CIMENTO (CONSTRUÇÃO CIVIL)

CIMENTO

CIMENTO ARTIFICIAL

CIMENTO PORTLAND

INTRODUÇÃO

O cimento é uma substância industrializada em pó originada pela decomposição térmica do calcário e misturada com outros elementos, usado em larga escala na construção civil, principalmente na composição de argamassas para diversos usos, como assentamento de tijolos e revestimento de paredes e muros, por exemplo. É um importante produto multiuso e muito comum atualmente, principalmente na construção civil, obtido pela calcinação do calcário em processo industrial a alta temperatura e adição em menor quantidade de outros elementos, entre eles o gesso, a argila e restos de minério de ferro.

Ele é diferente da cal, mas o cimento industrializado, usado em larga escala na construção civil, quando já ensacado pela indústria, contém uma pequena porcentagem de cal em sua composição. O cimento é um aglomerante em pó de cor cinza em tom mais ou menos escuro ou tom médio, que misturado com areia e água dá a consistência e a propriedade necessárias para a massa. O concreto, por exemplo, é uma massa composta de cimento, água, areia e pedra, que pode ser brita / britada ou cascalho. Depois de algum tempo, quando seco, o concreto se torna muito duro e não volta à sua característica pastosa anterior.

O reboco é um outro exemplo de massa, ele é diferente da massa britada ou concreto, pois possui a areia natural e o cimento e a cal industrializados, misturados pelo pedreiro ou seu ajudante no momento da preparação da massa, e não possui a pedra na sua composição. Ele é uma argamassa usada na fase de acabamento, revestindo de maneira suave, com uma camada uniforme e elegante, a parede bruta e rústica de alvenaria.

O termo cimento é derivado do latim caementu.

HISTÓRIA

Ilustração antiga na forma de gravura de uma antiga fábrica de cimento Portland, de 1895, na cidade de Itzehoe, no estado de Slechwig-Holstein, na Alemanha. Logo abaixo, um exemplo típico de parede residencial erguida pelo assentamento de tijolos de seis furos, usando argamassa de cimento para o assentamento.

Os construtores do antigo Egito utilizavam como aglomerante um material obtido a partir do gesso calcinado, ou seja, aquecido. Entre os antigos gregos e romanos eram usados solos vulcânicos triturados das proximidades de Pozzuoli ou da ilha de Santorini, que endureciam depois de misturados com água.

Em 1786, o engenheiro civil inglês John Smeaton criou uma mistura resistente através da calcinação de calcários argilosos e moles. Esse é o marco da criação do cimento artificial. Em 1818, o engenheiro civil francês Louis Vicat obteve resultados semelhantes aos de John Smeaton pela mistura de componentes argilosos e calcários. Anos depois, em 1824, o construtor inglês Joseph Aspadin 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, depois de empregada em construções, não se dissolvia em água. Assim ela 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.

Atualmente, o cimento Portland é o cimento hidráulico mais utilizado na construção civil. ele foi criado e patenteado em 1824 a partir da concreção do cré ou calcário e da argila em uma fornalha giratória.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

O cimento comum é uma mistura, em forma de pó, de silicatos de cálcio e aluminatos, que pode ser preparado para o emprego na construção civil pela mistura com outros elementos, incluindo a areia e a água, dando origem a uma substância composta pastosa, que pode ser aplicada às superfícies de corpos sólidos, como o tijolo, por exemplo, para fazê-las aderir a outros corpos sólidos idênticos ou diferentes.

Ele é uma importante substância industrializada usada em larga escala, principalmente na construção civil. Ele é um item básico, fundamental e absolutamente indispensável, usado na construção civil. É um material para construção, com importância equivalente ao do tijolo, da areia e da cal. Em condições ambientes, o cimento Portland é um sólido com aspecto próprio de pó na cor cinza. Ele é obtido pela decomposição térmica do calcário, com acréscimo de gesso, argila e escória siderúrgica. O cimento torna-se uma substância pastosa quando misturado com água, mas quando empregado na construção civil ele não volta ao seu estado anterior pastoso, ou seja, ele endurece definitivamente.

