Cimento - Cement

Pó de cimento, aqui acondicionado em saco, pronto para ser misturado com agregados e água. A dispersão de pó de cimento seco no ar deve ser evitada para prevenir problemas de saúde.
Exemplos de construção de blocos de cimento da Multiplex Manufacturing Company de Toledo, Ohio em 1905

Um cimento é um aglutinante , uma substância usada para construção que se fixa , endurece e adere a outros materiais para uni-los. O cimento raramente é usado sozinho, mas sim para unir areia e cascalho ( agregados ). O cimento misturado com agregado fino produz argamassa para alvenaria, ou com areia e cascalho , produz concreto . O concreto é o material mais usado que existe e fica atrás apenas da água como o recurso mais consumido do planeta.

Os cimentos usados ​​na construção são geralmente inorgânicos , muitas vezes à base de cal ou silicato de cálcio , que podem ser caracterizados como não hidráulicos ou hidráulicos , respectivamente, dependendo da capacidade do cimento de endurecer na presença de água (ver gesso de cal hidráulica e não hidráulica )

O cimento não hidráulico não endurece em condições úmidas ou embaixo d'água. Em vez disso, ele endurece à medida que seca e reage com o dióxido de carbono no ar. É resistente ao ataque de produtos químicos após a pega.

Cimentos hidráulicos (por exemplo, cimento Portland ) endurecem e se tornam adesivos devido a uma reação química entre os ingredientes secos e a água. A reação química resulta em hidratos minerais que não são muito solúveis em água e, portanto, são bastante duráveis ​​na água e protegidos contra ataques químicos. Isso permite o ajuste em condições úmidas ou embaixo d'água e protege ainda mais o material endurecido do ataque químico. O processo químico do cimento hidráulico foi descoberto pelos antigos romanos que usavam cinza vulcânica ( pozolana ) com adição de cal (óxido de cálcio).

A palavra "cimento" remonta ao termo da Roma Antiga opus caementicium , usado para descrever a alvenaria que se assemelha ao concreto moderno feito de rocha britada com cal queimada como aglutinante. As cinzas vulcânicas e tijolos pulverizado suplementos que foram adicionados para a cal viva, para se obter um ligante hidráulico , foram posteriormente referido como cemento , cimentum , cäment , e cimento . Nos tempos modernos, os polímeros orgânicos às vezes são usados ​​como cimentos em concreto.

A produção mundial é de cerca de quatro bilhões de toneladas por ano, das quais cerca de metade é produzida na China. Se a indústria do cimento fosse um país, seria a terceira maior emissora de dióxido de carbono do mundo com até 2,8 bilhões de toneladas, superada apenas pela China e pelos Estados Unidos. A reação inicial de calcinação na produção de cimento é responsável por cerca de 4% do CO global
2
emissões. O processo geral é responsável por cerca de 8% do
CO global
2
emissões, uma vez que o forno de cimento no qual a reação ocorre é normalmente alimentado por carvão ou coque de petróleo devido à chama luminosa necessária para aquecer o forno por transferência de calor radiante. Como resultado, a produção de cimento é um dos principais contribuintes para as mudanças climáticas .

Química

Os materiais de cimento podem ser classificados em duas categorias distintas: cimentos não hidráulicos e cimentos hidráulicos de acordo com seus respectivos mecanismos de fixação e endurecimento. A cura e o endurecimento do cimento hidráulico envolvem reações de hidratação e, portanto, requerem água, enquanto os cimentos não hidráulicos apenas reagem com um gás e podem endurecer diretamente sob o ar.

Cimento hidráulico

Nódulos de clínquer produzidos por sinterização a 1450 ° C.

De longe, o tipo mais comum de cimento é o cimento hidráulico , que endurece por hidratação dos minerais de clínquer quando a água é adicionada. Os cimentos hidráulicos (como o cimento Portland) são feitos de uma mistura de silicatos e óxidos, as quatro principais fases minerais do clínquer, abreviadas na notação química do cimento , sendo:

C 3 S: alite (3CaO SiO 2 );
C 2 S: Belite (2CaO SiO 2 );
C 3 A: Aluminato tricálcico (3CaO · Al 2 O 3 ) (historicamente, e ainda ocasionalmente, denominado celite );
C 4 AF: Brownmillerite (4CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 ).

Os silicatos são responsáveis ​​pelas propriedades mecânicas do cimento - o aluminato tricálcico e a brownmillerita são essenciais para a formação da fase líquida durante o processo de sinterização ( queima ) do clínquer em alta temperatura no forno . A química dessas reações não é totalmente clara e ainda é objeto de pesquisa.

Primeiro, o calcário (carbonato de cálcio) é queimado para remover seu carbono, produzindo cal (óxido de cálcio) no que é conhecido como reação de calcinação . Esta única reação química é um grande emissor das emissões globais de dióxido de carbono .

CaCO 3 → CaO + CO 2

A cal reage com o dióxido de silício para produzir silicato dicálcico e silicato tricálcico.

2CaO + SiO 2 → 2CaO · SiO 2
3CaO + SiO 2 → 3CaO · SiO 2

A cal também reage com o óxido de alumínio para formar aluminato tricálcico.

3CaO + Al 2 O 3 → 3CaO · Al 2 O 3

Na última etapa, o óxido de cálcio, o óxido de alumínio e o óxido férrico reagem juntos para formar o cimento.

4CaO + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 → 4CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3

Cimento não hidráulico

Óxido de cálcio obtido por decomposição térmica do carbonato de cálcio em alta temperatura (acima de 825 ° C).

