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SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 2 2. TIPOS DE CIMENTO ..................................................................................... 3 2.1 Nomenclatura .......................................................................................... 4 3. APLICABILIDADE......................................................................................... 5 4. PROCESSO DE PRODUÇÃO ....................................................................... 8 4.1. Extração ................................................................................................. 9 4.2. Britagem ................................................................................................. 9 4.3. Pré-homogeneização ........................................................................... 10 4.4. Moagem do Cru ................................................................................... 10 4.5. Homogeneização ................................................................................. 11 4.6. Pré aquecimento .................................................................................. 11 4.7. Forno .................................................................................................... 12 4.8. Armazenagem do clínquer e aditivos ................................................. 15 4.10. Moagem do clínquer e aditivos ......................................................... 15 6. CONCLUSÃO .............................................................................................. 16 8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................... 17 2 1. INTRODUÇÃO O cimento é utilizado desde a Roma antiga e a palavra vem do latim caementu, que designava uma espécie de pedra natural de rochedos. Em meados de 1830, o inglês Joseph Aspdin patenteou o processo de fabricação de um ligante que resultava da mistura calcinada, em proporções certas e definidas de calcário e argila, conhecida mundialmente até hoje. O resultado desse processamento foi um pó que, por apresentar cor e características semelhantes à de uma pedra abundante na Ilha de Portland, foi denominado “cimento Portland”. A partir desse acontecimento, seu uso e sua comercialização cresceram de forma gradativa em todo o mundo. [14] No Brasil, a primeira tentativa de fabricação do cimento Portland aconteceu em 1888, quando o comendador Antônio Proost Rodovalho instalou em sua fazenda, no interior de São Paulo, uma pequena indústria: a Usina Rodovalho operou de 1888 a 1904, sendo extinta em 1918. O desenvolvimento do Brasil no fim do século XIX já exigia a implantação de uma indústria nacional de cimento. A remodelação da cidade do Rio de Janeiro e, posteriormente, a Primeira Guerra Mundial abriram um grande mercado adicional para o produto no país. [14] A partir de 1926 iniciou-se a produção em escala industrial no Brasil e, a partir da década de 70, a produção aumentou intensamente, passando de 9,8 milhões de toneladas por ano para 27,2 milhões de toneladas no início dos anos 80.[9] O processo de fabrico do cimento é constituído da lavra e do beneficiamento de calcário e argila, através da exploração das matérias-primas de uma pedreira, as quais devem conter, em determinadas proporções, cálcio, sílica, alumina e ferro. Após a extração da matéria prima segue-se para a moagem, a homogeneização e a produção da farinha e, por fim, o processamento físico-químico e a moagem do clínquer. [10] O cimento Portland é obtido a partir de uma mistura proporcional de calcário, argila ou xisto argiloso (rocha sedimentar de origem detrítica e que pertence ao subgrupo das rochas argiláceas), ou a partir de margas ou calcário margoso e outras substâncias apropriadas ricas em sílica, alumina ou ferro, reduzidas a um pó muito fino, sujeito a temperatura de aproximadamente 1450°C, obtida geralmente em grandes fornos