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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBACT – CENTRO DE TECNOLOGIA

QUÍMICA INDUSTRIAL I

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ECONTROLE DE QUALIDADE DE CAL E

CIMENTO

PETRUCCIO TENÓRIO MEDEIROS - 10321040

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SUMÁRIO

01- CAL...................................................................................................... 02

1.1 - HISTÓRIA...................................................................................... 021.2 - MATÉRIA-PRIMA............................................................................. 021.3 - COMPOSIÇÃO DOS CALCÁRIOS........................................................ 031.4 - APLICAÇÕES DA CAL................................................................ ....... 031.5 - PROPRIEDADES DA CAL.................................................................. 061.6 - TIPOS DE CAL.............................................................................. .. 061.7 - FABRICAÇÃO DA CAL........................................................... ........... 08

1.7.1 - SEQUÊNCIA DE ESTÁGIOS PARA FAB. DA CAL........................... 081.7.2 - TROCA DE ENERGIA NA CONVERSÃO QUÍMICA.......................... 09

1.8 - TIPOS DE FORNO............................................................. .............. 121.8.1 - ZONAS DE FORNO................................................................ ... 12

1.9 - CONDIÇÕES ESPECÍFICAS.......................................................... ..... 121.10 - TRANSPORTE E ARMAZENAMENTO................................................. 121.11 - ANÁLISES EMPREGADAS NO CONTROLE DE QUALIDADE................ 13

02- CIMENTO.............................................................................................. 14

2.1 - INTRODUÇÃO............................................................................... .. 142.2 - CIMENTO PORTLAND................................................................. ..... 142.3 - HISTÓRIA................................................................... ................... 142.4 - CLINQUER..................................................................................... . 142.5 - EMPREGO ..................................................................................... . 142.6 - DEFINIÇÃO DO CIMENTO.......................................................... ...... 152.7 - MATÉRIAS-PRIMAS PARA FABRICAÇÃO DO CIMENTO........................ 152.8 - TIPOS DE CIMENTO..................................................................... ... 152.9 - PROCEDIMENTOS DE FABRICAÇÃO.................................................. 162.10 - OPERAÇÕES UNITÁRIAS E CONVERSÕES QUÍMICAS........................ 202.11 - REAÇÕES QUÍMICAS................................................................. .... 202.12 - COMPONENTES MINERALÓGICOS DO CLINQUER............................ 202.13 - COMPONENTES FUNDAMENTAIS.................................................... 212.14 - COMPONENTES SECUNDÁRIOS....................................................... 222.15 - PEGA E ENDURECIMENTO DO CIMENTO......................................... 22

2.15.1 - PEGA..................................................................................... 232.15.2 - PROCEDIMENTOS P/ DETERM. TEMPO DE PEGA....................... 23

2.16 - FUNÇÕES DOS COMPOSTOS DO CIMENTO...................................... 242.17 - ANÁLISES QUÍMICAS P/ CONTROLE DO CIMENTO........................... 242.18 - TESTES FÍSICOS................................................... ........................ 242.19 - OCORRÊNCIA C/ OS COMPOSTOS DO CIMENTO POR

OCASIÃO DA HIDRATAÇÃO..................................................... ....... 262.20 - ESPECIFICAÇÕES.............................................................. ............ 26

3.0 - BIBLIOGRAFIA................................................................................... .. 28

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FABRICAÇÃO E CONTROLE DE QUALIDADE DE CALE CIMENTO

01. CAL:1.1. História

A fabricação da cal e o seu emprego são conhecidos pelo homem há maisde 2.000 anos. Suas primeiras aplicações constam de construções de cais, depavimentos e edificações. Na América Colonial, a simples calcinação do calcário foium dos processos primitivos de fabricação adotada pelos colonizadores. Usavamentão fornos escavados num barranco, com paredes de tijolos ordinários ou depedra, com fogo de carvão ou de madeira no fundo, durante 72 horas. Estes fornosainda podem ser vistos em muitas das regiões de povoamento mais antigo no país.Foi só recentemente, sob a influência de pesquisa, que a fabricação da caldesenvolveu-se numa grande indústria, com um controle técnico exato, produzindoum material uniforme a custo baixo.

