Tecnologia dos aglomerantes
Marco Antônio de Morais Alcantara
Marco Antônio de Morais Alcantara
O
cimento Portland é o aglomerante hidráulico
que apresenta maior difusão no Brasil e no mundo. Em face das suas características e forma
de atuação, este pode ser utilizado em praticamente todas as regiões do país, durante o ano inteiro, sem incompatibilizar-se com as condições de execução, e mantendo a qualidade desejada para os produtos finais. Sendo resultante do
aperfeiçoamento do processo de fabricação dos aglomerantes hidráulicos artificiais, constituídos a base de materiais calcáreos e argilosos, este contém em
acréscimo basicamente o gesso, em proporções limitadas à tolerância, de modo a poder modificar o tempo de pega para as condições normais de execução. De início, considera-se relevante no seu estudo o
conhecimento geral da sua composição,
da atuação particular dos seus componentes, da sua caracterização física, e das suas propriedades físicas e
químicas. Tendo este conhecimento, pode-se compreender os tipos de cimentos
disponíveis, o manuseio adequado, e os usos adequados para cada tipo, de modo a
se manter a qualidade nas construções.
Os objetivos desta unidade são: (i) apresentar o cimento Portland, a partir de sua conceituação, composição química, caracterização física, e, (ii) a sua atuação, resultante desta caracterização física e química, assim como, (iii) apresentar os aspectos de comportamento mais representativos deste tipo de material.
A fabricação do cimento Portland
O cimento Portland é um aglomerante hidráulico produzido a partir do cozimento conjunto de materiais
calcáreos e argilosos, até a formação de um produto denominado por "clinquer", sob temperatura de fusão incipiente da ordem de 1450 C, e, é seguindo pela moagem, juntamente com a adição de sulfato de cálcio (gesso), em quantidades toleráveis, de modo a se poder regular o tempo de pega, sendo este definido por aproximadamente 1 hora. O cimento Portland comum, além classificado como aglomerante hidráulico, é um aglomerante simples,
visto que não recebe outros elementos
após a fabricação.
Em resumo, a produção do cimento Portland consiste nas seguintes etapas, de acordo com Basílio(1979):
-Preparo e dosagem da mistura crua;
-homogeneização;
-clinquerização;
-esfriamento;
-adições finais e moagem;
-ensacamento.
Do
cozimento, resultam compostos já conhecidos, como os silicatos e os aluminatos
de cálcio.
Veremos então agora a composição básica do cimento Portland, e a importância dela.
Elementos ativos do Cimento Portland
Em primeiro lugar, serão apresentados os componentes que tomam lugar nos mecanismos da pega e do endurecimento do cimento Portland. São os "atores principais" do elenco da peça. Se concentra aqui no papel que eles desempenham.
a)
Silicatos de cálcio. Estes silicatos podem ser conhecidos como "dicálcicos" (2CaO.SiO2), e "tricálcicos" (3CaO.SiO2). Os silicatos
de cálcio são os principais responsáveis pelo ganho de resistência
mecânica do cimento Portland, sendo que, os silicatos tricálcicos,
apresentam também maior calor de
hidratação, e são os principais responsáveis pelo ganho de resistência mecânica
nas primeiras idades do concreto; já os silicatos dicálcicos, os quais possuem atuação mais lenta, contribuem para
o ganho de resistência mecânica nas idades mais avançadas.
De modo a poder simplificar, na química do cimento, os silicatos
dicálcicos são representados por C2S, enquanto que, os silicatos tricálcicos, são representados por C3S.
b) Aluminatos de cálcio. Os
principais tipos de aluminatos atuantes no cimento são os aluminatos tricálcios (3CaO.Al2O3), representados por C3A. Estes são na verdade os principais
responsáveis pelo início da pega, em
razão do elevado calor de hidratação
que eles produzem. Como dito, outros componentes também contribuem para o calor de hidratação, embora com menor intensidade, de modo a poder influenciar nas propriedades decorrentes desta propriedade física, como o início da pega. É o caso dos silicatos tricálcios. Ainda existe o "ferroaluminato tetracálcico", (C4AF), dado por 4CaO.Al2O3.Fe2O3, o qual pouco contribui tanto para com calor
de reação como para o ganho de resistência mecânica do conjunto.
