Universidade Nove de Julho

Curso: Engenharia Civil

Disciplina: Materiais da Construção Civil I.

Prof: Antonio Celso de S Junior.

Set – 2015.

Material de apoio.

Resumo – Fabricação e Utilização do Cimento Portland.

Cimento Portland

É um tipo de cimento muito utilizado na construção civil por sua resistência. O

nome Portland foi dado em 1824 pelo químico britânico Joseph Aspdin, em

homenagem à ilha britânica de Portland, no condado de Dorset.

Joseph Aspdin queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-

as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se

tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. A mistura não se

dissolvia em água e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano, com o nome

de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades

de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland.

O cimento pode ser definido como um pó fino, com propriedades aglomerantes,

aglutinantes ou ligantes, que endurece sob a ação de água. Com a adição de

água, se torna uma pasta homogênea, capaz de endurecer e conservar sua

estrutura, mesmo em contato novamente com a água. Na forma de concreto,

torna-se uma pedra artificial, que pode ganhar formas e volumes, de acordo com

as necessidades de cada obra. Graças a essas características, o concreto é o

segundo material mais consumido pela humanidade, superado apenas pela

água.

Com diferentes adições durante a produção, se transforma em um dos cinco

tipos básicos existentes no mercado brasileiro: cimento portland comum, cimento

portland composto, cimento portland de alto forno, cimento portland pozolânico

e cimento portland de alta resistência inicial.

O cimento (derivada do latim cæmentu) é um material cerâmico que, em contato

com a água, produz reação exotérmica de cristalização de produtos hidratados,

ganhando assim resistência mecânica. É o principal material de construção

usado como aglomerante. É uma das principais commodities mundiais, servindo

até mesmo como indicador econômico.

O Cimento é composto de clínquer e de adições que distinguem os diversos

tipos existentes, conferindo diferentes propriedades mecânicas e químicas a

cada um. As adições também são ou não utilizadas em função de suas

distribuições geográficas.

Clínquer

O clínquer é o principal item na composição de cimentos Portland, sendo a fonte

e Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 e Silicato dicálcico (CaO)2SiO2. Estes compostos

trazem acentuada característica de ligante hidráulico e estão diretamente

relacionados com a resistência mecânica do material após a hidratação.

A produção do clínquer é o núcleo do processo de fabricação de cimento, sendo

a etapa mais complexa e crítica em termos de qualidade e custo. As matéria-

primas são abundantemente encontradas em jazidas de diversas partes do

planeta, sendo de 80% a 95% de calcário, 5% a 20% de argila e pequenas

quantidades de minério de ferro.

Principais compostos químicos do clínquer

Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 45-75% C3 S (alíta)

Silicato dicálcico (CaO)2SiO2 7-35% C2 S (belíta)

Aluminato tricálcico (CaO)3Al2O3 0-13% C3 A (celíta)

Ferroaluminato tetracálcico (CaO)4Al2O3Fe2O3 0-18% C4A F (brownmilerita)

Tipo de Cimento Portland

Ciment

o

Tipo Clínquer+ Gesso(

%)

Escória

siderúrgica(

%)

Material

pozolânico(

%)

Calcário(

%)

CP I Comum 100 - - -

CP I - S Comum 95-99 1-5 1-5 1-5

CP II -

E

Compost

o

56-94 6-34 - 0-10

CP II -

Z

Compost

o

76-- 6-14 15-50

CP II -

F

Compost

o

90-94 - - 6-10

CP III Alto-

forno

25-65 35-70 - 0-5

CP IV Pozolâni

co

45-85 - 15-50 0-5

CP V -

ARI

Alta

resistênci

a inicial

95-100 - - 0-5

Gesso

O gesso (ou gipsita) (CaSO4 · 2 H2O) é adicionado em quantidades geralmente

inferiores a 3% da massa de clínquer, tem função de estender o tempo de

pega do cimento (tempo para início do endurecimento). Sem esta adição, o

tempo de pega do cimento seria de poucos minutos, inviabilizando o uso. Devido

a isso, o gesso é uma adição obrigatória, presente desde os primeiros tipos de

cimento Portland.

Escória siderúrgica

A escória, de aparência semelhante a areia grossa, é um subproduto de alto-

fornos, reatores que produzem o ferro gusa a partir de uma carga composta

porminério de ferro, fonte de Fe, e carvão vegetal ou coque, fonte de carbono.

