.4.5 Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V) ... 93
4.4.6 Cimento Portland Branco (CPB) ... 93
RESUMO DO TÓPICO 1... 96
AUTOATIVIDADE ... 98
TÓPICO 2 – AGREGADOS ...101
1 INTRODUÇÃO ...101
2 CLASSIFICAÇÃO DOS AGREGADOS ...101
2.1 SEGUNDO A ORIGEM ...102
2.2 SEGUNDO A GRANULOMETRIA...102
2.3 SEGUNDO A MASSA UNITÁRIA...103
2.4 SEGUNDO A FORMA E A TEXTURA ...103
3 TIPOS DE AGREGADOS ...104
3.1 AREIAS ...104
3.2 PEDRA BRITA (BRITA) ...104
3.3 PEDREGULHO OU CASCALHO ...104
3.4 RESÍDUOS DE CONSTRUÇÃO CIVIL ...104
4 PRODUÇÃO DE AGREGADOS ...105
5 NORMAS TÉCNICAS ...106
6.1 PROPRIEDADES FÍSICAS ...107
6.1.1 Composição granulométrica ...107
6.1.2 Massa unitária e massa específica ...110
6.1.3 Teor de umidade ...112
6.1.4 Inchamento ...113
6.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS ...113
6.3 PROPRIEDADES QUÍMICAS ...114
6.3.1 Materiais carbonosos e impurezas orgânicas ...114
6.3.2 Torrões de argila e materiais friáveis ...114
6.3.3 Material pulverulento ...115
6.3.4 Teor de Cloretos (Cl-) e Sulfatos (SO42-) ...115
RESUMO DO TÓPICO 2...116
AUTOATIVIDADE ...117
TÓPICO 3 – ADITIVOS ...119
1 INTRODUÇÃO ...119
2 TIPOS DE ADITIVOS ...120
2.1 REDUTORES DE ÁGUA ...120
2.2 INCORPORADORES DE AR ...122
2.3 MODIFICADORES DE PEGA...123
3 APLICAÇÕES ...125
RESUMO DO TÓPICO 3...126
AUTOATIVIDADE ...127
TÓPICO 4 – ADIÇÕES ...129
1 INTRODUÇÃO ...129
2 MATERIAL POZOLÂNICO ...130
3 MATERIAL CIMENTANTE...132
4 FILLER ...133
LEITURA COMPLEMENTAR ...134
RESUMO DO TÓPICO 4...137
AUTOATIVIDADE ...138
UNIDADE 3 – ARGAMASSAS E CONCRETOS ...139
TÓPICO 1 – ARGAMASSAS...141
1 INTRODUÇÃO ...141
2 CLASSIFICAÇÃO ...142
3 PROPRIEDADES DAS ARGAMASSAS ...144
3.1 PROPRIEDADES NO ESTADO FRESCO ...145
3.1.1 Trabalhabilidade ...145
3.1.2 Retração ...149
3.2 PROPRIEDADES NO ESTADO ENDURECIDO ...149
3.2.1 Aderência ...149
3.2.2 Estanqueidade e permeabilidade ...153
3.2.3 Resistência do material ...154
3.2.4 Capacidade de absorção e deformação ...155
4 DOSAGEM DE ARGAMASSAS ...155
5 PATOLOGIAS EM ARGAMASSAS ...157
5.1 MATERIAIS CONSTITUINTES ...159
5.2 TRAÇO DAS ARGAMASSAS ...160
5.4 OUTROS FATORES ...161
RESUMO DO TÓPICO 1...162
AUTOATIVIDADE ...164
TÓPICO 2 – CONCRETOS ...165
1 INTRODUÇÃO ...165
2 CLASSIFICAÇÃO ...166
3 MICROESTRUTURA DO CONCRETO ...166
3.1 ZONA AGREGADO ...167
3.2 MICROESTRUTURA DA PASTA DE CIMENTO HIDRATADA ...167
3.2.1 Sólidos da pasta hidratada ...168
3.2.2 Vazios ...169
3.2.3 Águas ...170
3.3 ZONA DE TRANSIÇÃO ...170
4 PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO ...171
4.1 TRABALHABILIDADE ...172
4.1.1 Fluidez ...174
4.1.2 Coesão ...176
5 PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO ENDURECIDO ...176
5.1 MASSA ESPECÍFICA, ABSORÇÃO DE ÁGUA E ÍNDICE DE VAZIOS...176
5.2 RESISTÊNCIA MECÂNICA ...180
5.2.1 Resistência à compressão ...183
5.2.2 Resistência à tração ...185
5.2.3 Deformação e ruptura do concreto ...187
6 DOSAGEM DE CONCRETO ...193
6.1 O MÉTODO ABCP ...196
6.1.1 Determinação das características dos materiais ...196
6.1.2 Determinação da relação água-cimento ...197
6.1.3 Consumo de materiais ...199
6.1.4 Traço do Concreto ...202
7 DURABILIDADE E PATOLOGIAS EM CONCRETO ...202
7.1 ATAQUES POR SULFATOS ...203
7.2 CLORETOS ...204
7.3 CARBONATAÇÃO ...206
8 TENDÊNCIAS EM TECNOLOGIA DOS CONCRETOS ...208
8.1 CONCRETO ESTRUTURAL LEVE ...209
8.2 CONCRETO AUTOADENSÁVEL ...211
8.3 OUTROS CONCRETOS ESPECIAIS ...212
LEITURA COMPLEMENTAR ...215
RESUMO DO TÓPICO 2...217
AUTOATIVIDADE ...219
REFERÊNCIAS ...221
UNIDADE 1 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DE
CONSTRUÇÃO CIVIL
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• diferenciar estruturas de materiais de forma introdutória;
• analisar de forma introdutória as diferentes técnicas de análise das microestruturas dos materiais;
• entender as principais propriedades dos materiais de construção civil, face aos diferentes esforços a que serão submetidos.
Esta unidade está dividida em dois tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – NOÇÕES DE MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS TÓPICO 2 – PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
TÓPICO 1
UNIDADE 1
NOÇÕES DE MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS
1 INTRODUÇÃO
A história e o desenvolvimento da humanidade e os avanços na tecnologia dos materiais são tão intrinsecamente relacionados que frequentemente não associamos, enquanto profissionais ligados às ciências e tecnologias, as suas superposições. Entretanto, ao lançarmos um olhar sobre as primeiras civilizações, percebemos que a sua evolução dependeu da descoberta dos novos materiais e do desenvolvimento de novos produtos a partir destes materiais, de tipologias até então limitadas. O homem aprendeu a forjar utensílios domésticos e ferramentas de caça, pesca e, posteriormente, artefatos de guerra. Se tiverem a oportunidade de visitar museus que dediquem um espaço a este tipo de peças, prestem atenção como, a partir da evolução dos materiais, podemos contar a história da conquista de territórios ao longo do tempo. Existem diversos museus pelo mundo que possuem salas dedicadas a achados arqueológicos e aquisições que retratam a evolução dos tempos a partir destes artefatos.
