PROPRIEDADES TRMICAS DOS MATERIAIS COM FOCO NOS MATERIAIS DE
CONSTRUO CIVIL NO CIMENTCIOS
1. ResumoNo presente trabalho, ser abortado o tema Propriedades
Trmicas em materiais de construo no cimentcios, que refere-se
resposta de um material ao de calor. Dentro do estudo, sero
apresentadas as principais definies do tema, influncia da
microestrutura na resposta do material ao calor, aplicaes na
construo civil e mtodos de anlises baseados na reviso bibliogrfica
apresentada ao final do trabalho.
2. IntroduoCallister define propriedade trmica como sendo como a
resposta de um material aplicao de calor. Dentro das principais
respostas de um material sob tais condies, encontram-se a absoro de
calor nos arredores de um material (capacidade calorfica), a
alterao dimensional de um corpo (expanso trmica), a capacidade de
transferncia de calor (condutividade trmica) e a gerao de tenses
internas (tenses trmicas). O estudo e compreenso destas
propriedades se faz necessrio pois as mesmas geram influncias, de
forma positiva ou negativa, diretamente no comportamento do
material perante uma dada situao real de uso, e se no previstas em
projeto, poder acarretar em subdimensionamento ou
superdimensionamento, gerando perigo na utilizao ou sobrepreo no
oramento, respectivamente. Para que se possa avaliar as
propriedades trmicas de cada tipo de material e se tenha em mos
dados confiveis para escolhas de projeto, so necessrios alguns
mtodos anlise trmica de materiais, que podem ser definidos como um
grupo de tcnicas, atravs das quais uma propriedade fsica de uma
espcie qumica ou seus produtos de reao, medida em funo da
temperatura ou tempo, enquanto a mesma submetida a uma programao
controlada de temperatura. (CINCOTTO,2014). Dentre os principais
mtodos de ensaios, esto a Anlise Trmica Diferencial (DTA),
Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG),
Termogravimetria Diferencial (DTG), Anlise de Gs Desprendido (EGA)
e Calorimetria de Conduo.
3. Propriedades Trmicas3.1. Capacidade TrmicaA capacidade
trmica, tambm conhecida por capacidade calorfica, pode ser definida
como uma propriedade indicativa da habilidade de um material em
absorver calor de sua vizinhana; ela representa a quantidade de
energia necessria para produzir um aumento unitrio na temperatura
(CALLISTER, 2011).A capacidade trmica (C) quantificada atravs da
verificao da quantidade de calor necessria para elevar a
temperatura do material em 1 K (=1C), onde em termos matemticos
temos:
Sendo dQ a quantidade de calor necessria para produzir uma
alterao na temperatura de dT.Na maioria dos materiais slidos, a
maior parte da energia trmica assimilada pelo material que
contribui para a magnitude da capacidade trmica dada atravs da
vibrao atmica que est associada com a relao vibracional dos tomos
medida que estes absorvem energia, gerando ondas que podem ser
consideradas como ondas elsticas ou simplesmente ondas sonoras com
comprimentos de onda pequenos e frequncias muito altas, que se
propagam atravs do cristal na velocidade do som. A energia trmica
vibracional de um material consiste em uma srie dessas ondas
elsticas com uma faixa de distribuies e frequncias. Um nico quantum
de energia vibracional chamado de fnon, onde ocasionalmente as
prprias ondas vibracionais possuem tal definio. (CALLISTER, 2011).