1.2. Matéria-Prima

A matéria-prima utilizada é o Carbonato de Cálcio (CaCO3)

Ocorrência - Encontra-se na natureza em grandes quantidades, sob diversasmodalidades, tais como:

a) Aragonita - é o carbonato de cálcio cristalizado no sistema rômbico;quando é cristalizado acima de 30°C, separam-se cristais de aragonita; abaixo destatemperatura separam-se cristais de calcita. A aragonita, abaixo de 30°C, se encontraem estado metaestável.

b) Calcita - é outra forma de carbonato de cálcio cristalizado no sistematrigonal.* Os cristais de calcita são comumente embaçados e opacos; quando sãotransparentes e incolores recebem o nome de espato de Islândia, que apresentanitidamente o fenômeno de dupla refração.

c) Mármore - é um agregado de microcristais de calcita.

d) Calcário - é o carbonato de cálcio, não nitidamente cristalizado, numaforma impura. Constitui às vezes grandes regiões da crosta terrestre. O calcário étambém chamado de “greda”.

O carbonato de cálcio é insolúvel na água. Quando em suspensão na água,dissolve-se pela passagem de uma corrente de gás carbônico, em virtude deformação de um bicarbonato de cálcio solúvel.

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

Apresenta as reações gerais dos carbonatos; assim, reage com ácidos comformação de sais de cálcio correspondentes e desprendimento de gás carbônico:

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2

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CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2

Seu principal emprego é na fabricação de cal viva. É a principal fonte deobtenção de gás carbônico, tanto em laboratório como na indústria. É matéria primade fabricação de carbonato de sódio. Usado como fundente em siderurgia forma coma ganga silicosa, um silicato de cálcio que constitui a escória.

1.3. Composição dos calcários:

Calcário rico em cálcio: 1,0% SiO2, 0,1% Al2O3, 0,3% Fe2O3, 2,0%MgCO3 e o resto de CaCO3;

Calcário magnesiano: 1,0% SiO2, 0,1% Al2O3, 0,3% Fe2O3, 11,0% MgCO3

e o resto de CaCO3; Calcário dolomítico: 1,0% SiO2, 0,2% Al2O3, 0,3% Fe2O3, 44,0% MgCO3 e

o resto de CaCO3.

1.4. Aplicações da Cal

Cal de Construção: usa-se como argamassa e com fins ornamentais porseu fácil trabalho em conseqüência da plasticidade. Dá um reboco elástico e livre defendas para exteriores, e combinada com cimento, pode-se empregar até 20% (depeso de cimento) sem prejuízo da resistência e com a vantagem de aumentar muitoo volume e facilitar o trabalho.

Cal para adubo: a forma em que a cal é aplicada na terra, varia segundoas qualidades do solo.

Tratando-se de terreno com escasso conteúdo em colóides e portantomuito expostos a lixiviação, corrige-se sua falta de cal c/ caliça moída. Nos terrenosmais compactos usa-se cal viva (virgem) em pó que facilita o espalhamento paracorrigir pH de solos ácidos.

Cal para Indústria: Sempre que se necessita de uma ação básica, emuma indústria, a mais fácil de obter e a mais barata são a cal. Seu mais largoemprego tem lugar na indústria siderúrgica para formar escória.

- é usada no abrandamento da água;- serve de matéria-prima básica na produção de sais de cálcio;- tem emprego como matéria-prima na fabricação de carbeto de cálcio (C2Ca).

2500 C

Ex.: CaO + 3 C C2 Ca + COCarbeto de Cálcio

C2Ca + 2 H2O C2H2 + Ca(OH)2acetileno

Seu maior emprego é na fabricação do hidróxido de cálcio.Em laboratório é empregado na secagem de gases, por exemplo, do NH3.

Este não pode ser secado com cloreto de cálcio porque é absorvido pelo mesmo,com formação de um amoniacato: CaCl2 . 8NH3; também não pode ser secado comácido sulfúrico concentrado porque reage com o mesmo dando sulfato de amônio;usa-se então na secagem do gás amoníaco, a cal viva.

A cal viva é usada na purificação da sacarose; forma-se um sacaratosolúvel, que é separado por filtração das impurezas (insolúveis). Passando-se uma

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corrente de gás carbônico precipita-se o carbonato de cálcio, ficando a sacarose emsolução. Os sacaratos de cálcio conhecidos são:

C12H22O11 . CaO . 2H2O

C12H22O11 . 2CaO . 2H2O

C12H22O11 . 2CaO . 3H2O

É usado na obtenção de hidrogênio puro: conduz-se uma mistura demonóxido de carbono e vapor de água sobre o óxido de cálcio aquecido a 500 C.

