Cimento

ÍNDICE

1. INTRODUCAO

1.1.OBJECTIVOS

1.1.1.Objectivo Geral

1.1.2.Objectivos Específicos

2. O CIMENTO – LIGANTE HIDRAULICO

3. BREVE HISTÓRICO DO CIMENTO PORTLAND

4. PROCESSO DE FABRICO DO CIMENTO

4.1 Extracção das Matérias-Primas

4.2 Preparação, Transporte, Armazenagem e Pré-Homogeneização

4.3 Obtenção de Cru

4.4 O Forno e a Cozedura

4.5 Moagem de Clínquer e Armazenagem de Cimento

4.6 Embalagem e Expedição

5. CONTROLO DE QUALIDADE

6.     TIPOS DE CIMENTO

7.     DESIGNAÇÃO NORMALIZADA

8.     TIPOS DE CIMENTO E A INDÚSTRIA DE ARGAMASSAS

9.      CIMENTOS: BRANCO E CINZENTO

10.    CONCLUSÃO

11.    REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. INTRODUÇÃO
O cimento Portland é o material de construção de mais extenso uso no mundo. Apesar de sua invenção ter ocorrido ha mais de um século, muitos são os que fazem uso dele sem conhece-lo com maior rigor.
Assim sendo, o presente trabalho preparado em uma linguagem acessível para que todos aqueles que utilizem o cimento portland possam adquirir um conhecimento mais amplo desse produto quanto ao seu histórico, matérias-primas, produção, controle de qualidade, tipos disponíveis principais aplicações.

1.1. OBJECTIVOS 

1.1.1. Objectivo Geral 

• Conhecer o cimento.

1.1.2. Objectivos Específicos 

• Definir o cimento;
• Descrever o processo de fabricação;
• Conhecer o historial. 
• Estudar as matéria-primas usadas no fabrico.

1. O CIMENTO – LIGANTE HIDRÁULICO

 Os ligantes hidráulicos são constituídos por pós muito finos que amassados com água formam uma pasta cujo endurecimento se dá apenas pela reacção química entre o pó e a água.

Segundo a normalização europeia (EN 197 - 1): 

CIMENTO é um ligante hidráulico, isto é, um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água forma uma pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água.

A designação de ligante deve-se à propriedade que têm de poder aglomerar uma proporção elevada de materiais inertes, como areias, godos, pedra britada, etc., conferindo ao conjunto grande coesão e resistência, tornando-o apto a ser utilizado na construção como argamassas e betões.

 Consideram-se hidráulicos porque além de endurecerem ao ar, são capazes de adquirir elevadas resistências debaixo de água, suportando perfeitamente a sua acção.

Cimento Portland é a denominação convencionada mundialmente para o material usualmente conhecido na construção civil como cimento.

O cimento Portland é um pó fino com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob acção da água. Depois de endurecido, mesmo que seja novamente submetido a acção da água, o cimento Portland não se decompõe mais. 

Um cimento que esteja de acordo com esta norma europeia é designado por cimento CEM e se for devidamente misturado com água e agregados, é possível obter-se betão ou argamassa:

• Que conserva trabalhabilidade adequada durante um período de tempo suficiente; 

• Que, a determinadas idades atinge níveis de resistência especificados;    

• E que apresenta estabilidade volumétrica a longo prazo.

O endurecimento de cimentos CEM é sobretudo devido à hidratação de SILICATOS de CÁLCIO embora outros compostos, tais como os ALUMINATOS, possam intervir no endurecimento. Nestes cimentos, a soma da quantidade de ÓXIDO de CÁLCIO reactivo (CaO) e SILICA reactiva (SiO2), em massa, é pelo menos 50% (NP EN 197-1). Fisicamente são constituídos por pequenos grãos de materiais diferentes mas a composição é estatisticamente homogénea. A uniformidade relativa a todas as propriedades destes cimentos é obtida por processos contínuos de produção em massa que incluem moagem e homogeneização adequadas. A qualidade do produto final nas fábricas modernas de cimentos CEM é conseguida por pessoal especializado e qualificado e laboratórios adequadamente equipados que contribuem para o controlo e ajuste contínuo nas linhas de produção. Isto é, o processo de fabrico e o controle de qualidade asseguram portanto que os cimentos apresentem uma composição dentro dos limites fixados pelas normas europeias (Jackson, 1998).

2. BREVE HISTÓRICO DO CIMENTO PORTLAND

A grande versatilidade nas aplicações do Cimento Portland, nos distintos tipos de obras civis, explica seu grande consumo em âmbito mundial, com perspectiva de atingir, em 2050, cerca de cinco bilhões de toneladas, segundo a Agência Internacional de Energia.

