O cimento é uma mistura de calcário, argila e corretivos. Esses corretivos são utilizados para equilibrar o balanço químico do cimento. Assim, o objetivo da mistura é obter uma composição química controlada e homogênea.
O principal componente do cimento, o calcário, é extraído de minas, transportado e britado. A matéria-prima passa pelo processo de pré-homogeinização para reduzir a variabilidade do material. Geralmente, é utilizado o método Chevron, onde são distribuídas camadas do material. Junto com os demais componentes do cimento, o calcário é moído até a granulometria de cerca de 5 milímetros. Após esse processo, a mistura é chamada de farinha ou cru.
Composição química do cru
▪ Calcário (1,2 a 1,3 tonelada para 1 tonelada de cimento): CaO . CO2 + outros (MgO, Na2O, K2O)
▪ Argila (0,6 a 0,7 tonelada para 1 tonelada de cimento): Al2O3 . xSiO2 . Fe2O3 . nH2O + outros (Na2O, CaO, etc)
Obs: O cimento branco leva argila sem Fe2O3
A mistura é levada a uma torre de ciclones para aquecer e, em seguida, para pré-calcinação, onde ocorre o aquecimento da mistura com a finalidade de liberar H2O e CO2 para a atmosfera através da decomposição das matérias-primas. A torre de ciclones utiliza os gases em alta temperatura provenientes do pré-calcinador. A temperatura de aquecimento para ocorrer a descarbonatação do carbonato de calcário é entre 700ºC e 900ºC. Após a descarbonatação, o carbonato de calcário passa a ser óxido de calcário.
Decomposição das matérias-primas
· ▪ Calcário: CaO . CO2 + Energia→ CaO + CO2 ↑
· ▪ Argila: Al2O3 . xSiO2 . Fe2O3. nH2O + Energia→ Al2O3 . xSiO2 . Fe2O3 + H2O ↑
Oxidação do combustível
▪ C + O2 → CO2 ↑ + Energia
Para a produção de uma tonelada de cimento, é necessário 1,2 tonelada de carbonato de calcário. Fazendo o balanço estequiométrico da reação, podemos determinar quanto CO2 é liberado na atmosfera na descarbonatação.
Balanço estequiométrico da descarbonatação
Massa atômica
Ca - 40g/mol
C - 12g/mol
O - 16g/mol
CaCO3 - 100g/mol
CaO - 56g/mol
CO2 - 44g/mol
Portanto, a relação entre o calcário e o gás carbônico liberado é Assim, no processo de descarbonatação de 1,2 tonelada de carbonato de calcário, são liberados 528kg de gás carbônico, pois 1,2 * 0,44 = 0,528t.
Após passar pela torre de ciclones e pelo pré-calcinador, a mistura chega ao forno rotativo com cerca de 900ºC. O material continua a ser aquecido até a sua fusão parcial, com a formação de novos minerais. Os minerais formados pela fusão serão os silicatos de cálcio, aluminato de cálcio de cálcio e ferroaluminato de cálcio. O material é então resfriado até cerca de 200ºC negativos. O produto das transformações no forno rotativo é chamado de clínquer.
Para mais facilidade e rapidez, é utilizada uma nomenclatura especial ao se referir aos elementos do cimento.
Nomenclatura na Química do cimento
C - CaO
A - Al2O3
S - S1O2
F - Fe2O3
H - H2O
Observe o gráfico da formação das fases do clínquer.
Produtos da fusão parcial
▪ C3S = 3 CaO . SiO2
→ silicato de cálcio (alita)
Constitui cerca de 40% a 70% do clínquer. É bastante reativa e contribui para o calor gerado pela hidratação do cimento. É importante para a resistência inicial da pasta do cimento endurecida.
▪ C2S = 2 CaO . SiO2
→ silicato de cálcio (belita)
Constitui cerca de 10% a 40% do clínquer. É menos reativa que a alita e contribui menos para o calor gerado pela hidratação do cimento. É importante para a resistências finais da pasta do cimento endurecida.
▪ C3A = 3 CaO . Al2O3 → aluminato
de cálcio
Representa cerca de 2% a 15% do clínquer. É um constituinte muito importante, devido à alta reatividade. Libera bastante calor na hidratação e é importante para resistências iniciais, pois é a primeira reação na hidratação do cimento. Importante para a consolidação (fluído-sólido) do cimento. Vulnerável a ataques por sulfatos, que levam à deterioração da pasta de cimento endurecida
▪ C4AF = 4 CaO . Al2O3
. Fe2O3 → ferroaluminato de cálcio
Representa 3% a 15% do clínquer . Tem baixa reatividade e pouca influência no comportamento do cimento. É responsável pela cor escura do cimento, portanto, ausente em cimentos brancos.
