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FABRICAÇÃO DE CIMENTO
1) HISTÓRICO
A procura por segurança e durabilidade para as edificações conduziu o homem à experimentação de diversos materiais aglomerantes. Os romanos chamavam esses materiais de "caementum", termo que originou a palavra cimento.
O engenheiro John Smeaton, por volta de 1756, procurava um aglomerante que endurecesse mesmo em presença de água, de modo a facilitar o trabalho de reconstrução do farol de Edystone, na Inglaterra. Em suas tentativas, verificou que uma mistura calcinada de calcário e argila tornava-se, depois de seca, tão resistente quanto as pedras utilizadas nas construções.
Coube, entretanto, a um pedreiro, Joseph Aspdin, em 1824, patentear a descoberta, batizando-a de cimento Portland, numa referência à Portlandstone, tipo de pedra arenosa muito usada em construções na região de Portland, Inglaterra. No pedido de patente constava que o calcário era moído com argila, em meio úmido, até se transformar-se em pó impalpável. A água era evaporada pela exposição ao sol ou por irradiação de calor através de cano com vapor. Os blocos da mistura seca eram calcinados em fornos e depois moídos bem finos.
Poucos anos antes, na França, o engenheiro e pesquisador Louis Vicat publicou o resultado de suas experiências contendo a teoria básica para produção e emprego de um novo tipo de aglomerante: o cimento artificial.
Aquele produto, no entanto, exceto pelos princípios básicos, estava longe do cimento Portland que atualmente se conhece, resultante de pesquisas que determinam as proporções adequadas da mistura, o teor de seus componentes, o tratamento térmico requerido e a natureza química dos materiais.
O cimento Portland desencadeou uma verdadeira revolução na construção, pelo conjunto inédito de suas propriedades de moldabilidade, hidraulicidade (endurecer tanto na presença do ar como da água), elevadas resistências aos esforços e por ser obtido a partir de matérias-primas relativamente abundantes e disponíveis na natureza.
A criatividade de arquitetos e projetistas, a precisão dos modernos métodos de cálculo e o genialidade dos construtores impulsionaram o avanço das tecnologias de cimento e de concreto, possibilitando ao homem transformar o meio em que vive, conforme suas necessidades. A importância deste material cresceu em escala geométrica, a partir do concreto simples, passando ao concreto armado e finalmente, ao concreto protendido. A descoberta de novos aditivos, como a sílica ativa, possibilitou a obtenção de concreto de alto desempenho (CAD), com resistência à compressão até 10 vezes superiores às até então admitidas nos cálculos das estruturas.
Obras cada vez mais arrojadas e indispensáveis, que propiciam conforto, bem-estar - barragens, pontes, viadutos, edifícios, estações de tratamento de água, rodovias, portos e aeroportos - e o contínuo surgimento de novos produtos e aplicações fazem do cimento um dos produtos mais consumidos da atualidade, conferindo uma dimensão estratégica à sua produção e comercialização.
2) MATÉRIAS-PRIMAS
O carbonato de cálcio é conhecido desde épocas muito remotas, sob a forma de minerais tais como a greda, o calcário e o mármore.
O calcário é um rocha sedimentar, sendo a terceira rocha mais abundante na crosta terrestre e somente o xisto e o arenito são mais encontrados.
O elemento cálcio, que abrange 40% de todo o calcário, é o quinto mais abundante na crosta terrestre, após o oxigênio, silício, alumínio e o ferro.
De acordo com o teor de Magnésio o calcário se classifica em:
- calcário calcítico (CaCO 3 )
O teor de MgO varia de 0 a 4%. Devido à maior quantidade de cálcio a pedra quebra com maior facilidade e em superfícies mais uniformes e planas. Este calcário, também por Ter menor quantidade de carbonato de magnésio exige maior temperatura para descarbonatar.
- calcário dolomítico (CaMg(CO 3 ) 2 ) O teor de MgO é acima de 18% e por isso possui uma temperatura de descarbonatação ainda menor do que o calcário magnesiano.
