Cimento Portland

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE VISEU

ENGENHARIA CIVIL

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO

CIMENTO PORTLAND

Materiais de Construção 1

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Prefácio: Com este trabalho pretendemos fazer uma abordagem detalhada sobre o tema “Cimento Portland Para a execução deste trabalho recorremos a livros de materiais de construção, a panfletos e fichas técnicas das duas maiores cimenteiras portuguesas (Secil e Cimpor) e também a alguma pesquisa na Internet.

”.

Para melhor elucidar e apresentar o tema em análise, começamos por abordar a história dos cimentos a nível global, falando a seguir do cimento Portland em Portugal. Evidenciamos também os processos de fabrico, as características técnicas, o controlo de qualidade, tipos e classes e por fim mostramos alguns exemplos de obras onde é predominante a aplicação do cimento Portland.

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ÍNDICE

1- Um pouco de história 4 1.1 - Os cimentos na antiguidade 4 1.2 - Da idade média á actualidade 6

2- O cimento em Portugal 7

2.1- Fábrica onde nasceu o Portland 11 2.2- Cimento branco 13

3- Processos de fabrico 14

3.1- A via húmida e a via seca 14 3.2- Extracção das matérias primas 18 3.3- Preparação, transporte, armazenagem e pré-homogeneização 19 3.4- Obtenção do cru 19 3.5- O forno e a cozedura 20 3.6- Moagem de clínquer e armazenagem de cimento 21

4- Constituintes do cimento Portland 22

4.1- Propriedades físicas 23 4.2- Densidade 23 4.3- Finura 24 4.4- Tempo de presa 25 4.5- Pasta de cimento 26 4.6- Resistência 27 4.7- Propriedades químicas 28 4.8- Calor de hidratação 29 4.9- Resistência aos agentes agressivos 30

5- Controlo do processo e controlo da qualidade 32 6- A protecção do ambiente 34 7- Tipos e classes do cimento Portland 35 8- Alguns exemplos de obras onde a aplicação do cimento Portland é predominante 38 Bibliografia 42

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1 - UM POUCO DE HISTÓRIA 1.1 - OS CIMENTOS NA ANTIGUIDADE Desconhece-se quando foi descoberto pela primeira vez um material aglomerante, mas podemos imaginar o processo... Um homem primitivo acende o lume num lugar rodeado de pedras calcárias. O calor descarbonata e desidrata uma parte das pedras circundantes, convertendo-as em pó. A queda de uma ligeira chuva molha o pó e os bocados de pedra restantes ficam solidamente unidos: é o primeiro aglomerado. No antigo Egipto foram utilizados materiais aglomerantes na construção dos monumentos. Nessa altura usava-se gesso impuro cozido; o calcário calcinado só posteriormente foi utilizado por Gregos e Romanos. Estes últimos utilizavam misturas de cal, areia, pedra partida e outros materiais, para a construção de edifícios e pavimentos; a cal só com areia e água era apenas usada para unir estruturas de pedra. Experimentando sempre materiais novos, descobriram que determinadas rochas vulcânicas, adicionadas à cal, ofereciam maior resistência à acção da água, doce ou salgada. Utilizaram, em particular, um material de cor escura, abundante nos arredores da baía de Nápoles. Chamaram-lhe “Pozolana” porque se encontrou pela primeira vez nas cercanias de Pozzuoli, junto ao vulcão Solfatara. Da mistura destas rochas vulcânicas, que tinham o aspecto da areia, com cal e cascalho, construíram o Panteão Romano, o Coliseu, a Basílica de Constantino e outras obras que chegaram aos nossos dias, tendo resistido aos vários agentes destruidores ao longo do tempo.

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Coliseu Romano

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1.2 - DA IDADE MÉDIA À ACTUALIDADE

Na idade média a qualidade das construções e a sua duração foram muito inferiores às dos Romanos, levando a querer que estes possuíam segredos industriais de dosificação e fabricação que depois se terão perdido. Ou talvez que essa má qualidade se deva ás características dos materiais empregues, possivelmente ao abandono da utilização de pozolanas.

O século XVIII e os primeiros anos do século XIX foram caracterizados por um afã de investigação e pela libertação da repressão científica de séculos anteriores. O mistério do cimento mereceu então a atenção de muitos investigadores. Químicos e Engenheiros, Construtores e Professores Universitários, deram importante contributo. Só que os meios de difusão do progresso científico não estavam organizados e as descobertas feitas em Londres não se conheciam na Holanda ou em França.

Assim, sucedeu que vários investigadores, trabalhando independentemente, descobriram, quase em simultâneo, a razão pela qual algumas cales têm propriedades hidráulicas e outras não.

