Instituto Brasileiro do Concreto

Instituto Brasileiro do Concreto .

Livro Materiais de Construção Civil 1

Capítulo 23

Gesso de construção civil Dr. Vanderley M. John Dra. Maria Alba Cincotto

23.1 Introdução

A indústria da construção civil dispõe de três ligantes inorgânicos, o cimento, a cal e o gesso, cada um com finalidades bem definidas, qualificadas pelas suas propriedades particulares. Apesar do Brasil contar com vastas reservas de gipso a utilização do gesso para construção ainda é pequena, embora venha crescendo. Apresenta algumas características e propriedades que particularizam com vantagem o seu emprego. A característica de endurecimento rápido, por exemplo, permite elevada produtividade na produção de componentes sem que sejam necessários tratamentos térmicos ou aditivos para aceleração de endurecimento. O rápido endurecimento do gesso viabiliza a tecnologia de placas de gesso acartonado, que domina os mercados norte-americano e europeu de divisórias internas de baixo custo. Também possui aplicação na proteção ao fogo de estruturas metálicas.

Outras propriedades são a plasticidade da pasta fresca e a possibilidade de acabamento liso da superfície endurecida e ausência de retração e suas fissuras. Estas propriedades, favoreceram na Europa, no passado, o desenvolvimento de toda uma técnica de acabamento decorativo de paredes e tetos, com ornamentos pré-moldados. Como a região parisiense era uma fonte dessa materia prima, o produto utilizado em construção conserva ainda na literatura internacional o nome de plaster of Paris (Turco, 1990; Costes, 1990).

O mercado nacional de gesso de construção está concentrado em revestimentos de alvenaria interna de áreas secas – onde a possibilidade de acabamento e velocidade de aplicação são competitivos, componentes como blocos, placas para forros e divisórias. O mercado das placas de gesso acartonado é certamente a que tem mais crescido.

O gesso de construção é um ligante que pode ser produzido com baixo consumo de energia; enquanto a temperatura de processamento do clínquer Portland é de 1.450°C e a da cal de 800°C a 1.100°C, a do gesso não ultrapassa 350°C. Somente os tipos especiais são produzidos em temperaturas superiores, por exemplo, o produzido na Alemanha empregado como piso hidráulico. No entanto, no Brasil, uma grande parcela do mercado de gesso é produzido em fornos de baixíssima eficiência energética, com consumo de energia bastante superior ao do clínquer!

O gesso pode ser também produzido utilizando resíduos, particularmente da produção de fosfato e também da dessulfurização de gases de combustão. O primeiro, denominado fosfogesso está disponível e se acumula no Brasil, onde sua utilização é limitada. Acumulados a céu aberto podem contaminar a água subterrânea com sulfatos, tornando-a agressiva a estruturas enterradas em concreto.

23.2 O que é o gesso de construção

O gesso de construção é um material produzido por calcinação do minério natural gipso ou de resíduos constituídos essencialmente de sulfatos de calcio – hemidrato, anidritas soluvel e insoluvel – e a gipsita, resultado da calcinação incompleta da matéria prima.

JOHN, V. M.; CINCOTTO, M. A. . Gesso de Construção Civil. In: Geraldo C Isaia. (Org.). Maateriais de construção civil e principios de ciência e engenharia de materiais. 1ed.São Paulo: IBRACON, 2007, v. 1, p. 727-760.



A proporção dessas diferentes fases é controlada pela distribuição granulométrica e área especifica dada pela moagem da matéria prima e pelas condições de calcinação (temperatura, tempo de residência). A composição de fases, distribuição granulométrica, a eventual presença de inertes e contaminantes, vai determinar as propriedades do gesso no estado fresco e endurecido, incluindo tempo de pega e resistencia mecânica. Assim, a composição do produto comercializado vai depender da sua aplicação, constando da formulação teores controlados de cada um desses sulfatos e da finura.

Como os gessos apresentam velocidade de pega e endurecimento muito mais rápida que o cimento Portland e a cal hidratada, em algumas variedades a reação se completa antes de uma hora. Para haver maior flexibilidade na aplicação, é comum a sua utilização em conjunto com aditivos retardadores.

O Quadro 1 ilustra a composição teórica desses sulfatos. Estão destacados os teores de SO3, CaO e H2O. O teor de água combinada diferencia as massas moleculares e os teores respectivos de cada um desses constituintes, permanecendo constante a relação CaO/SO3. Esse dado é útil em cálculos estequiométricos da composição do produto comercial.

Quadro 1 – Composição teórica das diferentes fases de sulfatos presentes no gesso de

construção, sua densidade e água consumida para hidratação. Proporção CaO/SO3 =0,7

Sulfato de cálcio

Fórmula Massa molecular (g/mol)

Composição (%) Densidade

g/cm³)

Água para hidratação (g/g) H2O CaO SO3

Anidrita CaSO4 136,14 0 41,19 58,81 2,96 0,264

Hemidrato CaSO4.0,5H2O 145,15 6,20 38,63 55,15 2,5 0,186

CaSO4.0,66H2O 148,02 8,03 37,88 54,08 0,163

Di-hidrato CaSO4.2H2O 172,17 20,99 32,57 46,50 2,32 0

As diferentes fases sulfato apresentam as características descritas a seguir.

a) hemidratos de fórmula CaSO4.0,5 H2O ou hemidrato-1

É a fase principal presente em gessos de construção. Dependendo da temperatura e pressão de processo (e até armazenamento) a que cada partícula individual foi sujeita, o número de moléculas de água de cristalização varia de 0,15 a 0,66, com valor típico de 0,5, de onde vem o nome hemidrato. Na hidratação, vai consumir 0,85 e 0,33 moléculas de água, respectivamente.

b) anidrita III ou anidrita soluvel, de fórmula CaSO4.H2O

É a fase intermediária ao hemidrato e à anidrita II insoluvel. Esse produto pode conter um teor de água de cristalização variável entre 0,06 e 0,11 moléculas. Por ser muito reativo, age como acelerador de pega; transforma-se no hemidrato com a umidade do ar. A hidratação da anidrita III ao hemidrato é chamada de “estabilização”, tendo sido determinado que ela se dá após 12 horas de armazenamento do produto em atmosfera de 80% de UR. Portanto, uma parcela pequena dessa fase pode estar presente no gesso por ocasião do consumo.

c) anidrita II ou anidrita insoluvel, de fórmula CaSO4

1 Se a gipsita é desidratada em autoclave, em pressões superiores a 100 KPa, a formação do

hemidrato dá-se pelo mecanismo de dissolução-cristalização, em meio líquido. O produto é bem

cristalizado, denominado hemidrato-, com aplicação em odontologia.



Quando produzida a 350°C, é chamada de anidrita supercalcinada e reage lentamente com a água, podendo levar sete dias para se hidratar completamente. Já a fração calcinada a temperaturas entre 700°C e 800°C é denominada anidrita calcinada à morte e hidrata-se apenas após alguns meses.

Quando presente na formulação do gesso, sendo de hidratação mais lenta, preenche os poros do produto de hidratação do hemidrato, acarretando uma diminuição da porosidade do gesso e, em consequencia, um aumento da resistencia mecânica, inclusive dureza.

d) anidrita I, de fórmula CaSO4

É também chamada de anidrita de alta temperatura ou anidrita-, obtida por calcinação da gipsita em temperatura entre 1.100°C e 1.200°C. Trata-se de fase de pega e endurecimentos lentos, resultando numa massa dura e tenaz. É uma fase definida como não pura, pois contém óxido de calcio consequente ao inicio da dissociação térmica do CaSO4, possível já acima de 800°C. Transforma-se no resfriamento em anidrita II. O que diferencia os dois produtos é a presença de óxido de calcio, expresso nos resultados da análise química como cal livre.

e) gipsita, de fórmula CaSO4.2H2O

É o constituinte da materia prima e também o produto final do processo de hidratação do gesso de construção. Pode estar presente no produto, por tempo de calcinação insuficiente ou por moagem grossa da materia prima. Na hidratação do gesso os cristais de gipsita agem como núcleos de cristalização da gipsita que resulta da hidratação do hemidrato ou da anidrita solúvel, agindo assim como um acelerador de reação. Participa de formulações de gesso, num teor adequado para controle da evolução da reação, ajustando o efeito dos aditivos retardadores de pega, normalmente presentes.

O Quadro 2 ilustra a composição típica de diferentes gessos brasileiros. O anidrido sulfúrico e o óxido de cálcio são os óxidos predominantes, representando um teor de sulfato de calcio calculado, respectivamente, de 84,32%, 90,10%, 90,78% e 90,27% do total. Dos minerais acessórios, a calcita ou a dolomita, facilmente identificadas por difratometria de raios X ou termogravimetria, contribuem com o anidrido carbônico e o óxido de magnesio; os argilo-minerais e o quartzo com o residuo insoluvel mais o anidrido silícico. As materias primas nacionais são muito puras, apresentando um teor de impurezas (RI + SiO2 + Fe2O3 + Al2O3) inferior a 2,0 % (Cincotto, Agopyan e Florindo, 1988).

Quadro 2 – Exemplos de resultados percentuais da análise química de gessos de

construção.

