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AGLOMERANTES
CIMENTO PORTLAND
FACULDADE IDEALENGENHARIA CIVILMATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
Profº. MSc Jefferson Maia Lima
http://patologiaestrutura.vila.bol.com.br
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HISTÓRICO
egípcios, gregos e romanos
Gesso e cal + terras vulcânicas com a água
formando compostos endurecidos
Engº. John Smeaton (1756)
calcários moles e argilas = material de maior resistência
Engº. Pesquisador francês Vicat (1818)
Leva o título de inventor do cimento artificial
Patenteado em 1824 pelo pedreiro John Aspdin
semelhança de coloração e das propriedades com asrochas da ilha britânica de Portland
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1 – MATÉRIAS PRIMAS
CIMENTO PORTLAND = CLÍNQUER + ADIÇÕES
CLÍNQUER é o principal componente e está presente em todos os
tipos de cimento portland
- mistura de calcários e argilas calcinadas
ADIÇÕES podem variar de um tipo de cimento para outro e são
principalmente elas que definem os diferentes tipos decimento
- gesso, escórias de alto-forno, materiais pozolânicos,materiais carbonáticos
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CALCÁRIO O calcário é o carbonato de cálcio (CaCO3) que se apresenta na natureza com impurezas como óxido de magnésio
O carbonato de cálcio puro (calcita), sob ação do calor, decompõe-se do seguinte modo:
CaCO3 CaO + CO2
(100%) (56%) (44%)
1 t calcário 560 kg de cal
CaO = matéria-prima p/ fabricação do cimento440 kg de CO2 sob a forma de gás
dolomita CaMg(CO2)2 30,4% de CaO ñ utilizada na fabricação de cimentos
1 – MATÉRIAS PRIMAS
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ARGILA A argila empregada na fabricação do cimentoé essencialmente constituída de um silicato de alumíniohidratado, geralmente contendo ferro e outros minerais,em menores porcentagens
A argila fornece os óxidos SiO2, Al2O3 e Fe2O3,necessários à fabricação do cimento
deficiência de SiO2 na argila = utilização da areia, comocorretivo da farinha crua
Fe2O3 = adição de minério de ferro (hematita)
Al2O3 = adição de minério de bauxita
1 – MATÉRIAS PRIMAS
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GESSO produto de adição final no processo defabricação do cimento Portland com a finalidade deregular o tempo de pega por ocasião das reações dehidratação.
1 – MATÉRIAS PRIMAS
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1 – MATÉRIAS PRIMAS
ESCÓRIAS DE ALTO-FORNO obtidas durante a produçãodo ferro-gusa nas indústrias siderúrgicas e tem a forma degrãos de areia. Prop. aglomerante hidráulico semelhantes ao clínquer Adicionadas à moagem do clínquer e gesso em certas
proporções p/ obter tipos de cimentos diferenciados
1SiO
OAl MgO CaO
2
32
SiO2 35,54 36,1
Al2O3 12,46 11,18
Fe2O3 0,4 0,41
CaO 41,64 43,19
MgO 6,01 5,59
MnO 1,94 1,62
S 1,42 1,33
I.H =1,69 I.H = 1,66
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1 – MATÉRIAS PRIMAS
MATERIAIS POZOLÂNICOS materiais silicosos ou alumino-silicosos que, quando
sozinhos, quase não têm propriedades hidráulicas
Entretanto, quando finamente divididos reagem com o
hidróxido de cálcio, quando na presença de umidade emtemperatura ambiente, formando compostos compropriedades cimentícias
Atividade pozolânica dos materiais:Reagir com o hidróxido de cálcio em temperatura ambiente por um tempo não
muito longo; eFormar compostos aglomerantes e insolúveis em água idênticos aos obtidos
na hidratação do cimento Portland.
Ex.: cinzas volantes; argilas calcinadas;
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1 – MATÉRIAS PRIMAS
MATERIAIS CARBONÁTICOS são minerais moídos, tais
como o próprio calcário
Tal adição serve também para tornar os concretos e asargamassas mais trabalháveis, porque os grãos oupartículas desses minerais moídos têm dimensõesadequadas para se alojar entre os grãos ou partículas dosdemais componentes do cimento, funcionando como umverdadeiro lubrificante
Quando presentes no cimento são conhecidos com fíler calcário.