Uma forma menos comum de cimento é o cimento não hidráulico , como cal apagada ( óxido de cálcio misturado com água), que endurece por carbonatação em contato com dióxido de carbono , que está presente no ar (~ 412 vol. Ppm ≃ 0,04 vol.% ) O primeiro óxido de cálcio (cal) é produzido a partir de carbonato de cálcio ( calcário ou giz ) por calcinação a temperaturas acima de 825 ° C (1.517 ° F) por cerca de 10 horas à pressão atmosférica :

CaCO 3 → CaO + CO 2

O óxido de cálcio é então gasto (apagado) misturando-o com água para fazer cal apagada ( hidróxido de cálcio ):

CaO + H 2 O → Ca (OH) 2

Uma vez que o excesso de água é completamente evaporado (este processo é tecnicamente chamado de endurecimento ), a carbonatação começa:

Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

Esta reação é lenta, porque a pressão parcial do dióxido de carbono no ar é baixa (~ 0,4 milibar). A reação de carbonatação requer que o cimento seco seja exposto ao ar, então a cal apagada é um cimento não hidráulico e não pode ser usado debaixo d'água. Este processo é denominado ciclo da cal .

História

Talvez a primeira ocorrência conhecida de cimento seja de 12 milhões de anos atrás. Um depósito de cimento foi formado após a ocorrência de xisto betuminoso localizado adjacente a um leito de calcário queimado por causas naturais. Esses depósitos antigos foram investigados nas décadas de 1960 e 1970.

Alternativas ao cimento usado na antiguidade

O cimento, quimicamente falando, é um produto que inclui a cal como principal ingrediente de ligação, mas está longe de ser o primeiro material usado para cimentação. Os babilônios e assírios usavam betume para unir tijolos queimados ou placas de alabastro . No Antigo Egito , blocos de pedra eram cimentados com uma argamassa feita de areia e gesso rudemente queimado (CaSO 4 · 2H 2 O), que freqüentemente continha carbonato de cálcio (CaCO 3 ).

Gregos e romanos

A cal (óxido de cálcio) era usada em Creta e pelos antigos gregos . Há evidências de que os minóicos de Creta usavam cacos de cerâmica triturados como pozolana artificial para cimento hidráulico. Ninguém sabe quem primeiro descobriu que uma combinação de cal não hidráulica hidratada e uma pozolana produz uma mistura hidráulica (ver também: reação pozolânica ), mas esse concreto foi usado pelos antigos macedônios e, três séculos depois, em grande escala pelos engenheiros romanos .

Existe ... uma espécie de pó que de causas naturais produz resultados surpreendentes. É encontrada no bairro de Baiae e na região pertencente às cidades ao redor do Monte Vesúvio . Essa substância, quando misturada com cal e entulho, não apenas confere resistência a edifícios de outros tipos, mas mesmo quando seus pilares são construídos no mar, eles endurecem sob a água.

-  Marcus Vitruvius Pollio, Liber II, De Architectura , Capítulo VI "Pozzolana" Sec. 1

Os gregos usavam tufo vulcânico da ilha de Thera como pozolana e os romanos usavam cinza vulcânica triturada ( silicatos de alumínio ativados ) com cal. Essa mistura pode endurecer sob a água, aumentando sua resistência à corrosão como a ferrugem. O material foi chamado de pozolana da cidade de Pozzuoli , a oeste de Nápoles, onde as cinzas vulcânicas foram extraídas. Na ausência de cinzas pozolânicas, os romanos usaram o tijolo em pó ou a cerâmica como substituto e podem ter usado telhas trituradas para esse fim antes de descobrir fontes naturais perto de Roma. A enorme cúpula do Panteão de Roma e as enormes Termas de Caracalla são exemplos de estruturas antigas feitas com esses concretos, muitas das quais ainda estão de pé. O vasto sistema de aquedutos romanos também fazia uso extensivo de cimento hidráulico. O concreto romano raramente era usado na parte externa dos edifícios. A técnica normal era usar como material de revestimento de tijolos a cofragem para um enchimento de argamassa misturada com um agregado de pedaços de pedra, tijolo, cacos , pedaços reciclados de betão, ou outro entulho de construção.

Meia idade

Qualquer preservação desse conhecimento na literatura da Idade Média é desconhecida, mas os pedreiros medievais e alguns engenheiros militares usaram ativamente o cimento hidráulico em estruturas como canais , fortalezas, portos e instalações de construção naval . Uma mistura de argamassa de cal e agregado com tijolo ou material de revestimento de pedra foi usada no Império Romano Oriental , bem como no Ocidente no período Gótico . A Renânia alemã continuou a usar argamassa hidráulica durante a Idade Média, com depósitos locais de pozolana chamados trass .

Século 16

Tabby é um material de construção feito de cal de concha de ostra, areia e conchas de ostra inteiras para formar um concreto. Os espanhóis o introduziram nas Américas no século XVI.

século 18

O conhecimento técnico para a fabricação de cimento hidráulico foi formalizado por engenheiros franceses e britânicos no século XVIII.

John Smeaton deu uma contribuição importante para o desenvolvimento de cimentos enquanto planejava a construção do terceiro Farol de Eddystone (1755-1759) no Canal da Mancha, agora conhecido como Torre de Smeaton . Ele precisava de uma argamassa hidráulica que endurecesse e desenvolvesse alguma resistência no período de doze horas entre as marés altas sucessivas . Ele realizou experimentos com combinações de diferentes pedras calcárias e aditivos, incluindo trass e pozolanas e fez pesquisas de mercado exaustivas sobre as cal hidráulicas disponíveis, visitando seus locais de produção, e observou que a "hidraulicidade" da cal estava diretamente relacionada ao teor de argila do calcário costumava fazer isso. Smeaton era engenheiro civil de profissão e não levou a ideia adiante.

Na costa do Atlântico Sul dos Estados Unidos, o gato malhado que dependia dos montículos de conchas de ostras das primeiras populações nativas americanas foi usado na construção de casas de 1730 a 1860.

