Propriedades dos Materiais

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL
Ementa:
1. Fundamentos e propriedades dos materiais.
2. Ciências ligadas aos materiais.
3. Relações constitutivas para materiais sólidos.
4. Principais materiais usados em construção.
5. Propriedades e produção da cal.
6. Propriedades, produção e uso dos materiais cerâmicos.
7. Propriedades, produção e uso dos metais em engenharia civil.
8. Propriedades e produção dos constituintes do concreto.
9. Propriedades do concreto fresco e endurecido.
10. Dosagem e controle tecnológico do concreto.
11. Madeira: propriedades físicas e mecânicas.
12. Introdução ao estudo de novos materiais e materiais não-convencionais em
Engenharia Civil.
Bibliografia Básica:
BAUER, L. A. F. Materiais de Construção. Vol. 1 e 2. São Paulo: LTC, 2000.
PETRUCCI, E. G. R. Materiais de Construção. São Paulo: Globo, 2001.
SILVA, M. R. Materiais de Construção. Porto Alegre: PINI,
1999.
Bibliografia Complementar:
HELENE, P. R.L; SOUZA, R. Controle da qualidade na indústria da construção
civil. SÃO PAULO: Instituto de Pesquisas Tecnológicas, 1998.
MEHTA, P. K; MONATEIRO, P. J. Concreto: Estrutura, Propriedades e Matérias.
Porto Alegre: PINI, 2004.
PETRUCCFI, E. G. R. Concreto de Cimento. São Paulo: Globo, 2001.
VILLE, ADAM M. Propriedades de Concreto. Porto Alegre: PINI, 1998.
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
1. Introdução
Todas as obras de engenharia civil são realizadas com recursos de materiais de
construção.
O uso racional dos materiais, do ponto de vista técnico e econômico, exige o
conhecimento adequado das suas propriedades e dos processos de fabrico ou de
transformação. Só assim será possível selecionar, entre várias opções viáveis, aquela
que permita melhores desempenhos.
Torna-se, pois, necessário conhecer as propriedades básicas dos materiais, a sua origem
e natureza, assim como o seu processo de fabrico.
2. Classificação dos materiais de construção
Os materiais de construção podem ser classificados segundo diversos critérios.
Seguidamente apresentamos alguns critérios de classificação.
A - Quanto à aplicação
1 - Materiais estruturais
Materiais que constituem os elementos resistentes de uma construção.
Aço, Pedra, Madeira, Concreto.
2 - Materiais de enchimento
Materiais que ocupam o espaço entre os elementos estruturais.
Tijolo cerâmico, Poliestireno (isopor)
3 - Materiais de revestimento
Materiais que revestem os materiais estruturais e os materiais de enchimento.
Argamassa, Gesso, Tinta
4 - Materiais de isolamento térmico
Materiais utilizados para melhorar o desempenho térmico dos edifícios
Poliestireno, Cortiça
5 - Materiais de isolamento acústico
Materiais utilizados para melhorar o desempenho acústico dos edifícios
Cortiça, Tecidos, Revestimentos especiais
6 - Impermeabilizantes
Materiais utilizados para impermeabilizar elementos de construção
Betumes, produtos hidrofugantes (Vedacit, Vedajá, Vedapren, etc)
B - Relativamente à origem
1 – Naturais
- De origem vegetal
Madeira, Borracha
- De origem mineral
Pedras naturais, Areia
2 – Artificiais
- Provenientes de compostos químicos
Plástico, Tintas, Colas
- Provenientes de metais
Ligas metálicas
- Provenientes de produtos naturais
Gesso, Materiais cerâmicos
3 - Materiais metálicos
Materiais extraídos de minérios e depois transformados por complexos processos
metalúrgicos
- Ferrosos: Aço, Ferro Fundido
- Não ferrosos de elevada densidade: Níquel, Cobalto, Chumbo
- Não ferrosos de baixa densidade: Alumínio
4 - Materiais Cerâmicos ou Inorgânicos não Metálicos
São substâncias inorgânicas formadas por ligações iónicas e/ou covalentes.
