CIMENTO
ORIGEM
A palavra
CIMENTO é originada do latim CAEMENTU, que designava na velha Roma espécie de
pedra natural de rochedos e não esquadrejada. A origem do cimento remonta há
cerca de 4.500 anos. Os imponentes monumentos do Egito antigo já utilizavam uma
liga constituída por uma mistura de gesso calcinado. As grandes obras gregas e
romanas, como o Panteão e o Coliseu, foram construídas com o uso de solos de
origem vulcânica da ilha grega de Santorino ou das proximidades da cidade
italiana de Pozzuoli, que possuíam propriedades de endurecimento sob a ação da
água.
O grande
passo no desenvolvimento do cimento foi dado em 1756 pelo inglês John Smeaton,
que conseguiu obter um produto de alta resistência por meio de calcinação de
calcários moles e argilosos. Em 1818, o francês Vicat obteve resultados
semelhantes aos de Smeaton, pela mistura de componentes argilosos e calcários.
Ele é considerado o inventor do cimento artificial. Em 1824, o construtor
inglês Joseph Aspdin queimou conjuntamente pedras calcárias e argila,
transformando-as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar,
tornava-se tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. A mistura não
se dissolvia em água e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano, com o nome
de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades de
durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland.
O cimento é
um material cerâmico que, em contacto com a água, produz
reacção exotérmica de
cristalização de produtos hidratados, ganhando assim resistência mecânica. É o
principal material de construção usado como aglomerante. É uma
das principais commodities mundiais, servindo até mesmo como indicador
económico.
Já no Antigo Egipto era utilizada um material feito de gesso calcinado
como aglomerante. Entre os gregos e romanos, eram usados solos vulcânicos das
proximidades de Pozzuoli ou da ilha de Santorini,
que endureciam depois de misturadas com água.
Em 1786 o
inglês John Smeaton criou
uma mistura resistente através da calcinação de calcários argilosos
e moles. Esse é o marco da criação do cimento artificial. Em 1818, o francês
Vicat obteve resultados semelhantes aos de Smeaton, pela mistura de componentes
argilosos e calcários. Tempos depois, Em 1824, o construtor inglês Joseph
Aspdin queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-as num pó
fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se tão dura
quanto as pedras empregadas nas construções. A mistura não se dissolvia em água
e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano, com o nome de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e
propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica
de Portland.
Cimento |
Tipo |
Calcário(%) |
|||
CP I |
Comum |
100 |
- |
- |
- |
CP I - S |
Comum |
95-99 |
1-5 |
1-5 |
1-5 |
CP II - E |
Composto |
56-94 |
6-34 |
- |
0-10 |
CP II - Z |
Composto |
76-94 |
- |
6-14 |
0-10 |
CP II - F |
Composto |
90-94 |
- |
- |
6-10 |
CP III |
Alto-forno |
25-65 |
35-70 |
- |
0-5 |
CP IV |
Pozolânico |
45-85 |
- |
15-50 |
0-5 |
CP V - ARI |
Alta
resistência inicial |
95-100 |
- |
- |
0-5 |
O Cimento é
composto de clínquer e de adições que distinguem os diversos tipos existentes,
conferindo diferentes propriedades mecânicas e químicas a cada um. As adições
também são ou não utilizadas em função de suas distribuições geográficas.
O clínquer é
o principal item na composição de cimentos portland, sendo a fonte de Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 eSilicato dicálcico (CaO)2SiO2. Estes compostos trazem acentuada
característica de ligante hidráulico e estão diretamente relacionados com
a resistência mecânica do material após a hidratação.
A produção do
clínquer é o núcleo do processo de fabricação de cimento, sendo a etapa mais
complexa e crítica em termos de qualidade e custo. As matéria-primas são
abundantemente encontradas em jazidas de diversas partes do planeta, sendo de
80% a 95% de calcário, 5% a 20%
de argila e
pequenas quantidades de minério de ferro.
PRINCIPAIS
COMPOSTOS QUÍMICOS DO CLÍNQUER
Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 |
45-75% C3 S (alíta) |
Silicato dicálcico (CaO)2SiO2 |
7-35% C2 S (belíta) |
Aluminato tricálcico (CaO)3Al2O3 |
0-13% C3 A (celíta) |
Ferroaluminato tetracálcico (CaO)4Al2O3Fe2O3 |
0-18% C4A F (brownmilerita) |
O gesso (ou gipsita,
nome mais correcto) (CaSO4 · 2 H2O) é adicionado em
quantidades geralmente inferiores a 3% da massa de clínquer, tem função de
estender o tempo de pega do cimento (tempo para início do endurecimento).