Particularmente na Grã-Bretanha, a pedra para construção de boa qualidade tornou-se cada vez mais cara durante um período de rápido crescimento, e tornou-se uma prática comum construir edifícios de prestígio com os novos tijolos industriais e finalizá-los com estuque para imitar a pedra. Os limões hidráulicos foram preferidos para isso, mas a necessidade de um tempo de ajuste rápido incentivou o desenvolvimento de novos cimentos. O mais famoso foi o " cimento romano " de Parker . Este foi desenvolvido por James Parker na década de 1780 e finalmente patenteado em 1796. Na verdade, não era nada parecido com o material usado pelos romanos, mas era um "cimento natural" feito pela queima de septários - nódulos que são encontrados em certos depósitos de argila , e que contêm minerais de argila e carbonato de cálcio . Os nódulos queimados foram transformados em um pó fino. Este produto, transformado em argamassa com areia, endurece em 5–15 minutos. O sucesso do "cimento romano" levou outros fabricantes a desenvolver produtos rivais queimando cimentos artificiais de cal hidráulica de argila e giz . O cimento romano rapidamente se tornou popular, mas foi amplamente substituído pelo cimento Portland na década de 1850.

século 19

Aparentemente desconhecendo a obra de Smeaton , o mesmo princípio foi identificado pelo francês Louis Vicat na primeira década do século XIX. Vicat desenvolveu um método de combinar giz e argila em uma mistura íntima e, queimando isso, produziu um "cimento artificial" em 1817 considerado o "principal precursor" do cimento Portland e "... Edgar Dobbs de Southwark patenteou um cimento deste tipo em 1811. "

Na Rússia, Egor Cheliev criou um novo aglutinante misturando cal e argila. Seus resultados foram publicados em 1822 em seu livro Um Tratado sobre a Arte de Preparar um Bom Argamassa, publicado em São Petersburgo . Alguns anos depois, em 1825, ele publicou outro livro, que descreveu vários métodos de fazer cimento e concreto, e os benefícios do cimento na construção de edifícios e aterros.

William Aspdin é considerado o inventor do cimento Portland "moderno" .

O cimento Portland , o tipo mais comum de cimento de uso geral em todo o mundo como ingrediente básico de concreto, argamassa , estuque e graute não especializado , foi desenvolvido na Inglaterra em meados do século 19 e geralmente se origina de calcário . James Frost produziu o que chamou de "cimento britânico" de maneira semelhante na mesma época, mas não obteve a patente até 1822. Em 1824, Joseph Aspdin patenteou um material semelhante, que chamou de cimento Portland , porque o reboco feito dele tinha uma cor semelhante à prestigiosa pedra de Portland extraída na Ilha de Portland , Dorset, Inglaterra. No entanto, o cimento de Aspdins não se parecia em nada com o cimento Portland moderno, mas foi um primeiro passo em seu desenvolvimento, chamado de cimento proto-Portland . O filho de Joseph Aspdins, William Aspdin, havia deixado a empresa de seu pai e, em sua fabricação de cimento, aparentemente produziu acidentalmente silicatos de cálcio na década de 1840, um passo intermediário no desenvolvimento do cimento Portland. A inovação de William Aspdin foi contra-intuitiva para os fabricantes de "cimentos artificiais", porque eles exigiam mais cal na mistura (um problema para seu pai), uma temperatura de forno muito mais alta (e, portanto, mais combustível) e o clínquer resultante era muito duro e rápido desgastou as pedras de moer , que eram a única tecnologia de moagem disponível na época. Os custos de fabricação eram, portanto, consideravelmente mais altos, mas o produto definiu razoavelmente devagar e desenvolveu resistência rapidamente, abrindo assim um mercado para uso em concreto. O uso de concreto na construção cresceu rapidamente de 1850 em diante e logo se tornou o uso dominante para cimentos. Assim, o cimento Portland começou seu papel predominante. Isaac Charles Johnson refinou ainda mais a produção de cimento meso-Portland (estágio intermediário de desenvolvimento) e afirmou que ele era o verdadeiro pai do cimento Portland.

O tempo de presa e a "resistência inicial" são características importantes dos cimentos. Limas hidráulicas, cimentos "naturais" e cimentos "artificiais", todos contam com seu conteúdo de belita (2 CaO · SiO 2 , abreviado como C 2 S) para o desenvolvimento de resistência . Belite desenvolve força lentamente. Como foram queimados a temperaturas abaixo de 1.250 ° C (2.280 ° F), eles não continham alita (3 CaO · SiO 2 , abreviado como C 3 S), que é responsável pela resistência inicial nos cimentos modernos. O primeiro cimento a conter consistentemente alite foi feito por William Aspdin no início da década de 1840: era o que chamamos hoje de cimento Portland "moderno". Por causa do ar de mistério com que William Aspdin cercou seu produto, outros ( por exemplo, Vicat e Johnson) reivindicaram precedência nesta invenção, mas análises recentes de seu concreto e cimento bruto mostraram que o produto de William Aspdin feito na Northfleet , Kent era um verdadeiro cimento à base de alite. No entanto, os métodos de Aspdin eram "regra de ouro": Vicat é responsável por estabelecer a base química desses cimentos, e Johnson estabeleceu a importância da sinterização da mistura no forno .

Nos Estados Unidos, o primeiro uso em grande escala de cimento foi o cimento Rosendale , um cimento natural extraído de um enorme depósito de dolomita descoberto no início do século 19 perto de Rosendale, Nova York . O cimento Rosendale era extremamente popular para a fundação de edifícios ( por exemplo , Estátua da Liberdade , Edifício do Capitólio , Ponte do Brooklyn ) e revestimento de canos de água.

O cimento Sorel , ou cimento à base de magnésia, foi patenteado em 1867 pelo francês Stanislas Sorel . Era mais forte do que o cimento Portland, mas sua baixa resistência à água (lixiviação) e propriedades corrosivas ( corrosão por pite devido à presença de ânions cloreto lixiviáveis e o baixo pH (8,5-9,5) de sua água de poros) limitaram seu uso como concreto armado para construção construção.

