UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
Marcio Rogério do Nascimento
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA BENTONITA E DO PÓ DE CARVÃO NA HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
Apresentada em 27/07/2006 Perante a Banca Examinadora:
Prof. Dr. Enori Gemelli – UDESC (Presidente)
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: MARCIO ROGÉRIO DO NASCIMENTO – Engenheiro Civil
Orientador: Prof. Dr. ENORI GEMELLI
CCT/UDESC – JOINVILLE
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA BENTONITA E DO PÓ DE CARVÃO NA HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. ENORI GEMELLI.
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
“Estudo da influência da bentonita e do pó de carvão na hidratação do cimento Portland”
por
Marcio Rogério do Nascimento
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
_____________________________________________
Dr. Enori Gemelli CCT-UDESC (Presidente)
Banca Examinadora: _____________________________________________
Joinville, 27 de julho de 2006. Dr. Antonio Pedro Novaes de Oliveira UFSC
_________________________________________ Dra. Marilena Valadares Folgueras
CCT-UDESC
_________________________________________ Dr. Sivaldo Leite Correia
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: NASCIMENTO, Marcio Rogério. DATA DEFESA: 27/07/2006.
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC.
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 60 – CCT/UDESC. FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais.
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica.
TÍTULO: Estudo da Influência da Bentonita e do Pó de Carvão na Hidratação do Cimento Portland.
PALAVRAS - CHAVE: cimento Portland, bentonita, pó de carvão, hidratação. NÚMERO DE PÁGINAS: 89 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC. PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM. CADASTRO CAPES: 4100201001P9.
ORIENTADOR: Dr. Enori Gemelli.
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Enori Gemelli (UDESC).
v
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Enori Gemelli que, como orientador, ofereceu todas as condições necessárias à realização do presente trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
À Engenheira Luciana Cristina Armange e à empresa Embraco Fundição S.A. pelo fornecimento do resíduo industrial utilizado nesse trabalho.
À Engenheira Aline Rosa Martins e a CIA de Cimento Itambé pelo fornecimento do cimento utilizado neste trabalho.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais que, de uma forma direta ou indireta, contribuíram para a realização desse trabalho e na construção dos meus conhecimentos.
vii
SUMÁRIO
RESUMO... xv
ABSTRACT ... xvi
INTRODUÇÃO ... 1
CAPÍTULO 1 – COMPOSIÇÃO E MICROESTRUTURA DO CIMENTO PORTLAND HIDRATADO... 3
1.1 - Tipos de cimentos ... 3
1.2 - Fabricação do cimento Portland... 4
1.3 - Composição química do cimento Portland ... 5
1.4 - Principais fases do cimento Portland Anidro ... 5
1.4.1 - Silicato Tricálcico ... 5
1.4.2 - Silicato Dicálcico ... 6
1.4.3 - Aluminato Tricálcio ... 6
1.4.4 - Ferroaluminato Tetracálcio ... 7
1.4.5 - Cal Livre... 7
1.4.6 – Magnésia... 7
1.4.7 - Compostos Alcalinos e Sulfatos... 7
1.5 – Reações durante o processo de clinquerização ... 8
1.6 - Principais produtos resultantes da hidratação do cimento Portland... 9
1.6.1 - Silicato de Cálcio Hidratado ... 9
1.6.2 - Hidróxido de Cálcio ... 10
1.6.3 - Sulfoaluminatos de Cálcio Hidratados... 11
1.6.4 - Grãos de clínquer não hidratado... 12
1.6.5 - Vazios no Concreto ... 12
1.7 – Processo de hidratação do cimento Portland... 13
1.8 – Desenvolvimento da Microestrutura do Cimento Portland Hidratado... 14
CAPÍTULO 2 – AREIA DE FUNDIÇÃO E SUA UTILIZAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL... 17
2.1 – Aspectos Gerais... 18
2.3 – Utilização de Areia de Fundição em Argamassas e Concretos... 21
CAPITULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS... 28
3.1. Matérias-primas utilizadas ... 28
3.1.1. Cimento ... 28
3.1.2. Bentonita... 29
3.1.3. Pó de Carvão... 29
3.1.4. Água ... 30
3.2. Confecção dos Corpos-de-prova ... 30
3.3. Caracterização dos Corpos-de-prova ... 32