Determinações Amostras

I II III IV

Água livre (H2O)* 1,18 0 0,20 0 Água combinada (H2O) 3,80 4,70 5,92 6,62 Anidrido sulfúrico (SO3) 49,6 53,0 53,4 53,1 Óxido de calcio (CaO) 39,4 38,7 37,9 38,4 Anidrido carbônico (CO2) 2,79 1,14 1,26 0,74 Resíduo insoluvel + anidrido silícico (RI + SiO2) 1,90 0,70 0,47 0,80 Óxidos de ferro e de alumínio (Fe2O3 + Al2O3) 1,98 0,19 0,60 0,12 Óxido de magnésio (MgO) 0,69 0,62 0,60 0,30 Total (sem água livre) 100,16 99,05 100,15 100,08

*Nota: Não considerado no total da análise química.

Com base em relações estequiométricas das diferentes fases do Quadro 2 e outras,



a composição calculada provável correspondente desses gessos é a indicada no Quadro 3.

Quadro 3 – Composição porcentual de gessos de construção apresentados no Quadro 2.

Especies químicas Amostras

I II III IV

Umidade 1,18 0 0,20 0 Hemidrato 61,21 75,02 89,56 92,58 Anidrita 26,89 19,07 6,77 0 Gipsita 0 0 0 4,10 Impurezas 3,88 0,89 1,07 0,92 Carbonato de magnésio (MgCO3) 1,44 1,30 0,61 0,63 Carbonato de calcio (CaCO3) 4,63 1,04 1,38 0,94 Cal livre (CaO) 2,08 1,02 - 0,70

Total 100,03 98,75 99,53 99,87

O óxido de magnésio e uma fração do carbonato de calcio estão presentes como

dolomito. A composição cálculada2 apresentada no Quadro 3, evidentemente, trata-se de uma hipótese simplificadora. Resultados mais acurados podem ser obtidos através da combinação de análise termogravimétrica, difratometria de raios X e análise química.

23.3 Produção

O processo de produção do gesso de construção no Brasil é realizado, normalmente, a partir de materias primas naturais, envolvendo as seguintes atividades: a extração do minério é realizada em geral a céu aberto, seguida de britagem, moagem grossa e estocagem com homogeneização. A seguir, é procedida a secagem, pois a umidade da materia prima pode chegar a 10%, a calcinação, moagem fina e ensilagem. A calcinação é o processo industrial que pode consistir de um único forno, cujo produto é o hemidrato puro ou contendo também gipsita ou anidrita, ou de dois fornos que produzem hemidrato e anidrita, em separado, e misturados em diferentes proporções para se produzir produtos com as propriedades desejadas.

2 O cálculo das fases é baseado em estequeometria, na seguinte sequencia: a) % MgO x 2,09 = % MgCO3; b) % CO2 - 1,09 x % MgO = % CO2 combinado como CaCO3; c) (b) x 2,27 = % CaCO3; d) % CaO total – 0,56 x (c) = % CaO combinado como sulfatos. (d) / SO3 = X e1) Se X = 0,7, a relação CaO/SO3 é a teórica;

e2) Se X 0,7, existe CaO em excesso, deduzido de: (d) – 0,7 x SO3 ;

e3) Se X 0,7, existe SO3 em excesso, deduzido de: % SO3 – 1,43 x (d);

e4) Se X 0,7, % SO3 x 1,7 = % CaSO4 ;

e5) Se X 0,7, (% SO3 – e3) + d = % CaSO4. Y = % CaSO4 / % H2O = 15,129; f1) Se Y = 15,129, o teor de sulfato combinado como hemidrato é calculado de: % H2O x 15,129 = % CaSO4;

- O teor de hemidrato é calculado de % H2O + f1;

- O teor de anidrita é deduzido de (e4 ou e5) - f1;

f2) Se Y 15,129, existe gipsita residual presente, calculada a partir de duas equações a duas incógnitas (não se admite a presença de anidrita):

% CaSO4 = 0,79 gipsita + 0,94 hemidrato % H2O = 0,21 gipsita + 0,0622 hemidrato f3) Se Y > 15,129, existe anidrita presente, deduzida de : % CaSO4.0,5H2O = % H2O x 16,11 % CaSO4 = % CaSO4 total - 0,938 x % CaSO4.0,5H2O



A moagem e seleção em frações granulométricas é realizada em conformidade com a utilização: em construção (pré-fabricação, revestimentos) e moldagem (arte, indústria). O armazenamento em silos promove homogeneização e estabilização favorável à sua qualidade. Ensacado, deve ser protegido de umidade, pois o gesso hidrata-se com facilidade, o que afeta o seu desempenho na aplicação, uma vez que o di-hidrato formado age como um acelerador de pega.

Peres, Benachour e Santos, (2008) oferecem uma visão panorâmica da tecnologia da produção de gesso no Brasil. De acordo com estes autores, ainda hoje no Brasil são utilizados fornos tipo panela e marmita de aquecimento indireto, usando lenha ou óleo combustivel. Tambem existem equipamentos mais modernos com fornos rotativos de contato direto com os gases de combustão de óleo ou de gaseificadores de carvão ou lenha. A eficiência energética dos diferentes equipamentos é muito variável, sendo que os dados destes autores mostram que alguns dos gessos brasileiros consomem maior energia e geram massa de CO2 superior a necessária para moderna produção que o clínquer Portland.

23.3.1 Materia prima O gesso pode ser produzido a partir da materia prima natural – o gipso – ou de

sulfatos de calcio oriundo de resíduos industriais. Estes sulfatos residuais são originados nos processos de produção de fertilizantes, ácido fluorídrico (ambos a partir da apatita) ou de remoção de enxofre de gases de combustão, com vistas a reduzir a chuva ácida. Esta última forma de geração envolve a exposição dos gases à cal hidratada; no momento, não é significativa no Brasil não sendo, portanto, descrita.

23.3.1.1 Sulfatos naturais

Sulfatos naturais são um tipo particular de rocha sedimentar, denominada evaporito.

São as rochas mais soluveis, constituidas principalmente de cloretos e sulfatos de sodio, calcio, magnesio e potassio. A formação dos calcarios e dolomitos tem uma origem diferente da dos evaporitos, mas desenvolvem-se ambos segundo processos químicos e biológicos. Por causa da sua solubilidade, quando expostos ao ar, alteram-se mais rapidamente do que outros minerais. Os depósitos de gipsita possuem idades que variam do paleozóico ao cenozóico3. No Brasil, os depósitos explorados comercialmente são do período cenozóico.

Segundo dados do Anuário Mineral Brasileiro de 2005, cerca de 90% das reservas brasileiras estão restritas aos Estados do Pará (60%) e Pernambuco (30%), ficando o restante distribuído, em ordem decrescente, entre os Estados do Maranhão, Ceará, Rio Grande do Norte, Piauí e Tocantins (Sobrinho, 1994).

Embora invevitáveis, todos os minerais acessorios são indesejaveis por reduzirem o teor de hemidrato ou de anidrita no gesso, especies químicas responsaveis pelas suas propriedades ligantes. Do ponto de vista qualitativo, influem de modo diferente, a saber:

• os minerais insoluveis em água, como calcario, dolomito, anidrita, argilo-minerais desidratados e minerais silicosos, reduzem a resistencia mecânica do gesso hidratado;

• os minerais soluveis em água, como a halita e a silvita, afetam a temperatura de calcinação e propriedades da pasta no estado fresco, como a consistencia e o tempo de pega;

3 Período paleozóico e cenozóico tiveram inicio, respectivamente, há 600 milhões e 70 milhões de anos.



• os minerais hidratados, como outros sais de sulfato e o argilo-mineral montmorilonita, quando se desidratam juntamente com a gipsita, podem conferir instabilidade ao produto final, após endurecimento, por poderem absorver água.

23.3.1.2 Sulfatos de subprodutos industriais (residuais)

a) Subproduto da industria de fertilizantes

Há também um volume disponível elevado de gipsita nas regiões sul e sudeste, subproduto de processos industriais, denominado fosfogesso ou gesso químico. Este é produzido num volume avaliado, em 2006, de 6,5 milhões de t/ano, pelos Estados de São Paulo, Minas Gerais, Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

O gesso químico é subproduto da produção de fertilizantes fosfáticos, que se baseia na solubilização de rochas fosfáticas por ácidos clorídrico, nítrico ou sulfúrico. O mineral básico é a apatita, cuja fórmula geral é Ca10(X)2(PO4), onde X pode ser o ânion fluor (F), cloro (Cl) ou hidroxila (OH), gerando, respectivamente, os minerais fluoroapatita, cloroapatita e hidroxiapatita. Na solubilização da rocha com ácido sulfúrico, são gerados o ácido fosfórico (que pode ser líquido) e o sulfato de calcio sólido precipitado em partículas finas. Dependendo do processo, por via seca ou via úmida, o sulfato é cristalizado na forma anidra (CaSO4) em processo via seca, na forma do di-hidrato (CaSO4.2H2O), ou ainda do hemidrato (CaSO4.0,5H2O) em processo via úmida.

