Cimento Portland: Composição e Matérias Primas

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Profº Talles Mello
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL I
www.tallesmello.com.br
Introdução
1756: o inglês John Smeaton consegue obter um produto de alta resistência por meio de calcinação de calcários moles e argilosos. 
1818: o francês Vicat obtem resultados semelhantes aos de Smeaton. É considerado o inventor do cimento artificial. 
1824: o inglês Joseph Aspdin queima conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-as num pó fino. Percebe que obtém uma mistura que, após secar, torna-se tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. 
Do Latim…
CAEMENTU
“PEDRA NATURAL PROVENIENTE DE ROCHEDOS”
CIMENTO
Definição
O cimento portland é um pó fino (dimensões médias de 50 µm) com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob ação da água. Depois de endurecido, mesmo que seja novamente submetido à ação da água, o cimento portland não se decompõe mais.
Por definição, é um “aglomerante hidráulico resultante da mistura homogênea de clínquer Portland, gesso e adições normatizadas finamente moídas”. Aglomerante porque tem a propriedade de unir outros materiais. Hidráulico porque reage (hidrata) ao se misturar com água e depois de endurecido ganha características de rocha artificial, mantendo suas propriedades, principalmente se permanecer imerso em água por aproximadamente sete dias.
Matérias Primas
+
+
CALCÁRIO
ARGILA
GESSO
CLÍNQUER
Minério de ferro: Adicionado para
diminuir o ponto
de
fusão das matérias primas do cínquer.
https://www.youtube.com/watch?v=YlydLfMICU4
Composição
O cimento Portland é o produto resultante de uma mistura de argila e de calcário. Os principais componentes químicos do cimento são a cal (CaO), a sílica (SiO2), a alumina (Al2O3) e o óxido de ferro (Fe2O3),podendo ser encontradas também pequenas quantidades de magnésia (MgO), anidrido sulfúrico (SO3) e os álcalis (K2O e Na2O). Da mistura e da queima desses componentes, origina-se o clínquer, que apresenta várias combinações químicas ocorridas no processo da queima, em que são formados quatro compostos.
Componentes do Cimento
Calcário
São constituídos basicamente de carbonato de cálcio (CaCO3), mas podem conter várias impurezas, como magnésio, silício, alumínio ou ferro; 
É uma rocha sedimentar, sendo a terceira rocha mais abundante na crosta terrestre. Somente o xisto e o arenito são mais encontrados. 
argila
Silicatos complexos contendo alumínio e ferro como cátions principais, além de potássio, magnésio, sódio, cálcio, titânio e outros; 
 A argila fornece ao cimento os componentes necessários: Al2O3, Fe2O3 e SiO2
Componentes - gesso
A gipsita, sulfato de cálcio di-hidratado, é comumente chamada de gesso e é adicionada na moagem final do cimento.
O gesso tem como função básica controlar o tempo de pega, isto é, o início do endurecimento do clínquer moído quando este é misturado com água. Caso não se adicionasse o gesso à moagem do clínquer, o cimento, quando entrasse em contato com a água, endureceria quase que instantaneamente, o que inviabilizaria seu uso nas obras. Por isso, o gesso é uma adição presente em todos os tipos de cimento portland.
O gesso é adicionado em quantidades geralmente inferiores a 3% da massa de clínquer. É uma adição obrigatória, presente desde os primeiros tipos de cimento Portland.
Adição – escória de alto forno
A escória de alto-forno é subproduto da produção de ferro em alto-forno, obtida sob forma granulada por resfriamento brusco. São obtidas durante a produção de ferro-gusa nas indústrias siderúrgicas e se assemelham aos grãos de areia. Antigamente, as escórias de alto-forno eram consideradas como um material sem maior utilidade, até ser descoberto que elas também tinham a propriedade de ligante hidráulico muito resistente, ou seja, que reagem em presença de água, desenvolvendo características aglomerantes de forma muito semelhante à do clínquer. Essa descoberta tornou possível adicionar a escória de alto-forno à moagem do clínquer com gesso, guardadas certas proporções, e obter como resultado um tipo de cimento que, além de atender plenamente aos usos mais comuns, apresenta melhoria de algumas propriedades, como maior durabilidade e maior resistência final.
Adição– materiais pozolânicos
Os materiais pozolânicos são rochas vulcânicas ou matérias orgânicas fossilizadas encontradas na natureza, certos tipos de argilas queimadas em elevadas temperaturas (550ºC a 900ºC) e derivados da queima de carvão mineral nas usinas termelétricas, entre outros.