- calcário magnesiano (MgCO 3 )
- O teor de MgO varia de 4 a 18%. A presença maior de carbonato de magnésio faz com que este calcário tenha características bem diferentes do calcítico:
- É uma pedra mais dura, quebrando sempre de forma irregular, formando conchas de onde vem o nome de pedra cascuda. O calcário magnesiano necessita de menos calor e uma temperatura menor para descarbonatar do que o calcítico. É ideal para fabricação de cal. Obs.: Apenas o calcário vem sendo utilizado na fabricação do cimento.
O uso de calcário com alto teor de MgO causa desvantagens na hidratação do cimento:
MgO + H 2 O → Mg(OH) 2
Isso provoca o aumento do volume e produz sais solúveis que enfraquecem o concreto quando exposto a lixiviação.
b) ARGILA São silicatos complexos contendo alumínio e ferro como cátions principais e potássio, magnésio, sódio, cálcio, titânio e outros. A escolha da argila envolve disponibilidade, distância, relação sílica/alumínio/ferro e elementos menores como álcalis. A argila fornece os componentes Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 e SiO 2. Podendo ser utilizado bauxita, minério de ferro e areia para corrigir, respectivamente, os teores dos componentes necessários, porém são pouco empregados. c) GESSO É o produto de adição final no processo de fabricação do cimento, com o fim de regular o tempo de pega por ocasião das reações de hidratação. É encontrado sob as formas de gipsita (CaSO 4. 2H 2 O), hemidratado ou bassanita (CaSO 4 .0,5H 2 O) e anidrita (CaSO 4 ). Utiliza-se também o gesso proveniente da indústria de ácido fosfórico a partir da apatita:
Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3H 2 SO 4 + 6H 2 O → 2H 3 PO 4 + 3(CaSO. 2H 2 O)
ANÁLISE TÍPICA DE MATÉRIAS PRIMAS NA NATUREZA
COMPOSTO
S
GIZ ARGILA CALCÁRI
O
ARDÓSI
A
MARGA MISTURA
CRUA
SiO 2 1,14^ 60,48^ 2,16^ 55,67^ 16,86^ 12, Al 2 O 3 0,28^ 17,79^ 1,09^ 21,50^ 3,38^ 3, Fe 2 O 3 0,14 6,77 0,54 9,00 1,11 2, CaO 54,68 1,61 52,72 0,89 42,58 41, MgO 0,48 3,10 0,68 2,81 0,62 3, SO 3 0,07^ 0,21^ 0,03^ 0,30^ 0,08^ 0, P. F. 43,04 60,65 42,39 4,65 34,66 36, K 2 O 0,04^ 2,61^ 0,26^ 4,56^ 0,66^ 0, Na 2 O 0,09 0,74 0,11 0,82 0,12 0,
3) PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO CIMENTO 3.1) Preparação da mistura crua (Moagem de cru) Os componentes que mais interessam na fabricação do cimento são:
CaO, SiO 2. Fe 2 O 3 , Al 2 O 3.
O Calcário e argila são misturados e moídos a fim de se obter uma mistura crua para descarbonatação e clinquerização.
O processo de moagem desta mistura envolve a pesagem do calcário e argila na proporção que atenda as seguintes relações dos componentes:
Módulo de Sílica (MS) = SiO (^2)
Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 Módulo de alumina (MA) = Al 2 O (^3)
Fe 2 O 3
Fator de Saturação da cal (FSC) = CaO X 100
2,81SiO 2 + 1,18Al 2 O 3 + 0,65Fe 2 O 3 O material cru moído a uma granulométrica de 3% retida na peneira ABNT no. 100 (0,150mm) e a 13% na ABNT 170 (0,088mm).
O processo de moagem consiste na entrada dos materiais dosados, num moinho de bolas ou de rolos, onde a moagem ocorre com impacto e por atrito.
No processo de clinquerização os combustíveis mais utilizado para elevar a temperatura de clinquerização (~1400°C) são: óleo pesado, coque de petróleo, carvão mineral ou vegetal.
