Resumo Cimento Portland e Sua Fabricação
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Universidade Nove de Julho
Curso: Engenharia Civil
Disciplina: Materiais da Construção Civil I.
Prof: Antonio Celso de S Junior.
Set – 2015.
Material de apoio.
Resumo – Fabricação e Utilização do Cimento Portland.
Cimento Portland
É um tipo de cimento muito utilizado na construção civil por sua resistência. O
nome Portland foi dado em 1824 pelo químico britânico Joseph Aspdin, em
homenagem à ilha britânica de Portland, no condado de Dorset.
Joseph Aspdin queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-
as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se
tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. A mistura não se
dissolvia em água e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano, com o nome
de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades
de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland.
O cimento pode ser definido como um pó fino, com propriedades aglomerantes,
aglutinantes ou ligantes, que endurece sob a ação de água. Com a adição de
água, se torna uma pasta homogênea, capaz de endurecer e conservar sua
estrutura, mesmo em contato novamente com a água. Na forma de concreto,
torna-se uma pedra artificial, que pode ganhar formas e volumes, de acordo com
as necessidades de cada obra. Graças a essas características, o concreto é o
segundo material mais consumido pela humanidade, superado apenas pela
água.
Com diferentes adições durante a produção, se transforma em um dos cinco
tipos básicos existentes no mercado brasileiro: cimento portland comum, cimento
portland composto, cimento portland de alto forno, cimento portland pozolânico
e cimento portland de alta resistência inicial.
O cimento (derivada do latim cæmentu) é um material cerâmico que, em contato
com a água, produz reação exotérmica de cristalização de produtos hidratados,
ganhando assim resistência mecânica. É o principal material de construção
usado como aglomerante. É uma das principais commodities mundiais, servindo
até mesmo como indicador econômico.
O Cimento é composto de clínquer e de adições que distinguem os diversos
tipos existentes, conferindo diferentes propriedades mecânicas e químicas a
cada um. As adições também são ou não utilizadas em função de suas
distribuições geográficas.
Clínquer
O clínquer é o principal item na composição de cimentos Portland, sendo a fonte
e Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 e Silicato dicálcico (CaO)2SiO2. Estes compostos
trazem acentuada característica de ligante hidráulico e estão diretamente
relacionados com a resistência mecânica do material após a hidratação.
A produção do clínquer é o núcleo do processo de fabricação de cimento, sendo
a etapa mais complexa e crítica em termos de qualidade e custo. As matéria-
primas são abundantemente encontradas em jazidas de diversas partes do
planeta, sendo de 80% a 95% de calcário, 5% a 20% de argila e pequenas
quantidades de minério de ferro.
Principais compostos químicos do clínquer
Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 45-75% C3 S (alíta)
Silicato dicálcico (CaO)2SiO2 7-35% C2 S (belíta)
Aluminato tricálcico (CaO)3Al2O3 0-13% C3 A (celíta)
Ferroaluminato tetracálcico (CaO)4Al2O3Fe2O3 0-18% C4A F (brownmilerita)
Tipo de Cimento Portland
Ciment
o
Tipo Clínquer+ Gesso(
%)
Escória
siderúrgica(
%)
Material
pozolânico(
%)
Calcário(
%)
CP I Comum 100 - - -
CP I - S Comum 95-99 1-5 1-5 1-5
CP II -
E
Compost
o
56-94 6-34 - 0-10
CP II -
Z
Compost
o
76-- 6-14 15-50
CP II -
F
Compost
o
90-94 - - 6-10
CP III Alto-
forno
25-65 35-70 - 0-5
CP IV Pozolâni
co
45-85 - 15-50 0-5
CP V -
ARI
Alta
resistênci
a inicial
95-100 - - 0-5
Gesso
O gesso (ou gipsita) (CaSO4 · 2 H2O) é adicionado em quantidades geralmente
inferiores a 3% da massa de clínquer, tem função de estender o tempo de
pega do cimento (tempo para início do endurecimento). Sem esta adição, o
tempo de pega do cimento seria de poucos minutos, inviabilizando o uso. Devido
a isso, o gesso é uma adição obrigatória, presente desde os primeiros tipos de
cimento Portland.
Escória siderúrgica
A escória, de aparência semelhante a areia grossa, é um subproduto de alto-
fornos, reatores que produzem o ferro gusa a partir de uma carga composta
porminério de ferro, fonte de Fe, e carvão vegetal ou coque, fonte de carbono.