3.3.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 32
3.3.2. Difratometria de raios X... 33
3.3.3. Análise Térmica Diferencial (ATD) e Termogravimétria (TG)... 33
CAPITULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 34
4.1 – Caracterização das matérias-primas ... 34
4.1.1 - Caracterização das amostras através de difratometria de raios X ... 34
4.1.2 - Caracterização das amostras através de Microscopia Eletrônica de Varredura ... 35
4.1.3 - Caracterização das amostras através de Análises Térmica ... 37
4.2 - Caracterização das pastas de cimento... 39
4.2.1 - Caracterização através da difração de raios X... 39
4.2.1.1 – Cimento Puro... 39
4.2.1.2 – Cimento com adições em peso de 1 % de Bentonita e 0,2 % de Pó de Carvão ... 39
4.2.1.3 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Bentonita... 41
4.2.1.4 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Pó de Carvão... 42
4.2.1.5 – Cimento com adições em peso de 7,5 % de Bentonita + 7,5 % de Pó de Carvão e 15 % de Bentonita + 15 % de Pó de Carvão... 42
4.2.2 - Caracterização através da Microscopia Eletrônica de Varredura... 50
4.2.2.1 – Cimento Puro... 50
4.2.2.2 – Cimento com adições em peso de 1 % de Bentonita e 0,2 % de Pó de Carvão .. 50
4.2.2.3 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Bentonita ... 52
4.2.2.4 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Pó de Carvão ... 53
4.2.2.5 – Cimento com adições em peso de 7,5 % de Bentonita + 7,5 % de Pó de Carvão e 15 % de Bentonita + 15 % de Pó de Carvão... 53
ix
4.2.3.1 – Cimento Puro... 57
4.2.3.2 – Cimento com adições em peso de 1 % de Bentonita e 0,2 % de Pó de Carvão ... 57
4.2.3.3 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Bentonita... 57
4.2.3.4 – Cimento com adições em peso de 15 % e 30 % de Pó de Carvão... 58
4.2.3.5 – Cimento com adições em peso de 7,5 % de Bentonita + 7,5 % de Pó de Carvão e 15 % de Bentonita + 15 % de Pó de Carvão... 59
CONCLUSÕES... 68
Sugestão para trabalhos futuros... 69
LISTA DE FIGURAS
Figuras Páginas Figura 1.1 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3
xi
Figura 4.5 – Micrografia do cimento anidro mostrando formas angulosas das partículas.. 35
Figura 4.6 - Micrografia da bentonita mostrando a dispersão no tamanho dos aglomerados formados por suas partículas ... 36
Figura 4.7 - Micrografia dos aglomerados formados pelas partículas da bentonita mostrando formas arredondadas e porosidade... 36
Figura 4.8 - Micrografia do pó de carvão mostrando dispersão do tamanho das partículas 36 Figura 4.9 – Micrografia do pó de carvão mostrando formas angulares das partículas ... 36
Figura 4.10 - Curvas de ATD e TG para o cimento Portland anidro ... 37
Figura 4.11 - Curvas de ATD e TG para a Bentonita... 38
Figura 4.12 - Curvas de ATD e TG para o Pó de Carvão... 38
Figura 4.13 - Difratograma da hidratação do cimento Portland CP V ARI, para diversas idades, sendo (CP01) hidratação com 1 dia, (CP03) hidratação com 3 dias, (CP07) hidratação com 7 dias, (CP14) hidratação com 14 dias e (CP28) hidratação com 28 dias... 40
Figura 4.14 - Difratograma da hidratação do cimento Portland CPV ARI com 1 %p de Bentonita e 0,2 %p de Pó de Carvão, para 3 dias de hidratação (CPCB03) e 28 dias de hidratação (CPCB28)... 41
Figura 4.15 - Difratograma da hidratação do cimento Portland CPV ARI com 15 %p de Bentonita, para diversas idades, sendo (CB01) hidratação com 1 dia, (CB03) hidratação com 3 dias, (CB07) hidratação com 7 dias, (CB14) hidratação com 14 dias e (CB28) hidratação com 28 dias ... 44
Figura 4.16 - Difratograma da hidratação do cimento Portland CPV ARI com 30 %p de Bentonita, para diversas idades, sendo (CB01) hidratação com 1 dia, (CB03) hidratação com 3 dias, (CB07) hidratação com 7 dias, (CB14) hidratação com 14 dias e (CB28) hidratação com 28 dias ... 45
Figura 4.17 - Difratograma da hidratação do cimento Portland CPV ARI com 15 %p de Pó de Carvão, para diversas idades, sendo (CPC01) hidratação com 1 dia, (CPC03) hidratação com 3 dias, (CPC07) hidratação com 7 dias, (CPC14) hidratação com 14 dias e (CPC28) hidratação com 28 dias ... 46
LISTA DE TABELAS
Tabelas Páginas Tabela 1.1 – Nomenclatura do cimento Portland ... 4
xv
RESUMO