Sem esta adição, o tempo de pega do cimento seria de poucos minutos,
inviabilizando o uso. Devido a isso, o gesso é uma adição obrigatória, presente
desde os primeiros tipos de cimento Portland.
A escória, de aparência
semelhante a areia grossa, é um sub-produto de alto-fornos,
reactores que produzem o ferro gusa a partir
de uma carga composta por minério de
ferro, fonte de Fe, e carvão
vegetal ou coque, fonte de carbono. Entre
diversas impurezas como outros metais, se concentram na escória silicatos, que apesar de
rejeitados no processo de metalização, proporcionam-na características de
ligante hidráulico.
Sendo um sub-produto, este material tem menor custo em
relação ao clínquer e é utilizado também por elevar a durabilidade do cimento,
principalmente em ambientes com presença de sulfatos. Porém, a
partir de certo grau de substituição de clínquer a resistência mecânica passa a
diminuir.
As pozolanas ativadas reagem espontaneamente com CaO
em fase aquosa, por conterem elevado teor de sílica ativa SiO2. Esta
característica levou ao uso de pozolanas como ligante hidráulico complementar
ao clínquer, com a característica de tornar os concretos mais impermeáveis o
que é útil na construção de barragens, por exemplo.
As pozolanas são
originalmente argilas contendo cinzas vulcânicas, encontradas na região
de Pozzuoli, Italia.
Actualmente, materiais com origens diferentes mas com composições semelhantes
também são considerados pozolânicos, tais como as pozolanas activadas
artificialmente e alguns sub-produtos industriais como cinzas
volantes provenientes da queima de carvão
mineral.
O processo de activação de argilas é amplamente
praticado pela própria indústria de cimentos, é geralmente realizado em fornos
rotativos semelhantes àqueles utilizados na fabricação de clínquer ou mesmo em
antigos fornos de clínquer adaptados, trabalhando a temperaturas mais baixas
(até 900 °C) e menor tempo de residência.
Assim como a escória siderúrgica, as pozolanas
frequentemente têm menor custo comparadas ao clínquer e só podem substituí-lo
até um determinado grau.
O calcário é
composto basicamente de carbonato de cálcio (CaCO3), encontrado
abundantemente na natureza. É empregado como elemento de preenchimento, capaz
de penetrar nos interstícios das demais partículas e agir como lubrificante,
tornando o produto mais plástico e não prejudicando a actuação dos demais
elementos. O calcário é também um material de diluição do cimento, utilizado
para reduzir o teor de outros componentes de maior custo, desde que não
ultrapassando os limites de composição ou reduzindo a resistência mecânica a
níveis inferiores ao que estabelece a norma ou especificação.
As fábricas de cimento tipicamente se instalam ao lado
de jazidas de calcário e argila de modo a minimizar os custos de transporte. A
extracção destes materiais se realiza em geral em lavras de superfície, com auxílio de explosivos. As rochas extraídas são
britadas até atingirem tamanhos de aproximadamente 200 mm ou menos
e transportadas para a fábrica em transportadores de correia.
FORNOS UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DO CLÍNQUER
A produção de clínquer envolve uma série de processos
interdependentes em linha.
Há ainda processos de preparação e estocagem de
matérias-primas, moagem de cimento elimpeza de gases de exaustão.
- Pré-homogeneização
de matérias-primas
As jazidas de calcário e argila apresentam variações
de composição ao longo de suas extensões. Por outro lado, a qualidade do
produto e a estabilidade do processo de produção requerem materiais
quimicamente homogêneos. Para isso, são empregados sistemas de empilhamento e
recarregamento com longas pilhas de material, de modo a criar camadas
horizontais provenientes de diferentes lotes, que posteriormente são misturadas
no próprio processo de recarregamento.
Os materiais provenientes das pilhas de
pré-homogeneização são introduzidos em um moinho (ou mais) para que se misturem e atinjam granulometria e humidade adequadas
aos processos posteriores. Este processo, também chamado de "moagem de
cru", faz uso de gases quentes residuais do forno de clinquerização
(descrito adiante), empregados como fonte de calor para secagem. No jargão da
indústria, o produto da desta moagem é chamado de "farinha" e de fato
se assemelha a farinha de trigo com tom
bege. A farinha é armazenada em silos que também promovem homogeneização e
absorvem eventuais assincronias entre o forno e os moinhos de cru.
