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REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – REDEMAT
UFOP – CETEC – UEMG
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
OBTENÇÃO DE CIMENTO PORTLAND, QUIMICAMENTE
MODIFICADO,UTILIZANDO-SE LAMA DE ACIARIA COM BAIXO TEOR DE
FERRO METÁLICO
Flávia Valéria Oliveira Rezende
Orientador: Prof. Dr. Cristovam Paes de Oliveira
Co-Orientador: Prof. Dr. Fernando Gabriel Araújo
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Rede Temática em
Engenharia de Materiais - REDEMAT, do convênio entre a Universidade Federal de
Ouro Preto – UFOP, o Centro Tecnológico de Minas Gerais - CETEC e a
Universidade do Estado de Minas Gerais – UEMG, como parte integrante dos
requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.
Ouro Preto – MG
Julho de 2004
UFOP - CETEC - UEMG
À minha família.
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS .......................................................................................... iv
RESUMO .............................................................................................................. v
ABSTRACT ......................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS........................................................................................... vii
LISTA DE TABELAS ........................................................................................... ix
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1
1.1- Aspectos Gerais Sobre Resíduos ............... ................................................. 1
1.2- Aspectos Gerais da Reciclagem de Resíduos .... ........................................ 4
1.2.1 - Resíduos Industriais na Indústria de Cimento .......................................... 6
1.2.2 – Matérias Primas Alternativas na Indústria Cimenteira ............................. 8
1.2.2.1 – Escória de Alto-Forno ....................................................................... 8
1.2.2.2 – Cinzas Volantes ................................................................................ 9
1.2.2.3 – Lama Vermelha ............................................................................... 10
1.2.2.4 – Lama Galvânica .............................................................................. 11
2. OBJETIVOS ...................................... ................................................................ 12
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................... ........................................ 13
3.1 - Histórico ................................... ................................................................... 13
3.2 - Tecnologia da Fabricação do Cimento Portland ...................................... 15
3.3 - Matérias Primas do Cimento .................. .................................................... 17
3.3.1 – Calcários ............................................................................................... 17
3.3.2 - Argila ...................................................................................................... 18
3.3.3 – Gesso .................................................................................................... 18
3.4 - Processo de Fabricação do Cimento Portland .. ...................................... 18
3.4.1 - Preparação da Farinha (moagem) ........................................................ 19
3.4.2 - Processo de Clinquerização ................................................................... 21
3.4.2.1 - Etapas do Processo de Clinquerização ........................................... 23
3.4.3 – Hidratação do Cimento Portland............................................................ 26
3.5 – Forno de Cimento ............................ .......................................................... 30
ii
3.6 – Aplicações dos diversos tipos de Cimento. ... ......................................... 35
3.7 – Especificações Técnicas. .................... ...................................................... 36
4. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 38
4.1 – Caracterização do Resíduo ................... .................................................... 40
4.1.1 - Análise Granulométrica. ....................................................................... 40
4.1.2 – Moagem do Resíduo ............................................................................. 41
4.1.2.1 – Método de Bond .............................................................................. 41
4.1.3 - Caracterização Químico-Mineralógica. .................................................. 45
4.1.3.1 – Difração de Raios-X: ....................................................................... 45
4.1.3.2 - Análise Química: ............................................................................. 45
4.1.3.3 – Espectroscopia Mossbauer: ........................................................... 46
4.2 – Propriedades Físicas / Ensaios de Cimento ... ......................................... 46
4.2.1 – Finura .................................................................................................... 46
4.2.2 – Tempo de Pega ..................................................................................... 50
4.2.3 – Expansibilidade ..................................................................................... 52
4.2.4 – Resistência à Compressão .................................................................... 54
4.3 – Exigências Físicas .......................... ........................................................... 56
4.4 – Preparação das Amostras ..................... .................................................... 57
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................... 58
5.1 – Valores das características Físicas do Resídu o ..................................... 58
5.1.1 – Análise Granulométrica ......................................................................... 58
5.1.2 – Determinação do WI .............................................................................. 59
5.1.3 – Determinação das Fases Presentes. ..................................................... 62
5.1.4 – Resultado da Análise Química .............................................................. 63
5.1.5 – Espectro Mossbauer .............................................................................. 63
5.2 – Propriedades Físicas das Amostras ........... ............................................. 65
5.2.1 – Finura .................................................................................................... 65
5.2.1.1 – Determinação do IF por meio da peneira n0 200: ........................... 65
5.2.1.2 – Determinação da Superfície Específica .......................................... 66
5.2.2 - Tempo de Pega ...................................................................................... 69
5.2.2.1.- Determinação da Água da Pasta de Consistência Normal .............. 69
iii
5.2.2.2 – Determinação dos Tempos de Pega ............................................... 70
5.2.3 – Expansibilidade. .................................................................................... 71
5.2.4 – Resistência à Compressão .................................................................... 71
5.2.4.1 – Granulometria da areia ................................................................... 71
5.2.4.2 – Determinação das Resistências Médias ......................................... 74
5.2.4.3 – Análise Gráfica dos Resultados ...................................................... 79
6. CONCLUSÕES ................................................................................................. 83
SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ................................................ 85
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................... ............................. 86
ANEXOS ........................................................................................................... 90
I – Formulário para o cálculo do WI: .............................................................. 90
II – Determinação da resistência à compressão das amostras 40 (CP-III 32) e
50 (CP-III 32): ................................................................................................ 91
III – Determinação da resistência à compressão das amostras 40 (CP-V ARI)
e 50 (CP-V ARI): ............................................................................................ 92
iv
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Cristovam Paes de Oliveira, pela amizade e apoio demonstrados em
todos esses anos de convívio, pelo incentivo e disponibilidade que motivaram e
sustentaram a realização deste trabalho.
À Fundação Gorceix, que disponibilizou o material (resíduo), a moagem e a
caracterização químico-mineralógica do mesmo.
Ao Erivelto L. Souza, pelo apoio, orientação/discussão dos resultados e o
atendimento cordial e amigo, sempre.
Ao Prof. Espedito F. Teixeira de Carvalho, pela disponibilização do
Laboratório de Materiais de Construção do DECIV/EM/UFOP e pela avaliação
técnica dos resultados obtidos.
Ao Geraldo M. Silva, funcionário do Laboratório de Materiais de Construção,
pela boa vontade, paciência e disponibilidade que, em esforço conjunto, foram
essenciais à execução dos ensaios.
À REDEMAT, através de seus professores e coordenadores, principalmente,
o Prof. Fernando Gabriel, pelo incentivo durante o processo de admissão ao
programa de Pós-Graduação e disponibilidade durante a realização deste estudo.
v
RESUMO
A disposição de resíduos, nas suas mais diversas formas, tem sido, nas
últimas décadas, um grande problema que aflige a sociedade de uma maneira geral.
Muitos estudos têm sido desenvolvidos, visando a sua correta disposição,
aproveitamento ou mesmo destruição. Relatos de experimentos que vão desde o
mero abandono no meio ambiente até processos mais sofisticados como a
reciclagem, a solidificação, a incineração e o co-processamento, dentre outros, são
abundantes na bibliografia técnica. Há décadas a indústria de cimento tem sido
utilizada como veículo, economicamente viável, para a destinação de alguns tipos de
resíduos inorgânicos, que substituem parte da matéria-prima utilizada no processo
de obtenção de cimento, transformando o que era considerado resíduo, às vezes um
subproduto perigoso e incômodo, em um produto comercial.
Este trabalho tem por objetivo aproveitar resíduos provenientes do
processamento de lamas de aciaria pela técnica de ultrassonagem. Como
conseqüência do referido processamento, é gerado um “novo resíduo” que é objeto
de estudo deste trabalho. Este material, que pode ser denominado “resíduo
secundário”, é composto basicamente de CaO, SiO2 e óxidos de Fe.
As amostras analisadas foram produzidas pela mistura do resíduo, após sua
completa caracterização físico-química, a cimentos do tipo Portland (CP-III e CP-V),
em teores crescentes de 10 a 50%, em peso. Tais misturas foram analisadas quanto
às propriedades físicas finais como, por exemplo, finura, tempo de pega,
expansibilidade e resistência.
Os resultados alcançados mostraram não haver comprometimento das
principais propriedades físicas, para adições de até 10% do resíduo, aos cimentos.
Adições superiores, mostraram valores fora dos limites impostos pelas normas
técnicas, muito embora alguns deles não comprometem, sensivelmente, a qualidade
do produto obtido, para um eventual consumo. Uma simples análise de custo,
mostra que os produtos gerados com a adição do resíduo em estudo, são
economicamente viáveis, sem se levar em consideração que a sua eliminação do
meio ambiente é, por si só, a maior justificativa para a sua utilização na indústria
cimenteira.
vi
ABSTRACT
The disposition of residues, in its more several forms, has been, in the last
decades, a big problem that afflicts the society in a general way. Many studies have
been developed, intending its correct disposition, use or, even, destruction. Reports
of experiments that begins to relate from the mere abandonment in the environment
until more sophisticated processes, such as, the recyclable, the solidification, the
incineration and the co-processing, and others, are abundant in the technical
bibliography. There are decades that the cement industry has been used as vehicle,
economically viable, for the destination of some types of inorganic residues, that
substitute part of the raw material used in the process of cement acquisition,
changing what was considered residue, sometimes, a dangerous and uncomfortable
by-product, into a commercial product.
This work has as a purpose to take advantage of the residues that comes from
the processing of aciaria mud, through the technique by ultrasound. As a
consequence of the referred processing, is generated a " new residue " that is this
work object of study. This material, that can be denominated “secondary residue,” is
composed basically of CaO, SiO2 and Fe oxides.
The analyzed samples were produced by the mixture of the residue, after its
complete characterization physical-chemistry, with cements of the Portland kind (CP-
III and CP-V), in growing contents from 10 to 50%, in weight. These mixtures were
analyzed based on the final physical properties as, for example, thinness, handle
time, expansion and resistance.
The reached results showed there isn’t damage of the main physical
properties, for additions until 10% of the residue in the cements. Superior additions,
showed values out of the limits established for the technical norms, although, some
of them don't compromise, sensibly, the quality of the obtained product, for an
eventual consumption. A simple cost analysis, shows that the products generated
with the addition of the residue in study, are viable economically, without taking into
consideration that its elimination of the environment is, by itself, the most important
justifiable for its use in the cement industry.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Processo de moagem da farinha. .......................................................................................... 20
Figura 2. Silos de homogeneização na fabricação de cimento............................................................. 21
Figura 3. Resistência à compressão de pastas dos constituintes puros do cimento, em
função do tempo de endurecimento . .................................................................................................... 28
Figura 4. Representação esquemática do perfil térmico de um forno de cimento, no
processo seco.. ..................................................................................................................................... 32
Figura 5. Fluxo de gases e material no forno de cimento. .................................................................... 33
Figura 6. Produção de cimento . ........................................................................................................... 34
Figura 7. Fluxograma das etapas desenvolvidas no estudo. ................................................................ 38
Figura 8. Fluxograma para a determinação do WI pelo método de Bond. ........................................... 44
Figura 9. Aspecto do resíduo após moagem ........................................................................................ 45
Figura 10. Esquema do permeâmetro de Blaine .................................................................................. 48
Figura 11. Frasco de Le Chatelier e permeabilímetro de Blaine utilizados nos ensaios. ..................... 50
Figura 12. Esquema do aparelho de Vicat ............................................................................................ 51
Figura 13. Aparelho de Vicat e amostras das misturas ensaiadas ....................................................... 52
Figura 14. Máquina utilizada no ensaio de resistência à compressão . .............................................. 55
Figura 15. Granulometria da alimentação na moagem. ........................................................................ 60
Figura 16. Granulometria do produto moído. ........................................................................................ 60
Figura 17. Difratograma de raios-X da amostra do resíduo .................................................................. 62
Figura 18. Espectro Mossbauer da amostra do resíduo à temperatura ambiente. ............................... 64
Figura 19. Índice de finura das amostras das misturas. ....................................................................... 66
Figura 20. Área específica das amostras das misturas. ....................................................................... 68
Figura 21. Tempo de pega das amostras das misturas. ....................................................................... 70
Figura 22. Corpos de prova das misturas: natural, capeado e rompido ............................................... 73
Figura 23. Corpos de prova das misturas. ............................................................................................ 73
Figura 24. Rompimento dos corpos de prova das misturas: forma cônica ........................................... 73
Figura 25. Resistência à compressão / Amostra 0. .............................................................................. 79
Figura 26. Resistência à compressão / Amostra 10. ............................................................................ 80
viii
Figura 27. Resistência à compressão / Amostra 20. ............................................................................ 80
Figura 28. Resistência à compressão / Amostra 30. ............................................................................ 81
Figura 29. Resistência à compressão / Amostra 0 x Amostra 10. ........................................................ 82
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Resíduos utilizados como combustíveis secundários em fornos de cimento ......................... 7
Tabela 2. Classificação, segundo sua composição, de alguns resíduos utilizados como
matéria prima secundária em fornos de cimento. ................................................................................... 8
Tabela 3. Composição química (% em peso) de algumas cinzas volantes encontradas na
indústria nacional ................................................................................................................................... 10
Tabela 4. Composição química do clínquer ......................................................................................... 16
Tabela 5. Notação padrão adotada nos textos de química do cimento Portland, com as
respectivas abreviações de óxidos e compostos. ................................................................................. 22
Tabela 6. Reações na fabricação do clínquer . ..................................................................................... 26
Tabela 7. Composições típicas de cimento Portland . .......................................................................... 27
Tabela 8. Composição química do cimento ......................................................................................... 29
Tabela 9. Comparação entre os processos úmido, semi seco e seco de produção do
cimento em fornos rotativos. ................................................................................................................. 30
Tabela 10. Calor necessário para os processos por via seca e úmida. ............................................... 31
Tabela 11. Zonas e suas respectivas faixas de temperaturas em um forno de cimento . .................... 32
Tabela 12. Tipos de cimento ................................................................................................................. 35
Tabela 13. Especificações técnicas ...................................................................................................... 36
Tabela 14. Denominações dos cimentos nacionais ............................................................................. 37
Tabela 15. Composição da lama de aciaria . ........................................................................................ 40
Tabela 16. Padronização das bolas utilizadas no moinho. ................................................................... 42
Tabela 17. Exigências físicas . .............................................................................................................. 56
Tabela 18. Identificação das amostras .................................................................................................. 57
Tabela 19. Distribuição granulométrica do resíduo. .............................................................................. 58
Tabela 20. Granulometria (alimentação nova e produto de moagem). ................................................ 59
Tabela 21. Determinação do WI. .......................................................................................................... 61
Tabela 22. Fases mineralógicas identificadas através da difração de raios-X. .................................... 63
Tabela 23. Teores (% peso) obtidos para a amostra do resíduo da lama de aciaria. ......................... 63
Tabela 24. Teores (% peso) das fases portadoras de ferro. ................................................................. 64
x
Tabela 25. Análise química quantitativa. ............................................................................................... 65
Tabela 26. Massa específica das amostras ensaiadas ........................................................................ 67
Tabela 27. Tempo de percolação do líquido nas amostras .................................................................. 68
Tabela 28. Quantidade de água e penetração da sonda na determinação da pasta de
consistência normal. .............................................................................................................................. 69
Tabela 29. Granulometria da areia utilizada no ensaio de resistência à compressão. ........................ 72
Tabela 30. Determinação da resistência à compressão da Amostra 0, CP-III (100% cimento) ........... 74
Tabela 31. Determinação da resistência à compressão da Amostra 10, CP-III (10% resíduo /
90% cimento) ......................................................................................................................................... 75
Tabela 32. Determinação da resistência à compressão da Amostra 20, CP-III (20% resíduo /
80% cimento) ......................................................................................................................................... 75
Tabela 33. Determinação da resistência à compressão da Amostra 30, CP-III (30% resíduo /
70% cimento) ......................................................................................................................................... 76
Tabela 34. Determinação da resistência à compressão da Amostra 0, CP-V (100% cimento) .......... 76
Tabela 35. Determinação da resistência à compressão da Amostra 10, CP-V (10% resíduo /
90% cimento) ......................................................................................................................................... 77
Tabela 36. Determinação da resistência à compressão da Amostra 20, CP-V (20% resíduo /
80% cimento) ......................................................................................................................................... 78
Tabela 37. Determinação da resistência à compressão da Amostra 30, CP-V (30% resíduo /
70% cimento) ......................................................................................................................................... 78
1
1. INTRODUÇÃO
1.1- ASPECTOS GERAIS SOBRE RESÍDUOS
Nas últimas décadas, temas voltados para os estudos sobre aproveitamento
de resíduos ganharam importância, tanto no campo científico quanto no tecnológico,
em face do aumento vertiginoso, do volume de tais materiais, cuja geração está
intimamente ligada a toda atividade humana. A questão dos resíduos sólidos tem
sido amplamente discutida na sociedade, a partir de vários levantamentos da
situação atual e perspectivas para o futuro. À medida em que a produção industrial
cresce, a produção de resíduos industriais, cresce na mesma proporção e, alguns
deles, principalmente aqueles classificados como perigosos, devem ser dispostos de
maneira segura. Muitos estudos têm sido desenvolvidos, visando a sua correta
disposição ou distribuição. Relatos de experimentos, que vão desde o mero
abandono, no meio ambiente, até processos sofisticados como a reciclagem, a
solidificação, a incineração e o co-processamento, dentre outros, são abundantes na
bibliografia técnica.
Há décadas, a indústria de cimento tem sido utilizada como um veículo,
economicamente viável, para a destinação de alguns tipos de resíduos inorgânicos,
como escória de alto-forno e cinzas volantes, que substituem parte da matéria-prima
do processo, transformando o que era considerado um resíduo, ou seja, um
subproduto perigoso e incômodo, em um produto comercial. Em muitos casos, esses
materiais têm sido analisados como fontes alternativas de matéria-prima, como é o
caso de escórias de ferro-ligas e microssílica [1;2].
A produção de resíduos industriais em larga escala se dá desde o início da
revolução industrial, porém, somente após a década de 70, iniciaram-se os estudos
mais profundos a respeito dos efeitos nocivos dessas substâncias, com a
conseqüente geração de leis que regulamentam sua disposição final [3]. Muito
embora, inicialmente, cada nação adotasse critérios próprios para designar resíduos
perigosos, em 1976, com o primeiro tratado internacional de resíduos tóxicos, foi
padronizado o conceito de resíduos tóxicos perigosos [3].