Entre diversas impurezas como outros metais, se concentram na
escória silicatos, que apesar de rejeitados no processo de metalização,
proporcionam-na características de ligante hidráulico.
Sendo um subproduto, este material tem menor custo em relação ao clínquer e
é utilizado também por elevar a durabilidade do cimento, principalmente em
ambientes com presença de sulfatos. Porém, a partir de certo grau de
substituição de clínquer a resistência mecânica passa a diminuir.
Argila pozolânica
As pozolanas ativadas reagem espontaneamente com CaO em fase aquosa, por
conterem elevado teor de sílica ativa SiO2. Esta característica levou ao uso de
pozolanas como ligante hidráulico complementar ao clínquer, com a
característica de tornar os concretos mais impermeáveis o que é útil na
construção de barragens, por exemplo.
As pozolanas são originalmente argilas contendo cinzas vulcânicas, encontradas
na região de Pozzuoli, Itália. Atualmente, materiais com origens diferentes, mas
com composições semelhantes também são considerados pozolânicos, tais
como as pozolanas ativadas artificialmente e alguns subprodutos industriais
comocinzas volantes provenientes da queima de carvão mineral.
O processo de ativação de argilas é amplamente praticado pela própria indústria
de cimentos, é geralmente realizado em fornos rotativos semelhantes àqueles
utilizados na fabricação de clínquer ou mesmo em antigos fornos de clínquer
adaptados, trabalhando a temperaturas mais baixas (até 900 °C) e menor tempo
de residência.
Assim como a escória siderúrgica, as pozolanas frequentemente têm menor
custo comparadas ao clínquer e só podem substituí-lo até um determinado grau.
Calcário
O calcário é composto basicamente de carbonato de cálcio (CaCO3), encontrado
abundantemente na natureza. É empregado como elemento de preenchimento,
capaz de penetrar nos interstícios das demais partículas e agir como lubrificante,
tornando o produto mais plástico e não prejudicando a atuação dos demais
elementos. O calcário é também um material de diluição do cimento, utilizado
para reduzir o teor de outros componentes de maior custo, desde que não
ultrapassando os limites de composição ou reduzindo a resistência mecânica a
níveis inferiores ao que estabelece a norma ou especificação. O calcário também
alimenta o blaine do cimento, tornando o cimento com mais volume.
Mineração
As fábricas de cimento tipicamente se instalam ao lado de jazidas de calcário e
argila de modo a minimizar os custos de transporte. A extração destes materiais
se realiza em geral em lavras de superfície, com auxílio de explosivos. As rochas
extraídas são britadas até atingirem tamanhos de aproximadamente 200 mm ou
menos e transportadas para a fábrica em transportadores de correia.
Clínquer
Fornos Rotativos de Cimento - Holcim - Bélgica
A produção de clínquer envolve uma série de processos interdependentes
em linha.
Há ainda processos de preparação e estocagem de matérias-primas, moagem
de cimento e limpeza de gases de exaustão.
Pré-homogeneização de matérias-primas
As jazidas de calcário e argila apresentam variações de composição ao longo de
suas extensões. Por outro lado, a qualidade do produto e a estabilidade do
processo de produção requerem materiais quimicamente homogêneos. Para
isso, são empregados sistemas de empilhamento e recarregamento com longas
pilhas de material, de modo a criar camadas horizontais provenientes de
diferentes lotes, que posteriormente são misturadas no próprio processo de
recarregamento.
Moagem de matérias-primas
Os materiais provenientes das pilhas de pré-homogeneização são introduzidos
em um moinho (ou mais) para que se misturem e
atinjam granulometria e umidade adequadas aos processos posteriores. Este
processo, também chamado de "moagem de cru", faz uso de gases quentes
residuais do forno de clinquerização (descrito adiante), empregados como fonte
de calor para secagem. No jargão da indústria, o produto da desta moagem é
chamado de "farinha" e de fato se assemelha a farinha de trigo com tom bege.
A farinha é armazenada em silos que também promovem homogeneização e
absorvem eventuais assincronias entre o forno e os moinhos de cru.
Os motivos para a redução de tamanho das partículas são a homogeneização e
o aumento da superfície exposta que intensifica reações químicas e trocas de
calor entre as partículas e os gases no interior do forno.
