CIMENTO

Os cimentos hidráulicos constituídos por compostos de cálcio (Silicato e aluminato de cálcio) podem classificar:

·         Cimentos Naturais

·         Cimentos Portland

·         Cimentos Aluminosos

O Cimento é um ligante hidráulico, ou seja, um material inorgânico finamente moído que quando misturado com água forma 1 pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água.

O endurecimento do cimento CEM é devido à hidratação de silicatos de cálcio embora os aluminatos de cálcio também intervenham no endurecimento.

-Composição da matéria-prima

O cimento de Portland artificial é obtido pela mistura de calcário ou cré (carbonato de cálcio), argila ou xisto argiloso (silicatos de alumínio ou ferro) ou a partir de margas ou calcários margosos (margas- mistura de materiais calcários e argilosos) e outras substâncias apropriadas ricas em sílica, alumina ou ferro, reduzida a pó muito fino, que se sujeita à acção das temperaturas de 1450ºC (em fornos rotativos).

-Fabrico

1ªfase (Preparação do Cru) – Blocos com dimensão de 1,5 a 2 m, são extraídos e transportados para britador onde vão ser reduzidos a pequenos blocos de cm’s. O material é britado e transportado para uma pilha de armazenamento e vai receber adição de argila (25% de argila e 75% de brita calcária). Enquanto a mistura é depositada horizontalmente, a sua remoção para os silos alimentadores dos moinhos de bolas e é feita por meio de cortes verticais na pilha de armazenamento (Pré-homogeneização).

Há dois processos de fabrico de cimento:

-Via húmidaà a matéria-prima é moída e homogeneizada dentro de água.

-Via secaà a moedura e homogeneização realiza-se a seco.

2ªfase (Cozedura em forno rotativo) – O forno rotativo (Ø7,6m ; L=232m; revestido por material refractário ß Cilindro de chapa de aço), este cilindro assenta sobre roletas que o fazem girar e tem uma inclinação de 2 a 6%. Este movimento de rotação e inclinação provocam o avanço dos materiais no interior do forno. (20kg para 1tonelada de cimento). Para obter a temperatura de Clinquerização (1400 a 1450ºC), temperatura de fusão das fases aluminatos e ferratos, é necessário recorrer à combustão de carvão ou de fuel.

O carvão seco é reduzido a pó e injectado na parte inferior do forno, com uma parte de ar (ar primário), o restante ar comburente (ar secundário) é introduzido no forno depois de ter sido aquecido no arrefecedor do clínquer.

3ªfase (Arrefecimento, adição de gesso e moagem) – A saído do forno o clínquer deve ser arrefecido rapidamente (porque o silicato tricálcio é instável a temperatura inferior a 1250ºC, e não conserva a sua estrutura).

O silicato bicálcico apresenta as formas ϒ e β, a forma β é estável desde a temperatura de formação (1200ºC) até 675ºC. Abaixo destas temperaturas o silicato bicálcico β transforma-se em ϒ (inerte). Por isso (ser inerte) é necessário evitar a formação do silicato ϒ, arrefecendo rapidamente o silicato de 1200ºC até temperatura ambiente.

Há vantagens em evitar que a fase liquida cristalize pois a reactividade do aluminato de cálcio diminui e o óxido de magnésio poderá cristalizar em grandes cristais (períclase), o que provoca a instabilidade e a expansibilidade do volume da pasta de cimento endurecido.

Para efectuar o arrefecimento, recorre-se ao planetário (constituído por tubos arrefecedores que envolvem o forno). Após o arrefecimento (125ºC a 180ºC) o clinquer é armazenado, entrando em moinhos de bolas onde é moído, com adjuvantes (para facilitar a moagem), com aditivos, gesso (3 a 5%) para regular a presa, e outros que modificam as propriedades como a pozolana e a escória de alto-forno.

A moagem efectua-se em moinho de bolas, e consome 40% da energia total, a característica que se obtém é a finura.

Existem dois tipos de moedura:

- Moagem em circuito aberto, o clínquer junto com o gesso, é introduzido no moinho que tem 3 compartimentos de bolas de aço, sucessivamente menor, no primeiro 60 a 80 mm, no segundo 30 a 50 mm e no terceiro 15 a 25 mm.

- Moagem em circuito fechado, os finos são extraídos do moinho á medida que se vão produzindo. Uma corrente de ar atravessa o moinho e arrasta consigo as partículas mais finas, para um separador. As finas vão para os silos de armazenamento e as mais grossas voltam para o moinho.

4ªfase (Ensilagem e ensacagem) – Dos moinhos de bolas, o cimento passa para os silos onde é homogeneizado e daí distribuindo, a granal ou em sacos.