No Brasil, são considerados resíduos sólidos industriais, os produtos
2
indesejáveis produzidos por processos de manufatura ou por equipamentos de
controle de poluição, dentre outros, que não podem ser descartados diretamente na
rede pública de esgoto e que requeiram soluções economicamente inviáveis, em
face da melhor tecnologia disponível [4].
As decisões técnicas e econômicas tomadas em todas as fases do trato dos
resíduos sólidos industriais (manuseio, acondicionamento, armazenamento, coleta,
transporte e disposição final) deverão estar fundamentadas na classificação dos
mesmos [4].
A ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – editou um conjunto de
normas para padronizar, em nível nacional, a classificação dos resíduos. São elas:
• NBR 10004 – Resíduos Sólidos (Classificação)
• NBR 10005 – Lixiviação de Resíduos (Procedimento)
• NBR 10006 – Solubilização de Resíduos (Procedimento)
• NBR 10007 – Amostragem de Resíduos (Procedimento)
Segundo a Norma NBR 10004 os resíduos são agrupados em três classes [5]:
• Resíduos Classe I – Perigosos
• Resíduos Classe II – Não inertes
• Resíduos Classe III – Inertes
Resíduos Classe I – Perigosos: são os que apresentam riscos à saúde
pública e ao meio ambiente, exigindo tratamento e disposição especiais, em função
de suas características de inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e
patogenicidade.
Resíduos Classe II – Não inertes: são os resíduos que não apresentam
periculosidade, porém não são inertes; podem ter propriedades como
combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade em água.
Resíduos Classe III – Inertes: são aqueles que, ao serem submetidos aos
testes de solubilização, de acordo com a NBR-10007 [7], não têm nenhum de seus
constituintes solubilizados em concentrações superiores aos padrões de
potabilidade da água. Isto significa que a água permanece potável, quando em
contato com o resíduo. Muitos destes resíduos são recicláveis. Eles não se
degradam ou não se decompõem, quando dispostos no solo [6].
3
A primeira solução adotada para o problema da disposição final de resíduos
industriais, foi a deposição em aterro urbano, que está associada a uma série de
problemas como a grande área ocupada por eles; problemas quanto à
impermeabilização do solo e conseqüente contaminação dos lençóis freáticos [4], e
um fato que tem se tornado de grande importância é a aversão popular, em relação
a construção de aterros. Não só na construção de aterros se manifesta a aversão; a
degradação imobiliária das regiões vizinhas aos aterros também é motivo desta
animosidade. O aumento crescente do volume de resíduos industriais gerados e
questões de caráter ambiental, fizeram com que outras opções surgissem para a
solução do problema.
A incineração de alguns tipos de resíduos tem sido uma opção à disposição
em aterros, desde a instalação do primeiro forno destinado à incineração de lixo
doméstico, na cidade de Nottinghan, Inglaterra, há mais de 100 anos [8]. Entretanto,
a incineração não se constitui em uma solução definitiva, já que os resíduos,
tratados por este método, sofrem uma redução de volume pela destruição da parte
orgânica e evaporação da água. Além disso, há a geração de cinzas no processo,
que representa a parte inorgânica do resíduo, formada basicamente por metais.
Esses materiais são oxidados durante a combustão, formando um resíduo que, de
uma forma geral, deve ser descartado com cuidado, em face da concentração de
elementos que estavam, na origem, diluídos. Devido às técnicas e ao manejo,
utilizados, até um passado recente, os incineradores se caracterizaram como
poluidores atmosféricos. As emissões atmosféricas destes fornos levaram a criação
de uma legislação e restrições para a instalação de novos equipamentos, o que
provocou a procura de alternativas para a eliminação de resíduos que fizessem uso
de altas temperaturas [8;9;10].
Assim, surgiu o co-processamento que, na indústria cimenteira, pode ser
compreendido como a técnica que inclui a incineração de resíduos, dentro do
processo de elaboração do produto, utilizando-se o resíduo como energético ou
como matéria-prima. A necessidade da busca de alternativas para a destinação de
resíduos industriais por processos que fizessem uso de altas temperaturas, aliada à
tradição da indústria cimenteira na utilização de resíduos, proporcionaram um
caminho natural para o co-processamento em fornos de cimento. Na década de 70,
passou-se a executar a filosofia do co-processamento, que consiste no uso de
processos industriais que utilizem altas temperaturas para a eliminação de resíduos.
4
A grande vantagem é que, neste caso, a cinza gerada é incorporada ao produto
final, onde fica encapsulada ao produto, não havendo mais a necessidade de
descarte [11]. Os processos industriais que se enquadram nessas características
são os alto-fornos, fornos de produção de vidros, aciarias elétricas, fornos de
produção de cal virgem e os fornos de cimento [4].
Outra possibilidade adotada é a de inertizar os resíduos. Tal processo
consiste em transformar um resíduo classe I (perigoso), em um classe III (inerte).
Para isto, os resíduos são encapsulados em uma matriz de cimento, vidro ou
cerâmica. Atualmente, a matriz mais usada é o cimento, pois além de ser a mais fácil
de ser utilizada, é a que apresenta menores custos [12;13]. Nesta técnica visa-se a
inertização do resíduo ou a diminuição do grau de periculosidade ao meio ambiente,
isto é, a reclassificação do material produzido. A desvantagem dessa técnica, é o
volume de material produzido, que é maior que o volume tratado e que, na maioria
dos casos, tem como destino os aterros [10;12].
A reciclagem, através do reuso ou recuperação de resíduos ou de seus
constituintes que apresentem algum valor econômico, é uma das formas mais
atraentes de solução dos problemas de gerenciamento de resíduos, tanto do ponto
de vista empresarial, quanto do ponto de vista dos órgãos de proteção ao meio
ambiente. Portanto, a reciclagem deve ser o objetivo precípuo da utilização de um
resíduo. Se esses objetivos não forem atingíveis, as outras alternativas citadas
anteriormente, são, quando possível, sempre preferíveis à mera disposição em
aterros.
1.2- ASPECTOS GERAIS DA RECICLAGEM DE RESÍDUOS
O processo de reciclagem de materiais garante, no mínimo, a diminuição da
quantidade de resíduos lançados no meio ambiente, o que já é uma grande
vantagem em termos de preservação, além de contribuir para a minimização da
utilização dos recursos naturais não renováveis. Os ganhos proporcionados pela
reciclagem decorrem do fato de que, em casos específicos, ela pode ser mais
econômica do que a obtenção do produto, a partir de matérias primas virgens. Isso
se dá, porque a produção a partir da reciclagem pode propiciar a economia de
5
energia e matéria prima, além de reduzir os custos de controle ambiental e também
os de disposição final de resíduos.
O correto transporte, tratamento e disposição final de um resíduo são ações
que apresentam um custo que, em alguns casos, pode ser bastante elevado. Assim,
se for encontrada uma forma de reaproveitar ou vender esses resíduos, se criará
uma maneira bastante atraente de resolver o problema e ainda conseguir uma fonte
de renda adicional [4].
Em termos práticos, a reciclagem por recuperação de um resíduo, depende
dos seguintes fatores:
• Proximidade da instalação de reprocessamento;
• Custo de transporte de resíduos;
• Volume de resíduos disponíveis para o reprocessamento;
• Custos de estocagem do resíduo, no ponto de geração ou fora do local de
origem.
Para incentivar as atividades de reciclagem, têm sido criados, em muitos
países, inclusive no Brasil, sistemas de troca de informações através de uma
publicação denominada “Bolsa de Resíduos”. Os interessados em vender ou doar
algum material, anunciam na bolsa indicando nome, composição química e
quantidade do resíduo. Os interessados entram em contato com a Bolsa e acertam
os aspectos econômicos e operacionais da transação. As tentativas realizadas no
Brasil têm apresentado péssimos resultados, pois apenas de 10 a 15 % das
operações anunciadas são efetivamente concluídas. Provavelmente, isso se deve ao
fato de que as indústrias ainda desconheçam a existência desse mecanismo ou, por
qualquer motivo, têm algum tipo de receio em anunciar seus resíduos ou, ainda, não
acreditam plenamente nas informações fornecidas [4].
Em geral a recuperação é executada de nas formas distintas:
• uso direto, ou reutilização do produto dentro do processo;
• recuperação de um material secundário para um determinado uso final
e remoção das impurezas do resíduo para obtenção de um produto,
relativamente puro e passível de reutilização.
A fim de tornar os resíduos reaproveitáveis, economicamente competitivos,
em comparação com os materiais que eles estarão substituindo, esses resíduos,
6
freqüentemente, deverão ser tratados antes de sua reutilização. Os processos de
tratamento incluem separação química, física e eletroquímica, entre os quais se
destacam como exemplo:
• Destilação de resíduos de solventes;
• Técnicas de concentração de metais, como extração com solventes,
troca iônica, precipitação, cristalização e evaporação, usadas para
tratar correntes diluídas de resíduos contendo metais.
Estão se tornando cada vez mais comuns, as instalações comerciais que
efetuam a recuperação de resíduos fora da origem. Como exemplo, temos as
indústrias de refino de óleo lubrificante, as recuperadoras de solventes e as
recuperadoras de tintas. Observa-se também que essas instalações vem se
dedicando a múltiplas atividades de recuperação e tratamento, seguindo a tendência
de outros países, que é da constituição de centrais de tratamento. Essas centrais
compreendem, tipicamente, instalações de recebimento de resíduos, laboratório de
controle, sistemas de estocagem, desidratação de lodos, sistemas de tratamento de
resíduos inorgânicos, incinerador para resíduos orgânicos e industriais [14].
1.2.1 - RESÍDUOS INDUSTRIAIS NA INDÚSTRIA DE CIMENTO
A farinha, na produção de cimento, é uma mistura dos diversos componentes
que serão apresentados posteriormente e que, constitui a matéria prima principal
para a elaboração dos cimentos, assim como o combustível usado, são
predominantemente de fontes naturais. Entretanto, tendo-se em mente certos limites
e condições, aliados ao conhecimento desenvolvido na produção de cimento, estes
materiais tradicionais podem ser substituídos pelos chamados materiais
secundários, isto é, resíduos de outros processos industriais.
Levando-se em conta o tipo de utilização, uma divisão simplificada desses
materiais pode ser feita, classificando-os em combustíveis secundários e matéria
prima secundária. Esta é uma classificação familiar às indústrias, apesar de muitos
resíduos utilizados não poderem ser classificados precisamente. Por exemplo, um
resíduo considerado um combustível secundário, pode apresentar uma quantidade
apreciável de material não combustível, que será incorporado ao clínquer,
7
funcionando como matéria prima secundária [10].
A reciclagem deve ser a primeira alternativa na utilização de um resíduo.
Entretanto, nos fornos de cimento, a prática do co-processamento é muito aplicada,
devido à grande semelhança entre o forno de cimento e o incinerador rotativo que,
por sinal, foi inspirado nos fornos de cimento e cal [9]. Grande parte dos resíduos co-
processados são utilizados como combustível suplementar. Regra geral, estes
resíduos apresentam dificuldades na disposição em aterros e, em muitos casos, se
tratam de solventes orgânicos e óleos usados. Estes resíduos, quando utilizados em
substituição aos combustíveis tradicionais, devem ter analisada sua compatibilidade
com o processo de clinquerização pelo estudo da qualidade do clínquer final e das
emissões atmosféricas. Resíduos que apresentam conteúdo energético, teores de
cloro e de metais pesados, que não afetem o clínquer nem as emissões, não devem
ser corrosivos além dos níveis tolerados e, principalmente, devem oferecer
vantagens econômicas em relação aos combustíveis tradicionais. Estes resíduos
são priorizados no co-processamento em fornos de cimento [4;11;15;16].
A tabela 1 mostra alguns resíduos utilizados como combustíveis secundários
em fornos de cimento.
O co-processamento destes resíduos envolve a identificação dos parâmetros
de operação normais do forno, que oferecem as melhores condições para o seu
processamento, como o local de introdução no forno, que promova uma boa mistura
com a carga e sua total combustão [18].
Tabela 1. Resíduos utilizados como combustíveis sec undários em fornos de cimento [17]
Sólidos
Combustíveis Secundários
Líquidos
Combustíveis
Secundários
Gasosos
Combustíveis
Secundários
Pó de Grafite Papel Piche / Asfalto
Gás de Pirólise Carvão Vegetal Caroço de
Azeitona
Escórias Ácidas
Coque de Petróleo Casca de Coco Óleo Usado
Embalagens de Baterias Palha de Arroz Resíduos
Petroquímicos
8
Resíduos de Plásticos Lodo de Esgoto Resíduos de Tintas
Gás de Aterro Resíduos de Borrachas Pó de Madeira Resíduos Químicos
Resíduos da Fabricação
do Papel
Lixo Doméstico Solventes
Pneus Resíduos de
Destilações
Os resíduos utilizados como matéria prima secundária, podem ser
classificados segundo seus constituintes principais, em relação à composição da
farinha. A tabela 2 traz alguns exemplos de resíduos utilizados como matéria prima
secundária, em fornos de cimento [17].
Tabela 2. Classificação, segundo sua composição, de alguns resíduos utilizados como
matéria prima secundária em fornos de cimento [17].
Elemento Principal do Resíduo Exemplos
Cálcio
Lama de Cal - Lama de Carvão
Lama de Água Potável
Silício Areia de Fundição - Microssílica
Ferro
Pirita Ustulada - Hematita Sintética
Lama Vermelha - Escória de Estanho
Pó de Conversor - Carepa de
Laminação
Silício, Alumínio e Cálcio
Carvão Lignito - Cinzas Volantes
Cinzas de Leito Fluidizado
Escória - Resíduos de Mineração
1.2.2 – MATÉRIAS PRIMAS ALTERNATIVAS NA INDÚSTRIA CIMENTEIRA
1.2.2.1 – ESCÓRIA DE ALTO-FORNO
A utilização de escórias de alto-forno na indústria de cimento no Brasil,
iniciou-se em 1952. A escória de alto-forno é utilizada em substituição à argila, na
produção de clínquer. A composição do cimento, obtido com esse procedimento, é a
9
de um cimento Portland usual. Uma escória de alto-forno contém de 35-50% de cal,
de 30-40% de sílica, de 10-18% de alumina. Uma pequena quantidade de magnésia
e óxidos de ferro e de manganês. Uma composição similar a essa é aceita nos
cimentos Portland, podendo-se, quando necessário, adicionar calcário à escória,
para que esta atinja a composição do cimento [19].
Na produção do clínquer, o método de preparo do material é semelhante tanto
utilizando-se argila como escória de alto-forno. A escória e o calcário são finamente
moídos, misturados e queimados em forno rotativo convencional. O resultado é a
produção de um clínquer na maioria das vezes de cor marrom devido à presença de
óxido de manganês, mas que não difere em outras propriedades do clínquer obtido a
partir da argila [19].
A utilização de escórias de alto-forno também possibilitou a criação de um tipo
de cimento Portland chamado cimento Portland de alto-forno . A sua composição
varia de acordo com o país e suas normas. Por exemplo, são considerados cimento
Portland de alto-forno nos Estados Unidos (ASTM C595-68), aqueles que
contenham entre 25 e 65% de escória de alto-forno e, na Alemanha (DIN 1164),
essa composição está entre 41 e 85% de escória [12]. No Brasil, são considerados
aqueles que contenham entre 35 e 70% de escória.
1.2.2.2 – CINZAS VOLANTES
As cinzas volantes são resíduos provenientes da combustão de carvão. São
produzidas em termoelétricas que usam carvão mineral para geração de calor. Os
rejeitos provenientes do beneficiamento do carvão mineral podem ser utilizados
juntamente com as cinzas volantes na produção de cimento [1]. As composições de
algumas cinzas volantes produzidas no Brasil são dadas na Tabela 3.
A utilização de cinzas volantes, como material pozolânico na indústria de
cimento brasileira se iniciou em1964, sendo que a partir de 1969 este procedimento
se tornou mais extensivo. Os cimentos pozolânicos são aqueles que admitem de 15
a 50% (em massa) de pozolanas em sua composição. Na fabricação de cimentos
pozolânicos, geralmente as cinzas são moídas juntamente com o clínquer, o gesso e
o calcário.
Por apresentar uma composição semelhante à da argila, as cinzas volantes
também podem ser utilizadas como matéria prima substituta da argila [1;12].
10
Tabela 3. Composição Química (% em peso) de algumas cinzas volantes encontradas na
indústria nacional [1].
Ensaio
Indústria
Jorge
Lacerda
(SC)
Charqueadas
(RS)
Presidente
Médici
(RS)
RIOCELL
(RS)
COPESUL
(RS)
Perda ao Fogo 2,61 2,08 0,45 0,59 0,20
SiO2 55,62 63,80 69,01 60,85 64,68
Al2O3 28,65 25,69 21,33 29,25 25,55
Fe2O3 7,15 4,10 6,30 3,15 5,02
CaO 1,36 1,66 0,54 2,32 2,12
MgO 0,94 0,75 0,54 0,48 0,40
SO3 0,35 0,11 0,23 0,20 0,23
Na2O 0,23 0,58 0,44 0,36 0,20
K2O 2,32 1,38 1,12 1,28 1,25
1.2.2.3 – LAMA VERMELHA
A lama vermelha é um subproduto do processo Bayer para a produção de
alumina a partir da bauxita. Este resíduo costuma ser disposto como lodo e ocupa
uma grande área, o que acabou por se tornar um problema ambiental. Muitos
estudos foram realizados para encontrar uma maneira economicamente viável de se
reaproveitar esse resíduo, mas a maioria não chegou a resultados que propiciassem
seu uso em escala comercial [20].
Em 1974, iniciaram-se, no Japão, ensaios de laboratório para a utilização da
lama vermelha como fonte de Fe2O3 na indústria de um cimento Portland de
qualidade [21]. O cimento Portland contém cerca de 3% (em massa) de Fe2O3, na
forma de C4AF. No Japão, na matéria prima para fabricação de cimento, o Fe2O3
não aparece no valor especificado, assim, a utilização da lama vermelha pode ser
explicada. Em 1979, já era possível o uso comercial de tal lama nas indústrias de
cimento [20].
A lama vermelha apresenta alguns inconvenientes para sua utilização,
como o difícil manuseio e a necessidade de ser filtrada, o que faz seu preço
aumentar [20].
11
Algumas indústrias de cimento preferem a utilização da lama vermelha por
causa de seu baixíssimo índice de Mn, mas, de forma geral, os resultados de
farinhas com adições de 8% de lama vermelha, resultam na fabricação de um
clínquer de boa qualidade [20;12].