rotativos. A mistura é muito bem 3 homogeneizada e bem dispersa, quer a seco (fabricação do cimento por via seca), quer por meio de água (fabricação por via úmida). [5] Por um bom tempo só existia um único tipo de cimento no Brasil, mas com o desenvolvimento de conhecimentos técnicos, foram surgindo novos tipos. E, atualmente, a maioria dos cimentos Portland são de uso geral. [1] 2. TIPOS DE CIMENTO Como citado anteriormente, o cimento é um composto aglomerado cujo principal componente é o clínquer (calcário, argila e outros componentes químicos), e a água é o elemento responsável por sua ativação. A fim de se melhorar as características físico-químicas do cimento, foram sendo adicionados outros elementos à mistura, com o passar do tempo. Dessa forma, diferentes tipos de cimento foram surgindo, cada material adicionado é responsável por uma característica do cimento: [10] • Gesso: aumenta o tempo de pega do cimento, evitando a hidratação imediata (termo utilizado para descrever o processo de endurecimento do cimento); • Escória: Aumenta a durabilidade na presença de sulfatos, mas quando adicionado em grandes quantidades pode diminuir a resistência do cimento; • Argila Pozôlânica: Responsável por aumentar a impermeabilidade do concreto; • Calcário (Fíler): Reduz o custo do material. Atualmente, o cimento Portland é normalizado e existem onze tipos no mercado e eles estão descritos na Tabela 1, a seguir: [8] 4 Tabela 1 - Tipos de Cimento TIPO NOME ADIÇÃO DE ELEMENTO RESISTÊNCIA (Mpa) CP-I CP comum Gesso 25 CP I-S CP comum com adição 5% de material pozolânico 25 CP II-E CP composto com escória granulada de alto forno 6% à 34% de escória granulada 25, 32 e 40 CP II-Z CP composto com pozolana 6% a 14% de pozolana 25, 32 e 40 CP II-F CP composto com filer 90% à 94% de clínquer e gesso e de 6% a 10% de material carbonático ou filer. 25, 32 e 40 CP III CP de alto forno Adição de 35% a 70% de escória 25, 32 e 40 CP IV CP Pozolânico 15% a 50% de material pozolânico 25 e 32 CP V-ARI CP de alta resistência inicial Pode conter até 5% de material carbonático 26 (1º dia de aplicação) CP-RS CP resistente a sulfatos Escória 25, 32 e 40 CP-BC CP de baixo calor de hidratação - 25, 32 e 40 CP-B Cimento Portland Branco Baixo teor de manganês e ferro, e caulim no lugar a argila. 25, 32 e 40 (estrutural) Fonte: Escola Engenharia [8] 2.1 Nomenclatura Para facilitar no entendimento de cada tipo de cimento, criou-se uma forma de nomear cada um de acordo com o tipo, a adição de compostos e a resistência do produto. A figura 1 mostra como se é representada de forma correta a nomenclatura dos cimentos Portland. [8] Figura 1 - Nomenclatura do Cimento Portland 5 Fonte: Escola Engenharia [8] De acordo com a figura 1, temos os significados correspondentes para cada segmento presente na nomenclatura proposta (Tabela 2): Tabela 2 - Nomenclatura NOMENCLATURA CIMENTO PORTLAND B (Tipo de Cimento) C (Elemento) D (Resistênia) I – Portland Comum E – Escória de Alto-Forno 25 MPa – corresponde a 250 kg/cm² II – Portland Composto F – Fíler 32 MPa – corresponde a 320 kg/cm² III – Alto-Forno Z – Material Pozolânico 40 MPa – corresponde a 400 kg/cm² IV – Pozolânico V – Alta Resistência Inicial (ARI) Fonte: Escola Engenharia [8] 3. APLICABILIDADE O cimento Portland é o material de construção de mais extenso uso no mundo, portanto, podeser aplicado em vários campos, principalmente na construção civil. [3] A grande aplicabilidade do cimento Portland se deve principalmente por características peculiares, como trabalhabilidade, moldabilidade (cimento fresco), alta durabilidade e resistência a cargas e ao fogo (cimento solidificado).