Universidade Nove de Julho Dep . de Ciências Exatas Engenharia Civil

1. Universidade Nove de JulhoDep. de Ciências ExatasEngenharia Civil Materiais de Construção Civil I Prof.ª Fádia Lima

2. Considerações Iniciais O engenheiro, quer seja civil, mecânico, químico ou eletrônico, em alguma ocasião se depararão com a necessidade de escolher um material apropriado para determinada aplicação ou enfrentará algum problema de engenharia que envolva a avaliação de desempenho ou propriedades de algum material em condições de uso. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre muitos outros? Materiais de Construção Civil I - Prof.ª Fádia Lima

3. Considerações Iniciais • Caracterização das condições de operação e levantamento das propriedades requeridas do material; • Verificação do tipo de degradação que o material sofrerá; • Qual o custo do produto acabado. Materiais de Construção Civil I - Prof.ª Fádia Lima

4. Propriedades Gerais dos Corpos • EXTENSÃO: É a propriedade que possuem os corpos de ocupar um lugar no espaço • IMPENETRABILIDADE: É a propriedade que indica não ser possível que dois corpos ocupem o mesmo lugar no espaço. • INÉRCIA: É a propriedade que impede os corpos de modificarem, por si mesmos, seu estado inicial de repouso ou movimento. • ATRAÇÃO: É a propriedade da matéria atrair a outra, de acordo com a lei de atração das massas. • POROSIADE: É a propriedade que tem a matéria de não ser contínua, havendo espaço entre as massas. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

5. Propriedades Gerais dos Corpos • DIVISIBILIDADE: É a propriedade que os corpos tem de se dividirem em fragmentos cada vez menores. • INDESTRUTIBILIDADE: É a propriedade que a matéria tem de ser indestrutível. • PERMEABILIDADE: É definida como a propriedade que governa a taxa de fluxo de um fluido para o interior de um sólido poroso. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

6. Propriedades Mecânicas • DURUZA: É definida pela resistência da superfície do material à penetração. Como se pode esperar, a dureza e a tração estão intimamente relacionadas. • TENACIDADE: É a resistência que opõem ao choque ou percussão; é a medida da energia necessária para romper o material. Difere pois da resistência à tração, que é a medida da tensão necessária para romper o material. Um material dúctil com a mesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido e portanto é mais tenaz (tem maior tenacidade). • MALEABILIDADE OU PLASTICIDADE: É a capacidade que têm os corpos de se adelgaçarem até formarem lâminas sem, no entanto, se romperem. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

7. Propriedades Mecânicas • DUCTILIDADE: É a capacidade que têm os corpos de se reduzirem a fios sem se romperem. Uma segunda medida da ductilidade é a estricção imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura. • DURABILIDADE: E a capacidade que os corpos apresentam de permanecerem inalterado por um tempo. Admite-se que um material atingiu o fim da sua vida útil quando as suas propriedades sob dadas condições de uso deterioram a um tal ponto que a continuação do uso deste material é considerada, como insegura, ou antieconômica. • DESGASTE: É a perda de qualidade ou de dimensões com o uso continuo. (Durabilidade e desgaste não são necessariamente inversos.) Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

8. Propriedades Mecânicas • ELASTICIDADE: É a tendência que os corpos apresentam a retoma à forma primitiva após a aplicação de um esforço. • RESISTÊNCIA: É definida como a capacidade de um material resistir à tensão sem ruptura. • TENSÃO: É definida como a força por unidade de área. A tensão é calculada simplesmente dividindo-se a força pela área na qual atua. • DEFORMAÇÃO ELÁSTICA: É uma deformação reversível, sofrida pelo material quando sujeito a esforços, desaparece quando a tensão é removida. • DEFORMAÇÀO PLÁSTICA: É uma deformação permanente provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade, portanto, não desaparece quando a tensão removida. A deformação plástica é o resultado de um deslocamento permanente dos átomos que constituem o material e, portanto, difere da deformação elástica em que os átomos mantêm suas posições relativas. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