O próximo desenvolvimento na fabricação de cimento Portland foi a introdução do forno rotativo . Produziu uma mistura de clínquer que foi mais forte, devido ao aumento da formação de alita (C 3 S) na temperatura mais alta que atingiu (1450 ° C), e mais homogênea. Como a matéria-prima é constantemente alimentada em um forno rotativo, isso permitiu um processo de fabricação contínuo para substituir os processos de produção em lote de baixa capacidade .

século 20

A nova fábrica da National Cement Share Company da Etiópia em Dire Dawa .

Os cimentos de aluminato de cálcio foram patenteados em 1908 na França por Jules Bied para melhor resistência aos sulfatos. Também em 1908, Thomas Edison fez experiências com concreto pré-moldado em casas em Union, NJ

Nos Estados Unidos, após a Primeira Guerra Mundial, o longo tempo de cura de pelo menos um mês para o cimento Rosendale tornou-o impopular para a construção de rodovias e pontes, e muitos estados e empresas de construção se voltaram para o cimento Portland. Por causa da mudança para o cimento Portland, no final da década de 1920, apenas uma das 15 empresas de cimento Rosendale havia sobrevivido. Mas no início da década de 1930, os construtores descobriram que, embora o cimento Portland tenha endurecido mais rápido, ele não era tão durável, especialmente para rodovias - a tal ponto que alguns estados pararam de construir rodovias e estradas com cimento. Bertrain H. Wait, um engenheiro cuja empresa ajudou a construir o aqueduto Catskill em Nova York , ficou impressionado com a durabilidade do cimento Rosendale e propôs uma mistura de cimentos Rosendale e Portland que tinha os bons atributos de ambos. Era altamente durável e tinha um tempo de endurecimento muito mais rápido. Wait convenceu o Comissário de Rodovias de Nova York a construir uma seção experimental de rodovia perto de New Paltz, Nova York , usando um saco de Rosendale em seis sacos de cimento Portland. Foi um sucesso, e por décadas a mistura de cimento Rosendale-Portland foi usada na construção de rodovias e pontes.

Os materiais cimentícios são usados ​​como matriz imobilizadora de resíduos nucleares há mais de meio século. Tecnologias de cimentação de resíduos têm sido desenvolvidas e implantadas em escala industrial em muitos países. Os resíduos cimentícios requerem uma seleção cuidadosa e um processo de design adaptado a cada tipo específico de resíduo para satisfazer os rígidos critérios de aceitação de resíduos para armazenamento e descarte de longo prazo.

Cimentos modernos

O desenvolvimento hidráulico moderno começou com o início da Revolução Industrial (por volta de 1800), impulsionado por três necessidades principais:

  • Reboco de cimento hidráulico ( estuque ) para acabamento de edifícios de tijolos em climas úmidos
  • Argamassas hidráulicas para construção em alvenaria de obras portuárias, etc., em contato com a água do mar
  • Desenvolvimento de concretos fortes
Componentes do cimento:
comparação das características químicas e físicas
Propriedade
Cimento Portland

Cinza volante siliciosa

Cinza volante calcária
Escória de
cimento
Sílica
ativa
Proporção em massa (%)
SiO 2 21,9 52 35 35 85-97
Al 2 O 3 6,9 23 18 12 -
Fe 2 O 3 3 11 6 1 -
CaO 63 5 21 40 <1
MgO 2,5 - - - -
SO 3 1,7 - - - -
Superficial específica (m 2 / kg) 370 420 420 400 15.000
- 30.000
Gravidade Específica 3,15 2,38 2,65 2,94 2,22
Propósito geral Fichário primário Substituição de cimento Substituição de cimento Substituição de cimento Intensificador de propriedade

Os cimentos modernos geralmente são cimento Portland ou misturas de cimento Portland, mas a indústria também usa outros cimentos.

cimento Portland

O cimento Portland, uma forma de cimento hidráulico, é de longe o tipo de cimento mais comum em uso geral em todo o mundo. Este cimento é feito por aquecimento de calcário (carbonato de cálcio) com outros materiais (como argila ) a 1.450 ° C (2.640 ° F) em um forno , em um processo conhecido como calcinação que libera uma molécula de dióxido de carbono do carbonato de cálcio para formam óxido de cálcio , ou cal viva, que então se combina quimicamente com os outros materiais na mistura para formar silicatos de cálcio e outros compostos de cimento. A substância dura resultante, chamada de 'clínquer', é então moída com uma pequena quantidade de gesso em um pó para fazer cimento Portland comum , o tipo de cimento mais comumente usado (muitas vezes referido como OPC). O cimento Portland é um ingrediente básico do concreto, argamassa e da maioria dos rejuntes não especializados . O uso mais comum para o cimento Portland é para fazer concreto. O concreto é um material composto de agregado ( cascalho e areia ), cimento e água. Como material de construção, o concreto pode ser fundido em quase todas as formas e, uma vez que endurece, pode ser um elemento estrutural (de suporte de carga). O cimento Portland pode ser cinza ou branco .

Mistura de cimento Portland

As misturas de cimento Portland estão frequentemente disponíveis como misturas inter-solo de produtores de cimento, mas formulações semelhantes também são frequentemente misturadas a partir dos componentes do solo na planta de mistura de concreto.

O cimento de escória de alto forno Portland, ou cimento de alto forno (nomenclatura ASTM C595 e EN 197-1 respectivamente), contém até 95% de escória de alto forno granulada moída , com o restante clínquer Portland e um pouco de gesso. Todas as composições produzem alta resistência final, mas conforme o teor de escória aumenta, a resistência inicial é reduzida, enquanto a resistência ao sulfato aumenta e a evolução do calor diminui. Usado como uma alternativa econômica aos cimentos resistentes ao sulfato de Portland e de baixo calor.

