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Propriedades da água
Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEINADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR
Prof. Marcelo Medeiros
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Água – Conceitos gerais:
É o estado líquido do composto hidrogênio e oxigênio: H2O.
Introdução
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• Quase toda a água do planeta está concentrada nos oceanos.
• Menos de 3% está em terra e a maior parte desta está sob a forma de gelo e neve ou abaixo da superfície (água subterrânea).
Água – Dados gerais:
• Cerca de 1% está diretamente disponível ao homem e aos outros organismos, sob a forma de lagos e rios, ou como umidade presente no solo, na atmosfera e como componente dos mais diversos organismos.
Introdução
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SOLVENTE UNIVERSAL
Água – Dados gerais:
• Componente principal da matéria viva.
• Constitui de 50% a 90% da massa dos organismos vivos.
Introdução
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Poder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
A água tem elevado poder de dissolução
• Reações de hidratação do cimento Portland
• Dissolução de sais, compostos ácidos e básicos
• Dissolução de produtos agressivos às estruturas de concreto
• Meio de transporte: ao penetrar/evaporar do concreto
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Água – Dados gerais:
Resumindo:
A água é muito importante para as propriedades químicas e físicas dos materiais
Poder de dissolução
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Nem sempre para o bem!!!
Responsável por manifestações patológicas no concreto
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Poder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Isso não aconteceria sem água...
Poder de dissolução
PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DA ÁGUAPoder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Isso não aconteceria sem água...
Foto: M. Medeiros (2006) - SP
Foto: P. Brito (2008) - RN
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Departamento de Construção Civil
Universidade Federal do ParanáPoder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Isso não aconteceria sem água...
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Foto: M. Medeiros (2003) - RJ
Poder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Isso não aconteceria sem água...
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Foto: M. Medeiros (2010) - SP
Poder de dissolução
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Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Isso não aconteceria sem água...
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades
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Calor específico:
Define a variação térmica de uma dada massa de uma substância aoreceber determinada quantidade de calor.
Unidade:
SI J/kg.K (Joule por Kilograma Kelvin).
cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).
Calor específico
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É possível determinar a partir da quantidade de calor cedida a umcorpo, sabendo a variação térmica resultante e a 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 = QVariação de temperatura = ∆TMassa do corpo = m
Calor específico
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O calor específico da água é muito alto, fazendo com que a águaatue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas,impedindo mudanças bruscas de temperatura.
Água atua como importante fator de termorregulação.
Calor específico
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Calor específico
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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.
O calor específico da água é muito alto, é o valor mais alto entre os solventes comuns.
Atuação importante no equilíbrio da temperatura de sistemas, impedindo
mudanças bruscas de temperatura.
Calor específico
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Equilíbrio da temperatura de sistemas:
A hidratação do cimento Portland é exotérmica.
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Grandes massas de concreto:
Grandes massas de concreto, como barragens geram enormesquantidades de calor.
A concentração e dispersão deste calor é lenta e complexa, levando aformação de gradientes de temperaturas.
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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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.)
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Grandes massas de concreto:
O que ocorre quando o concreto aquece?
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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E quando esfria?
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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E se o concreto aquecer e depois esfriar?
Surgimento de tensões internas!!!
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Qual a consequência disso?
A estrutura pode fissurar seriamente!!!
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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O que fazer?
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento
Pós-resfriamento
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento
Pós-resfriamento
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento – Com a finalidade de minimizar o aumento detemperatura do concreto, pode-se resfriar os materiais dos quais ele éproduzido, imediatamente antes da mistura.
Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC.
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento
Pode-se também refrigerar os agregados e o concreto com nitrogêniolíquido. As rochas tem menor calor específico do que a água.
Estas operações também geram um retardo nas reações dehidratação do cimento.
Pré-resfriamento do concreto com
nitrogênio líquido
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto:
Central de produção de concreto de Tucuruí
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento de grandes massas de concreto:
Central de produção de concreto de Itaipú
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pré-resfriamento
Pós-resfriamento
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Pós-resfriamento
Utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de tubulaçõesmetálicas instaladas preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-seágua resfriada.
A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro doconcreto.
Grandes massas de concreto:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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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:
Aplicações na engenharia:
Calor específico
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades físico-químicas da água:
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Solventes são substâncias capazes de dissolver - estadofísico da dissolução.
Dissolução de água e sal de cozinha:- a água é o solvente porque dispersa no seu meio o sal
A água tem poder de dissolução muito grande.
Poder de dissolução
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Propriedade importante:
• Muitas reações químicas, como a hidratação do cimentoPortland, ocorrem em solução.