Os ligantes usados pelas antigas civilizações experimentaram grande evolução até chegar-se ao cimento Portland como o conhecemos atualmente. De fato, babilônios e assírios se utilizavam de argilas não cozidas, muitas vezes misturadas com fibras vegetais para elaboração de moradias. Os egípcios introduziram argamassas de cales e gesso na construção das pirâmides (LEA, 1998). 

Posteriormente, os gregos melhoraram esses materiais e, por fim, os romanos produziram um cimento de notável durabilidade, ao acrescentar em cinzas vulcânicas às argamassas de argila e cal. Fizeram obras públicas como aquedutos e portos, e muitas delas resistiram ao tempo.   

A humanidade não empregou outros ligantes até final do século XVIII, quando a evolução das argamassas e concretos tomou grande impulso com as investigações efetuadas por John Smeaton, engenheiro responsável pela reconstrução do Farol de Eddystone em Cornwall, no sudoeste da Inglaterra (GOMÀ, 1979). Para tal projeto, foram efetuados inúmeros testes até a obtenção de um material mais adequado para suportar a ação agressiva da água do mar em 1756 (BOGUE, 1955).

Smeaton seria o responsável por transmitir o conhecimento de que calcários impuros, contendo argila, produziam cimento. Considerando-se o baixo intercâmbio científico da época e aparentemente os desconhecimentos dos experimentos de Smeaton, cimentos similares foram redescobertos na Europa em, pelo menos, mais seis oportunidades até 1830. Dentre esses, destaque para o francês L. J. Vicat, que, em 1818, observou a possibilidade de se misturarem artificialmente calcários e conteúdos adequados de argila, inclusive em proporções ideais para obtenção de cimento (BOGUE, 1955). Ele é considerado o pai do cimento artificial. 

 Em 1824, o construtor inglês de Leeds, Joseph Aspdin, queimou conjuntamente pedras calcárias e argila e, a seguir, moeu-as, transformando-as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se tão dura quanto às pedras empregadas nas construções. A mistura endurecida não se dissolvia em água, tendo recebido do Rei George IV da Inglaterra a patente de número 5022, registrada em 21 de outubro de 1824, com o nome de cimento Portland, que recebeu essa denominação por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland. Na verdade, Aspdin parece ter se baseado em seus antecessores, sobretudo Vicat, para produzir seu ligante hidráulico. 

Em 1885, um engenheiro inglês, Frederik Ransome, patenteou um forno horizontal rotativo, levemente inclinado, permitindo que o material a ser calcinado se movesse de uma extremidade para outra, aumentando sensivelmente a capacidade de queima das matériasprimas, além de permitir a obtenção de um produto mais homogêneo. Thomas A. Edson introduziu, em 1902, o primeiro forno longo de cimento. A evolução do processo produtivo é dinâmica até os dias de hoje. 

3. PROCESSO DE FABRICO DO CIMENTO

4.1 Extracção das Matérias-Primas 

A exploração de pedreiras é feita normalmente a céu aberto, seja em bancos ou andares, seja em secções verticais a toda a altura da jazida do minério.  O arranque da pedra pode ser mecânico ou com explosivos, sendo neste caso necessário abrir furos onde é introduzida a carga explosiva.  O cimento portland artificial cinzento é obtido a partir de uma mistura devidamente proporcionada, de calcário (carbonato de cálcio), argila (silicatos de alumínio e ferro) e, eventualmente, outros constituintes ricos em sílica (areia), alumina (bauxite) ou ferro (granalha).

 No caso do cimento branco o teor de Óxido de Ferro é aproximadamente nulo. Não é utilizada granalha e as matérias-primas são de cor branca.

4.2 Preparação, Transporte, Armazenagem e Pré-Homogeneização 

O material, após extracção, apresenta-se em blocos com dimensões que podem ir até cerca de 1m3; é então necessário reduzir o seu tamanho a uma granulometria adequada para posterior utilização nas fases seguintes do fabrico, operação que é feita em britadores.  

Numa fábrica de cimento é necessário prever uma armazenagem de grandes quantidades de matérias-primas, a fim de evitar perdas de produção e garantir trabalho em regime contínuo. Essa armazenagem pode ser combinada com uma função de préhomogeneização.

4.3 Obtenção de Cru  

As matérias-primas seleccionadas são depois dosificadas, tendo em consideração a qualidade do produto a obter (clínquer), operação que é controlada através de computadores de processo. Definida a proporção das matérias-primas, elas são tomadas dos locais de armazenagem e transportadas para moinhos onde se produz o chamado "cru", isto é, uma mistura finamente moída, em proporções bem definidas, do conjunto das matérias-primas. 