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
1 - Extração e preparo da mistura cruaCALCÁRIO dureza elevada
- emprego de explosivos seguido de britagem suficientemente mole
- emprego de desintegradores(redução ao tamanho de partículas ~ 1cm)
ARGILASAs argilas contendo silicatos, alumina e óxido de ferro, podem ser misturadas diretamente com o calcário
CALCÁRIO + ARGILA = proporções pré-determinadas1 - enviadas ao moinho de cru2 - mistura íntima das matérias-primas3 - pulverização (diâmetro das partículas ~ 0,050mm)
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
2 - Dosagem da mistura crua
A determinação da porcentagem de cada matéria-prima namistura crua depende:
a) composição química das matérias-primasb) composição p/ o cimento Portland
Análise química das matérias primas e da mistura crua:
realizada numerosas vezes (~ 30 min a ~ 1 h) p/
que o laboratório indique as porcentagens de cada matéria-prima
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
2 - Dosagem da mistura cruaSão numerosos os métodos de controle da composição química da mistura crua, sendo as fórmulas seguintes as mais empregadas Módulo Hidráulico
- excesso de cal livre- 1,8 a 2,2
Módulo de Sílica- pureza da argila- 1,7 a 3,1
Módulo de Alumina-Ferro
- pega- 1,2 a 3,2
3232 OFeOAl2SiO
MS
3232 OFeOAl2SiO
CaO MH
32
32
OFe
OAl MAF
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND3 - Homogeneização
fabricação por via úmida
a matéria-prima é moída com água;sai dos moinhos sob a forma de pasta (30 a 40% de água); homogeneização em tanques cilíndricos
por via seca
matéria prima sai do moinho já misturada, pulverizada e
seca; homogeneização em silos
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND4 - Clinquerização
Temperatura Processo Reação
Até 100oC Evaporação da água livre Endotérmica
500oC a
800ºC
Desidroxilação dos minerais argilosos, com a quebra das
estruturas cristalinas e aumento da sua reatividadeExotérmica
800ºC a
900oC
Descarbonatação dos carbonatos e consequente
reações preliminares com os argilominerais: C12A7;
C2(A, F); C2S
Exotérmica
900oC a
1200oC
Intensificação da cristalização do C2S; conversão do
C12A7 e C2(A, F) em C3A e C4AFExotérmica
1200oC a
1350oC
Ocorre a fusão do C3A e C4AF e, a geração dos
primeiros cristais de C3S a partir dos cristais pré-
existentes de C2S e CaO.
Endotérmica
Acima de
1350oC
Formação de vidro e dos compostos do cimento
(clinquerização)
Provavelmente
Endotérmica
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
4 - ClinquerizaçãoAs reações químicas que ocorrem no sistema de
fornos de clinquerização, podem, aproximadamente, serrepresentadas como as seguintes:
3 CaO . SiO2
2 CaO . SiO2
3 CaO . Al2O2
4 CaO . Al2O2 . Fe2O3
CALCÁRIO CaO + CO2
}ARGILAS
SiO2 + Al2O2 +
Fe2O3 + H2O
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND5 - Esfriamento
Saída do forno
o clínquer apresenta-se na forma de bolas ( Ø máx 1cm a 3cm)
Temperatura entre 1200oC a 1300oC.