A importância dos materiais para a humanidade é tão grande, que a nossa evolução histórica foi nominada pelo material de desenvolvimento e uso predominante na época. Por exemplo, a Pré-história, que data de 2,5M a.C. a aproximadamente 6.500 a.C., é conhecida como Idade da Pedra e é caracterizada pelo uso de madeiras e pedras lascadas e polidas. Com a descoberta dos metais, a civilização passou por várias idades: cobre, bronze, ferro. A princípio, contávamos com uma quantidade limitada de materiais disponíveis na natureza e o procedimento de seleção e beneficiamento dos materiais a serem utilizados em diferentes aplicações era uma tarefa relativamente simples, pois tratávamos de uma dezena de possibilidades disponíveis. Ao descobrirmos que poderíamos alterar a estrutura interna dos materiais e que a submissão destes materiais a tratamentos mecânicos, químicos etc. modificava as suas propriedades, passamos a ter alguns milhares de distintos tipos de materiais à nossa disposição para o desenvolvimento de produtos, que vão desde vestuários a grandes estruturas como aeronaves, edifícios e pontes com elevada capacidade estrutural e grande durabilidade.
Com a evolução na quantidade de materiais disponíveis, também cresceu o consumo dos recursos naturais, matéria-prima para a execução das nossas mais diversas atividades diárias e produtivas. Isaía (2007, p. 1) alerta para a finitude destes recursos, ao pontuar que:
a disponibilidade de matéria-prima para que as necessidades humanas sejam satisfeitas é um item primordial para a sobrevivência de todos, porque já estão estocados, desde os primórdios do aparecimento do Homo sapiens, todos os recursos necessários para a sobrevivência dos passageiros desta espaçonave, até o fim dos tempos.
A utilização racional dos recursos então é fundamental para a manutenção da biocapacidade do planeta (quantidade de área biologicamente produtiva disponível para responder às necessidades da humanidade). Hoje a capacidade de suporte do planeta para sustentar nossas atividades de produção e consumo de recursos já ultrapassou 1,7 vezes. Estima-se que, mantendo-se os níveis de consumo atuais, seriam necessários 3,5 planetas Terra para atender às necessidades de uso de materiais e energia. A indústria da construção civil é reconhecidamente a maior consumidora de recursos naturais. John (2000) estima que até 50% dos recursos naturais utilizados no planeta se destinam à indústria da construção civil, com destaque para a produção de materiais cimentícios. No país, 1/3 dos recursos naturais consumidos se relacionam a esta indústria. O autor destaca ainda que entre 2010 e 2050, a demanda por materiais cimentícios, mantidas as condições de produção atuais, irá crescer 2,5 vezes, podendo alcançar 3,2 vezes nos países em desenvolvimento. Cabe a nós, engenheiros, estabelecer o uso racional destes recursos, buscar formas de produção mais limpas e o desenvolvimento de materiais alternativos que complementem o uso dos materiais tradicionais.
Este desenvolvimento passa necessariamente pelo conhecimento da estrutura e propriedades dos materiais.
Desse modo, nesta unidade, buscamos dar início ao estudo dos concretos, a partir de uma revisão sobre a estrutura e a propriedade dos materiais, conhecimentos que são fundamentais ao entendimento da tecnologia dos concretos. São apresentados conceitos introdutórios relativos ao estudo da ciência e tecnologia dos materiais, tais como a classificação dos diferentes tipos de materiais, as formas estruturais que estes materiais podem assumir, bem como algumas técnicas de análise para identificação e caracterização dos materiais em nível microestrutural.
2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
A natureza é composta por 94 elementos, os quais podem se combinar e formar a MATÉRIA. A matéria do Universo, constituída por átomos, é formada a partir do momento em que esses elementos se combinam dando origem a estruturas que possuem um maior ou menor grau de organização. No momento em que uma ou mais propriedades (elétrica, mecânica, térmica, entre outras) permitem o desempenho de funções específicas, passamos a tratar a matéria como um MATERIAL (ZARBIN, 2007).
O estudo dos materiais é realizado no âmbito da Ciência e Engenharia dos Materiais, que visa selecionar o material mais adequado (dentre os milhares de materiais disponíveis) ao desempenho de determinada função. Tal seleção é
realizada com base na análise do processamento, estrutura e propriedade dos materiais em função do desempenho almejado. Essa interação é descrita por diversos autores (CALLISTER, 2016; SMITH, 1998; SCHAKELFORD, 2008) e exemplificada a partir de uma estrutura piramidal formada pelos componentes de análise, quais sejam, Síntese e Processamento, Estrutura e Composição, Propriedades de Engenharia e Desempenho (Figura 1).
FIGURA 1 – RELAÇÃO ENTRE OS COMPONENTES DE ESTUDO DOS MATERIAIS
FONTE: Adaptada de Zarbin (2007)
Considerando a estrutura piramidal apresentada na Figura 1, vemos que o desempenho de um material a ser selecionado dentre múltiplas possibilidades se alicerça na forma de processamento, na estrutura e composição do material e das suas propriedades de engenharia. Estas propriedades são resultado tanto da forma de processamento (síntese) do material, quanto de sua composição e estrutura. Como Zarbin (2007, p. 1469) pontua: “investiga-se qual a rota de preparação (síntese) capaz de produzir exatamente aquele material (com estrutura e composição química desejadas)”. Assim, ao falarmos de síntese e processamento, estamos tratando da estrutura atômica e microestrutura de um material. A estrutura se relaciona ao arranjo atômico e identidade dos átomos, definidos em função das condições empregadas na preparação do material, cujas características lhe conferirão as propriedades desejáveis para alcançar o desempenho almejado.
Um exemplo de fácil entendimento é o da seleção de um material para produção de bicicletas. Se pensarmos em um consumidor que almeja uma bicicleta destinada a passeio, temos como objetivo a escolha de um material de custo mais reduzido, impondo-se um limite de massa para que não se torne muito pesada para o usuário. Já se pensarmos no material de uma bicicleta ultraleve, a minimização da massa passa a ser o objetivo, em detrimento de um custo mais
desempenho
propriedades processamento
estrutura
elevado, pois necessitaremos utilizar um material mais nobre do que aqueles destinados a bicicletas de passeio. Enquanto uma bicicleta de passeio com uma boa relação custo-benefício é encontrada no mercado por cerca de R$ 1.000,00, as bicicletas de alta tecnologia com peso inferior a 7 kg podem chegar a custar mais de US$ 20.000,00 (aproximadamente R$ 80.000,00).