Foram, aqui, apresentados os principais
componentes de atuação do cimento, onde, como se observa, a cal está sempre combinada
na formação destes compostos ativos. É desta forma que a cal deve estar presente nos cimentos; do contrário, ela se torna uma impureza, visto que ela não se comporta conforme os mecanismos dos silicatos ou dos aluminatos, como apresentado; trazendo efeitos adversos ao cimento.
Agora, na Figura 1, apresenta-se as reações básicas de hidratação dos silicatos de cálcio e do aluminato tricálcico, juntamente com os produtos de hidratação. Estas saõ apresentadas conforme Neville (2016)
Figura 1: Reações químicas de hidratação do cimento Portland
Uma observação que pode ser feita é que os produtos de hidratação dos silicatos são o CSH e a cal hidratada, sendo que, da hidratação dos silicatos tricálcicos resulta na maior produção de cal hidratada. Esta cal hidratada se constitui em um subproduto final de hidratação.
Outros componentes também podem estar presentes no cimento
Agora vem os componentes secundários do cimento Portland, cuja atuação se pode dar de modo favorável ou não favorável, podendo atuar como os coadjuvantes dos "atores principais", ou como vilões. Seguem:
a) Cal e magnésia. A cal (CaO) e a magnésia (MgO) são compostos que atuam de modo desvantajoso para o cimento Portland. A cal
libera calor ao se extinguir, e isto contribui para com expansão da massa.
Quando extinta, é pouco resistente à ação da dissolução pela água. A magnésia, goza das mesmas desvantagens da cal,
tendo o ciclo mais lento.
E pode-se ter também nos cimentos a
presença de:
a) Sílica e alumina. Um destaque
pode ser feito a essas duas substâncias. Sendo ácidas, se combinam com a cal na formação de compostos cimentantes. A sílica (SiO2) retarda a pega, enquanto
que a alumina (Al2O3),
acelera.
b) Óxidos de ferro (Fe2O3). É o grande
responsável pela coloração do
cimento. Durante o processo de fabricação, ele age como fundente.
c) Álcalis. Os álcalis de potássio (K2O) e sódio (N2O) contribuem como fundentes, e também como aceleradores de pega. Portanto os álcalis do cimento devem ter porcentagem limitada. os álcalis podem ainda reagir com a sílica fina presente oriunda dos agregados, e formar compostos de natureza expansiva. Estes, apresentam volume molar maior do que a soma dos volumes molares dos reagentes, e desta forma podem provocar a microfissuração do concreto.
d) Trióxido de enxofre: O trióxido de enxofre (SO3)
pode ser proveniente do gesso ou da possível presença de ácido sulfúrico, e
pode formar compostos expansivos com
elementos presentes no cimento. Dentre estes compostos pode ser citado o “sulfoaluminato de cálcio”, resultante da combinação do gás
sulfúrico, alumina e hidróxido de cálcio. Os compostos expansivos, como dito, podem
fissurar a massa, visto que se cristalizam com aumento de volume.
Finalmente, tem-se o Gesso (CaSO4.2H20), (CaSO4.1/2.2H20), ou (CaSO4). O gesso
atua como retardador de pega, pela
inibição dos aluminatos por efeito de reação química e de colmatação.
A importância da proporção dos componentes do Cimento Portland
Nem todos os cimentos Portland são iguais quanto aos seus componentes.
Existem diferentes tipos de cimento, em função da proporção dos seus componentes. Por exemplo, os
cimentos Portland de alta
resistência inicial (A.R.I), apresentam uma porcentagem mais elevada de C3S comparativamente aos casos dos cimentos comuns, e menores teores de C2S. Já o
cimento que apresenta baixo calor de
hidratação, possui menores teores de C3S, e maiores valores de C2S em composição.
A importância do calor de hidratação é apresentada mais adiante.
Foram mostrados os cimentos de alta
resistência inicial, conhecidos por ARI,
e o de baixo calor de hidratação.
Pode-se falar também do cimento branco,
o qual apresenta baixos teores de óxidos
de ferro, de modo a não apresentar coloração.