1.2.2.4 – LAMA GALVÂNICA
A lama galvânica é um resíduo perigoso, gerado no processo de revestimento
eletrolítico de peças metálicas com camadas superficiais de metais nobres, com a
finalidade de proteger contra a corrosão, ou melhorar o acabamento superficial. Este
processo está presente, normalmente, em indústrias metalúrgicas, automobilística e
aeronáutica, dentre outras. Esta atividade gera um resíduo inorgânico com alto
poder poluidor [22].
A lama galvânica apresenta problemas em sua disposição, por conter em sua
composição metais como Ni, Cu, Zn, Cr, Fe, Pb e Cd. Duas técnicas são indicadas
para o tratamento de lodos: a solidificação e a incineração [22].
O processo de solidificação em matriz de cimento foi estudado como uma
solução definitiva para a destinação da lama galvânica. Mas, apesar do produto
gerado, ter que ser mantido em aterros, este apresenta possibilidade de uso na
construção civil, pois sua resistência mecânica está de acordo com a exigida pelas
normas técnicas. Os resíduos solidificados são usados, na Europa, na construção de
estradas e pátios industriais. Por motivo de segurança ambiental é indispensável
que a área em que o resíduo venha a ser utilizado seja impermeabilizada com
asfalto ou concreto [22;12].
Espinosa [23] estudou o efeito da adição de um lodo galvânico (contendo
apenas Cr como metal de restrição) à farinha, para produção de clínquer de cimento
Portland e chegou à conclusão que adições de até 2% em peso, não afetam o
processo de produção, pois não interferem nas temperaturas de início de formação
das principais fases do clínquer. Além disso, em seus experimentos constatou que
não houve liberação de Cr na forma de vapor durante o processamento, ficando este
elemento incorporado ao clínquer. Foram feitos também ensaios de lixiviação do
clínquer produzido (com adições de até 3%em peso de lodo galvânico), que
mostraram que as concentrações de Cr total e Cr hexavalente, na solução, estão
abaixo dos limites estabelecidos pelas normas brasileiras.
12
2. OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivos:
GERAL:
Elaboração de um cimento do tipo Portland, quimicam ente modificado, com
adição de resíduo proveniente do processamento de l ama de aciaria, com
baixo teor de ferro metálico.
ESPECÍFICOS:
• Aproveitar resíduos provenientes do processamento de lamas de aciaria
processadas pela técnica de ultrassonagem;
• Compor e caracterizar, fisicamente, o material obtido pela mistura de cimentos do
tipo Portland (CP-III e CP-V), fabricados industrialmente, com o resíduo citado e
comparar as propriedades dos produtos obtidos com aquelas dos cimentos
comerciais;
• Verificar a viabilidade técnica e econômica do processo de composição do
cimento.
13
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 - HISTÓRICO
Supõe-se que o homem primitivo, da idade da pedra, já conhecia uma forma
de material com propriedades aglomerantes. Ao acenderem fogueiras junto às
pedras de calcário e gesso, parte das pedras descarbonava com a ação do fogo,
formando um pó que, hidratado pelo sereno da noite, convertia-se novamente em
pedra [24].
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
[24;25]. As ruínas romanas, as pirâmides egípcias e as muralhas da China, provam
que no século V antes de Cristo, esses povos já empregavam uma espécie de
aglomerante entre os blocos de pedras na construção de seus monumentos.
Posteriormente, os gregos e os romanos passaram a usar um material
proveniente da queima de um gesso impuro, composto de calcário calcinado e
cinzas vulcânicas. Esse cimento era misturado com areias e cacos de telhas,
formando uma argamassa de notável dureza e que, os romanos executavam com o
cuidado de adensar energicamente resultando em construções que resistem até os
dias de hoje[24].
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 [24].
Em 1824 Joseph Aspdin, também britânico, descobriu que a escória dura,
moída e misturada com água, produzia cimento de melhor qualidade. A argamassa à
base de cimento, areia e água, apresentava características similares às das pedras
extraídas da ilha de Portland [25]. Ao patentear a descoberta, batizou-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
14
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.
Os primeiros fornos de cimento eram verticais [24;26]. O moderno processo
de fabricação de cimento teve início provavelmente em 1877, na Inglaterra, com o
início de operação do primeiro forno rotativo, embora, o primeiro forno rotativo bem
sucedido tivesse sua patente requerida na Inglaterra em 1885 [26]. Este forno
apresentava uma produtividade muito superior à dos fornos verticais, pois os fornos
rotativos apresentam um processo de carregamento contínuo de carga, ao contrário
dos fornos verticais que operam por batelada.
Atualmente, o cimento Portland é um produto que pouco se assemelha com o
cimento patenteado por Aspdin. A ABNT define cimento Portland como “um
aglomerante hidráulico produzido pela moagem do clí nquer, que consiste,
essencialmente, de silicatos de cálcio hidráulicos, usualmente com uma ou
mais formas de sulfato de cálcio como um produto de adição” [27].
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.
O cimento é o componente principal do concreto, que pode ser definido como
sendo um compósito de areia e pedra britada, em uma matriz de cimento [28]. O
concreto é o principal material de construção que existe, sendo que são produzidos
uma tonelada de concreto por ano, para cada habitante da Terra, o que torna esse
material, o segundo produto mais consumido pela raça humana, perdendo somente
para a água [28;29].
A criatividade de arquitetos e projetistas, a precisão dos modernos métodos
de cálculo e a 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 superior, àquela até então admitida nos
15
cálculos das estruturas.
Obras cada vez mais arrojadas e indispensáveis, que propiciam conforto e
bem-estar, como, por exemplo, 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.
3.2 - TECNOLOGIA DA FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
O cimento é feito basicamente de argila, calcário e uma pequena quantidade
de compostos, contendo ferro . Esses materiais são finamente misturados e moídos.
O pó obtido, denominado farinha, é levado ao forno rotativo, onde a mistura é
submetida a temperaturas entre 1.400 e 1.500º C, perdendo um terço da massa
original. A temperatura funde de vinte a trinta por cento da mistura e nessa massa
líquida, se processam importantes reações químicas. A natureza e a intensidade
dessas reações determinam a qualidade do cimento. O produto que sai do forno,
denominado clínquer, é um material composto de nódulos cerâmicos acinzentados
de até 25 mm. Ele é posteriormente resfriado de forma controlada, para se obter
uma cristalização adequada ao tipo de cimento desejado [25;28;30]. O
processamento final consiste na moagem do clínquer, até obter-se partículas
menores de 75 µm. Finalmente, sofre adições de até, no máximo, 6% de gipsita ou
sulfato de cálcio, que controla a velocidade de endurecimento do cimento, quando
este é transformado em argamassa ou concreto [28;30].
As reações químicas que ocorrem no processo de obtenção do clínquer
conduzem à formação de quatro fases [25;26;28]:
• Alita: silicato tricálcico (3CaO.SiO2 = C3S);
• Belita: silicato bicálcico (2CaO.SiO2 = C2S);
• Fase Aluminato: aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3 = C3A);
• Ferrita: ferro aluminato tetracálcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3 = C4AF).
16
Tabela 4. Composição química do clínqu er [48]
Composição Química do Clinquer
(% em massa)
C3S 42,0 a 60,0
C2S 14,0 a 35,0
C3A 2,0 a 3,5
C4AF 5,0 a 10,0
O forno de cimento é um longo cilindro inclinado, podendo ter até 100 metros
de comprimento e cerca de 5 metros de diâmetro. A descrição mais detalhada deste
equipamento será mostrada posteriormente. Os gases de exaustão, que deixam o
forno, passam por equipamentos especiais de retenção de particulados, tais como
torres de arrefecimento e precipitadores eletrostáticos. Os combustíveis utilizados
tradicionalmente na fabricação de cimento são os fósseis, tais como carvão,
petróleo, coque e gás natural. As altas temperaturas alcançadas nos fornos, além de
outros aspectos favoráveis, fazem tais equipamento ideais para destruição térmica
de resíduos [26;30].
As matérias primas entram por uma das extremidades do forno e o clínquer
sai pela outra. A produção de cimento exige que a temperatura do material
ultrapasse 1400ºC e que a temperatura dos gases chegue a 2000ºC. Durante a
operação, o forno gira continuamente, para assegurar uma boa mistura e o
cozimento adequado da matéria prima [24;26].
Quando se misturam cimento e água, a pasta resultante vai-se espessando
gradualmente e passa da consistência de uma massa plástica, para a de uma
massa seca e dura. O processo de hidratação gera calor, como resultado das
reações de hidratação e da cristalização que se seguem. Em condições normais, o
calor é dissipado rapidamente. Apesar disso, em grandes construções como
represas, o calor gerado pode causar dilatações perigosas para as estruturas [30].
O cimento Portland resiste bem à ação das águas doces ou salgadas.
Todavia, a filtração capilar de água, com íons dissolvidos, pode ocasionar a
formação de sais que, ao se cristalizarem, aumentam de volume e provocam a
desintegração das estruturas.
17
3.3 - MATÉRIAS PRIMAS DO CIMENTO
3.3.1 – CALCÁRIOS
São constituídos basicamente de carbonato de cálcio CaCO3 e dependendo
da sua origem geológica, podem conter várias impurezas como magnésio, silício,
alumínio ou ferro [31].
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 uma rocha sedimentar, sendo a terceira rocha mais abundante
na crosta terrestre, perdendo somente para o xisto e o arenito. O elemento cálcio,
que abrange 40% de todo o calcário, é o quinto elemento 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 (CaCO3), em que o teor de MgO varia de 0 a 4%. Devido à
maior quantidade de cálcio, a rocha quebra com maior facilidade e em
superfícies mais uniformes e planas. Este calcário, por ter menor quantidade
de carbonato de magnésio, exige maior temperatura para descarbonatar.
• Calcário dolomítico (CaMg(CO3)2), em que 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 (MgCO3), em que 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 calcário 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.
Dos três materiais, apenas o calcário calcítico vem sendo utilizado na fabricação
do cimento.
O uso de calcário com alto teor de MgO causa desvantagens na hidratação do
cimento em função da reação abaixo:
MgO + H2O → Mg(OH)2
18
Isso provoca o aumento do volume e produz sais solúveis que enfraquecem o
concreto quando exposto a lixiviação [31].
3.3.2 - ARGILA
São silicatos complexos, contendo alumínio e ferro como cátions principais e
potássio, magnésio, sódio, cálcio, titânio e outros [31].
A escolha da argila envolve disponibilidade, distância, relação
sílica/alumínio/ferro e elementos menores como álcalis. A argila fornece os
componentes Al2O3, Fe2O3 e SiO2. Embora pouco empregados, podem ser utilizados
bauxita, minério de ferro e areia para corrigir, respectivamente, os teores dos
componentes necessários.
3.3.3 – GESSO
É o produto utilizado para 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 (CaSO4. 2H2O), hemidratado ou bassanita
(CaSO4.0,5H2O) e anidrita (CaSO4). Utiliza-se também o gesso proveniente da
indústria de ácido fosfórico, a partir da apatita [31].
3.4 - PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
O cimento é um composto de extrema importância e inúmeras aplicações no
nosso dia-a-dia e, como tal, pressupõe alguns cuidados na sua fabricação que,
posteriormente, refletir-se-ão na sua qualidade. Além da argila e do calcário, há uma
pequena quantidade de compostos enriquecidos com ferro que serão, inicialmente,
tratados de forma a garantir a qualidade do cimento [30].
Inicialmente, as matérias-primas irão sofrer um processo de britagem de
forma a obter-se constituintes com uma certa qualidade, visto que boas matérias-
primas pressupõem bom produto final. Depois da britagem, são utilizados alguns
materiais de correção, tais como areia rica em SiO2 e as cinzas de pirita, ricas em
19
Fe2O3 e, para a homogeneização, adiciona-se gesso (CaSO4·2H2O) [19].
Feita a britagem e a homogeneização, as matérias-primas são encaminhadas
para o moinho de cru, de forma a minimizar o tamanho das partículas, tornando
eficaz a mistura para o aumento da sua superfície específica [19;31].
3.4.1 - PREPARAÇÃO DA FARINHA (MOAGEM)
Os componentes que mais interessam na fabricação do cimento são: CaO,
SiO2, Fe2O3 e Al2O3.
Para o cálculo da composição da farinha de um forno de cimento, a indústria
adota relações para atestar a qualidade do clínquer fabricado. A indústria britânica
foi a primeira a adotar as equações abaixo (com os elementos expressos em
porcentagem em massa) para o controle químico do cimento [25;32]. 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 [25;31;32]:
Módulo de Sílica (MS): o MS relaciona o SiO2 com os fundentes, indicando
também a quantidade de silicatos formada. Apresenta valores entre 2 e 3, sendo
que altos valores de MS provocam a queda da quantidade de fase líquida,
dificultando a formação do clínquer [25;26;32]:
3232
2
OFeOAl
SiOMS
+=
Módulo de alumina (MA): o MA relaciona a alumina com o óxido de ferro, sendo
diretamente proporcional à quantidade de fase líquida formada a baixa temperatura,
além de caracterizar o tipo de cimento produzido. Apresenta valores entre 1 e 4,
sendo que os valores ideais estão entre 1,2 e 1,6 [25;26;32]:
32
32
OFe
OAlMA =
20
Fator de Saturação de cal (FSC): é o parâmetro mais utilizado pelas indústrias para
o cálculo da carga, apresenta a relação entre o CaO com os demais óxidos da
carga. Para que não haja cal livre no clínquer, o FSC deve estar entre 0,92 e 0,98,
com o valor 0,94 sendo considerado ideal [25;26;32]:
32322 65,02,18,2 OFeOAlSiO
CaOFSC
++=
Módulo de hidraulicidade (MH): é a mais antiga relação para o cálculo da farinha,
sendo usada há mais de 100 anos [26]; relaciona o CaO com os componentes
ácidos do cimento. Deve apresentar valores entre 1,7 e 2,2, com o valor 2 sendo
considerado o ideal [32]:
32322 OFeOAlSiO
CaOMH
++=
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,
conforme a figura a seguir:
Figura 1. Processo de moagem da farinha [31].
21
No processo de moagem, o material entra no moinho, encontrando em contra
corrente o ar ou gás quente (~220°C), propiciando a secagem do material. O
material que entra com umidade em torno de 5%, sai com umidade em torno de
0,9% a uma temperatura de final de 80 graus [31].
Depois de moído, o material é estocado em silos (figura 2), onde pode ser
feito a homogeneização do mesmo [31].
Figura 2. Silos de homogeneização na fabricação de cimento [31].
3.4.2 - PROCESSO DE CLINQUERIZAÇÃO
A carga de um forno de cimento Portland é formada, essencialmente, de uma
mistura de pedra calcária (fonte de CaO) e de argila (fonte de Al2O3, SiO2 e Fe2O3).
Esta mistura é submetida a um ciclo térmico em um forno rotativo, no qual é
aquecida até a temperatura de 1450o C. Durante este ciclo, a carga sofre fusão
parcial e a formação de óxidos de cálcio complexos. As reações que ocorrem
durante o processo de clinquerização estão esquematizadas abaixo [28].
⋅⋅⋅⋅⋅
→
+++→+→
3232
32
2
2
1450
232322
2
4
3
2
3
OFeOAlCaO
OAlCaO
SiOCaO
SiOCaO
OHOFeOAlSiOArgila
COCaOCalcáriaPedra CatéoAqueciment
o
O produto sinterizado (clínquer), após ser moído, recebe adições de gipsita ou
sulfato de cálcio e gera o cimento Portland.
No estudo do cimento Portland, foi criada uma notação química própria com
22
os óxidos e compostos recebendo as abreviações mostradas na tabela 5.
Tabela 5. Notação padrão adotada nos textos de quím ica do cimento Portland, com as
respectivas abreviações de óxidos e compostos [25;2 6;28;34;35].
Óxidos Abreviação Compostos Abreviação
CaO C 3CaO.SiO2 C3S
SiO2 S 2CaO.SiO2 C2S
Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C3A
Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
A importância do conhecimento das proporções dos compostos constituintes
do cimento reside na correlação existente entre estes e as propriedades finais do
cimento e também do concreto [33].
O silicato tricálcico (C3S) é o maior responsável pela resistência em todas as
idades, especialmente até o fim do primeiro mês de cura. O silicato bicálcico (C2S)
adquire maior importância no processo de endurecimento em idades mais
avançadas, sendo largamente responsável pelo ganho de resistência por um ano ou
mais.
O aluminato tricálcico (C3A) também contribui para a resistência,
especialmente no primeiro dia. O ferro aluminato de cálcio (C4AF) em nada contribui
para a resistência.
O aluminato tricálcico (C3A) contribui muito para o calor de hidratação,
especialmente no início do período de cura [33]. O silicato tricálcico (C3S) é o
segundo componente em importância no processo de liberação de calor. Os outros
dois componentes contribuem pouco para a liberação de calor.
O aluminato de cálcio, quando presente em forma cristalina, é o responsável
pela rapidez de pega. Com a adição de proporção conveniente de gesso, o tempo
de hidratação é controlado. O silicato tricálcico (C3S) é o segundo componente com
responsabilidade pelo tempo de pega do cimento. Os outros constituintes se
hidratam lentamente, não tendo efeito sobre o tempo de pega [33].
Industrialmente, a composição potencial do clínquer é calculada a partir da
composição da farinha com base nas relações de Bogue [25], onde as variáveis
expressam a concentração em massa dos óxidos, silicatos e aluminatos:
23
• C3S = 4,071 CaO – 7,602 SiO2 – 6,719 Al2O3 – 1,430 Fe2O3
• C2S = -3,071 CaO + 8,602 SiO2 + 5,068 Al2O3 + 1,079 Fe2O3
• C3A = 2,650 Al2O3 – 1,692 Fe2O3
• C4AF = 3,043 Fe2O3
Algumas simplificações do processo são feitas na utilização das reações de
Bogue como, por exemplo, admitir que são geradas apenas quatro fases principais
do clínquer, com composições estequiométricas C3S, C2S, C3A e C4AF; admitir
ainda que todo ferro aparecerá sob a forma C4AF; e admitir que o excesso de
alumínio aparecerá na forma C3A [12].
Portanto, esse método não conduz a resultados estritamente corretos, para a
composição potencial do cimento Portland, que varia em função das condições de
operação do forno e do subsequente resfriamento do clinquer. O encontro das
correções apropriadas é objeto de trabalho de diversos investigadores, sendo,
entretanto, aceita a aplicação do método de Bogue como um instrumento de controle
da mistura de matérias primas no processo de fabricação do cimento [33].
3.4.2.1 - ETAPAS DO PROCESSO DE CLINQUERIZAÇÃO
a) Evaporação da Água Livre
Ocorre em temperaturas abaixo de 100°C, no primeiro estágio de ciclones.