Alm das vibraes atmicas, existem outros mecanismos de absoro de
energia que contribuem com a capacidade trmica. Dentre eles esto
absoro de energia por eltrons livres nos metais e o desarranjo dos
spins eletrnicos nos materiais ferromagnticos (SHACKELFORD, 2008)A
capacidade calorfica pode ser quantificada em duas condies
ambientais diferentes. Uma mantendo-se constante o volume da
amostra, que denominada por Cv, e a outra mantendo-se a presso
constante sobre a amostra, que chamada de Cp. Estudos sobre a relao
das vibraes atmicas e a capacidade calorfica no incio do sculo XX,
mostraram que em temperaturas muito baixas, prximas a 0 K, o valor
de Cv varia bruscamente com a temperatura conforme a equao
abaixo:
sendo que A uma constante independente da temperatura. Alm
disso, temperaturas acima da conhecida como temperatura de Debye
(d), o valor de Cv se estabiliza em aproximadamente 3R, onde R
constante universal dos gases. (SHACKELFORD, 2008)
3.2. Expanso TrmicaA expanso trmica a propriedade de um material
em variar suas dimenses conforme o aumento ou diminuio da
temperatura. Este fenmeno pode ser explicado atravs da vibrao
trmica dos tomos, que aumentam ou diminuem as distncias de separao
mdia dos tomos adjacentes, desta forma a dimenso total do material
e uma determinada direo aumenta com elevao da temperatura e diminui
com a reduo da temperatura. (SHACKELFORD, 2008). Este efeito pode
ser representado atravs da expresso:
Onde : = Comprimento final e inicial respectivamente =
Temperatura final e inicial respectivamente Coeficiente linear de
expanso trmica Segundo Callister, o coeficiente linear de expanso
trmica () uma propriedade do material que indica a capacidade do
material de alterar suas dimenses com a variao da temperatura,
desta forma, quanto maior for energia da ligao atmica, menor ser o
coeficiente de expanso trmica.
3.3. Condutividade trmicaA condutividade trmica de um material
uma propriedade definida como a capacidade de transporte de calor
de uma regio de alta temperatura para uma regio de baixa
temperatura. (CALLISTER, 2011). Matematicamente, a condutividade
trmica pode ser definida atravs da expresso a seguir:
Sendo q definido como fluxo de calor, ou transporte de calor,
por unidade de tempo por unidade de rea (W/m) e dT/dx o gradiente
de temperatura atravs do meio de conduo (W/m.K). A equao vlida
somente se o fluxo de calor no varivel com o tempo, ou seja, em
regime estacionrio.Os mecanismos envolvidos na conduo de calor nos
materiais slidos so as ondas vibratrias de rede (fnons) e eltrons
livres. Desta forma, para a composio do valor de condutividade
trmica dado por:
refere-se a parcela referente s ondas vibratrias de rede que
contribuem com a condutividade trmica atravs de um movimento
resultante dos fnons das regies de alta temperatura para as de
baixa temperatura, onde existe um gradiente de temperatura. indica
a parcela de condutividade trmica devido aos eltrons livres que
ganham energia cintica nas regies mais quentes e consequentemente
migram para as partes mais frias, onde parte da energia cintica
transferida aos tomos na forma de energia vibracional.
3.4. Tenses TrmicasAs tenses trmicas so tenses induzidas dentro
de um material slido ao qual submetido a variaes de temperatura.
Tais propriedades so de grande importncia nos estudos das
propriedades trmicas pois as aes resultantes das tenses trmicas
podem gerar fraturas no material e deformaes plsticas
indesejadas.Os principais fenmenos que podem gerar tenses trmicas
so a restrio expanso e contrao trmica, o gradiente de temperaturas
e o choque trmico de materiais frgeis.Nas tenses geradas por
restrio expanso e contrao trmica, estes esforos so devidos a variao
do comprimento inicial pela expanso trmica que contrabalanceado com
as reaes geradas na restrio do movimento. Desta forma, a partir da
lei de Hooke e da equao da expanso trmica, temos a tenso trmica
gerada pode ser expressa pela seguinte equao:
Sendo E o mdulo de elasticidade do material, e referente
deformao devido a expanso trmica.Os gradientes de temperatura geram
tenses devido s variaes diferenciais de dimenses adjacentes,
causando esforos alternados de compresso e trao nas regies
adjacentes.Nos materiais dcteis, as tenses trmicas induzidas pela
ao do calor podem ser aliviadas com as deformaes plsticas do
material, o que j no ocorre nos materiais frgeis. Desta forma, o
resfriamento rpido de um corpo frgil pode gerar fraturas frgeis
devido ao choque trmico ao introduzir tenses de trao. (CALLISTER,
2011)
4. A relao das propriedades trmicas com o processamento,
microestrutura, e desempenho dos materiais de construo civilA
microestrutura fator marcante quando se considera as caractersticas
dos materiais. a disposio da microestrutura de um material que
define, por exemplo, as propriedades trmicas dos mesmos. Dessa
forma, extremamente importante entender a metodologia de
processamento (fabricao) desses materiais, pois sabe-se que
organizao das suas microestruturas so diretamente influenciadas
pelo seu processamento. 4.1. Polmeros e o PoliestirenoOs polmeros
apresentam alta expansibilidade trmica ao serem aquecidos. Sendo
mais intensa nos polmeros lineares com ramificaes (termoplsticos
Figura 1a), onde as ligaes intermoleculares secundrias so fracas e
existem poucas ligaes cruzadas. Ao aumentar as ligaes cruzadas
(termofixos Figura 1b), aumenta-se a energia das ligaes
interatmicas e consequentemente reduz-se a expansibilidade trmica
(conforme Seo 3.2).(a)(b)
Figura 1: (a) Representao esquemtica do polietileno. Estrutura
linear (termoplstico), onde as nicas foras que ligam molculas
adjacentes so de Van Der Waals. (b) Representao esquemtica de
polmeros que apresentam ligaes cruzadas (termofixos) (Fonte: Van
Vlack, 2000)
Relacionado condutividade trmica, os polmeros so considerados
isolantes trmicos. Suas transferncias de calor so realizadas por
ondas de vibrao das molculas da cadeia estrutural, ou por rotao das
mesmas ( Quanto mais cristalina a estrutura molecular do polmero,
mais efetivas so as propagaes das vibraes, e consequentemente maior
sua condutividade trmica. Alm do grau de cristalinidade, outro
fator influente na condutividade trmica dos polmeros o teor de
poros presentes em sua estrutura, de forma que quanto maior o teor
de poros, menor sua condutividade trmica.Um polmero muito utilizado
na engenharia civil poliestireno expandido (EPS), comumente chamado
de isopor. Alm de apresentar baixo custo, baixa densidade e baixa
absoro de gua, o EPS um bom isolante trmico. Fatores que viabilizam
sua utilizao em enchimentos para lajes e paredes, ou como agregado
para concretos de baixa densidade.
4.2. Metais e o AoOs metais por sua vez, apresentam uma
expansibilidade trmica de magnitude mediana, ou seja, coeficientes
lineares de expansibilidade trmica intermedirios. Sua condutividade
trmica extremamente boa, sendo considerados ento condutores
trmicos. Nos metais, as transferncias de calor so realizadas
principalmente por eltrons livres, encontrados em grande nmero nos
metais (. Segundo Callister, o mecanismo eletrnico de transferncia
de calor mais eficiente que as vibraes diretas das molculas da
cadeia estrutural, pois os eltrons no so facilmente espalhados como
os fnons, alm de possurem maiores velocidades.Algumas ligas
metlicas de baixa expanso ou de expanso controlada, foram
desenvolvidas para aplicaes especficas que exigem estabilidades
dimensionais mesmo em ocasies onde h variaes de temperatura. Essas
ligas especiais, so utilizadas em tiras bimetlicas (Figura 2) para
microchaves de segurana em sistemas de aquecimento de gua e em
tubulaes de transporte de gs natural liquefeito, por exemplo.
Figura 2: Um dos metais utilizados tem maior coeficiente de
dilatao trmica que a liga de baixa expanso. Dessa forma, tenses de
trao e compresso so induzidas pelas altas temperaturas, ativando
assim o circuito de segurana.