CaO + H2O + CO CaCO3 + H2

Hidróxido de Cálcio: Ca(OH)2 - É obtido a partir da cal viva, pela reaçãocom água:

CaO + H2O Ca(OH)2

É também chamada cal apagada.É pouco solúvel na água; ao contrário do que acontece com a maioria

das substâncias, sua solubilidade diminui com a elevação da temperatura. A soluçãode hidróxido de cálcio em água chama-se água de cal; a suspensão de grandequantidade de hidróxido de cálcio em água, chama-se leite de cal. A água de calexposta ao ar, absorve gás carbônico tornando-se leitosa, devido a formação decarbonato de cálcio, que é insolúvel.

Ca(OH)2+ CO2 CaCO3 + H2O

A água de cal é usada em Química Analítica Qualitativa, na identificaçãodo gás carbônico e dos carbonatos.

Apresenta as reações gerais dos hidróxidos; assim reage com os ácidosdando os sais de cálcio correspondentes:

Ca(OH)2+ 2HCL CaCl2 + 2H2OCa(OH)2+ H2SO4 CaSO4 + 2H2O

O maior emprego da cal extinta é na preparação da argamassa, usada noassentamento de tijolos nas construções. A argamassa é preparada misturando-secal extinta, areia e água: obtém-se uma massa espessa que exposta ao ar perdeágua e solidifica-se, endurecendo depois gradativamente, à medida que absorve gáscarbônico, formando-se então carbonato de cálcio.

O hidróxido de cálcio é empregado na fabricação:a) da cal clorada, ou cloreto de cal;

Ca(OH)2 + Cl2 CaCl . ClO + H2O

b) do hidróxido de sódio, a partir do carbonato:Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2NaOH

c) do sulfeto ácido de cálcio, que é empregado na depilação de couros: opêlo incha e é separado por simples raspagem:

Ca(OH)2 + 2H2S Ca(HS)2 + 2H2O

d) de sulfito ácido de cálcio que é empregado na extração de celulose damadeira e também como antisséptico:

Ca(OH)2 + SO2 Ca(HSO3)2

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O hidróxido de cálcio é usado na purificação do gás de hulha, poisabsorve vários gases, tais como CO2, H2S, SO2 etc. É também empregado nafabricação de vidros.

1.5 - Propriedades da Cal:

O óxido de cálcio aquecido à chama do maçarico oxídrico, emite uma luzbranca, muito intensa, denominada “luz de cal”.

Seu ponto de fusão é extremamente alto; superior a 2500 C.Como é um óxido básico, reage: a) com água, dando hidróxido; b) com

ácidos, dando os sais de cálcio correspondentes; c) com óxidos ácidos, dando os saisde cálcio correspondentes.

a) CaO + H2O Ca++ + 2 OH-

b) CaO + 2HCl CaCl2 + H2OCaO + H2SO4 CaSO4 + H2O

c) CaO + SiO2 CaSiO3

CaO + CO2 CaCO3

A reação com água é tão exotérmica, que a água em excesso chega aferver; o hidróxido de cálcio obtido é conhecido como cal extinta. Grande parte decal viva obtida é convertida em cal extinta, em enormes aplicações.

1.6 - Tipos de Cal (Classificação):

Cal Clorada: Produto químico obtido pela reação do gás cloro com a calextinta. Pó branco de composição muito complexa, que contém hipoclorito de cálcio,Ca(ClO)2. Parcialmente solúvel em água. Importante na indústria sendo empregadopara vários fins, por exemplo: como descorante alvejante, como desinfetante, comooxidante, na preparação de clorofórmio, etc. Recebe também a denominaçãoimprópria de cloreto de cal.

Cal Extinta ou Cal Apagada: [ Ca(OH)2 ] Hidróxido de Cálcio. É obtidopela reação de cal viva com água: CaO + H2O Ca(OH)2.

É pouco solúvel em água; ao contrário da maioria das substâncias, suasolubilidade diminui com a elevação da temperatura. Sua solução em águadenomina-se água de cal. A suspensão de grande quantidade de hidróxido de cálcioem água é chamada de leite de cal. Note-se que a extinção da cal é uma operaçãobem exotérmica: liberam-se 15,5 Kcal por mol que reage. É empregada no preparode argamassas para construções e como matéria-prima muito barata na indústriaquímica.