H2O líquido (100°C) → H2O vapor (100°C) - 539,6 cal/g [31].
b) Decomposição do carbonato de magnésio
A decomposição da dolomita em MgO e CO2 tem início em 340°C, porém a
medida que o teor de cálcio aumenta, também se eleva a temperatura de
decomposição [31].
MgCO3 (sólido) (340°C) → MgO (sólido) + CO2 (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.
24
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.
CaCO3 (sólido) → CaO (sólido) + CO2 (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 [31].
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 de
60% ocorre nos ciclones.
É imprescindível que a descarbonatação esteja completa, para que o material
penetre na zona de alta temperatura do forno (zona de clinquerização) [31].
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 [31].
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.SiO2
A formação do 2CaO.SiO2 tem início em temperatura de 900°C, onde mesmo
sílica livre e CaO já reagem lentamente. Na presença de Ferro e Alumínio, esta
reação é acelerada .
2CaO + SiO2 (1200°C) → 2CaO.SiO2 = silicato dicálcico [31]
f) Formação do 3CaO.SiO2
O silicato tricálcico inicia sua formação entre 1200°C e 1300°C a 1400°C; os
produtos de reação são 3CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3 e 4CaO.Al2O3.Fe2O3 e
o restante de CaO não combinado.
2CaO.SiO2 + CaO (1260 a 1450°C) → 3CaO.SiO2 = silicato tricálcico [31].
25
g) Primeiro resfriamento
A complementação das reações de clinquerização podem ser afetadas pelo
resfriamento sofrido pelo clínquer. Um resfriamento lento leva a um cimento de baixa
qualidade.
O primeiro resfriamento ocorre dentro do forno, após o clínquer passar pela
zona de máxima temperatura. Nesta etapa pode ocorrer a decomposição do
3CaO.SiO2 segundo a reação: 3CaO.SiO2 → 2CaO.SiO2 + CaO livre [31].
h) Segundo resfriamento
O segundo resfriamento ocorre abaixo de 1200°C, já no resfriador. Este
resfriamento lento, também provoca uma maior corrosão dos cristais de 3CaO.SiO2
pela penetração desta fase, nas bordas dos cristais, auxiliando a formação de
2CaO.SiO2.
O magnésio, não combinado, terá sua cristalização nesta etapa. Quanto mais
lento o resfriamento, maior será o desenvolvimento dos cristais de MgO, aglutinado
em zonas [31].
i) Termoquímica da calcinação
A formação dos compostos do clínquer consome pouca caloria e os principais
valores da formação a 1300°C são:
• 2CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2 - 146 cal/g
• 3CaO + SiO2 → 3CaO.SiO2 - 111 cal/g
• 3CaO + Al2O3 → 3CaO.Al2O3 - 21 cal/g
• 4CaO + Al2O3 + Fe-2O3 → 4CaO.Al2O3.Fe2O3 - 25 cal/g [31;35]
26
j) Principais Reações na Fabricação do Clínquer
A tabela 6 mostra as reações presentes na fabricação do clínquer, de acordo
com a temperatura.
Tabela 6. Reações na fabricação do clínquer [12;25 ;31].
TEMPERATURA PROCESSO CALOR
TROCADO
100°C Evaporação da água livre. Endotérmico
500°C Perda de água de cr istalização dos minerais
argilosos.
Endotérmico
700°C a 900 oC Formação das primeiras ferritas. Exotérmico
800°C Decomposição dos calcários. Endotérmico
900°C a 1200°C Reação do CaO restante e conversão dos
aluminatos e das ferritas formadas para C3A e
C4AF.
Exotérmico
1200°C a 1280°C Início da formação de líquido. Endo térmico
1280oC Início de formação do C2S. Exotérmico
1280oC a 1330oC
Formação principal da fase líquida, com a
formação do C3S pela reação do líquido com o
C2S e o CaO livre.
Endotérmico
1330oC a 1450oC Combinação do CaO livre restante e crescimento
dos cristais de C3S e C2S.
Endotérmico
1450oC a 1000oC Transformações Polimórficas das fases C3S e
C2S.
Endotérmico e
Exotérmico
1200oC Solidificação da fase líquida. Exotérmico
3.4.3 – HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
O processo, segundo o qual o cimento endurece, não é um processo de
secagem, e sim um processo de hidratação, onde a água participa efetivamente de
uma reação química de colagem, denominada reação de hidratação [36].
27
Vários constituintes diferentes são encontrados no cimento Portland, sendo os
principais o silicato tricálcico e o silicato dicálcico que constituem cerca de 75% do
peso do cimento Portland (tabela 7) [37]. A pega e o endurecimento desse material
resultam de reações de hidratação relativamente complicadas, que ocorrem entre os
vários constituintes do cimento e a água, que é adicionada para tal fim. Esses
produtos hidratados encontram-se na forma de géis complexos ou substâncias
cristalinas que formam as ligações de cimentação.
Tabela 7. Composições típicas de cimento Portland [ 37].
Tipo de
Cimento
Composições (% ponderada)
C3S C2S C3A C4AF
I 55 20 12 9
II 45 30 7 12
III 65 10 12 8
IV 25 50 5 13
V 40 35 3 14
Obs: As porcentagens restantes são de gesso e de compostos de pequeno teor, tais
como MgO, sulfatos alcalinos, etc.
Reações Químicas na hidratação do cimento:
Os compostos anidros do cimento Portland reagem com a água, por hidrólise,
dando origem a numerosos compostos hidratados. Em forma abreviada, são
indicadas algumas das principais reações de hidratação [31;37]:
1) O 3CaO.Al2O3 é o primeiro a reagir, da seguinte forma:
• 3CaO.Al2O3 + CaO + 12H2O → Al2O3 . 4CaO . 12H2O
2) O 3CaO.SiO2 reage a seguir:
• 3CaO.SiO2 + 4,5H2O → SiO2 . CaO . 2,5H2O + 2Ca(OH)2
• 2[3CaO.SiO2 ]+ 6H → 3CaO.2SiO2 . 3H2 + 3Ca(OH)2
3) O 2CaO.SiO2 reage muito mais tarde, do seguinte modo:
• 2CaO.SiO2 + 3,5H2O → SiO2 . CaO . 2,5H2O + Ca(OH)2
• 2[2CaO . SiO2] + 3H2O → 3CaO . 2SiO2 . 4H + Ca(OH)2
Os silicatos de cálcio anidros dão origem a silicatos monocálcicos hidratados
e ao hidróxido de cálcio, que cristaliza em escamas hexagonais, dando origem à
Portlandita.
28
O silicato de cálcio hidratado apresenta-se com semelhança ao mineral
denominado tobermorita e, como se parece com um gel, é denominado gel de
tobermorita. Porém a composição do silicato hidratado depende da concentração em
cal da solução em que ele está em contato [31;37].
4) Reação de retardo do endurecimento, utilizando gesso
• 2[3CaO.Al2O3 ]+ CaSO4 . 2H2O → 3CaO . 2Al2O3 . 3CaSO4 . 31H2O
• 3CaO.Al2O3 + CaSO4 . 2H2O → 3CaO . Al2O3 . CaSO4 .12H2O [31;37]
Diz-se que o cimento Portland é um cimento hidráulico, pois sua dureza se
desenvolve através de reações químicas com a água. Ele é utilizado, principalmente
(em argamassa e concreto), para aglutinar, na forma de uma massa coesa,
agregados de partículas inertes (areia e/ou cascalho); esses são considerados
materiais compósitos [36].
Figura 3. Resistência à compressão de pastas dos co nstituintes puros do cimento, em função
do tempo de endurecimento [37].
Obs: CSH2 é a abreviatura da fórmula do CaSO4.2H2O
Conforme mostrado na figura 3, o C3S endurece rapidamente e é o principal
responsável pelo primeiro aumento da resistência mecânica . A maior parte da
hidratação do C3S realiza-se em cerca de 2 dias, pelo que, os cimentos Portland de
endurecimento rápido contêm sempre elevadas quantidades de C3S.
O C2S tem uma reação de hidratação lenta e passa a ser o principal
responsável pelo aumento da resistência mecânica ao fim de uma semana (fig.3). O
29
C3A hidrata-se rapidamente, com uma grande velocidade de libertação de calor e
contribui ligeiramente para o primeiro aumento da resistência mecânica do cimento
(fig.3), sendo sempre mantido em percentagem baixa nos cimentos resistentes aos
sulfatos (Tipo V). O C4AF é adicionado para reduzir a temperatura de formação do
clínquer durante o processo de obtenção do cimento [37].
Influência de cada componente no cimento referente às resistências a
compressão [31]:
• até 3 dias: é assegurada a resistência pela hidratação dos aluminatos e
silicatos tricálcicos (3CaO.Al2O3 e 3CaO.SiO2);
• até os 7 dias: praticamente a resistência é assegurada pelo aumento da
hidratação de 3CaO.SiO2;
• até os 28 dias: continua a hidratação do 3CaO.SiO2 responsável pelo
aumento de resistência, com pequena contribuição do 2CaO.SiO2;
• acima de 28 dias: o aumento da resistência passa a ser devido à hidratação
de 2CaO.SiO2.
Em resumo, a composição química de um cimento, em termos gerais, está
mostrada na tabela 8, onde se encontram os valores limites de todos os óxidos dos
cimentos nacionais.
Tabela 8. Composição química do cimento [48].
Composição Química do Cimento
(% em massa)
CaCO3 61,0 a 67,0
SiO2 20,0 a 23,0
Fe2O3 2,0 a 3,5
Al2O3 4,5 a 7,0
MgO 0,8 a 6,0
Álcalis 0,3 a 1,5
SO3 1,0 a 2,3
TiO2, Mn3O4, P2O5 < 1,0
30
3.5 – FORNO DE CIMENTO
Na produção de cimento em fornos rotativos, os processos podem ser
classificados quanto ao teor de umidade da farinha em três tipos: úmido, semi-seco
e seco. O processo seco é adotado pela maioria das indústrias cimenteiras. A
tabela 9 apresenta uma comparação entre os três processos e a tabela 10, o calor
necessário para ativar as reações nos processos por via seca e úmida.
Esta classificação é, essencialmente, ligada à quantidade de água adicionada
na farinha. No processo por via úmida a carga era homogeneizada na forma de uma
lama pela adição de 30-40% de água [25;26]. Como maior consequência, o forno
tinha que ter grandes comprimentos para garantir a total evaporação da água antes
do processo de clinquerização, sendo registrados fornos de até 263m de
comprimento [26]. Com a crise energética do início da década de 80, os fornos de
via úmida foram abandonados, passando a operar somente os fornos por via, seca
nos quais o aproveitamento energético é mais eficiente, e consequentemente pode-
se trabalhar com um comprimento menor de forno [12;26;28].
Tabela 9. Comparação entre os processos úmido, semi seco e seco de produção do cimento
em fornos rotativos [26].
Processo
Úmido Semi-seco Seco
Umidade da Carga 30 – 40 % 10 – 15 % Seca
Aproveitamento
Energético
Alto Consumo Alto Rendimento Alto Rendimento
Pré Calcinação Não Há Parcial Parcial ou Completa
Vantagens
Homogeneidade da
Matéria-prima
Baixa Produção de
CKD*
Viabiliza o Uso de
Matéria-prima
Úmida
Uniformidade do
Clinquer Formado
Alta Temperatura
dos Gases de
Saída
Melhor Rendimento
Energético
*Resíduo na fabricação do cimento
31
Tabela 10. Calor necessário para os processos por v ia seca e úmida [25].
Via Seca
(kJ/kg de
clínquer)
Via Úmida
(kJ/kg de
clínquer)
Calor teórico para as reações químicas 1807 1741
Evaporação da água 13 2364
Calor perdido na saída dos gases e dos pós 623 753
Calor perdido no clinquer 88 59
Calor perdido no ar de resfriamento 427 100
Calor perdido por radiação e convecção 348 682
Total 3306 5699
Os fornos de cimento são constituídos de cilindros de aço revestidos
internamente com material refratário e isolante. Apresentam comprimento de até
100m e uma relação entre comprimento pelo diâmetro de 10:1 a 35:1. Em geral,
estes fornos são operados com velocidades de rotação entre 1 a 4 rpm e uma
inclinação de 3 a 4%.
No interior do forno, ocorrem diversas operações que envolvem fenômenos
físicos e reações químicas de natureza e características muito variadas. A partir da
entrada, a carga sofre transformações no estado físico, dissocia-se, recombina-se,
aglomera-se, esquenta-se e esfria-se, cumprindo um ciclo. Este ciclo é determinado
pelas zonas de temperatura ao longo do forno. A carga, adicionada pela zona fria, é
induzida por gravidade, através destas regiões devido à inclinação e o movimento de
rotação do forno, até chegar à zona de resfriamento. As zonas e as respectivas
temperaturas da carga são mostradas na tabela 11 e na figura 4.
As três primeiras zonas caracterizam-se por um condicionamento da carga,
isto é, uma preparação para a fase de clinquerização. Na primeira zona do forno, a
de secagem, toda a água livre e de cristalização são eliminadas, de maneira bem
rápida, no processo a seco. A zona seguinte pode ser entendida como uma fase de
transição, onde a carga é aquecida até a temperatura de início da calcinação. Nesta
fase, ainda ocorre a desidroxilação dos minerais argilosos. Na zona de calcinação e
de reações exotérmicas, várias reações importantes ocorrem. A desidroxilação dos
minerais argilosos é completada e os produtos cristalizam-se. Há decomposição do
32
carbonato de cálcio, em óxido de cálcio e de carbonato de magnésio em óxido de
magnésio, ambas com eliminação de dióxido de carbono, o que caracteriza esta
região. Ainda nestas regiões, há a formação de diversos aluminatos de cálcio e
início da formação de ferrita [10;15;38].
Tabela 11. Zonas e suas respectivas faixas de t emperaturas em um forno de cimento [38].
Zona Temperatura de Carga
Secagem Acima de 200o C
Pré aquecimento 200 – 800o C
Calcinação 800 – 1100o C
Reações exotérmicas 1100 – 1300o C
Sinterização 1300 – 1500o C e 1500 – 1300o C
Resfriamento no forno 1300 – 1000o C
Figura 4. Representação esquemática do perfil térmi co de um forno de cimento, no processo
seco. (Curva contínua: temperatura da carga; curva tracejada: temperatura dos gases) [26].
A zona de sinterização ocupa uma pequena porção do forno, entretanto, a
maior parte das fases principais do cimento são formadas nesta região. Neste ponto,
33
onde o material pode atingir temperaturas de até 1500o C, parte da carga se liquefaz
e se completa a formação de C3S (3CaO.SiO2) e C2S (2CaO.SiO2). A fase líquida,
formada na zona de sinterização, retém a cal, alumina e o óxido de ferro não
combinados, provocando o surgimento de nódulos com 3 a 20 mm de diâmetro. Este
líquido, durante o resfriamento, à medida que se solidifica, forma os C3A
(3CaO.Al2O3) e C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3). A cinética de formação destes óxidos
exige a permanência da carga de 10 a 15 min na zona de sinterização. A fase de
resfriamento no forno ocorre após a carga passar pelo queimador. Em seguida o
clínquer cai no resfriador onde a temperatura decresce, rapidamente, até 50o C
[10;25;26;38].
No entanto, das reações existentes, libertam-se inúmeros gases que se
encontram direcionados para equipamentos especiais de retenção de partículas, tais
como torres de arrefecimento e precipitadores eletrostáticos [31;38].
Nos fornos são utilizados diversos combustíveis para elevar a temperatura de
clinquerização (~1400°C). Os mais utilizados são: ó leo pesado, coque de petróleo,
carvão mineral ou vegetal [31]. Tem existido uma crescente preocupação por parte
das indústrias cimenteiras, pelo meio ambiente e pela utilização de resíduos
industriais.
Figura 5. Fluxo de gases e material no forno de cim ento [31].
Para que ocorra o aquecimento do material cru, o mesmo é lançado numa
torre de ciclones onde, em fluxo contrário, circulam os gases quentes da combustão,
conforme se vê na figura 5. Nos ciclones, ocorre a separação dos gases e material
34
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.
Para se proceder, a seguir, à moagem do clínquer, é necessário adicionar
aditivos, devido à sua insolubilidade em água. O arrefecimento do clínquer que se
inicia ainda no interior do forno e continua no arrefecedor é de extrema importância,
visto que esta fase é primordial para a sua qualidade. Como tal, pressupõe-se que
deve ser rápida, para que a alita - C3S (constituinte mineralógico mais importante do
clínquer) não se decomponha em belita - C2S e cal, o que provocaria a queda da
qualidade do clinquer. É nesta fase que o clínquer se transforma em pó e é estocado
em silos, para dar origem ao conhecido cimento. No entanto, esta fase é
condicionada, igualmente, pela granulometria, a porosidade e tamanho dos cristais
e, por fim, pela composição mineralógica [28;31]. O clínquer daí é estocado em silos
para a produção do cimento, (figura 6).
Figura 6. Produção de cimento [31].
35
3.6 – APLICAÇÕES DOS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO.
Cada categoria ou tipo de cimento possui uma ou mais aplicações, indicadas
na tabela 12, mostrada abaixo.
Tabela 12. Tipos de Cimento [31]
TIPO DE CIMENTO APLICAÇÃO
CPI– cimento Portland comum Aplica-se a obras diversas, concreto simples,
concreto armado, não sendo utilizado para
desenformas rápidas e para uso em águas
marinhas.
CPII – cimento Portland composto Utilizado para desenformas rápidas, e
resistências mecânicas maiores em tempo
menor. Usado também na fabricação de pré-
moldados: telhas, caixas de água etc.
CPIII – cimento Portland 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.
CPIV – cimento Portland
pozolânico
Seu emprego é generalizado, não havendo
contra-indicação desde que respeitadas suas
peculiaridades como às menores resistências
nos primeiros dias.
CPV ARI – cimento Portland de
Alta Resistência Inicial
É especialmente empregado, Quando
necessita-se desenforma rápida.
36
3.7 – ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS.
A principais especificações técnicas encontram-se discriminadas na tabela 13,
mostrada abaixo.
Tabela 13. Especificações técnicas [31]
Tipo
Classe
(Resist.
MPa)
Composição Norma
Brasileira Clínquer
+ Gesso
Escória
Alto Forno Pozolana
Materiais
Carbonáticos
CPI CPI- S
25 32 40
100
95–99
0 1-5
NBR 5732
CPII–E CPII–Z CPII–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
CPIV 25 32
45–85 0 15-50 0-5 NBR 5736
CPV–ARI . 95–100 0 0 0-5 NBR 5733 CPV–ARI– RS 95–100 * * 0-5 NBR 5737
*CP V-ARI-RS admite adição de escória ou material pozolânico, porém a NBR-5737
(Cimentos Portland resistentes a sulfatos) não fixa limites.