• A água é importante meio de transporte de substâncias dentro efora dos materiais sólidos.
H2O = SOLVENTE UNIVERSAL
Poder de dissolução
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A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos,sulfatos e outros.
Com estes agentes dissolvidos, ela penetra nos poros doconcreto.
Degradação do concreto
O que acontece?
Poder de dissolução:
Poder de dissolução
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades físico-químicas da água:
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Transporta substâncias para dentro ou para fora dosmateriais sólidos, levando agentes agressivos paradentro dos materiais sólidos e arrastando os resíduospara fora.
Meio de transporte
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Ca(OH)2 + Na2SO4 10H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH + 8H2O
Ataque de sulfatos:
Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de
cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.
Ataque por sulfato de sódio:
Gesso
Aplicações na engenharia:
Meio de transporte
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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.
Aplicações na engenharia:
Meio de transporte
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Deterioração do concreto por ataque de sulfatos:
Estrutura de concreto atacada por sulfatos
(Joana S. Coutinho)(Joana S. Coutinho)
Aplicações na engenharia:
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Poder de dissolução
Meio de transporte
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Poder de dissolução
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Fonte: MARQUES FILO (anterior a 2013)
Hidrólise dos componentes da pasta!
Barragem do Vossoroca:
• Barragem de gravidade;
• 21 m (altura) por 152 m
(comprimento);
• ≈ 40 anos de idade na época.
Acúmulo de incrustações de
material carbonatado ao longo
das juntas frias, a jusante da
barragem.
Meio de transporte
Poder de dissolução
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Fonte: MARQUES FILO (anterior a 2013)
Hidrólise dos componentes da pasta!
Barragem do Vossoroca:
• Barragem de gravidade;
• 21 m (altura) por 152 m
(comprimento);
• ≈ 40 anos de idade na época.
Detalhe da porosidade da junta
de concretagem:
agregados expostos.
Meio de transporte
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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:
(José Marques Filho - COPEL)
Aparecimento do agregado do concreto
Poder de dissolução
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Meio de transporte
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Prédio da FAU-USP
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Poder de dissolução
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Meio de transporte
Água:
SOLVENTE UNIVERSAL!
Hidrólise dos componentes da pasta:
Dissolução, em primeiro lugar, do hidróxido de cálcio Ca(OH)2 que por
lixiviação é transportado pela água até a superfície do concreto.
O Ca(OH)2 entra em contato com o CO2 do ar, gerando eflorescências
esbranquiçadas:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
Quando o pH está entre 8,5 e 9,0 com excesso de CO2, acontece a formação
do bicarbonato de cálcio que é 145 vezes mais solúvel na água:
CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2
Poder de dissolução
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Meio de transporte
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Eflorecência/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, quecorresponde a 30% da pasta de cimento hidratada.
O Ca(OH)2 vem para a superfície carregado pela água.
Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gás carbônico CO2.
Poder de dissolução
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Meio de transporte
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Eflorescências:
Manchas esbranquiçadas que surgem na superfície devido ao carreamento
de materiais dissolvidos do substrato emboço/reboco, trazidos pela água
para a superfície.
Juntas dos blocos de
concretoAtravés de tijolos
cerâmicos
Através de tinta acrílica
Poder de dissolução
Meio de transporte
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades físico-químicas da água:
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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.
Esta propriedade é causada pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja resultante vetorial é diferente na interface.
Tensão superficial
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No interior do líquido:
Cada molécula é cercada e atraída por outras moléculas.
Se as forças que atuam nesta molécula forem somadasvetorialmente, obteremos uma força resultante média nula.
Molécula na superfície
Molécula no interior
Gás
Líquido
Tensão superficial
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Na superfície do líquido:
Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido.
As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante damassa, pelas forças de interação elétrica.
Molécula na superfície
Molécula no interior
Gás
Líquido
Tensão superficial
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Molécula na superfície
Molécula no interior
Gás
Líquido
Enquanto as moléculas situadas no interior de um líquido são
atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas, as moléculas
da superfície do líquido sofrem apenas atrações laterais e internas.
Este desbalanço de forças de atração que faz a interface se comportar
como uma película elástica como um látex.
Tensão superficial
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Água tem grande tensãosuperficial.
Tensão superficial
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Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o quepermite a estabilidade coloidal das pastas de aglomerantes como a cal,gesso e cimento Portland.
O uso de aditivos tensoativos, que diminuem a tensão superficial da água, faz com que um mesmo volume de água
molhe (cubra) uma maior área superficial das partículas componentes das mistura.
Exemplo na Engenharia:
Tensão superficial
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Substâncias, geralmente líquidas, que, quandoadicionadas durante o processo de mistura, alteramdeterminadas propriedades do concreto, argamassas,pastas e etc.