[2] Esse material tem importância fundamental em obras civis, sendo sua substituição quase impossível. Misturado com água, e alguns outros materiais de construção, como areia, pedra britada, pó-de-pedra e cal, o cimento produz concretos e argamassas, usados na construção de casas, edifícios, pontes, pavimentação, barragens, tubos de concreto, telhados, entre outros (Figura 2). [2][3] 6 Figura 2 - Aplicações do cimento Portland Fonte: Google Dentro ainda da construção, que é onde o cimento tem mais aplicação, o Portland pode ser usado na vedação, no revestimento de fachadas, na produção de telhas e lajes. Uma novidade tem sido a confecção de pré-fabricados (Figura 3) de cimento, tornando os materiais duráveis e econômicos, além de possibilitar um processo de construção mais ágil.[2] Figura 3 - Peça de cimento pré-fabricado Fonte: Google 7 No Brasil, existem inúmeros tipos de cimento Portland devido, principalmente, à função de sua composição. Os principais tipos são: [5] ▪ CP-I - Cimento Portland Comum: Cimento puro, sem modificação. É utilizado em serviços de construção onde não são exigidas propriedades especiais do cimento; ▪ CP-II - Cimento Portland Composto: Cimento modificado que pode ser aplicado em todas as fases da construção. Pode ser encontrado em três subtipos distintos: o CP-II-Z, o CP-II-E e o CP-II-F. O tipo II-Z tem pozolanas (cinzas de usina térmica, de carvão e outras cinzas), ele é muito indicado para fazer fossa séptica, visto que seu concreto é mais resistente a ácidos. O cimento II-E tem escória de alto-forno e serve para pisos, lajes e pilares. O II-F tem materiais carbonos sendo empregado para fazer pisos e até tijolos de solo-cimento; ▪ CP-III - Cimento Portland de Alto-Forno: Produto de menor porosidade e maior durabilidade, sendo mais resiste a ambientes agressivos. O concreto feito com esse cimento pode ficar exposto a esgoto e a chuva ácida. Ele é usado em fundações, peças de grandes dimensões e construções de barragens, por exemplo; ▪ CP-IV - Cimento Portland Pozolânico: De baixa porosidade, tem cinza de carvão ou argila queimada em sua composição. Seu uso é muito mais vantajoso em obras que ficarão expostas à ação de água corrente e em ambientes agressivos; ▪ CP-V-ARI - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial: Indicado para preparo de concreto e argamassa para todas as aplicações que necessitem de resistência inicial elevada. Como o CP-V-ARI endurece rápido, ele pode trincar se a concretagem for feita sob insolação, em dias muitos secos ou com ventos. Deve ser evitado em aplicações corriqueiras, como em revestimento de argamassa ou em concreto-massa, pois nesses casos pode trincar e fissurar. Em ambientes agressivos, geralmente não é resistente a sulfatos; ▪ RS - Cimento Portland Resistente a Sulfatos: Resistente a meios agressivos sulfatados, tais como redes de esgotos domésticos ou industriais, água do mar e em alguns tipos de solos; ▪ BC – Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação: Cimento designado por siglas e classes de seu tipo, acrescidas de BC. Como por exemplo, o CP-III-32(BC) é o Cimento Portland de Alto-Forno com baixo calor de 8 hidratação. Evita o aparecimento de fissuras de origem térmica e é indicado para uso em concreto-massa, como barragens e grandes pilares; ▪ CPB - Cimento Portland Branco: Cimento que apresenta dois subtipos: estrutural, quando se quer ressaltar a arquitetura, porque ele não fica cinza; e o não estrutural, que é usado para rejuntar azulejos. Jamais usado em concreto estrutural, pois esse tipo não possui resistência adequada para tal finalidade. [5] 4. PROCESSO DE PRODUÇÃO O processo de produção do cimento envolve basicamente a extração das matérias primas, processos para a formação da farinha para o clínquer, a produção do clínquer e a moagem do mesmo. Pela existência de vários tipos de cimento, cada um tem uma característica específica, o processo de produção pode diferenciar quanto à proporção dos elementos utilizados. A figura 4 representa o processo de produção do cimento de uma determinada planta industrial.