O cimento de cinza volante Portland contém até 40% de cinza volante de acordo com os padrões ASTM (ASTM C595) ou 35% de acordo com os padrões EN (EN 197-1). A cinza volante é pozolânica , de modo que a resistência máxima é mantida. Como a adição de cinzas volantes permite um menor teor de água no concreto, a resistência inicial também pode ser mantida. Onde cinzas volantes de boa qualidade e baratas estão disponíveis, esta pode ser uma alternativa econômica ao cimento Portland comum.

O cimento de pozolana Portland inclui o cimento de cinza volante, uma vez que a cinza volante é uma pozolana , mas também inclui cimentos feitos de outras pozolanas naturais ou artificiais. Em países onde as cinzas vulcânicas estão disponíveis (por exemplo, Itália, Chile, México, Filipinas), esses cimentos são frequentemente a forma mais comum de uso. As taxas máximas de substituição são geralmente definidas como para cimento de cinza volante Portland.

Cimento de sílica ativa Portland . A adição de sílica ativa pode resultar em resistências excepcionalmente altas, e cimentos contendo 5–20% de sílica ativa são produzidos ocasionalmente, com 10% sendo a adição máxima permitida pela EN 197-1. No entanto, a sílica ativa é mais comumente adicionada ao cimento Portland no misturador de concreto.

Os cimentos de alvenaria são utilizados para a preparação de argamassas de alvenaria e estuques , não devendo ser utilizados em betão. Geralmente são formulações patenteadas complexas contendo clínquer Portland e vários outros ingredientes que podem incluir calcário, cal hidratada, incorporadores de ar, retardadores, impermeabilizantes e agentes corantes. Eles são formulados para produzir argamassas trabalháveis ​​que permitem um trabalho de alvenaria rápido e consistente. Variações sutis de cimento para alvenaria na América do Norte são cimentos plásticos e cimentos de estuque. Eles são projetados para produzir uma ligação controlada com blocos de alvenaria.

Os cimentos expansivos contêm, além do clínquer Portland, clínquer expansivos (geralmente clínquer sulfoaluminato) e são projetados para compensar os efeitos da retração por secagem normalmente encontrados em cimentos hidráulicos. Este cimento pode fazer concreto para lajes de piso (até 60 metros quadrados) sem juntas de contração.

Os cimentos mistos brancos podem ser feitos usando clínquer branco (contendo pouco ou nenhum ferro) e materiais suplementares brancos, como metacaulim de alta pureza . Os cimentos coloridos servem para fins decorativos. Alguns padrões permitem a adição de pigmentos para produzir cimento Portland colorido . Outros padrões (por exemplo, ASTM) não permitem pigmentos no cimento Portland e os cimentos coloridos são vendidos como cimentos hidráulicos misturados .

Cimentos muito finamente moídos são cimento misturado com areia ou com escória ou outros minerais do tipo pozolana que são extremamente finamente triturados juntos. Esses cimentos podem ter as mesmas características físicas do cimento normal, mas com 50% menos cimento, principalmente devido à sua área de superfície aumentada para a reação química. Mesmo com moagem intensiva, eles podem usar até 50% menos energia (e, portanto, menos emissões de carbono) para fabricar do que os cimentos Portland comuns.

Outros cimentos

Os cimentos pozolana-cal são misturas de pozolana moída e cal . Esses são os cimentos que os romanos usavam e estão presentes em estruturas romanas sobreviventes, como o Panteão de Roma. Eles desenvolvem força lentamente, mas sua força final pode ser muito alta. Os produtos de hidratação que produzem resistência são essencialmente os mesmos do cimento Portland.

Cimentos escória-calcários - solo granulado escória de alto forno não é hidráulica por conta própria, mas é "ativado" pela adição de álcalis, economicamente mais usando cal. Eles são semelhantes aos cimentos de cal pozolana em suas propriedades. Apenas a escória granulada (isto é, escória vítrea temperada com água) é eficaz como componente de cimento.

Os cimentos supersulfatados contêm cerca de 80% de escória de alto forno granulada moída, 15% de gesso ou anidrita e um pouco de clínquer Portland ou cal como ativador. Eles produzem resistência pela formação de etringita , com crescimento de resistência semelhante a um cimento Portland lento. Eles exibem boa resistência a agentes agressivos, incluindo sulfato. Os cimentos de aluminato de cálcio são cimentos hidráulicos feitos principalmente de calcário e bauxita . Os ingredientes ativos são aluminato monocálcico CaAl 2 O 4 (CaO · Al 2 O 3 ou CA na notação química do cimento , CCN) e maionita Ca 12 Al 14 O 33 (12 CaO · 7 Al 2 O 3 , ou C 12 A 7 em CCN). A força se forma por hidratação em hidratos de aluminato de cálcio. Eles são bem adaptados para uso em concretos refratários (resistentes a altas temperaturas), por exemplo, para revestimentos de fornos.

Os cimentos de sulfoaluminato de cálcio são feitos de clínquer que incluem yelimita (Ca 4 (AlO 2 ) 6 SO 4 ou C 4 A 3 S na notação química do cimento ) como uma fase primária. Eles são usados ​​em cimentos expansivos, em cimentos de resistência inicial ultra-alta e em cimentos de "baixa energia". A hidratação produz etringita, e propriedades físicas especializadas (como expansão ou reação rápida) são obtidas pelo ajuste da disponibilidade de íons cálcio e sulfato. Seu uso como alternativa de baixo consumo de energia ao cimento Portland foi pioneiro na China, onde vários milhões de toneladas por ano são produzidos. Os requisitos de energia são mais baixos devido às temperaturas mais baixas do forno necessárias para a reação e à menor quantidade de calcário (que deve ser descarbonatado endotermicamente) na mistura. Além disso, o menor teor de calcário e o menor consumo de combustível levam a uma emissão de CO 2 em torno da metade daquela associada ao clínquer Portland. No entanto, as emissões de SO 2 são geralmente significativamente mais altas.