Conhecido também como cimento artificial, ele é um aglomerante hidráulico 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 o resultado de uma mistura de várias matérias-primas reduzidas a pó em processo industrial, que depois de ensacado na indústria pode ser usado na construção civil, sendo adicionado à água e se transformando em uma pasta plástica capaz de ligar e/ou aglomerar areia, pedras e tijolos. Depois de endurecido e seco pela ação natural do ambiente em que está ele não volta ao seu estado anterior, tornando-se um material duro e resistente.

Para quem não sabe, um aglomerante é um produto usado para dar liga ou pega a uma mistura usada em construções. Ele tem uma propriedade físico-química fundamental para erguer paredes e rebocá-las, por exemplo. A grosso modo, pode-se dizer que a liga ou pega é a propriedade que a argamassa tem de grudar ou aderir em tijolos e depois disso secar naturalmente, sob a ação do calor ambiente, se endurecendo. Curiosamente, depois do seu endurecimento natural, a argamassa não volta ao estado pastoso, mesmo quando molhada ou mergulhada em água.

A rigor, do ponto de vista puramente teórico, o cimento é um material hidráulico capaz de fazer pega ou liga tanto no ar como na água, mesmo sem estar misturado com areia. Mas do ponto de vista prático, na grande maioria das situações é tecnicamente impossível empregar o cimento na construção civil sem misturá-lo a outros elementos, entre eles a areia e a água.

O calcário é a principal matéria-prima usada na fabricação do cimento Portland. A partir do processo de industrialização do calcário se obtém o clínquer, que, por sua vez, é a principal fonte dos elementos ligantes que compõem o cimento, entre eles os silicatos, o aluminato e o ferroaluminato. Portanto, o processo industrial ao que o calcário é submetido consiste em uma espécie de refinamento, digamos, com a separação das substâncias, úteis ou não, que o compõem.

Outras matérias primas são usadas na fabricação do cimento Portland, entre elas o gesso, a argila e as escórias siderúrgicas.

No processo industrial de fabricação do cimento Portland, o gesso, conhecido também como gipsita, é acrescentado em pequena quantidade, algo em torno de 3% do total do clínquer, para atrasar o tempo de endurecimento da massa. Caso contrário o tempo de endurecimento da massa seria curto demais, inviabilizando tecnicamente o seu uso em larga escala.

A pega do cimento é o fenômeno químico compreendido entre a preparação da massa até o seu emprego definitivo no canteiro de obras. Quando cessa a pega o processo de endurecimento da massa continua até mesmo depois da secagem completa. A pega pode ser mais lenta em temperaturas ambiente mais baixas e mais rápida em temperaturas mais altas, desde que não sejam temperaturas muito altas. O sulfato e o clorureto de cálcio são duas substâncias que podem prolongar a pega, por mais tempo. Também é possível prolongar a pega acrescentando água, desde que não seja em volume exagerado.

A massa tende a endurecer mais rápido em contato com o ar.

COMPOSIÇÃO DO CIMENTO

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 de silicato tricálcico, cuja composição química é (CaO)3SiO2, e silicato dicálcico, cujo composição química é (CaO)2SiO2. Esses compostos possuem 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 matérias-primas necessárias para a obtenção do clínquer são abundantemente encontradas em jazidas de diversas partes do planeta, sendo de cerca de 85% de calcário, cerca de 10% de argila e pequenas porcentagens de minério de ferro.

GESSO

O gesso (ou gipsita), com a fórmula CaS O4 2h2O, é adicionado em cerca de 3% da massa de clínquer e tem a função de estender o tempo de pega do cimento, ou seja, o tempo para início do endurecimento. Sem essa 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 por minério de ferro 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 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 agilas pozolanas ativadas reagem espontaneamente com CaO em fase aquosa, por conterem elevado teor de sílica ativa SiO2. Essa característica levou ao uso de argilas 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. Pra quem não sabe, a impermeabilidade é a característica que um corpo tem de manter isolada a umidade. Isso significa que ele não deixa atravessar em si a água e o ar úmido ou vapor.

As argilas 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 como cinzas 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, de até 900° Celsius ou centígrados, e menor tempo de residência.