Para maior compreensão, as denominações dos tipos de cimento,
anteriormente citados, encontram-se na tabela 14.
37
Tabela 14. Denominações dos cimentos nacionais
TIPO
DENOMINAÇÃO
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 de Alta Resistência Inicial
CP V – ARI RS
Cimento Portland de Alta Resistência Inicial e
Resistente a Sulfatos
38
4. MATERIAIS E MÉTODOS
Para maior compreensão do desenvolvimento deste capítulo, segue abaixo o
fluxograma das etapas realizadas.
10% 20% 30% 40% 50%
CP-III 32 RS
10% 20% 30 % 40% 50%
CP-V ARI RS
Caraterização Químico-Mineralógica
MoagemMétodo de Bond
Secagem em Estufa
Resíduo
Técnica da Ultrassonagem
Lama de Aciaria
Ensaios:Finura, Tempo de Pega,
Expansibilidade,Resistência
Comparação com as Normas Técnicas
Conclusões
Figura 7. Fluxograma das etapas desenvolvidas no es tudo.
39
Neste trabalho, foram utilizados diversos materiais, sendo o mais importante, o
resíduo secundário, obtido após a retirada de parte do ferro metálico de lamas de
aciaria, pela técnica da ultrassonagem. É um processo original de recuperação do
Fe-metálico, presente na lama de aciaria, na forma de partículas esféricas realizado
no CT3/FG. O processo em consiste no bombardeamento ultra-sônico sobre uma
polpa, rica em ferro, que promoverá a desagregação das partículas ligantes da lama.
Após a desagregação, as partículas que compõem a polpa estarão completamente
liberadas. A polpa é então encaminhada a um equipamento de concentração
gravimétrica, obtendo-se um produto de elevado teor metálico (90 a 96% Fe) e um
resíduo secundário que é o material principal do objeto deste estudo [39]. Tal
resíduo, após secagem em estufa (120o C durante, aproximadamente, 2 horas) e
moagem em moinho de bolas, foi adicionado a dois tipos de cimento em partes
crescentes (10 a 50% em massa). Foram utilizados os cimentos:
• CP-III 32 RS (cimento Portland de alto-forno – Resistente a Sulfatos).
• CP-V RS (cimento Portland de alta resistência inicial – Resistente a Sulfatos)
O critério de escolha desses materiais foi fundamentado no fato de que tais
cimentos são muito utilizados comercialmente. O CP-III é um cimento que pode ter
aplicação geral em argamassas de assentamento, revestimento, argamassa
armada, de concreto simples, armado, protendido, projetado, rolado, magro e outras.
Como contém escória de alto-forno (35-70%) e materiais carbonáticos (0-5%) é o
mais utilizado, principalmente, nas regiões onde há maior produção de escória, que
é a realidade do nosso Estado. O CP-V é recomendado no preparo de concreto e
argamassa para produção de artefatos de cimento, em indústrias de médio e
pequeno porte, como fábricas de blocos para alvenaria, blocos para pavimentação,
tubos, lajes, meio-fio, mourões, postes, elementos arquitetônicos pré-moldados e
pré-fabricados. Como é mais puro, ou seja, só permite a adição de materiais
carbonáticos (0-5%), proporciona uma análise mais fiel do efeito da adição do
resíduo.
Todos os ensaios de laboratório foram realizados dentro das normas técnicas
estabelecidas, de maneira, igualmente, a simular, de forma mais fiel possível, o
processo industrial.
Os métodos e técnicas de caracterização dos materiais supracitados, bem
como a determinação das propriedades físicas dos produtos obtidos, serão
40
detalhados a seguir.
4.1 – CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO
O resíduo, como já foi dito anteriormente, é proveniente de uma lama de
aciaria, cuja composição química é mostrada na tabela 15, cedida ao CT3 -
Fundação Gorceix, pela empresa Belgo Mineira.
Tabela 15. Composição da lama de aciaria [39].
Fe –Metálico 57,50 %
Fe – Total 75,40 %
SiO2 3,65 %
CaO 8,40 %
Al2O3 1,70 %
MgO 0,35 %
C 1,70 %
4.1.1 - ANÁLISE GRANULOMÉTRICA .
A análise granulométrica tem por objetivo a distribuição de tamanho das
partículas que compõem o resíduo. O procedimento foi o seguinte: a partir de
quarteamentos sucessivos, tomou-se uma amostra de 150g do material. Em
seguida, levou-se esta amostra a um conjunto de peneiras (8” diâmetro, 2” altura),
dispostas em ordem decrescente da abertura de sua malha, sobre uma mesa
vibratória com frequência de 80 Hz, durante 30 min. As frações, em que se dividiu o
material analisado, refletem o conjunto de peneiras selecionadas. Esta análise foi
realizada no CT3/FG e o seu resultado está discriminado no capítulo 5, deste
trabalho.
41
4.1.2 – MOAGEM DO RESÍDUO
Para obter uma mistura homogênea, entre o resíduo e o cimento, foi
necessário efetuar a moagem do resíduo em um moinho de bolas, utlizando-se o
método de Bond. Tal método é baseado em diversas fórmulas empíricas, através
das quais foi calculado o consumo energético da moagem. Ressalte-se que, o
sucesso do dimensionamento de moinhos com a utilização da lei de Bond é devido
ao fato de tal método propiciar resultados muito próximos do real, nas condições
normais de moagem [40].
4.1.2.1 – MÉTODO DE BOND
No método de Bond, define-se WI como sendo a energia necessária em kWh
para a fragmentação de uma tonelada de um material, de um tamanho
supostamente infinito, até 80% passante em uma malha de 100 micra. A
Determinação do WI obedece a NBR-11376 [41] e o Work Index ou índice de Bond
(WI) é o parâmetro de consumo que expressa a resistência de um material ao ser
britado ou moído [42].
A fórmula de Bond, para determinação do WI, pelo método direto, foi
deduzida empiricamente e baseia-se na moagem, a úmido, em moinho de bolas
industrial com diâmetro interno de 2,440 m, com descarga por overflow e
trabalhando em circuito fechado, combinando energia consumida com eficiência
média de pulverização.
Bond determina que:
• para moagem, via seca, deve-se multiplicar o valor do WI obtido por 4/3.
• para diâmetro interno, diferente de 2,440 m, multiplica-se o valor do WI por
2,440 x D x 0,2, onde D é o novo diâmetro.
• para moagem de tamanho de partículas menores que 70 microns , multiplica-
se o valor do WI por P x 10,3/1145 x 1145, onde P é tamanho das partículas
menores que 70 microns.
O cálculo de WI, comumente usado, foi padronizado para um moinho
denominado Moinho de Bond cujas dimensões são 12”x12’’ e faz-se pela fórmula a
seguir:
42
( ) ( )
−=
80
10
80
10
5.44
82.023.0
FPxGBPxPi
WI (I)
onde:
• WI - Work Index Bond, em kWh/t;
• Pi - Abertura da malha teste, em microns;
• GBP - Ball Mill Grinbility (gramas moídas por revolução ) , em gramas;
• P80 - Abertura em malha quadrada que deixa passar 80% do produto, em
microns;
• F80 - Abertura em malha quadrada que deixa passar 80% da alimentação,
em microns.
A carga utilizada para determinação do WI é balanceada, de bolas também
padronizadas e deve seguir a rigor, os valores mostrados na tabela 16:
Tabela 16. Padronização das bolas utilizadas no moi nho.
Número de
Bolas
Peso de Bolas
Gramas
Diâmetro das
Bolas
Milímetro
Polegadas
Fração Decimais
43 8464 36.5 17/16 1.4375
67 7469 30.2 13/16 1.1875
10 663 25.4 1 1.0000
71 2002 19.1 ¾ 0.7500
94 1529 15.9 5/9 0.6250
A velocidade do moinho é um fator importante na determinação de WI. O
moinho deve ser acionado por rolos, dotado de sistema de freio que possibilite a
parada súbita do equipamento, permitindo o número exato de rotações. A
velocidade do moinho para determinação do WI, é constante e igual a 70 rpm [42].
- Condições padrões do teste:
• Dimensões do moinho: 12” x 12”
• Velocidade de operação: 70 rpm
• Circuito de moagem: fechado (seco) com uma malha escolhida
43
• Carga circulante a ser atingida: 250% NA (Nova Alimentação)
• Granulometria da alimentação: 100% passante em 6#
• Volume do material: 700 ml
• Carga de bolas: descrita na tabela 16
Procedimentos:
• Na preparação da amostra, após a redução da mesma a 100% passante em 6 #,
ela é inicialmente homogeneizada por meio da confecção de cones e,
posteriormente, por pilhas longitudinais, para assegurar uma homogeneização
satisfatória.
• Confeccionada a pilha de homogeneização definitiva, é retirada uma amostra
suficiente para a realização de duas análises granulométricas ( A.G.
Alimentação). A média dessas análises granulométricas, constituirá a
granulometria da alimentação e será representada num gráfico mono-log, de
onde será retirada a % passante na malha de teste escolhida e o F80.
• Para a realização dos diversos ciclos de moagem, são retirados da pilha de
homogeneização, 700 ml de amostra que, após ser pesada, constituirá a
alimentação do 1o ciclo de moagem.
• Esta massa é então levada ao moinho de Bond e moída durante um certo
número de revoluções arbitrado; para as demais moagens o número de
revoluções é calculado pela fórmula abaixo mencionada.
• Encerrada a moagem, é feito o peneiramento na malha teste escolhida, pesando-
se o US (undersize) e o OS (oversize), cujos valores serão lançados na planilha.
• Na próxima moagem a alimentação do moinho será constituída do OS da etapa
anterior, mais a NA (Nova Alimentação), que será retirada da pilha de
homogeneização, utilizando-se um número de revoluções calculado pela fórmula:
ANTERIORGBP
OALIMENTAÇÃMALHATESTEIPPNR
−= (II)
Onde:
• IPP é o produto ideal, cujo valor é a alimentação inicial dividida por 3,5,
significando o US produzido no momento que a carga circulante (CC) atinge
250% NA (Nova Alimentação).
44
• NR é o número de revoluções.
• MALHA TESTE ALIMENTAÇÃO é o conteúdo de finos alimentado em cada ciclo.
• teste se encerrará, portanto, no ciclo que o US se iguala ao IPP, significando que
a CC atinge 250% NA.
• Do último US (quando CC = 250% NA), retira-se 2 alíquotas para a realização de
análises granulométricas, cuja média lançada em gráfico mono-log, fornecerá o
valor de P80 ;
• Conhecendo-se o P80, F80, GBP e a abertura da malha de teste escolhida (PI em
micra), calcula-se o WI pela fórmula (I), descrita anteriormente.
Finalmente, para melhor compreensão das etapas descritas acima, a figura 8
mostra o fluxograma para a determinação do WI pelo método de Bond.
Figura 8. Fluxograma para a determinação do WI pelo método de Bond.
Amostra Total
30kg
Reduzir a 100% <
6#
Homogeneizar em pilha e
quartear
4 alíquotas sendo:
2 análise granulométrica e
2 reserva
Alíquota 700ml que irá
compor a alimentação
inicial.
Pesar a alimentação inicial.
Restante da amostra em alíquota
Para ajuste de massa.
Tomar média da análise
granulométrica e determinar F80.
Calcular o IPP
US real
Efetuar o primeiro ciclo de
moagem com um número de
rotação arbitrado.
Descarga do moinho,
peneiras na malha teste.
OS real
Pesar e comparar com IPP.
Quando US=IPP dar o teste por encerrado.
Tomar duas alíquotas
para análise granulo-
métrica, tomar média e
determinar o P80.
Tomar duas alíquotas
para reserva da descarga do moinho.
Pesar e juntar com a
ANA a acrescentar.
45
A moagem, seguida da determinação do WI foram realizadas em um
equipamento de propriedade do CT3/FG. O resultado está discriminado e discutido
no capítulo 5, deste trabalho.
Na figura 9, é mostrado o aspecto do resíduo, após moagem, utilizado neste
estudo.
Figura 9. Aspecto do resíduo após moagem
4.1.3 - CARACTERIZAÇÃO QUÍMICO-MINERALÓGICA .
4.1.3.1 – DIFRAÇÃO DE RAIOS-X:
A difração de raios-X foi utilizada na identificação das fases presentes no
resíduo. O difratograma foi obtido em um difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000,
equipado com tubo de Co e filtro de ferro. As varreduras foram feitas a 1o /min no
intervalo de 10-70o (2 theta). A análise do resultado foi feita através do programa
JADE.
O resultado desta análise está discriminado e discutido no capítulo 5, deste
trabalho.
4.1.3.2 - ANÁLISE QUÍMICA:
Na análise química, os teores de ferro na amostra foram determinados por via
úmida. Os teores de ferro total e de Fe2+ foram determinados em triplicata, por
titulação com dicromato de potássio.
46
O resultado desta análise está discriminado e discutido no capítulo 5, deste
trabalho.
4.1.3.3 – ESPECTROSCOPIA MOSSBAUER :
O espectro foi obtido, à temperatura ambiente, em um espectrômetro
operando no modo de aceleração constante. O espectro foi ajustado,
numericamente, como uma superposição de sextetos e dubletos simétricos e os
teores, das fases mineralógicas identificadas, foram calculados a partir das áreas
relativas de cada componente e do teor de ferro total, cujos resultados estão no
capítulo 5, deste trabalho.
4.2 – PROPRIEDADES FÍSICAS / ENSAIOS DE CIMENTO
As propriedades físicas do cimento Portland são consideradas sob três
aspectos distintos: propriedades do produto em 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 argamassa são relacionadas com o
comportamento desse produto e interferem nas suas propriedades, para a
elaboração de concretos e argamassas. Tais propriedades se enquadram em
processos artificialmente definidos nos métodos e especificações padronizados,
oferecendo sua utilidade, quer para o controle de aceitação do produto, quer para a
avaliação de suas qualidades, para os fins de utilização dos mesmos [33].
4.2.1 – FINURA
A finura do cimento é 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 de abertura definida, e,
alternativamente, pelo valor da superfície específica (soma das superfícies dos
grãos contidos em um grama de cimento).
A finura, mais precisamente, a superfície específica do produto, é o fator que
47
governa a velocidade da reação de 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, 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.
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. A medida da finura, ainda é feita através de um ensaio de
peneiramento por uma peneira padrão (n0 200 de malha de 75 micra de abertura).
As especificações brasileiras NBR-5733 [43] e NBR-5735[44] prescrevem limite de
retenção na peneira n0 200. Esta determinação é bastante imprecisa e só foi
conservada em face da facilidade de sua execução [33]. A execução do ensaio
é descrita pela NBR-11579 [45] e o seu resultado está discriminado e discutido no
capítulo 5.
Verificou-se ser impraticável, a operação de separação de grãos de tamanhos
inferiores a 60 micra. Desenvolveram-se, entretanto, processos indiretos de análises
granulométricas que se baseiam na medida de tempo de sedimentação de
suspensões, na medida da permeabilidade à passagem de determinados fluidos,
através dos vazios intergranulares de amostras de cimento, etc. No processo de
permeâmetro de Blaine, mede-se o tempo de percolação de determinado volume de
ar através dos vazios intergranulares de uma amostra de cimento de características
definidas. O ensaio normalmente é realizado com repetições.
O ensaio consiste em medir o tempo necessário que uma dada quantidade de
ar necessita para atravessar uma amostra de densidade conhecida, determinando-
se a superfície específica pela comparação dos resultados obtidos, com os
determinados para uma amostra padrão de superfície específica conhecida. A figura
10, a seguir, ilustra o esquema do equipamento utilizado neste ensaio.
48
Figura 10. Esquema do Permeâmetro de Blaine [33]
O aparelho é composto de uma célula cilíndrica, de metal inoxidável, no fundo
da qual repousa um pequeno disco perfurado, que suporta um pequeno disco de
papel-filtro. Uma quantidade de cimento “m” é introduzida numa pequena cuba e
comprimida por um pistão apropriado. Um êmbolo que se adapta à célula, limita um
volume constante “V”. Essa célula é fixada sobre um tubo em “U”, de cerca de um
centímetro de diâmetro, dotado de quatro marcas, A, B, C e D. Na parte superior do
traço marcado, existe uma derivação dotada de registro e ligada a um aspirador
manual de borracha, tipo seringa. O tubo é enchido até D com um líquido de
densidade conhecida, geralmente um álcool. Colocada a amostra, o ar existente é
aspirado pela seringa, até que o líquido suba até a marca A. O registro é fechado e
inicia-se a observação da queda da coluna, que corresponde a uma percolação de
ar através de amostra contida na cuba superior. Mede-se o tempo correspondente à
descida da coluna. A superfície específica da amostra é, então, determinada pela
aplicação da fórmula:
ηεγε
).1.(
.. 3
−= tk
S
Onde:
• S é a superfície específica (m2/kg)
• ε é a porosidade da camada (normalmente 0,5 para o cimento)
• t é o tempo em segundos
• γ é o massa específica do material
• η é a viscosidade dinâmica do ar
49
• k é a constante do aparelho (obtida de uma amostra padrão de superfície
específica conhecida).
A massa “m” de cimento a utilizar no ensaio é dada por:
Vem .).1( γ−=
Onde:
• γ é a massa específica do cimento
• V é o volume da camada amostra padrão – constante.
Esse método é largamente utilizado na indústria de cimento.
A superfície específica determinada por esse processo, ou outros mais que
existem, conduz a valores de significado relativo, do ponto de vista de previsão para
o comportamento do cimento examinado, isso porque, em tais processos, a
distribuição do tamanho dos grãos não é perfeitamente considerada. Cimentos de
procedências diferentes, com os mesmos valores de superfície específica, podem
mostrar comportamento diverso, tanto quanto à resistência como quanto à
exsudação. De qualquer forma, porém, cumpre salientar o inestimável valor desses
ensaios no controle de fabricação, quando os parâmetros perturbadores
permanecem os mesmos.
– Massa Específica: γ
È uma grandeza dada pela relação entre a massa de uma certa quantidade
de cimento e o volume real ocupado por esta massa.
Sua determinação é feita em laboratório pelo uso do frasco de Le Chatelier e
outros materiais. Seu conhecimento é importante para se estabelecer o consumo de
cimento na confecção das pastas, argamassas e concretos. Experiências apontam
que a massa específica dos cimentos nacionais, encontra-se compreendida entre os
valores 2,95 e 3,15 g/cm3. È importante observar que durante a fase de
endurecimento da pasta, a massa específica é variável, aumentando à medida que
avança o processo de hidratação do cimento. Esse fenômeno é conhecido como
retração.