A utilizao dos metais na fabricao de equipamentos para leituras
e anlises trmicas muito comum. Sua grande condutibilidade trmica
otimiza a preciso das leituras e evita variaes em ensaios.O ao a
mais importante liga metlica, sendo utilizada em larga escala na
fabricao de mquinas, ferramentas e na construo civil. um material
de fcil acesso, tendo em vista que seu processo de extrao e
fabricao relativamente econmico. Porm, ressalta-se que ao analisar
a combinao do ao com o concreto na construo civil, suas
caractersticas trmicas apresentam certo risco. Ao se expandir mais
que o concreto, quando submetido a altas temperaturas, a movimentao
volumtrica do ao gerar tenses de cisalhamento quais o concreto no
capaz de suportar. Dessa forma, fissuras sero induzidas
internamente no concreto, reduzindo consequentemente sua
resistncia. 4.3. Cermicas e os RefratriosAs fortes ligaes
interatmicas presentes em alguns materiais cermicos garantem que
seus coeficientes de expanso trmica sejam ainda menores que os dos
metais, alm de possurem caractersticas isotrpicas, para as cermicas
de estruturas no-cristalinas ou cristalinas cbicas. Nos demais
casos, os coeficientes de dilatao so anisotrpicos podendo,
inclusive, apresentar contraes em certas direes e expanses em
outras. Os materiais cermicos so considerados isolantes trmicos, j
que o mecanismo de transferncia de calor negativamente influenciado
por vrios fatores. Ao contrrio dos metais, os materiais cermicos
possuem poucos eltrons livres, sendo ento os fnons responsveis pela
condutividade trmica (). Alm da condutividade trmica ser deficiente
quando feita atravs dos fnons, a incidncia de imperfeies na
microestrutura dos materiais cermicos grande, impactando de forma
muito negativa a eficincia dos fnons. O aumento do teor de poros
tambm uma opo para reduzir a condutividade trmica dos materiais
cermicos. Segundo Callister, o aumento dos espalhamentos das
vibraes da rede se torna ainda mais pronunciado com o aumento da
temperatura. Dessa forma, os materiais cermicos se tornam ainda
mais isolantes trmicos com o aumento da temperatura.Considerando a
empregabilidade dos refratrios, esses materiais cermicos so capazes
de manter caractersticas fsico-qumicas mesmo quando submetidos a
altas temperaturas. Possuem coeficientes de expanso trmica
extremamente baixos, alm de serem isotrpicos, evitando assim
variaes dimensionais no-uniformes, que gerariam fissuras e/ou
rompimentos. Os refratrios so utilizados de vrias formas: desde
tijolos para churrasqueiras ou fornos de aquecimento, at
revestimentos para fornos de altssimas temperaturas, como o forno
de clnquer para fabricao de cimento (qual atinge cerca de 2000C) ou
caldeiras de usinas de acar e lcool, mantendo suas caractersticas
isolantes.
5. Ensaios existentes para anlise de propriedades trmicas5.1.
Anlise Trmica Diferencial (DTA)A Anlise Trmica Diferencial
(Differential Thermal Analysis, DTA), a tcnica que monitora a
diferena de temperatura entre a amostra em anlise e outra de
referncia, em funo do tempo ou da temperatura, admitindo que
estejam ambas sujeitas s mesmas condies ambientais, a uma taxa de
aquecimento ou de resfriamento selecionada (CINCOTTO, 2014). A
propriedade quantificada por esse tipo de anlise trmica a liberao
ou consumo de calor. Havendo algum tipo de alterao fsica ou qumica
na amostra, o programa de aquecimento detecta as alteraes de
temperatura. Quando a temperatura da amostra for maior que a de
referncia, caracteriza-se uma reao exotrmica, onde a amostra libera
calor. Ao modo que, caso a temperatura seja menor que a da
referncia, a reao ser endotrmica, ou seja, absorve calor.Atravs
dessa anlise possvel detectar transies de fase (fuso, ebulio,
sublimao, congelamento, inverses de estrutura cristalina), reaes de
desidratao, reduo e algumas decomposies para reaes do tipo
endotrmicas. Para efeitos exotrmicos as cristalizaes, oxidaes e
decomposies.A representao dos ensaios apresenta-se como uma curva
(figura 1), onde os picos em relao linha base T, indicam o
comportamento Endotrmico ou Exotrmico.
Figura 1 Representao das curvas tpicas de variao de temperatura
e seus respectivos efeitos endotrmico e exotrmico
(CINCOTTO,2014).
Para obter resultados significativos, alguns cuidados devem ser
tomados para realizar a anlise, como: garantir o aquecimento sob
taxa uniforme, a escolha adequada do recipiente da amostra
(recipientes metlicos possuem melhores propriedades trmicas,
afetando menos o ensaio), adequado controle de temperatura e
posicionamento correto dos termossensores que recolhem os dados
medidos (MACKENZIE; MITCHELL, 1962).
