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Grupo de Materiais de Construção
Departamento de Construção Civil
Universidade Federal do Paraná
Prof. Marcelo Medeiros
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Química dos materiais
E
Propriedades da água
Materiais I - (TC-030)
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DEFINIÇÕES
Química:
Ciência que estuda as substâncias, suas propriedades,
suas composições e suas transformações.
Matéria:
É tudo que tem massa e ocupa espaço.
Constituída por partículas muito pequenas chamadas moléculas,
cuja ordem de grandeza é de 1 Â (10-10 cm).
1 cm3 de água (H2O) contém 33 X 1021 moléculas
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A estrutura de um material pode ser dividida em 4
níveis:
• Estrutura atômica
• Arranjo atômico
• Microestrutura
• Macroestrutura
No âmbito da engenharia, os estudos em níveis micro
e macroestruturais (propriedades) são os mais
importantes.
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Porém, é importante retroceder à estrutura dos
átomos e seus arranjos, pois estas influenciam de
maneira significativa as propriedades físicas e o
comportamento mecânico dos materiais.
Estrutura
eletrônica
do átomo
Natureza da
ligação
atômica
Características
micro e
macroestruturais
(Propriedades)
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Átomo:
Menor elemento das moléculas.
Partículas submicroscópicas de que toda a matéria é
composta.
92 elementos naturais + elementos artificiais (criados
pela física nuclear)
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Modelo simplificado do átomo: modelo planetário, com núcleo no centro e elétrons orbitando a seu
redor
Elétrons: partículas carregadas
negativamente, com carga igual a 1,6x10-19 C.
Prótons: partículas carregadas
positivamente, com carga
numericamente igual à do
elétron, porém de sinal contrário.
Núcleo: prótons + nêutrons
Os elétrons se mantêm ligados
ao núcleo por atração
eletrostática, já que estes têm
cargas de sinais opostos.
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Átomo:
Elétrons - satélites negativos.
Distribuídos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta do
núcleo, definindo níveis decrescentes de energia.
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Átomo:
O núcleo contém prótons.
Todos os núcleos mais pesados que o hidrogênio
possuem nêutrons.
• Prótons e nêutrons = maior parte da massa do átomo.
• Prótons e nêutrons = partículas de mesma massa.
• Próton possui carga positiva e o nêutron é eletricamente
neutro.
• Elétron é mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa do
próton.
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Átomo:
O número de cargas positivas no núcleo de um
átomo é sempre igual ao número de elétrons
circundantes = número atômico do elemento.
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Átomo:
Hidrogênio (H) é o mais simples dos elementos.
Núcleo de 1 próton e 1 elétron.
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Átomo:
Segundo mais simples: hélio (He)
2 prótons e 2 elétrons.
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Átomo:
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Átomo:
O núcleo = prótons positivos e nêutrons.
Estes últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons.
Constantes do núcleo:
Número de prótons Z
Determina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio),Indica igualmente a carga e o número de elétrons.
Número de massa A
Indica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica.
Cada elemento tem um número atômico específico.
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Átomo:
Simbolizadas da seguinte maneira:
• Núcleo de urânio
composto de 238
partículas
• 92 prótons e (238 - 92)
= 146 nêutrons.
Número de prótons Z
Número de massa A
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A valência do átomo está relacionada com a
habilidade do átomo para entrar em combinação
química com outros elementos, sendo frequentemente
determinada pelo número de elétrons na camada mais
externa, chamada de camada de valência.
Determina o tipo de ligação química que o
átomo desenvolverá
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São os elétrons da camada de valência que
influenciam a maioria das propriedades dos
materiais de interesse para a engenharia:
• Estabelecem a natureza das ligações
interatômicas;
• Resistência;
• Condutividade elétrica;
• Propriedades óticas.
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Grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16 e 17 possuem, respectivamente,
1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 elétrons na última camada.
Valência do átomo
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Para o restante dos elementos da tabela periódica, é
possível identificar o número de elétrons da camada de
valência através da representação da distribuição
eletrônica.
Valência do átomo
Diagrama de Linus
Pauling
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EXEMPLO 1:
Fe: nº atômico 26
Distribuição eletrônica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
A última camada representada: 4 (4s)
Assim, o elemento Ferro possui 2 elétrons
(4s2) em sua camada de valência.
Diagrama de Linus
Pauling
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EXEMPLO 2:
Ag: nº atômico 47
Distribuição eletrônica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10
A última camada representada: 5
Assim, o elemento Prata possui 1 (5s1) elétron
em sua camada de valência.