Os ensaios realizados, para a determinação da massa específica, e da área
específica obedecem às normas NBR–6474 [46] e NBR-7224 [47]. Foram realizados
50
no aparelho de Blaine, do DECIV/EM/UFOP, mostrado na figura 11. Seus resultados
estão discriminados e discutidos no capítulo 5, deste trabalho.
Figura 11. Frasco de Le Chatelier e Permeabilímetro de Blaine utilizados nos ensaios.
4.2.2 – TEMPO DE PEGA
O fenômeno da pega do cimento compreende a evolução das propriedades
mecânicas da pasta no início do processo de endurecimento, propriedades
essencialmente físicas, consequente, entretanto, de um processo químico de
hidratação. É um fenómeno artificialmente definido como o momento em que a pasta
adquire certa consistência, a partir do qual, a pasta perde sua trabalhabilidade. Tal
conceituação se estende, evidentemente, tanto à argamassa quanto aos concretos
nos quais a pasta de cimento está presente e com missão aglutinadora dos
agregados.
No processo de hidratação, os grãos de cimento que, inicialmente, se
encontram em suspensão, vão se aglutinando paulatinamente 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 pega e
o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do cimento,
vistos em períodos diferentes - a pega na primeira fase do processo e o
endurecimento na segunda e última fase do mesmo. A partir de um certo tempo,
51
após a mistura, quando o processo de pega alcança determinado estágio, a pasta
não é mais trabalhável e não admite operação de remistura. Deve ser observado o
período de tempo que constitui o prazo disponível para as operações de manuseio
das argamassas e concretos, após o qual esses materiais devem permanecer em
repouso, em sua posição definitiva, para permitir o desenvolvimento do
endurecimento [33,48].
A caracterização da pega dos cimentos é feita pela determinação de dois
tempos distintos: o tempo de início e o tempo de fim de pega. Os ensaios são feitos
com pasta de consistência normal com o aparelho de Vicat. Nesse aparelho
(mostrado na figura 12) mede-se, em última análise, a resistência à penetração de
uma agulha na pasta de cimento.
Figura 12. Esquema do aparelho de Vicat [33]
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, que é constituida de um corpo
cilíndrico, metálico, liso, de 10 mm de diâmetro e terminando em seção reta. A
sonda penetra, verticalmente, na pasta fresca por ação de um peso total (incluindo
a sonda), de 300 g. Diz-se que a pasta tem consistência normal quando, colocada
em uma fôrma anelar, com diâmetro interno de 8 cm e altura de 4 cm, a sonda de
Tedmajer, colocada sobre a pasta sem choque e sem velocidade inicial, estaciona a
6 ± 1mm do fundo da fôrma. Essa distância, medida em milímetros, é denominada
índice de consistência. Portanto, determinado o índice de consistência, a pasta está
preparada para ensaios de tempo de pega.
52
Essa amostra, de consistência normal, é ensaiada, nesse mesmo aparelho, à
penetração da agulha de Vicat, um corpo cilíndrico circular, com l mm2 de área de
seção e terminando em seção reta. A amostra é ensaiada, periodicamente, à
penetração pela agulha de Vicat, determinando-se o tempo de início da pega
quando esta deixa de penetrar até o fundo da pasta, ou seja, o início de pega é o
tempo que decorre desde o instante em que se lança no cimento a água de
amassamento até que a agulha de Vicat, aplicada também sem choque, estaciona a
1mm do fundo. Os ensaios prosseguem até a determinação do tempo de fim de
pega, que é o tempo que decorre desde o lançamento da água de amassamento,
até o momento em que a agulha, aplicada suavemente sobre a superfície da pasta,
não penetra mais na amostra, deixando apenas uma imperceptível marca superficial
[48]. A figura 13 mostra o equipamento a as amostras ensaiadas.
Figura 13. Aparelho de Vicat e amostras das mistura s ensaiadas (DECIV/EM/UFOP)
Os métodos de ensaio, para as determinações do índice de consistência da
pasta e dos tempos de pega, são detalhados nas normas NBR-11580 [49] e NBR-
11581 [50], respectivamente.
Os resultados, desta análise, estão discriminados e discutidos no capítulo 5.
4.2.3 – EXPANSIBILIDADE
Para que um cimento seja estável é necessário que nenhum de seus
compostos sofra, uma vez endurecido, uma expansão prejudicial e destrutiva.
53
A estabilidade do cimento é uma característica ligada à ocorrência eventual
de indesejáveis expansões volumétricas, posteriores ao endurecimento do concreto
e resulta da hidratação de cal e magnésia livre, nele presentes. Quando o cimento
contém apreciáveis proporções de cal livre (CaO), esse óxido, ao se hidratar
posteriormente ao endurecimento, aumenta de volume, criando tensões internas que
conduzem à microfissuração, e pode terminar na desagregação, mais ou menos
completa, do material [48].
Os estudos feitos indicam que os óxidos e os compostos aparecem sob a
forma de: cristais simples (C3S, C2S, C3A e MgO – periclásio), cristais mistos (C4AF
e a inclusão de MgO na rede cristalina complexa do C4AF) e a parte vítrea (variável
e dependente principalmente do esfriamento do clínquer).
Os trabalhos de Taylor puseram em evidencia ser o periclásio, magnésia
cristalizada, o responsável pela expansão excessiva, não tendo a magnésia
dissolvida, qualquer contribuição. Aceita-se, ser de 2% o teor máximo permissível de
MgO em cristais de periclásio, para prevenir a instabilidade de volume [48].
Determina-se a estabilidade do cimento pelos ensaios de expansão em
autoclave, onde a pasta de cimento é submetida a um processo acelerado de
endurecimento em temperatura elevada, de modo a fazer aparecer, em sua provável
grandeza, a expansão resultante da hidratação, tanto da cal, quanto da magnésia
livre. No Brasil, utiliza-se, para esse ensaio, a chamada agulha de Le Chatelier que
é constituída por uma forma cilíndrica de chapa de latão com 30 mm de altura e 30
mm de diâmetro, com uma fenda aberta segundo uma geratriz. Soldadas às bordas
dessa fenda, estão duas hastes destinadas a multiplicar a medida da abertura, que
aumenta com a expansão do núcleo de pasta, soldada no interior do cilindro. No
método NBR-7215 [51] da ABNT, esse ensaio é descrito em detalhe e é constituído,
em linhas gerais, da moldagem, cura do corpo de prova imerso em água na
temperatura ordinária, durante 12 horas, e subsequente aquecimento do corpo de
prova em água conduzida lentamente, à fervura, durante cinco horas ou mais. O va-
lor da expansibilidade é medido nas pontas das agulhas em milímetros, não
podendo ultrapassar os limites descritos pelas especificações de qualidade do
cimento (NBR-5733 e a NBR-5735).
Os ensaios de verificação da expansibilidade pelas agulhas de Le Chatelier
são muito imprecisos, apresentando como única vantagem, o equipamento reduzido
e a facilidade de execução. Seus resultados estão discriminados e discutidos no
54
capítulo 5, deste trabalho.
4.2.4 – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à
compressão de corpos de prova realizados com argamassa. A forma do corpo, de
prova, suas dimensões, o traço da argamassa, sua consistência e o tipo de areia
empregado são definidos nas especificações correspondentes, e constituem
características que variam de um país para outro.
Quase todos adotam cubos de arestas de 5 a 7 cm, predominando esta última
dimensão. Apenas no Brasil e no Uruguai empregam-se corpos de prova de forma
cilíndrica. No Brasil, o corpo de prova é um cilindro de 10 cm de altura por 5 cm de
diâmetro. A consistência da argamassa é determinada pelo ensaio de
escorregamento da argamassa normal. O processo é descrito, pormenorizadamente,
no método NBR-7215 [51] da ABNT.
A argamassa é constituída pela mistura de cimento e areia normal, nas
proporções de 1:3 em peso, materiais secos. A água a ser adicionada será
determinada para se conseguir a consistência normal, anteriormente definida.
A areia utilizada na argamassa tem sua análise granulométrica de acordo
com a NBR-7214 [52] da ABNT e seus resultados estão discriminados no capítulo 5.
Os corpos de prova, assim executados, são conservados em câmara úmida
por 24 horas, e a seguir imersos em água, até a data do rompimento. Este se
processa, geralmente, nas idades de l, 3, 7 e 28 dias. Para o cimento Portland
ordinário, a especificação brasileira NBR-5732 [27] exige, aos três dias de idade,
resistência mínima de 80 kgf/ cm2. Aos sete dias, 150 kgf/cm2 e, aos 28 dias, 250
kgf/cm2.
A NBR 5737 [53], fixa as condições exigíveis no recebimento dos cimentos
Portland resistentes a sulfatos. Convém lembrar que, exclusivamente para os fins
específicos desta norma, o CP-V ARI, utilizado neste estudo, deve apresentar
resistência à compressão, a um dia de idade, igual ou superior a 11 MPa. As demais
exigências permanecem inalteradas e são as indicadas nas respectivas normas.
Os resultados deste ensaio estão discriminados e discutidos no capítulo 5,
deste trabalho.
55
A figura 14 mostra a máquina em que os corpos de prova foram rompidos
durante o ensaio.
Figura 14. Máquina utilizada no ensaio de Resistênc ia à compressão (DECIV/EM/UFOP).
56
4.3 – EXIGÊNCIAS FÍSICAS
Nos ensaios anteriormente descritos, é de extrema importância observar os
limites impostos pelas normas técnicas e mostrados na tabela abaixo.
Tabela 17. Exigências Físicas [31].
Tipos
Cla
sse
(M
Pa)
Finura Tempo de
Pega Expansibilidade
Resistência à
Compressão
#200
(75mm)
Blaine
(m²/kg)
Início
(h)
Fim
(h)
Frio
(mm)
Quente
(mm)
1 Dia
(MPa)
3 Dias
(MPa)
7 Dias
(MPa)
28 Dias
(MPa)
CPI
CPI– S
25
32
40
<12,0
<12,0
<10,0
>240
>260
>280
>1
<10
<5,0
<5,0 -
>8,0
>10,0
>15,0
>15,0
>20,0
>25,0
>25,0
>32,0
>40,0
CPII-E
CPII-Z
CPII-F
25
32
40
<12,0
<12,0
<10,0
>240
>260
>280
>1
<10
<5,0
<5,0 -
>8,0
>10,0
>15,0
>15,0
>20,0
>25,0
>25,0
>32,0
>40,0
CPIII
25
32
40
<8,0 - >1 <12 <5,0 <5,0 -
>8,0
>10,0
>12,0
>15,0
>20,0
>23,0
>25,0
>32,0
>40,0
CPIV
25
32
<8,0 - >1 <12 <5,0 <5,0 -
>8,0
>10,0
>15,0
>20,0
>25,0
>32,0
CPV <6,0 >300 >1 <10 <5,0 <5,0 >14,0 >24,0 >34,0 -
CPV - RS <6,0 >300 >1 <10 <5,0 <5,0 >11,0 >24,0 >34,0 -
57
4.4 – PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS
Conforme descrito anteriormente, os cimentos utilizados nesta pesquisa foram
o CP-III 32 RS e CP-V ARI RS e as amostras preparadas para os respectivos
ensaios, foram obtidas, com fundamentação em cada caso específico, pela norma
pertinente, já descrito anteriormente. O mesmo foi feito em relação à mistura com o
resíduo secundário de lama de aciaria e todos os ensaios feitos com esses materiais
puros ou, no caso das adições, nas proporções (10 % a 50%) e denominações (0 a
50), mostradas na tabela abaixo, foram realizados no Laboratório de Materiais de
Construção do DECIV/EM/UFOP.
Tabela 18. Identificação das amostras
Amostra Resíduo (%) Cimento (%)
0 - 100
10 10 90
20 20 80
30 30 70
40 40 60
50 50 50
Resíduo 100 -
Observe-se, finalmente, que todos os resultados das análises físicas e
mecânicas determinadas pelos métodos/processos descritos neste capítulo,
encontram-se discriminadas e discutidas no capítulo 5, deste trabalho.
58
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 – VALORES DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO RESÍDUO
5.1.1 – ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
A análise granulométrica do resíduo (antes da moagem), forneceu os
resultados mostrados na tabela 19.
Tabela 19. Distribuição granulométrica do resíduo.
Análise Granulométrica do Rejeito Peso: 150,0g
Abertura da malha
Peso (g)
% Retida
(#) (mm) Simples Acumulada
35
48
65
100
150
200
270
<270
0,419
0,296
0,210
0,150
0,105
0,074
0,053
0,044
58,6
20,0
20,2
14,2
10,2
10,0
5,5
11,3
39,1
13,3
13,5
9,5
6,8
6,7
3,6
7,5
100
39,1
52,4
65,9
75,4
82,2
88,9
92,5
100
A análise granulométrica do resíduo permite afirmar que, aproximadamente,
60% das partículas têm granulometria menor que 35#. Por não apresentar um
comportamento granulométrico homogêneo, o resíduo foi então submetido à
moagem e determinado a energia consumida neste processo, através do cálculo de
“Índice de Bond”, também conhecido como “Work Index”.
59
5.1.2 – DETERMINAÇÃO DO WI
Para o cálculo do WI (work index ou índice de Bond), foi realizada uma série
de procedimentos, já descritos anteriormente, como a granulometria na alimentação
e a granulometria do produto, cujos resultados estão na tabela 20 e nas figuras 15 e
16.
Tabela 20. Granulometria (Alimentaç ão Nova e Produto de Moagem).
MINÉRIO : Lama
Teste de WI (MÉDIA)
Alimentação Nova Produto Moagem
Malha (µm)
Malha (Mesh)
Peso (g)
% Ret. % Ac. %Pass. Malha ( Mesh )
Peso (g)
% Ret. % Ac. %Pass.
2,369 8 # 1.25 0.25 0.25 99.75 8 # - - - -
1,675 10 # 1.80 0.36 0.61 99.39 10 # - - - -
1,184 14 # 10.05 2.01 2.62 97.38 14 # - - - -
838 20 # 29.25 5.85 8.47 91.53 20 # - - - -
592 28 # 41.45 8.29 16.76 83.24 28 # - - - -
419 35 # 90.10 18.02 34.78 65.22 35 # - - - -
296 48 # 88.90 17.78 52.56 47.44 48 # - - - -
209 65 # 77.95 15.59 68.15 31.85 65 # - - - -
148 100 # 61.85 12.37 80.52 19.48 100 # - - - -
105 150 # 36.05 7.21 87.73 12.27 150 # 41.05 41.05 41.05 58.95
74 200 # 26.45 5.29 93.02 6.98 200 # 26.60 26.60 67.65 32.35
52 270 # 15.30 3.06 96.08 3.92 270 # 8.80 8.80 76.45 23.55
43 325 # 10.55 2.11 98.19 1.81 325 # 8.80 8.80 85.25 14.75
37 400 # 5.55 1.11 99.30 0.70 400 # 7.30 7.30 92.55 7.45
< 37 < 400 # 3.50 0.70 100.00 0.00 < 400 # 7.45 7.45 100.00 0.00
Peso Inicial : 500.00 g
Peso Inicial : 100.00 g
60
Granulometria da Alimentação(Média)
16.76
99.30
8.47
2.620.61
98.1996.08
93.02
87.73
80.52
68.15
52.56
34.78
0.250
y = -0.0304x + 72.953
R2 = 0.5906
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10 100 1,000 10,000Abertura em microns
% R
et. a
cum
ulad
a
Figura 15. Granulometria da Alimentação na moagem.
No gráfico da figura 15 e na tabela 20, observa-se que, a alimentação nova é
aquela passante em 6 #. O resíduo não apresenta comportamento granulométrico
definido, por ser um material avaliado após ultrassonagem.
Granulometria do Produto(Média)
0
92.55
85.25
76.45
67.65
41.05
y = -0.8014x + 121.8
R2 = 0.9889
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10 100 1000
Abertura em microns
% R
et. a
cum
ulad
a
Figura 16. Granulometria do Produto moído.
61
Na figura 16, observa-se, claramente, que o produto final encontra-se abaixo
de 100 #. Portanto, o comportamento granulométrico do produto final (moído), se
aproxima de uma curva pré definida.
A tabela 21 apresenta os valores dos parâmetros obtidos, no
processamento do resíduo, segundo as etapas descritas no capítulo 4, para a
determinação do WI.
Tabela 21. Determinação do WI. Malha Teste: 100#
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Ciclo N° de
Revoluções
Tempo
de
Moagem
ANA
<100 #
na
ANA
%
<100 #
ANA
Produto de
Moagem
<100 #
Liquido
Produzido
ANA do
Proximo
Ciclo
Desvio
Carga
Circulante
%
Gbp
g/rot
>100 # <100 #
01 70 1,00 1001,00 195,20 19,5 732,70 268,30 73,105 268,30 17,70 273,09 1 ,04436
02 90,80000 1'17" 268,30 52,32 19,5 711,30 289,70 237,382 289,70 -3,70 245,53 2,61433
03 89,90000 1'17" 289,70 56,49 19,5 744,70 256,30 199,809 256,30 29,70 290,56 2,22256
04 104,30000 1'29" 256,30 49,98 19,5 735,20 265,80 215,822 265,80 20,20 276,60 2,06924
05 112,40000 1'36" 265,80 51,83 19,5 775,40 225,60 173,769 225,60 60,40 343,71 1,54599
06 156,10000 2' 13" 225,60 43,99 19,5 643,30 357,70 313,708 357,70 -71,70 179,84 2,00966
07 121,00000 1'43" 357,70 69,75 19,5 707,70 293,30 223,549 293,30 -7,30 241,29 1,84751
08 120,20000 1'43" 293,30 57,19 19,5 593,60 407,40 350,207 407,40 -121,40 145,70 2,91353
09 78,90000 17" 407,40 79,44 19,5 719,50 281,50 202,057 281,50 4,50 255,60 2,56093
10 79,50000 1'8" 281,50 54,89 19,5 714,90 286,10 231,208 286,10 -0,10 249,88 2,90827
( ) ( )
−=
FPxGBPxPi
WI1010
5.44
82.023.0
• F = 550,0000
• P = 127,0280
• Pi = 149 WI = 12,7288 (kwh/t.)
• GBP = 2,9082
• IPP =286
62
Sendo que 01 kWh industrial custa, em média, R$0,10 (dez centavos),
considerando-se que são consumidos 12,7288 kWh/t, teremos um custo de R$1,27
(um real e vinte e sete centavos) para a moagem de uma tonelada de resíduo.