Cal Gorda: É a que provém da calcinação de calcários bastante puros etem a propriedade de se unir com a água muito rapidamente, mesmo na forma depedras, desenvolvendo grande quantidade de calor e aumentando muito de volume.É branca e dá esplêndida argamassa. Forma, com pequeno excesso de água, umapasta de aspecto gorduroso.

Cal Hidráulica: É um produto obtido pela calcinação de calcários,contendo 10 a 20% de argila. Comporta-se na extinção como a cal magra, unindo-seà água mais lentamente. Misturada com água e areia (argamassa hidráulica),absorve gás carbônico da atmosfera. Difere, porém, completamente, das calesaéreas (que endurecem ao ar) pela propriedade de endurecer mesmo na ausência de

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ar, pela ação exclusiva da água, e poder conservar-se satisfatoriamente dentro destaúltima.

Cal Magra: É a cal formada de calcários que contém silica, magnesita,argila e óxidos de ferro; é um produto inferior, que se associa à água lentamente,com fraco desenvolvimento de calor e pouco aumento de volume. Com a água,forma em vez de uma pasta consistente, uma espécie de lama que forneceargamassa de endurecimento mais lento. A produção, tanto da cal magra como dagorda, é feita em quantidades enormes.

Cal Nitrogenada: É a mistura de CaCN2 (cianamida cálcica) e C (grafite).Cerca de 70% do CaC2 (carbeto de cálcio) fabricado, é transformado em calnitrogenada, que se destina, em sua maior parte, ao uso como fertilizante. No solo,é lentamente transformada em uréia e depois em carbonato de amônio. A calnitrogenada é ainda empregada na fabricação de cianeto de sódio e gás amoníaco. Afixação do nitrogênio atmosférico através da fabricação da cal nitrogenada,representa importante processo industrial, que foi introduzido por A. Frank e N.Caro, em 1895. A produção mundial sobe a vários milhões de toneladas por ano.

Cal Sobrecalcinada: Quando a temperatura da calcinação ultrapassa a1.000 C começa a acarretar prejuízo para a qualidade da cal, pois o aumento detemperatura o CaO aumenta de densidade provocando diminuição da porosidade eaglomeração de grãos, em consequência diminui a capacidade de reação com aágua. A esta cal dá-se o nome de cal sobrecalcinada.

Cal Dolomítica: É a cal proveniente de uma rocha contendo de 35 a 45%de CaO e 10 a 25% de MgO. É também chamada de cal magnesiana. Presta-se paramassa de emboço ou estuque.

1.7 - Fabricação da Cal:

Matérias-Primas: Os carbonatos de cálcio e de magnésio são obtidos dedepósitos de calcário, de mármore, de greda ou de cascas de ostra. Nas aplicaçõesvisando a empregos químicos, prefere-se um calcário muito puro, em virtude da calcom alto teor de cálcio que se obtém. Escolhem-se as pedreiras que fornecem rochacontendo como impurezas pequenas porcentagens de silica, de argila e de ferro.Estas impurezas são importantes, pois a cal pode reagir com a sílica e a aluminadando silicatos de cálcio, ou aluminossilicato de cálcio, cujas propriedades hidráulicassão até certo ponto desejáveis.

Certas pedras que as vezes encontram-se na cal “sobre calcinada”sãoprovenientes de modificações no próprio óxido de cálcio e, também em impurezasque sofreram o efeito do excesso de calor, e que se reconhecem como massas dematerial relativamente inerte, semivitrificado. A cal sobre-calcinada é caracterizadapelo aumento de densidade, diminuição de porosidade e aglomeração de grãos; emconsequência, diminui a capacidade de reação com a água. Por outro lado a cal sub-calcinada apresenta torrões de carbonatos de cálcio que não encontramtemperaturas suficiente, para decomporem-se.

1.7.1 - Sequência de Estágios para Fabricação da Cal:

a) Extração da matéria-prima na pedreira;b) Transporte da matéria-prima da pedreira até os moinhos;c) Britagem e moagem da pedra em britadores de mandíbulas;d) Peneiramento para separar os diversos tamanhos das pedras;e) Carreamento de pedras maiores para o topo de fornos verticais;

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f) Carreamento de pedras pequenas para um forno rotatório (horizontal);g) Transporte dos finos para um pulverizador, a fim de fabricar-se calcário

moído para a agricultura ou outras finalidades;h) Calcinação do calcário de acordo com o tamanho, em fornos verticais, para

produzir cal em pedras, ou em fornos rotatórios horizontais, para produzir calpulverizada.