A tarefa de seleção dos materiais era simples e quase intuitiva se nos remetermos aos primórdios da civilização, como já comentamos anteriormente.
Havia uma dezena de materiais disponíveis na natureza que conferiam as propriedades desejáveis para vestuário, alimentação e demais atividades cotidianas. Se traçarmos uma linha temporal de desenvolvimento de materiais, iremos perceber que com o avanço da tecnologia dos materiais sintéticos, notadamente a partir da Segunda Guerra Mundial, passamos a ter a opção de escolha de mais de 80.000 materiais com características relativamente específicas.
Se na Pré-história e Antiguidade dispúnhamos de uma dezena de materiais encontrados na natureza, tais como cerâmicas, polímeros e compósitos naturais e, ao se dominar técnicas de extração, os metais, como o bronze e o ferro, a década de 1950 veio trazer uma revolução na indústria de materiais, com a proliferação de tecnologias associadas ao desenvolvimento de polímeros, compósitos, ligas metálicas de alta tecnologia e cerâmicas de alto desempenho.
Existem distintos tipos de materiais que atendem às nossas necessidades e estes são agrupados em famílias, classe e subclasses. Callister (2016) e Schackelford (2008) apresentam os materiais como classificados tradicionalmente em três grandes famílias, segundo a sua composição química e estrutura dos materiais:
Metais, Cerâmicos e Polímeros. Com o desenvolvimento da Ciência e Engenharia de Materiais, podemos acrescentar outras famílias de materiais, tais como os compósitos e os materiais avançados, os quais compreendem os nanomateriais, biomateriais e semicondutores. A seguir, descreveremos brevemente cada uma dessas famílias, uma vez que nos debruçaremos neste livro apenas sobre os materiais compósitos; os demais são apenas cenas dos próximos capítulos.
2.1 METAIS
Na tabela periódica, 70 elementos têm caráter predominantemente metálico. Os metais são materiais formados pela combinação predominantemente destes elementos metálicos, podendo também estar associados em uma menor proporção a elementos não metálicos (é o caso do aço, que tem em sua composição um pequeno percentual de carbono associado ao ferro). Com estrutura pouco complexa, os metais são formados por ligações predominantemente metálicas, possuindo muitos elétrons não localizados, conferindo-lhes propriedades como condutividade elétrica e térmica, opacidade, resistência e ductilidade. Entretanto, a sua reatividade os torna susceptíveis à corrosão, necessitando proteção adicional. Os metais são utilizados na construção civil em coberturas, esquadrias e aplicações estruturais.
2.2 CERÂMICOS
São materiais formados por ligações entre elementos metálicos e não metálicos, podendo incluir o hidrogênio, compondo estruturas mais complexas do que os metais, mas simplificadas ao se comparar com as extensas cadeias poliméricas.
Possuem ligações iônicas como característica, embora possam ser completamente covalentes. Assim, seus elétrons possuem posições bem definidas, o que confere a esses materiais a tendência de serem bons isolantes de eletricidade, calor e temperatura, além de menos abrasivos do que os metais. São materiais de resistência elevada, porém pouco deformáveis, apresentando fratura frágil (ou seja, após atingirem os limites de resistência, rompem antes de sofrer deformação significativa) e, portanto, são duros e quebradiços. São comumente subdivididas em cerâmicas tradicionais e avançadas, sendo estas últimas dotadas de alta pureza, obtidas em processos de síntese que controlam sua morfologia. As cerâmicas tradicionais são largamente empregadas na construção civil e são compostas predominantemente por argilominerais, encontrados de forma abundante na natureza, tais como sílica, feldspato, cal, alumina, e se constituem nos materiais de construção mais empregados, em cerâmicas branca e vermelha, agregados, cimentos, entre outros.
2.3 POLÍMEROS
Dentre os materiais tradicionais, são os polímeros os mais complexos. São formados pela união dos meros (grupos repetitivos ao longo da cadeia, formados por hidrocarbonetos e outros elementos como oxigênio, nitrogênio, flúor e outros elementos não metálicos) compondo uma macromolécula orgânica. Apresentam ligações covalentes (mais fortes) e secundárias entre cadeias (Van der Waals), motivo pelo qual são menos resistentes que os metais e cerâmicas. Os polímeros podem ser naturais (madeira, algodão, lã, borracha natural) ou sintéticos (PVC, nylon, PET). São materiais de custo reduzido e suas propriedades podem variar de acordo com a sua composição. Entretanto, possuem características como tendência a baixa resistência mecânica e à temperatura, ductilidade elevada e baixa densidade. São empregados largamente na construção em tubos e conexões, esquadrias, impermeabilizantes, entre outros.
2.4 COMPÓSITOS
Os compósitos são materiais compostos por dois ou mais materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos, unidos de forma heterogênea, conservando suas propriedades originais. As propriedades do compósito resultam da combinação das propriedades individuais de seus materiais constituintes. São constituídos de duas fases: uma fase contínua denominada matriz e uma fase dispersa, a carga. A fase matriz, mais abundante no material, tem funções importantes, como a união e proteção das cargas e a distribuição de tensões no material. A fase carga atua para melhorar ou modificar as propriedades da matriz e são introduzidas no material na forma de fibras ou partículas. O avanço no desenvolvimento dos compósitos
ocorreu a partir da segunda metade do século XX. Vários são os exemplos de materiais compósitos de nosso conhecimento cotidiano, sendo a fibra de vidro o exemplo mais clássico. A fibra de vidro é composta por uma matriz polimérica reforçada com um material cerâmico, o que confere ao material a resistência mecânica da cerâmica (vidro), aliada à flexibilidade e baixa densidade do polímero.
Os concretos também podem ser considerados materiais compósitos. Temos uma matriz cerâmica (cimento) e as cargas (agregados) também cerâmicas, podendo-se ainda utilizar outros materiais como carga, alterando as propriedades do material convencional. Tanto os concretos convencionais, quanto os reforçados com fibras ou partículas serão aqui tratados posteriormente.
2.5 SEMICONDUTORES
Como a própria denominação já sugere, os materiais semicondutores possuem propriedades intermediárias entre os materiais isolantes e os condutores.