Entre diversas impurezas como outros metais, se concentram na

escória silicatos, que apesar de rejeitados no processo de metalização,

proporcionam-na características de ligante hidráulico.

Sendo um subproduto, este material tem menor custo em relação ao clínquer e

é utilizado também por elevar a durabilidade do cimento, principalmente em

ambientes com presença de sulfatos. Porém, a partir de certo grau de

substituição de clínquer a resistência mecânica passa a diminuir.

Argila pozolânica

As pozolanas ativadas reagem espontaneamente com CaO em fase aquosa, por

conterem elevado teor de sílica ativa SiO2. Esta característica levou ao uso de

pozolanas como ligante hidráulico complementar ao clínquer, com a

característica de tornar os concretos mais impermeáveis o que é útil na

construção de barragens, por exemplo.

As pozolanas são originalmente argilas contendo cinzas vulcânicas, encontradas

na região de Pozzuoli, Itália. Atualmente, materiais com origens diferentes, mas

com composições semelhantes também são considerados pozolânicos, tais

como as pozolanas ativadas artificialmente e alguns subprodutos industriais

comocinzas volantes provenientes da queima de carvão mineral.

O processo de ativação de argilas é amplamente praticado pela própria indústria

de cimentos, é geralmente realizado em fornos rotativos semelhantes àqueles

utilizados na fabricação de clínquer ou mesmo em antigos fornos de clínquer

adaptados, trabalhando a temperaturas mais baixas (até 900 °C) e menor tempo

de residência.

Assim como a escória siderúrgica, as pozolanas frequentemente têm menor

custo comparadas ao clínquer e só podem substituí-lo até um determinado grau.

Calcário

O calcário é composto basicamente de carbonato de cálcio (CaCO3), encontrado

abundantemente na natureza. É empregado como elemento de preenchimento,

capaz de penetrar nos interstícios das demais partículas e agir como lubrificante,

tornando o produto mais plástico e não prejudicando a atuação dos demais

elementos. O calcário é também um material de diluição do cimento, utilizado

para reduzir o teor de outros componentes de maior custo, desde que não

ultrapassando os limites de composição ou reduzindo a resistência mecânica a

níveis inferiores ao que estabelece a norma ou especificação. O calcário também

alimenta o blaine do cimento, tornando o cimento com mais volume.

Mineração

As fábricas de cimento tipicamente se instalam ao lado de jazidas de calcário e

argila de modo a minimizar os custos de transporte. A extração destes materiais

se realiza em geral em lavras de superfície, com auxílio de explosivos. As rochas

extraídas são britadas até atingirem tamanhos de aproximadamente 200 mm ou

menos e transportadas para a fábrica em transportadores de correia.

Clínquer

Fornos Rotativos de Cimento - Holcim - Bélgica

A produção de clínquer envolve uma série de processos interdependentes

em linha.

Há ainda processos de preparação e estocagem de matérias-primas, moagem

de cimento e limpeza de gases de exaustão.

Pré-homogeneização de matérias-primas

As jazidas de calcário e argila apresentam variações de composição ao longo de

suas extensões. Por outro lado, a qualidade do produto e a estabilidade do

processo de produção requerem materiais quimicamente homogêneos. Para

isso, são empregados sistemas de empilhamento e recarregamento com longas

pilhas de material, de modo a criar camadas horizontais provenientes de

diferentes lotes, que posteriormente são misturadas no próprio processo de

recarregamento.

Moagem de matérias-primas

Os materiais provenientes das pilhas de pré-homogeneização são introduzidos

em um moinho (ou mais) para que se misturem e

atinjam granulometria e umidade adequadas aos processos posteriores. Este

processo, também chamado de "moagem de cru", faz uso de gases quentes

residuais do forno de clinquerização (descrito adiante), empregados como fonte

de calor para secagem. No jargão da indústria, o produto da desta moagem é

chamado de "farinha" e de fato se assemelha a farinha de trigo com tom bege.

A farinha é armazenada em silos que também promovem homogeneização e

absorvem eventuais assincronias entre o forno e os moinhos de cru.

Os motivos para a redução de tamanho das partículas são a homogeneização e

o aumento da superfície exposta que intensifica reações químicas e trocas de

calor entre as partículas e os gases no interior do forno.