Pré-aquecimento
Quase a totalidade dos fornos de cimento atualmente operantes contam com
torres de pré-aquecimento, responsáveis por remover a umidade ainda restante
no material (inferior a 1%) e iniciar a descarbonatação do calcário. Os fornos de
maior capacidade e mais modernos contam com torres maiores capazes de
completar quase totalmente o processo de descarbonatação. Quanto mais eficaz
o pré-aquecimento, mais curtos são fornos.
Os pré-aquecedores mais comuns são torres de ciclones. Dispostos em
elevadas estruturas (que frequentemente ultrapassam 100 metros de altura),
diversos separadores ciclônicos (equipamentos capazes de retirar partículas
sólidas de uma corrente de gases) são interligados entre si através de dutos de
imersão utilizados para troca térmica que ocorre em torno de 80% entre a farinha
alimentada e gases quentes provenientes do forno. Através da sequência de
ciclones fluem os gases quentes provenientes do forno, em contracorrente com
a matéria prima. A medida que esta se mistura com o fluxo de gases,
ocorre transferência de calor e transferência de massa. Nos primeiros trechos do
processo, elimina-se a umidade superficial, enquanto a temperatura permanece
próxima à temperatura de ebulição da água. A partir deste ponto, o material
sólido contendo apenas umidade intergranular passa a ser aquecido
gradativamente. No fim do processo, o material atinge de 700 °C a 1000 °C,
suficiente para a água esteja eliminada e para se iniciarem decomposições
químicas da matéria-prima. Na busca de maior produção e redução de custo
estudos deram origem a mais um estágio no pré-aquecedor conhecido como
calcinador responsável por 60% a 95% da calcinação da farinha crua nos fornos
rotativos para cimento baixando a carga térmica na zona de queima e como
consequência aumentando da vida útil do revestimento refratário.
Clinquerização
Parte das reações de descarbonatação e a formação de silicatos de cálcio e
aluminatos de cálcio ocorrem no interior do forno de cimento. Os fornos de
cimento são na maioria rotativos, cilindros horizontais de até 160 metros de
comprimento. Um leve ângulo de inclinação combinado ao lento movimento de
rotação (de 0,5 a 4,0 rpm) permite que o material percorra o cilindro à medida
que desliza pelas paredes. Internamente, há um revestimento de
material refratário que protege a carcaça do forno das altas temperaturas e
conserva o calor no seu interior. A matéria prima permanece no forno por um
tempo de aproximadamente 4 horas e atinge temperaturas clinquerização de
1.230 °C (menor temperatura produz cal e maior temperatura apenas aumenta
o consumo energético), suficientes para torná-la incandescente e pastosa. A
capacidade de produção de um forno médio é 3.000 a 4.000 toneladas por dia,
os maiores fornos do mundo produzem
até 10.000 t.
Resfriamento
Há dois principais tipos de resfriadores empregados atualmente. Os fornos mais
antigos ainda operantes utilizam resfriadores satélites, cilindros menores
solidários ao movimento de rotação do forno, acoplados à carcaça do mesmo.
Já os fornos construídos a partir da década de 1980 geralmente são dotados de
resfriadores de grelha, com ventilação forçada, possibilitando maior taxa
de transferência de calor entre o clínquer e o ar entrante. Desta forma, se reduz
a temperatura de saída do material, recuperando parte da energia associada ao
mesmo, aumentando a eficiência do sistema.
Além da eficiência energética, os resfriadores têm suma importância na
qualidade do produto. O tempo e o perfil de resfriamento do mesmo são
essenciais para a determinação de suas propriedades químicas finais. Lentos
processos de resfriamento levam à transformação de silicato tricálcico, instável
à alta temperatura, em silicato dicálcico o que diminui a resistência do cimento.
Hoje os resfriadores modernos além de propiciarem uma ótima troca térmica
também possibilitam a recuperação de gases quentes que são reutilizados no
processo de fabricação, que seriam o ar secundário - auxiliar na combustão na
zona de queima; ar terciário - auxiliar na combustão do calcinador; e o ar de
excesso - em algumas plantas, na troca de calor do moinho de matéria prima. O
produto (clínquer) ainda é moído e diluído em gesso, calcário e/ou escória
siderúrgica para se chegar ao produto final.
Combustíveis
A produção de cimento consome muito combustível. Geralmente utiliza-se uma
combinação de diversos produtos como óleo, coque de petróleo e resíduos
industriais. Cerca de 7% das emissões de CO2 no planeta são decorrentes da
produção de cimento, devido à combustão e ao processo de descarbonatação da
matéria-prima.