A descoberta foi anunciada por Smeaton em 1756, sendo porém de novo dada a conhecer, pelo menos seis vezes, entre aquela data e 1830. Foi por esta altura que o inglês Joseph Aspdim patenteou um processo de fabricar um ligante hidráulico à base de uma mistura artificial de calcário e argila. O produto resultante da calcinação e moagem desta mistura fica com cor e características semelhantes ás das pedras da ilha de Portland, daí terse-lhe dado o nome de Cimento Portland.

É I. C. Johnson, em 1844, quem fixa as primeiras regras rigorosas que permitem calcular as misturas das matérias primas e simultaneamente estabelece um controlo científico de todo o processo de fabrico.

Henry Le Cheatelier, em 1887, publica a sua magistral memória “Investigações Experimentais sobre a Constituição dos Aglomerados Hidráulicos”.

A tecnologia do cimento começa então a tomar forma. Recorre à termodinâmica, à termoquímica e à óptica, estando ligados ao seu desenvolvimento nomes de vários cientistas, tais como Wilhlem Michaelis, Rankin e outros.

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2 - O CIMENTO EM PORTUGAL Em Portugal, a primeira fábrica de cimento surgiu, segundo parece, em 1866, localizada em Alcântara. Estas e outras duas que lhe seguiram, devido a dificuldades económicas e à má qualidade do cimento produzido, tiveram vida efémera. Em 1894, foi concebido alvará para a fábrica de Alhandra, que mais tarde, pelas mesmas razões teve de ser encerrada, reabrindo em 1912. Em 1906 surge a fábrica de Outão. Em 1918 é vendida e forma-se a companhia geral de cal e cimento que, em 1925, aluga as suas instalações à Secil. O primeiro forno rotativo arrancou no Outão em 1931 e a ele se seguiram mais seis, utilizando todos o processo de fabrico por via húmida. Com o avanço tecnológico, a empresa opta, em 1971, pelo fabrico por via seca e em 1976 e em 1984 arrancam, respectivamente o oitavo e nono fornos que asseguram hoje a produção total da fábrica Secil-Outão.

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Antiga fábrica Secil - Outão

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Primeiros fornos rotativos de cimento instalados em Portugal

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Actual Fábrica Secil - Outão

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2.1 - FÁBRICA ONDE NASCEU O PORTLAND

A 4 de Julho de 1920, na Gândara (Leiria), era colocada a primeira pedra da

futura fábrica de cimento Macieira-Liz, que foi inaugurada oficialmente a 3 de Maio de 1923. Com o arranque da primeira linha de produção, lançou-se no mercado a marca de cimento Liz, um cimento do tipo Portland, rapidamente absorvido pelo consumo interno que, reconhecendo a sua qualidade, justificou cinco anos de pois, a instalação de uma segunda linha de fabrico. Em todo o processo de fabrico são utilizados avançados meios tecnológicos, introduzidos pela primeira vez em Portugal, como sejam a utilização de prensa de rolos na moagem de clínquer (produto intermédio na produção de cimento) e o sistema de carregamento rodoviário de cimento a granel em regime de “self-service”.

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Fornos de cimento da Fábrica Macieira-Liz

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2.2 - CIMENTO BRANCO

A companhia de cimentos brancos – CIBRA, foi fundada em 1944, com a finalidade de introduzir em Portugal o fabrico de cimentos brancos. A primeira pedra da fábrica, localizada em Patais, foi lançada em 29 de Junho de 1946 e a inauguração da linha de fabrico teve lugar em 5 de Fevereiro de 1950. Um segundo forno entrou em funcionamento em 4 de Setembro de 1961, destinado à produção de cimento Portland. A comercialização começou por ser feita sob a marca “Super Branco” para o cimento branco e “Luso” e “Pataias” para o cimento cinzento. Hoje, a fábrica Cibra-Pataias tem capacidade para produzir cerca de 75000 toneladas por ano de cimento branco e 270000 toneladas por ano de cimento cinzento. Neste momento, a produção e a comercialização de cimento em Portugal são asseguradas por duas empresas, a SECIL e a CIMPOR, com seis fábricas. A capacidade total de produção de cimento é superior a 8 milhões de toneladas por ano.

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Fábrica Cibra - Pataias

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3 - PROCESSOS DE FABRICO

3.1 - A VIA HÚMIDA E A VIA SECA Ainda não há muitos anos que, devido à natureza das matérias primas disponíveis e à limitação da tecnologia cimenteira, a utilização do chamado processo por via húmida era praticamente obrigatória. Uma fábrica com este processo consome, no entanto, mais de cem metros cúbicos de água por hora, para uma produção diária de quinhentas toneladas. Por outro lado, a necessidade de proceder à evaporação posterior da água de diluição das matérias primas obriga a um consumo calorífico de grandes produções. É a crise energética do início da década de setenta que força o encerramento ou a transformação da quase totalidade das fábricas de via húmida, optando-se por um processo que prescinde da prévia diluição das matérias primas em água e que, por isso mesmo, é designado por via seca. Em Portugal já se produz cimento por via seca.