9. Introdução Como não se pode esperar o término da vida útil da obra para saber se o engenheiro acertou, ensaios de caracterização da micro-estrutura (composição química, porosidade, amorficidade) podem substituir algumas previsões de comportamento ou mesmo selecionar materiais de maior durabilidade potencial. Este é o princípio básico e tema central da aula: o comportamento do material depende de sua micro-estrutura. Assim, não estudaremos a micro-estrutura do material se não nos fornecer informações quanto ao seu comportamento macroscópico. O objetivo desta aula não é a química em si. A química é o meio para o estudo científico dos materiais de construção, e redução do enfoque empírico. Através do conhecimento da micro-estrutura do material, teremos maior possibilidade de entender o seu comportamento macroscópico e, conseqüentemente, o seu desempenho. Com isso temos uma ferramenta para o desenvolvimento de novos materiais, através de intervenções na sua micro-estrutura podemos otimizar as propriedades do material melhorando seu desempenho. Além disso, estes conhecimentos nos dão a possibilidade de avaliar o comportamento do material ao longo do tempo. Propriedades como durabilidade resistência à fadiga e deformação lenta não são facilmente analisadas em ensaios de execução imediata. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

10. Análise do Material No nível atômico (nm – μm) procura-se avaliar a estrutura e a composição de moléculas e cristais. Neste caso pode-se lançar mão dos microscópios eletrônicos de varredura, que permite avaliar a estrutura do material numa observação visual. Outro ensaio que permite realizar a avaliação do material a nível atômico é a difração de raios-X. A análise microscópica já conta com larga aplicação na pesquisa e desenvolvimento de materiais de construção a nível internacional, já tendo alguns centros capacitados no Brasil. Através da análise microscópica foi possível o desenvolvimento do concreto de alto desempenho, a partir da década de 70. Utilizam-se, basicamente, os microscópios eletrônicos de varredura e óticos, e ensaios físicos como o porosímetro de mercúrio, que permite caracterizar a porosidade interna do material. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

11. Análise do Material Estrutura da caulinita Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

12. Análise do Material Como todos já devem saber, existe um modelo para representar a estrutura atômica, que é composta por partículas subatômicas: os prótons (com carga positiva), os elétrons (com carga negativa) e os nêutrons (sem carga). Segundo os modelos mais aceitos o elétron não tem uma posição definida em seu orbital, mas uma curva de probabilidade. Isto é, existe uma região possível de se encontrar o elétron girando em torno do núcleo que vai até uma distância de 1,5Å, sendo que a distância de máxima probabilidade de posicionamento do elétron é de 0,5Å em relação ao núcleo. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

13. Análise do Material Atração + Repulsão= Ligação Existe um equilíbrio de forças de repulsão e atração entre dois átomos, as quais são função da distância entre os mesmos. A somatória destas forças proporciona um valor médio. Para distâncias muito pequenas há uma forte tendência de repulsão que vai diminuindo progressivamente até atingir o valor de α’ onde se anula. Este é o ponto de mais baixa energia e, conseqüentemente, de equilíbrio numa ligação química. Quando aumentada a distância interatômica, surgirá uma força de atração que impedirá a separação dos átomos. Assim a distância entre os dois átomos não tem um caráter estático numa ligação, podendo ser reduzida ou ampliada, como uma mola. Este fato é a base do comportamento elástico dos materiais. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

14. Ligações Químicas • Ligação iônica: é aquela em que ocorre transferência de elétrons de um átomo para outro.Dá origem a cátions (+) e ânions (–) ou genericamente a íons. Ao perder elétrons, um átomo fica com carga positiva, e o outro átomo, o que recebe, fica com carga negativa. Num cristal iônico, os íons positivos e negativos estão frente a frente. Produzindo-se uma deformação, haverá um deslizamento dos íons e, em algum momento, cargas do mesmo sinal ficarão frente a frente: acontece a fratura Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

15. Ligações Químicas • Ligação Covalente: quando dois átomos mais eletronegativos são iguais ou quando se encontram unidos formando um composto ou um elemento, o modelo de ligação iônica não é aplicável. Isso porque os dois átomos tendem a receber elétrons e são praticamente incapazes de cede-los. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