Nessa moagem são normalmente utilizados moinhos tubulares, de duas câmaras, com corpos moentes (bolas metálicas de diversos diâmetros), ou moinhos verticais de mós. Em qualquer dos casos, é necessário secar as matérias-primas; para a economia do processo, aproveita-se, com frequência, o calor contido nos gases de escape dos fornos, que simultaneamente fazem o transporte do cru do moinho ao silo de armazenagem.

4.4 O Forno e a Cozedura 

 O cru é depois cozido em fornos de tipo e dimensão que variam com a tecnologia de cada fabricante. São constituídos por um tubo "rotativo", montado segundo uma inclinação que pode ir de 2,5 a 5% e com uma velocidade de rotação entre 1,5 e 2,5 r.p.m., atingindo comprimentos de 85m. Interiormente são revestidos de material refractário que confere protecção ao" tubo" e reduz as perdas térmicas. Para que se desenvolva o processo de cozedura, ou clinquerização, é necessário atingir uma temperatura de cerca de 1450°C (1550ºC no cimento branco). Obtém-se esta temperatura pela combustão de carvão pulverizado, "pet-coke", fuelóleo, gás natural ou outros combustíveis secundários. Na cozedura de clínquer branco não é utilizada a queima de carvão. O processo de cozedura começa a partir do momento em que o cru é extraído dos silos de armazenagem e introduzido no sistema de pré-aquecimento, onde circula em contra-corrente com os gases de escape resultantes da queima do combustível. O transporte do material através do forno faz-se pelo movimento de rotação e pelo seu grau de inclinação.

Às reacções químicas que se desenvolvem durante o processo dá-se o nome de "clinquerização" e ao produto formado chama-se "clínquer". A partir dos 1450°C, em que a formação do clínquer deve ser completa, começa o processo de arrefecimento, primeiro com o encaminhamento da massa para a entrada dos arrefecedores e depois através destes. Os tipos de arrefecedores mais comuns são os satélites, de grelha e de tambor rotativo. Para facilitar o arrefecimento, é introduzido ar em contra-corrente com o clínquer, aproveitando-se este ar aquecido para a queima de combustível. No caso do clinquer branco, o arrefecimento é realizado a água.

O forno é sempre complementado por um sistema de arrefecimento do produto fabricado, porquanto:

A evacuação e o transporte do clínquer incandescente são, na prática, impossíveis;  O arrefecimento rápido melhora a qualidade do clínquer, porque estabiliza os constituintes mineralógicos.  

A recuperação do calor transportado pelo clínquer melhora o rendimento térmico do processo.  

Os transportadores de clínquer, que têm de ser resistentes à temperatura de saída do forno (cerca de 200°C), conduzem-no para silos ou armazéns horizontais.

A acção da temperatura sobre os componentes da matéria-prima promove reacções químicas que levam à formação dos componentes principais do clínquer: Silicato tricálcico, Silicato bicálcico, aluminato tricálcico e o aluminoferrato tetracálcico: Até aos 100ºC evapora-se a água livre.

 Até aos 800ºC dá-se a desidratação da argila e o início da decomposição do carbonato de cálcio com formação do óxido de cálcio. Começa então a constituir-se o aluminato monocálcico, o ferrato bicálcico, iniciando-se o aparecimento do silicato bicálcico. Entre os 800ºC e os 900ºC principia a formação do aluminato de cálcio.

Acima dos 900ºC ocorre a cristalização dos produtos amorfos da desidratação da argila, completa-se a descarbonatação do carbonato de cálcio, promovendo-se as reacções entre o óxido de cálcio e os componentes da argila.

 Entre os 900ºC e os 1100ºC forma-se o aluminato tricálcico e inicia-se a formação do aluminoferrato tetracálcico. Termina a decomposição de todos os carbonatos, atingindo-se o máximo de concentração em óxido de cálcio livre.

Entre os 1100ºC e os 1200ºC a maior parte do aluminato tricálcico e aluminoferrato tetracálcico está constituída e o teor de silicato bicálcico atinge o máximo.

 A 1260ºC principia o aparecimento da fase líquida, constituída pela combinação da parte de óxido de cálcio com os óxidos de alumínio e ferro, a qual promove a constituição do silicato tricálcico, a partir do silicato bicálcico já formado. Mas parte do silicato bicálcico subsiste pois este não se pode transformar em tricálcico sem que haja ainda algum óxido de cálcio livre. O óxido de cálcio livre é nocivo porque a sua hidratação se dá com expansão que se torna perigosa para valores elevados.