Pré-aquecimento

Quase a totalidade dos fornos de cimento atualmente operantes contam com

torres de pré-aquecimento, responsáveis por remover a umidade ainda restante

no material (inferior a 1%) e iniciar a descarbonatação do calcário. Os fornos de

maior capacidade e mais modernos contam com torres maiores capazes de

completar quase totalmente o processo de descarbonatação. Quanto mais eficaz

o pré-aquecimento, mais curtos são fornos.

Os pré-aquecedores mais comuns são torres de ciclones. Dispostos em

elevadas estruturas (que frequentemente ultrapassam 100 metros de altura),

diversos separadores ciclônicos (equipamentos capazes de retirar partículas

sólidas de uma corrente de gases) são interligados entre si através de dutos de

imersão utilizados para troca térmica que ocorre em torno de 80% entre a farinha

alimentada e gases quentes provenientes do forno. Através da sequência de

ciclones fluem os gases quentes provenientes do forno, em contracorrente com

a matéria prima. A medida que esta se mistura com o fluxo de gases,

ocorre transferência de calor e transferência de massa. Nos primeiros trechos do

processo, elimina-se a umidade superficial, enquanto a temperatura permanece

próxima à temperatura de ebulição da água. A partir deste ponto, o material

sólido contendo apenas umidade intergranular passa a ser aquecido

gradativamente. No fim do processo, o material atinge de 700 °C a 1000 °C,

suficiente para a água esteja eliminada e para se iniciarem decomposições

químicas da matéria-prima. Na busca de maior produção e redução de custo

estudos deram origem a mais um estágio no pré-aquecedor conhecido como

calcinador responsável por 60% a 95% da calcinação da farinha crua nos fornos

rotativos para cimento baixando a carga térmica na zona de queima e como

consequência aumentando da vida útil do revestimento refratário.

Clinquerização

Parte das reações de descarbonatação e a formação de silicatos de cálcio e

aluminatos de cálcio ocorrem no interior do forno de cimento. Os fornos de

cimento são na maioria rotativos, cilindros horizontais de até 160 metros de

comprimento. Um leve ângulo de inclinação combinado ao lento movimento de

rotação (de 0,5 a 4,0 rpm) permite que o material percorra o cilindro à medida

que desliza pelas paredes. Internamente, há um revestimento de

material refratário que protege a carcaça do forno das altas temperaturas e

conserva o calor no seu interior. A matéria prima permanece no forno por um

tempo de aproximadamente 4 horas e atinge temperaturas clinquerização de

1.230 °C (menor temperatura produz cal e maior temperatura apenas aumenta

o consumo energético), suficientes para torná-la incandescente e pastosa. A

capacidade de produção de um forno médio é 3.000 a 4.000 toneladas por dia,

os maiores fornos do mundo produzem

até 10.000 t.

Resfriamento

Há dois principais tipos de resfriadores empregados atualmente. Os fornos mais

antigos ainda operantes utilizam resfriadores satélites, cilindros menores

solidários ao movimento de rotação do forno, acoplados à carcaça do mesmo.

Já os fornos construídos a partir da década de 1980 geralmente são dotados de

resfriadores de grelha, com ventilação forçada, possibilitando maior taxa

de transferência de calor entre o clínquer e o ar entrante. Desta forma, se reduz

a temperatura de saída do material, recuperando parte da energia associada ao

mesmo, aumentando a eficiência do sistema.

Além da eficiência energética, os resfriadores têm suma importância na

qualidade do produto. O tempo e o perfil de resfriamento do mesmo são

essenciais para a determinação de suas propriedades químicas finais. Lentos

processos de resfriamento levam à transformação de silicato tricálcico, instável

à alta temperatura, em silicato dicálcico o que diminui a resistência do cimento.

Hoje os resfriadores modernos além de propiciarem uma ótima troca térmica

também possibilitam a recuperação de gases quentes que são reutilizados no

processo de fabricação, que seriam o ar secundário - auxiliar na combustão na

zona de queima; ar terciário - auxiliar na combustão do calcinador; e o ar de

excesso - em algumas plantas, na troca de calor do moinho de matéria prima. O

produto (clínquer) ainda é moído e diluído em gesso, calcário e/ou escória

siderúrgica para se chegar ao produto final.

Combustíveis

A produção de cimento consome muito combustível. Geralmente utiliza-se uma

combinação de diversos produtos como óleo, coque de petróleo e resíduos

industriais. Cerca de 7% das emissões de CO2 no planeta são decorrentes da

produção de cimento, devido à combustão e ao processo de descarbonatação da

matéria-prima.