Diagrama de Linus
Pauling
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As moléculas:
Em muitas substâncias, os átomos são agrupados de dois
átomos ou mais.
Tal agregado de átomos é chamado de molécula.
Em uma molécula, os átomos componentes permanecem
unidos por forças chamadas ligações químicas.
Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomos
quimicamente ligados um ao outro.
Gases, as moléculas estão afastadas.
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As ligações atômicas:
Átomos com a camada periférica completa:
gases raros, gases nobres ou inertes.
São muito estáveis.
Estabilidade permanente - 8 elétrons na última
camada (2 no caso do hélio).
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Maioria das substâncias é composta por diversos
elementos formando um composto químico estável.
As propriedades químicas dos átomos são função da
última camada de elétrons.
O tipo de ligação química entre os elementos é
determinado pelos elétrons do nível de valência, que
definem a afinidade química dos elementos.
As ligações atômicas:
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Metais são elementos eletropositivos.
Liberam facilmente os elétrons da camada
periférica.
Metalóides são eletronegativos.
Têm tendência a completar a sua última
camada periférica.
O número de elétrons cedido pelos metais
define o número de ligações ou valências.
Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências.
As ligações atômicas:
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Metalóides
Boro (B), Silício (Si), Germânio (Ge), Arsênico (As), Antimônio (Sb),
Telúrio (Te) e Polônio (Po)
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As ligações entre os átomos, podem ocorrer por:
Abandono de elétrons, de um átomo em benefício
de outro. (metal para metalóide).
Utilização em comum de elétrons periféricos para
completar a última camada (metalóide para metalóide);
ligação por covalência, estável e freqüente nos
materiais plásticos.
As ligações atômicas:
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As ligações atômicas:
Ligações primárias (fortes):
• Ligação iônica;
• Ligação covalente;
• Ligação metálica.
Ligações secundárias – forças de van der Walls:
• Moléculas polares;
• Dipolos induzidos;
• Pontes de hidrogênio.
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Ligação iônica:
É a mais simples. Se explica pelo aparecimento de forças
coulombianas (recebendo e doando elétrons).
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Ligação iônica:
Se tirarmos um elétron de um átomo, ele deixa de ser
neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e
de elétrons.
Composto iônico é uma substância composta cujos
componentes ou grupo de componentes apresentam
cargas elétricas.
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Ligação iônica:
Quando um átomo forte (com grande eletronegatividade)
se liga a um átomo fraco (com baixa eletronegatividade),
há transferência definitiva de elétron do mais fraco para o
mais forte.Fracos
Forte
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Ligação iônica:
Exemplo:
Na+ e o Cl- se unem, formando o NaCl, cloreto de
sódio ou sal de cozinha, sólido.
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Al2O3 - metal com não-metal
(óxido de alumínio)
PbI - metal com não-metal
(iodeto de chumbo)
FeS - metal com não-metal
(sulfeto de ferro)
Ligação iônica:
Outros Exemplos:
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Propriedades físicas dos compostos iônicos:
• Possuem, em geral, condutividade elétrica baixa: a
transferência de cargas elétricas é dada pelo
movimento de íons inteiros, os quais não se movem
tão facilmente como os elétrons;
• Solubilidade em água (maioria);
• Condutividade elétrica quando fundidos ou
dissolvidos em água;
• Quando submetidos a esforços mecânicos que
ultrapassam sua capacidade resistente,
normalmente apresentam comportamento frágil.
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Ligação covalente:
Aproximação intensa entre dois elementos químicos que
vão se ligar (alguns elétrons da última camada de
valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro
átomo e vice-versa).
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Ligação covalente:
Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas
sim os compartilham.
Composto covalente:
Substância composta cujos componentes não
apresentam carga elétrica e interagem entre si
direcionalmente.
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Ligação covalente:
A força de ligação covalente é evidenciada no diamante,
constituído inteiramente por carbono.
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Ligação covalente:
Elevada dureza (10 na
escala Mohs) e elevada
temperatura (3.300ºC) para
sua dissociação atômica.
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Ligação covalente:
O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de
valência, que são compartilhados com 4 átomos
adjacentes, forma reticulado tridimensional todo ligado por
pares covalentes.
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Ligação covalente:
Molécula de oxigênio O2 Molécula de metano CH4
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O2 - não-metal com não-metal
(oxigênio molecular)
CO2 - não-metal com não-metal
(dióxido de carbono)
H2O - não-metal com não-metal
(água)
CH4 - não-metal com não-metal
(metano)
Ligação Covalente:
Exemplos:
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Propriedades físicas dos compostos
covalentes:
• Embora as ligações covalentes sejam muito fortes,
materiais ligados dessa maneira são, em geral,
pouco dúcteis;
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Propriedades físicas dos compostos
covalentes:
• Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica.
Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar
a posição relativa entre os átomos, nem promover o
transporte de carga elétrica via movimento de elétrons
sem a ruptura das ligações covalentes.
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Exemplo na engenharia:
• Vidros: se estilhaçam;
• Polímeros: não são bons condutores elétricos;
• Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície
das partículas de cimento.
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Ligação metálica:
Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-
los com facilidade.
Os demais são firmemente ligados ao núcleo.
Fracos
Forte
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Cu – 29 elétrons
Ligação metálica:
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Com a perda dos elétrons da última camada de
valência, os átomos metálicos remanescentes
tornam-se íons positivos.
Com a saída dos elétrons da última camada, há um
desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma
maior quantidade de cargas positivas do que a
eletrosfera de cargas negativas.
Ligação metálica:
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Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres”
que fazem o papel de íons negativos aparecendo
forças elétricas coulombianas de atração.
Ligação metálica:
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A ligação metálica pode ser considerada como uma
atração entre íons positivos e elétrons livres.
Ligação metálica:
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Os elétrons livres dão aos metais sua elevada
condutibilidade elétrica e térmica.
“Nuvem” de elétrons absorve a energia luminosa,
torna os metais opacos.
Ligação metálica:
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• Em geral, apresentam ductilidade
Aço para concreto armado: estricção
antes da ruptura
Ligação metálica:
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Metal: É uma substância simples, cujos constituintes
são os próprios componentes e interagem entre si
não-direcionalmente.
Ligas metálicas: materiais com propriedades
metálicas que contêm dois ou mais elementos
químicos sendo que pelo menos um deles é metal.
Ligação metálica:
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Exemplo na engenharia:
Aço para concreto armado.
Armadura de aço para concreto armado
O aço é uma liga
Metálica formada
essencialmente
por ferro e carbono,
com percentagens
deste último variando
entre 0,008 e 2,11%.
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Forças de van der Waals:
É uma ligação secundária fraca, mas que também
contribui para a atração interatômica.
Em geral se originam de dipolos elétricos, são
conseqüência da assimetria da molécula.
+ - + -
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O centro de carga positiva não coincide com o centro
de carga negativa, originando o dipolo.
São forças de atração que não envolvem cargas
individuais ou transferência de elétrons.
Existem entre todos os íons e átomos de um sólido,
mas podem estar obscurecidas pelas ligações fortes
presentes.
Forças de van der Waals:
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(a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico
denominado polarização.
(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma
extremidade positiva e outra negativa.
(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias
entre as moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída
pela negativa de outro.
Forças de van der Waals:
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Pontes de hidrogênio:
Caso particular de atração por moléculas polares, em que a
carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma
molécula é atraída pelos elétrons de valência de átomos de
moléculas adjacentes.
Exemplo: água Mais forte dentre as
ligações secundárias.
Comportamento da
água: tensão superficial,
viscosidade e
fenômenos de sorção.
Forças de van der Waals:
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Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Antes Depois
Aglomeração e dispersão das partículas de cimento em argamassas e concretos
Cadeias de aditivos envolvem as
partículas de cimento, conferindo a estas cargas -
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Slump test: concreto convencional e concreto auto-adensável, CAA-
O uso de aditivo superplastificante faz com que os aglomerados de
partículas de cimento sejam separados, liberando a água presente em
seu interior. Esta água livre, fica então disponível para fluidificar o
concreto fresco.
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
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Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento
Facilita o lançamento em elementos densamente armados
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
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Liberdade em formas complexas com o CAASagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
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Liberdade em formas complexas com o CAAFira, Barcelona-Espanha: vista interior
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
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Resumindo...
Ligação Energia de ligação
(kJ/mol)
Iônica 625 – 1550
Covalente 520 – 1250
Metálica 100 – 800
Forças de Van der
Waals
< 40 Fonte: ASKELAND,
1990
Energia de ligação: energia mínima requerida para criar ou quebrar a
ligação.
A força que une um ou mais átomos, ou moléculas, depende do tipo de
ligação e dos elementos envolvidos, estando relacionada com o espaço
interatômico.
Ex. de propriedade dos materiais afetada: módulo de elasticidade.
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Características dos principais materiais:
MateriaisTipo de ligação
predominanteInformações gerais
Metais Metálica
Metais apresentam elevada ductilidade e condutividade elétrica e térmica: os elétrons livres transferem com facilidade carga elétrica e energia térmica.