Interior do forno em operação Para que ocorra o aquecimento do material cru, o mesmo é lançado numa torre de ciclones onde em fluxo contrário, corre os gases quentes da combustão. Nos ciclones ocorrem a separação dos gases e material sólido. Os gases são lançados na atmosfera após passarem por um filtro eletrostático onde as partículas, ainda presentes dos gases são precipitadas e voltam ao processo.
Após passagem pelos ciclones o material entra no forno rotativo onde ocorrem as reações de clinquerização.
Após a clinquerização o clínquer formado é bruscamente resfriado com ar frio em contra corrente. O clínquer daí é estocado em silos para a produção do cimento.
3.2.1 Etapas do processo de clinquerização
a) Evaporação da água livre Ocorre em temperaturas abaixo de 100°C. Ocorre no primeiro estágio de ciclones.
H 2 O líquido (100°C) → H 2 O vapor (100°C) - 539,6 cal/g
b) Decomposição do carbonato de magnésio A decomposição da dolomita em MgO e CO 2 tem início em 340°C, porém a medida que o teor de cálcio aumenta, também se eleva a temperatura de decomposição.
MgCO 3 (sólido) (340°C) → MgO (sólido) + CO 2 (gasoso) - 270 cal/g
O MgO liberado vai dissolver-se na fase líquida (fundida), formada durante a queima e em parte formará soluções sólidas com as fases mais importantes do clínquer.
Na temperatura de clinquerização o MgO não se combina com os demais óxidos presentes, ficando livre na forma de periclásio.
c) Decomposição do carbonato de Cálcio
Esta reação tem início em temperatura acima de 805°C, sendo 894°C a temperatura crítica de dissociação do carbonato de cálcio puro a 1 atm de pressão.
CaCO 3 (sólido) → CaO (sólido) + CO 2 (gás) - 393 cal/g Esta reação de descarbonatação é uma das principais para obtenção do clínquer, devido ao grande consumo de energia necessária à sua realização e à influência sobre a velocidade de deslocamento de material no forno.
Nos fornos com pré-calcinadores cerca de 94% da descarbonatação ocorre no pré- calcinador e o restante no forno.
Em fornos sem pré-calcinadores cerca 60% ocorre nos ciclones IV.
É imprescindível que a descarbonatação esteja completa para que o material penetre na zona de alta temperatura no forno (zona de clinquerização).
d) DESIDROXILAÇÃO DAS ARGILAS As primeiras reações de formação do clínquer iniciam-se em 550°C, com a desidroxilação da fração argilosa da farinha (cru).
A argila perde a água combinada, que oscila entre 5 e 7%, dando origem a silicatos de alumínio e ferro altamente reativos com o CaO que está sendo liberado pela decomposição do calcário.
A reação entre os óxidos liberados da argila e o calcário, é lenta e a princípio os compostos formados contém pouco CaO fixado.
Com o aumento da temperatura a velocidade da reação aumenta e os compostos enriquecem em CaO.
e) Formação do 2CaO.SiO 2
1000°C a 1200°C Formação do 2CaO.SiO 2 desaparecimento do SiO 2 livre
Endotérmico
1250°C a 1280°C Início da formação de líquido Endotérmico 1400°C a 1450°C (^) Complementação da formação de 3CaO.Al 2 O 3 e 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3. Desaparecimento de CaO livre por reação com o 2CaO.SiO 2 , para formar o 3CaO.SiO 2.
Endotérmico
CALOR LIBERADO E ABSORVIDO NA FABRICAÇÃO DE 1 Kg
DE CLINQUER
CALOR ABSORVIDO (REAÇÕES ENDOTÉRMICAS) Kcal/Kg
Aquecimento da matéria prima de 20°C a 450°C + 170
Desidroxilação de argilas a 450°C + 40
Aquecimento do material de 45°C a 900°C + 195
Decomposição do material carbonático + 475 Aquecimento do material carbonático de 900°C a 1400°C + 125
Calor de fusão + 25
Sub Total .... 1.