As operações do processo de produção podem agrupar-se nas seguintes grandes fases:

1 - Extracção e preparação das matérias primas assumindo especial importância a exploração de pedreiras de calcário bem como a britagem, moagem e dosagem dos diferentes componentes até se obter uma mistura sob a forma de um pó fino, correntemente designado por cru.

2 - Cozedura controlada do cru em fornos rotativos, a temperaturas de 1500ºC, obtendo-se um produto intermédio designado por “clínquer” sob a forma de granulado.

3 - Moagem do clínquer, com a introdução de aditivos, obtendo-se como

produto final o cimento; as suas características específicas, ditadas pelas particulares aplicações a que se destina, são então fixadas pelo processo de moagem e pela natureza e proporção dos aditivos utilizados.

A comercialização é feita quer sob a forma de clínquer quer sob a forma de

cimento.

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A primeira alternativa é utilizada quase exclusivamente no comércio

internacional e quando o recebedor dispõe de moínho próprio que lhe permite obter o produto final.

A comercialização do cimento é feita a granel (transportado em cisternas

ferroviárias e rodoviárias ou em navios, e armazenado em silos especiais) ou em sacos sobre palete retornável ou propriedade do cliente e em pacotes plastificados (caso em que se torna necessária a utilização especiais de ensacamento e paletização, relativamente complexas).

O diagrama da página seguinte representa esquematicamente todas as operações referidas e respectivos equipamentos.

Clínquer

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Diagrama do Fabrico de Cimento

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3.2 - EXTRACÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS

A matéria prima é constituída por uma mistura, em proporções bem determinadas, de calcário, marga e argila, à qual se adiciona por vezes, materiais de correcção, tais como areia e minério de ferro.

A exploração de pedreiras é feita normalmente a céu aberto, seja em bancos ou andares, seja em secções verticais a toda a altura da jazida do minério.

O arranque da pedra pode ser mecânico ou com explosivos, sendo neste caso necessário abrir furos onde é introduzida a carga explosiva.

Pedreira com exploração a céu aberto, em patamares, sendo o arranque feito com explosivos

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3.3 - PREPARAÇÃO, TRANSPORTE, ARMAZENAGEM E PRÉ HOMOGENEIZAÇÃO

O material, após extracção, apresenta-se em blocos com dimensões que podem ir até cerca de um metro cúbico; é então necessário reduzir o seu tamanho a uma granulometria adequada para posterior utilização nas fases seguintes de fabrico, operação que é feita em britadores.

Numa fábrica de cimento é necessário prever uma armazenagem de grandes quantidades de matérias primas, a fim de evitar perdas de produção e garantir trabalho em regime contínuo.

Essa armazenagem pode ser combinada com uma função de pré-homogeneização.

3.4 - OBTENÇÃO DO CRU

As matérias primas seleccionadas são depois dosificadas, tendo em consideração a qualidade do produto a obter (clínquer), operação que é controlada através de computadores de processo.

Definida a proporção das matérias-primas, elas são retomadas dos locais de armazenagem e transportadas para moinhos onde se produz o chamado “Cru”, isto é, uma mistura finamente moída, em proporções bem definidas, do conjunto das matérias-primas.

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3.5 - O FORNO E A COZEDURA

O cru é depois cozido em fornos de tipo e dimensões que variam com a tecnologia de cada fabricante. São constituídos por um “tubo” rotativo, montado segundo uma inclinação que pode ir de 2,5 a 5% e com uma velocidade de rotação entre 1,5 e 2,5 rotações por minuto, atingindo comprimentos de oitenta e cinco metros. Interiormente são revestidos por material refractário que confere protecção ao “tubo” e reduz as perdas térmicas. O forno é sempre complementado por um sistema de arrefecimento do produto fabricado, porquanto:

1 - a evacuação e o transporte do clínquer incandescente são na prática impossíveis;

2 - o arrefecimento rápido melhora a qualidade do clínquer; 3 - a recuperação do calor transportado pelo clínquer melhora o rendimento

térmico do processo. Os tipos de arrefecedores mais comuns são os satélites, de grelha e de

tambor rotativo. Para que se desenvolva o processo de cosedura, ou clinquerização, é

necessário atingir uma temperatura de cerca de 1450ºC. Obtém-se esta temperatura pela combustão de carvão pulverizado, “pet-coke”, fuelóleo, gás natural ou outros combustíveis secundários, como por exemplo pneus usados.

O processo de cozedura começa a partir do momento em que o cru é extraído dos silos de armazenagem e introduzido no sistema de pré-aquecimento, onde circula em contra-corrente com os gases de escape resultantes da queima do combustível.

O transporte do material através do forno faz-se pelo movimento de rotação deste e pelo seu grau de inclinação.