Cerâmicos
e vidros
Iônica, mas às vezes aparecem em conjunto com
ligações covalentes
Cerâmicas em geral são duras e frágeis, com baixa ductilidade e baixas condutividades elétrica e térmica: não existem elétrons livres, e ligações iônicas e covalentes têm alta energia
de ligação.
Polímeros
Covalente, mas às vezes existem
ligações secundárias entre
cadeias
Polímeros podem ser pouco dúcteis e, em geral, são pobres condutores elétricos. Se existirem ligações secundárias, podem ter sua ductilidade bastante aumentada, com quedas
de resistência e do ponto de fusão.
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Microestrutura da matéria - Arranjos
atômicos:
Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a
microestrutura da matéria são diferentes a cada fase ou
estado.
Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantêm-se
no lugar pelas forças de atração e coesão.
Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela
diminuição das forças de atração ou de coesão.
Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das
forças de atração ou de coesão.
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Material
Cristalino
Não-cristalino ou amorfo
Microestrutura da matéria - Arranjos
atômicos:
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Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos:
Cristalinos:
Arranjo dos átomos se repete ou que é periódico ao
longo de grandes distâncias.
Ex: metais; materiais cerâmicos
Não cristalino ou Amorfo:
Disposição irregular das moléculas, sem forma simétrica.
Ex: Vidro; materiais cerâmicos; cinza de casca de arroz;
sílica ativa; escória de alto forno
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Estrutura cristalina:
Muitos materiais de interesse à construção civil tem
arranjos atômicos com repetições nas três direções.
Exemplos:
- Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura
cristalina do NaCl.
- MgO tem estrutura cristalina cúbica.
- Ca(OH)2 forma placas hexagonais.
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Sal de cozinha, esferas verdes são os átomos de
cloro (Cl-) e as esferas cinzas os átomos de sódio (Na+)
Cristais de produtos de cimento Portland hidratado
Estrutura cristalina:
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Micrografias de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH) (ou estruturas C-H)
Estrutura cristalina:
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72
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Micrografia eletrônica (MEV) de cimento Portland hidratado
mostrando os cristais de etringita e monossulfato hidratado.
(Mehta e Monteiro, 1994)
Estrutura cristalina:
Prof. Marcelo Medeiros
73
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A visualização e a identificação do reticulado
cristalino é possível através de microscopia
eletrônica.
MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura
Estrutura cristalina:
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13
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Os metais são compostos por aglomerados de cristais, formando
uma estrutura granular perfeitamente visível.
Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês
(esquerda) e liga zinco-níquel (direita).
Estrutura cristalina:
Prof. Marcelo Medeiros
77
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O arranjo cristalino é a forma de organização da matéria
de mínima energia.
Estado cristalino é o mais estável p/ qual todo processo de
transformação tende.
Estrutura cristalina:
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78
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Polimorfismo:
Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que uma
estrutura cristalina.
Exemplo: Carbono
• Grafita – condições ambientes
• Diamante – em condições extremamente elevadas de
pressão e temperatura
Estrutura cristalina:
Grafita Diamante
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Estrutura cristalina:
Polimorfismo:
Exemplo: Carbono
• Grafita – condições ambientes
• Diamante – em condições extremamente elevadas de
pressão e temperatura
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80
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Sólidos amorfos (ou vítrea):
Não apresentam ordem estrutural em um
estado normal.
Alguns materiais podem mudar de estrutura
cristalina para amorfa e vice-versa.
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81
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Pode ser obtido pelo resfriamento rápido, não
dando tempo para a ordenação dos cristais e
formação da estrutura simétrica.
Ex: Argila + Calcário + calor = Cimento
(amorfo e reativo)
Sólidos amorfos (ou vítrea):
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Erupções vulcânicas produzem
condições ideais para a
formação de cinzas com
estrutura amorfa
Adições minerais de origem
vulcânica: resultante das erupções
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Nos materiais amorfos, na solidificação, reduz-se a
capacidade de mobilidade das moléculas, antes
que elas se arranjem em posições mais cristalinas.
Sólidos amorfos (ou vítrea):
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84
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Sílica ativa ou microssílica (adição p/ obter Concreto de
Alto Desempenho - CAD)
Sólidos amorfos (ou vítrea):
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Estrutura
cristalina
Estrutura
amorfa
• Estrutura cristalina → material estável
• Estrutura amorfa → material reativo
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86
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Estado cristalino: Disposição geométrica regular das
moléculas.
Corpo cristalizado é anisotrópico.
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87
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Substâncias e misturas
Substâncias:
Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.
Substância simples constituída por um único tipo de
átomo.
Exemplos:
Metal ferro - Fe2
Gás oxigênio - O2.