Pode conter impurezas como constituintes inalterados da rocha, quartzo e mica, por exemplo, e subprodutos da reação com o ácido sulfúrico como o fluoreto de calcio (CaF2), o fosfato monocálcico (CaHPO4), o fosfato dicálcico [Ca3(PO4)2], os óxidos inorgânicos e o ácido impregnado. No processo di-hidrato, a equação da reação é a seguinte:

Ca3(PO4)2 + 12 H2SO4 + 6 H2O 3 CaSO4.2H2O + 2 H3PO4 Equação 1 Para cada tonelada de ácido sulfúrico formam-se 2,5 t de gipsita. O subproduto é

chamado fosfogesso. Quando no processo é adicionado um produto orgânico, o fosfogesso é suscetível ao crescimento de fungos, dificultando a sua aplicação na produção de gesso para revestimento e de componentes (Shirakawa et al., 2002).

O Quadro 4 apresenta um exemplo da composição química dessas materias primas, significando: água livre ou umidade, água combinada ou água de cristalização da gipsita; anidrido sulfúrico procedente do sulfato; óxido de calcio procedente do sulfato e do carbonato; anidrido carbônico procedente dos carbonatos (calcita ou dolomita); sílica procedente do quartzo, resíduo insoluvel e óxidos de ferro e de alumínio dos argilo-minerais. O anidrido fosfórico e a acidez livre decorrem do processo de tratamento da materia prima na produção do ácido fosfórico, no País, a partir da carbonato-apatita. Por ser um processo ácido, não há calcário ou dolomito residual presente.



Quadro 4 – Exemplo de composição química percentual de materias primas4.

Especies químicas Fórmula Gipso Fosfogesso*

Água livre ou umidade H2O 0,04 9,75 Água combinada H2O 18,01 20,39 Anidrido sulfúrico SO3 45,93 46,0 Óxido de calcio CaO 32,47 32,25 Anidrido carbônico CO2 0,92 0 Sílica + resíduo insoluvel (SiO2 + RI) 0,60 1,00 Óxidos de ferro e alumínio R2O3 0,17 0,54 Óxido de magnésio MgO 0,56 0,29 Anidrido fosfórico P2O5 - 0,32 Acidez livre, ppm (em H2SO4) 49,9 422,7 Gipsita calculada CaSO4.2H2O 96,68 98,54

* Nota: Amostra procedente de Jacupiranga-SP. Impurezas da apatita ou subprodutos do seu processamento, tais como materia

orgânica, fluoretos (NaF, Na2SiF6, Na3AlF6), ácido fosfórico (H3PO4) e fosfatos [Ca(H2PO4)2.2H2O, CaHPO4.2H2O], agem modificando a morfologia dos cristais precipitados na hidratação do hemidrato e da anidrita, com reflexo nas propriedades do produto endurecido, como massa específica aparente e resistencias mecânicas. A eliminação dessas impurezas do fosfogesso é antieconômica.

b) Subproduto da produção de ácido fluorídrico

O ácido fluorídrico, insumo básico da produção de plásticos fluorados, por exemplo o teflon, é produzido a partir da fluorita, segundo a equação de reação abaixo:

CaF2 + H2SO4 CaSO4 + 2 HF Equação 2 A anidrita residual no Brasil tem sido reciclada na produção de cimento Portland. c) Subproduto de purificação de gases

Os gases de combustão sulfurados, antes de serem lançados na atmosfera, passam por um processo de purificação com cal. O poluente designado por SOx (anidrido sulfuroso, SO2 + anidrido sulfúrico, SO3) é fixado na forma de sulfato de calcio anidro ou hidratado, conforme o processo. O subproduto é designado na literatura por sulfogesso. Este produto supre o mercado japonês e é importante matéria prima na Europa.

23.3.2 Reações de transformação na calcinação Na calcinação do gipso, à medida que a temperatura ultrapassa 100ºC, há uma perda

parcial ou total da água de cristalização. Em temperaturas muito elevadas, acima de 800°C,

4 a) % H2O x 4,778 = % CaSO4 .2H2O;

b) % H2O x 2,22 = % SO3 combinado como CaSO4.2H2O; c) % SO3 total – (b) = % SO3 combinado como anidrita; d) (c) x 1,70 = % CaSO4; e) (a) x 0,3257 + (d) x 0,4119 = % CaO combinado como CaSO4; f) % CaO total – (e) = % CaO combinado como CaCO3; g) (f) x 1,785 = % CaCO3; h) % MgO x 2,09 = % MgCO3

Verificação: % CO2 dosado = (f) x 0,78 + % MgO x 1,09.



ocorre a decomposição do sulfato, com perda do anidrido sulfúrico por evaporação (gerando incidentalmente chuva ácida) e permanencia, no produto calcinado, do óxido de calcio.

Dos 20,93% de água combinada, 15,73% estão fracamente ligados e correspondem a 1,5 mols de água, enquanto 5,20% estão fortemente ligados, correspondendo a 0,5 mol de água.

Até 100°C ocorre a secagem da umidade contida nos poros da materia prima. Dependendo da umidade do forno, ocorre na faixa de 140-160°C, a primeira perda de 1,5 mols de água, formando o hemidrato, segundo a equação:

CaSO4.2H2O CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O Equação 3 Entre 160°C e 190°C, há perda da meia molécula de água do hemidrato, formando

a anidrita III, segundo a equação:

CaSO4.0,5H2O CaSO4 + 0,5H2O Equação 4

Acima de 250°C, a anidrita III, soluvel, adquire uma estrutura tal que a torna insoluvel,

denominada anidrita II. Se a calcinação se faz a essa temperatura, a gipsita perde as duas moléculas de água, segundo a equação:

CaSO4.2H2O CaSO4 + 2H2O Equação 5

A 1.200°C, a anidrita II transforma-se na anidrita I; a 1.350°C, ocorre a fusão, e acima

de 1.450°C, ocorre a dissociação da anidrita em anidrido sulfúrico e óxido de calcio. Do ponto de vista da produção de ligante, não existe qualquer beneficio em calcinação acima de 190-200ºC.

23.4 Mecanismo de hidratação5

A hidratação é um fenômeno químico no qual o material anidro em pó é transformado em di-hidrato, resultado da reação química do pó com a água. O gesso misturado com água suficiente forma uma pasta homogênea que, após poucos minutos, torna-se consistente e trabalhável. A consistencia aumenta até o endurecimento, quando ganha resistencia, fenômeno consequente à hidratação das especies químicas presentes. As reações de hidratação são inversas às da formação dos produtos, isto é, o hemidrato e as anidritas regeneram a gipsita.

O primeiro dos ligantes a receber um estudo científico da hidratação foi o gesso, por Lavoisier, em 1798, seguido por Le Chatelier em 1887. Esses pesquisadores já distinguiram três etapas no mecanismo de hidratação: fenômeno químico da dissolução, fenômeno físico de cristalização e fenômeno mecânico de endurecimento (teoria da cristalização).

Segundo essa teoria, o hemidrato, por ser mais soluvel do que o di-hidrato, dissolve-se em água liberando íons Ca2+ e SO4

2-. Quando a concentração passa do ponto de saturação, formam-se microcristais de di-hidrato de baixa solubilidade. Estes se constituem em núcleos de cristalização sobre os quais vão se depositando os íons, propiciando o crescimento dos cristais que se entrelaçam em forma de agulha e precipitam a partir de

5 A maior parte os dados citados sobre a hidratação do gesso e o efeito dos aditivos referem-se a

levantamento da literatura feito por Hincapié Henao (1997). Gartner (2009) apresenta uma teoria coerente baseado nos conhecimentos atuais de ciência de materiais.



uma solução supersaturada. Devido à baixa solubilidade do di-hidrato a sua cristalização ocorre antes da dissolução total do hemidrato. Esse mecanismo é exotérmico, liberando energia em forma de calor.

O conhecimento do calor de hidratação e sua evolução em função do tempo é de interesse do ponto de vista científico e também tecnológico. Do ponto de vista tecnológico, o calor de hidratação permite um controle rápido da qualidade e velocidade de reação dos gessos. A determinação pode ser realizada em recipientes térmicos, isolados com isopor, medindo-se com termômetro o tempo para atingir a temperatura máxima. Do ponto de vista científico, as curvas calorimétricas revelam a cinética do processo e permitem identificar o mecanismo de hidratação e a ação dos aditivos modificadores na pega do hemidrato (Murat e Jeandot, 1973a).

A hidratação do hemidrato ocorre em quatro etapas, visualizadas facilmente nos resultados de microcalorimetria, na Figura 1 (Magnan, 1973).

Figura 1 – Microcalorimetria de um hemidrato (Magnan, 1973).

A Etapa 1 consiste em, como em todos os ligantes, num primeiro pico de molhagem.

Inicia-se no momento da introdução do pó na água. Nesse período, que dura aproximadamente 30 segundos, a água molha as superfícies, ocorre uma reação física sólido-água, e ocorre uma dissolução rápida. Nessa fase, observam-se por microscopia eletrônica de varredura os primeiros hidratos pouco estáveis física e quimicamente, difíceis de serem detectados por difratometria de raios X.

A Etapa 2 corresponde a um período de duração variavel, denominado periodo de indução. Nessa etapa, a saturação já foi atingida a dissolução prossegue muito lentamente. Começa a nucleação heterogênea e aleatória de cristais de di-hidrato nas superfícies das partículas existentes. A medida que a dissolução avança cristais crescem em direções aleatórias. Parâmetros como a relação água/gesso, grau de agitação da pasta, tempo de mistura, temperatura da água de amassamento ou presença de impurezas ou aditivos afetam o período de indução.