Às reacções físico-químicas que se desenvolvem durante o processo dá-se o nome de “clinquerização” e ao produto formado chama-se o, já falado anteriormente, “clínquer”.

A partir dos 1400º C, em que a formação do clínquer deve ser completa, começa o processo de arrefecimento, primeiro com o encaminhamento da massa para a entrada dos arrefecedores e depois através destes.

Para facilitar o arrefecimento, é introduzido ar em contra-corrente com o clínquer, aproveitando-se este ar aquecido para a queima do combustível.

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Os transportadores de clínquer, têm que ser resistentes à temperatura da

saída do forno (cerca de 200ºC) e conduzem-no para silos ou armazéns horizontais.

3.6 - MOAGEM DE CLÍNQUER E ARMAZENAGEM DE CIMENTO Já se afirmou que o cimento resultava da moagem fina de vários

componentes, sendo o componente maioritário o clínquer. Nessa moagem podem utilizar-se moinhos verticais ou, mais

comummente, moinhos tubulares, com uma, duas ou três câmaras, funcionando em circuito aberto ou em circuito fechado. Quando em circuito fechado, utilizam-se “separadores” para rejeitar as partículas mais grossas, que retornam ao circuito de moagem.

Mais recentemente, com o objectivo de conseguir poupanças energéticas, têm-se utilizado sistemas de esmagamento prévio do clínquer (“roller-press”).

Os materiais são moídos em proporções bem definidas, de acordo com o plano de qualidade e de modo a satifazer as normas e especificações em vigor.

O cimento produzido é normalmente transportado por via pneumática ou mecânica e armazenado em silos ou armazéns horizontais.

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4 - CONSTITUINTES DO CIMENTO PORTLAND Os constituintes fundamentais do cimento Portland são a cal (CaO), a sílica (SiO2), a alumina (Al2O3), o óxido de ferro (Fe2O3), certa proporção de magnésio (MgO) e uma pequena percentagem de anidrido sulfúrico (SO3), que é adicionado após a calcinação para retardar o tempo de presa do produto. Tem ainda como constituintes, menores impurezas como óxido de sódio (Na2O), óxido de potássio (K2O), óxido de titânio (TiO2) e outras substâncias de menor importância. Os óxidos de potássio e sódio constituem os denominados álcalis do cimento. Cal, sílica, alumina e óxido de ferro são os componentes essenciais do cimento Portland e constituem geralmente, 95 a 96% do total na análise de óxidos. A magnésia, que parece permanecer livre durante todo o processo de calcinação, está usualmente presente na proporção de 2 a 3%, limitada, pelas especificações, a um máximo permissível de 5%. A mistura de matérias primas que contenham em proporções convenientes, os constituintes anteriormente relacionados, finamente pulverizada e homogeneizada, é submetida à acção do calor no forno produtor de cimento, até à temperatura de fusão incipiente, que resulta na obtenção do clínquer. Nesse processo ocorrem combinações químicas, principalmente no estado sólido, que conduzem à formação dos seguintes compostos: - silicato tricálcico;

- silicato bicálcico; - aluminato tricálcico; - ferro aluminato tetracálcico.

A análise química dos cimentos Portland resulta na determinação das proporções dos óxidos inicialmente mencionados. As propriedades do cimento são, entretanto, relacionadas directamente com as proporções dos silicatos e aluminatos. As proporções destes últimos podem ser determinadas a partir do resultado da análise em óxidos. Denomina-se essa operação a determinação da composição potencial do cimento. Normalmente, usa-se para cálculo do chamado método de Bogue. Nesse método, o cálculo parte da proporção total de cal, deduzindo-se, a princípio as parcelas necessárias à formação do sulfato de cálcio e a cal livre, eventualmente encontrado. Determinam-se a seguir as proporções de cal necessária para a formação do ferro aluminato de cálcio, de aluminato tricálcico e de silicato bicálcico. O saldo na proporção original de óxido de cálcio é a seguir associado à proporção de silicato bicálcico já calculado, resultando na determinação da proporção actual de silicato tricálcico. A sobra de silicato bicálcico constitui o teor desse composto no cimento.