Formam ligações predominantemente covalentes com elementos como o silício, germânio, cádmio, molibdênio, titânio, entre outros, apresentando propriedades semelhantes aos materiais cerâmicos, porém deles diferindo em seu processo produtivo. Possibilitaram o desenvolvimento de circuitos integrados empregados em produtos eletrônicos e computadores. Não serão objeto de estudo no curso.
2.6 BIOMATERIAIS
Os biomateriais podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos ou compósitos. Em comum, devem possuir características como a não reatividade e compatibilidade com os tecidos humanos e ainda não toxicidade. Atualmente, são os materiais mais empregados na área da saúde, particularmente em próteses e, portanto, não serão objeto de nosso estudo.
2.7 NANOMATERIAIS
A nanotecnologia envolve a manipulação e uso de materiais em nanoescala (10-9m) a fim de, a partir do controle individual dos átomos, atribuir propriedades e desempenho específico aos materiais. Com o desenvolvimento da nanotecnologia, temos vários avanços nas mais diversas áreas, tais como vestuário (tecidos que não amassam, mancham, absorvem calor e retêm o suor), biomédica, informática, entre outros. Na construção civil, vêm sendo desenvolvidos estudos para modificação de matrizes cimentícias, conferindo-lhes uma maior durabilidade.
3 ESTRUTURAS DOS MATERIAIS
A compreensão das propriedades e do desempenho associado aos diferentes materiais de engenharia, necessariamente, passa pelo entendimento da estrutura do material em nível microscópico e atômico. Sim, sabemos que o
tema já foi abordado em disciplina anterior, mas vale a pena relembrar, uma vez que você irá necessitar entender a estrutura dos materiais de construção civil para trabalhar suas propriedades, não é mesmo? Desse modo, apresentaremos uma breve revisão sobre as estruturas que formam os materiais, supondo que vocês recordam que a matéria é composta por átomos unidos por ligações atômicas que podem ser fortes ou fracas (Quadro 1) e que o tipo e a intensidade dessas ligações influem diretamente nas propriedades do material.
QUADRO 1 – CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS
Materiais Ligações Predominantes Características em Função das Ligações
Metais Metálica Materiais resistentes, com elevada ductilidade e
condutividade térmica e elétrica Cerâmicas Iônicas, embora possam ser
completamente covalentes Materiais resistentes, duros e frágeis, isolantes térmicos e elétricos
Polímeros Covalentes como ligações primárias e ligações secundárias de Van der Waals Baixa resistência mecânica, ductilidade variada, isolantes elétricos e condutores térmicos FONTE: Adaptado de Isaía (2007, p. 153)
Isto posto, vamos tratar das estruturas e das suas formas de caracterização.
Abordaremos aqui as estruturas associadas aos materiais tradicionais (metais, cerâmicos e polímeros), uma vez que as estruturas dos demais materiais derivam destes, partindo das mais simples (metais) para as mais complexas (polímeros).
Os arranjos atômicos formados a partir destas ligações entre os átomos compõem a estrutura dos materiais. Van Vlack (2003) propõe três classes estruturais: cristalinas, amorfas e moleculares.
3.1 ESTRUTURAS CRISTALINAS
As estruturas que formam os sólidos cristalinos são conformadas de modo que os arranjos atômicos sejam repetidos periodicamente por grandes distâncias atômicas. Callister (2002, p. 21) aponta que “existe uma ordem de longo alcance, tal que, na solidificação, os átomos irão se posicionar num arranjo tridimensional repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos seus vizinhos mais próximos”.
Não entendeu? Vamos “pegar uma lupa” e tentar imaginar o interior de um sólido qualquer. Ele é composto dos átomos unidos em arranjos que vão se repetindo ao longo de toda a estrutura, até alcançar o contorno final do material formando uma estrutura reticulada tridimensional (a REDE CRISTALINA).
Nesse reticulado, cada ponto individual (átomo) tem características semelhantes.
Peguemos o menor arranjo que podemos observar e que se repete ao longo de toda a estrutura e a ele nomeemos de célula unitária (Figura 2a). A CÉLULA UNITÁRIA é, pois, uma unidade de pequeno volume, a menor unidade observável da estrutura cristalina, que se repete ao longo do reticulado, na qual podemos observar todas as características do material cristalino, definindo a sua
estrutura de acordo com a sua geometria e posição dos átomos no interior das células. A geometria da célula unitária é caracterizada pelos PARÂMETROS DE REDE, que compreendem o tamanho das arestas da célula unitária (cujos vértices correspondem ao centro do átomo, os quais são representados pelo modelo de esfera rígida) e os ângulos entre os eixos cristalográficos (Figura 2b).
FIGURA 2 – (A) CÉLULA UNITÁRIA DE UMA ESTRUTURA CRISTALINA (B) GEOMETRIA GENÉRICA DE UMA CÉLULA UNITÁRIA
FONTE: Adaptado de Callister (2016) e Schakelford (2008)
A maioria destas células unitárias se configura em sólidos geométricos de forma prismática, de modo que podemos agregar as estruturas cristalinas de forma simplificada, em grandes grupos geométricos: os SISTEMAS CRISTALINOS. O cientista francês Auguste Bravais observou que todas as estruturas cristalinas conhecidas podiam ser agrupadas em sete sistemas cristalinos básicos (Quadro 2), a partir dos quais seria possível descrever 14 células unitárias, representativas de quaisquer estruturas cristalinas conhecidas (Quadro 3).
QUADRO 2 – SISTEMAS CRISTALINOS
Sistemas Eixos Ângulos
Cúbico a=b=c 90º
Tetragonal a=b≠c 90º
Ortorrômbico a≠b≠c 90º
Monoclínico a≠b≠c 2 ângulos=90º; 1 ângulo≠90º
Triclínico a≠b≠c 3 ângulos diferentes e nenhum igual a 90º
Hexagonal a=b ≠c 2 ângulos=90º; 1 ângulo=120º
Romboédrico a=b=c 3 ângulos iguais e nenhum igual a 90º
FONTE: Adaptado de Callister (2002) β
c b a
γ α
(a) (b)
QUADRO 3 – REDES CRISTALINAS DE BRAVAIS Sistema
Cristalino Estrutura
Simples Estrutura de
Corpo Centrado Estrutura de
Base Centrada Estrutura de Face Centrada
Cúbico
Hexagonal
Tetragonal
Romboédrico
Ortorrômbico
Monoclínico
Triclínico
FONTE: Adaptado de Callister (2002)
Os metais possuem uma estrutura cristalina simples, composta por um dos sete sistemas cristalinos propostos por Bravais, sendo mais comuns as estruturas cúbicas e hexagonais; mais especificamente a cúbica de corpo centrado, a cúbica de face centrada e a hexagonal compacta. Estas ocorrem com frequência, devido ao caráter metálico das ligações, que reduzem a restrição à posição e quantidade de átomos vizinhos, favorecendo estruturas mais compactas (CALLISTER, 2016). Certamente, você já trabalhou com estas estruturas em disciplina anterior, porém vamos relembrá-la aqui.