passa por um equipamento = esfriador
- Sua finalidade é reduzir a temperatura, mais ou menosrapidamente, pela passagem de uma corrente de ar fria noclínquer saída do esfriador (50oC e 70oC)
O clínquer, após o esfriamento, é misturado com as ADIÇÕES,transportado e estocado em depósitos
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
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2 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
No m e técnicoDesignação d o tip o e
c lasseNo rm as
CP I 25 – 32 – 40
CP I S 25 – S 32 – S 40
CP I I E 25 – E 32 – E 40
CP I I Z 25 – Z 32 – Z 40
CP I I F 25 – F 32 – F 40
Cim ento Po rtland d e
Alto -fo rnoCP I I I 25 – 32 – 40 NBR – 5735
Cim ento Po rtland
Po zo lânicoCP IV 25 – 32 NBR – 5736
Cim ento Po rtland d e
Alta Resistênc ia Inic ia lCP V ARI NBR – 5733
Cim ento Po rtland
Resistentes a Sulfa to s
Sigla o rigina l ac resc id a d e
“RS”NBR – 5737
Cim ento Po rtland
Co m umNBR – 5732
Cim ento Po rtland
Co m p o stoNBR – 11578
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a) CAL (CaO)- componente principal do cimento - origem = CaCO3
- cal livre prejudica a estabilidade de volume dasargamassas e dos concretos
b) SÍLICA (SiO2)- provém basicamente das argilas- SiO2 + CaO = compostos mais importantes do cimento: silicatos dicálcico (C2S) e tricálcico (C3S)
3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND
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3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND
c) ALUMÍNIO (Al2O3)- origina-se da argila- Al2O3 + CaO (aluminato tricálcico: C3A) acelera o início depega do cimento- ação fundente facilita o desenvolvimento das reações quepossibilitam a formação do clínquer
d) TRIÓXIDO DE FERRO (Fe2O3)- também é gerado a partir da argila- O trióxido de ferro (% pequena) é útil pelo seu papel defundente- ação mais enérgica do que a alumina
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3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND
e) MAGNÉSIO (MgO)- provém do carbonato de magnésio presente no calcário- quantidades elevadas atua como agente expansor
f) POTÁSSIO E SÓDIO- são álcalis, os quais desenvolvem papel de fundentes eaceleradores de pega- provocam manchas que aparecem na massa depois deendurecida- Certos agregados podem reagir com os álcalis
g) SULFATO (SO3) advém principalmente do sulfato decálcio, adicionado ao cimento como retardador de pega
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Fórmula AbreviaçãoComposição
(%)
Óxido de Cálcio CaO C 59 – 67
Sílica SiO2 S 16 – 26
Alumínio Al2O3 A 4 – 8
Ferro Fe2O3 F 2 – 5
Magnésio MgO M 0,8 – 6,5
Sódio Na2O - 0 – 1,5
Potássio K2O - 0 – 1,5
Sulfato SO3 S 0,5 – 1,2
3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND
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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND
Compostos Fórmula Química Abreviatura% no
clínquerPropriedades Tecnológicas
Silicato
Tricálcico3 CaO . SiO2 C3S 50 – 65
Endurecimento Rápido; Alto Calor de
Hidratação; Alta Resistência Inicial
Silicato
Dicálcico2 CaO . SiO2 C2S 15 – 25
Endurecimento Lento; Baixo Calor de
Hidratação; Baixa Resistência Inicial
Aluminato
Tricálcico3 CaO . Al2O3 C3A 6 – 10
Pega muito rápido e deve ser
controlado com adição de gesso;
suscetível ao ataque de meios
sulfatados; alto calor de hidratação;
alta retração; baixa resistência final
Ferro
Aluminato
Tetracálcico
4 CaO . Al2O3 .
Fe2O3
C4AF 3 – 8
Endurecimento Lento; resistente a
meios sulfatados; não tem
contribuição para resistência; cor
escura
Cal Livre CaO C 0,5 – 1,5
Aceitável somente em pequenas
quantidades, em maiores
quantidades causam aumento de
volume e fissuras
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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND
A composição mineralógica do clínquer: Resistência
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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND
A composição mineralógica do clínquer: Calor de Hidratação
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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND
A composição mineralógica do clínquer depende: matérias primas disponíveis processo de cozimento aplicado
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4 – COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA DO CIMENTO PORTLAND
A composição mineralógica do clínquer:(C³S Castanho); (C²S Azul); (C³A e C4AF Matriz)
Obs.: Largura da figura 0,6 mm (600 µm)
Micrografia ótica do clínquer não hidratado (JOHN; POOLE; SIMS, 1998 apud THOMAZ).