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4.1 - PROPRIEDADES FÍSICAS As propriedades físicas do cimento Portland são consideradas sob 3 aspectos distintos: propriedades do produto na sua condição natural, em pó, da mistura de cimento e água e proporções convenientes de pasta e finalmente da mistura da pasta com agregado padronizado-as argamassas. As propriedades da pasta e argamassas são relacionadas com o comportamento desse produto quando utilizado, ou seja, as suas propriedades potenciais para a elaboração de concretos e argamassas. Tais propriedades enquadram-se em processos artificialmente definidos nos métodos e especificações padronizados, oferecendo a sua utilidade quer para o controle de aceitação do produto, quer para a avaliação das suas qualidades para os fins da utilização dos mesmos. 4.2 - DENSIDADE A densidade absoluta do cimento Portland é usualmente considerada como 3.15, embora, na verdade, possa variar para valores ligeiramente inferiores. A utilidade do conhecimento desse valor encontra-se nos cálculos de consumo do produto nas misturas geralmente feitas com base nos volumes específicos dos constituintes. Nas compactações usuais de armazenamento e manuseio do produto, a densidade aparente do mesmo é da ordem de 1.5. Na pasta do cimento, a densidade é um valor variável com o tempo, aumentando á medida que progride o processo de hidratação. Tal fenómeno, de natureza extremamente complexa, é conhecido pelo nome de retracção. Esta ocorre nas pastas de argamassas e concretos. Pode atingir, em 24 horas, cerca de 7mm por metro na pasta pura, 4.5mm por metro na argamassa padrão e 2mm por metro em concretos dosados a 350kg/cimento/m2

. Dada a excepcional importância que o fenómeno da retracção tem na tecnologia de concreto, ele será tratado pormenorizadamente no estudo das propriedades do concreto endurecido.

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4.3 - FINURA A finura do cimento é uma noção relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão, quando as especificações estabelecem uma proporção em peso do material retido na operação de peneiramento em malha e abertura definida, e, alternativamente, pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos grãos contidos em 1 gr de cimento). A finura, mais precisamente a superfície específica do produto, é o factor que governa a velocidade da reacção da hidratação do mesmo e tem também sua influência comprovada em muitas qualidades de pasta, das argamassas e dos concretos. O aumento da finura melhora a resistência, particularmente a resistência da primeira idade, diminui a exsudação e outros tipos de segregação, aumenta a impermeabilidade, a trabalhabilidade e a coesão dos concretos e diminui a expansão em autoclave. Exsudação é o fenómeno que consiste na separação espontânea da água de mistura, que naturalmente aflora pelo efeito conjunto da diferença de densidades entre o cimento e a água e o grau de permeabilidade que prevalece na pasta. É um tipo de segregação entendido como separação dos diversos constituintes das argamassas e dos concretos por via de acção de diferentes causas, conduzindo, finalmente, a uma heterogeneidade indesejável. A coesão nos concretos e argamassas frescas é responsável pela estabilidade mecânica dos mesmos, antes do inicio da presa, e é medida pelo valor de resistência do cisalhamento. Trabalhabilidade é uma noção subjectiva, aproximadamente definida como o estado que oferece maior ou menor facilidade nas operações de manuseio com as argamassas e concretos frescos. A finura do cimento é determinada naturalmente durante o processo de fabricação para controle do mesmo, como também nos ensaios de recepção do produto, quando deve estar dentro dos limites determinados nas especificações correspondentes.

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4.4 - TEMPO DE PRESA O fenómeno da presa do cimento compreende a evolução das propriedades mecânicas no início do processo de endurecimento, propriedades essencialmente físicas consequentes, entretanto, a um processo químico de hidratação. É um fenómeno artificialmente definido como o momento em que a pasta adquire certa consistência que a torna imprópria a um trabalho. No processo de hidratação, os grãos de cimento que inicialmente se encontram em suspensão vão-se aglutinando sucessivamente uns aos outros, por efeito de floculação, conduzindo à construção de um esqueleto sólido, finalmente responsável pela estabilidade da estrutura geral. O prosseguimento da hidratação em subsequentes idades conduz ao endurecimento responsável pela aquisição permanente de qualidades mecânicas, características do produto acabado. A presa e o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do cimento, vistos em períodos diferentes - a presa na primeira fase do processo e o endurecimento na segunda e última fase do mesmo a partir de um certo tempo após a mistura, quando o processo de presa alcança determinado estágio, a pasta não é mais trabalhável e não admite operação de remistura. Tal período de tempo constitui o prazo disponível para as operações de manuseio das argamassas e concretos, após o qual esses materiais devem permanecer em repouso na sua posição definitiva, para permitir o desenvolvimento do endurecimento. A caracterização da presa dos cimentos é feita pela determinação de dois tempos distintos - o tempo de início e o tempo de fim de presa. Os ensaios são feitos com pasta de consistência normal e geralmente, com aparelho de Vicat. Nesse aparelho mede-se em última análise, a resistência à penetração de uma agulha na pasta de cimento.