Tensão superficial
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• Análise de custo-benefício
( curto e longo prazo )
• Pequena proporção em relação ao cimento
• Importância da homogeneização
• Dissolução na água de amassamento
Tensão superficial
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- Aditivo Plastificante (Tipo P): Produto que aumenta o índice deconsistência do concreto mantida a quantidade de água deamassamento; possibilita a redução de, no mínimo, 6% da quantidadede água de amassamento para produzir um concreto com determinadaconsistência.
- Aditivo Superplastificante (Tipo SP): Possibilita a redução de, nomínimo, 12% da quantidade de água de amassamento para produzirum concreto com determinada consistência.
Tensão superficial
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Quando uma pequena quantidade de água é adicionada ao
cimento, sem a presença de tensoativos, não se obtém um
sistema bem disperso, primeiro porque a água possui tensãosuperficial elevada e segundo porque as partículas de cimentotendem a formar flocos e se aglomerarem.
Mecanismo sem Mecanismo sem tensoativotensoativo
Tensão superficial
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Plastificantes e Superplastificantes (Redutores de água)
1. Possuem substâncias químicas.
2. Melhoram a deformabilidade dos concretos frescos, reduzindo aformação dos flóculos provocados pelas forças de Van der Waal.Esse efeito é consequência da mudança da carga elétrica ocorrida nasuperfície das partículas de cimento que passam a se repelireletrostáticamente. Com isso, reduzem o coeficiente de atritodinâmico entre a fase líquida e os materiais sólidos em suspensão.
Aditivos Aditivos -- tipostipos
Tensão superficial
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Plastificantes e Superplastificantes (Redutores de água)
3. Certas substâncias tensoativas são as responsáveis pela ação detais aditivos. Elas reduzem a tensão superficial da água, fazendo comque as moléculas de água tenham menor coesão e, portanto,capacidade de aumentar sua superfície de contato (maiormolhabilidade).
4. Aumentando a dispersão dos finos e acelerando a formação do gelde cimento, estes aditivos reduzem o esforço de cisalhamentonecessário para movimentar e deslizar as partículas ao se lançar eadensar a mistura. O efeito dispersante expõe maior superfície docimento em contato com a água, resultando em melhor hidratação. Aadesão entre a pasta de finos e os agregados também aumentaevitando a segregação.
Tensão superficial
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Separação dos constituintes
� Causas:
• Diferença de densidade:Argamassa = 2,2Agregados graúdos = 2,7
• Excesso de água
• Excesso de vibração / adensamento
• Falta de cuidado no lançamento
SegregaçãoSegregação
Segregação
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Efeito de aditivos Plastificantes (outra forma de tensoativo)
Aditivos Plastificantes:
+
- +
++--
-
--
- -
-
+
++
+
+++
+
++
- -
-
--
--
-
-+
+
++
+
++
+-
- --+
-
-++
++
++
+
+++
+
+
+-
-
-
- -
- - -
+-
-
- --
-
-
- -
-
--
-
--
-
-+
+
+
-
-
Sem aditivo Com aditivo
Formado por moléculas hidrófilas
Tensão superficial
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Finalidade:
Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito entre os grãos de cimento e agregados.
Aditivos Plastificantes:
Tensão superficial
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Os aditivos incorporadores de ar (IAR) também são compostostensoativos iônicos que reduzem a tensão superficial da água.
Moléculas do aditivo
(Mehta/Monteiro)
Aditivos Incorporadores de ar:
Tensão superficial
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Mecanismo: Hidrofugam as partículas de cimento
Incorporam ar a massa de concreto em pequenas bolhas (0,1 a 0,8 mmde diâmetro).
Moléculas do aditivo
(Mehta/Monteiro)
Aditivos Incorporadores de ar:
Tensão superficial
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Universidade Federal do ParanáAditivos Aditivos -- tipostipos
Incorporador de ar
1. As bolhas de ar se repelem devido a cargas de igual polaridadeatuando em suas superfícies.
2. O sistema de microbolhas é estável, não se desfazendofacilmente mediante vibração convencional. Contribuem para diminuira exsudação.
(Mehta/Monteiro)
Tensão superficial
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Excesso de água na mistura e poucos finos, formando nata decimento na parte superior
� Consequências:
• Fissuras na parte superior do concreto
� Correção:
• Aumentar o teor de finos• Utilizar aditivos plastificantes• Utilizar aditivos incorporador de ar
ExsudaçãoExsudação
Exsudação
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Excesso de água
� Conseqüências
• Aumento da permeabilidade• Diminui a durabilidade
Há que se encontrar um ponto ótimo, pois é necessário usar mais água que onecessário para as reações químicas, para se ter trabalhabilidade, ou seja, porossão inevitáveis!