CALOR LIBERADO (REAÇÕES EXOTÉRMICAS)
Cristalização exotérmica de argilas desidratas - Calor exotérmico da formação de componentes do clínquer - 100 Resfriamento do clínquer de 1400°C a 20°C - 360 Resfriamento do CO 2 DE 900°C a 20°C - 120 Vapor de resfriamento de 450°C a 20°C, incluindo a condensação da água
Sub Total - 610
Calor Líquido + 420
Portanto, o calor necessário será de 420 Kcal/kg de clínquer. Este valor não considera as perdas como as perdas por radiação e outras. Sendo a eficiência do processo de ~50%. Atualmente, forno mais modernos chegam a um consumo de 720Kcal/Kg de clínquer.
4) PRODUÇÃO CIMENTO
O cimento é produzido moendo-se o clínquer produzido no forno, com o gesso. É permitido também a adição de calcário e escória de alto forno (fabricação de ferro gusa) em teores determinados de acordo com o tipo de cimento a ser produzido.
O Cimento Portland de alta resistência inicial (ARI) - NBR 5733 , o cimento portland branco, o cimento portland de moderada resistência aos sulfatos e moderado calor de hidratação (MRS) e o cimento portland de alta resistência a sulfatos (ARS) – NBR 5737, não recebem outros aditivos, a não ser o gesso. Portanto, são feito de clínquer + gesso.
O gesso é destinado ao controle do tempo de pega do cimento, para propiciar o manuseio ao adicionar água.
O teor de gesso varia em torno de 3% no cimento. O cimento portland de alto forno – NBR 5735, além de gesso, recebe 25 a 65% de escória.
Cimento portland pozolânico – NBR 5736, recebe além de gesso, a adição de material pozolânico (argila calcinada ou pozolana natural), nos seguintes teores: de 10 a 40% para cimento tipo 25 Mpa e de 10 a 30% para tipo 32 Mpa.
Para o cimento portland comum – NBR 5732, é permitida a adição de escória granulada de alto forno num teor de até 10%.
O clínquer com seus aditivos mencionados, passam ao moinho para a moagem final, onde devem ser asseguradas granulometrias convenientes para qualidade do cimento.
Após moído o cimento é transportado para silos de estocagem, onde são extraído e ensacados em ensacadeiras automáticas em sacos de 50 ou 25 Kg.
a) HIDRATAÇÃO DO CIMENTO
A composição do cimento portland comum pode ser apresentada nas faixas abaixo:
3CaO.SiO 2 → 18 a 66%
2CaO.SiO 2 → 11 a 53%
3CaO.Al 2 O 3 → 2 a 20%
4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 → 4 a 14%
COMPOSIÇÃO QUÍMICA %
3CaO.Al 2 O 3 + CaSO 4. 2H 2 O → 3CaO. Al 2 O 3. CaSO 4 .12H 2 O (trisulfoaluminato cálcico hidratado)
c) TIPOS DE CIMENTO MAIS COMUNS
TIPO DE CIMENTO RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO (Mpa)
APLICAÇÃO
3 dias 7 dias 28 dias CPIIF32– cimento portland comum
10 20 32 Aplica-se a obras diversas, concreto simples, concreto armado, não sendo utilizado para desenformas rápidas e para uso em águas marinhas. CPIIF40 – cimento portland 14 24 40 Utilizado para desenformas rápidas, e resistências mecânicas maiores em tempo menor. Usando também na fabricação de pré-moldados: telhas, caixas de água etc.
AF 32 – cimento de alto forno
Seu emprego é generalizado em obras de concreto simples e concreto armado, além disso, é indicado em concreto exposto a águas agressivas como água do mar e sulfatadas, dentro de certos limites.
POZ 32 – cimento portland pozolânico
Seu emprego é generalizado não havendo contra- indicação desde que respeitadas suas peculiaridades como às menores resistências nos primeiros dias. CP ARI – cimento portland de Alta Resistência Inicial
24 h 3dias 7 dias É especialmente empregado quando necessita-se (^11 22 31) desenforma rápida.