Substância composta constituída por mais de um tipo de
átomo.
Exemplos:
Água pura - H2O
Sal comum - NaCl
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Substâncias e misturasMisturas:
Consiste em duas ou mais substâncias misturadas.
Algumas podem ser identificadas visualmente.
Exemplo:
Granito - grãos de quartzo (branco), mica (preta) e feldspato (rosa) e
outros minérios.
Outras misturas requerem outros métodos de verificação.
Exemplos:
Leite – a olho nu só se vê um líquido branco.
Com microscópio observa-se partículas brancas e constata-se que é
uma mistura.
Água salgada – Não se vê o sal (íons) dissolvido.
É necessário evaporar a água para observar o sal.
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Estados da matéria:
A matéria pode existir em três estados:
• Sólido - Mantém volume e forma.
• Líquido - Mantém volume, adquire a forma do
recipiente.
• Gás - Não mantém volume nem forma, varia c/ o
recipiente.
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Estados da matéria:
Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são
chamados de fluídos.
Sólidos – moléculas, muito próximas, mantém
posição por atração e coesão.
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Estados da matéria:
Sólidos
- Líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela
diminuição das forças de atração ou de coesão.
- Gás é obtido pela supressão das forças de atração
ou de coesão.
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Misturas homogêneas e heterogêneas:
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Misturas homogêneas e heterogêneas:
Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase =
SOLUÇÃO
Exemplos: água salgada, gasolina, ar, etc.
Os componentes de uma solução podem ser separados por
processos físicos, sem o uso de reações químicas.
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Misturas homogêneas e heterogêneas:
Qual a diferença entre uma solução homogênea e
uma substância pura?
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Misturas homogêneas e heterogêneas:
Substância pura = água = ferve a temperatura constante.
Pto. de ebulição de solução varia c/ a concentração dos
componentes:
Exemplo 1: (água salgada) - quanto maior a % de sal
dissolvido, maior será o ponto de ebulição.
(Mistura de líquidos) - apresenta diferentes temperaturas de
ebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los pela
destilação.
Exemplo 2: Petróleo.
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Misturas homogêneas e heterogêneas
As substâncias e misturas apresentam-se em qualquer dos três
estados: sólido, líquido ou gasoso.
Misturas líquidas homogênea (solução) e heterogênea
Mistura heterogênea em estado sólido: Granito, grãos de quartzo (branco), mica (preta) e feldspato
(rosa) e outros minérios
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Soluções e misturas:
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Dos átomos a matéria:
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As transformações da matéria:
Podem ser físicas ou químicas.
Transformações físicas não alteram a identidade das
substâncias.
Exemplos:
• Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo.
• Água gelada, gelo, continua sendo água.
• Um pedaço de ferro pode ser retorcido e continua sendo
ferro.
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As transformações da matéria:
Transformações químicas:
Substâncias são destruídas e novas são formadas.
Exemplo de transformação ou reação química:
Ferro exposto à água e oxigênio:
- Reage com o oxigênio e a água formando “ferrugem”.
“ferrugem” = substância nova (óxidos e hidróxidos de
ferro).
Reagentes = substâncias iniciais. (ferro, oxigênio e água)
Produtos = novas substâncias formadas. (óxidos e hidróxidos
de ferro)
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Leis das transformações químicas:
Primeira lei - A.L. Lavoisier, em 1774
Lei da conservação da massa:
A soma das massas dos produtos é igual a soma das
massas dos reagentes.
Não há destruição, nem criação de matéria, apenas
transformação.
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Exemplo:
Queima de papel - decompõe em gases e cinzas.
Massa do papel = massa das cinzas + massa dos
gases produzidos na decomposição (queima).
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Leis das transformações químicas:
Segunda:
Lei das proporções definidas:
Mais importante propriedade de um composto, sua
composição fixa em massa.
Exemplo:
Cloreto de sódio- 39,44% da massa total é sódio e 60,66%
é cloro.
Água - 11,19% de hidrogênio e 88,91% de oxigênio.
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Propriedades físico-químicas da água:
Água – Conceitos gerais:
É o estado líquido do composto hidrogênio e oxigênio:
H2O.
1804, Gay-Lussac e A. Von Humboldt:
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SOLVENTE UNIVERSAL
Propriedades físico-químicas da água:
Água – Dados gerais:
• Componente principal da matéria viva.
• Constitui de 50% a 90% da massa dos organismos
vivos.