A adição de pozolana propicia ao cimento maior resistência a meios agressivos como esgotos, água do mar, solos sulfurosos e a agregados reativos. Diminui também o calor de hidratação, permeabilidade, segregação de agregados e proporciona maior trabalhabilidade e estabilidade de volume, tornando o cimento pozolânico adequado a aplicações que exijam baixo calor de hidratação, como concretagens de grandes volumes.
Outros materiais pozolânicos têm sido estudados, tais como as cinzas resultantes da queima de cascas de arroz e a sílica ativa, um pó finíssimo que sai das chaminés das fundições de ferro-silício.
Adição – materiais carbonáticos
São rochas moídas, que apresentam carbonato de cálcio em sua constituição tais como o próprio calcário.
A adição de fíler calcário finamente moído é efetuada para diminuir a porcentagem de vazios, porque os grãos ou partículas desses materiais têm dimensões adequadas para se alojar entre os grãos ou partículas dos demais componentes do cimento, assim como para melhorar a trabalhabilidade, o acabamento e até elevar a resistência inicial do cimento. 
Fabricação do Cimento
https://www.youtube.com/watch?v=m0XaD-pYFTM
Fabricação do Cimento
•Extração da matéria-prima das minas; 
•Britagem e mistura nas proporções corretas: 
75-80% de calcário e 20-25% de argila. 
•Moagem de matéria-prima; 
•Cozimento em forno rotativo a cerca de 1450º C: 
A mistura cozida sofre uma série de reações químicas complexas deixando o forno com a denominação de clínquer. 
Clinquerização. 
•Redução do clínquer a pó em um moinho juntamente com 3-4% de gesso. 
•Adições finais (pozolanas, escórias,…). 
Fabricação do Cimento
Dois métodos distintos: 
Processo seco: 
A mistura é moída totalmente seca e alimenta o forno em forma de pó. Tem a vantagem determinante de economizar combustível já que não tem água para evaporar no forno. 
Processo úmido: 
A mistura é moída com a adição de aproximadamente 40% de água. É caracterizado pela simplicidade da instalação e da operação dos moinhos e fornos. 
→ Dos dois métodos, produz-se o mesmo clínquer e o cimento final é idêntico nos dois casos. 
Preparação da Mistura Crua
O calcário e a argila são misturados e moídos até que a mistura crua tenha: 
3% de sua massa retida na peneira ABNT #0,150mm 
13% de sua massa retida na peneira ABNT #0,088mm. 
O processo de moagem se dá num moinho de bolas ou de rolos, por impacto e por atrito. 
O material entra no moinho encontrando em contra-corrente ar quente (~220°C), o que propicia a secagem do material. 
O material entra com umidade em torno de 5% e sai com umidade em torno de 0,9% a uma temperatura de final de 80ºC. 
Depois de moído, o material é estocado em silos, onde pode ser feita a homogeneização do mesmo. 
Processo de Clinquerização
Os combustíveis mais utilizados para elevar a temperatura de clinquerização (~1400°C) são: óleo pesado, coque de petróleo, carvão mineral ou vegetal. 
 
 Interior do forno em operação 
Processo de Clinquerização
Processo de Clinquerização
O material cru é lançado em uma torre de ciclones, onde ocorre a separação dos gases do material sólido. 
Os gases são lançados na atmosfera, após passarem por um filtro eletrostático onde as partículas são precipitadas e voltam ao processo. 
Após passagem pelos ciclones, o material entra no forno rotativo, onde ocorrem as reações de clinquerização. 
Após a clinquerização, o clínquer formado é bruscamente resfriado comar frio em contra corrente e é estocado em silos para a produção do cimento. 
Fabricação do Cimento
Fabricação do Cimento
Fabricação do Cimento
Reações no processo de clinquerização e resfriamento
Pode-se representar as reações que ocorrem, da seguinte
forma:
CaO + SiO2 ----- > 3CaO.SiO2 (C3S) CaO + SiO2 ----- > 2CaO.SiO2 (C2S) CaO + Al2O3 ----- > 2CaO.Al2O3 (C3A)
CaO + Fe2O3 + Al2O3 ----- > 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)
Principias Constituintes do Cimento Portland
Principias Constituintes do Cimento Portland
Silicato tricálcico - Alita (C3S): 50 – 70% 
Silicato dicálcico - Belita (C2S): 15 – 30% 
Aluminato tricálcico – Aluminato ou Celita (C3A): 5-10% 
Ferroaluminato tetracálcico (C4AF): 5- 15% 
Alita (C3S): principal mineral que contribui para a resistência mecânica da pasta de cimento endurecida. 