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4.5 - PASTA DE CIMENTO A ocorrência da presa do cimento deve ser regulada tendo-se em vista os tipos de aplicação do material, devendo-se processar ordinariamente em períodos superiores a uma hora após o início da mistura. Nesse prazo são desenvolvidas as operações de manuseio do material, mistura, transporte, lançamento e adensamento. Há casos, entretanto, em que o tempo de presa deve ser diminuído ou aumentado. Nas aplicações em que se deseja um presa rápida, são empregues aditivos ao cimento, conhecidos com o nome de aceleradores de presa (cloreto de cálcio e silicato de sódio). Contrariamente, em outros processos tecnológicos, ressalta-se a conveniência de um tempo de presa mais longo, como por exemplo, nas operações de injecção de pastas e argamassas e nos lançamentos de concretos sob água, quando então se empregam aditivos denominados retardadores. Entre estes citam-se os açúcares ordinários, a celulose e outros produtos orgânicos. Alguns cimentos oferecem raramente o fenómeno de falsa presa, que tem características de presa ordinária, ocorrendo em período mais curto e não correspondendo, entretanto, à evolução já descrita para o fenómeno. Trata-se de uma anomalia, geralmente atribuída ao comportamento do gesso adicionado ao cimento, no processo de manufactura, e que pode ser corrigida por destruição do incipiente esqueleto sólido e formação mediante a acção energética de mistura ou remistura. O tempo de presa do cimento é determinado, como já foi dito, pelo ensaio do aparelho de Vicat. A pasta é misturada em proporção que conduz a uma consistência denominada normal. Essa consistência normal é verificada no mesmo aparelho de Vicat utilizando-se a chamada sonda de Tetmajer, um corpo cilíndrico, metálico, liso, de 10 mm de diâmetro e terminado em secção recta. A sonda é posta a penetrar verticalmente a pasta fresca por acção de um peso total (incluindo a sonda) de 300 gr. Na obra procede-se quando necessário, por exemplo, para eliminar a suspensão de um cimento geralmente em processo muito lento de presa a um ensaio grosseiro que consiste na moldagem de uma série de pequenas bolas com pastas de consistência semelhante à normal de laboratório. Submetendo-as a posteriores esmagamentos com os dedos, pois quando o esmagamento deixa de ser plástico, tem-se, grosseiramente, o início de presa e quando as bolas se esfarinham por acção de esforço muito maior, tem-se o fim de presa.

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4.6 - RESISTÊNCIA A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão de corpos de ensaio realizados com argamassa. A forma do corpo de ensaio, as suas dimensões, o traço da argamassa, a sua consistência e o tipo de areia empregue são definidos nas especificações correspondentes, e constituem características que variam de um país para outro. Quase todos adoptam cubos de aresta de 5 a 7 cm, predominando esta última dimensão. A consistência da argamassa é determinada pelo ensaio de escorregamento da argamassa normal sobre a mesa cadente. Molda-se com argamassa um corpo de ensaio de formato troncocónico, tendo como diâmetros das bases 125 e 80 mm e com uma altura de 65 mm sobre uma plataforma lisa de um mecanismo capaz de promover quedas de 14 mm de altura. No ensaio são executadas 30 quedas em 30 segundos. Os corpos de ensaio assim executados são conservados em câmara húmida por 24 horas, e a seguir imersos em água até à data de esmagamento. Este processa-se geralmente nas idades de 1,3,7 e 28 dias.

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4.7 - PROPRIEDADES QUÍMICAS As propriedades químicas do cimento Portland estão directamente ligadas ao processo de endurecimento por hidratação. Ainda não se conhecem com muita precisão as reacções e os compostos envolvidos no processo de endurecimento, restando muitas questões a serem esclarecidas. O processo é complexo, admitindo-se, actualmente, que se desenrolem desenvolvimentos que compreendam a dissolução na água, precipitações de cristais e gel com hidrólises e hidratações dos componentes do cimento. Inicialmente, o silicato tricálcico (C3S) hidrolisa-se, isto é, separa-se em silicato bicálcico (C2S) e hidróxido de cal. Este último precipita como cristal da solução supersaturada de cal. A seguir, o silicato bicálcico existente, resultante da hidrólise, combina-se com água no processo de hidratação, adquirindo duas moléculas de água e depositando-se, a temperaturas ordinárias no estado de gel. Esse processo quando conduzido em temperaturas elevadas, resulta numa estrutura de natureza cristalina. Os dois últimos constituintes principais do cimento, o aluminato tricálcico e o ferro aluminato de cálcio, hidratam-se, resultando do primeiro, cristais de variado conteúdo de água e do segundo uma fase amorfa gelatinosa. Esse processo é realmente rápido no clínquer, simplesmente pulverizado. O aluminato tricálcico presente é de um modo geral, considerado o responsável pelo início imediato do processo de endurecimento. O produto nessas condições, é de presa rápida. Como se sabe, o cimento nessas condições é um material inútil para o construtor, impossibilitando qualquer manuseio pela rapidez da presa. Também é conhecido que a correcção efectua-se pela adição de sulfato de cálcio hidratado natural, gipsita; ao clínquer antes da operação de moagem final. As investigações demonstraram que a acção do gesso no retardamento de tempo de presa se prende ao facto de ser muito baixa a solubilidade dos aluminatos anidros em soluções supersaturadas de gesso. O processo prossegue em marcha relativamente lenta pela absorção do sulfato, mediante a produção de sulfoaluminato de cálcio e outros compostos que, precipitados, abrem caminho para a solubilização dos aluminatos mais responsáveis pelo início da presa, já em época conveniente. O fenómeno de falsa presa não é ainda claramente compreendido. Admite-se, em geral, que as causas mais frequentes de falsa presa são a desidratação do gesso a formas instáveis de sulfato de cálcio, ocorridas durante a operação de moagem, onde a temperatura se eleva acima de 130º C. Nessas circunstâncias, o cimento produzido contém sulfato de cálcio hidratável, que seria responsável pela falsa presa.