▪ C = CaO → cal livre (constituinte secundário)
Pode gerar expansão : CaO + H2O = Ca(OH)2
Ao ser aquecido a temperaturas elevadas, fica com a solubilidade reduzida. Assim, sua hidratação é lenta e pode gerar fissuras no cimento. Se origina na falha no processo de dosagem e fabricação. Seu teor não é limitado por norma, mas avaliado indiretamente pelo ensaio de expansibilidade de Le Chatelier.
▪ MgO → periclásio (constituinte secundário)
Pode gerar expansão: MgO + H2O = Mg(OH)2
É menos reativo que a cal livre e se origina no calcário magnesiano. É limitado por norma a ≤ 6,5%
A microscopia é utilizada para verificar a formação do clínquer. Observe a seguir.
Clínquer bem formado/Clínquer mal formado
É importante encontrar cristais de alite de 30 a 40 micrômetros para um cimento bem formado.
Ao sair do forno rotativo, o clínquer se encontra em esferas, que são resfriadas. O clínquer passa por dois estágios de moagem e é classificado para o controle de granulometria, que deve ser menor que 0,1mm. O processo de classificação ocorre num ciclone de ar, em que as partículas maiores caem e são levadas para a moagem novamente.
Moagem e classificação
O clínquer moído é misturado com gipsita, de forma que o cimento seja constituído por 95% de clínquer e menos de 5% de gipsita (CaSO4.2H2O). Pode ser misturado ainda a escória de alto forno e pozolanas, cada um alterando as características do cimento de acordo com as suas propriedades específicas. Dessa forma, o cimento está pronto para uso e pode ser ensacado ou vendido a granel.
CO2 emitido para a fabricação de 1 tonelada de cimento
Além da liberação de CO2 no processo de descarbonatação, a geração de energia térmica para o aquecimento do pré-calcinador, da torre de ciclones e do forno rotativo também libera CO2 para a atmosfera. A indústria de cimento utiliza vários tipos de combustível, geralmente são combustíveis mais baratos e que não são utilizados pelas outras indústrias. Atualmente, a indústria de cimento brasileira utiliza largamente o coque de petróleo, que é o resíduo da fabricação do petróleo e também um combustível fóssil. A queima de resíduos urbanos também é utilizada para a geração de energia, no chamado coprocessamento. Nesse processo, a incineração de resíduos perigosos ou indesejáveis é objetivada.
Verificam-se pontos positivos no coprocessamento, como a redução dos aterros sanitários, completa destruição dos resíduos devido à alta temperatura, redução do custo de geração de energia e pode reduzir a emissão de gases do efeito estufa, dependendo do material. No entanto, observam-se pontos negativos, como a presença de elementos dos resíduos no cimento, o que pode alterar características do cimento, como o tempo de endurecimento e resistências iniciais e finais. A emissão de CO2 da biomassa utilizada como combustível é desconsiderada, pois a biomassa incorpora gás carbônico na sua obtenção.
Acima calculamos que a descarbonatação para a fabricação de 1 tonelada de cimento emite 0,528 tonelada de gás carbônico. Vamos considerar o coque de petróleo como fonte de energia para calcular a emissão de CO2 do combustível utilizado na fabricação de 1 tonelada de cimento.
Considerando que 1 tonelada de cimento Portland necessita de 3,3 GJ para sua fabricação e que 1 tonelada de coque de petróleo fornece 31 GJ, podemos calcular que é utilizada cerca de 0,1 tonelada de coque de petróleo na fabricação de 1 tonelada de cimento.
31 GJ ---------- 1t de coque
3,3 GJ ---------- x t de coque
x=3,3/31=0,10645
Assumindo que o coque de petróleo é puramente carbono:
Balanço estequiométrico da queima do coque de petróleo
Massa atômica
C - 12g/mol
O - 16g/mol
CO2 - 44g/mol
Portanto, a relação entre coque de petróleo (carbono) e gás carbônico liberado é
Assim, no processo de queima do coque, são emitidos 390kg de
CO2, pois 0,10645*3,6667=0,390t.
Somando com o gás carbônico emitido no processo de descarbonatação, temos a quantidade de CO2 emitida na fabricação de 1 tonelada de cimento.
0,528t + 0,390t = 0,918t de CO2 = 918kg de CO2 (uso de coque de petróleo)
Na utilização de biomassa como combustível, a emissão de gás carbônico é considerada zero, pois o processo de obtenção da biomassa incorpora CO2 da atmosfera. Nesse caso, a emissão de gás carbônico considerada é apenas do processo de descarbonatação. Portanto, é de 528kg de CO2 (uso de biomassa)
Parâmetros de controle da qualidade do cimento
▪ Composição do cimento:
Teores das fases principais e secundárias do clínquer e teores de elementos químicos secundários
▪ Parâmetros físicos:
Granulometria e área superficial
▪ Aplicabilidade:
Calor de hidratação, tempo de pega (endurecimento), expansibilidade, resistência à compressão em diferentes idades
Fonte: Adaptado de Aulas USP | Materiais de Construção Civil II
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