Belita (C2S): reage mais lentamente com a água, porém, após períodos maiores (aproximadamente um ano), atinge a mesma resistência mecânica que a alita. 
C3A: reage muito rapidamente com a água (primeiro composto a reagir), liberando muito calor, mas sem apresentar grande resistência mecânica. 
O gesso reage com o C3A em um primeiro momento, gerando produtos insolúveis em água (etringitas) e impedindo que a pega se inicie muito rapidamente. 
C4AF: apresenta taxas inicialmente altas de reatividade com a água e, em idades mais avançadas, taxas baixas ou muito baixas; contribui pouco para a resistência mecânica. 
CSH: Silicato de Cálcio Hidratado - Ca2SiO4.H2O;
É importante que o cimento desenvolva tanto quanto possível CSH, do ponto de vista da resistência. Compreende cerca de 70% em peso do cimento hidratado.
Hidratação do Cimento
Hidratação do Cimento
Hidratação do Cimento
Hidratação do Cimento
Hidratação do Cimento
As reações de hidratação do Cimento Portland são um processo exotérmico;
A quantidade de calor liberada chama-se calor de hidratação → H;
Aumento de H: ↑ quantidade de C3S e C3A e cimento mais fino;
Diminuição de H: adição de escórias, pozolanas e cinzas volantes, as quais aumentam o tempo de pega do cimento e fixam a cal livre existente adição de um retardador de endurecimento;
50% do calor potencial liberado é liberado nos 3 primeiros dias, e 90% nos 3 primeiros meses de hidratação
Hidratação do Cimento
A água é um dos ingredientes essenciais do concreto, que preenche duas funções básicas: uma função física, que consiste em dar ao concreto as propriedades reológicas exigidas (trabalhabilidade), e uma química, que consiste em produzir as reações de hidratação.
O concreto ideal deveria conter somente água suficiente para desenvolver a resistência máxima do cimento, ao mesmo tempo provendo as propriedades reológicas necessárias ao lançamento.
As partículas de cimento, devido suas muitas cargas de superfície não saturadas, têm uma forte tendência a flocular, quando em contato com um líquido tão polar como a água.
Assumir uma tal estrutura floculada implica que as partículas de cimento aprisionem uma certa quantidade de água dentro dos flocos e que essa água fique então indisponível para lubrificar a mistura.
Hidratação do Cimento
Para dar um certo nível de trabalhabilidade ao concreto quando some cimento e água são usados (sem aditivos químicos), é necessário usar mais água do que seria necessário para hidratar todas as partículas de cimento por completo;
Essa água adicional, a qual nunca será ligada a qualquer partícula de cimento, gera porosidade dentro da pasta hidratada de cimento e resulta em enfraquecimento das propriedades mecânicas do concreto e diminui sua durabilidade.
Como é impossível fabricar um cimento Portland que não flocule, para melhorar a hidratação é necessário encontrar aditivos químicos capazes de reduzir a tendência natural à floculação e, assim, reduzir a quantidade de água de mistura exigida.
Características e propriedades
Finura
	A finura está relacionada ao tamanho dos grãos. Quanto mais fino ele for, maior será sua resistência inicial, impermeabilidade, trabalhabilidade e coesão, e menor será sua exsudação.
Tempo de pega
	O tempo de pega pode ser determinado por meio de ensaios. O conhecimento desse valor é importante, pois influencia no tempo disponível, para se trabalharem todas as etapas de fabricação de concreto ou outras aplicações. Em se tratando de concreto, há casos específicos, em que é necessário adicionar produtos aceleradores ou retardadores de pega (p. ex.: quando se deseja obstruir um vazamento, há necessidade de se aumentar a velocidade de relação, sendo indicado, para esse caso, o uso de um acelerador de pega).
Características e propriedades
Resistência
	Os valores de resistência a compressão são obtidos em ensaios por meio de uma pasta de cimento, areia e água, que são moldados e rompidos, após 28 dias da realização do ensaio. O valor é dado em MPa (megapascal), que indica a resistência a compressão que a peça poderá suportar, sendo que 1 MPa corresponde a aproximadamente 10,2 kgf/cm².
Calor de resistência
	Para que aconteça o endurecimento do concreto, o cimento reage com água e nesse processo ocorre a liberação de calor. Em peças muito grandes, a temperatura pode se tornar muito elevada e gerar trincas.
Nomenclatura
Tipos de cimento
Cimento CP-I (NBR 5.732) ou Cimento Portland Comum: 
Recebe este nome porque não possui nenhum tipo de aditivo, apenas o gesso, que tem a função de retardar o início de pega do cimento para possibilitar mais tempo na aplicação. Tem alto custo e menos resistência. Sua produção é direcionada para a indústria.