A Etapa 3 inicia-se no final do período de indução, coincidindo com o inicio da pega. O aumento geometrico dos pontos disponíveis para nucleação causa uma aceleração da hidratação e em consequência um forte aumento da liberação de calor. A fixação progressiva da água em produtos hidratados reduz a água livre e, simultaneamente, aumentando o volume de sólidos. Este fator, somado ao aumento do número de cristais e de seu tamanho provoca a diminuição da distância entre sólidos que começam a se flocular (ligar fracamente), aumentando progressivamente a viscosidade, levando ao que se chama pega. Em alguns pontos de contato entre cristais vão se formando progressivamente ligações primarias fortes e o comportamento passa progressivamente de uma suspensão

1 2 3 3 e 4 4

Tempo de hidratação

dQ/dt (Cal/h/g)

1 2 3 3 e 4 4

Tempo de hidratação

dQ/dt (Cal/h/g)



liquida floculada para o de um sólido. A porosidade diminui, e a resistência aumenta. Na Etapa 4, há uma diminuição da velocidade de reação pela diminuição da

disponibilidade de hemidrato e pela dificuldade da agua atingir as partículas anidras; ainda nessa etapa, tem-se crescimento dos cristais e um aumento da força de ligação entre eles; depois de um tempo a reação termina, pois a concentração de íons atingiu um valor mínimo.

23.4.1 Hidratação, pega e endurecimento Na hidratação, o hemidrato e a anidrita retomam a quantidade de água perdida na

calcinação, regenerando o sulfato de calcio di-hidratado. A velocidade das reações, no entanto, são diferentes, em ordem decrescente: anidrita III, hemidrato, anidrita II, anidrita I. O inicio de pega depende do constituinte de pega mais rápida, e o endurecimento, do mais lento. Sendo a hidratação da anidrita II mais lenta do que a do hemidrato, a sua hidratação preenche os vazios e impede a retração de secagem e a consequente fissuração (Le Covec, 1978).

Em condições ambientais normais e na ausencia de aditivos retardadores, a maior parte da hidratação é completada em até duas horas, mas a reação de hidratação das anidritas pode levar meses. Portanto, do ponto de vista prático, a pega do gesso se encerra em cerca de duas horas. No entanto, o material continua a ganhar resistencia até vinte horas, provavelmente pelo aumento da ligação entre cristais. A partir dessa idade, exceto quando existe teor elevado de anidrita, o ganho de resistencia se deve, predominantemente, aos ganhos devido à secagem pela evaporação do excesso de água de amassamento não consumida na reação de hidratação. Esse excesso de água, entre 0,6 g/g a 0,8 g/g, deve-se à necessidade de garantirem-se condições de trabalho, enquanto que a hidratação do hemidrato consome apenas 0,186 g/g.

O fenômeno de pega e o ganho de resistencia são os resultados da redução do volume de água líquida que se combina com os anidros, formando o sulfato de calcio hidratado em volume superior ao volume de sólidos originais. As partículas ficam progressivamente mais próximas e se aglomeram, fazendo com que a viscosidade aparente da pasta aumente. O prosseguimento da hidratação leva à formação de um sólido continuo com porosidade progressivamente menor implicando em um crescimento da quantidade de pontos de contato entre os cristais aciculares que formam ligações fortes, aumentando a resistencia progressivamente.

A pega e o endurecimento são afetados por diferentes fatores, como: caracteristicas da materia prima e impurezas, finura e forma dos grãos, relação a/g, temperatura da água, velocidade e tempo de mistura e aditivos (Karni, 1995).

O teor de impurezas presente na materia prima pode afetar as propriedades do gesso. No Brasil o minerio natural é muito puro, mas em outros paises registra-se a produção de gessos com teor de impurezas de até 30% (Nolhier, 1986). Algumas impurezas em pequenas quantidades podem não afetar as propriedades; porém, algumas especies químicas podem aumentar o tempo de pega, como é o caso dos aditivos. As diferentes formas macrocristalinas do sulfato de calcio di-hidratado, como selenita, alabastro e gipso fibroso, alteram as características do hemidrato.

O teor de gipsita (não calcinado) no produto final é também importante, pois ele atua como núcleo de cristalização, aumentando a taxa de dissolução inicial do hemidrato

(acelerador de pega) pela formação de núcleos de cristalização/precipitação o que aumenta o tamanho médio dos cristais. A redução do tamanho médio dos cristais

aumenta a área de ligação intercristalina forte, aumentando a resistência mecânica do gesso (Gartner, 2009). Adicionalmente, a gipsita não colabora para a expansão (ver

Figura 2) e desta forma provavelmente provoca uma redução da porosidade.



Figura 2 – Influência do teor de gipsita (ou gipso) de diferentes granulometrias na resistencia mecânica à flexão de pastas com relação água/gesso 0,72 (Gmouh et al., 2003).

A anidrita II, de hidratação lenta, age como retardador. O tempo de pega e o

desempenho mecânico dependem, assim, dos teores relativos dos sulfatos presentes no produto formulado.

A quantidade de água requerida para conferir ao gesso para dar uma consistencia desejada depende da distribuição de partículas do gesso e do comportamento reológico desejado. Quanto menor essa relação água/gesso (a/g), mais rápida é a pega, pois os produtos hidratados rapidamente ficam próximos, fechando a estrutura tridimensional. No limite, um excesso de água pode impedir a aglomeração dos cristais, e o gesso endurecido torna-se pulverulento.

Desde que garantida a desaglomeração das partículas, quanto maior a area superficial, maior a area de reação do pó, mais rápida é a dissolução e menor o período de indução (Karmazsin e Murat, 1977).

Os aditivos adicionados em pequenas quantidades aceleram ou retardam a pega e o endurecimento: os aceleradores aumentam a velocidade de hidratação, e os retardadores atrasam a reação. Mas é preciso diferenciar entre a ação no tempo de indução e o consequente retardo ou aceleração no tempo de pega ou, ainda, da evolução da reação logo após esse período (Lewry e Williamson, 1994). A análise comparativa entre resultados de pega e endurecimento de amostras da mesma materia prima pode não trazer conclusões consistentes devido às condições de fabricação, ou seja, da temperatura de desidratação da gipsita, do tipo de forno e da umidade na atmosfera do forno, por influirem na reatividade do hemidrato (Ridge e Surkevicius, 1966; Amathieu, 1991).

A temperatura de preparo da pasta também modifica o tempo de pega. Um incremento na temperatura da água de amassamento aumenta a solubilidade do hemidrato até temperaturas próximas a 45°C, quando a velocidade de hidratação é máxima. O efeito retardador de pega dá-se em temperaturas superiores, como ilustrado na Figura 3 (Ludwig e Singh, 1979).

4,0

4,2

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400 < < 800 m



Figura 3 – Influência da temperatura no inicio e fim de pega de pastas de gesso (Clifton,1973).

O procedimento de mistura influencia também a pega e o endurecimento de amostras

provenientes da mesma materia prima, produzidas nas mesmas condições de calcinação.

23.4.2 Expansão do gesso Quando é misturado com a água, o hemidrato (densidade de 2,63 g/cm3) transforma-

se em di-hidrato (densidade de 2,31 g/cm3). Essa diferença de densidades mostra que se devia esperar uma ligeira contração (a densidade média ponderada entre a água e o hemidrato é 2,33 g/cm3). Porém, depois de uma fase inicial de contração (Figura 4), observa-se um incremento de volume, algumas vezes chamada expansão dimensional. Gartner (2009) associa a expansão à progressiva deposição de sólidos nos espaços existentes nos pontos de contato entre cristais ligados por atração eletrostática.

Valores típicos de expansão linear atingem cerca de 0,2% (Figura 4). Após endurecimento e evaporação da água de amassamento, dá-se uma ligeira retração, resultando em uma expansão líquida em torno de 0,1%. O valor exato decresce com o aumento da água de amassamento e da composição mineral do produto (Gmouh et al., 2003). Esta característica única dos gessos, praticamente, elimina o risco de fissuração de revestimentos; também auxilia na moldagem de componentes, pois preenche todos os vazios e detalhes do molde, propiciando excelente acabamento superficial.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60Temperatura da água de amassamento (ºC)

Tem

po (

min

uto

s)

Fim de pega

Início de pega



Figura 4 – Representação esquemática da contração e expansão do gesso (Caspar et al., 1996; Gmouh et al., 2003).

Figura 5 – Evolução da pressão de expansão do gesso (esquerda). Quando uma pressão

de compressão é aplicada de forma a impedir a expansão, a porosidade é reduzida, e a resistencia mecânica cresce significativamente (Gmouh et al., 2003).

23.5 Propriedades físicas e mecânicas do gesso

23.5.1 Especificação do gesso em pó A NBR 13207 (ABNT, 1994) classifica dois tipos de gesso em função da aplicação:

em revestimento e em fundição. Este último é aplicado na produção de elementos e componentes de construção; ambos têm como requisitos o tempo de pega e o módulo de finura, cujos critérios estão detalhados no Quadro 5. A norma encontra-se tecnicamente muito desatualizada. Ao não limitar tempo máximo para início de pega, permite a produção de gessos com tempo de pega muito variáveis, o que na pratica aumenta as perdas na aplicação. Em um material onde a cinética de hidratação, demanda de agua e resistência são muito influenciados pela distribuição granulométrica, a especificação de modulo de finura baseado em peneiramento é pouco útil. Existem inúmeros métodos que permitem medidas que permitiram melhor controlar o gesso, o que teria potencial para colaborar no

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (minutos)

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Tempo (minutos)

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Tensão de compressão aplicada (MPa)

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crescimento de mercado deste produto.