Assim como a escória siderúrgica, as argilas 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, com a fórmula CaCO3, e é encontrado abundantemente na natureza. Ele 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 mais volumoso.

TIPOS DE CIMENTOS

CIMENTO DE PEGA LENTA

O cimento de pega lenta, conhecido também como cimento Portland, é o tipo mais usado atualmente em quase todo o mundo, uma unanimidade dentro da construção civil. Ele tem origem na cozedura, até o ponto de uma fusão incipiente, dos calcários com teor de argila superior ao das cales hidráulicas ou de outras misturas.

O teor de argila do cimento Portland está em torno de 20% do total. Ele tem densidade, pega e resistência maior que as das cales. Ele tem um aspecto de pó muito fino, com textura próxima ao da farinha de trigo, mas com a cor totalmente diferente, algo entre os vários tons escuros ou médios de cinza e, eventualmente, com tom meio esverdeado.

Ele tem peso específico alto, em torno de 3.000 kg e 3.200 kg por metro cúbico, com densidade entre 1,1 e 1,5.

CIMENTO DE PEGA RÁPIDA

O cimento de pega rápida, conhecido também como cimento romano, é outro tipo de cimento. Ele é caracterizado pela porcentagem maior de argila em sua composição, algo em torno de 30% do total. O seu emprego na construção é difícil, quase impossível, porque deve ser preparado em ritmo acelerado no canteiro de obras, em no máximo 15 minutos, e a massa endurece em poucas horas, começando a endurecer em torno de meia hora depois de pronto.

Esse cimento tem densidade entre 0,7 e 1,0 e peso específico entre 2.800 kg e 3.000 kg por metro cúbico. A sua cor típica é o amarelo, podendo também apresentar cores entre o cinza e o vermelho. Na verdade, é um tipo de cimento que com o passar dos anos teve seu uso drasticamente reduzido.

PROCESSO DE PRODUÇÃO

O cimento é produzido a partir do calcário, em fornos industriais, num processo conhecido como calcinação:

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 desses materiais se realiza em geral em lavras de superfície, com auxílio de explosivos. As rochas extraídas são britadas até atingirem tamanhos de aproximadamente 20 centímetros ou menos e transportadas para a fábrica em transportadores de correia.

CLÍNQUER

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

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.

Os materiais provenientes das pilhas de pré-homogeneização são introduzidos em moinhos para que se misturem e atinjam granulometria e umidade adequadas aos processos posteriores. Esse processo, também chamado de "moagem de cru", faz uso de gases quentes residuais do forno de clinquerização, empregados como fonte de calor para secagem. No jargão da indústria, o produto da 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

A quase totalidade dos fornos de cimento atualmente operantes contam com torres de pré-aquecimento, responsáveis por remover a umidade ainda restante no material, geralmente 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.

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 seqüência 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° Celsius a 1000° Celsius ou centígrados, o suficiente para que 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 rpm 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 de clinquerização de 1.400° Celsius ou centígrados, suficientes para torná-la incandescente e pastosa. A menor temperatura produz cal e a maior temperatura apenas aumenta o consumo energético. A capacidade de produção de um forno médio é 3.000 toneladas a 4.000 toneladas por dia, os maiores fornos do mundo produzem até 10.000 toneladas por dia.

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, o ar secundário, auxiliar na combustão na zona de queima; o ar terciário, auxiliar na combustão do calcinador; e o ar de excesso, 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, gás natural, coque de petróleo e resíduos industriais. Cerca de 7% das emissões de gás carbônico ou CO2 no planeta são decorrentes da produção de cimentos e cales, devido à combustão e ao processo de descarbonatação da matéria-prima, mas as indústrias, na maioria dos países, têm tomado iniciativas de modernização dos sistemas para reduzir a poluição e/ou têm sido obrigadas a fazer essas modernizações pelos respectivos governos.

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, esse 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, no Japão e nos Estados Unidos, que consiste em transformar resíduos em combustíveis alternativos e/ou substitutos de matéria prima, desta forma reduzindo o consumo de combustível fóssil e assim contribuindo com o meio ambiente.

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