[11] Figura 4 - Fluxograma de Produção do Cimento Fonte: Cimento Mauá [7] 9 4.1. Extração As indústrias de cimento normalmente se instalam próximo de jazidas de calcário e argila de modo a minimizar os custos de transporte. Assim, estes materiais são extraídos de jazidas subterrâneas ou a céu aberto, sendo este último o mais utilizado no Brasil. Aproveita-se e também se extrai outros elementos como a sílica, alumínio e minério de ferro.[11] 4.2. Britagem O calcário extraído é levado para a instalação de britagem, onde ele é reduzido a dimensões adequadas (aproximadamente 200 mm ou menos) para o processo. Em seguida é transportado para a fábrica em transportadores de correia. A argila não precisa passar por esse processo por causa da sua consistência. São comumente utilizados britadores de impacto ou de mandíbulas. O primeiro é uma máquina com um rotor (Figura 5a) que, com a força centrípeta, tritura os materiais que entram na máquina e o segundo (Figura 5b) tem uma "mandíbula" fixa e a outra móvel que se chocam entre si (como o movimento de mastigar) obtendo grãos menores. [11][6] Figura 5 - (a) Britador de impacto e (b) britador de mandíbula. (a) (b) 10 4.3. Pré-homogeneização As jazidas de calcário e argila têm composição variada ao longo de suas extensões. Dessa forma, para ter qualidade do produto e estabilidade do processo de produção há uma necessidade de se obter materiais quimicamente homogêneos. Por isso, são realizados sistemas de empilhamento e recarregamento com longas pilhas de material, com a finalidade de criar camadas horizontais provenientes de diferentes lotes, que posteriormente serão misturadas no próprio processo de recarregamento. [6] 4.4. Moagem do Cru As matérias primas homogeneizadas, provenientes das pilhas de pré- homogeneização, são enviadas para os moinhos a fim de que se misturem e alcancem granulometria e umidade adequadas aos processos posteriores. Em seguida, ocorre o processo de secagem que utiliza como fonte de calor os gases quentes residuais do forno de clinquerização. Finalmente, temos a fabricação da farinha, cujo nome faz referência ao tamanho granulométrico que é obtido nesse processo. A farinha, então, é armazenada em silos que também promovem homogeneização e absorvem eventuais assincronias entre o forno e os moinhos de cru. Além disso, 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. Para isso, é utilizado um moinho de bolas ou um moinho vertical. O moinho de bolas (Figura 6a) é composto de um cilindro rotativo com bolas de aço dentro que, à medida que o cilindro gira, estas vão moendo a matéria. E o moinho vertical (Figura 6b) é um grande tambor de aço, em formato cilíndrico, que contém uma placa horizontal e circular dentro. Esta placa gira, triturando o material que vai entrando, com o efeito da força centrífuga. [8][6]11 Figura 6 - Moinho de bolas (a) e moinho vertical (b) (a) (b) 4.5. Homogeneização Para que seja possível uma combinação ideal dos elementos formadores do clínquer (Figura 7), é necessária uma nova etapa de homogeneização após a moagem. Há alguns processos que, na inserção do material a ser moído, já o fazem em proporções ideais, considerando a qualidade do clínquer a ser obtido. Assim, o material já sai fino e homogeneizado. O cru homogeneizado é levado aos chamados silos de farinha. 4.6. Pré aquecimento O material (farinha) passa por uma torre de pré-aquecimento, chamada de calcinador, e por ciclones. Nela, o ar então é separado e a farinha é pré-aquecida pelo uso de gases aquecidos provenientes do forno, podendo chegar a até 1450°C. Inicia-se então a liberação do CO2, acelerando a descarbonatação (reação do carbonado de cálcio, formando óxido de cálcio e dióxido de carbono) e facilitando assim o processo no forno. A farinha aquecida chega ao forno com temperatura em torno de 900°C [13]. Figura 7 - Imagem do calcinador Fonte: http://brasil.intercement.com/Bibliotecas/fabricacao_cimento 12 Os ciclones (Figura 8) são equipamentos utilizados para a separação da farinha (fase sólida