A 1450ºC atinge-se a máxima percentagem de silicato tricálcico (componente do clinquer que mais contribui para a sua resistência), estando concluída a formação do clinquer.

4.5 Moagem de Clínquer e Armazenagem de Cimento  

O cimento resulta da moagem fina de vários componentes, sendo o componente maioritário o clínquer, juntando-se gesso e aditivos (cinzas volantes, escórias de alto forno, folhas de calcário, etc.).

Nessa moagem podem utilizar-se moinhos verticais ou, mais habitualmente, moinhos tubulares, com uma, duas ou três câmaras, funcionando em circuito aberto ou circuito fechado. Quando em circuito fechado, utilizam-se "separadores" para rejeitar as partículas mais grossas, que retornam ao circuito de moagem. Mais recentemente, com o objectivo de conseguir poupanças energéticas, têm-se utilizado sistemas de esmagamento prévio do clínquer ("roller-press"). 

 Os materiais são moídos em proporções bem definidas, de acordo com o plano de qualidade e de modo a satisfazer as normas e especificações em vigor. O cimento produzido é normalmente transportado por via pneumática ou mecânica e armazenado em silos ou armazéns horizontais.

4.6 Embalagem e Expedição

  O cimento produzido pode seguir para uma máquina de ensacagem, sendo depositado em paletes ou constituindo pacotões plastificados. O cimento expedido na forma de granel é transferido directamente do silo onde está armazenado para camiões-cisterna, cisternas para transporte ferroviário ou para navios de transporte de cimento. 

4. CONTROLO DE QUALIDADE  

As fábricas de cimento possuem uma sala de comando centralizado, apetrechada com um nível de equipamento que permite, a partir deste local, toda a monitorização e controlo do ciclo de produção, desde as matérias-primas à expedição de cimento. Na sala de comando é ainda possível a visualização, em televisores, dos principais equipamentos e máquinas através de um circuito fechado de TV, com câmaras instaladas nos pontos estratégicos da fábrica. O controlo de emissões em contínuo, como efluentes gasosos e poeiras, é igualmente realizado neste local. 

No laboratório de processo, localizado em anexo à sala de comando centralizado, são realizados, de forma regular, ensaios que asseguram a qualidade das matérias-primas, cru e clinquer. Estes laboratórios encontram-se equipados com sistemas QCX (Quality Control X-Ray), que regulam e corrigem quaisquer flutuações nas dosagens dos diferentes materiais nas misturas que ocorrem durante o processo de fabrico. Adicionalmente, e de forma recente, a instalação de analisadores online (Gamma Metrics), sob a tela de transporte das matérias-primas da pedreira até à zona fabril, permite, a cada minuto obter uma média de diversas análises químicas realizadas em contínuo ao material, contribuindo de forma decisiva para uma melhor homogeneidade das misturas realizadas a montante, com essas matérias-primas. 

O laboratório de controlo de qualidade ao produto final, realiza um vasto leque de ensaios que permite verificar a sua conformidade com a Norma Europeia de Cimentos. 

5. TIPOS DE CIMENTO 

 A Norma Europeia EN 197-1 foi elaborada pelo Comité Europeu de Normalização e aprovada em Junho de 2000. Tem como objectivo definir e apresentar as especificações dos cimentos correntes, os seus constituintes e composição e os critérios de conformidade. Os cimentos correntes passaram a estar organizados em 5 tipos principais, estando definidos 27 tipos de cimento distintos e seis classes de resistência. A família de cimentos correntes fabricados em Portugal é dada na tabela 2.

  

6. DESIGNAÇÃO NORMALIZADA 

 Os cimentos CEM devem ser identificados pelo menos pela notação do tipo de cimento (tabela 4), e os números 32,5, 42,5 ou 52,5, indicando a classe de resistência. Para indicar a classe de resistência aos primeiros dias, deve-se adicionar a letra N ou a letra R. Exemplos: Cimento Portland NP EN 197-1 CEM I 42,5 R - Cimento portland, conforme a NP EN 197-1, da classe de resistência 42,5 e com uma resistência elevada aos primeiros dias; Cimento Portland de Calcário NP EN 197-1 - CEM II/B-L 32,5 N - Cimento portland de calcário, conforme a NP EN 197-1, contendo entre 21% e 35% em massa de calcário com um teor de TOC (teor de carbono orgânico total) não excedendo 0,50% em massa (L), da classe de resistência 32,5 e com uma resistência normal aos primeiros dias; Cimento Pozolânico NP EN 197-1 CEM IV/A (V) 32,5 R - Cimento pozolânico, conforme a NP EN 197-1, contendo entre 11% e 35% em massa de cinza volante siliciosa (V), da classe de resistência 32,5 e com uma resistência elevada aos primeiros dias.