Os cimentos "naturais" correspondentes a certos cimentos da era pré-Portland são produzidos pela queima de calcários argilosos a temperaturas moderadas. O nível de componentes de argila no calcário (em torno de 30–35%) é tal que grandes quantidades de belita (o mineral de baixa resistência inicial e alta resistência tardia no cimento Portland) são formadas sem a formação de quantidades excessivas de cal livre. Como acontece com qualquer material natural, esses cimentos têm propriedades altamente variáveis.

Os cimentos de geopolímero são feitos de misturas de silicatos de metal alcalino solúveis em água e pós minerais de aluminossilicato, como cinzas volantes e metacaulim .

Os cimentos poliméricos são feitos de produtos químicos orgânicos que se polimerizam. Os produtores costumam usar materiais termofixos . Embora muitas vezes sejam significativamente mais caros, eles podem fornecer um material à prova de água com resistência à tração útil.

Sorel Cement é um cimento duro e durável feito pela combinação de óxido de magnésio e uma solução de cloreto de magnésio

O cimento de malha de fibra ou concreto reforçado com fibra é o cimento feito de materiais fibrosos como fibras sintéticas, fibras de vidro, fibras naturais e fibras de aço. Este tipo de malha é distribuído uniformemente por todo o concreto úmido. O objetivo da malha de fibra é reduzir a perda de água do concreto, bem como melhorar sua integridade estrutural. Quando usada em gesso, a malha de fibra aumenta a coesão, a resistência à tração, a resistência ao impacto e reduz o encolhimento; em última análise, o objetivo principal dessas propriedades combinadas é reduzir a fissuração.

Definição, endurecimento e cura

O cimento começa a endurecer quando misturado à água, o que causa uma série de reações químicas de hidratação. Os constituintes hidratam lentamente e os hidratos minerais solidificam e endurecem. O intertravamento dos hidratos dá ao cimento sua resistência. Ao contrário da crença popular, o cimento hidráulico não endurece por secagem - uma cura adequada requer a manutenção do teor de umidade apropriado, necessário para as reações de hidratação durante a presa e os processos de endurecimento. Se os cimentos hidráulicos secarem durante a fase de cura, o produto resultante pode ser insuficientemente hidratado e significativamente enfraquecido. Recomenda-se uma temperatura mínima de 5 ° C e não mais de 30 ° C. O concreto em tenra idade deve ser protegido contra a evaporação da água devido à insolação direta, temperatura elevada, baixa umidade relativa e vento.

A zona de transição interfacial (ITZ) é uma região da pasta de cimento em torno das partículas de agregado no concreto . Na zona, ocorre uma transição gradual nas características microestruturais . Esta zona pode ter até 35 micrômetros de largura. Outros estudos mostraram que a largura pode ser de até 50 micrômetros. O conteúdo médio da fase de clínquer que não reagiu diminui e a porosidade diminui em direção à superfície do agregado. Da mesma forma, o conteúdo de etringite aumenta em ITZ.

Problemas de segurança

Os sacos de cimento rotineiramente têm avisos de saúde e segurança impressos neles porque não apenas o cimento é altamente alcalino , mas o processo de presa é exotérmico . Como resultado, o cimento úmido é fortemente cáustico (pH = 13,5) e pode facilmente causar queimaduras graves na pele se não for imediatamente lavado com água. Da mesma forma, o pó de cimento seco em contato com as membranas mucosas pode causar severa irritação ocular ou respiratória. Alguns oligoelementos, como o cromo, de impurezas naturalmente presentes nas matérias-primas utilizadas para produzir cimento podem causar dermatite alérgica . Agentes redutores como o sulfato ferroso (FeSO 4 ) são frequentemente adicionados ao cimento para converter o cromato hexavalente carcinogênico (CrO 4 2− ) em cromo trivalente (Cr 3+ ), uma espécie química menos tóxica. Os usuários de cimento também precisam usar luvas e roupas de proteção adequadas.

Indústria de cimento no mundo

Produção Global de Cimento em 2010
Capacidade global de cimento em 2010.

Em 2010, a produção mundial de cimento hidráulico foi de 3.300 milhões de toneladas (3,2 × 10 9 toneladas longas; 3,6 × 10 9 toneladas curtas) . Os três maiores produtores foram a China com 1.800, a Índia com 220 e os EUA com 63,5 milhões de toneladas, para um total de mais da metade do total mundial dos três estados mais populosos do mundo.

Para a capacidade mundial de produção de cimento em 2010, a situação era semelhante, com os três principais estados (China, Índia e EUA) respondendo por pouco menos da metade da capacidade total mundial.

Durante 2011 e 2012, o consumo global continuou a subir, subindo para 3.585 Mt em 2011 e 3.736 Mt em 2012, enquanto as taxas de crescimento anuais diminuíram para 8,3% e 4,2%, respectivamente.

A China, que representa uma parcela cada vez maior do consumo mundial de cimento, continua sendo o principal motor do crescimento global. Em 2012, a demanda chinesa foi registrada em 2.160 Mt, representando 58% do consumo mundial. As taxas de crescimento anual, que alcançaram 16% em 2010, parecem ter diminuído, desacelerando para 5–6% em 2011 e 2012, já que a economia da China visa uma taxa de crescimento mais sustentável .

Fora da China, o consumo mundial aumentou 4,4% para 1462 Mt em 2010, 5% para 1535 Mt em 2011 e, finalmente, 2,7% para 1576 Mt em 2012.

O Irã é agora o terceiro maior produtor de cimento do mundo e aumentou sua produção em mais de 10% de 2008 a 2011. Devido aos custos crescentes de energia no Paquistão e em outros grandes países produtores de cimento, o Irã está em uma posição única como parceiro comercial , utilizando seu próprio excedente de petróleo para abastecer fábricas de clínquer. Agora um dos principais produtores do Oriente Médio, o Irã está aumentando ainda mais sua posição dominante nos mercados locais e no exterior.