Exsudação
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Efeitos colaterais:
Podem retardar a pega do cimento:
Aditivos Incorporadores de ar:
Tensão superficial
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Finalidade:
Aumentar a resistência do concreto ao gelo-degelo, as bolhas com ar funcionando como “espaço de escape” para os cristais de gelo, quando da solidificação da água absorvida pelo concreto.
(Mehta/Monteiro)(Mehta/Monteiro)
Aditivos Incorporadores de ar:
Tensão superficial
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Incorporação de ar, pequenas bolhas funcionam como “válvula de escape” p/ crescimento de volume do gelo.
Mehta & Monteiro, 2008
Gelo
Pasta de
cimento
Vazio
Tensoativos ou Incorporadores de ar - IAR
Tensão superficial
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Efeitos do gelo-degelo sobre o concreto:
Obras hidráulicas
(José Marques Filho)
Aditivos Incorporadores de ar:
Tensão superficial
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
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Revisando:Sólidos = moléculas muito próximas, mantêm-se no lugarpelas forças de atração e coesão.
Líquidos = Moléculas um pouco mais próximas, forças deatração e coesão um pouco menores.
Gás = Quase não tem força de atração e coesão entre asmoléculas.
Capilaridade
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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.
Capilaridade
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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
Capilaridade
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Capilaridade:
γ
ν
rh
2=
Lei de Jurin
Onde:h = alturaV = tensão superficial do líquidor = raios do capilarγ = massa específica da água
Capilaridade
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Capilaridade:
(Medeiros-Junior, 2014)
Capilaridade
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Aplicações na engenharia
A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilizaçãoda viga.
As eflorescências na parte inferior da parede causam adecomposição da pintura e do emboço.
Capilaridade
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Difícil solução.
Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado sobre a viga de baldrame.
(José A. Freitas Jr.)
Aplicações na engenharia
Capilaridade
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Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame,antes do erguimento das elevações, veda a interface parede xfundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e osurgimento de manifestações patológicas.
Aplicações na engenharia
Capilaridade
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades físico-químicas da água:
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Quando um concreto endurece e seca, a água mais presente nosporos sai para a atmosfera.
Esta saída origina pressões capilares, originando tensão superficialque “puxa” as paredes dos poros no sentido que estas se aproximem.
O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que podeoriginar fissuras.
Retração
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Fissuras por retração
Retração
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Procedimentos de cura para minimizar retração:
Manter o concreto saturado com água, nos primeirosdias, para a água não sair enquanto não alcança certaresistência mecânica.
O que fazer?
Retração
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Sacos de aniagem encharcados
Procedimentos de Cura:
Retração
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Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno
Procedimentos de Cura:
Retração
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Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco.
Procedimentos de Cura:
Retração
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Calor específico
Poder de dissolução
Meio de transporte
Tensão Superficial
Capilaridade
Retração em concreto
Pressão de vapor
Propriedades físico-químicas da água:
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“Umidade do ar”: Qualquer medida da quantidade devapor de água contida numa dada porção de atmosfera.
Pressão de vapor: É uma medida da tendência deevaporação de um líquido.
Depende das condições de temperatura
Líquido entra em ebulição quando sua pressão de vaporiguala-se à pressão atmosférica.
Pressão de vapor
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Pressão de vapor:
A pressão de vapor pode atuar de forma importante noâmbito das edificações.
Argamassas de cimento e concreto são materiais quecontém água
Pressão de vapor
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Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:
A pressão de vapor surge dentro de argamassas ou concreto,decorrente da variação da temperatura/pressão atmosférica.
Pequenas quantidades de água contidas no interior destes materiais setransformam em vapor.
Bolhas em pinturas
Pressão de vapor
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Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:
Bolhas em pinturas
Pressão de vapor
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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” oulascamento.
Sequência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002)
Pressão de vapor
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Lascamento de concreto devido ao calor:
Eurotúnel após incêndio
(C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)
Pressão de vapor
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Lascamento de concreto devido ao calor:
Eurotúnel após incêndio
Pressão de vapor
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Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998
(Granato- BASF)
Pressão de vapor
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Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998
(Granato- BASF)
Pressão de vapor
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Aplicações na engenharia1, 2, 3 TESTANDO…
TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
Propriedades da água
1) Descreva os efeitos das propriedades da água na engenharia:
a. Poder de dissolução
b. Calor específico
c. Tensão superficial
d. Capilaridade
e. Pressão de vapor
PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEINADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR
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Referências bibliográficas: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.