O sistema cúbico forma ângulos de 90º e possui arestas com as mesmas dimensões (parâmetro “a”). A estrutura mais simples, embora não favoreça o empacotamento atômico devido à sua baixa densidade, é a estrutura cúbica simples – CS (Figura 3), que possui um átomo em cada vértice, com um átomo ocupando o interior da célula e fator de empacotamento atômico (FEA) igual a 0,52. O Fator de empacotamento atômico (FEA) pode ser definido como a razão entre o volume das esferas contidas na célula unitária e o volume total da célula unitária. Dos metais, apenas o Polônio possui esta estrutura.
FIGURA 3 – CÉLULA UNITÁRIA DE UMA ESTRUTURA CÚBICA SIMPLES
FONTE: A autora
Observe que só temos 1/8 de átomo em cada vértice, implicando que numa CS só há um átomo por célula unitária, dificultando o processo de cristalização.
A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), por sua vez, possui um átomo no interior da célula e 1/8 de átomo em cada vértice (Figura 4). Com seus dois átomos, possui um FEA igual a 0,68, o que significa que 68% da célula é ocupada por átomos. Metais como o Feα, Cr, Mo e W cristalizam com uma estrutura CCC.
FIGURA 4 – CÉLULA UNITÁRIA DE UMA ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
FONTE: A autora
Com um FEA equivalente a 0,74, superior à estrutura CCC, a estrutura cúbica de face centrada (CFC) possui 1/8 de átomo em cada vértice e ½ átomo em cada face, o qual é compartilhado com a célula unitária seguinte, totalizando quatro átomos por célula unitária (Figura 5a). O Feγ, Al, Ni, Cu e Ag são exemplos de metais que apresentam uma estrutura CFC. Dentre as estruturas hexagonais, a hexagonal compacta – HC (Figura 5b) é a que cristaliza e possui FEA igual ao da estrutura CFC, se diferenciando quanto à sequência de empacotamento das camadas de átomos, uma vez que eles se empilham uns sobre os outros formando planos compactos, porém de formas distintas. O Cd, Be, Co, Mg são exemplos de metais que cristalizam formando estruturas HC.
FIGURA 5 – (A) CÉLULA UNITÁRIA DE UMA ESTRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) E (B) HEXAGONAL COMPACTA (HC)
FONTE: A autora
A estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa do que os metais, podendo ser composta por dois ou mais elementos. Lembrando que os materiais cerâmicos possuem ligações iônicas como características e são formados de elementos metálicos e não metálicos, as estruturas cerâmicas apresentam uma formulação padrão do tipo AmBnXp, onde A é um elemento metálico (ânion) e B e X elementos não metálicos (cátions). Essas fórmulas são representativas de cerâmicas importantes como o NaCl (cloreto de sódio) e o Al2O3 (alumina).
Tais estruturas possuem configurações de estruturas entrelaçadas compostas pelos sistemas cristalinos definidos por Bravais. Tomando um exemplo muito conhecido, o nosso sal de cozinha NaCl pode ser percebido como duas estruturas CFC (uma relativa ao sódio e outra ao cloro) entrelaçadas (Figura 6). As demais possuem características similares quanto à sua estruturação.
FIGURA 6 – ESTRUTURA CRISTALINA DO NACL
(a) (b)
Na+1 Cl–1 FONTE: A autora
Neste ponto é necessário ressaltar a importância de identificar, nos materiais cerâmicos, não apenas os sistemas cristalinos, mas a forma de empilhamento dos planos compactos de ânions constituídos. De acordo com Callister (2002, p. 270),
“na medida em que esses planos são empilhados uns sobre os outros, pequenos sítios intersticiais onde os cátions podem se alojar, são criados entre eles”. Esses sítios podem assumir duas formas: tetraédrica e octaédrica.
Para a engenharia civil, é particularmente importante a estrutura cristalina dos materiais à base de sílica (SiO2), material mais abundante na crosta terrestre.
Segundo Schakelford (2008), a depender das condições de temperatura e pressão, a sílica pode assumir diversas estruturas, sendo a cristobalita (Figura 7) uma das mais simples. A célula unitária da cristobalita (SiO2) tem a configuração de uma estrutura CFC com seis íons em cada ponto de rede, de modo que possui 24 íons no seu interior, formando tetraedros de SiO4−4.
FIGURA 7 – CÉLULA UNITÁRIA DO SIO2
FONTE: A autora
Todas as estruturas de SiO2 têm as mesmas características, uma rede conectada de tetraedros SiO4−4, variando os arranjos de conexão. Desse modo, Callister (2016) recomenda que é mais conveniente caracterizar esses materiais em função de seus sítios tetraédricos e não de suas células unitárias. As estruturas dos materiais à base de silicatos podem ser simples, envolvendo arranjos de tetraedros isolados, ou em camadas, a exemplo de muitos argilominerais utilizados na construção civil. A caulinita (Al2(Si2O5)(OH4)), por exemplo, é uma argila muito utilizada na construção civil e possui uma estrutura lamelar com duas camadas, sendo uma camada de sílica (Si2O5)2-, neutralizada por uma camada A OH2
( )
24. Possui ligações fortes e intermediárias dentro das lâminas com duas camadas, lâminas que se unem às outras por ligações de Van der Waals (Figura 8).FIGURA 8 – ESTRUTURA CRISTALINA DA CAULINITA
FONTE: A Autora
3.1.1 Polimorfismo e Alotropia
Comentamos há pouco que a sílica pode apresentar diferentes formas estruturais dependendo das condições de temperatura e pressão. Entretanto, há outros materiais que podem assumir formas distintas sem modificar a sua composição química. A esse fenômeno chamamos de polimorfismo e pode ocorrer em metais ou ametais. Quando o polimorfismo se faz presente em sólidos elementares, denominamos alotropia. Importantes materiais de uso em engenharia apresentam o fenômeno do polimorfismo. Entre os exemplos mais difundidos destacam-se os elementos Ferro e Carbono. O ferro é, pois, um elemento alotrópico, apresentando variações de estrutura cristalina de CCC (Feα - temperatura ambiente) para CFC (Feγ – 914ºC), retornando à uma estrutura CCC (Feδ – 1394ºC) tendo alteradas AS suas propriedades. As diferenças de estrutura cristalina e propriedades existentes entre a grafita e o diamante (polimorfismos do Carbono) são talvez o exemplo mais difundido do fenômeno. Enquanto a grafita possui uma baixa dureza, decorrente de poucas ligações covalentes entre os planos formados, o diamante é o material mais duro existente em condições naturais, por possuir todas as suas ligações do tipo covalente (Figura 9).