“Este tipo já está quase ausente no mercado”, 
Cimento Portland Comum CP I e CP I-S
Sem quaisquer adições além do gesso, é muito adequado para o uso em construções de concreto em geral quando não há exposição a sulfatos do solo ou de águas subterrâneas.
É usado em serviços de construção em geral , quando não são exigidas propriedades especiais do cimento.
Também é oferecido pelo mercado o Cimento Portland Comum com Adições CP I-S, com 5% de material pozolânico em massa, recomendado para construções em geral, com as mesmas características.
Edifício Copam
Cimento Portland Composto CP II
Gera calor em uma velocidade menor do que o Cimento Portland Comum.
Uso indicado em lançamentos maciços de concreto, onde o grande volume da concretagem e a superfície relativamente pequena reduzem a capacidade de resfriamento da massa.
Apresenta melhor resistência ao ataque dos sulfatos contidos no solo.
Hotel Unique
Museu de Niterói
Cimento CP-II (NBR 11.578) ou Cimento Portland Composto
Assim conhecido porque tem a adição de outros materiais na sua mistura, que conferem a este cimento um menor calor de hidratação, ou seja, ele libera menos calor quando entra em contato com a água. O CP-II é apresentado em três opções:
CP-II E – cimento portland com adição de escória de alto-forno; 
CP-II Z – cimento portland com adição de material pozolânico; 
e CP-II F – cimento portland com adição de material carbonático – fíler. 
Cimento Portland Composto CP II
Represa de Imbiúna
Maracanã
Cimento Portland de Alto forno CP III
Maior impermeabilidade e durabilidade, baixo calor de hidratação, resistente a sulfatos.
Pode ter aplicação geral, mas é particularmente vantajoso em obras de concreto-massa.
Ponte Rio-Niterói
Principais usos CP III Alto forno
Elevador Lacerda
Cimento CP-IV (NBR 5736) ou Cimento Portland Pozolânico
Tem em sua composição de 15% a 50% de material pozolânico. Por isso, proporciona estabilidade no uso com agregados reativos e em ambientes de ataque ácido, em especial de ataque por sulfatos. Possui baixo calor de hidratação, o que o torna bastante recomendável na concretagem de grandes volumes e sob temperaturas elevadas. É pouco poroso, sendo resistente à ação da água do mar e de esgotos. 
Classe de resistência: 25 e 32 MPa.
Previne fissuras devido a reações álcalis-agregados na presença de umidade elevada.
Cimento CP-V ARI (NBR 5.733) ou Cimento Portland de Alta ResistênciaInicial
Possui valores aproximados de resistência à compressão de 26MPa a um dia de idade e de 53 MPa aos 28 dias.
É recomendado no preparo de concreto e argamassa para produção de artefatos de cimento, além de elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados.
Pode ser utilizado em todas as aplicações que necessitem de resistência inicial elevada de forma rápida.
O desenvolvimento dessa propriedade é conseguido pela utilização de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer, mas principalmente pela moagem mais fina do cimento.
CP V-ARI
Pré-moldados
Protendidos - MASP
Cimento Branco (NBR 12.989) ou Cimento Portland Branco (CPB)
Tipos: estrutural e não estrutural.
Cor: seu índice de brancura deve ser maior que 78%.
Classes:
Cimento estrutural: classes de resistência = 25,32 e 40MPa.
Cimento não estrutural: não possui classe.
A cor branca é obtida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxido de ferro e manganês e, principalmente, utilizando o caulim no lugar da argila.
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Principais usos Cimento Portland Branco
Pode ser usado na cor branca ou em diversas cores, com adição de pigmentos coloridos.
O cimento branco estrutural é aplicado em concretos pré-moldados para fins arquitetônicos, monumentos, fachadas, etc.
Já o não estrutural é utilizados para rejuntamento de azulejos, rebocos, fabricação de artefatos de cimento, etc.
Aeroporto Dulles,, Virginia-USA.
Concreto de cimento branco estrutural
Torre do Tombo - Lisboa
Comparação entre concreto branco e cinza
Armazenamento do Cimento
Granel 
Silos hermeticamente fechados 
Tempo máximo: 180 dias 
Sacos 
Galpões fechados 
Estrados de madeira a 30cm do solo e a 30cm das paredes 
Empilhamento máximo: 15 sacos 
Distância entre pilhas: 60cm 
Tempo máximo: 30 dias (canteiro)