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS
TIPOS DE CIMENTO PORTLAND
Tipo (^) Classe ana"> Resist. MPa
**Composição Norma Brasileira Clínquer
Escória Alto Forno
Pozolana Materiais Carbonáticos
CP I CPI- S
25 32 40
100
95 - 99
0
1 - 5
NBR 5732
CP II - E CP II - Z CP II - F
25 32 40
56 - 94 76 - 94 90 - 94
6 - 34 6 - 14 0 - 10 0 - 10 6 - 10
NBR 11578
CP III 25 32 40
25 - 65 35 - 70 0 0 - 5 NBR 5735
CP IV 25 32
45 - 85 0 15 - 50 0 - 5 NBR 5736
CP V - ARI . 95 - 100 0 0 0 - 5 NBR 5733
CP V - ARI - RS 95 - 100 * * 0 - 5 NBR 5737
*** CP V-ARI-RS admite adição de escória ou material pozolânico, porém a NBR- (Cimentos Portland resistentes a sulfatos) não fixa limites. CP I Cimento Portland Comum CP I - S Cimento Portland Comum com adição CP II - E Cimento Portland Composto com Escória de Alto Forno CP II - Z Cimento Portland Composto com Pozolana CP II - F Cimento Portland Composto com Filler (Calcário) CP III Cimento Portland de Alto Forno CP IV Cimento Portland Pozolânico CP V - ARI Cimento Portland Alta Resistência Inicial CP V - ARI - RS Cimento Portland Alta Resistência Inicial e Resistente a Sulfatos**
EXIGÊNCIAS FÍSICAS
Tipo s
Class e (MPa)
Finura Tempo de Pega
Expansibilidad e
Resistência à Compressão
# 200 ( um)
Blaine (m²/Kg)
Iníci o (h)
Fim (h)
A Frio (mm)
A quente (mm)
1 Dia (MPa )
3 Dia (MPa)
7 Dias (MPa)
28 Dias (MPa) CP I CP I
- S
25 32 40
< 12,
< 12,
< 10,
**> 240
260 280**
> 1 <10, 0
**z< 5,0 < 5,0 - > 8,
10,**
>15,
>15,
>20,
>25,
**>25,
32, 40,**
CP II
**- E CP II
25 32 40
< 12, < 12,
< 10,
**> 240
260 280**
> 1 <10, 0
**< 5,0 < 5,0 - > 8,
10,**
>15,
**>15,
20,**
>25,
**>25,
32, 40,**
CP III
25 32 40
< 8,0 - > 1 <12, 0
**< 5,0 < 5,0 - > 8,
10,**
>12,
**>15,
20,**
>23,
**>25,
32, 40,**
CP IV
25 32
< 8,0 - > 1 <12, 0
**< 5,0 < 5,0 - > 8,
10,**
**>15,
20,**
**>25,
32, CP V - ARI < 6,0 > 300 > 1 <10, 0**
< 5,0 < 5,0 >14, 0
>24,0 >34,0 -
CP V - ARI
- RS
< 6,0 > 300 > 1 <10, 0
< 5,0 >11, 0
>24,0 >34,0 -
EXIGÊNCIAS QUÍMICAS
Tipos Resíduo Insolúvel Perda ao Fogo MgO SO3 CO % % % % %
Sal no cimento. O NaCl (cloreto de sódio) ou sal de cozinha como é popularmente conhecido
quando adicionado ao cimento faz com que o tempo de pega diminua, isto é o início do endurecimento é mais rápido.
CUIDADO! Não adicione sal ao cimento! Sem orientação segura, a adição de sal também poderá provocar corrosão na armadura bem como outros danos caso não sejam tomados os devidos cuidados.
Não compre pela cor do cimento. A cor do cimento está relacionada com a origem de suas matérias primas e
adições não tendo nenhuma influência na qualidade do produto. A cor pode variar de tonalidade mesmo em um mesmo tipo de cimento; de um cinza mais claro para
um mais escuro e até mesmo um cinza esverdeado ou puxando para o marrom.