Camada de Al2(OH)2+4
Plano de ânions intermediário
Si4+
Al3+
OH– O2–
Camada de (Si2O5)2–
FIGURA 9 – ESTRUTURA GRAFITE X DIAMANTE
FONTE: A autora
3.1.2 Materiais Monocristalinos e Policristalinos
Você já viu que os materiais cristalinos são formados por arranjos atômicos repetitivos de longo alcance. Entretanto, será que essa repetição sempre é perfeita ao longo de todo o material? A resposta é: não. Existem materiais na natureza, e também produzidos sinteticamente, cujo arranjo periódico se repete perfeitamente ao longo de todo o material até a sua extremidade. A esses materiais denominamos de monocristalinos. Como a perfeição é difícil de alcançar, é necessário um processo de sintetização muito rigoroso e controlado, a exemplo da produção dos monocristais de silício que impulsionaram o desenvolvimento da indústria eletroeletrônica no mundo.
Entretanto, a maioria dos materiais não cristaliza na forma de monocristais.
Eles são formados por vários grãos, cujos arranjos são repetitivos no seu interior e são separados entre si por uma delgada região de átomos desarranjados, denominada de contorno de grãos. Esses grãos derivam do próprio processo de solidificação do material. Esse tipo de material recebe a denominação de policristalino (Figura 10).
FIGURA 10 – MATERIAL MONOCRISTALINO X POLICRISTALINO
FONTE: A autora
a) Diamante b) Grafite
3.2 ESTRUTURAS AMORFAS
Até agora estamos falando do processo de solidificação dos materiais de modo a formar estruturas com arranjos periódicos e bem definidos dos átomos, formando redes cristalinas de longo alcance. Entretanto, nem todos os materiais solidificam dessa forma. Um exemplo bem conhecido e próximo de sua realidade é o vidro. O vidro é um material cerâmico, constituído predominantemente de sílica e outros óxidos, assim como os tijolos, por exemplo. Entretanto, ao solidificar, eles não apresentam ordenamento de longo alcance, nem regularidade de seus arranjos atômicos, dando origem ao que denominamos de materiais amorfos (do grego ámorphos – sem forma) ou vítreos, ou ainda líquidos super-resfriados por possuírem características de ordenamento semelhantes.
Callister (2002, p. 39) pontua que a distinção no processo de formação de sólidos cristalinos e não cristalinos ou amorfos “é a facilidade segundo a qual uma estrutura atômica aleatória no estado líquido pode se transformar em um estado ordenado durante o processo de solidificação”. Isso porque os materiais cerâmicos são processados mediante um processo de fusão e a solidificação ocorre por meio de um processo de resfriamento que pode ir de lento a brusco. Neste último caso, pode não haver tempo suficiente para uma solidificação ordenada da rede cristalina, dando origem aos amorfos.
A Figura 11, a seguir, mostra a diferença entre a estrutura cristalina de um material cerâmico cristalino e amorfo, no caso a sílica SiO2. Tais distinções provocam diferenças estruturais e, consequentemente, na propriedade dos materiais. Não iremos nos deter sobre a questão das propriedades do vidro, os quais serão objeto de estudo em disciplina posterior.
FIGURA 11 – (A) SIO2 CRISTALINA (B) SIO2 AMORFA
Átomo de silício Átomo de oxigênio
FONTE: A autora
Apesar de o vidro ser o exemplo mais difundido de materiais amorfos, existem ainda outros tipos de materiais que se solidificam formando este tipo de estrutura. Isaía (2007) destaca que as adições minerais utilizadas em cimentos e concretos, tais como a sílica ativa, a escória de alto-forno, a cinza volante e as cinzas de casca de arroz também possuem estrutura amorfa. Estas adições serão objeto de nosso estudo mais adiante.
3.3 ESTRUTURAS MOLECULARES
Recorde que discutimos há pouco que apresentaríamos as estruturas dos materiais em ordem crescente de complexidade: metais, cerâmicas e polímeros. Pois bem, trataremos agora das estruturas dos materiais poliméricos.
Os polímeros são materiais formados por arranjos atômicos caracterizados por fortes ligações covalentes formando cadeias poliméricas unidas por ligações mais fracas secundárias (ligações de Van der Waals). A este tipo de arranjos atômicos damos o nome de moléculas, as quais vão se agregando formando as estruturas moleculares.
Deste modo, as estruturas moleculares possuem como característica a constituição de materiais com fortes forças de atração intramoleculares e com fracas ligações intermoleculares, dando origem a materiais com baixas temperaturas de fusão e resistências que variam entre intermediárias e baixas.
Muitos materiais apresentam moléculas bem conhecidas em sua composição, tais como a H2O, O2, N2 e HN03.
Os polímeros se apresentam como estruturas formadas por macromoléculas que podem apresentar estruturas cristalinas ou amorfas. Possuem como unidade básica o mero, sua menor unidade repetitiva, assim como temos as células unitárias, as quais formam um arranjo periódico ao longo da cadeia polimérica e têm características moleculares. Não iremos aqui nos ater sobre os distintos tipos de cadeias poliméricas, e consequentemente, à classificação dos diferentes polímeros existentes (termofixos, termorrígidos, elastômeros) e sim, mostrar a cristalinidade de suas estruturas, pois o assunto será discutido em disciplina posterior.
Bem, como os polímeros apresentam estruturas moleculares mais complexas do que os sistemas cristalinos dos metais e cerâmicos, pensar em sua estrutura cristalina também é complexo. No caso, para analisarmos a cristalinidade dos polímeros, temos que pensar em um empacotamento de cadeias moleculares que formam um arranjo atômico. O grau de cristalinidade nos polímeros é variável, podendo apresentar uma configuração desde predominantemente cristalina (até 95% de cristalinidade) a até completamente amorfa. Esse percentual de amorficidade presente mesmo em estruturas predominantemente cristalinas se deve à complexidade da estrutura polimérica (torções e enovelamentos), que impedem a completa ordenação da estrutura, restando sempre alguma região amorfa.
Um exemplo mais simplificado e apresentado por Schakelford (2008) e Callister (2016) é a estrutura do polietileno (C2H4)n. Sua célula unitária é ortorrômbica, segundo os autores, sistema comum aos materiais poliméricos, e seus átomos e suas moléculas se estendem além das cadeias (Figura 12).