Tipos e normas que prescrevem a caracterização dos cimentos ora
apresentados, conforme o
Quadro 1:
Quadro 1: Tipos de cimento e normalização
Tipo de cimento
|
Norma brasileira correspondente
|
Cimento Portland Comum
|
NBR 5732
|
Cimento Portland de Alta
Resistência Inicial
|
NBR 5733
|
Cimento Portland de Baixo
Calor de Hidratação
|
NBR 13116
|
Cimento Branco
|
NBR 12989
|
Importância da finura para o Cimento Portland
Um aspecto que será discutido agora é o da “finura”. O grau de finura é uma propriedade para todo tipo de aglomerante, podendo influenciar em suas propriedades. Um corpo reduzido à partículas possui uma propriedade peculiar, que é a de ter elevada “superfície específica”. O valor da superfície específica é dado pela relação entre a área de um corpo pelo seu volume, e representa o quanto este corpo tem em exposição de área com o meio. Com o aumento da superfície específica, se torna maior a interação de um material com o meio, de modo que um processo seja mais acelerado. A interação com a água se torna maior na hidratação, e, a interação físico-química também é maior, diminuindo-se a tendência de separação entre estas fases.
Para o caso da avaliação ser feita por ensaio de peneiramento, com auxílio da peneira de 0,075 mm, o valor da retenção em peneira deve ser limitada a 15%, para cimentos de classes 25 e 32 MPa. Para o caso de avaliação da finura por meio do aparelho Baline, o Quadro 2 apresenta os valores da finura requerida para os cimentos que tratados nesta exposição.
Quadro 2: Finura requerida para alguns tipos de cimento.
Tipo de cimento
Superfície específica (cm2/g)
CPC 25
2400
CPC 32, CPC 40, MRS
e ARS
2600
ARI
3000
A água e o Cimento Portland
Um aspecto que será discutido agora é o da “finura”. O grau de finura é uma propriedade para todo tipo de aglomerante, podendo influenciar em suas propriedades. Um corpo reduzido à partículas possui uma propriedade peculiar, que é a de ter elevada “superfície específica”. O valor da superfície específica é dado pela relação entre a área de um corpo pelo seu volume, e representa o quanto este corpo tem em exposição de área com o meio. Com o aumento da superfície específica, se torna maior a interação de um material com o meio, de modo que um processo seja mais acelerado. A interação com a água se torna maior na hidratação, e, a interação físico-química também é maior, diminuindo-se a tendência de separação entre estas fases.
Para o caso da avaliação ser feita por ensaio de peneiramento, com auxílio da peneira de 0,075 mm, o valor da retenção em peneira deve ser limitada a 15%, para cimentos de classes 25 e 32 MPa. Para o caso de avaliação da finura por meio do aparelho Baline, o Quadro 2 apresenta os valores da finura requerida para os cimentos que tratados nesta exposição.
Quadro 2: Finura requerida para alguns tipos de cimento
.
|
Tipo de cimento |
Superfície específica (cm2/g) |
|
CPC 25 |
2400 |
|
CPC 32, CPC 40, MRS
e ARS |
2600 |
|
ARI |
3000 |
A água e o Cimento Portland
A ação da água sobre o cimento
envolve a hidratação dos grãos, a formação de gel e a cristalização. A cristalização ocorre
com o entrelaçamento e colagem dos cristais. Um fato importante para a química do cimento Portland é que, como visto através das reações da Figura 1, durante as reações que compõem o processo de hidratação, ocorre a liberação de Ca(OH)2 como subproduto. Isto merece ser considerado com atenção, pois a cal hidratada tende a ficar solúvel na massa, ou, ela pode se combinar com o gás carbônico, e formar carbonato de cálcio; contudo, ainda sujeito à dissolução à longo prazo pela água.
Convém
dizer que apenas parte da água
participa do processo químico de hidratação do cimento, devendo, a quantidade restante, ser liberada para o meio através da evaporação, este também é um fator de preocupação, por causa da formação de vazios, ou ainda, pela forma que ocorre este processo. Um processo mau comportado, não gradual, pode induzir o material a fissuração.