Aproveita-se as altas temperaturas e o tempo de permanência dos gases no

forno para empregar combustíveis de difícil utilização em queimas, como pneus

picados. Em outras condições, este tipo de combustível poderia emitir altas

concentrações de substâncias extremamente tóxicas, (tais

como dioxinas e furanos) devido à queima incompleta. Além disso, o calcário e

a cal contidos na mistura, têm a característica de reagir com o enxofre

proveniente dos combustíveis, evitando maiores emissões de óxidos de enxofre

na atmosfera e prevenindo, por exemplo, a ocorrência de chuva ácida.

Coprocessamento

O Coprocessamento é uma técnica já há muito tempo utilizada em países da

Europa, Japão e EUA, onde consiste em transformar resíduos em combustíveis

alternativos e/ou substitutos de matéria prima, desta forma reduzindo o consumo

de combustível fóssil e assim sendo contribuindo com o meio ambiente.

O USO DOS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO NAS DIFERENTES

APLICAÇÕES

Em que pese a possibilidade de se ajustar, através de dosagens adequadas, os

diversos tipos de cimento às mais diversas aplicações, a análise das suas

características e propriedades, bem como de sua influência sobre as

argamassas e os concretos já mostra que certos tipos são mais apropriados para

determinados fins do que outros. O Quadro 10 aponta quais tipos de cimento

disponíveis no mercado podem ser usados nas mais diferentes aplicações.

O USO DOS DIVERSOS TIPOS DE CIMENTO NAS DIFERENTES

APLICAÇÕES

ESTOCAGEM DO CIMENTO

Definido o tipo de cimento, falta apenas atentar para os cuidados necessários à

conservação do cimento (que é um produto perecível), pelo maior tempo

possível, no depósito ou no canteiro de obras. O cimento é embalado em sacos

de papel kraft de múltiplas folhas.

Trata-se de uma embalagem usada no mundo inteiro, para proteger o cimento

da umidade e do manuseio no transporte, ao menor preço para o consumidor.

Além disso, o saco de papel é o único que permite o enchimento com material

ainda bastante aquecido, por ensacadeiras automáticas, imprescindíveis ao

atendimento do fluxo de produção (ao contrário de outros tipos de embalagem

já testados, como a de plástico). Mas, o saco de papel protege pouco o cimento

nele contido da ação direta da água.

Se o cimento entrar em contato com a água na estocagem, ele vai empedrar ou

endurecer antes do tempo, inviabilizando sua utilização na obra ou fábrica de

pré-moldados e artefatos de cimento.

A água é o maior aliado do cimento na hora de confeccionar as argamassas e

os concretos. Mas é o seu maior inimigo antes disso. Portanto, é preciso evitar

a todo custo que o cimento estocado entre em contato com a água. Essa água

não vem só da chuva, de uma torneira ou de um cano furado, mas também se

encontra, sob forma de umidade, no ar, na terra, no chão e nas paredes.

Por isso, o cimento deve ser estocado em local seco, coberto e fechado de modo

a protegê-lo da chuva, bem como afastado do chão, do piso e das paredes

externas ou úmidas, longe de tanques, torneiras e encanamentos, ou pelo menos

separado deles. Recomenda-se iniciar a pilha de cimento sobre um tablado de

madeira, montado a pelo menos 30 cm do chão ou do piso e não formar pilhas

maiores do que 10 sacos. Quanto maior a pilha, maior o peso sobre os primeiros

sacos da pilha. Isso faz com que seus grãos sejam de tal forma comprimidos que

o cimento contido nesses sacos fica quase que endurecido, sendo necessário

afofá-lo de novo, antes do uso, o que pode acabar levando ao rompimento do

saco e à perda de boa parte do material. A pilha recomendada de 10 sacos

também facilita a contagem, na hora da entrega e no controle dos estoques.

É recomendável utilizar primeiro o cimento estocado há mais tempo, deixando o

que chegar por último para o fim, o que evita que um lote fique estocado por

tempo excessivo, já que o cimento, bem estocado, é próprio para uso por três

meses, no máximo, a partir da data de sua fabricação.