FONTE: A autora
O polietileno se cristaliza formando uma delgada camada monocristalina (plaquetas ou lamelas) de espessura de 10nm. Como estamos falando de macromolécula, com grande extensão (cerca de 10µm), elas formam uma estrutura de múltiplas camadas e necessitam se dobrar formando um modelo da cadeia dobrada. Callister (2002, p. 322) faz a seguinte descrição:
As cadeias moleculares dentro de cada plaqueta se dobram para a frente e para trás sobre elas próprias, com as dobras ocorrendo nas faces. (...) Cada plaqueta irá consistir em inúmeras moléculas;
entretanto, o comprimento médio da cadeia será muito maior do que a espessura da cadeia.
A Figura 13 exemplifica uma dessas estruturas típicas do polietileno.
FIGURA 13 – ESTRUTURA COM CADEIA DOBRADA DO POLIETILENO FIGURA 12 – ESTRUTURA CRISTALINA DO POLIETILENO
FONTE: A autora
Um formato típico de estruturas poliméricas semicristalinas são as esferulitas. As esferulitas apresentam também estruturas de forma lamelar com cadeias com 10nm de espessura. Estas cadeias partem de um único núcleo e se estendem para fora de forma radial, entremeadas de material amorfo. Ao se aproximar das extremidades, as lamelas se entremeiam formando superfícies relativamente planas, constituindo contornos esféricos (daí o nome esferulitas).
Alguns polímeros, quando cristalizados a partir de massas fundidas, assumem a configuração esferulítica. Como exemplo, podemos citar o próprio polietileno, o policloreto de vinila (PVC) e o nylon.
4 SUPERFÍCIES E INTERFACES
Até o momento tratamos os materiais como estruturas perfeitas.
Entretanto, a grande maioria dos materiais contém distorções e imperfeições em sua estrutura, propositais ou não, que influem diretamente em suas propriedades.
Exemplo? Temos muitos. O aço, por exemplo, é formado por uma liga de ferro e carbono. O carbono é introduzido em pequena quantidade na estrutura cristalina do ferro, de modo a conferir uma maior dureza ao ferro, ajustando também a sua resistência.
Os defeitos ou imperfeições podem variar de acordo com sua geometria e extensão. De forma sistemática, temos uma classificação dos principais tipos de defeitos, conforme apresentado na Figura 14 a seguir.
FIGURA 14 – CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS
Pontuais Lineares
(Discordâncias) Interfaciais Volumétricos
• Caracterizados pela presença de vazios ou átomos intersticiais.
• Tipos: vacânicas, interstícios, Shottky, Frenkel, impurezas, soluções sólidas.
• Caracterizados por desalinhamento de átomos em torno de algum defeito unidimensional, responsa´vel pela deformação e ruptura em materiais.
• Discordâncias arestas, espiral ou mistas.
• Caracterizados por contornos bidimensionais que separam regiões contíguas cin diferentes estruturas ou direções cristalográficas.
• Tipos: superfícies externas, contornos de grão, maclas.
• Resultantes das fases de fabricação e processamento, influem nas propriedades dos materiais.
• Tipos: trincas, poros.
FONTE: A autora
Na área de engenharia civil, notadamente na análise e desenvolvimento de compósitos como o concreto, é importante o conhecimento das propriedades das superfícies e interfaces dos materiais.
Ao pensarmos na superfície do material, verificamos que o seu reticulado cristalino se encerra nas extremidades. Desse modo, as ligações atômicas são interrompidas nas extremidades, prejudicando os arranjos atômicos periódicos do interior do material, visto que não há mais átomos para realizar ligações. Isto faz com que as ligações atômicas dos átomos de superfícies sejam mais fracas do que aquelas do interior. Como consequência desse fenômeno, tais átomos possuem uma maior energia de ativação, sendo, portanto, mais reativos.
Aguilar (2008, p. 180) define as interfaces como “regiões do espaço onde ocorrem interações entre sólidos, gases e/ou líquidos de naturezas distintas”. A interface, portanto, é uma superfície que separa fases distintas de um mesmo material ou substâncias distintas, e, portanto, também apresenta uma maior energia de ativação. A autora destaca que tal fator justifica a importância do estudo dos defeitos de superfície para a compreensão de mecanismo de fratura, pois elas possuem a capacidade de transmitir tensões e atuam como sítios preferenciais de corrosão. A análise aprofundada das propriedades das superfícies e interfaces é realizada no âmbito do estudo da Físico-química de Superfície, que escapa ao escopo desta publicação. Entretanto, vamos fazer aqui algumas considerações que o ajudarão a ter uma melhor compreensão quando estivermos analisando os parâmetros inerentes ao concreto.
1 – Sobre a Energia de Superfície
Já comentamos que os átomos superficiais envolvem altas energias, as quais são conhecidas como energia de superfície (γ). A energia superficial está relacionada às forças de ligação e temperaturas consideradas, além da natureza dos materiais envolvidos e é expressa em função do trabalho necessário para aumentar a área superficial (ADAMSON; GAST, 1997), de acordo com a equação a seguir:
(equação 1.1) .
dw=γ dA
Em que:
dw = trabalho reversível à temperatura constante;
dA = variação de área superficial γ = energia superficial
(
J m. −2)
Da expressão acima podemos deduzir que reduziremos a energia superficial, se a área superficial ou de contato entre os materiais for reduzida.
Essa tendência de redução da área superficial para equilibrar as forças do sistema é o que conhecemos como tensão superficial. Aguilar (2008, p. 183) pontua que
“a tensão superficial é a força que age como reação ao aumento da superfície, é a força que atua por unidade de comprimento da película sendo expressa em N.m2”.
Esses conceitos de energia superficial e tensão superficial são particularmente importantes para nós, engenheiros, por atuarem diretamente na modificação de propriedades dos materiais.
Neste ponto, é conveniente incorporar dois conceitos relacionados à equação 1.1, que explicam os fenômenos associados às superfícies: os efeitos tensoativos e os eletrocinéticos. O primeiro está relacionado à tendência de minimização das tensões a partir da redução da área superficial ou dissolução de outros átomos ou moléculas e está associado à adsorção. O segundo se relaciona aos efeitos cinéticos do material que fazem com que as superfícies minimizem a sua energia superficial (AGUILAR, 2008).