 -Principais componentes do cru e do clinquer de Portland

Figura. Esquema das transformações sofridas pelo cru até se transformar em clínquer (Jackson,
1998).

Neste diagrama temos: composição da matéria prima obtida pela mistura de calcário e argila que compreende:

Calcite CaCO3

Silica SiO2

Minerais de Argila SiO2-Al2O3-H2O

Òxidos de ferro Fe2O3

A composição da matéria-prima deve ser tal que depois de perder a água e o CO2 devido à elevada temperatura atingira no forno, tenha uma composição química dentro dos líquidos seguintes:

C - CaO - 60 a 67%

S – SiO₂ - 17 a 25%

A – Al₂O₃ – 3 a 8%

F – Fe₂O₃ – 0,5 a 6%

Mg – 0,5 a 4%

K₂O e Na₂O – 0,3 a 1,2%

S – SO₃ – 2 a 3,5%

Módulos

Com o fim de obter produtos com a composição regular, é preciso que entre estes simples óxidos elementares existam certas relações antes da cozedura, denominadas módulos.

Módulo hidráulico (Vicat)

Módulo Silico

Quanto mais baixo for este módulo, mais baixo será a temperatura de clinquerização, pois Al₂O₃ e Fe₂O₃ são fundentes.

Módulo alumínio-férrico ou de fundentes

  

Grau de saturação em cálcio

  

À aluminia e aos óxidos de ferro chamam-se fundentes, pois os compostos em que intervêm fundem à temperatura mais elevada (temperatura de clinquerização) ajudando assim à melhor combinação de todos os intervenientes nas reacções em que se formam os componentes de cimento.
O módulo de fundentes é importante na obtenção de cimentos com resistência química melhorada e calor de hidratação baixa. Para este efeito é necessário que não se forma aluminato tricálcio (Al₂O₃.3CaO).

Componente Principais do Clínquer

As reacções químicas que ocorrem pela acção da temperatura a partir da matéria-prima (cal, sílica, aluminia e óxidos de ferro) levam a formação dos componentes de clinquer de Portland os quais cristalizam em elementos mais ou menos individualizados.

Silicato tricálcio             3CaO.SiO₂                    20 a 65%          C₃S      Alite

Silicato Bicálcio            2CaO.SiO2                  10 a 55%          C₂S      Belite

Aluminato tricálcio        3CaO.Al2O3                 0 a 15%            C₃A      Massa vitrea    

Aluminoferrato              4CaO.Al2O3.F2O3        5 a 15%            C₄AF    Calite

Tetracálcio

Transformações sofridas pelas matérias-primas para obtenção do clínquer:

·         Até 100ºC evapora-se a água livre, secando a mistura de calcário e argila.

·         Até 450ºC sai a água absorvida nas componentes da matéria-prima.

·         Até 700ºC dá-se a activação dos silicatos por desidratação e alterações na rede cristalina.

·      De 700 a 900ºC dá-se a decomposição dos carbonatos de cálcio e de magnésio com a formação de óxidos de cálcio. Começa a combinação da aluminia, óxidos de ferro e sílica activada com o óxido de cálcio. Inicia-se a formação de belite e a formação de aluminato de cálcio e aluminoferrato bicálcico.

·    De 900 a 1200ºC prossegue-se a formação de belite, começa a formar-se o aluminato tricálcico (C3A) e o aluminoferrato tetracálcico (C₄AF).

·         A 1260ºC principia o aparecimento da fase líquida, constituída pela combinação de parte de óxido de cálcio com os óxidos de alumínio e de ferro, a qual promove a constituição do silicato tricálcico (alite), a partir do silicato bicálcico (belite) já formado.

Durante o arrefecimento a fase fundida não deve cristalizar. Se o arrefecimento for lento o C₃A cristaliza e o óxido de magnésio poderá formar grandes cristais.

-FORMAÇÃO DOS DIFERENTES COMPOSTOS DO CIMENTO POR FASES

BELITE

825ºC (Calcinação) – CaCO₃ -->CaO+CO₂ (libertado)

O calcário é aquecido e o dióxido de carbono é libertado, deixando cal (CaO)

1200ºC – 2CaO +SiO₂-->Ca₂SiO₄ (silicato bicálcico)

(Aumenta-se a temperatura e algum cal combina com a sílica e forma a BELITE=C₂S).

ALITE

1250ºC – CaO+Ca₂SiO₄-->Ca₃SiO₅ (silicato tricálcico)

Quando a temperatura é superior a 1250ºC alguma belite combina com a cal (que ainda não reagiu) e forma a ALITE=C₃S).