Tijolo, Azulejo
5 - Materiais Poliméricos
São substâncias orgânicas de estrutura complexa parcialmente cristalina e parcialmente
amorfa, predominando a ligação covalente
PVC, Polipropileno, plásticos
C - Por cozedura
Com formação de fase vítrea
- Cerâmicos não refractários tradicionais (tijolos, faianças, grés e porcelanas)
enfornados
- Ligantes hidráulicos
Cimentos, cais
D - Por fusão
Vidros, Vitrocerâmica, Esmaltes, Refractários electrofundidos
3. Os materiais usados em engenharia
Como foi dito no ponto anterior, podem-se considerar vários critérios para a
classificação dos materiais. No entanto, em engenharia, e por razões de conveniência, é
habitual admitir-se a classificação dos materiais em função da sua natureza. Dada a sua
crescente importância em engenharia, devem considerar-se, nesta classificação os
materiais compostos e os materiais eletrônicos
1. Metálicos
2. Poliméricos
3. Cerâmicos
4. Compósitos
5. Electrónicos
3.1 - Materiais metálicos
Os materiais metálicos são substâncias de origem inorgânica que contêm elementos
metálicos tais como ferro, cobre, alumínio, níquel ou titânio e não metálicos (por
exemplo azoto, carbono e oxigénio). Microscopicamente, os metais têm uma estrutura
cristalina, na qual os átomos se dispõem de forma ordenada. Estes materiais são, na
generalidade, dúcteis e resistentes à temperatura ambiente e apresentam boa
condutibilidade térmica e eléctrica. Em função da quantidade de ferro que contêm,
dividem-se em materiais ferrosos (com elevada percentagem de ferro) e não ferrosos
(quando o ferro não entra na sua composição ou surge em quantidades muito reduzidas).
O ferro fundido e o aço são materiais ferrosos, enquanto que o alumínio, o cobre, o
zinco, o titânio e o níquel são materiais não ferrosos
3.2 Materiais poliméricos
Os materiais poliméricos são constituídos por longas cadeias de moléculas orgânicas.
Trata-se de materiais cuja estrutura é não cristalina ou mista (com regiões cristalinas e
regiões não cristalinas). A maioria destes materiais é mau condutor térmico e eléctrico,
possuindo baixa densidade e decompõem-se a baixas temperaturas.
Utilização em: Tubos para a condução de água; b) Caixilharias de janelas; c)
Enchimento para Lajes.
3.3 Materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos são constituídos por elementos metálicos e elementos não
metálicos, podendo ser, do ponto de vista estrutural, cristalinos ou mistos. São
inorgânicos de elevadas dureza e resistência mecânica à compressão, mesmo quando
submetidos a temperaturas elevadas. Estes materiais apresentam baixa condutibilidade
térmica e elétrica e elevada resistência ao calor e ao desgaste. No domínio da
construção, os materiais cerâmicos são utilizados desde tempos imemoriais.
3.4 Materiais compósitos
Os materiais compósitos resultam da mistura de pelo menos dois materiais, de modo a
obter um material com determinadas características e propriedades. Os materiais que
constituem um compósito não se dissolvem entre si, podendo ser facilmente
identificáveis. Materiais compósitos, como por exemplo, os que resultam da associação
de fibras de vidro e poliéster ou de fibras de carbono e resina epoxídica
3.5 Materiais eletrônicos
Os materiais eletrônicos assumem importância extrema no domínio das tecnologias
avançadas, já que são utilizados em sistemas de microeletrônica. É graças a esta
tecnologia que são possíveis os computadores, os satélites de comunicação ou os
relógios digitais. O silício é um dos materiais mais importantes neste domínio, pois um
simples cristal de silício permite condensar num chip, um elevado número de circuitos
eletrônicos.
4. Normas e organismos relacionados com os materiais de construção
Para aferir todas as intervenções no domínio dos materiais de construção existem as
Normas. As Normas são documentos do domínio público com funções diversas, mas
que relativamente aos materiais de construção visam a satisfação de alguns dos
seguintes objetivos:
- estabelecer regras para cálculos ou métodos para a execução dos trabalhos;
- especificar características de materiais e meios de as controlar;
- descrever pormenorizadamente procedimentos de ensaios;
- estabelecer dimensões e tolerâncias de materiais e produtos;
- criar terminologia técnica específica e atribuir convenções simbólicas em desenhos;
- definir classes de produtos ou materiais.
Em todos os países existem organismos responsáveis pela realização de normas:
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM – American Society for Testing Material
DIN – Deutsche Normenausschuss
ISO – Organização Internacional de Normalização
5. Seleção e controle de qualidade dos materiais
A seleção de um material deve basear-se em critérios científicos que atendam à
estrutura interna e às propriedades desse material de modo a assegurar-se uma escolha é
adequada para um determinado fim.