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Propriedades físico-químicas da água:
Água – Dados gerais:
Resumindo:
A água é muito importante para as propriedades químicas
e físicas dos materiais
Nem sempre
para o bem!!!Responsável por manifestações
patológicas no concreto
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Nada disso ocorreria sem água
Fotos: M. Medeiros (2006) - SP
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Nada disso ocorreria sem água
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Nada disso ocorreria sem água
Fotos: M. Medeiros (2003) - RJ
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Foto: M. Medeiros (2010) - SP
Nada disso ocorreria sem água
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Propriedades físico-químicas da água:
Calor específico:
Define a variação térmica de uma dada massa de uma substância ao
receber determinada quantidade de calor.
Unidade:
SI J/kg.K (Joule por Kilograma Kelvin).
cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).
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Propriedades físico-químicas da água:
Calor específico:
O calor específico da água é muito alto, fazendo com que a água
atue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas,
impedindo mudanças bruscas de temperatura.
Calor específico = c
Capacidade térmica de um corpo = C
Massa do corpo = m m
Cc
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Propriedades físico-químicas da água:
Calor específico:
É possível determinar a partir da quantidade de calor cedida a um
corpo, da variação térmica resultante e da massa desse corpo.
Quanto maior o calor específico de uma substância,
menores variações de temperatura ela experimenta.
Tm
Qc
Calor específico = c
Quantidade de energia = Q
Variação de temperatura = T
Massa do corpo = m
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Propriedades físico-químicas da água:
Calor específico:
O calor específico da água é o número de calorias necessárias
para elevar 1 grama de água de 14,5°C para 15,5°C.
É o valor mais alto entre os solventes comuns.
H2O – 1,0 cal/g oC
Álcool – 0,58 cal/g oC
Água atua como importante fator de termorregulação.
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Calor específico - Aplicações na engenharia:
Grandes massas de concreto:
A hidratação do cimento Portland é exotérmica.
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Grandes massas de concreto:
Grandes massas de concreto, como barragens geramenormes quantidades de calor.
Calor específico - Aplicações na engenharia:
A concentração e
dispersão deste calor
é lenta e complexa,
levando a formação
de gradientes de
temperaturas.
Itaipú Binacional: 12,7 milhões de m3 de concreto
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Calor específico - Aplicações na engenharia:Grandes massas de concreto:
Modelo termo-
químico-mecânico da
fase construtiva de
barragem de usina
hidrelétrica.
(E. M. R. Fairbairn, F. L. B. Ribeiro, R. D. Tolêdo-F.)
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Grandes massas de concreto:
O que ocorre quando o concreto aquece?
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Grandes massas de concreto:
E quando esfria?
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Grandes massas de concreto:
E se o concreto aquecer e depois esfriar?
Surgimento de
tensões internas!!!
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Grandes massas de concreto:
Qual a conseqüência disso?
A estrutura pode
fissurar seriamente!!!
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Grandes massas de concreto:
O que fazer?
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Grandes massas de concreto:
Pré-resfriamento
Pós-resfriamento
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Pós-resfriamento
Utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de
tubulações metálicas instaladas preliminarmente dentro das
estruturas, bombeia-se água resfriada.
A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro doconcreto.
Grandes massas de concreto:
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Instalações para resfriamento e
bombeamento da água
Tubulação para circulação de água gelada
Esquema de tubulações para
circulação de água
(José Marques Filho)
(José Marques Filho)
Grandes massas de concreto:
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Pré-resfriamento – Com a finalidade de minimizar o aumento de
temperatura do concreto, utiliza-se resfriar os materiais dos quais ele
é produzido, imediatamente antes da mistura.
Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC.
Calor específico - Aplicações na engenharia:
Grandes massas de concreto:
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132
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Pré-resfriamento
Pode-se também refrigerar os agregados e o concreto com nitrogênio
líquido. As rochas tem menor calor específico do que a água.
Estas operações também geram um retardo nas reações de
hidratação do cimento.
Pré-resfriamento do concreto com
nitrogênio líquido
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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133
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Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto:
Central de produção de concreto de Tucuruí
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Pré-resfriamento de grandes massas de concreto:
Central de produção de concreto de Itaipú
Calor específico - Aplicações na engenharia:
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Propriedades físico-químicas da água:
Solventes são substâncias capazes de dissolver coisas -
estado físico da dissolução.
Dissolução de água e sal de cozinha:- a água é o solvente porque dispersa no seu seio o sal
A água tem poder de dissolução muito grande.
Poder de dissolução:
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136
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Propriedades físico-químicas da água:
Propriedade importante:
• Muitas reações químicas, como a hidratação do cimento
Portland, ocorrem em solução.
• A água é importante meio de transporte de substâncias dentro efora dos materiais sólidos.
Poder de dissolução:
H2O = SOLVENTE UNIVERSAL
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A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos,
sulfatos e outros.