A fabricação de cimento processa-se rapidamente. O clínquer de cimento

Portland sai do forno a cerca de 80oC, indo diretamente à moagem, ao

ensacamento e à expedição, podendo, portanto, chegar à obra ou depósito com

temperatura de até 60oC. Não é recomendável usar o cimento quente, pois isso

poderá afetar a trabalhabilidade da argamassa ou do concreto com ele

confeccionados. Deve-se deixá-lo descansar até atingir a temperatura ambiente

e, para isso, recomenda-se estocá-lo em pilhas menores, de 5 sacos, deixando

um espaço entre elas para favorecer a circulação de ar, o que fará com que eles

se resfriem mais rapidamente.

Nas regiões de clima frio a temperatura ambiente pode ser tão baixa que

ocasionará um retardamento do início de pega. Para que isso não ocorra,

convém ensacamento e à expedição, podendo, portanto, chegar à obra ou

depósito com temperatura de até 60oC. Não é recomendável usar o cimento

quente, pois isso poderá afetar a trabalhabilidade da argamassa ou do concreto

com ele confeccionados. Deve-se deixá-lo descansar até atingir a temperatura

ambiente e, para isso, recomenda-se estocá-lo em pilhas menores, de 5 sacos,

deixando um espaço entre elas para favorecer a circulação de ar, o que fará com

que eles se resfriem mais rapidamente.

Nas regiões de clima frio a temperatura ambiente pode ser tão baixa que

ocasionará um retardamento do início de pega. Para que isso não ocorra,

convém estocar o cimento em locais protegidos de temperaturas abaixo de 12°C.

Tomados todos os cuidados na estocagem adequada do cimento para alongar

ao máximo sua vida útil, ainda assim alguns sacos de cimento podem se

estragar. Às vezes, o empedramento é apenas superficial. Se esses sacos forem

tombados sobre uma superfície dura e voltarem a se afofar, ou se for possível

esfarelar os torrões neles contidos entre os dedos, o cimento desses sacos ainda

se prestará ao uso normal. Caso contrário, ainda se pode tentar aproveitar parte

do cimento, peneirando-o. O pó que passa numa peneira de malha de 5 mm

(peneira de feijão) pode ser utilizado em aplicações de menor responsabilidade,

tais como pisos, contrapisos e calçadas, mas não deve ser utilizado em peças

estruturais, já que sua resistência ficou comprometida, pois parte desse cimento

já teve iniciado o processo de hidratação. Enfim, observa-se que é fundamental

a estocagem correta, pois não apenas há o risco de perder-se parte do cimento,

como também acaba-se reduzindo a resistência final do cimento que não chegou

a estragar.

Confira as principais normas relativas a cimento e concreto:

Os sistemas construtivos à base de cimento destacando-se as da Associação

Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), do Departamento Nacional de Estradas

de Rodagem (DNER) e da American Society for Testing and Materials (ASTM).

ABNT

NBR 5732 – Cimento Portland Comum – Especificação

NBR 5733 – Cimento Portland de Alta Resistência Inicial – Especificação

NBR 5735 – Cimento Portland de Alto Forno – Especificação

NBR 5736 – Cimento Portland Pozolânico – Especificação

NBR 5738 – Confecção e Cura de Corpos-de-prova de Concreto Cilíndricos ou

Prismáticos – Método de ensaio

NBR 5739 – Ensaio de Compressão de Corpos-de-prova Cilíndricos de Concreto

– Método de ensaio

NBR 7207 – Terminologia e Classificação de Pavimentação – Terminologia

NBR 7211 – Agregados para Concreto – Especificação

NBR 7480 – Barras e Fios de Aço Destinados a Armadura de Concreto Armado

– Especificação

NBR 7680 – Extração, Preparo, Ensaio e Análise de Testemunhos de Estruturas

de Concreto – Procedimento

NBR 8953 – Concreto para Fins Estruturais – Classificação por Grupos de

Resistência – Classificação

NBR 11578 – Cimento Portland Composto – Especificação

NBR 11768 – Aditivos para Concreto de Cimento Portland – EB

NBR 12142 – Concreto – Determinação da Resistência à Tração na Flexão em

Corpos-de-prova Prismáticos – Método de Ensaio

NBR NM 47 – Concreto fresco – Determinação do Teor de Ar pelo Método

Pressométrico

NBR NM 67 – Concreto – Determinação de Consistência pelo Abatimento do

Tronco de Cone

Bibliografias:

Snic – Sindicato nacional da Indústria Cimenteira.

ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland.

ABNT – Associação Brasileira de Norma Técnicas.