suspensa) e do ar (fase gasosa). A mistura entra no ciclone na parte superior do equipamento com fluxo radial. Com o atrito com as paredes, o material sólido se direciona ao fundo do ciclone. Pelo fluxo feito no equipamento há uma região de baixa pressão no centro, por onde o ar ascende ao topo, sendo assim separado da fase sólida [4]. Figura 8 - Esquema de um ciclone Fonte: Wikipédia [12] 4.7. Forno A farinha, ou “cru”, é submetida então à queima em fornos rotativos horizontais. O material que deixa o forno é denominado clínquer Portland. No forno, há a elevação gradual da temperatura até aproximadamente 1500°C, o que promove uma série de reações para estabelecimento da mineralogia específica do clínquer, denominadas reações de clinquerização, detalhadas na Tabela 3. [16] 13 Tabela 3 - Principais reações do processo de sinterização do clínquer Temperatura (°C) Reação 100-200 Liberação de água livre 500-700 Desidroxilação dos argilominerais, transformação do quartzo-α em quartzo-β 700-900 Decomposição dos carbonatos, com liberação de CO2; primeiras reações de estado sólido, levando à formação de aluminatos e ferro-aluminatos cálcicos [C12A7 e C2(AF)] e início da formação de belita a partir da combinação de CaO com a sílica decorrente da desestruturação dos argilominerais; conversão de quartzo-β em cristobalita. 900-1200 Conversão de ferroaluminatos e aluminatos em C4AF e C3A; formação da belita a partir da sílica remanescente e dos cristais de CaO. 1200-1350 Cristalização das primeiras alitas a partir de cristais pré- existentes de belita (C2S) e CaO; ocorre a fusão dos aluminatos e ferroaluminatos cálcicos constituintes da fase intersticial, com consequente nodulização do clínquer. Acima de 1350 Desenvolvimento dos cristais de alita. Legenda: C = CaO; A = Al2O3; F = Fe2O3; S = SiO2. Fonte: Zampieri, 1993. [16] A complexidade da estrutura do clínquer e a qualidade do material depende não apenas da constituição química das matérias-primas utilizadas, mas também das características do tratamento térmico, como a temperatura de queima e as taxas de aquecimento e resfriamento do material, além da granulometria do “cru” e das reações difusão entre as fases que compõem o clínquer [16]. A figura 9 apresenta o desenvolvimento das reações de formação do clínquer no forno rotativo, onde podem ser observadas as mudanças na constituição mineralógica do material, bem como o tempo de residência em cada zona e o perfil de temperatura do processo. As principais fases do clínquer correspondem aos silicatos cálcicos, cristais de alita e belita bem formados e mais abundantes, gerados nas últimas etapas do processo de clinquerização e que não sofrem fusão durante o processo; e à fase intersticial, que representa a fase fundida na temperatura de clinquerização, sendo constituída pela aluminatos e ferro-aluminatos cálcicos (C4AF e C3A) (Figura 10). 14 Figura 9 - Desenvolvimento dos compostos do clínquer nas cinco zonas principais de um forno rotativo. Fonte: Wolter, 1985. [15] Figura 10 – clínquer portland observado em microscópio polarizador de luz refletida Legenda: A = cristais pseudo-hexagonais de alita; B = cristais arredondados de belita; F = fase intersticial vítrea. Fonte: Zampieri, 1993. [16] O posterior resfriamento do clínquer, feito com ar em contra-corrente, permite o transporte deste para as etapas subsequentes do processo, além de contribuir para a qualidade final do material, através da estabilização dos constituintes mineralógicos. Promove, também, um melhor rendimento energético para o processo, uma vez que o ar quente gerado pode ser utilizado na etapa de pré-aquecimento [11]. 15 4.8. Armazenagem do clínquer e aditivos O clínquer vindo do forno é armazenado em silos, chamados de silos de clínquer até o encaminhamento para a próxima etapa. Os aditivos a serem utilizados ficam em silos específicos até serem encaminhados ao moinho na etapa posterior. Os aditivos podem ser: gesso, cinzas volantes, calcário, escórias de siderurgia, dentre outros.