O processo de endurecimento é resultante de um processo químico, como apresentado. Ao processo químico denominamos por "pega". alterações físicas são induzidas pelo processo químico. A
partir de determinado tempo após o início da hidratação, algumas alterações podem ser
percebidas no cimento ao qual se adicionou a água, e estas alterações tem sido identificadas como o aumento da temperatura, da velocidade do som e da resistividade elétrica. Além do processo de hidratação tem-se a formação de gel. A plasticidade do material
é diminuída, e ele se torna já impróprio
para o manuseio. Nesta altura o concreto já deve estar
lançado nas formas e em repouso. Quando o concreto é fabricado, deve-se contar com um tempo mínimo para que este possa ser transportado, lançado e adensado nas fôrmas, sem que tenha perdido a plasticidade.
O procedimento de incorporar água no concreto e de efetuar a re-mistura não é
recomendável, pois, o concreto que já estava em processo de cristalização será
prejudicado irreversivelmente, e,
além disso, a quantidade de água a ser
adicionada na preparação do concreto já foi definida previamente, de modo a se garantir não só as
condições de manuseio, como a resistência mecânica requerida pelo concreto para o seu desempenho final.
O tempo início de pega do cimento Portland
se situa em torno de 1 hora após a
hidratação, e, a pega demora aproximadamente
8 a 10 horas. A partir daí se inicia o período de cura do material. O tempo de início de
pega depende da finura do cimento,
da quantidade de água adicionada, da
temperatura ambiente, da composição do cimento, e da presença de
aditivos retardadores de pega.
Um conceito que deve ser também
apresentado é o da “falsa pega”.
Esta se refere à pega do gesso,
presente no cimento, para retardar a pega. A estrutura formada confere a falsa
impressão de que a pega já tenha se iniciado.
Os
materiais de granulometria fina são susceptíveis à retração de secagem. A água que não participa das reações químicas é eliminada pela evaporação e secagem. Considerando também que a
temperatura do material deve se elevar devido as reações de hidratação, ainda presentes, alguns cuidados devem ser tomados
para que a perda d’água não seja acentuada, fazendo assim com que as retrações sejam mínimas. Uma das formas para isto é
lançar água no concreto, durante a cura, e outra, é evitar de se fazer a concretagem em dias
muito quentes.
A retração do concreto depende basicamente da finura e da composição do cimento, além da quantidade
de água adicionada, da temperatura
e da umidade do ambiente. Os cimentos de alta resistência inicial apresentam maior tendência para a retração,
certamente devido ao maior calor de
hidratação liberado.
A importância do calor de hidratação do Cimento Portland
Uma das preocupações na produção do
concreto é o calor de hidratação. Dentre os constituintes, por exemplo, o C3S libera aproximadamente 120 cal/g, enquanto que o C3A libera 207 cal/g. Em casos extremos, têm-se que o CaO libera 279 cal/g, e o
MgO 203 cal/g. Já em valores baixos têm-se os casos do C4AF, liberando 100 cal/g, e do C2S
com liberação de 62 cal/g para o
meio.
Em grandes massas, o calor liberado pode ser excessivo, conduzindo-se à aceleração do processo químico e da evaporação da água, com a manifestação
dos fenômenos da retração.
O fissuramento no concreto pode ser um fenômeno resultante do calor excessivo na massa. O exterior, ao secar-se primeiro, pode se contrair, enquanto que o interior
ainda está quente. A atuação
conjunta da contração e da pressão interior pode conduzir ao fissuramento do material. isto é ilustrado na Figura 2.
Figura 2: Fissuramento provocado por gradiente térmico em massa de concreto fresco
Ainda não podemos deixar de levar em consideração que a presença do calor de hidratação é importante para se poder dar partida ao processo químico de hidratação, e, por esta razão, em tempos severos de frio, pode-se faltar o calor de hidratação.
Algumas observações e exigências requeridas para o cimento Portland
Sabe-se que os componentes ativos do cimento Portland, os silicatos e os aluminatos de cálcio, e os componentes dos cimentos com escória, com exceção dos cimento pozolânicos, são solúveis em ácido clorídrico. Um resíduo insolúvel deve então provir de outras fontes, não atuando como os componentes ativos. A tolerância para com o teor de conteúdo insolúvel é da ordem de 1%.