Quadro 5 – Exigencias físicas do gesso para construção civil (NBR 13207-1994)

Classificação Tempo de pega (min) Módulo de

finura Inicio Fim

Gesso fino para revestimento > 10 > 45 < 1,10 Gesso grosso para revestimento > 10 < 45 > 1,10 Gesso fino para fundição 4 – 10 20 – 45 < 1,10 Gesso grosso para fundição 4 – 10 20 - 45 > 1,10

As exigencias mecânicas são as mesmas para todos os tipos, valores indicados no

Quadro 6. Dureza e resistência mecânica são variáveis correlacionadas e a coexistência destes dois critérios complica o controle de qualidade sem benefícios evidentes.

Quadro 6 – Exigencias físicas e mecânicas do gesso para construção civil (NBR 13207-

1994).

Propriedades Unidade Limites

Resistencia à compressão (NBR 12129) MPa > 8,40 Dureza (NBR 12129) N/mm2 > 30,00 Massa unitária (NBR 12127) Kg/m3 > 700,00

As exigencias químicas do gesso para construção civil estão indicadas no Quadro 7.

Quadro 7 – Exigências químicas do gesso para construção civil (NBR 13207-1994).

Determinações Limites (%)

Água livre máx. 1,3 Água de cristalização 4,2 a 6,2 Óxido de calcio (CaO) min. 38,0

Anidrido sulfúrico (SO3) min.53,0

23.5.2 Propriedades físicas do pó A granulometria do pó é determinada em amostra seca, por peneiramento na série

padrão de peneiras: 0,840 mm, 0,420 mm, 0,210 mm, 0,105 mm, conforme a NBR 12127 (ABNT, 1991), sob água corrente. A massa retida em cada peneira é determinada após secagem em estufa a 110°C.

A massa unitária é determinada em recipiente com capacidade de (1000 20) cm3, que recebe o gesso vertido através de um funil cônico, de 15 cm de altura, colocado sobre um tripé, contendo uma peneira de 2,0 mm de abertura, e ajustado na metade da altura do funil (Figura 6). A densidade de massa específica não é usualmente determinada, embora possa auxiliar na determinação da composição de fases do gesso.

A ausência de requisitos relacionados a distribuição granulométrica é certamente um limitante.



Figura 6 – Funil utilizado para ensaio de densidade de massa aparente de gesso. (Foto: Mario Takeashi, 2007)

22.5.3 Propriedades da pasta

23.5.3.1 Teor de água para consistência normal

Os ensaios são realizados com uma pasta de consistência normal determinada com

o aparelho de Vicat modificado (Figura 7), cuja haste está acoplada a uma sonda de alumínio cônica, pesando ambos 35 g; a sonda é protegida com uma ponteira de aço inox. A fim de evitar a pega do gesso, que é muito rápida, a água empregada no preparo da pasta contém citrato de sódio p.a., na concentração de 20 g/l. A penetração da agulha deve

ser de (30 2) mm. A pasta de gesso tem um preparo particular: o pó é pulverizado durante 1 min sobre a água contida no recipiente e homogeneizada ligeiramente, e o resultado é expresso por relação água/gesso, ao contrário do que se expressa habitualmente para outros ligantes.



Figura 7 – Aparelho de Vicat modificado para determinação da consistencia da pasta (Foto: Mario Takeashi, 2007). Esse ensaio é uma medida simplificada da reologia.

Agopyan et al. (2005) propõem a utilização do método squeeze-flow (fluxo sob compressão) para acompanhar a evolução na reologia do gesso. Esse método, baseado na análise de gráficos carga versus deslocamento obtidos pela compressão de uma pasta de gesso por máquina universal de ensaios com controle da velocidade de deslocamento, é muito mais sensível que o ensaio Vicat modificado. Para mais detalhes do ensaio de squeeze-flow (fluxo sob compressão), consultar Cardoso, Pileggi e John (2005).

23.5.3.2 Tempo de pega

A medida dos tempos de inicio e fim de pega é considerada uma das propriedades

mais importantes na tecnologia do gesso, pois a velocidade de reação do produto é, em muitos casos, um limitante de uso. O inicio da pega é associado à formação de ligações fortes entre os cristais o que leva a redução progressiva da fluidez e da capacidade de moldagem.

O tempo de pega da NBR 12128 (ABNT, 1991) é determinado com a pasta na

consistencia normal, sem o retardador, em aparelho de Vicat provido de haste de (300

0,5) g e de agulha com diâmetro de (1,13 0,02) mm. O inicio de pega é considerado quando a agulha estaciona a 1 mm da base, e o final, quando a agulha não mais penetra na pasta, deixando uma leve impressão.

Porém, outros métodos são empregados em diferentes países como medida fácil e mais prática para avaliar os tempos de inicio e fim de pega. O método da antiga norma DIN 1168 (DIN,1975), consiste em colocar uma bolacha de pasta de gesso sobre a superfície de um vidro; a bolacha é cortada com uma lâmina de aço. O inicio de pega é definido como o momento em que o corte não mais se fecha quando a lâmina deixa impressão de corte na pasta (Figura 8). O fim de pega é definido como o momento em que não aparece impressão digital na pasta por pressão do dedo indicador.



Figura 8 – Método de determinação do tempo de pega da DIN 1168. Esse método pode ser facilmente empregado em obra (Foto: Mario Takeashi, 2007).

Além desses ensaios, é possível determinar-se o tempo de pega através de

acompanhamento da evolução da temperatura da mistura gesso e água (Antunes, 2005). Na prática, a velocidade de pega de um determinado gesso é influenciada pela relação água/gesso (Figura 9), pela temperatura e energia de mistura.

Figura 9 – Influência da relação água/gesso (g/g) no tempo de pega pela agulha de Vicat.

Dados dos autores.

23.5.4 Resistencia à compressão e dureza Os ensaios são realizados em corpos-de-prova cúbicos de 50 mm de aresta,

moldados em moldes com tres compartimentos. A dureza é determinada pela medida da

profundidade de impressão de uma esfera de aço duro, com (10,0 5,0) mm de diâmetro,

sob uma carga fixa, de (500 5) N em superficies com área mínima de 2.500 mm2. O resultado é calculado pela equação:

.T.

FD

= Equação 6

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Relação água/gesso

Tem

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min

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sendo: F = carga em Newton;

= diâmetro da esfera em milímetros; T = média da profundidade em milímetros. A resistencia à compressão é determinada em cubos de 50 mm de aresta em uma

prensa de ensaio com capacidade de carga superior a 20.000 N, exatidão mínima de 200 N. Como em muitos materiais, a resistencia mecânica tem boa correlação com a dureza (Figura 10).

Figura 10 – Correlação entre dureza e resistencia à compressão de gesso brasileiro (dados dos autores).

Observa-se que no caso da Figura 10 os valores mínimos de resistência a compressão de 8,4 MPa estabelecidos na norma não garantem os 30 MPa de dureza.

23.5.5 Microestrutura, porosidade e resistencia mecânica O desempenho do gesso, como de outros materiais, depende da sua microestrutura.

Os cristais de di-hidrato têm forma acicular (Figura 11) e se precipitam durante a hidratação imbricados (com pontos de contato), formando ligações primarias quando este contato for em escala molecular ou secundárias (fracas) quando o contato for menos próximo (Gartner, 2009). A quantidade e área destas ligações, em particular das ligações fortes, e a presença de defeitos, estabelece a resistencia mecânica do produto..

D = 2,18.fc

R2 = 0,98

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Resistência à compressão (MPa)

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Figura 11 – Imagem produzida em microscópio eletrônico de varredura (elétrons secundários, alto vácuo) de pasta de gesso com relação água/gesso igual a 0,7. Observar a elevada porosidade entre os aglomerados de cristais (Micrografia: de Liz D´Agostino, 2007).

O hemidrato, espécie química dominante, consome 0,186 g/g de água para se

hidratar, enquanto a anidrita solúvel 0,264 g/g. Na maioria das situações práticas, as exigências reológicas (e até de tempo de pega) exigem relação água/gesso 0,5-0,9, o que resulta em um excesso de água de hidratação que forma poros, que são defeitos. Mantidas as demais variáveis constantes, a resistência mecânica é influenciada pela porosidade e, portanto, pela relação água/gesso (Figura 13). Outra fonte de poros é o ar incorporado e os defeitos de moldagem.

O aumento da porosidade provoca uma a redução da densidade, reduzindo o consumo de material para produção de componentes com geometria adequada e revestimentos, o que é vantajoso do ponto de vista econômico e ambiental.

Figura 12 – Influência da relação água/gesso na densidade no estado seco e porosidade – correlações aproximadas para retas (produzido a partir de dados dos autores e de Les Cahiers Techniques, Syndicat, 1991).

Figura 13 – Influência da relação água/gesso – um estimador da porosidade na resistencia mecânica de corpos-de-prova 50 x 50 x 50 mm de um gesso brasileiro (dados dos autores).