16. Forças Intermoleculares • Forças de Van der Waals: essas forças devem-se à polaridade das moléculas. Agem inclusive quando uma das moléculas presentes não é polar. A presença de polaridade deforma a nuvem eletrônica da molécula não-polar até criar uma polaridade. Assim como um pedaço de ferro se transforma em ímã em presença de um campo magnético Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

17. Forças Intermoleculares • Ligações de hidrogênio: da mesma forma que as forças de Van der Waals, as ligações de hidrogênio se devem à polaridade da molécula. Elas, porém, são muito mais intensas que as forças de Van der Waals. Agem quando um dos pólos da molécula é o hidrogênio e o outro, um elemento bastante eletronegativo, como o oxigênio, o nitrogênio ou o flúor. Devido a seu pequeno tamanho, podem se aproximar muito. As forças eletrostáticas de atração são muito intensas, mas não tão fortes quanto uma ligação covalente. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

18. Forças Intermoleculares • Ligações metálicas: considera-se que um metal é formado por cristais entrecruzados formados por íons positivos. Os elétrons "banham" esses íons movendo-se livremente por todos os cristais, como um gás num recipiente fechado. Esses elétrons são os chamados elétrons de valência, pouco unidos ao núcleo nos elementos eletropositivos. Explica também a condutividade elétrica e térmica. A eletricidade e o calor são transmitidos pelos elétrons livres. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

19. Estrutura dos Sólidos A estrutura dos sólidos é função da forma com que se organizam seus átomos. A classificação dos tipos de organização em molecular, cristalina e vítrea é de ordem didática. Os sólidos moleculares se caracterizam por serem formados por grupos de átomos fortemente ligados - as moléculas - que se encontram mais ou menos solidarizados, em função da quantidade de forças secundárias que mantém unidos estes grupos. As ligações “intramoleculares” são fortes e as “intermoleculares” fracas. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

20. Estrutura dos Sólidos Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

21. Redes Cristalinas Os arranjos cristalinos podem ocorrer com diversas conformações geométricas através das diferentes células cristalinas passíveis de serem encontradas na natureza. Configurações que permitam uma maior acomodação dos íons, gera materiais mais densos, por exemplo. Configurações com um maior número de planos na célula cristalina apresentam também um maior número de planos de clivagem . Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

22. Redes Cristalinas Os sólidos amorfos se caracterizam por não ter uma micro-estrutura organizada, como um líquido de elevadíssima viscosidade. Logo não possui um ponto de fusão muito bem definido e o balanço elétrico não está bem configurado. Com isso é um material menos estável quimicamente que o cristalino. Por não apresentarem planos preferenciais de ruptura, são basicamente isotrópicos. Um exemplo de material amorfo de uso corriqueiro na construção civil é o vidro. Outro, muito utilizado em conjunto com o cimento são as pozolanas, que possuem a capacidade de reagir com o hidróxido de cálcio e a água produzindo silicatos de cálcio hidratados. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

23. Redes Cristalinas Um exemplo de pozolana é a denominada cinza volante (em inglês fly ash). Ela é composta por esferas ocas que possuem, por sua vez, outras esferas ocas em seu interior, e assim sucessivamente. Uma boa forma de aumentar a reatividade deste material é através da moagem, que aumenta sua área específica (quanto maior a área de contato com o reagente, maior será a velocidade da reação) Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

24. Redes Cristalinas Como já foi dito antes, materiais de construção são tirados da natureza (em grande escala), logo eles vêm com todas as imperfeições, defeitos e impurezas que têm direito. Estas imperfeições têm grande importância nas propriedades macroscópicas do material. Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima

25. Propriedades dos Materiais Estabilidade química: capacidade que um material apresenta de não reagir quimicamente. Durabilidade = f (estabilidade química) A estabilidade química depende de: Composição química Grau de cristalização e nível de defeitos Temperatura Reatividade: facilidade que um material tem de reagir quimicamente. Aplicabilidade = f (reatividade) A reatividade depende de: Composição química Grau de amorfização e nível de defeitos Temperatura Catalisadores granulometria Materiais de Construção Civil I- Prof.ª Fádia Lima