900 C

Reação: CaCO3 CaO + CO2

i) Embalagem da cal produzida ou carreamento para um hidratador;j) Hidratação da cal:

Reação: CaO + H2O Ca(OH)2 H= - 15,9 Kcal.

l) Moagem e classificação granulométrica da cal extinta ou apagada;m) Ensacamento.

1.7.2 -Troca de Energia na conversão Química :

Para fabricação da cal, gasta-se energia para extração do calcário dapedreira, para o transporte até a fábrica e na calcinação através do forno.

Calcinação : CaCO3(S) CaO(s) + CO2(g) - H = 1,18 x106Kcal/Ton

Hidratação : CaO(s) + H2O(l) + Ca(OH)2(l) - H = -15,9Kcal

O consumo médio de combustível na calcinação, usando-se carvãobetuminoso, é de 3,23 Kg de cal por um de carvão, nos fornos verticais, e de 3,37Kg, nos fornos rotatórios(horizontais).

A calcinação é uma reação reversível. Abaixo de 650 C, à pressão dedecomposição do CO2 no equilíbrio é muito pequena. Entre 650 a 900 C, a pressãode decomposição aumenta rapidamente e atinge a 1 atm a cerca de 900 C. Namaioria dos fornos em operação, a pressão parcial do CO2 nos gases em contatodireto com a superfície externa das pedras é menor que 1 atm; por isso, adecomposição inicial pode ocorrer em temperaturas um pouco menores que 900 C. Atemperatura de decomposição no centro dos pedaços de rocha é, possivelmente,bem superior a 900 C, pois aí a pressão parcial do CO2 não só é igual à pressãototal, ou está próxima desta pressão total, mas também deve ser bastante elevadapara provocar o movimento do gás para fora da pedra e sua entrada na correntegasosa. O calor total necessário para obter uma tonelada de cal na calcinação podeser dividido em duas partes : o calor sensível necessário para elevar a temperaturada rocha até a decomposição, e o calor latente de dissociação.

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FLUXOGRAMA DA SEQUÊNCIA DOS ESTÁGIOS PARA FABRICAÇÃO DA CAL

FORNOHORIZONTAL

( PED RAS PEQU ENAS )

PEDREIRA EMBALAGEM

DE DE CALCALCÁRIO

( PÓ DE CA LCÁR IO ) ( PED RAS MAIORES )

PULVERIZADOR

HIDRATAÇÃO

MOAGEM E

AGRICULTURA

CLASSIFICAÇÃO

ENSACAMENTO

TRANSPORTE BRITAGEM CLASSIFICAÇÃO FORNO VERTICAL CALCINAÇÃOVIRGEM

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1.8 - Tipos de Forno:

1.8.1 Fornos Verticais - empregam-se em geral na calcinação de pedrasgraúdas

1.8.1.1. Fornos Verticais com Fornalhas de Aquecimento Externas - sãoos de modelo mais primitivo e atualmente estão obsoletos;

1.8.1.2. Fornos Verticais Queimando uma Alimentação Mista de Calcárioe Coque - nestes fornos o calcário deve estar bem integrado com o combustível;

1.8.1.3. Fornos Verticais onde a combustão do gás é feita emqueimadores Especiais - nesses fornos há várias bocas de alimentação e o controleda temperatura é feito por instrumentos que assegura aquecimento da calcinaçãouniforme;

1.8.2. Fornos Rotatórios Horizontais - esses fornos têm em média umcomprimento de 46 m e diâmetro em torno de 3 m. O forno horizontal moderno temdiversos dispositivos para classificar e pré-aquecer o calcário afluente.

Os fornos tanto horizontais como verticais são revestidos com tijolosrefratários e tem os seus cascos confeccionados em aço.

1.8.1 - Zonas do Forno:

1.9 - Condições Específicas:

Cal virgem: A granulometria da cal virgem deve ser tal que atenda as exigências dos

equipamentos de preparo e dosagem nos locais de sua utilização; O teor mínimo de CaO disponível deve ser de 90%; O conteúdo máximo do resíduo de extinção deve ser 5%, quando retido

na peneira de abertura de 0,6 mm; O conteúdo máximo de CaCO3, deve ser de 5%.