A resistencia à compressão do gesso é muito sensível a variações de umidade, pois

o material é higroscópico. Ela se reduz em aproximadamente 50% quando o produto sai do estado seco em estufa (50ºC) para o estado úmido, em virtude da exposição à água. No entanto, a variação da umidade de equilíbrio do gesso devido a variações da umidade relativa do ar não afeta significativamente a resistencia mecânica (Merlet, 1999; Karni e Karni, 1995).

O aumento da relação água/gesso provoca sensível incremento na permeabilidade do material ao vapor, acelerando o processo de movimentação higroscópica (Sato, Antunes

1 m1 m

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cm

3/c

m3)



e John, 2001).

23.6 Estabilidade dimensional

O coeficiente de dilatação térmica do gesso está em torno de 2 x 10-6 m/m.ºC (Karni e Karni 1995), valor que é aproximadamente o dobro do concreto e do aço. Adicionalmente, devido à porosidade, higroscopicidade e a existência de pontos onde a ligação entre os cristais é fraca, o que permite o afastamento pela adsorção de água, a mudança da umidade do ar promove mudanças no teor de umidade e, em consequência, variações dimensionais do gesso. O uso em chapas finas e porosas acelera o tempo necessário para variação de umidade, criando ciclos. No gesso acartonado, a variação higroscópica é estimada entre 6,5 x 10-6 mm/mm/%RH (Gypsum Association, 2005) a 7,2 x 10-6 mm/mm/%RH (Leavitt e Group, 2000). Ou seja, quando um componente de gesso em equilíbrio com um ambiente com RH de 30% é colocado em equilíbrio com uma umidade relativa de 80%, mantida constante a temperatura, ele expande em torno de 0,35 mm/mEsta sensibilidade à variação de umidade torna necessário juntas de movimentação entre painéis leves de gesso e estruturas rígidas para evitar tensões que podem levar a rupturas.

23.7 Aditivos retardadores de pega

Os aditivos adicionados em pequenas quantidades aceleram ou retardam a pega e o endurecimento, dependendo do tipo de espécie química. Os aceleradores aumentam a velocidade de hidratação, e os retardadores atrasam a reação, tendo, consequentemente, um retardo no tempo de pega. Estes últimos serão detalhados a seguir.

Os aditivos retardadores de pega são produtos orgânicos ou inorgânicos que, adicionados em pequenas quantidades (< 10%) à água de amassamento ou ao gesso em pó, atuam com a finalidade de retardar o tempo de pega das pastas. Com isso, afetam a velocidade de hidratação das mesmas e, consequentemente, alterando não só a pega como também algumas outras propriedades do material. Os retardadores orgânicos mais comumente empregados são os ácidos carboxílicos, caracterizados por terem o grupo funcional -COOH, formado a partir da oxidação dos álcoois. As proteínas são também retardadores orgânicos comumente empregados. No grupo dos produtos inorgânicos, os mais comuns são os fosfatos e boratos. Na literatura, os aditivos retardadores estão agrupados em três categorias conforme o seu modo de atuação (Foucault, 1970; Reul, 1977; Moissey, 1985).

Do primeiro grupo fazem parte as especies químicas que diminuem a velocidade de dissolução do hemidrato, por introduzirem outros íons na solução. Assim, afetam a solubilidade dos íons calcio e sulfato e retardam a saturação da solução. Em presença de outras especies químicas, a saturação se dá mais lentamente, e o período de indução é prolongado. A solubilidade do hemidrato é diminuída por ácidos orgânicos fracos, como os ácidos cítrico, fórmico, acético, láctico, e seus sais alcalinos, como os citratos, acetatos e lactatos. Pertencem também a esse grupo o ácido bórico, ácido fosfórico, glicerina, álcool, éter, acetona e açúcar (Reul, 1977).

O segundo grupo é formado por especies químicas que, adicionadas ao gesso, geram reações complexas, que resultam em produtos pouco solúveis ou insolúveis ao redor dos cristais de di-hidrato, atrasando o seu crescimento e, como consequencia, sua precipitação. Pertencem a esse grupo os boratos, fosfatos, carbonatos e silicatos alcalinos.

O terceiro grupo é formado por produtos orgânicos de massa molecular elevada, como as proteinas degradadas e alguns colóides que, misturados com água, formam um gel ao redor dos grãos de hemidrato, atrasam o contato com a água e, assim, sua solubilização e cristalização do di-hidrato, retardando o tempo de pega para períodos mais longos. Pertencem a esse grupo a queratina, caseina, goma arábica, gelatina, pepsina,



peptona, albumina, alginatos, proteinas hidrolisadas, aminoácidos e formaldeidos condensados (Reul, 1977; Papo, 1989).A dosagem da proteina depende da sua composição, variando de 0,1% a 0,5%. A metilcelulose, um derivado da celulose, é empregada em teores maiores, entre 0,5 e 4%. A caseina não tem efeito sensível, sendo mais empregada para melhorar as propriedades mecânicas do material (Turco, 1990).

23.7.1 Influência no estado fresco – hidratação e tempo de pega Os retardadores, atuam e influenciam diretamente na evolução da hidratação do

gesso, segundo o tipo de reagente que se esteja empregando. Este efeito pode ser observado na evolução da curva de temperatura versus tempo quando o material está acondicionado em frasco isolante (calorímetro pseudo-adiabatico). Observa-se, na Figura 14, que o retardador aumenta o período de indução, no qual os cristais começam a se formar, mas a taxa de hidratação durante a aceleração é similar.

Figura 14 – Efeito do ácido tartárico na velocidade de hidratação (Gerard, 1991). Com o ácido cítrico o efeito é o mesmo. Na Figura 15 está ilustrado o aumento do

efeito retardador com o aumento do teor de adição.

Figura 15 – Efeito do ácido cítrico na pega (Knauf, 1973). O efeito das proteinas, igual ao de outros retardadores, é afetado pelo pH dos gessos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

Tempo de hidratação (minutos)

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

SEM aditivo

COM retardador

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

Teor de aditivo (%)

Tem

po

(m

inu

tos)



que pode ser alterado por aditivos ácidos ou alcalinos como a cal (Mallon, 1988). Observadas na Figura 16, essas especies químicas têm seu efeito ótimo em gessos com faixa de pH entre 6 e 12, chegando a retardar até vinte vezes, quando empregada num teor de 0,2%, dependendo do tipo de proteina. Estas são menos eficientes em gessos com pH baixo e alto, respectivamente, gessos ácidos ou fortemente alcalinos (Figura 16). O efeito do teor de proteina no tempo de pega está mostrado na Figura 17.

Figura 16 – Efeito das proteinas em função do pH da pasta de gesso (Mallon, 1988).

Figura 17 – Tempo de inicio de pega em presença de gelatina (Fischer e Hening, 1994).

23.7.2 Efeito na demanda de água e consistencia A capacidade dos retardadores de alterar a consistencia é pouco estudada nos

diferentes trabalhos, embora esta seja uma das características tecnológicas mais importantes, já que, para a tecnologia dos aditivos, alguns retardadores aumentam ou diminuem a fluidez da pasta, aumentando o diminuindo a demanda de agua para boa reologia. Em todos os casos é certo que ao retardarem a pega, retardam também a perda de consistência, que no caso de aplicação como revestimento aumenta o tempo de espera para a consistência de aplicação (Antunes, 1999).

0

5

10

15

20

25

30

2 4 6 8 10 12 14

pH da pasta

Fa

tor

de

re

tard

am

en

to

0

20

40

60

80

100

120

140

0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15

Teor de aditivo (%)

Tem

po

(m

inu

tos)



A influência dos retardadores citrato de sódio, borato de sódio, acetato de calcio, hexametafosfato, albumina e gelatina na consistencia foi estudada por Ridge e Boell (1962). A Figura 18 ilustra que a adição do hexametafosfato de sódio exige aumento de agua para consistencia constante

Figura 18 – Efeito do hexametafosfato na consistencia da pasta de gesso (Ridge & Boell, 1962).

23.7.3 Influência dos retardadores sobre o gesso endurecido

23.7.3.1 Microestrutura e resistência mecanica

A alteração da cinética de hidratação e da composição da água de dissolução altera

a microestrutura do gesso. De uma forma geral os retardadores aumentam o tamanho (volume) dos cristais e mudam o seu formato (Gartner, 2009, Hincapié Henao 1997). A Figura 19 ilustra a influencia dos retardadores na microestrutura formada. O Quadro 8 apresenta o tamanho, forma e arranjo dos cristais estimados a partir de micrografias obtidas ao microscópio eletrônico de varredura e a resistência à compressão resultante (Hincapié Henao, 1997).

0,64

0,66

0,68

0,70

0,00 0,20 0,40 0,60

Teor de aditivo (%)

Re

laçã

o á

gu

a/g

esso

(g

/g)





Figura 19 – Exemplo da influencia do aditivos retardador no formato de cristais do gesso de construção: (superior) gesso sem aditivo; (inferior) gesso com 20% de acetado de cálcio. Imagens de microscopia de varredura gentilmente cedidas por Ellis Gartner.

Quadro 8 -Efeito de aditivos retardadores na microestrutura e resistência à compressão. A

relação a/g é constante, igual a 0.7 (Hincapié Henao, 1997).