Alguns trabalhos já realizados com adição de areia de fundição em argamassas e concretos mostraram que a incorporação do resíduo pode modificar a microestrutura da pasta de cimento, mas nenhum deles faz um estudo mais aprofundado da influência do resíduo na hidratação do cimento. Portanto, este trabalho teve por objetivo investigar a influência da bentonita e do pó de carvão, presentes na composição da areia de fundição, no processo de hidratação do cimento Portland. As matérias-primas foram caracterizadas por meio de análises física, térmica e microestrutural. Foram feitos corpos-de-prova com cimento sem resíduo que foram tomados como referência (amostra padrão), e corpos-de-prova com as seguintes concentrações em peso: cimento com 1 %p de bentonita mais 0,2 %p de pó de carvão, cimento com 15 %p e 30 %p de bentonita, cimento com 15 %p e 30 %p de pó de carvão, cimento com 7,5 %p de bentonita mais 7,5 %p de pó de carvão e 15 %p de bentonita mais 15 %p de pó de carvão.Os corpos-de-prova dos compósitos foram investigados por análise térmica diferencial (ATD), termogravimétria (TG), difratometria de raios X e microscopia eletrônica de varredura (MEV) após 1, 3, 7, 14 e 28 dias de hidratação em água alcalina. A cura em água foi precedida por cura de 1 dia (24 horas) ao ar atmosférico em ambiente fechado.Da análise geral dos resultados pode-se constatar que a incorporação de bentonita e pó de carvão influenciaram na reação de hidratação do cimento.A presença da bentonita na pasta de cimento altera a relação Si/Ca influenciando na estequiometria dos silicatos hidratados e na cristalização das fases C-S-H. A dissolução de certos elementos químicos presentes na bentonita, assim como a dissolução do enxofre presente no pó de carvão, favorecem a formação de cristais de etringita. As análises realizadas também mostraram que o pó de carvão não se dissolve completamente a partir de 7,5 %p enquanto que para a bentonita têm-se evidências de sua presença parcial na pasta de cimento a partir de 15 %p.
ABSTRACT
It’s known that foundry sand residue generates an onus due its management and final disposition. In order to minimize costs, many works have shown its technical and environmental viability as raw material in concrete/mortar production. Some of these works showed that the residue can modify the microstructures of cement paste, but none of them makes a deepened study of its influence in cement hydration. Therefore, the aim of this work was to investigate the influence of bentonite and coal powder, contained in foundry sand composition, in Portland cement hydration process. The raw materials were characterized through physical, thermal and microstructural analysis. It was performed samples of pure cement and samples of cement with the mixtures in weight: cement with 1 wt% of bentonite and 0.2 wt% of coal powder, cement with 15 wt% and 30 wt% of bentonite, cement with 15 wt% and 30 wt% of coal powder, cement with 7,5 wt% of bentonite plus 7,5 wt% of coal powder, and cement with 15 wt% of bentonite plus 15 wt% of coal powder. The materials were investigated by differential thermal analyses (DTA), termogravimetric analyses (TGA), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) after 1, 3, 7, 14 and 28 days of cure in alkaline water. The total aging-period included a cure of 24 hours in natural air before the cure in water. The results showed that the incorporation of bentonite and/or coal powder influenced the cement hydration reactions. The presence of bentonite in cement pastes provides the formation of hydrated silicates higher in Si/Ca ratio changing its stequiometry and improving its crystallization, i.e. crystallization of C-S-H phases. The dissolution of certain chemical elements present in the bentonite, as well as the dissolution of sulfur present in the coal powder, increases the nucleation and growth of ettringite crystals. The analysis, carried out on the samples, also showed that the coal powder is not completely dissolved in the cement paste in mixtures with concentrations equals or over 7.5 wt%, while for the bentonite there are evidences of its partial presence in the cement paste in mixtures with concentrations equals or over 15 wt%.