2 – Fenômenos de Superfície
Fenômenos como molhamento, capilaridade, permeabilidade, estabilização de coloides, aditivos e obtenção de compostos estruturais são associados aos efeitos tensoativos e eletrocinéticos das imperfeições superficiais (ADAMSON; GAST, 1997; AGUILAR, 2008).
a) Molhamento: Fenômeno associado às tensões superficiais, que envolve a interação entre sólidos e líquidos. Dependendo das tensões envolvidas, os sólidos podem variar de molháveis a repelentes. O molhamento é particularmente importante no desenvolvimento de tintas, pois determina a facilidade de espalhamento sobre um substrato. Suas características podem ser alteradas por adsorção (segregação de componentes em ou contra a direção da superfície, aumentando a energia de ligação dos átomos superficiais).
b) Capilaridade e Permeabilidade: Também associado a tensões superficiais, o fenômeno da capilaridade (efeito observado em tubos estreitos de dimensões milimétricas que permite, contrariando a teoria dos vasos comunicantes, que um líquido ascenda ao tubo em alturas superiores à base), é importante para explicar o porquê de a umidade atingir alturas elevadas em paredes de alvenaria e estruturas de concreto, entre outros fatores.
c) Dispersão de Coloides: A estabilidade das soluções coloidais e suspensões está associada aos efeitos eletrocinéticos que envolvem os átomos (íons) superficiais, derivados da formação de uma camada dupla (região que circunda uma interface carregada eletricamente quando um sólido é imerso em alguma solução de constituição química distinta). Na engenharia civil, o estudo dos efeitos eletrocinéticos é importante, pois, ao trabalharmos com os concretos, nos deparamos com dois tipos específicos de dispersão: as soluções coloidais e as suspensões.
Vamos aqui abrir um parêntesis para relembrá-lo acerca do que são as dispersões e sua classificação. As dispersões podem ser definidas como misturas (homogêneas ou heterogêneas) compostas por dispersante e disperso (assim como os solventes e solutos formando uma solução sólida), onde as partículas dispersas aparecem em pequena quantidade, “espalhadas” pelo dispersante.
As dispersões se diferenciam em função do tamanho das partículas dispersas:
soluções verdadeiras (<1nm), dispersões ou soluções coloidais (1–1000nm) e suspensões (>1000nm).
As soluções você já estudou anteriormente e são misturas homogêneas que não podem ser separadas por processos de filtração.
Já as soluções coloidais são sistemas com maior tamanho de partícula, formando misturas heterogêneas, cuja fase dispersa não segrega com a gravidade, tampouco pode ser separada por filtração. As suspensões também são misturas heterogêneas, cujo tamanho das partículas dispersas pode permitir a visualização a olho nu, com separação via filtração.
Como exemplo de dispersões importantes para o nosso estudo em desenvolvimento, destacam-se o silicato de cálcio hidratado (C-S_H) na pasta de cimento hidratado, as suspensões de água de argila usada em pasta de cimentos e, por fim, as emulsões betuminosas, que serão objeto de estudos posteriores em outras disciplinas. O entendimento sobre como o processo de ionização das partículas e a formação da camada dupla supracitada contribuem para que não haja a precipitação das partículas coloidais é fundamental para a compreensão das propriedades do concreto, a partir da análise de sua microestrutura.
Mais recentemente, um outro tipo de substância que permite a dispersão de partículas sólidas em meio aquoso, são os aditivos para concreto que atuam como agentes plastificantes, podendo agir também como agentes tensoativos (surfactantes), reduzindo a tensão superficial da água (AGUILAR, 2008).
d) Compósitos para Fins Estruturais: Já vimos na definição de compósitos que eles são materiais heterogêneos, que possuem dois ou mais tipos de materiais que mantêm as suas características originais, e são constituídos de uma fase matriz e outra carga.
Estas fases são, portanto, separadas por interfaces, cujas propriedades se relacionam aos seus efeitos de tensão superficial. As interfaces nos compósitos tanto transmitem os esforços para os reforços, quanto permitem a introdução de substâncias nocivas ao material, tendo um papel preponderante para o seu desempenho.
5 TÉCNICAS DE ANÁLISE DE MICROESTRUTURAS
O entendimento mais aprofundado do comportamento dos materiais requer o conhecimento dos elementos estruturais dos materiais, seus defeitos e imperfeições. O estabelecimento das propriedades dos materiais é melhor compreendido ao analisarmos as relações estabelecidas entre a estrutura e a propriedade. Existem várias técnicas que permitem auxiliar a análise da estrutura dos materiais. Dentre as mais utilizadas destacam-se a difração de raios-x e a microscopia, embora haja outras igualmente importantes, como análise térmica, granulometria por difração a laser, espectroscopia Raman, por absorção atômica, de infravermelho, entre outras, que não serão abordadas aqui.
5.1 DIFRAÇÃO DE RAIOS X
A difração de raios-x é uma técnica experimental utilizada na análise de estruturas cristalinas dos materiais, que permite identificar e quantificar parâmetros das células unitárias, fases e composição química.
Vimos que a geometria das células unitárias é caracterizada pelos parâmetros de rede (arestas e ângulos entre os eixos cristalográficos). Estes, porém, não são os únicos parâmetros que permitem diferenciar as estruturas dos materiais. Os materiais cristalinos possuem uma estrutura reticulada de longo alcance e é frequente fazermos distinções entre posições, direções, planos cristalinos. Isto porque várias propriedades dos materiais não possuem a mesma magnitude conforme se analisam distintas direções (os materiais que possuem estas características são denominados anisotrópicos). Para especificar estes parâmetros foram estabelecidos alguns índices, cuja base de determinação é a célula unitária, os quais recordaremos a seguir, antes de prosseguirmos com o estudo da técnica de difração.
A posição atômica é definida, tomando como base a célula unitária e seus eixos formadores (x, y e z) e é representada em termos de unidade de distância ao longo dos eixos. A direção cristalográfica é definida como um vetor que une dois pontos tomando como origem o vértice de origem das coordenadas, ou seja, a posição (0 0 0). A projeção do vetor formado sobre os eixos é medida em termos dos parâmetros de rede da célula unitária (a, b e c). Os índices de direção são apresentados como conjuntos de inteiros obtidos tomando-se as menores posições inteiras, sem separação por vírgulas e entre colchetes: [u v w] (Figura 15).
FIGURA 15 – DIREÇÕES CRISTALINAS
FONTE: A autora
De forma semelhante podem ser descritos os planos cristalinos ou cristalográficos. Considerando novamente os eixos cristalográficos das células unitárias, podem ser observados diferentes arranjos atômicos ao contemplarmos diferentes planos cristalinos. Estes planos possuem diferentes densidades e fatores de empacotamento que variam com o arranjo atômico, o qual depende da estrutura cristalina do material (Figura 16).
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