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
PERÍODO CARACTERÍSTICAS TEMPO
Inicial Reações instantâneas e intensas 10 minutos
Indução ou
dormente
Fase de baixa atividade com pequenas alterações na
pasta de cimento; a mistura ainda pode ser manuseada
normalmente
1 a 3 horas
AceleraçãoNova intensificação das reações de hidratação; coesão
e resistência mecânica em razão dos produtos geradosAté 12 horas
Desaceleração Declínio da intensidade Após 12 horas
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
Curva esquemática mostrando a taxa de liberação de calor nos vários períodos de hidratação docimento Portland (ZAMPIERI, 1993).
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
1) Silicato Tricálcico (C3S)
2 (C3S) + 6 H2O C3S2 . 3 H2O + 3 Ca(OH)2
(100%) (61%) (39%)
2) Silicato Dicálcico (C2S)
2 (C2S) + 4 H2O C3S2 . 3 H2O + Ca(OH)2(100%) (82%) (18%)
C3S C2S
Resistência
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
3) Aluminato Tricálcico (C3A)
C3A + 3 (CaSO4 . 2 H2O) + 26 H2O C3A . 3 CaSO4 . 32 H2O
etringita etringita + 2 C3A + 4 H2O 3(C3A . CaSO4 . 12 H2O)
monossulfato de cálcio
C3A + 6 H2O C3A . 6 H2O (aluminato de cálcio hidratado)
hidrogranada4) Ferro Aluminato Tetracálcico (C4AF)
C4AF + 2 Ca(OH)2 + 10 H2O C3A . 6 H2O + C3F . 6 H2O
C3A C4AF
pega
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
Após alguns minutosC3A + H2O = é uma reação imediata
CaSO4 . 2 H2O
gipsita e álcalis entram em solução primeiros
Solubilidade do C3A
C3A + SO3 = C6AS3H32
trissulfoaluminato de cálcio hidratado (etringita) Enrijecimento Pega Resistência inicial Liberação de calor
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Após algumas horas
2 C3S + 6 H = C3S2H3 + 3 CH
60% 40%
2 C2S + 4 H = C3S2H3 + CH
80% 20%
5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
Após alguns dias
C6AS3H32 + 2 C3A = C4AS3H18
A presença de monossulfoaluminato de cálcio hidratado torna o concreto vulnerável ao ataque de sulfatos
Pode reagir c/ sulfatos (solos e efluentes industriais)
Produtos expansivos
Fissuração
Perda da resistência
Desagregação
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
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5 – REAÇÕES DE HIDRATAÇÃO DOS COMPOSTOS DO CLÍNQUER
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6 – PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS CIMENTOS PORTLAND
a) FINURA determinada através de peneira de malha no 200,
(0,075 mm), permeabilímetro Blaine e granulômetro a laser
FINURA VELOCIDADE DAS REAÇÕES CALOR HIDRATAÇÃO
fissuras térmicas
b) EXPANSIBILIDADE pode ocorrer após o final de pega, ao
longo do tempo, quando na queima do clínquer o teor demagnésio ou CaO livre é elevado
fissuras
c) TEMPO DE PEGA é importante p/ permitir a aplicação
adequada de pastas, argamassas ou concretos- garantir a plasticidade e trabalhabilidade- p/ controlar o tempo de pega adicionar o CaSO4 . 2 H2O
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d) FALSA PEGA é um fenômeno que ocorre quando a mistura
perde a plasticidade com um tempo menor que o previsto
- sua plasticidade inicial é recuperada c/ uma remistura
1 - C3A é de baixa reatividade- cimentos parcialmente hidratado- cimentos carbonatados- descuidos no armazenamento
2 – grande quantidade de hemidrato (CaSO4 . 1/2 H2O)- moagem do cimento ultrapassa a 120oC
6 – PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS CIMENTOS PORTLAND
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e) CALOR DE HIDRATAÇÃO água + cimento = reação exotérm.
Esse efeito poderá acontecer durante meses, em funçãodo volume concretadoA quantidade de calor gerado depende
- composição química do cimento- quantidade e tipo de adições- finura, etc
f) RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO é medida através de corpos deprova cilíndricos 50mm x 100mm, com um traço normalizado,
com areia padrão do IPT (NBR 7251)
- ensaio importante para o controle de qualidade do cimento
6 – PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS CIMENTOS PORTLAND
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Brasil
os mais empregados são:
• cimento portland comum;
• cimento portland composto;
• cimento portland de alto-forno;
• cimento portland pozolânico.
menor escala são consumidos:
• cimento portland de baixo calor de hidratação;
• cimento portland para poços petrolíferos.