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4.8 - CALOR DE HIDRATAÇÃO Durante o processo de endurecimento do cimento, considerável quantidade de calor se desenvolve nas reacções de hidratação. Essa energia térmica produzida é de grande interesse para o engenheiro, principalmente pela elevação de temperatura resultante nas obras volumosas, a qual conduz ao aparecimento de rachas de contracção ao fim do arrefecimento da massa. O desenvolvimento do calor varia com a composição do cimento, especialmente com as proporções de silicato e aluminato tricálcicos. O valor do calor de hidratação do cimento Portland ordinário varia entre 85 e 100 cal/g , reduzindo-se a 60 a 80 cal/g nos cimentos de baixo calor de hidratação. O método mais comum para a determinação do calor de hidratação do cimento é o calor de dissolução. Amostras secas de cimento parcialmente hidratado e subsequentemente pulverizado são dissolvidas em mistura de ácidos nítrico e clorídrico numa garrafa térmica. A elevação de temperatura devidamente corrigida pela eliminação dos factores estranhos ao fenómeno determina as medidas do calor de dissolução das amostras. Por diferença, o calor de hidratação do cimento é calculado. O interesse do conhecimento do valor do calor de hidratação do cimento reside na possibilidade do estudo da evolução térmica durante o endurecimento do concreto em obras volumosas. Basicamente, trata-se de multiplicar o calor de hidratação do cimento pelo peso do cimento contido no metro cúbico de concreto e dividir o resultado pelo calor específico do concreto. Esse cálculo aproximado não se desenvolve, evidentemente com essa simplicidade esquemática, devendo ser considerados vários outros factores que intervêm na evolução do fenómeno tais como a velocidade de reacção, o coeficiente de condutibilidade térmica do concreto, a variação do calor específico do concreto com a temperatura, etc.

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4.9 - RESISTÊNCIA AOS AGENTES AGRESSIVOS Nos concretos em contacto com água e com a terra podem ocorrer fenómenos de agressividade. As águas, como as terras, podem conter substâncias químicas susceptíveis a reacções com certos constituintes do cimento presentes nos concretos. Nestes últimos o cimento constitui o elemento mais susceptível ao eventual ataque, já que os agregados são de natureza predominantemente inerte. Os silicatos de cálcio mais ou menos hidratados e principalmente a cal hidratada, presentes no cimento hidratado, são os elementos submetidos a ataque químico. O hidróxido de cálcio presente na proporção de 15 a 20% do peso do cimento original constitui o ponto mais vulnerável. As águas puras, de fontes graníticas ou oriundas do degelo atacam hidratando por dissolução da cal existente. Essa dissolução alcança cerca de 1.3gr por litro nas temperaturas correntes. Águas puras renovadas acabam lavando toda a cal existente no cimento hidratado, após o que começam, com menor intensidade, a dissolver os próprios silicatos e aluminatos. As águas ácidas, como por exemplo, a água da chuva, com certa proporção de gás carbónico dissolvido, agem sobre a cal do cimento hidratado segundo o processo que varia em função da concentração do anidro carbónico. Se a concentração é baixa, o sal formado é o carbonato de cálcio, pouco solúvel, que obstrui os poros, constituindo protecção a ataques posteriores. Se a concentração é relativamente forte, o carbonato formado é dissolvido como bicarbonato, prosseguindo o ataque até completa exaustão da cal presente. Os sais de cálcio são atacados em seguida. As águas podem ser igualmente agressivas quando contêm outros ácidos, como acontece com os resíduos industriais e águas provenientes de charcos contendo ácidos orgânicos. Tanto num caso como no outro, há exaustão da cal, e um ataque posterior dos sais constituintes do cimento hidratado deixa no concreto um esqueleto sem coesão e inteiramente prejudicado nas suas características mecânicas e outras. Para estimar a resistência química de um cimento á água pura e ácida, é útil conhecer o seu índice de Vicat, isto é, a relação sílica mais alumina dividida por cal. Se é inferior a 1, tem-se o cimento rico em cal, como o Portland, portanto, um cimento facilmente atacável. Se, ao contrário o indice é superior a 1, cimento aluminoso, cimento metalúrgico, cimento pozolânico, trata-se de material pobre em cal e capaz de resistir á agressividade da água dissolvente.