O desempenho na América do Norte e na Europa durante o período de 2010–12 contrastou fortemente com o da China, à medida que a crise financeira global evoluiu para uma crise de dívida soberana para muitas economias desta região e recessão. Os níveis de consumo de cimento nesta região caíram 1,9% em 2010 para 445 Mt, recuperaram-se 4,9% em 2011 e voltaram a cair 1,1% em 2012.

O desempenho no resto do mundo, que inclui muitas economias emergentes na Ásia, África e América Latina e representando cerca de 1020 Mt de demanda de cimento em 2010, foi positivo e mais do que compensou as quedas na América do Norte e na Europa. O crescimento anual do consumo foi de 7,4% em 2010, moderando-se para 5,1% e 4,3% em 2011 e 2012, respectivamente.

No final de 2012, a indústria global de cimento consistia em 5.673 instalações de produção de cimento, incluindo integradas e moagem, das quais 3.900 estavam localizadas na China e 1.773 no resto do mundo.

A capacidade total de cimento em todo o mundo foi registrada em 5245 Mt em 2012, com 2.950 Mt localizados na China e 2.295 Mt no resto do mundo.

China

"Nos últimos 18 anos, a China produziu consistentemente mais cimento do que qualquer outro país do mundo. [...] (No entanto,) a exportação de cimento da China atingiu o pico em 1994 com 11 milhões de toneladas embarcadas e está em declínio constante desde então . Apenas 5,18 milhões de toneladas foram exportadas para fora da China em 2002. Oferecido a US $ 34 a tonelada, o cimento chinês está sendo cotado fora do mercado, já que a Tailândia está pedindo apenas US $ 20 pela mesma qualidade. "

Em 2006, estimou-se que a China fabricou 1,235 bilhão de toneladas de cimento, o que representou 44% da produção total mundial de cimento. "A demanda por cimento na China deve crescer 5,4% ao ano e ultrapassar 1 bilhão de toneladas em 2008, impulsionada pela desaceleração, mas saudável, do crescimento dos gastos com construção. O cimento consumido na China representará 44% da demanda global, e a China permanecerá como o mercado mundial maior consumidor nacional de cimento por uma grande margem. "

Em 2010, 3,3 bilhões de toneladas de cimento foram consumidas globalmente. Desse total, a China respondeu por 1,8 bilhão de toneladas.

Impactos ambientais

A fabricação de cimento causa impactos ambientais em todas as etapas do processo. Isso inclui emissões de poluição do ar na forma de poeira, gases, ruído e vibração durante a operação de máquinas e durante a detonação em pedreiras , e danos ao campo causados ​​pelas pedreiras. Equipamentos para reduzir as emissões de poeira durante a extração e fabricação de cimento são amplamente utilizados, e equipamentos para reter e separar os gases de exaustão estão cada vez mais sendo usados. A proteção ambiental também inclui a reintegração das pedreiras ao campo após o seu encerramento, devolvendo-as à natureza ou cultivando-as novamente.

Emissões de CO 2

Emissão global de carbono por tipo até 2018

A concentração de carbono em vãos de cimento varia de ± 5% em estruturas de cimento a ± 8% no caso de estradas em cimento. A fabricação de cimento libera CO
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na atmosfera tanto diretamente quando o carbonato de cálcio é aquecido, produzindo cal e dióxido de carbono , quanto indiretamente pelo uso de energia se sua produção envolver a emissão de CO 2 . A indústria de cimento produz cerca de 10% das emissões globais de CO 2 causadas pelo homem , das quais 60% são do processo químico e 40% da queima de combustível. Um estudo da Chatham House de 2018 estima que os 4 bilhões de toneladas de cimento produzidos anualmente são responsáveis ​​por 8% das emissões mundiais de CO 2 .

Quase 900 kg de CO 2 são emitidos para cada 1000 kg de cimento Portland produzido. Na União Europeia, o consumo específico de energia para a produção de clínquer de cimento foi reduzido em cerca de 30% desde a década de 1970. Essa redução nas necessidades de energia primária é equivalente a aproximadamente 11 milhões de toneladas de carvão por ano, com benefícios correspondentes na redução das emissões de CO 2 . Isso é responsável por aproximadamente 5% do CO 2 antrópico .

A maioria das emissões de dióxido de carbono na fabricação de cimento Portland (aproximadamente 60%) é produzida a partir da decomposição química do calcário em cal, um ingrediente do clínquer do cimento Portland. Essas emissões podem ser reduzidas diminuindo o teor de clínquer do cimento. Eles também podem ser reduzidos por métodos alternativos de fabricação, como a moagem de cimento com areia ou com escória ou outros minerais do tipo pozolana a um pó muito fino.

Para reduzir o transporte de matérias-primas mais pesadas e minimizar os custos associados, é mais econômico construir fábricas de cimento mais perto das pedreiras de calcário do que dos centros consumidores.

Em certas aplicações, a argamassa de cal reabsorve parte do CO 2 conforme foi liberado em sua fabricação e tem uma necessidade de energia mais baixa na produção do que o cimento convencional. Tipos de cimento recentemente desenvolvidos da Novacem e Eco-cimento podem absorver dióxido de carbono do ar ambiente durante o endurecimento.

Em 2019, a captura e armazenamento de carbono estão prestes a ser testados, mas sua viabilidade financeira é incerta.