5.2. Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC) A Calorimetria
Exploratria Diferencial (Differential Scanning Calorimetry DSC) uma
anlise trmica que registra a quantidade de energia em forma de
calor requerida para manter a diferena de temperatura da amostra em
anlise e a de referncia igual zero, em funo do tempo ou da
temperatura, a uma taxa de aquecimento ou de resfriamento
selecionada, admitindo ambas nas mesmas condies ambientais. Ela
determina a quantidade de calor requerida para as transformaes
endotrmicas e exotrmicas que ocorrem na amostra ensaiada (CINCOTTO,
2014).Podemos diferenciar a DTA da DSC no seguinte aspecto, de
acordo com a DIN 51 007, a Anlise Trmica Diferencial (DTA) adequada
para a determinao de temperaturas caractersticas, enquanto que o
Calormetro Diferencial de Varredura (DSC), adicionalmente, permite
a determinao de valores calricos como calor de fuso ou calor de
cristalizao (CINCOTTO E COELHO, 2015). Os mtodos como so
determinadas tambm um fator a se considerar: a) Na DSC a fonte de
aquecimento e os sensores so individuais, tanto na referncia quanto
na amostra, o que no ocorre na DTA, onde amostra e referncia so
aquecidas simultaneamente por uma mesma fonte de aquecimento e a
diferena de temperatura devida ao consumo de liberao de energia da
amostra, consequente s transformaes que ocorrem ao longo do
aquecimento; b) enquanto a DTA mede variao de temperatura em funo
da temperatura e calibrada para convert-la em energias de transio,
a DSC a obtm diretamente, sem fatores de converso em unidades de
energia, neste caso, a energia a fornecida amostra ou referencia de
modo a manter ambas a uma mesma temperatura (CINCOTTO, 2014).A
partir da DSC podemos caracterizar uma gama de materiais como
polmeros, cermicas, vidros, metais e ligas, fibras, plsticos e
compsitos (RAMACHANDRAN et. al., 2002).
5.3. Termogravimetria (TG)A Termogravimetria (TG) determina a
variao de massa de uma amostra em funo do tempo, a uma determinada
temperatura (temperatura constate) ou a variao de massa durante um
perodo de aquecimento a uma taxa controlada (aquecimento constante)
(CINCOTTO, 2014).A anlise realizada por um equipamento provido de
balana e forno de aquecimento. O programa do equipamento monitora a
perda de massa medida que se aumenta a temperatura. Ao fim do
experimento obtida uma curva do tipo perda de massa x
temperatura.Comumente so utilizados trs tipos de termogravimetria,
sendo elas: a) Isotrmica, onde a massa registrada em funo de uma
temperatura constante (estudo da cintica da reao); b)
Quasi-isotrmica, a amostra aquecida at massa constante a cada srie
de aumento de temperaturas; c) Dinmica, onde a amostra aquecida num
ambiente cuja temperatura esta variando de uma maneira
pr-determinada, preferencialmente uma razo linear, sendo a dinmica
mais utilizada dentre as apresentadas (CINCOTTO E COELHO,
2015).
5.3.1. Termogravimetria diferencial (DTG)Corresponde primeira
derivada da curva TG, em funo do tempo ou da temperatura, onde so
exibidos picos correspondentes s alteraes de massas ao longo do
aquecimento da amostra. As informaes obtidas pela curva DTG no se
diferem da TG, sendo apenas uma maneira mais simples para se
interpretar. A figura 2 apresenta a curva TG e sua correspondente
DTG.
Figura 2 Curva DTG e comparao com a correspondente curva TG
(CINCOTTO, 2014)
Das diversas aplicaes da TG podemos relacionar as seguintes para
os materiais de construo civil: caracterizao de materiais (minrios,
argilas, cimentos); termo-decomposio de espcies qumicas orgnicas
(polmeros) e inorgnicas; corroses de metais (ligas) e, diferentes
atmosferas, testes de resistncia qumica; determinao de umidade,
frao voltil e teor de cinza, entre outras.