7. TIPOS DE CIMENTO E A INDÚSTRIA DE ARGAMASSAS  

O tipo de cimento utilizado pelos produtores de argamassas industriais varia consoante o produto a fabricar. Com efeito, tradicionalmente, para a fabricação de cimentos-cola os cimentos de mais elevadas resistências são os mais utilizados, enquanto que para a produção de rebocos e argamassas de alvenaria, os cimentos com maiores quantidades de adições, ou seja de menores resistências e com menores calores de hidratação são os mais comuns. 

Quanto às características dos cimentos que mais influência exercem no segmento das argamassas industriais, destacamos cinco: a Resistência à compressão, a Finura, os Sulfatos, a Expansibilidade e a Cal Livre. Note-se que outras características podem ser igualmente ou até mais importantes, para determinados produtos e ou fabricantes.

As resistências à compressão elevadas são importantes particularmente para os cimentoscola mais técnicos (com maiores exigências ao nível da aderência). Por outro lado, de forma a contribuir para um melhor controlo da ocorrência de fissuração devido a altos calores de hidratação, na fabricação de rebocos são habitualmente utilizados cimentos com menores quantidades de clinquer, como os cimentos tipo II.  

A finura tem particular interesse na fabricação de produtos que sejam aplicados através de equipamentos de projecção, de forma a facilitar esta operação. Uma forma de medir o grau de finura dos cimentos, considerando o efeito de forma das partículas, é através da determinação da Superfície Específica de Blaine. A superfície específica é a área total das partículas de cimento utilizáveis para a hidratação.

O teor de sulfatos, também designado por teor de Trióxido de Enxofre, indica a quantidade de gesso adicionada ao cimento. Se o gesso é essencial ao controlo do tempo de presa, em excesso pode dar origem à formação de sais expansivos que colocam em risco a estrutura do cimento hidratado.  

A expansibilidade avalia a presença de quantidades perigosas de cal livre e óxido de magnésio cristalizados. Este indicador complementa a análise química do teor de cal livre, visto que esta não permite identificar se a estrutura da cal é porosa e amorfa, inofensiva neste processo, ou cristalizada, que hidrata depois da presa do cimento, tal como o óxido de magnésio, podendo fragmentar e provocar a expansão da argamassa.

Resumindo, quanto maior forem os valores do teor em sulfatos, expansibilidade e cal livre nos cimentos, maior é a probabilidade de ocorrência de fissuração das argamassas cimentícias.

 A tabela 4 apresenta os tipos de cimento fabricados em Portugal e os seus respectivos valores médios das características de maior importância para os produtores de argamassas:

8. CIMENTOS: BRANCO E CINZENTO 

 O cimento branco distingue-se do cimento cinzento, essencialmente ao nível da cor. A selecção de matérias-primas de qualidade, o calcário branco e o caulino é determinante para a brancura final do produto. As matérias-primas têm de possuir baixos teores em óxidos ferrosos, responsáveis pela pigmentação cinzenta.

 Os cimentos brancos face aos cinzentos são habitualmente mais finos e apresentam resistências à compressão superiores, para as mesmas classes. O tempo de início de presa é geralmente inferior aos registados nos cimentos cinzentos.

9. CONCLUSÃO

O Cimento é um ligante hidráulico, isto é, um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água forma uma pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água.

Em 1824, Joseph Aspdin patenteou o processo de fabricar um ligante hidráulico de uma mistura de calcário e argila, que diferia do de Vicat pela temperatura de calcinação mais elevada (na ordem dos 1.400 – 1.500 graus), permitindo obter elevadas resistências mecânicas. O produto resultante da calcinação e moagem desta mistura tinha cor e características semelhantes às das pedras da ilha de Portland e daí surge o nome de Cimento Portland.

Há dois processos de fabrico do cimento: um em que a matéria prima é moída e homogeneizada dentro de água (via húmida) e outro em que a moedura e homogeneização se realizam a seco (via seca). 

Como cerca de 70 a 80% da matéria - prima é calcário em geral uma fábrica de cimento situa-se junto de uma formação calcária.

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Cimento um Pó que Resiste ao Tempo. Brochura Secil, Julho de 1999

2. As matérias-primas param fabrico de cimento: sua importância na qualidade e tipos de cimento. Secil – documentação interna, 1994.

3. Sítio Internet (www.weber-cimenfix.com).