Obviamente, a que se considerar que tal custo poderá ser absorvido, se levarmos
em consideração que para cada tonelada de cimento, com custo médio de R$360,00
(trezentos e sessenta reais), ter-se-á um decréscimo de R$36,00 (trinta e seis reais)
menos R$1,27 (um real e vinte e sete centavos), o que perfaz uma economia de
R$34,73 (trinta e quatro reais e setenta e três centavos) por tonelada de cimento,
considerados constantes todos os demais custo envolvidos na fabricação dos
cimentos. Tal análise considera, como veremos adiante, uma adição de apenas 10%
de resíduo nos cimentos estudados.
5.1.3 – DETERMINAÇÃO DAS FASES PRESENTES.
O difratograma de raios-X, do resíduo em estudo, realizado segundo a técnica
explicitada no capítulo 4, no item 4.1.3.1, está mostrado na figura 17 e as fases
mineralógicas presentes, estão indicadas na tabela 22.
Figura 17. Difratograma de raios-X da amostra do re síduo
P = Portlandita, Q = quartzo, C = calcita, M = magn etita, Csi = carbeto de silício, W = wustita e
α-Fe = ferro metálico.
63
Tabela 22. Fases mineralógicas identificadas atravé s da difração de raios-X.
Amostra Fase majoritária Fase minoritária
Resíduo Portlandita, wustita, carbeto de silício Quartzo, calcita, α-Fe
5.1.4 – RESULTADO DA ANÁLISE QUÍMICA
O resultado da análise química, para determinação do teor de ferro na
amostra do resíduo, realizado segundo a técnica explicitada no capítulo 4, item
4.1.3.2, está mostrado na tabela 23.
Tabela 23. Teores (% peso) obtidos para a amostra do resíduo da lama de aciaria.
Amostra Fe total σ Fe2+ σ
Resíduo 23,1 0,3 14,2 0,6
O teor de Fe2+ está relacionado à dissolução do ferro metálico que,
preferencialmente, permanece neste estado de oxidação e também da wustita e da
magnetita eventualmente presentes. Durante o processo de dissolução da amostra,
ocorre uma oxidação parcial do íon ferroso, de modo que o teor de Fe2+ listado na
Tabela 23, deve ser considerado como uma estimativa. O erro relativo máximo
estimado para estas análises é de 1%.
5.1.5 – ESPECTRO MOSSBAUER
O espectro obtido, à temperatura ambiente, está mostrado na figura 18 e os
resultados numéricos estão listados na tabela 24.
64
Figura 18. Espectro Mossbauer da amostra do resíduo à temperatura ambiente.
Tabela 24. Teores (% peso) das fases portadoras de ferro.
Amostra α-Fe Magnetita Wustita Fe 3+
Resíduo 5 4 23 6
A última coluna mostra apenas o teor de Fe3+ em uma fase cuja composição
não foi identificada.
Os resultados numéricos derivados permitiram confirmar a presença de
magnetita, α-Fe e wustita. Entretanto, existe uma outra fase cuja fórmula não foi
identificada e que possui Fe3+ em sua estrutura. Uma outra possibilidade é que este
dubleto de Fe3+ seja devido à presença de íons férrico na estrutura da wustita. A
partir das áreas relativas de cada sub-espectro, do teor total de ferro, e
considerando a mesma fração livre de recuo para todas as espécies, calculou-se as
porcentagens (em peso) para as fases identificadas.
Finalmente, o material utilizado é, basicamente, constituído pelos seguintes
compostos e seus respectivos percentuais, conforme mostrado na tabela 25 a
seguir:
65
Tabela 25. Análise química quantitativa.
Compostos Percentuais
CaO 42%
FeO 35%
SiO2 13%
MgO, Al2O3, C, MnO Restante
5.2 – PROPRIEDADES FÍSICAS DAS AMOSTRAS
5.2.1 – FINURA
5.2.1.1 – DETERMINAÇÃO DO IF POR MEIO DA PENEIRA N0 200:
Neste ensaio, foi determinada a porcentagem, em massa, de cimento, cujas
dimensões de grãos são superiores a 75µm (fração retida), de acordo com a NBR-
11579 [45].
O índice de finura do cimento é calculado pela expressão [45]:
100×=M
RF
Onde:
• F = índice de finura do cimento (em porcentagem)
• R = resíduo do cimento na peneira 75µm - n0 200 (em g)
• M = massa inicial do cimento (50 g)
As especificações brasileiras prescrevem o limite de retenção na peneira n0
200 de 75µm de abertura. Para o cimento Portland de alta resistência inicial (CP-V),
o resíduo deixado nessa peneira não deve exceder 6% em peso, já para o cimento
Portland de alto-forno (CP-III), 8%.
Os resultados estão plotados no gráfico da figura 19 a seguir:
66
Finura
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
Resíduo (%)
Índi
ce d
e F
inur
a (%
)
IF-CPV 0,24 5,80 11,50 18,74 25,60 32,00
IF-CPIII 0,50 6,80 13,20 19,55 25,90 32,25
0 10 20 30 40 50
Figura 19. Índice de finura das amostras das mistur as.
Pode-se concluir que, observando-se a NBR-11579, que prevê um IF < 6,0%
para o cimento CP V ARI e um IF <8,0% (CP-III), apenas a amostra 10, atende às
especificações, em ambos os cimentos.
É importante observar que estes resultados de ensaio de peneiramento não
podem ser comparados com os resultados da medida da superfície específica, que
serão feitos a seguir.
5.2.1.2 – DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE ESPECÍFICA
Inicialmente, foi necessária a determinação da massa específica (γ) com a
utilização do frasco de Le Chatelier, em conformidade com a NBR-6474 [46], para
posteriormente efetuar o cálculo da área específica utilizando a seguinte relação:
V
M=γ
Onde:
• γ = massa específica (g/cm3)
• M = massa da amostra ensaiada ( 60 g)
67
• V = Vf - Vi leituras extraídas do frasco de Le Chatelier (ml)
As leituras dos volumes, feitas no frasco de Le Chatelier, permitiram o cálculo
da massa específica de cada amostra, conforme mostra a tabela 26.
Tabela 26. Massa específica das amostras ensaiadas
Amostra γγγγCP-III
(g/cm 3)
γγγγCP-V
(g/cm 3)
0 2,95 3,04
10 2,98 3,06
20 3,01 3,08
30 3,04 3,09
40 3,06 3,11
50 3,09 3,14
Bases do método – O aparelho de permeabilidade do ar de Blaine está
fundamentado na equação abaixo de acordo com a NBR-7224 [47].
ηεγε
).1.(
.. 3
−= tk
A
Onde:
• A = superfície específica (m2/kg).
• ε = porosidade da camada (normalmente 0,5 para o cimento).
• γ = massa específica do material.
• η = viscosidade dinâmica do ar (η = 18,03 – de acordo com a temperatura
ambiente)
• k = constante do aparelho ( calibração k = 519,16 Pa1/2. m-1 ).
• t = tempo gasto pelo líquido de um manômetro U percorrer duas marcas
referenciais.
O tempo utilizado nos cálculos é a média entre duas leituras, conforme indicado
na tabela 27.
68
Tabela 27. Tempo de percolação do líquido nas amost ras
Amostra CP-III
Tempo (s)
CP-V
Tempo (s)
0 190,0 209,0
10 171,5 187,0
20 153,0 166,0
30 135,5 144,0
40 118,0 124,5
50 102,0 107,5
Após a execução dos cálculos, para cada amostra, utilizando-se a fórmula
anteriormente descrita, chegou-se aos seguintes resultados:
Área Específica
250,00
300,00
350,00
400,00
Resíduo (%)
Áre
a E
spec
ífica
(m2 /K
g)
Ae-CPIII 403,90 379,40 354,80 330,60 306,50 282,20
Ae-CPV 410,60 385,80 361,10 335,30 309,80 285,10
0 10 20 30 40 50
Figura 20. Área específica das amostras das mistura s.
De acordo com as especificações, a área específica do cimento CP-V ARI
deverá ser maior ou igual a 300 m2/kg. Portanto, as amostras 10, 20, 30 e 40
atendem às especificações. O cimento ARI deve apresentar finura maior que os
demais cimentos, pois é empregado quando se necessita desenforma rápida. Já
para o cimento CP-III, as especificações não limitam valores, pois como se trata de
69
um cimento com teor de escória entre 35 e 70%, este é empregado, geralmente, em
concreto simples e armado, não havendo maiores exigências quanto à finura;
entretanto, é importante observar que em todas as amostras do CP-III, a área
específica se manteve menor que a do CP-V.
5.2.2 - TEMPO DE PEGA
Para a execução deste ensaio, foi necessário, inicialmente, determinar a água
da pasta de consistência normal. Esta quantidade de água foi utilizada para a
confecção da pasta, para as leituras de início e fim de pega.
5.2.2.1.- DETERMINAÇÃO DA ÁGUA DA PASTA DE CONSISTÊNCIA NORMAL
A execução deste ensaio foi feita de acordo com a NBR-11580 [49].
A massa de cimento a ser utilizada na preparação da pasta é de (500 ± 0,1 g).
Iniciou-se o ensaio, estimando uma porcentagem da massa de cimento; esta
porcentagem será o volume de água para o preparo da pasta, que vai para o
misturador e é submetida a determinados intervalos de tempo e rotações, segundo a
norma acima. Em seguida, foi levada à sonda, verificando se a penetração da sonda
se dá a 6 ± 1 mm do fundo da forma; nesta etapa são feitas várias tentativas.
Os resultados obtidos (% água e penetração da sonda), em cada amostra,
são mostrados na tabela 28.
Tabela 28. Quantidade de água e penetração da sonda na determinação da pasta de
consistência normal.
Amostra CP-III
(% água)
Penetração
(mm)
CP-V
(% água)
Penetração
(mm)
0 28,5 7,0 28,5 7,0
10 28,0 6,0 27,2 5,0
20 27,8 5,0 26,0 7,0
30 25,8 5,0 25,8 7,0
40 24,4 5,0 24,5 6,5
50 23,0 6,0 23,1 6,5
70
5.2.2.2 – DETERMINAÇÃO DOS TEMPOS DE PEGA
Uma vez determinadas as quantidades de água, preparou-se as pastas,
misturando 500 g de cimento, obedecendo a NBR-11581 [50]. A hora em que é
lançada a água de amassamento é identificada. O início de pega é constatado no
momento em que a agulha de Vicat, descendo sobre a pasta de consistência
normal, estacionar a 1 mm do fundo. Assim, o tempo de início de pega é o intervalo
decorrido entre o instante em que se lançou a água à pasta e o instante em que se
constatou o início da pega. O tempo de fim de pega é o intervalo decorrido entre o
instante que se lançou a água de amassamento à pasta e o instante em que a
agulha de Vicat não mais penetra na pasta.
As leituras, efetuadas nas amostras, deste trabalho, foram:
Tempo de Pega
0:00
2:24
4:48
7:12
9:36
Resíduo (%)
Tem
po d
e P
ega
(h)
IP-CPIIIFP-CPIIIIP-CPVFP-CPV
IP-CPIII 3:10 3:55 4:35 5:40 5:50 6:05
FP-CPIII 5:30 6:15 7:05 8:10 8:20 8:40
IP-CPV 2:50 3:15 3:20 3:25 4:30 4:50
FP-CPV 4:35 5:00 5:05 5:20 7:05 7:45
0 10 20 30 40 50
Figura 21. Tempo de pega das amostras das misturas.
As especificações: NBR-5735 [44] e NBR- 5733 [43] prescrevem:
• CP-III → IP ≥ 1 hora - FP ≤ 12 horas.
• CP-V → IP ≥ 1 hora - FP ≤ 10 horas.
Portanto, todas as amostras estão de acordo com as especificações. O tempo
de pega é um parâmetro importante na classificação de um cimento.
71
5.2.3 – EXPANSIBILIDADE .
A expansibilidade foi medida pelas agulhas de Le Chatelier pelo processo “a
frio”, de fácil execução. O ensaio é descrito por um método da ABNT (NBR-7215)
feito após a moldagem de corpos, de prova confeccionados com pasta de
consistência normal.
Feita a moldagem, os corpos de prova foram submersos em água potável por
12 horas. Após este tempo a ponta das agulhas ficaram fora da água, quando foi lida
a medida da abertura na ponta das hastes da agulha, 1a leitura. A imersão
permaneceu por mais 7 dias, quando foi feita a 2a leitura. O resultado do ensaio é a
diferença entre as leituras.
Todas as amostras, em estudo, apresentaram medida inferior a 5 mm, que é
o limite prescrito para todos os tipos de cimento.
5.2.4 – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
O ensaio foi executado com o cimento sob a forma de argamassa, com traço
1 : 3 : 0,48, de acordo com a NBR-7215 [51]. Foram moldados 72 corpos de prova
para os ensaios com o CP-III, rompidos em grupo de 4, nas idades de 3, 7 e 28 dias.
No caso do CP-V, foram moldados 96 corpos de prova e as idades normalizadas,
para ruptura de corpos de prova, são 1,3 e 7 dias, sendo o ensaio no 28o dia,
facultativo.
5.2.4.1 – GRANULOMETRIA DA AREIA
No preparo da argamassa para a execução do ensaio, conforme discriminado
no capítulo 4, item 4.2.4, a areia utilizada possui a distribuição granulométrica
mostrada na tabela 29, a seguir ( NBR-7214 [53] ).
72
Tabela 29. Granulometria da areia utilizada no ensa io de resistência à compressão.
Peneira (mm)
Material Retido (g)
% Retida % Acumulada
4,8 7,0 1,0 1,0
2,4 19,0 2,7 4,0
1,2 75,0 10,7 14,0
0,6 236,0 33,7 48,0
0,3 192,0 27,4 75,0
0,15 154,0 22,0 97,0
Fundo 17,0 2,4 100
De acordo com a granulometria mostrada na tabela 29, a areia se enquadra
na zona 3 da NBR, ou seja, trata-se de uma areia média.
Para a realização do ensaio, foi utilizada a mistura mecânica em uma
argamassadeira apropriada com tempos e velocidades prescritos pela norma. Após
o preparo da argamassa iniciou-se a moldagem dos corpos de prova, que foram
desformados em 24 horas, identificados e levados para câmara úmida onde
aguardaram, em processo de cura, a idade para serem rompidos.
Foram rompidos 4 corpos de prova em cada idade e determinada a tensão
média de ruptura na idade e o desvio máximo relativo.
Feita a leitura da carga F (kgf) necessária para o rompimento, calcula-se a
resistência à compressão σ (MPa) de cada corpo de prova, dividindo a carga de
ruptura pela área da secção do corpo de prova, ou seja:
4
2d
F
πσ = onde: cmd 5=
Para que o ensaio, em qualquer das séries, seja aprovado é necessário que o
Desvio Relativo Máximo (DRM) seja inferior a 6% e é calculado pela fórmula abaixo:
100×−
=m
miDRMσ
σσ %6≤
• mσ = valor médio (dos 4 corpos de prova)
• iσ = valor mais afastado, em relação à média considerada
(Quando o DRM for > 6%, calcula-se uma nova média, desconsiderando o valor
discrepante. Persistindo o fato, o ensaio deve ser totalmente refeito).
73
As figuras 22, 23 e 24 mostram os corpos de prova ensaiados no presente
estudo, para a determinação das tensões limites à compressão.
Figura 22. Corpos de prova das misturas: natural, c apeado e rompido
Figura 23. Corpos de prova das misturas.
Figura 24. Rompimento dos corpos de prova das mistu ras: forma cônica
Obs: A forma cônica evidencia que, durante o ensaio, os corpos de prova foram
capeados adequadamente e bem centralizados na máquina de compressão.
74
5.2.4.2 – DETERMINAÇÃO DAS RESISTÊNCIAS MÉDIAS
A seguir, estão tabelados os resultados obtidos, das resistências médias das
amostras em cada idade, nos ensaios de rompimento de corpos de prova, bem
como as idades de rompimento e o desvio relativo máximo (controle de ensaio),com
a finalidade de compará-los com as respectivas normas.
Os resultados mostrados na tabela 30 a seguir, permitem constatar, que a
Amostra 0 (CP-III 32), está dentro dos limites normativos.
Tabela 30. Determinação da resistência à compressão da Amostra 0, CP-III 32 - (100% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
1
12/11
15/11
03
3200 16,3
15,9
(≥≥≥≥ 10,0)*
2,4
2 3100 15,8
3 3150 16,0
4 3050 15,5
5
12/11
19/11
07
4200 21,4
21,8
(≥≥≥≥ 20,0)*
2,7
6 4400 22,4
7 4200 21,4
8 4300 21,9
9
12/11
10/12
28
7000 35,7
36,6
(≥≥≥≥ 32,0)*
2,5
10 7350 37,5
11 7150 36,4
12 7200 36,7
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43].
As tabelas 31 a 33 a seguir, mostram os resultados dos ensaios realizados
com as misturas do CP-III e o resíduo.
75
Tabela 31. Determinação da resistência à compressão da Amostra 10, CP-III 32 – (10% resíduo /
90% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
13
12/11
15/11
03
2950 15,0
15,0
(≥≥≥≥ 10,0)*
2,0
14 2900 14,8
15 3000 15,3
16 2950 15,0
17
12/11
19/11
07
4100 20,9
20,6
(≥≥≥≥ 20,0)*
1,0
18 4050 20,6
19 4050 20,6
20 4000 20,4
21
12/11
10/12
28
6600 33,6
33,5
(≥≥≥≥ 32,0)*
0,6
22 6600 33,6
23 6600 33,6
24 6550 33,4
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43]
A amostra 10 (CP-III 32), está de acordo com a especificação.
Tabela 32. Determinação da resistência à compressão da Amostra 20, CP-III 32 – (20% resíduo /
80% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
25
12/11
15/11
03
2300 11,7
11,8
(≥≥≥≥ 10,0)*
1,7
26 2300 11,7
27 2350 12,0
28 2350 12,0
29
12/11
19/11
07
3400 17,3
17,6
(≥≥≥≥ 20,0)*
1,7
30 3450 17,6
31 3500 17,8
32 3450 17,6
33
12/11
10/12
28
5250 26,8
27,3
(≥≥≥≥ 32,0)*
2,6
34 5350 27,3
35 5350 27,3
36 5500 28,0
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43]
A amostra 20 (CP-III 32), não está de acordo com a especificação.