5.4. Calorimetria de ConduoA Calorimetria de Conduo, tambm
conhecida como calorimetria isotrmica, uma tcnica simples e direta
de acompanhar a cintica das reaes de hidratao. comumente utilizada
na construo civil para determinao do fluxo de calor (taxa de calor
liberado) durante a hidratao de qualquer tipo cimento, pois permite
obter informaes como o grau de hidratao, mecanismo de hidratao, o
efeito dos aditivos e o endurecimento.O procedimento de anlise
realizado sob temperatura constante, onde sensores de fluxo de
calor comparam o fluxo obtido do material com uma amostra de
referncia, analisando qual a intensidade e as reaes presentes na
amostra (endotrmica ou exotrmicas). Uma vantagem deste tipo de
anlise para cimentos que permite determinar a taxa de evoluo de
calor a qualquer momento, desde os primeiros minutos de mistura do
cimento com a gua. A reao de hidratao do cimento caracteriza-se por
exotrmica, e o total de calor depende do tipo de composio, rea
superficial, reativadade e etc. A figura 3 exibe taxa de calor
liberado durante a hidratao do cimento Portland.
Figura 3: Representao esquemtica da taxa de liberao de calor
durante a hidratao do cimento Portland. Indicao das etapas da reao:
(I): perodo de molhagem ou de pr-induo; (II) Perodo de induo;(III)
Perodo de acelerao; (IV) perodo de desacelerao; e (V) Estgio Final
(Fonte: Adaptado de CALLISTER, 2011)
6. Consideraes finaisAs respostas dos materiais frente s aes do
calor e da variao de temperatura podem gerar efeitos indesejveis no
desempenho dos materiais de construo civil, desta forma as
propriedades trmicas devem ser amplamente estudadas e conhecidas
pelos engenheiros na elaborao e escolha adequada de projeto e
materiais, respectivamente.As principais propriedades trmicas
(capacidade calorfica, expanso trmica, condutividade e tenses
trmicas) so funo, principalmente, do tipo de material (cermicos,
polmeros, metlicos) e consequentemente suas ligaes interatmicas,
que interferem diretamente na forma como o material se comporta
frente s variaes de temperatura. A capacidade de um material
absorver calor de sua vizinhana definida por capacidade trmica. Em
relao esta propriedade, diversos so os tipos de mecanismos que
contribuem na absoro do calor, dos quais foram apresentados: o
aumento vibracional atmico, que atravs dos fnons assimilam a maior
parte de energia trmica contribuinte para a capacidade calorfica
nos materiais slidos; os eltrons livres dos metais e o desarranjo
dos spins eletrnicos nos materiais ferromagnticos.A expanso trmica
est associada com o aumento ou diminuio no distanciamento
interatmico (que ocasionam a expanso e contrao do material) devido
o respectivo acrscimo ou decrscimo da temperatura que geram
diferentes ondas vibracionais produzindo tal fenmeno.O transporte
de energia trmica em um material, ou condutividade trmica, nos
materiais slidos, causada pelo transporte de calor atravs de
eltrons livres e ondas vibracionais, ou fnons.As tenses trmicas
surgem principalmente devido trs mecanismos que so: a expanso e
contrao trmica; o gradiente de temperaturas; e o choque trmico de
materiais frgeis. As tenses so induzidas devido variao das medidas
lineares ou volumtricas de um corpo que ao restringir o movimento
destes materiais ou variarem atravs de gradientes, geram esforos
internos de equilbrio.Para anlise das propriedades trmicas dos
materiais, existem diversos mtodos de ensaio disponveis (DTA, DSC,
TG, DTG e Calorimetria de Conduo), e conhecer os mtodos de ensaio e
os resultados esperados imprescindvel para dominar as propriedades
trmicas de um material e consequentemente, a engenharia de
materiais.
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ANLISE TRMICA DOS LIGANTES E SEUS MATERIAIS - Disciplina PCC 5042
Cincia dos materiais aplicada aos ligantesinorgnicos Departamento
de Engenharia de Construo Civil POLI/USP 2014.