Quando se seleciona um material para um determinado fim há que garantir a “qualidade
técnica” e um “custo aceitável”. A qualidade técnica deve ser uma garantia da
confiabilidade e durabilidade do material selecionado.
- Confiabilidade (reability) - é a aptidão de um material para realizar uma função
pretendida em condições definidas, durante um certo tempo.
- Durabilidade (durability) – é a avaliação da resistência do material ao desgaste e às
alterações físicas e químicas sob determinadas condições de uso
6. Propriedades gerais dos materiais
A relação entre a massa e o volume dos materiais permite caracterizar objetivamente
alguns materiais. A massa corresponde à quantidade de matéria encerrada num corpo e a
unidade utilizada para a quantificar é quilograma (kg). A massa é proporcional ao peso
do mesmo corpo quando estas duas grandezas são aferidas no mesmo local, isto porque
o peso de um corpo corresponde à força com que a sua matéria é atraída para o centro
da Terra. A unidade utilizada para quantificar o peso de um corpo é quilograma força
(kgf). A partir destas duas propriedades podem ser definidas outras grandezas tais
como:
Volume aparente, V (ou volume total): na quantificação do volume aparente de um
corpo consideram-se o volume de matéria e o volume dos vazios nele encerrados:
V=Vr+Vv
Em que:
V = Volume aparente (m³)
Vr = Volume absoluto (m³)
Vv = Volume de vazios (m³)
Volume absoluto, Vr (ou volume real): corresponde ao volume ocupado pela matéria,
não se considerando o volume de vazios desse corpo;
Vr = V - Vv (2)
Massa volumétrica aparente: corresponde à massa de um corpo por unidade de volume
aparente desse corpo (kg/m³);
Massa volumétrica absoluta: é a relação entre a massa de um corpo e o volume absoluto
(real) desse corpo (kg/m³);
Peso volumétrico: é o peso de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo
(kgf/m³);
Densidade: relaciona a massa de um corpo com a massa de igual volume de água a uma
temperatura de 4ºC;
Porosidade: corresponde ao quociente entre o volume de vazios e o volume aparente
(expresso em %).
7. Características mecânicas dos materiais
O dimensionamento estrutural de uma edificação só é possível quando se conhecem
perfeitamente as propriedades mecânicas dos materiais que vão ser utilizados na sua
construção.
De uma forma muito simples, pode-se afirmar que o cálculo estrutural de um edifício
consiste na definição de áreas capazes de resistir a uma determinada solicitação (por
exemplo a uma carga, à ação do vento ou à ação de um sismo).
Qualquer corpo quando é submetido à ação de uma solicitação exterior (força ou
momento) sofre uma deformação. As deformações podem ter caráter reversível ou
irreversível. No primeiro caso, quando a força externa deixa de ser aplicada, o corpo
retoma a sua forma inicial.
a) Barra
b) Tração
c) Compressão
c) Esforço cortante
d) Momento de flexão
e) Momento de torção
Em cada secção o esforço distribui-se pela área. Se a área da secção transversal é
pequena, o esforço será grande; se a área aumentar, o esforço diminuirá. A relação entre
as forças aplicadas numa determinada secção e a sua área designa-se por tensão: s
Tensão (s) = Força/Superfície
O conceito de tensão é essencial em engenharia. A tensão máxima que um material
suporta em determinadas condições de carregamento é uma característica muito
importante desse material.
Cada material reage de forma diferente às tensões instaladas, isto é, para uma mesma
tensão poderá haver uma deformação diferente, em diferentes materiais. No entanto, a
uma ação aplicada num determinado elemento corresponde sempre uma variação das
suas dimensões (deformação). As variações dimensionais para além de serem
proporcionais às tensões instaladas, também variam em função das dimensões lineares
dos elementos onde os esforços estão a ser exercidos, pelo que devem ser expressas em
função do comprimento unitário.
Os materiais também se podem deformar devido a outras causas, tais como o acréscimo
de temperatura: se um material sofrer um aumento de temperatura dilatar-se-á. Para um
estudo mais pormenorizado, pode-se classificar essa dilatação em três tipos: dilatação
linear (que ocorre apenas numa dimensão), dilatação superficial (ocorre em duas
dimensões) e dilatação volumétrica (ocorre em três dimensões).
Todos os materiais são caracterizados por um coeficiente de dilatação térmica linear a.
Este parâmetro permite prever as deformações sofridas pelos materiais devido à ação da
temperatura.