Aproveita-se as altas temperaturas e o tempo de permanência dos gases no
forno para empregar combustíveis de difícil utilização em queimas, como pneus
picados. Em outras condições, este tipo de combustível poderia emitir altas
concentrações de substâncias extremamente tóxicas, (tais
como dioxinas e furanos) devido à queima incompleta. Além disso, o calcário e
a cal contidos na mistura, têm a característica de reagir com o enxofre
proveniente dos combustíveis, evitando maiores emissões de óxidos de enxofre
na atmosfera e prevenindo, por exemplo, a ocorrência de chuva ácida.
Coprocessamento
O Coprocessamento é uma técnica já há muito tempo utilizada em países da
Europa, Japão e EUA, onde consiste em transformar resíduos em combustíveis
alternativos e/ou substitutos de matéria prima, desta forma reduzindo o consumo
de combustível fóssil e assim sendo contribuindo com o meio ambiente.
O USO DOS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO NAS DIFERENTES
APLICAÇÕES
Em que pese a possibilidade de se ajustar, através de dosagens adequadas, os
diversos tipos de cimento às mais diversas aplicações, a análise das suas
características e propriedades, bem como de sua influência sobre as
argamassas e os concretos já mostra que certos tipos são mais apropriados para
determinados fins do que outros. O Quadro 10 aponta quais tipos de cimento
disponíveis no mercado podem ser usados nas mais diferentes aplicações.
O USO DOS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO NAS DIFERENTES
APLICAÇÕES
ESTOCAGEM DO CIMENTO
Definido o tipo de cimento, falta apenas atentar para os cuidados necessários à
conservação do cimento (que é um produto perecível), pelo maior tempo
possível, no depósito ou no canteiro de obras. O cimento é embalado em sacos
de papel kraft de múltiplas folhas.
Trata-se de uma embalagem usada no mundo inteiro, para proteger o cimento
da umidade e do manuseio no transporte, ao menor preço para o consumidor.
Além disso, o saco de papel é o único que permite o enchimento com material
ainda bastante aquecido, por ensacadeiras automáticas, imprescindíveis ao
atendimento do fluxo de produção (ao contrário de outros tipos de embalagem
já testados, como a de plástico). Mas, o saco de papel protege pouco o cimento
nele contido da ação direta da água.
Se o cimento entrar em contato com a água na estocagem, ele vai empedrar ou
endurecer antes do tempo, inviabilizando sua utilização na obra ou fábrica de
pré-moldados e artefatos de cimento.
A água é o maior aliado do cimento na hora de confeccionar as argamassas e
os concretos. Mas é o seu maior inimigo antes disso. Portanto, é preciso evitar
a todo custo que o cimento estocado entre em contato com a água. Essa água
não vem só da chuva, de uma torneira ou de um cano furado, mas também se
encontra, sob forma de umidade, no ar, na terra, no chão e nas paredes.
Por isso, o cimento deve ser estocado em local seco, coberto e fechado de modo
a protegê-lo da chuva, bem como afastado do chão, do piso e das paredes
externas ou úmidas, longe de tanques, torneiras e encanamentos, ou pelo menos
separado deles. Recomenda-se iniciar a pilha de cimento sobre um tablado de
madeira, montado a pelo menos 30 cm do chão ou do piso e não formar pilhas
maiores do que 10 sacos. Quanto maior a pilha, maior o peso sobre os primeiros
sacos da pilha. Isso faz com que seus grãos sejam de tal forma comprimidos que
o cimento contido nesses sacos fica quase que endurecido, sendo necessário
afofá-lo de novo, antes do uso, o que pode acabar levando ao rompimento do
saco e à perda de boa parte do material. A pilha recomendada de 10 sacos
também facilita a contagem, na hora da entrega e no controle dos estoques.
É recomendável utilizar primeiro o cimento estocado há mais tempo, deixando o
que chegar por último para o fim, o que evita que um lote fique estocado por
tempo excessivo, já que o cimento, bem estocado, é próprio para uso por três
meses, no máximo, a partir da data de sua fabricação.