Os motivos para a redução de tamanho das partículas
são a homogeneização e o aumento da superfície exposta que intensifica reacções
químicas e trocas de calor entre as partículas e os gases no interior do forno.
Quase a totalidade dos fornos de cimento actualmente
operantes contam com torres de pré-aquecimento, responsáveis por remover a
humidade ainda restante no material (inferior a 1%) e iniciar a descarbonatação do
calcário. Os fornos de maior capacidade e mais modernos contam com torres
maiores capazes de completar quase totalmente o processo de descarbonatação. Quanto mais
eficaz o pré-aquecimento, mais curtos são fornos.
Os pré-aquecedores mais comuns são torres de ciclones.
Dispostos em elevadas estruturas (que frequentemente ultrapassam 100 metros de
altura), diversos separadores
ciclónicos (equipamentos capazes de retirar partículas
sólidas de uma corrente de gases) são interligados entre si através de tutos de
imesão utilizados para troca térmica que ocorre em torno de 80% entre a farinha
alimentada e gases quentes provenientes do forno. Através da sequência de
ciclones fluem os gases quentes provenientes do forno, em contra-corrente com a
matéria prima. A medida que esta se mistura com o fluxo de gases, ocorre transferência de calor e transferência de massa. Nos primeiros trechos do processo, elimina-se
a humidade superficial, enquanto a temperatura permanece próxima à
temperatura de ebulição da água.
A partir deste ponto, o material sólido contendo apenas humidade intergranular passa a ser aquecido gradativamente. No fim do
processo, o material atinge de 700 °C a 1000 °C, suficiente para a
água esteja eliminada e para se iniciarem decomposições químicas da
matéria-prima. Na busca de maior produção e redução de custo estudos deram
origem a mais um estágio no pré-aquecedor conhecido como calcinador responsável
por 60% a 95% da calcinação da farinha crua nos fornos rotativos para cimento
baixando a carga térmica na zona de queima e como consequência aumentando da
vida útil do revestimento refractário.
Parte das reacções de descarbonatação e a
formação de silicatos de cálcio e aluminatos de cálcio ocorrem no interior do forno
de cimento. Os fornos de cimento são na maioria rotativos, cilindros
horizontais de até 160 metros de comprimento. Um leve ângulo de inclinação
combinado ao lento movimento de rotação (de 0,5 a 4,0 rpm) permite que o
material percorra o cilindro à medida que desliza pelas paredes. Internamente,
há um revestimento de material refratário que
protege a carcaça do forno das altas temperaturas e conserva o calor no seu
interior. A matéria prima permanece no forno por um tempo de aproximadamente 4
horas e atinge temperaturas clinquerização de 1.230 °C (menor temperatura
produz cal e maior temperatura apenas aumenta o consumo energético),
suficientes para torna-la incandescente e pastosa. A capacidade de produção de
um forno médio é 3.000 a 4.000 toneladas por dia, os maiores fornos do mundo
produzem até 10.000t.
Há dois principais tipos de resfriadores empregados
actualmente. Os fornos mais antigos ainda operantes utilizam resfriadores satélites, cilindros menores solidários ao movimento de rotação
do forno, acoplados à carcaça do mesmo. Já os fornos construídos a partir da
década de 1980 geralmente
são dotados de resfriadores de grelha, com ventilação forçada, possibilitando
maior taxa de transferência de calor entre o clínquer e
o ar entrante. Desta forma, se reduz a temperatura de saída do material,
recuperando parte da energia associada ao mesmo, aumentando a eficiência do
sistema.
Além da eficiência energética, os resfriadores têm
suma importância na qualidade do produto. O tempo e o perfil de resfriamento do
mesmo são essenciais para a determinação de suas propriedades químicas finais.
Lentos processos de resfriamento levam à transformação de silicato tricálcico,
instável à alta temperatura, em silicato dicálcico o que diminui a resistência
do cimento.
Hoje os resfriadores modernos além de propiciarem uma
óptima troca térmica também possibilitam a recuperação de gases quentes que são
reutilizados no processo de fabricação, que seriam o ar secundário - auxiliar
na combustão na zona de queima; ar terciário - auxiliar na combustão do
calcinador; e o ar de excesso - em algumas plantas, na troca de calor do moinho
de matéria prima. O produto (clínquer) ainda é moído e diluído em gesso, calcário e/ou
escória siderúrgica para se chegar ao produto final.
A produção de cimento consome muito combustível.