A água sulfatada ataca o cimento hidratado por reacção do sulfato com aluminato, produzindo um sulfoaluminato com grande aumento de volume.

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Essa espanção interna é responsável pelo fissuramento que, por sua vez,

facilita o ataque, conduzindo o processo a completa deterioração do material. Águas paradas, contendo mais de meio grama de sulfato de cálcio/litro, e as águas correntes com mais de 0,3g podem em geral, ser consideradas perigosas.

A água do mar contém numerosos sais em solução, entre os quais os sulfatos de cálcio, o sulfato de magnésio e o cloreto de sódio. A presença deste último contribui para aumentar a solubilidade da cal. O pequeno conteúdo de ácido carbónico contribui ligeiramente como medida de protecção, pela formação de carbono insolúvel. Já os sulfatos principalmente os de cálcio, agem da maneira já descrita, resultando no final um ataque progressivo dos cimentos ricos em cal pelas águas do mar.

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5 - CONTROLO DO PROCESSO E CONTROLO DA QUALIDADE As fábricas de cimento dispõem, modernamente de equipamentos e

processos de controlo altamente sofisticados que lhes permitem, a partir de uma sala de comando centralizado, coordenar e controlar todos os equipamentos produtivos garantindo a observância dos seus limites de segurança e as especificações dos produtos intermédios e finais .

Os computadores de processo são os verdadeiros cérebros do comando. O controlo da qualidade estende-se a todo o processo de fabrico, concentrando-se nas primeiras fases, de tal modo que as acções correctivas possam ser efectuadas antes que as restantes fases do processo e/ou produtos sejam afectados.

Máquinas para ensaios de compressão e Laboratório que complementa os flexão procedimentos automáticos dirigidos

da sala de comandos

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Sala de comandos

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6 - A PROTECÇÃO DO AMBIENTE As poeiras geradas, constituídas principalmente por calcário, não são

nocivas e a emissão de óxidos de enxofre é muito limitada. Por outro lado tem-se reduzido muito as emissões de poeiras com a

instalação de equipamentos apropriados, e o controlo das emissões de partículas pelas chaminés dos fornos e moinhos de cimentos é feito continuamente por opacímetros ligados à sala de comando.

São também cada vez maiores as preocupações com a recuperação paisagística das zonas afectadas pela exploração de pedreiras, minimizando as consequências das inevitáveis agressões do processo de desenvolvimento industrial.

Electrófilo para redução da emissão de poeiras

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7 - TIPOS E CLASSES DO CIMENTO PORTLAND A utilização mais corrente do cimento é na produção de betão,

matéria-prima por excelência para a construção de edifícios, pontes, portos, estradas e outras obras públicas.

O betão não é mais do que uma mistura de cimento, água e produtos inertes, tais como britas e areias. As suas características são determinadas pelas proporções dos elementos constituintes, pela qualidade dos inertes e, especialmente, pelo tipo de cimento utilizado.

Os tipos e classes de cimentos em Portugal são especificados pelas Normas

Portuguesas NP 2064 e NP 4326 . A característica mais referida dos cimentos é a sua classe de resistência, ou

seja, a sua resistência mínima à compressão, após vinte e oito dias de secagem. A Norma Portuguesa 2064 apresenta três classes possíveis (32,5;42,5;52,5)

para cada tipo de cimento. Correspondem a tensões de rotura que oscilam entre 32,5 e 52,5 Mpa, como valores mínimos, e ainda 32,5 R, 42,5R, 52,5R para cimentos de alta resistência inicial.

Além dos tipos referidos, fabrica-se “Cimento Portland Branco”, com um

teor em óxido de ferro tão baixo que o produto se apresenta branco. De assinalar ainda a existência de cimentos com objectivos especiais,

obtidos com modificações na sua composição ou tratamento térmico, tais como cimento para poços de petróleo, de presa rápida, etc...

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8 - ALGUNS EXEMPLOS DE OBRAS ONDE A APLICAÇÃO DO CIMENTO É PREDOMINANTE

Ponte ferroviária de S. João - Porto

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Cimento Branco, Edifício Atrium Saldanha - Lisboa

Cimento Branco, Edifício CGD – Lisboa

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Ponte Vasco da Gama – Lisboa

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Ponte João Gomes, Ilha da Madeira

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BIBLIOGRAFIA PETRUCCI, ELÁDIO G. R. Concreto de Cimento Portland. Editora Globo, 1978 DUDA, W. H., Manual Tecnológico de Cimento. ETA, 1977 Panfletos e Fichas Técnicas das Cimenteiras Secil e Cimpor Pesquisa na Internet

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Trabalho elaborado pelos alunos: Luís Torres nº 4002 Pedro Freitas nº 4044 Ricardo Pinto nº 4005 Tiago Andrade nº 3175

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