Emissões de metais pesados ​​no ar

Em algumas circunstâncias, principalmente dependendo da origem e a composição das matérias-primas usadas, o processo de calcinação de alta temperatura de calcário e de argila minerais pode soltar nos gases de atmosfera e poeira rica em voláteis de metais pesados , por exemplo, tálio , cádmio e mercúrio são o mais tóxico. Metais pesados ​​(Tl, Cd, Hg, ...) e também selênio são frequentemente encontrados como oligoelementos em sulfetos de metais comuns ( pirita (FeS 2 ), zinco blenda (ZnS) , galena (PbS), ...) presentes como minerais secundários na maioria das matérias-primas. Regulamentações ambientais existem em muitos países para limitar essas emissões. A partir de 2011 nos Estados Unidos, os fornos de cimento estão "legalmente autorizados a bombear mais toxinas para o ar do que os incineradores de resíduos perigosos".

Metais pesados ​​presentes no clínquer

A presença de metais pesados ​​no clínquer decorre tanto das matérias-primas naturais quanto do uso de subprodutos reciclados ou combustíveis alternativos. O alto pH prevalecente na água porosa do cimento (12,5 <pH <13,5) limita a mobilidade de muitos metais pesados, diminuindo sua solubilidade e aumentando sua sorção nas fases minerais do cimento. Níquel , zinco e chumbo são comumente encontrados no cimento em concentrações não desprezíveis. O cromo também pode surgir diretamente como impureza natural das matérias-primas ou como contaminação secundária da abrasão de ligas de aço ao cromo duras usadas nos moinhos de bolas quando o clínquer é moído. Como o cromato (CrO 4 2− ) é tóxico e pode causar alergias cutâneas graves em concentrações residuais, às vezes é reduzido a Cr (III) trivalente pela adição de sulfato ferroso (FeSO 4 ).

Uso de combustíveis alternativos e materiais de subprodutos

Uma fábrica de cimento consome de 3 a 6 GJ de combustível por tonelada de clínquer produzida, dependendo da matéria-prima e do processo utilizado. A maioria dos fornos de cimento hoje usa carvão e coque de petróleo como combustíveis primários e, em menor medida, gás natural e óleo combustível. Resíduos e subprodutos selecionados com poder calorífico recuperável podem ser usados ​​como combustíveis em um forno de cimento (denominado coprocessamento ), substituindo uma parte dos combustíveis fósseis convencionais, como o carvão, se atenderem a especificações rígidas. Resíduos e subprodutos selecionados contendo minerais úteis como cálcio, sílica, alumina e ferro podem ser usados ​​como matérias-primas no forno, substituindo as matérias-primas como argila, xisto e calcário. Como alguns materiais têm conteúdo mineral útil e valor calorífico recuperável, a distinção entre combustíveis alternativos e matérias-primas nem sempre é clara. Por exemplo, o lodo de esgoto tem um valor calorífico baixo, mas significativo, e queima para dar cinzas contendo minerais úteis na matriz de clínquer. Pneus de sucata de automóveis e caminhões são úteis na fabricação de cimento, pois têm alto valor calorífico e o ferro embutido nos pneus é útil como matéria-prima.

O clínquer é fabricado aquecendo a matéria-prima dentro do queimador principal de um forno a uma temperatura de 1450 ° C. A chama atinge temperaturas de 1800 ° C. O material permanece a 1200 ° C por 12–15 segundos a 1800 ° C (e / ou?) Por 5–8 segundos (também conhecido como tempo de residência). Estas características de um forno de clínquer oferecem inúmeros benefícios e garantem uma destruição completa dos compostos orgânicos, uma neutralização total dos gases ácidos, óxidos de enxofre e cloreto de hidrogênio. Além disso, traços de metal pesado são incorporados na estrutura do clínquer e nenhum subproduto, como cinza de resíduos, é produzido.

A indústria de cimento da UE já usa mais de 40% de combustíveis derivados de resíduos e biomassa no fornecimento de energia térmica para o processo de fabricação de clínquer cinza. Embora a escolha por esses chamados combustíveis alternativos (AF) seja normalmente direcionada aos custos, outros fatores estão se tornando mais importantes. O uso de combustíveis alternativos traz benefícios para a sociedade e para a empresa: as emissões de CO 2 são menores do que as dos combustíveis fósseis, os resíduos podem ser coprocessados ​​de maneira eficiente e sustentável e a demanda por determinados materiais virgens pode ser reduzida. No entanto, existem grandes diferenças na proporção de combustíveis alternativos usados ​​entre os estados membros da União Europeia (UE). Os benefícios para a sociedade poderiam ser melhorados se mais Estados membros aumentassem sua parcela de combustíveis alternativos. O estudo Ecofys avaliou as barreiras e oportunidades para uma maior absorção de combustíveis alternativos em 14 estados membros da UE. O estudo da Ecofys descobriu que fatores locais restringem o potencial de mercado em uma extensão muito maior do que a viabilidade técnica e econômica da própria indústria de cimento.

Cimento ecológico

O cimento ecológico é um material cimentício que atende ou excede as capacidades de desempenho funcional do cimento Portland comum, incorporando e otimizando materiais reciclados, reduzindo assim o consumo de matérias-primas naturais, água e energia, resultando em um material de construção mais sustentável. Um é o cimento geopolimérico .

Novos processos de fabricação para a produção de cimento ecológico estão sendo pesquisados ​​com o objetivo de reduzir, ou mesmo eliminar, a produção e liberação de poluentes nocivos e gases de efeito estufa, principalmente o CO 2 .

As crescentes preocupações ambientais e o aumento do custo dos combustíveis de origem fóssil resultaram, em muitos países, em uma redução acentuada dos recursos necessários para a produção de cimento e efluentes (poeira e gases de exaustão).

Uma equipe da Universidade de Edimburgo desenvolveu o processo 'DUPE' baseado na atividade microbiana de Sporosarcina pasteurii , uma bactéria que precipita carbonato de cálcio, que, quando misturada com areia e urina , pode produzir blocos de argamassa com resistência à compressão de 70%. de materiais de construção convencionais.

Uma visão geral dos métodos amigáveis ​​ao clima para a produção de cimento pode ser encontrada aqui.

Veja também

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Leitura adicional

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