[11] 4.10. Moagem do clínquer e aditivos Como existem vários tipos de cimento, o tipo e quantidade de aditivo(s) a ser(em) adicionados ao clínquer varia, desta forma, com o auxílio de dosadoras, há a adição de elementos ao clínquer para que seja constituído o cimento com propriedades específicas a cada aplicação. O clínquer é moído junto com os aditivos em um moinho de bolas, formando então o cimento do tipo desejado. [15] 16 6. CONCLUSÃO Como mostrado ao logo de todo este trabalho, o cimento é um produto de uma aplicabilidade muito extensa devido à sua versatilidade e à variedade de tipos existentes, que possibilitam desde a criação de estruturas de construção civil, como prédios e viadutos, até dutos subterrâneos, barragens e pavimentações. Sua flexibilidade no uso é obtida pela composição final do produto que, através da adição de diferentes compostos à matéria base, proporciona diferentes resistências ao material, como mecânica, térmica e até mesmo torna- o impermeável. Por fim, o processo para produzir o cimento não é muito complexo, apresenta algumas etapas importantes como britagem, moagem, queima e homogeneização para que, assim, o produto final seja obtido. A produção do cimento é de alta viabilidade e seu vasto uso compensa quaisquer gastos iniciais de fabricação. 17 8. BIBLIOGRAFIA [1] ABCP2. Associação Brasileira de pesquisa Portland. Disponível em: <http://www.abcp.org.br/>. Acesso em maio de 2019. [2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Aplicações – Diponível em: <https://www.abcp.org.br/cms/basico-sobre- cimento/aplicacoes/aplicacoes/> Acesso em maio de 2019. [3] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Guia básico de utilização do cimento Portland. 7.ed. São Paulo, 2002. 28p. (BT-106) [4] BENTA, Edna Santiago et al. Estudo da secagem de sabugo de milho em ciclone. 1997. [5] CICHINELLI, Gisele. Materiais e ferramentas - Cimento não é tudo igual, não. Edição 16 – março, 2008. Disponível em: <http://equipedeobra.pini.com.br/construcao-reforma/16/artigo76288-1.aspx> Acesso em maio de 2019. [6] Cimento - Wikipédia. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Cimento>.Acesso em maio de 2019. [7] Cimento Mauá. Disponível em: < https://cimentomaua.com.br/blog/cimento-como-feito-composicao-e- nomenclatura/> Acesso em maio de 2019. [8] Escola de Engenharia - Cimentos. Disponível em <https://www.escolaengenharia.com.br/tipos-de-cimento/>. Acesso em maio de 2019. [9] HJ CRUSCHER. Moinho de bolas., 2008. Disponível em: <http://www.hjcrusher.com.pt/1-ball-mill-1.html>. Acesso em maio de 2019. [10] Portal do Concreto. Disponível em: <http://www.portaldoconcreto.com.br/cimento/concreto/tiposcimento.html>. Acesso em maio de 2015. [11] SECIL (Portugal). Processo de fabrico de cimento. 2006. Disponível em: <http://www.secil.pt/pdf/Processo%20de%20Fabrico%20de%20Cimento.pdf>. Acesso em maio de 2019. [12] Separador. Wikipédia. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Separador_cicl%C3%B4nico>. Acesso em maio de 2019. [13] Votorantim Cimentos. Cimento. Disponível em: <http://www.votorantimcimentos.com/pt-BR/products-and- services/products/Paginas/cement.aspx>. Acesso em maio de 2019. [14] SNIC.Sindicato nacional da indústria do cimento. Disponível em: <http://www.snic.org.br/>. Acesso em maio de 2019. [15] Wolter, A. Influence of the kiln system on the clinker properties, Zement-Kalk-Gips, Wiesbaden, v. 38, n. 12, p. 327-329, Dez. 1985. (Translation of n. 10/85) [16] ZAMPIERI, V.A. Cimento portland aditivado com pozolanas de argilas calcinadas: fabricação, hidratação e desempenho mecânico. 1993. Tese (Doutorado em Mineralogia e Petrologia) - Instituto de Geociências, University of São Paulo, São Paulo, 1993. doi:10.11606/T.44.1993.tde- 25062015-102757. Acesso em maio de 2019.
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