Geralmente utiliza-se uma combinação de diversos produtos como óleo, coque de petróleo e resíduos industriais. Cerca de 7% das emissões
de CO2 no
planeta são decorrentes da produção de cimento, devido à combustão e ao
processo de descarbonatação da matéria-prima.
Aproveita-se as altas temperaturas e o tempo de
permanência dos gases no forno para empregar combustíveis de difícil utilização
em queimas, como pneus picados. Em outras condições, este tipo de combustível
poderia emitir altas concentrações de substâncias extremamente tóxicas, (tais
como dioxinas e furanos) devido à
queima incompleta. Além disso, o calcário e a cal contidos
na mistura, têm a característica de reagir com o enxofre proveniente dos
combustíveis, evitando maiores emissões de óxidos de enxofre na atmosfera e
prevenindo, por exemplo, a ocorrência de chuva ácida.
O Coprocessamento é uma
técnica já há muito tempo utilizada em países da Europa, Japão e EUA, onde
consiste em transformar resíduos em combustíveis alternativos e/ou substitutos
de matéria-prima, desta forma reduzindo o consumo de combustível fóssil e assim
sendo contribuindo com o meio ambiente.
Já vimos que Cimento é o composto aglomerante do
Concreto e que a Água é a responsável por activar a sua reacção, mas é muito
importante entender também que existem diferenciações entre os Cimentos e que
estas são decorrentes da sua composição.
Para ficar mais fácil compreender, o Cimento é
composto principalmente de CLÍNQUER (calcário, argila e componentes químicos) e
diferenciado conforme a adição dos seguintes materiais:
· GESSO:
Necessário para aumentar o tempo de pega do cimento;
· ESCÓRIA:
Aumenta a durabilidade na presença de sulfato mas em grandes quantidades pode
diminuir a resistência;
· ARGILA
POZOLÂNICA: Confere maior impermeabilidade ao concreto;
· CALCÁRIO:
Utilizado para reduzir o custo do cimento, desde que não prejudique a acção dos
outros materiais.
Logo, existem diferentes tipos de cimento, com
diferentes composições, que conferem ao Concreto maior resistência, trabalhabilidade,
durabilidade, impermeabilidade...
A disponibilidade destes Tipos de Cimento podem ser de
acordo com características Regionais (fabricados conforme as jazidas existentes
na região onde está a Fábrica), mediante as demandas de mercado ou seguindo as
estratégias e directrizes de cada fabricante.
TIPOS DE CIMENTO
APARELHAGEM DE PRODUÇÃO DO CIMENTO
1. Perfuradora
2. Pás
Carregadoras
3. Camiões
Basculantes
4. Britador
5. Tremonhas
6. Moinhos
7. Silos
Homo e Armazenamento
8. Torre
de Condicionamento
9. Electrofiltro
10. Forno
11. Arrefecedor
12. Silos
para Carvão
13. Armazém
para Clínquer
14. Filtros
de Mangas
15. Silos
para Cimento
16. Ensacadoras
Rotativas
17. Expedição
de Cimento em Saco
18. Expedição
de Cimento a Granel
19. Paletização
(paletes ou pacotões - embalagem de plástico)
Após a discussão e compilação do presente trabalho
pude concluir que de uma forma geral, a produção de cimento é o conjunto de
várias etapas, umas em que se processam transformações físicas e outras em que
ocorrem reacções químicas.
Essencialmente, os processos físicos dão-se em todo o
processo, nomeadamente nos extremos da produção, ou seja, na extracção da
matéria-prima, britagem e moagem no início, e moagem com gesso e aditivos no
final do processo.
Em relação aos processos químicos, estes dão-se a
temperatura elevadas chegando a atingir os 1500 ºC.
As fases do processo de fabrico do cimento são:
Extracção da pedreira que fornece a matéria prima; Britagem, Pré-homogeneização,
Moagem e Homogeneização formando "cru"; Desidratação, Calcinação e
Clinquerização e Arrefecimento dando origem ao clinquer; Moagem com gesso
formando-se o produto acabado - o cimento.
Santos, Joaquim Baptista dos; "Introdução ao
Processo de Fabrico"; Souselas; Setembro 1992.
Lucas, António; "Acção de Formação: Processo de
Fabrico - Moagem de Cimento - Módulo 1"; CMP - CIMENTOS MACEIRA E PATAIAS;
Fevereiro 2000.
"Manual do operador - Moagem do cru / Normas de
condução"; Fábrica Liz; 28 de Maio de 1973.
Gil, Victor M. S.; "Química 12º ano";
Plátano Editora; Lisboa; 7ª edição; Fevereiro 1999.