Quando submetido o cimento Portland à temperaturas da ordem de 900 a 1000 0C uma parte pequena pode volatilizar-se, é a "perda ao fogo". As diferenças de pesagem entre o cimento Portland e o material calcinado poderá fornecer alguns indicativos, tais como: a água de cristalização, dando um indicativo da hidratação do cimento, ou um processo de carbonatação. A perda ao fogo indica um comprometimento do cimento, quando ele se torna igual ou maior do que 4%.
O óxido de magnésio, ou de cal, quando em contato com a água poderão formar compostos expansivos, prejudicando a massa de cimento, principalmente quando o óxido se encontra na forma de periclásio. De modo a limitar o conteúdo de periclásio, o teor de óxido de magnésio é limitado entre 6,0 e 6,5%.
Não somente os óxidos os óxidos de magnésio ou de cálcio podem causar expansão, mas também a presença do sulfato de cálcio.Através do sulfato de cálcio se pode gerar o trióxido de enxofre, o qual tem o teor limitado em 4%.
O ganho de resistência do Cimento Portland com o tempo
Para se ter uma referência sobre a resistência mecânica do cimento Portland comum, e de modo a que se tenha uma base para comparação, adota-se a idade de 28 dias de cura. Com relação ao valor desta resistência mecânica alcançada aos 28 dias, as seguintes
porcentagens de resistência podem ser obtidas, conforme os dias de cura, e que são apresentadas pelo Quadro 3:
Quadro 3: Porcentagens de resistência mecânica alcançada para o cimento Portland comum, com base na resistência de 28 dias de cura
Tempo
|
% da
resistência 28 dias de cura
|
1 dia
|
25
|
3 dias
|
50
|
7 dias
|
75
|
1 mês
|
100
|
2 anos
|
200
|
4 anos
|
400
|
A seguir são apresentados alguns valores típicos para as variações de resistência, com base na idade de cura e dos tipos de cimento. A Figura 3 apresenta a comparação entre os tipos de cimento Portland comuns, conforme os valores nominais de classes de resistência:
Figura 3: Evolução do ganho de resistência do cimento Portland comum em função de suas variações de classes de resistências
Em seguida, a Figura 4 apresenta o caso para os cimentos de resistência moderada à sulfatos e moderado calor de hidratação:
Figura 4: Evolução do ganho de resistência para o caso de cimento de moderada resistência à sulfatos e moderado calor de hidratação
E a Figura 5 apresenta o caso do cimento de alta resistência inicial:
Figura 5: Evolução do ganho de resistência para o caso do cimento de alta resistência inicial
Outras informações você poderá encontrar em:
BASÍLIO, F.A. Cimento Portland, 1979, São Paulo, ABCP, 28, 39p. (Estudo técnico)
PETRUCCI, E.G.R Materiais de Construção Rio de Janeiro, Editora Globo, 1993
PETRUCCI, E.G.R. Concreto de Cimento Portland 3 ed. Porto Alegre: Editora Globo, 1995.
VERÇOZA, E,J Materiais de construção Porto Alegre, PUC-EMMA, Vol 1, 1983
BAUER, L.A Materiais de construção Rio de Janeiro, LTC, Vol 1, 2001
BASÍLIO, F.A. Cimento Portland, 1979, São Paulo, ABCP, 28, 39p. (Estudo técnico)
PETRUCCI, E.G.R Materiais de Construção Rio de Janeiro, Editora Globo, 1993
PETRUCCI, E.G.R. Concreto de Cimento Portland 3 ed. Porto Alegre: Editora Globo, 1995.
VERÇOZA, E,J Materiais de construção Porto Alegre, PUC-EMMA, Vol 1, 1983
BAUER, L.A Materiais de construção Rio de Janeiro, LTC, Vol 1, 2001
Marco Antônio de Morais Alcantara
é Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de São Carlos-BR, com
ênfase em Engenharia Urbana (1986); Mestre em Engenharia Civil, área de
concentração em Geotecnia, pela Universidade Federal de Viçosa-BR (1995); Master
Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences
Appliquées de Toulouse-FR (2001); Docteur Génie Civil, Matériaux et Structures,
pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2004); e tem pós-doutorado em Estruturas pela
Universidade do Porto-PT (2012). É docente da FEIS/UNESP desde 1987.