Aditivo Forma do cristal Arranjo Cristalino

Comprimento do cristal

(m)

Largura do cristal

(m)

Resistência à compressão

(MPa)

Referencia Acicular Imbricamento 12 a 17 1 9,8

Ácido cítrico Acicular Pacotes 14 1,5 a 2 8,1

Bórax Hexagonal Sobrepostos 12 2 a 5 7

Caseína Acicular Imbricamento 10 a 14 2 9,7

Gelatina Irregular grosso Sobrepostos < 10 5 a 10 4,2



Figura 20 – Correlação entre volume estimado do cristal e resistencia à

compressão para gessos com aditivos retardadores de mesma relação água/gesso e, em consequência, aproximadamente mesma porosidade.

Com poucas exceções, limitadas a pequenos teores, os retardadores diminuem a

resistência mecânica do gesso, devido à redução da área de contato a nível molecular entre os cristais (Gartner, 2009), fator influenciado pelo tamanho dos cristais. A Figura 20 mostra um exemplo da influencia do tamanho do cristal – estimado simplificadamente pelo volume considerando uma agulha de base quadrada - na resistencia mecânica.

23.7.3.2 Expansão

A presença de aditivos retardadores afeta a expansão em pastas. Gartner (2009)

demonstrou que soluções de acetato de cálcio e propanato de cálcio, fortemente retardadoras, aumentam significativamente a expansão embora ainda mantenham coesão. Por outro lado, formiato de cálcio, menos retardador, não apresenta expansão. Como a expansão depende da deposição de hidratados nos pontos de ligação secundaria entre dois cristais, o autor sugere que a natureza dos produtos químicos irá controlar a expansibilidade.

Este é certamente um tema que merece investigações adicionais.

23.7.3.3 Porosidade

A mudança na microestrutura, forma e tamanho dos cristais afeta a distribuição de poros e a área especifica do sistema (Mikhail & Malek 1971). O acido cítrico pode reduzir o tamanho médio dos poros e reduzir a porosidade (Koslowski e Ludwig, 1983), o que pode ser explicado por alteração na expansão, já que não existe relato de alteração do habito cristalino ou mudança da estequeometria do hidratado. Sistemas que alteram a viscosidade da água (como o metilcelulose) incorporam ar. (Hallows, 1992).

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Re

sist

en

cia

à co

mp

ress

ão (

MP

a)

Volume do cristal (m³)



23.8 Aplicações

22.8.1 Revestimentos em pastas de gesso Revestimentos com pastas de gesso têm grande mercado, pois aumentam a

produtividade do processo de revestimento de paredes. Em primeiro lugar, quando aplicados na forma de pasta, oferecem uma superfície branca, que facilmente é coberta por pintura e acabamento liso, dispensando a aplicação de massa corrida, necessária quando a tinta é aplicada sobre base de argamassa. Em segundo lugar, o gesso se hidrata rapidamente, encurtando o período entre a aplicação e o acabamento com a pintura, permitindo aumentar a velocidade da obra com simplificação do processo. As resistências de aderência costumam ser elevadas variando tipicamente entre 0,4 a 1,7 MPa, valores superiores aos 0,3 MPa exigidos para revestimentos externos. Uma das limitações desse material é a sua elevada sensibilidade à exposição de umidade e a elevada geração de resíduos na aplicação do revestimento. A outra está relacionada à reciclagem: blocos cerâmicos e de concreto revestidos com gesso não podem ser reciclados com agregados dada a solubilidade e o risco de expansão com cimento.

A confecção de pastas de gesso é governada por dois fatores básicos: a necessidade de reologia adequada para a aplicação sobre a base; e o tempo útil, que é o tempo em que essa reologia é mantida. Em obras tradicionais, essa definição é feita pelo gesseiro, que, com base na sua experiência, define o teor de água (relação água/gesso).

Usualmente, o gesso é polvilhado sobre a água. A quantidade de água usualmente adicionada resulta em relação água/gesso entre 0,6 e 0,9 (Hincapié Henao, 1997; Antunes, 1999). Essa quantidade de água é superior ao limite de aplicação manual (os poros aumentam o volume e reduzem o custo). Assim, após o polvilhamento, o profissional espera até que a hidratação e a aglomeração de partículas aumentem a consistência. Concluído esse tempo de espera, a mistura é mais intensa e a aplicação é iniciada. Esse tempo de espera, entre 19 e 30 minutos, é, segundo Antunes (1999), improdutivo. A aplicação termina quando o gesso não apresenta reologia que permita o seu espalhamento na superfície a revestir. O tempo útil (tempo de final de aplicação menos tempo de espera) medido pela autora variou entre 23 e 38 minutos. Ou seja, na prática, o tempo que o operário faz a aplicação pode ser até inferior ao tempo parado, esperando boa consistência. Quando não se usa a estratégia de mistura em duas etapas, o tempo de utilização pode ser reduzido em mais de 20 minutos (Antunes, 1999).

É prática usual misturar-se apenas a metade do gesso adicionado. A metade não misturada entra em contato com a água mais lentamente, pois está aglomerada. ). A Figura 21 mostra a variação da consistencia no tempo e o retardo obtido quando não se mistura mecanicamente o gesso com a água. A aplicação prossegue até a pasta acabar, ou mais comumente até a reologia torna-la pouco produtiva, gerando resíduos. Dada a deficiência normativa em controlar o tempo de pega do gesso, estes tempos variam bastante em gessos conformes, o que leva a elevadas perdas deste material, gerando um resíduo de difícil tratamento.

O processo de aplicação da pasta, embora empírico, é bastante sofisticado e utiliza-se do efeito das diversas fases da reação de hidratação do gesso na reologia. Maiores detalhes, bem como soluções para melhorar a produtividade, podem ser encontrados em (Antunes, 1999).



Figura 20 – Evolução da consistencia média pela penetração da agulha no aparelho Vicat modificado (NBR 12128) com o tempo para a pasta misturada (aplicação I) e para a pasta que permaneceu em repouso (aplicação II). O tempo zero corresponde ao tempo de polvilhamento do pó na água (Antunes, 1999).

O tempo de pega dos gessos brasileiros é curto e, na quase totalidade das marcas

comercializadas no mercado brasileiro, muito variavel. Esse tempo de pega curto e variavel, combinado com a ausência de critérios objetivos para a definição de quantidades de água de amassamento e procedimentos de controle de qualidade de recebimento, tem levado os revestimentos de gesso a apresentarem elevado desperdício, tendo sido medidas perdas de 30% (Souza, 1998). A necessidade de segregação dos resíduos de gesso prevista na resolução CONAMA 307 (CONAMA, 2002) e a dificuldade de destinação adequada agravam o problema. Adicionalmente, essa necessidade tem conduzido a tempos de espera elevados, reduzindo a produtividade de aplicação e encarecendo o serviço.

A NBR13867 (ABNT, 1997) estabelece os procedimentos para a realização de revestimentos de gesso.

23.8.2 Pastas de gesso modificadas A mistura de outros finos em gesso de construção pode ser feita com razões variadas,

inclusive de ganho de competitividade econômica e preservação de recursos naturais. Mistura com cal é praticada desde pelo menos a idade media (Genestar & Pons, 2003). No mercado internacional existem misturas de gesso e carbonato de cálcio.

Antunes (1999) demonstrou que as alterações produzidas na reologia (Figuras 21a) quando se mistura cal hidratada (~23%) em pastas de gesso resultam em aumento do tempo util (Figura 21b) com ganho potencial de produtividade e redução de perdas.

P = -1,467.t + 66,368

R2 = 0,862

P = -1,026.t + 58,488

R2 = 0,838

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo (minutos)

Pe

netr

açã

o (

mm

)

Aplicação I (início do tempo útil)

Aplicação II



Figura 21a – Influencia do teor de

cal na consistencia Vicat Modificado para diferentes relações água/(gesso + cal) (Antunes, 1999).

Figura 21b – Influencia do teor de cal no tempo de espera (inclui 5 min de mistura e moldagem do corpo-de-prova) e fim de utilização para pasta com relação água/(gesso+cal) = 0,7, obtidas com um gesso específico (Antunes, 1999).

A substituição parcial do gesso pela cal, mantendo-se o teor de água constante,

provocou uma redução da resistencia mecânica à compressão (Figura 22) e no módulo de elasticidade dinâmico.

Figura 22 – Influência da relação água/(gesso+cal) na resistência mecânica à compressão (NBR 12129) e módulo de elasticidade de pastas de gesso (tangente inicial no ensaio de compressão).

Estudos posteriores mostraram que misturas de gesso, cal hidratada e fileres,

adequadamente aditivadas, podem resultar em pastas de revestimento passíveis de aplicação mecânica, que se inicia imediatamente após a mistura e pode se prolongar por tempo superior a 40 minutos, com grande ganho de produtividade. Essas pastas apresentam resistência de aderência em torno de 0,3 MPa, sendo perfeitamente adequadas a revestimento interno. O longo tempo de projeção e a reologia adequada diminuem sensivelmente as perdas. Estão disponíveis no mercado produtos com essas características

Argamassas de gesso podem também ser produzidas com proporções em massa gesso:agregado de até 1:3, com boa aderência. Mais detalhes podem ser encontrados em John & Antunes (2002) e Dias (1994).