• cimento portland de alta resistência inicial;
• cimento portland resistente aos sulfatos;
• cimento portland branco (NBR 12989);
7 – TIPOS DE CIMENTO
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cimento portland comum
cimento portland comum com adição
cimento portland composto
CP termo de referência p/ cimentos novos
CP S e CP II cimento c/ aplicações usuais
Clínq uer + sulfa to
d e cá lc io
Escó ria d e
a lto -fo rno
Materia l
p o zo lânico
Materia l
carb o nático
CP I 100
CP I S 99 – 95
CP I I E 94 – 56 6 – 34 -
CP I I Z 94 – 76 6 – 14
CP I I F 94 – 90 -
0 – 10
-
-
1 – 5
Siglas
Co m p o nentes (% em m assa)
7 – TIPOS DE CIMENTO
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cimento portland composto
escórias
considerada um aglomerante
escória + água = material cimentante
cinzas volantes
dist. granulométrica como a do cimento Portland
materiais com características pozolânicas
Argilas calcinada
maior finura otimiza a granulometria
microestrutura da pasta mais densa e compacta
Filler calcário
muito fino maior calor de hidratação
carboaluminato de cálcio CaCO3 . C3A . 11 H2O
acelera a hidratação do C3A e do C3S
7 – TIPOS DE CIMENTO
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CP III tempo maior p/ endurecer
menor calor de hidratação
melhor ligação entre os grãos
menor porosidade
maior durabilidade
maior resistência final
S = 35% C = 40% A = 12% MATERIAL CIMENTÍCIO
cimento portland de alto-forno
Clínq uer + sulfa to
d e cá lc io
Escó ria d e
a lto -fo rno
Materia l
p o zo lânico
Materia l
carb o nático
CP I I I 65 – 25 35 – 70 - 0 – 5
Siglas
Co m p o nentes (% em m assa)
7 – TIPOS DE CIMENTO
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cimento portland de alto-forno
CP III S = 35% C = 40% A = 12% MATERIAL CIMENTÍCIO
Precisa do Ca(OH)2 iniciar as reações
Menor teor de C3A
Maior proporção de silicatos C3S e C2S
Menor produção de Ca(OH)2
Maior resist. aos sulfatos
desempenho
7 – TIPOS DE CIMENTO
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CP IV
Reagirá com o Ca(OH)2 liberado da hidratação
menor calor de hidratação
melhor ligação entre os grãos
menor porosidade
maior durabilidade
maior resistência final
cimento portland pozolânico
Clínq uer + sulfa to
d e cá lc io
Escó ria d e
a lto -fo rno
Materia l
p o zo lânico
Materia l
carb o nático
CP IV 85 – 45 - 15 – 50 0 – 5
Siglas
Co m p o nentes (% em m assa)
7 – TIPOS DE CIMENTO
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CP V ARI CP
Dosagens diferentes calcário e argila
Moagem mais fina
Elevadas resist. Iniciais c/ velocidade maior
cimento portland de alta resistência inicial
Clínq uer + sulfa to
d e cá lc io
Escó ria d e
a lto -fo rno
Materia l
p o zo lânico
Materia l
carb o nático
CP V ARI 100 – 95 0 – 5-
Siglas
Co m p o nentes (% em m assa)
7 – TIPOS DE CIMENTO
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Sulfatos provenientes:
rede de esgoto de águas servidas ou industriais;
água do mar e alguns tipos de solos
Quaisquer um dos cinco tipos básicos podem ser considerados
resistentes aos sulfatos desde que obedeçam a pelo menos uma das
seguintes condições:
C3A 8% e Material carbonático 5%
CP III Teor de escória = 60 e 70%
CP IV teor de pozolana = 25 e 40%
cimento portland resistentes a sulfatos
7 – TIPOS DE CIMENTO
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Obrigado!!