76
Tabela 33. Determinação da resistência à compressão da Amostra 30, CP-III 32 – (30% resíduo /
70% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
37
17/11
20/11
01
1900 9,7
9,4
(≥≥≥≥ 10,0)*
3,2
38 1850 9,4
39 1800 9,2
40 1850 9,4
41
17/11
24/11
07
2650 13,5
13,7
(≥≥≥≥ 20,0)*
4,4
42 2700 13,8
43 2800 14,3
44 2600 13,2
45
17/11
15/12
28
4200 21,4
22,4
(≥≥≥≥ 32,0)*
4,5
46 4400 22,4
47 4400 22,4
48 4600 23,4
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43]
A amostra 30 (CP-III 32), não está de acordo com a especificação.
As determinações das amostras 40 e 50 (CP-III) não serão representadas
aqui, pois, uma vez demonstrado que, a partir de 20% as misturas não obedecem às
especificações. Entretanto, por questões práticas, os ensaios foram executados,
pois a moldagem e a cura dos corpos de prova foram feitas em série e seus
resultados obtidos da mesma forma. Como complemento deste estudo, as mesmas
estão anexadas para que se faça eventual análise dos resultados.
Os resultados mostrados na tabela 34, a seguir, permitem constatar que a
Amostra 0 (CP-V), está dentro dos limites normativos.
Tabela 34. Determinação da resistência à compressão da Amostra 0, CP-V ARI- (100% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
1
14/01
15/01
01
4000 20,4
20,8
(≥≥≥≥ 11,0)*
1,9
2 4150 21,1
3 4050 20,6
4 4100 20,9
77
5
14/01
17/01
03
6250 31,8
32,2
(≥≥≥≥ 24,0)*
2,8
6 6500 33,1
7 6300 32,1
8 6200 31,6
9
14/01
21/01
07
7050 35,9
36,3
(≥≥≥≥ 34,0)*
1,1
10 7150 36,4
11 7200 36,7
12 7150 36,4
13
14/01
11/02
28
facultativo
8650 44,1
44,2
0,2
14 8700 44,3
15 8700 44,3
16 8700 44,3
*Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
As tabelas 35 a 37, a seguir mostram os resultados dos ensaios realizados
com as misturas do CP-V e o resíduo.
Tabela 35. Determinação da resistência à compressão da Amostra 10, CP-V ARI- (10% resíduo /
90% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
17
14/01
15/01
01
3500 17,8
18,1
(≥≥≥≥ 11,0)*
1,6
18 3550 18,1
19 3600 18,3
20 3550 18,1
21
14/01
17/01
03
5450 27,8
28,4
(≥≥≥≥ 24,0)*
3,2
22 5550 28,3
23 5500 28,0
24 5750 29,3
25
14/01
21/01
07
6750 34,4
34,4
(≥≥≥≥ 34,0)*
0,9
26 6700 34,1
27 6750 34,4
28 6800 34,6
29
14/01
11/02
28
facultativo
7850 40,0
39,6
1,5
30 7800 39,7
31 7850 39,7
32 7650 39,0
*Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
78
A amostra 10 (CP-V ARI), está de acordo com a especificação.
Tabela 36. Determinação da resistência à compressão da Amostra 20, CP-V ARI- (20% resíduo /
80% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
33
14/01
15/01
01
3150 16,1
15,7
(≥≥≥≥ 11,0)*
2,5
34 3050 15,5
35 3100 15,8
36 3000 15,3
37
14/01
17/01
03
4750 24,2
24,1
(≥≥≥≥ 24,0)*
1,7
38 4650 23,7
39 4700 23,9
40 4800 24,5
41
14/01
21/01
07
5150 26,2
26,7
(≥≥≥≥ 34,0)*
2,6
42 5300 27,0
43 5400 27,5
44 5100 26,0
45
14/01
11/02
28
facultativo
6800 34,6
34,2
1,2
46 6700 34,1
47 6650 33,9
48 6700 34,1
* Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
A amostra 20 (CP-V ARI), não está de acordo com a especificação.
Tabela 37. Determinação da resistência à compressão da Amostra 30, CP-V ARI- (30% resíduo /
70% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
49
19/01
20/01
01
2550 13,0
12,8
(≥≥≥≥ 11,0)*
1,6
50 2500 12,7
51 2500 12,7
52 2500 12,7
53
19/01
22/01
03
3700 18,8
19,0
(≥≥≥≥ 24,0)*
2,1
54 3750 19,1
55 3700 18,8
56 3800 19,4
79
57
19/01
26/01
07
4200 21,4
22,6
(≥≥≥≥ 34,0)*
5,3
58 4450 22,7
59 4450 22,7
60 4650 23,7
61
19/01
16/02
28
facultativo
5650 28,8
28,4
1,4
62 5500 28,0
63 5550 28,3
64 5600 28,5
* Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
A amostra 30 (CP-V ARI), não está de acordo com a especificação.
Por motivos já, anteriormente, citados, as determinações das amostras 40 e
50 (CP-V) não serão representadas aqui. As mesmas estão anexadas, juntamente
com as amostras do CP-III.
5.2.4.3 – ANÁLISE GRÁFICA DOS RESULTADOS
Com a finalidade de visualizar-se de modo mais claro, os resultados obtidos,
são mostrados os gráficos nas figuras 25, 26, 27 e 28 que ilustram comparações
entre o CP-III, o CP-V e as misturas efetuadas neste estudo.
Resistência à CompressãoAmostra 0
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
1 3 7 28
Idade (dias)
Res
it. C
ompr
essã
o (M
Pa)
Med CPIII
Min NBR 5735
Med CPV
Min NBR 5733
Figura 25. Resistência à compressão / Amostra 0.
Constata-se que as amostras 0 (CP-III e CP-V), cimentos puros, estão de
acordo com as respectivas normas técnicas.
80
Resistência à Compressão Amostra 10
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
1 3 7 28
Idade (dias)
Res
it. C
ompr
essã
o (M
Pa)
Med CPIII
Min NBR 5735
Med CPV
Min NBR 5733
Figura 26. Resistência à compressão / Amostra 10.
Observa-se que as amostras 10 (CP-III e CP-V), atendem as respectivas
especificações e apresentam valores bem diferenciados para 3 e 7 dias.
Resistência à CompressãoAmostra 20
0,005,00
10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,00
1 3 7 28
Idade (dias)
Res
ist.
Com
pres
são
(MP
a)
Med CPIII
Min NBR 5735
Med CPV
Min NBR 5733
Figura 27. Resistência à compressão / Amostra 20.
81
Observa-se que a amostra 20 (CP-III), atende as especificações somente na
idade de 3 dias. Já a amostra 20 (CP-V), atende as especificações nas idades de 1
e 3 dias.
Resistência à CompressãoAmostra 30
0,005,00
10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,00
1 3 7 28
Idade (dias)
Res
ist.
Com
pres
são
(MP
a)
Med CPIII
Min NBR 5735
Med CPV
Min NBR 5733
Figura 28. Resistência à compressão / Amostra 30.
Somente a amostra 30 (CP-V ARI) com a idade de apenas 1 dia, atende às
especificações.
Tornou-se desnecessário representar os gráficos das demais amostras, uma
vez que misturas do resíduo nos cimentos estudados, à partir de 20%, tornam o
produto obtido impróprio à utilização comercial, pois os valores de seus resultados
não estão dentro dos limites das normas técnicas pertinentes.
Uma comparação entre a amostra 0 (sem resíduo) e as amostra 10
(aprovadas), é feita na figura 28, com o intuito de analisar a diferença entre os
resultados das amostras, em estudo, com um cimento comercial.
82
Resistência à CompressãoAmostra 0 x Amostra 10
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
1 3 7 28
Idade (dias)
Res
it. C
ompr
essã
o (M
Pa)
Med 0-CPIII
Med 10-CPIII
Med 0-CPV
Med 10-CPV
Figura 29. Resistência à compressão / Amostra 0 x A mostra 10.
Observa-se que as amostras aprovadas neste ensaio, ou seja, aquelas
oriundas das misturas dos cimentos CP-III 32 e a do CP-V ARI, com o resíduo,
possuem valores de resistência muito próximos daqueles encontrados nos referidos
cimentos puros.
83
6. CONCLUSÕES
Em relação ao resíduo, algumas conclusões importantes podem ser
enumeradas:
• O valor da energia consumida na moagem do resíduo, calculado pelo “Índice de
Bond”, e que, no caso do presente estudo, totalizou 12,7288 kWh/ton,
determinará um acréscimo de R$1,27 (um real e vinte e sete centavos) no
processo de obtenção do cimento objeto deste estudo. Entretanto, levando-se
em consideração que para cada tonelada de cimento, serão economizados cem
kg de cimento a um custo médio de R$36,00 (trinta e seis reais), ter-se-á um
decréscimo de R$34,73 (trinta e quatro reais e setenta e três centavos),
conforme constatados no capítulo 5. Pode-se, portanto, concluir que o processo
é economicamente viável.
• Na caracterização químico-mineralógica do resíduo, foram identificadas as fases
mineralógicas como a Portlandita, wustita, carbeto de silício, em quantidades
maiores e quartzo, calcita, α-Fe, em quantidades menores. Análises quantitativas
mostradas no capítulo 5, indicam os teores de CaO (42%), FeO (35%), SiO2
(13%), além de óxidos diversos. Tais compostos são, comumente, encontrados
nos cimentos do tipo Portland, o que mostra ser possível a adição ou o co-
processamento do resíduo secundário, obtido pela técnica de ultrassonagem,
com cimentos comerciais.
Em relação às misturas analisadas, os resultados obtidos permitem concluir:
• Nos ensaios de peneiramento, somente as amostras 10 (CP-III e CP-V), estão
dentro dos limites das normas técnicas. Portanto, adições do resíduo superiores
a 10%, não proporcionam um cimento com finura adequada.
84
• No que tange à finura, mais precisamente a superfície específica, todas as
amostras foram aprovadas, ou seja, estão dentro dos limites impostos pelas
normas técnicas, exceto a amostra 50 (CP-V).
• Os tempos de início e fim de pega, de todas as amostras estudadas, estão de
acordo com as normas técnicas, mostrando, portanto, que as adições do resíduo
não comprometem a evolução das propriedades mecânicas da pasta no início do
processo de endurecimento.
• Quanto à expansibilidade, as amostras se comportaram dentro dos limites
estabelecidos, ou seja, os teores de cal e magnésia presentes no resíduo, não
provocaram uma expansão prejudicial.
• Neste estudo, verificou-se que, em relação à resistência à compressão, somente
as amostras 10 (CP-III e CP-V) foram aprovadas, apresentando tensões médias
à compressão, entre 87 % e 95 % da resistência do cimento puro (amostra 0).
Portanto, adições do resíduo superiores a 10 % comprometem as propriedades
mecânicas da pasta, no processo final de endurecimento.
• Convém ressaltar que, as amostras 20 (CP-III e CP-V) apresentaram valores de
resistência média à compressão entre 75% e 80% da resistência do cimento
puro. Já nas amostras 30 (CP-III e CP-V), os valores ficaram entre 60 e 65%.
• Finalmente, pode-se concluir que o resíduo proveniente da lama de aciaria,
processada pela técnica de ultrassonagem, para retirada da maior parte do ferro
metálico, é um material útil para elaboração de cimentos do tipo Portland,
quimicamente modificados.
85
SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
• Experimentar a adição do resíduo, a outros tipos de cimento, avaliando as
propriedades físicas e químicas da mistura.
• Realizar a moagem do resíduo, juntamente com o clínquer e verificar a
viabilidade técnica e econômica do processo.
• Experimentar a adição do resíduo em argamassas de cobertura, uma vez que o
mesmo apresenta significativa quantidade de cal.
• Avaliar a utilização do resíduo para a elaboração de concretos, verificando as
propriedades do produto final.
• Experimentar a mistura direta da lama fina de aciaria a cimentos do tipo Portland.
86
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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3. LAGREGA, M. D. et al Hazardous Waste Management, 1a ed., McGraw-Hill,
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23. ESPINOSA, D. C. R. Influência do Lodo Galvânico no Co-processamento de
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26. PERAY, K. E. The Rotary Cement Kiln, 2a ed., Chemical Publishing Co.
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28. KUMAR, M. P.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e
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33. BAUER, L. A. F. Materiais de Construção. 4a ed., Livros Técnicos e Científicos
Editora S.A., Rio de Janeiro, 1992.
34. BARNES, P. Structure and Performance of Cements, 1a ed., Applied Science
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35. HEWLETT, P. C. Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4a ed., Arnold
Hodder Headline Group, London, 1998.
36. CALLISTER, W. D. J. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução.
Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., 5a ed., Rio de Janeiro, 2000.
37. SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais. McGraw-Hill,
3a ed., Lisboa, Portugal, 1998.
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40. BERALDO, J. L. Moagem de Minérios em moinhos Tubulares. Editora Blücher,
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Moinho de Bolas: Determinação do Índice de Trabalho. Método de ensaio.1990.
89
42. CHAVES, A. P.; PERES, A. C. Teoria e Prática de Tratamento de Minérios –
Britagem, Peneiramento e Moagem. Vol. 3, 1a ed., Editora Signus, São Paulo,
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43. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-5733/91
Cimento Portland de Alta Resistência Inicial: Especificação. 1991.
44. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-5735/91
Cimento Portland de Alto-forno: Especificação. 1991.
45. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-11579/91
Determinação de Finura por Meio da Peneira 75µm (no200): Método de ensaio.
1991.
46. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-6474/84
Cimento Portland e Outros Materiais em Pó – Determinação da Massa
Específica: Método de Ensaio. 1984.
47. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-7224/84
Cimento Portland e Outros Materiais em Pó – Determinação da Área
Específica: Método de Ensaio. 1984.
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49. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-11580/91
Cimento Portland - Determinação da Água da Pasta de Consistência Normal:
Método de Ensaio. 1991.
50. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-11581/91
Cimento Portland – Determinação dos Tempos de Pega: Método de Ensaio.
1991.
51. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-7215/91
Cimento Portland – Determinação da Resistência à Compressão: Método de
Ensaio. 1991.
52. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-7214/95
Areia Normal para Ensaio de Cimento: Especificação. 1995.
53. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR-5737/95
Cimentos Portland Resistentes a Sulfatos: Especificação. 1991.
90
ANEXOS
I – FORMULÁRIO PARA O CÁLCULO DO WI:
1) IPP - Ideal Potencial Product
IPP= Alimentação Inicial
2) ANA - Alimentação Nova Acrescentar
ANA = Alimentação Inicial – Oversize
3) Malha teste da alimentação
Malha teste da alimentação = ANA x % Passante na alimentação
100
4) Número de revoluções e tempo equivalente
N.º de revoluções = IPP- Malha teste da alimentação
GBP
Tempo = N.º de revoluções x 60
70
5) Undersize Líquido
Undersize Liquido = ANA – Malha Teste
6) Carga Circulante
A carga circulante atingirá 250% quando o undersize for igual ao IPP. Quando
isto acontecer , o WI estará sendo concluído.
% Carga Circulante = Oversize x 100
Undersize
7) GBP- Ball Mill Grindability (gramas por revolução)
GBP = Undersize líquido
Número de revoluções
91
8) WI – Work Index
( ) ( )
−
××=
80
10
80
10
5.44
82.023.0
FPGBPPi
WI
II – DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DAS AMOSTRAS 40 (CP-III 32) E 50
(CP-III 32):
CP-III 32 – AMOSTRA 40 (40% resíduo / 60% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
49
17/11
20/11
03
1350 6,9
6,9
(≥≥≥≥ 10,0)*
4,3
50 1400 7,1
51 1350 6,9
52 1300 6,6
53
17/11
24/11
07
2300 11,7
11,2
(≥≥≥≥ 20,0)*
4,5
54 2100 10,7
55 2200 11,2
56 2150 11,0
57
17/11
15/12
28
3650 18,6
18,7
(≥≥≥≥ 32,0)*
2,1
58 3600 18,3
59 3650 18,6
60 3750 19,1
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43]
A amostra 40 (CP-III 32), não está de acordo com a especificação.
CP-III 32 – AMOSTRA 50 (50% resíduo / 50% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
61
17/11
20/11
03
850 4,3
4,3
(≥≥≥≥ 10,0)*
4,7
62 850 4,3
63 850 4,3
64 800 4,1
92
65
17/11
24/11
07
1550 7,9
7,6
(≥≥≥≥ 20,0)*
3,9
66 1500 7,6
67 1500 7,6
68 1450 7,4
69
17/11
15/12
28
2850 14,5
14,3
(≥≥≥≥ 32,0)*
2,1
70 2800 14,3
71 2750 14,0
72 2800 14,3
*Limites prescritos pela NBR-5733 [43]
A amostra 50 (CP-III 32) não está de acordo com a especificação.
III – DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DAS AMOSTRAS 40 (CP-V ARI) E 50
(CP-V ARI):
CP-V ARI - AMOSTRA 40 (40% resíduo / 60% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
65
19/01
20/01
01
1800 9,2
9,2
(≥≥≥≥ 11,0)*
3,2
66 1750 8,9
67 1850 9,4
68 1800 9,2
69
19/01
22/01
03
2900 14,8
14,3
(≥≥≥≥ 24,0)*
3,5
70 2800 14,3
71 2800 14,3
72 2700 13,8
73
19/01
26/02
07
3150 16,0
16,0
(≥≥≥≥ 34,0)*
1,3
74 3150 16,0
75 3100 15,8
76 3150 16,0
77
19/01
16/02
28
facultativo
3850 19,6
20,2
3,0
78 4000 20,4
79 4050 20,6
80 3950 20,1
*Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
A amostra 40 (CP-V ARI), não está de acordo com a especificação.
93
CP-V ARI – AMOSTRA 50 (50% resíduo / 50% cimento)
N0
CP
DATA ROMPIMENTO T. Média
(MPa)
DRM Moldagem Rompimento Idade(dias) Carga(kgf) Tensão(MPa)
81
19/01
20/01
01
1200 6,1
6,1
(≥≥≥≥ 11,0)*
4,9
82 1150 5,8
83 1250 6,4
84 1150 5,8
85
19/01
22/01
03
1800 9,2
9,2
(≥≥≥≥ 24,0)*
3,3
86 1750 8,9
87 1800 9,2
88 1850 9,4
89
19/01
26/01
07
2100 10,7
10,9
(≥≥≥≥ 34,0)*
1,8
90 2150 10,9
91 2150 10,9
92 2150 10,9
93
19/01
16/02
28
facultativo
2850 14,5
14,0
5,7
94 2750 14,0
95 2800 14,3
96 2600 13,2
*Limites prescritos pela NBR-5735 [44]
A amostra 50 (CP-V ARI), não está de acordo com a especificação.