Com estes agentes dissolvidos, ela penetra nos poros do
concreto.
Degradação do concreto
O que acontece?
Propriedades físico-químicas da água:
Poder de dissolução:
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138
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Meio de transporte:
Transporta substâncias para dentro ou para fora dos
materiais sólidos, levando agentes agressivos para dentro
dos materiais sólidos e arrastando os resíduos para fora.
Propriedades físico-químicas da água:
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Ca(OH)2 + Na2SO4 10H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH + 8H2O
Ataque de sulfatos:
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de
cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.
Ataque por sulfato de sódio:
Gesso
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Sulfato de cálcio:
4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2
Aluminato Gesso etringita
Ataque de sulfatos:
Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de
cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
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141
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Deterioração do concreto por ataque de sulfatos:
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
Estrutura de concreto atacada por sulfatos
(Joana S. Coutinho)(Joana S. Coutinho)
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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
Barragem do Voçoroca:
Barragem de gravidade com altura 21 m por 152 m de comprimento, encontrando-se com aproximadamente 40 anos de idade na época.
(José Marques Filho - COPEL)
Acúmulo de material percolado nas juntas de concretagem
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143
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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
Barragem do Voçoroca:
(José Marques Filho - COPEL)
Detalhe da porosidade e junta de concretagem
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144
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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
(José Marques Filho - COPEL)
Aparecimento do agregado do concreto
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145
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Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
Prédio da FAU-USP
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Lixiviação de estruturas de concreto:
Água da chuva penetra dentro do concreto por seus poros.
No interior a água solubiliza o hidróxido de cálcio Ca(OH)2, que
corresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada.
O Ca(OH)2 vem p/ superfície carregado pela água.
Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gás carbônico CO2.
Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:
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147
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Propriedades físico-químicas da água:
Eflorescências:
Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco úmido ou com infiltrações e/ou
vazamentos.
Eflorescências através de tinta
acrílica.
Aplicações na engenharia - Meio de transporte
Manchas esbranquiçadas
que surgem na superfície
devido ao carreamento de
materiais, dissolvidos do
substrato emboço/reboco, e
trazidos pela água para a
superfície.
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148
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Propriedades físico-químicas da água:
Eflorescências:
Eflorescências
através de tijolos
cerâmicos
Aplicações na engenharia - Meio de transporte
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149
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Propriedades físico-químicas da água:
Eflorescências:
Aplicações na engenharia - Meio de transporte
Pelas juntas de alvenarias
de blocos de concreto
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150
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Propriedades físico-químicas da água:
Tensão superficial:
A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta comouma membrana tensa (esticada).
Entre as moléculas que constitui a matéria (sólidos e líquidos)
existem forças de interação de origem elétrica.
Tensão superficial surge graças à essas forças.
Essas forças adquirem valores altos quando a distância entre
as moléculas é cerca de 10-6 cm (líquidos e principalmente
nos sólidos).
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151
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Propriedades físico-químicas da água:
No interior do líquido:
Cada uma é cercada e atraída por outras moléculas.
Se as forças que atuam nesta molécula forem somadas
vetorialmente, obteremos uma força resultante média nula.
Tensão superficial:
Molécula na superfície
Molécula no interior
Gás
Líquido
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Propriedades físico-químicas da água:
Na superfície do líquido:
Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido.
As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante da
massa, pelas forças de interação elétrica.
Tensão superficial:
Molécula na superfície
Molécula no interior
Gás
Líquido
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153
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Propriedades físico-químicas da água:
Tensão superficial:
Água tem grande tensão
superficial.
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154
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Propriedades físico-químicas da água:
Tensão superficial:
Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de
água, o que permite a estabilidade coloidal das pastas de
aglomerantes como a cal, gesso e cimento Portland.
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163
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Revisando:
Sólidos = moléculas muito próximas, mantêm-se no lugar
pelas forças de atração e coesão.
Líquidos = Moléculas um pouco mais próximas, forças de
atração e coesão um pouco menores.
Gás = Quase não tem força de atração e coesão entre as
moléculas.
Propriedades físico-químicas da água:
Capilaridade:
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164
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Propriedades físico-químicas da água:
Capilaridade:
Líquidos podem fluir, suas partículas se movem independentemente,
mas não tanto como as de um gás.
Forças de coesão, agem entre as partículas do líquido.
Entre partículas do líquido e do material em que estão encostados
existe uma força de adesão.
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165
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Propriedades físico-químicas da água:
Capilaridade:
O efeito das forças de adesão e coesão = capilaridade (conseqüência
da tensão superficial).
Capilaridade: é a propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos
muito finos.