6) MANUSEIO
Quais são os cuidados que devemos tomar ao armazenar os sacos de cimento?
Empilhar no máximo 10 sacos, evitando assim compactação do cimento no saco; Não colocar os sacos diretamente no piso, utilizando para isso um estrado de
madeira; Quando o piso for impermeabilizado os sacos poderão ser colocados sobre
lona plástica;
Os sacos de cimento podem estar encostados em paredes ou tetos?
Não. Recomenda-se deixar um espaçamento, garantindo assim que os sacos não absorvam a umidade existente na parede.
As pilhas de sacos de cimento podem ser feitas em qualquer lugar? Não. Devem ser feitas em lugares cobertos protegidos das intempéries,
evitando-se lugares abertos, sujeito a empoçamento, goteiras, locais úmidos.
Exemplo correto de empilhamento
Como deverão ser dispostos os sacos num depósito?
Os sacos de cimento deverão ser dispostos em forma de lotes, de tal maneira que os cimentos mais antigos sejam comercializados antes dos cimentos mais
novos;
Também se faz necessário a identificação dos lotes de diferentes tipos e marcas de
cimento para que não sejam misturados;
A adoção de lotes identificados com data, tipo e marca facilitam a inspeção e controle do estoque.
O transporte do cimento altera sua qualidade? Não, no entanto algumas regras básicas devem ser observadas:
Os caminhões deverão estar em boas condições evitando-se assim rasgamento dos sacos ou incidência de chuva na carga; Os sacos deverão estar cobertos por lonas e estas em boas condições;
Por que o cimento as vezes pode chegar quente no depósito? Porque na moagem de cimento o calor produzido, pelo atrito no interior do
moinho, aquece o cimento.
Podemos utilizar cimento quente? Não. Como fica difícil medir a temperatura do cimento nas obras, recomenda-
se que o cimento seja utilizado a temperatura ambiente. Quando o cimento estiver quente convém esperar que esfrie.
Em regiões onde o inverno é rigoroso, com temperaturas ambiente inferiores a 10º C, recomenda-se que não sejam feitas concretagens. Também em dias de calor elevado, com temperaturas superiores a 35º C, cuidados especiais devem ser
tomados para evitar fissuras, secagens muito rápidas e etc.
Recomenda-se que seja consultada a Assessoria Técnica do fabricante para
melhores orientações nestes casos.
O cimento pode causar mal a saúde? Assim como outros materiais destinados a construção civil, o cimento pode causar alergia em algumas pessoas, as chamadas "dermatites";
Recomenda-se que o contato direto com a pele seja evitado, através do uso de equipamentos de proteção individual (luvas, máscaras, botas). Quando o contato for inevitável ou acidental deve-se evitar o contato prolongado realizando-se a
limpeza com auxílio de água e sabão.
No caso do aparecimento de reação alérgica bem como ingestão ou inalação,
deve-se afastar a pessoa do contato com o cimento e procurar auxílio médico.
O trabalhador pode carregar vários sacos de uma só vez? Não. Esta prática poderá provocar queda e rasgamento dos sacos além de
possíveis danos a saúde.
Existe mais cimento nos sacos maiores ou com mais folhas de papel? Não. Os pesos líquidos dos sacos de cimento são : 50 Kg ou 25 Kg; O tamanho do saco bem como o número de folhas de papel não implica na quantidade de cimento existente.
A Norma Brasileira permite a variação menor ou igual a 2% no peso do saco, significando que um saco poderá conter no mínimo 49 Kg e no máximo 51 Kg.
Caso o peso médio de uma pesagem de 30 sacos pertencentes a um lote seja inferior a 50 Kg o lote deverá ser rejeitado.
Obs.: Entende-se por Lote a quantidade máxima de 30t, referente ao cimento oriundo do mesmo produtor, entregue na mesma data e mantido nas mesmas
condições de armazenamento.
7) BIBLIOGRAFIA