ALUMINATO TRICALCICO

1300ºC - 3CaO + Al₂O₃-->Ca₃Al₂O₆ (aluminato tricálcico)

Quando a temperatura é superior a 1300ºC a cal (que ainda não reagiu) reage com a alumina e forma aluminato tricálcico (C₃A).

FERROALUMINATO TETRACÁLCICO

Arrefece - CaO+Ca₃Al₂O₆+Fe₂O₃-->Ca₄Al₂Fe₂O₁₀

Á medida que a mistura arrefece a cal, o aluminato tetracalcico e a ferrite formam cristais de ferroaluminato tetracalcico.

-HIDRATAÇÃO DO CIMENTO

O C3A reage com a água muito rapidamente conduzindo a uma presa rápida e para poder retardar juntou-se um cimento, o mais económico, o gesso.

CH+S+H-->CSH₂

(portlandite+sulfato+água-->gesso)

 

C₃A+2CSH₂+10H-->C₄AS₂H₁₂

                                                 (aluminato tricálcico+gesso+água-->monosulfato)

Reações expansivas

                                            C₄AS₂H₁₂+2CSH₂+16H-->C₆AS₃H₃₂

                                                  (monosulfato+gesso+água-->etringita 1ª)

A etringita quando se forma é expansiva e a pasta de cimento vai conseguir absorver esta expansão porque ainda está com alguma maleabilidade.

Deve-se garantir a partir das 48horas, já não exista gesso no interior da pasta para reagir com o C3A e assim evitar a formação da etringita 2ª.

Resistência química:

C₂S e C₄AF maior contribuição para resistência química.

C₃S maior contribuição para a tensão de rotura.

C₃A é indesejável, de fabrico económico e fundamental para atingir a fase líquida da cozedura do clínquer.

Finura do cimento:

> finura à > caro à > resistência inicial à > calor de hidratação à > gesso; > retacção; > fendilhação; < exsudação; o cimento deteriora-se mais.

- TIPOS DE CIMENTOS

CEM I               Cimento Portland                     100%clinquer

CEM II              Cimento Portland Composto     65% clinquer

CEM III             Cimento de Alto-forno              clinquer+35-95% escórias de alto forno

CEM IV            Cimento Pozolânico                 45%clinquer+55%silica de fumo,pozolana

CEM V             Cimento Composto                  20%clinquer+18%escorias+pozolana

- CIMENTO – ENSAIOS

Determinação da consistência normal -

 

Determinação do início e fim de presa - Aparelho de Vicat : Para determinar o inicio de presa, deixa-se cair a agulha em tempos espaçados de uns 10 min até obter X=4+1 mm. Para determinar o fim de presa, inverte-se o molde e deixa-se cair a agulha em tempos de 30 min até obter uma penetração de 0,5 mm.

Determinação da expansibilidade – Aparelho de Le Chatelier:  Enchem-se os dois moldes e tampam-se com placas de vidro, ficam durante 24h a uma temperatura de 20ºC, medir o afastamento A, aquecer em banho-maria até ferver a água em 30 min e manter a ebulição durante umas 3horas.

Medir o afastamento B, deixar arrefecer até 20ºC, medir o afastamento em C. A expansibilidade resulta da medida C-A. (inferior a 10mm)

Determinação da resistência mecânica – Juntou-se na misturadora, enchem-se os moldes   dá-se 60 pancadas, completa-se o enchimento dos moldes, mais 60 pancadas. Alisa-se a argamassa no molde. Cobrem-se os moldes com vidro, colocam-se durante 24h a T=20ºC. desmoldam-se e colocam-se imersos em água a 20ºC, ensaiam-se durante 28 dias a uma T=20ºC.

Ensaio à flexão:

Aplicam-se forças gradualmente de 50 ± 10 N/s até à rotura e regista-se a força de rotura .

Ensaio à compressão: Aplicam-se forças gradualmente a 2400 ± 200 N/s até à rotura e regista-se a força de rotura.

- CIMENTOS ESPECIAIS

Cimento Supersulfatado – Elevada resistência à água do mar, elevada resistência em ambientes com altas concentrações de sulfatos, resistente a ácidos carboníferos e óleos, baixo calor de hidratação.

80-85% de escórias de alto forno + 10-15% sulfato de cálcio + 5% clínquer de cimento Portland

Cimento Aluminoso – Elevada resistência aos sulfatos, custo elevado de fabricação.

40% alumina + 40% óxido de calcário + 15% de óxido de ferro + 5% de sílica

FIM!!