23.8.3 Gesso acartonado

P = -0,642.T + 34,778

R2 = 0,925

P = -0,338.T + 37,201

R2 = 0,880

P = -1,365.T + 28,750

R2 = 0,997

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25

Teor de cal (%)

Pen

etr

açã

o in

icia

l (m

m)

a/a 0,5

a/a 0,6

a/a 0,7

a/a= 0,7

Fim

utilização

Tempo

espera

0

5

10

15

20

25

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Teor de cal (%)

Tem

po

(m

inu

tos)

P = 0 mm

P = 28 mm



As chapas de grandes dimensões finas de gesso revestidas externamente por duas lâminas de papel, são denominadas comercialmente no Brasil de dry wall. O papel kraft que reveste serve de reforço para os esforços de tração, o que permite o manuseio seguro de chapas de grandes dimensões e confere resistência a esforços de uso. O Quadro 10 apresenta as propriedades básicas desse tipo de produto.

Quadro 10 – Variação de dimensões de chapas de gesso acartonado no mercado brasileiro (NBR

14715-1 2010).

Dimensão Mínimo Máximo Tolerância

Espessura (mm) 9,5 15 0,5 < t < 0,5 (mm) Largura (mm) 600 1200 -4 < t < 0 (mm) Comprimento (mm) 1800 3600 -5 < t <0 (mm) Densidade superficial de massa (kg/m2) ~ 6 13 2% Resistencia transversal mínima de ruptura na flexão (N/m)

160 250

Resistencia longitudinal mínima de ruptura na flexão (N/m)

400 650

Os produtos são fabricados por processo de laminação contínua, onde as placas são

cortadas e empilhadas quando já endureceram, o que permite grande escala de produção. Os produtos também têm alta produtividade na montagem e permitem a execução de serviço com um baixo consumo de material. Consequentemente, essa tecnologia domina os mercados europeu e norte-americano para divisórias internas e forros.

Para confecção das divisórias “dry-wall”, as placas de gesso acartonado são apoiadas sobre perfis de madeira ou aço galvanizado. Combinando-se chapas com dimensões variadas, ou em mais de uma chapa em cada lado, material forro-absorvente e isolante na cavidade entre as duas faces da parede, variando a dimensão da cavidade, inclusive pelo uso de estruturas de apoio totalmente independentes para cada face da parede, é possível projetar-se o desempenho acústico, térmico e resistência ao fogo das divisorias. Assim, é possível obter-se desempenho muito superior ao das alvenarias convencionais.

A borda das placas é rebaixada de forma a esconder os parafusos e permitir a realização de acabamento com uma massa flexível composta de gesso e polímeros e fita adesiva, produzindo a aparência de um pano contínuo.

Combinando papel e gesso o produto é sensível a ambientes úmidos, podendo apresentar degradação total ou biodeterioração da superfície. Dessa forma, para ambientes internos úmidos, como banheiro, somente submetidos apenas eventualmente à exposição direta à água, estão disponíveis placas tratadas com hidrofugantes e, por isso, com maior resistencia à umidade. Medeiros (2004) estudou chapas resistentes à umidade e constatou que estas chapas apresentam absorção de água muito menor que as convencionais (Figura 23. Também foi observado que, embora percam muita resistencia quando ainda molhadas, a perda é menor que nas convencionais e que, mesmo após 5 ciclos de molhagem e secagem por 180 minutos, ainda apresentam resistencia à flexão no estado seco, cerca de 80% da apresentada pela chapa original. A absorção de água dessas chapas resistentes à umidade está limitada na norma a um máximo de 5% .



Figura 23 – Absorção de água por superfície protegida por papel de chapa de gesso acartonado convencional e resistente à umidade (Medeiros, 2004).

Estão disponiveis chapas projetadas para proteção de estruturas contra a ação de

incendio. O gesso, de forma geral, é bastante eficiente no controle de propagação de chamas, pois, quando a temperatura do ambiente passa de 140ºC, começa a decomposição do di-hidrato. Este se transforma em hemi-hidrato, liberando água e, nessa reação, consumindo grande quantidade de energia, o que reduz a temperatura da superfície.

Também estão disponíveis chapas com bordas não rebaixadas, para a execução de partições sem o rejuntamento, e chapas perfuradas para absorção acústica.

23.8.4 Placas e outros componentes de gesso As placas lisas de gesso moldado, com dimensões de 60 cm x 60 cm, com borda

reforçada são aplicações consagradas no mercado brasileiro de forros suspensos. Tradicionalmente, são moldadas em pequenas fábricas artesanais, localizadas junto aos centros produtores, procedimento que evita transportar água do local de produção do gesso ao mercado de consumo.

A NBR 12775 (ABNT, 1992), ainda em vigor, estabelece métodos de medida de resistencia mecânica, dimensões da placa, espessura e largura do reforço lateral, dimensões dos encaixes macho e femea, espessura na região central, massa específica, resistencia à flexão e resistencia do elemento de fixação para essas placas. No entanto

As resistencias mecânicas das placas encontradas no mercado são bastante variaveis. É comum a observação de quebras significativas, gerando quantidade significativa de residuos. A necessidade de cortes para ajuste da modulação aos cômodos gera bordas de menor espessura e resistencia. Atualmente, existem fabricantes de gesso que oferecem placas mais sofisticadas, inclusive reforçadas com fibras de vidro e hidrofugadas. O painel de placas é normalmente suspenso em tirantes de arame galvanizado.

Em complementação às placas de gesso, existem os perfis moldados, utilizados para a realização de acabamento de bordas e produção de detalhes arquitetônicos como sancas.

Existem também blocos de gesso moldados para uso em alvenarias. São paralelepípedos vazados, com grandes dimensões (500 mm x 666 mm, e espessuras entre 50 mm e 100 mm), permitindo boa produtividade na elevação da alvenaria. São assentados

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120

Tempo (minutos)

Abso

rção

de

ág

ua

(%

)

Convencional

Resistente à umidade



com pasta de gesso. A resistencia à tração e ao impacto do gesso pode ser melhorada significativamente

com fibras. Agopyan (1982) desenvolveu o compósito de gesso reforçado com fibras de vidro. Oliveira (1995) desenvolveu painel de grandes dimensões, que chegou a ser produzido.

23.8.5 Defeitos A umidade é prejudicial ao gesso dada a solubilidade da gipsita. Pela ação de ciclos

úmido-seco do ambiente, a gipsita da superficie se dissolve e precipita continuamente, mas os cristais apenas se depositam sobre a superfície e não têm o mesmo embricamento da primeira formação. A superfície torna-se, assim, pulverulenta. A industria brasileira não produz gessos em pó especiais para ambientes úmidos.

Os aditivos orgânicos empregados para controle da pega apresentam o inconveniente de alimentar o crescimento de fungos de difícil eliminação. Os aditivos minerais empregados em excesso podem ser trazidos para a superfície na evaporação da água de amassamento ou na secagem após a absorção de umidade e formar eflorescencia. Assim, entre os aditivos capazes de retardar a pega, devem ser selecionados os que não causam alteração no produto final.

As placas finas de gesso apresentam elevada movimentação higrotérmica, pois são permeaveis ao vapor de água e possuem baixa inercia térmica, entrando em equilibrio com o ambiente muito antes do restante da estrutura do edificio. A combinação dessa higroscopicidade com placas de espessura delgada leva à frequencia e amplitude de movimentação higrotérmica de paredes e forros de gesso superiores às da estrutura do edificio. No caso de forros de placas moldadas, é necessaria total dessolidarização das paredes e a introdução de juntas periodicas. No caso do gesso acartonado, a fixação da estrutura de madeira ou metal e a existencia de uma junta elástica entre placas contornam o problema.

Artefatos ou revestimentos de gesso apresentam uma superfície muito lisa, quase polida, às vezes pulverulenta, o que não permite boa aderência de pinturas de emulsão. A película se forma, mas descola com facilidade (“peeling”). Necessitam, por isso, da aplicação de fundo preparador na superfície.

O gesso de construção, particularmente quando exposto a umidades elevadas, provoca a corrosão do aço (Selmo, 1997). Portanto, todos os componentes de aço que permanecerem em contato com o gesso devem ser protegidos contra a corrosão, através, por exemplo, de galvanização.

23.9 Definições e terminologia

A terminologia sobre os produtos relativos ao gesso de construção, desde a materia prima até o produto endurecido é um pouco confusa, mesmo nos dicionarios técnicos de mineralogia. Muitos dos dicionários mineralógicos chamam gesso também ao minério, e ao mineral do qual o gesso é produzido. A terminologia é detalhada em seguida: a) Gipso é o minério mais comum dos sulfatos, encontrado extensivamente em muitos

lugares do mundo, contendo gipsita (CaSO4.2H2O), anidrita (CaSO4) e algumas impurezas, materia prima de produção do gesso de construção (gypsum);

b) Gipsita é o mineral, composto de CaSO4.2H2O, chamado por Dana (1949) como gypsum uncalcined, isto é, gipso não calcinado, mineral essencial do gipso;

c) Gesso de construção é o material conhecido na literatura como “plaster of Paris”, “yeso”,

“gypsum calcined” ou “plâtre de Paris”; apresenta como constituintes hemidrato- e anidrita II ou III;



d) Hemidrato , com fórmula química CaSO4.0,5H2O, é produzido a partir da calcinação do gipso (hemihydrate);

e) Anidritas II e III, com fórmula química CaSO4, são também produtos da calcinação do gipso (anhydrite).

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