A fabricação de cimento processa-se rapidamente. O clínquer de cimento
Portland sai do forno a cerca de 80oC, indo diretamente à moagem, ao
ensacamento e à expedição, podendo, portanto, chegar à obra ou depósito com
temperatura de até 60oC. Não é recomendável usar o cimento quente, pois isso
poderá afetar a trabalhabilidade da argamassa ou do concreto com ele
confeccionados. Deve-se deixá-lo descansar até atingir a temperatura ambiente
e, para isso, recomenda-se estocá-lo em pilhas menores, de 5 sacos, deixando
um espaço entre elas para favorecer a circulação de ar, o que fará com que eles
se resfriem mais rapidamente.
Nas regiões de clima frio a temperatura ambiente pode ser tão baixa que
ocasionará um retardamento do início de pega. Para que isso não ocorra,
convém ensacamento e à expedição, podendo, portanto, chegar à obra ou
depósito com temperatura de até 60oC. Não é recomendável usar o cimento
quente, pois isso poderá afetar a trabalhabilidade da argamassa ou do concreto
com ele confeccionados. Deve-se deixá-lo descansar até atingir a temperatura
ambiente e, para isso, recomenda-se estocá-lo em pilhas menores, de 5 sacos,
deixando um espaço entre elas para favorecer a circulação de ar, o que fará com
que eles se resfriem mais rapidamente.
Nas regiões de clima frio a temperatura ambiente pode ser tão baixa que
ocasionará um retardamento do início de pega. Para que isso não ocorra,
convém estocar o cimento em locais protegidos de temperaturas abaixo de 12°C.
Tomados todos os cuidados na estocagem adequada do cimento para alongar
ao máximo sua vida útil, ainda assim alguns sacos de cimento podem se
estragar. Às vezes, o empedramento é apenas superficial. Se esses sacos forem
tombados sobre uma superfície dura e voltarem a se afofar, ou se for possível
esfarelar os torrões neles contidos entre os dedos, o cimento desses sacos ainda
se prestará ao uso normal. Caso contrário, ainda se pode tentar aproveitar parte
do cimento, peneirando-o. O pó que passa numa peneira de malha de 5 mm
(peneira de feijão) pode ser utilizado em aplicações de menor responsabilidade,
tais como pisos, contrapisos e calçadas, mas não deve ser utilizado em peças
estruturais, já que sua resistência ficou comprometida, pois parte desse cimento
já teve iniciado o processo de hidratação. Enfim, observa-se que é fundamental
a estocagem correta, pois não apenas há o risco de perder-se parte do cimento,
como também acaba-se reduzindo a resistência final do cimento que não chegou
a estragar.
Confira as principais normas relativas a cimento e concreto:
Os sistemas construtivos à base de cimento destacando-se as da Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), do Departamento Nacional de Estradas
de Rodagem (DNER) e da American Society for Testing and Materials (ASTM).
ABNT
NBR 5732 – Cimento Portland Comum – Especificação
NBR 5733 – Cimento Portland de Alta Resistência Inicial – Especificação
NBR 5735 – Cimento Portland de Alto Forno – Especificação
NBR 5736 – Cimento Portland Pozolânico – Especificação
NBR 5738 – Confecção e Cura de Corpos-de-prova de Concreto Cilíndricos ou
Prismáticos – Método de ensaio
NBR 5739 – Ensaio de Compressão de Corpos-de-prova Cilíndricos de Concreto
– Método de ensaio
NBR 7207 – Terminologia e Classificação de Pavimentação – Terminologia
NBR 7211 – Agregados para Concreto – Especificação
NBR 7480 – Barras e Fios de Aço Destinados a Armadura de Concreto Armado
– Especificação
NBR 7680 – Extração, Preparo, Ensaio e Análise de Testemunhos de Estruturas
de Concreto – Procedimento
NBR 8953 – Concreto para Fins Estruturais – Classificação por Grupos de
Resistência – Classificação
NBR 11578 – Cimento Portland Composto – Especificação
NBR 11768 – Aditivos para Concreto de Cimento Portland – EB
NBR 12142 – Concreto – Determinação da Resistência à Tração na Flexão em
Corpos-de-prova Prismáticos – Método de Ensaio
NBR NM 47 – Concreto fresco – Determinação do Teor de Ar pelo Método
Pressométrico
NBR NM 67 – Concreto – Determinação de Consistência pelo Abatimento do
Tronco de Cone
Bibliografias:
Snic – Sindicato nacional da Indústria Cimenteira.
ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland.
ABNT – Associação Brasileira de Norma Técnicas.