A capilaridade atua no sentido de puxar o líquido para cima, a altura
alcançada depende da tensão superficial e do raio do tubo capilar.
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Propriedades físico-químicas da água:
Capilaridade:
Forças coesivas mais
fortes que as adesivas.
Água subindo em tubo capilar
Forças adesivas
líquido/vidro mais fortes que as
forças coesivas
dentro do líquido
Mercúrio
Água
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Propriedades físico-químicas da água:
Capilaridade:
rh
2
Lei de Jurin
Onde:
h = altura
V = tensão superficial do líquido
r = raios do capilar
= massa específica da água
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Propriedades físico-químicas da água:
Aplicações na engenharia - Capilaridade:
A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilização
da viga de baldrame.
As eflorescências na parte inferior da parede causam a
decomposição da pintura e do emboço.
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169
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Propriedades físico-químicas da água:
Aplicações na engenharia - Capilaridade:
Difícil solução.
Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado
sobre o baldrame.
(José A. Freitas Jr.)
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Propriedades físico-químicas da água:
Aplicações na engenharia - Capilaridade:
Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame,
antes do erguimento das elevações, veda a interface parede x
fundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e o
surgimento de manifestações patológicas.
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171
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Propriedades físico-químicas da água:
Quando um concreto endurece e seca, a água presente nos poros sai
para a atmosfera.
Esta saída origina pressões capilares, originando tensão superficial
que “puxa” as paredes dos poros no sentido que estas se aproximem.
Retração em concreto
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Propriedades físico-químicas da água:
O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que
pode originar fissuras.
Procedimentos de cura p/ minimizar retração:
Manter o concreto saturado com água, nos primeiros
dias, p/ água não sair enquanto não alcança certa
resistência mecânica.
O que fazer?
Retração em concreto
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Propriedades físico-químicas da água:
Fissuras por retração
Retração em concreto
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Propriedades físico-químicas da água:
Sacos de aniagem encharcados
Retração em concreto
Procedimentos de Cura:
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Propriedades físico-químicas da água:
Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno
Retração em concreto
Procedimentos de Cura:
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Propriedades físico-químicas da água:
Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco.
Procedimentos de Cura:
Retração em concreto
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Propriedades físico-químicas da água:
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Propriedades físico-químicas da água:
Pressão de vapor:
A pressão de vapor pode atuar de forma importante no
âmbito das edificações.
Argamassas de cimento e concreto são materiais que
contém muita água
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Propriedades físico-químicas da água:
Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:
A pressão de vapor surge dentro de argamassas ou concreto,
decorrente da variação da temperatura ou da pressão atmosférica.
Pequenas quantidades de água contidas no interior destes materiais se
transformam em vapor.
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Bolhas em pinturas
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Propriedades físico-químicas da água:
Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Bolhas em
pinturas
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Propriedades físico-químicas da água:
Lascamento de concreto devido ao calor:
Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura.
A água nos poros do concreto forma vapor, que cria tensões internas
elevadas dentro das argamassas e do concreto.
A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” ou
lascamento.
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Sequência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002)
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Departamento de Construção Civil
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Propriedades físico-químicas da água:
Lascamento de concreto devido ao calor:
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Eurotúnel após incêndio
Lascamento (C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)
Prof. Marcelo Medeiros
185
Departamento de Construção Civil
Universidade Federal do Paraná
Propriedades físico-químicas da água:
Lascamento de concreto devido ao calor:
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Eurotúnel após
incêndio
Direitos Reservados UFPR
29
Grupo de Materiais de Construção
Departamento de Construção Civil
Universidade Federal do Paraná
Prof. Marcelo Medeiros
186
Departamento de Construção Civil
Universidade Federal do Paraná
Propriedades físico-químicas da água:
Lascamento de concreto devido ao calor:
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Viaduto em SP, 1998
(Granato- BASF)
Prof. Marcelo Medeiros
187
Departamento de Construção Civil
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Propriedades físico-químicas da água:
Lascamento de concreto devido ao calor:
Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:
Viaduto em SP, 1998
(Granato- BASF)
Prof. Marcelo Medeiros
189
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Referências bibliográficas:
www.wikipedia.org
www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br/quimicainorganica/formulasquimicas.htm
CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear
MATERIAIS, A. Rermy, M. Gray e R. Gonthier, São Paulo – SP, Ed.
Hemus, 1993.
Apostila AÇOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene – USP- SP.
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL e Princípios de Ciência e
Engenharia de Materiais, Capítulo 6 – Estrutura Atômica e Molecular dos
Materiais, Oswaldo Cascudo, IBRACON, 2007.