Zona de pré-aquecimento

Zona de calcinação

Zona de resfriamento

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Cal hidratada: A granulometria de cal hidratada deve ser tal que 5% do material, no

máximo, seja retido na peneira de abertura de 0,075 mm; O conteúdo mínimo de Ca(OH)2 deve ser 90%; O conteúdo máximo de material insolúvel em (HCl) deve ser de 15%; O conteúdo máximo de CaCO3 deve ser de 5%.

Propriedades da cal : Peso específico - 420 - 1.100 Kg/m3; Teor de óxido de cálcio deve ser superior a 68% na cal hidratada; Solubilidade em água - 1,2 g/L; A hidratação da cal virgem, denominada comumente de extinção, se

desenvolve com liberação de grande quantidade de calor.

1.10- Transporte e Armazenamento:

a) Cal Virgem: A proteção da cal virgem durante o transporte earmazenamento, contra o contato com umidade ou com água, é fundamental paragarantir sua qualidade e para evitar a ocorrência de acidentes provocados pelaelevação da temperatura. Essa elevação pode atingir valores suficientes paraprovocar incêndio em materiais combustíveis.

Pode ser embalada em sacos multifolhados de papel, e assimtransportada em caminhões comuns e armazenada em pavilhões cobertos. Estesdevem ser livres de umidade, de inundações e de goteiras. Não devem ser usadosestrados de madeira, por serem combustíveis. O armazenamento não deve ser feitojunto com materiais inflamáveis, materiais explosivos, ou junto com produtoshigroscópicos.

b) Cal Hidratada: A cal hidratada não exige os cuidados preconizadospara a cal virgem, no que diz respeito ao contato com a água. Mas da mesma formaque a cal virgem, irrita a pele e as mucosas. Esse problema é agravado pelo fato deser um material pulverulento muito fino, com baixo peso específico, produzindo porisso grande quantidade de poeira ao ser movimentado.

1.11- Análises Empregadas no Controle de Qualidade:

ANÁLISE MÉDIAS-CALCÁREO-

CaO - 51,32%MgO - 1,20%

SiO2 - 2,30%R2O3 - 51,32%

-CAL VIRGEM-CaO - 90,36%

MgO - 1,70%SiO2 - 2,83%

R2O3 - 1,10%-CAL HIDRATADA-

CaO - 71,84%MgO - 1,45%

SiO2 - 2,53%R2O3 - 0,88%

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02- CIMENTO:2.1 - Introdução

O uso industrial do calcário e cimentos proporcionou aos químicosimportantes atividades, desde o tempo da adoção das argamassas de cal e doscimentos naturais.

Nos tempos modernos basta mencionar: paredes, vigas de concretoarmado, os túneis, as barragens e as estradas, como exemplo do uso do cimento.

A adaptabilidade, a resistência e a durabilidade constituem a base dasaplicações.

2.2 - Cimentos Portland

Foi descoberto que algumas rochas naturais, depois de uma simplescalcinação, davam um produto que endurecia pela adição da água. Depois disto, oprogresso só foi efetuado depois de investigações físico-químicas que estabeleceramas bases de operações eficientes das fábricas modernas.

2.3 - História

Em 1824-Joseph Aspdin patenteou um cimento artificial feito pela calcinaçãode calcário argiloso. O nome portland foi devido assemelhar-se a uma pedraexistente na ilha de Portland (Inglaterra).

O cimento existe desde a construção das pirâmides (egípcias).Gregos e romanos usavam tufo vulcânico e cal em forma de cimento.

2.4 - Clinquer

Produto resultante da queima da mistura de argila e de calcário, ou demateriais semelhantes, é conhecido como cimento portland, para distinguir docimento natural, da pozolana ou outros cimentos.

2.5 - Emprego

Construção de casas, de edifícios, de estradas, de represas, etc.

2.6 - Definições de cimento

É o produto que se obtém pela pulverização do clinquer constituídoessencialmente por silicatos de cálcio e de sulfato de cálcio (gesso) bruto e de outrosmateriais em teor que não exceda 1,0%.

Compostos do Clinquer

nº Fórmula Nome Símbolo01 2CaOSiO2 Silicato dicálcico C2S02 3CaOSiO2 Silicato tricálcico C3S03 3CaOAl2O3 Aluminato tricálcico C3A

04 4CaOAl2O3Fe2O3Aluminato Ferrito

tetracálcico C4AF

05 MgO Óxido de magnésio livre MgO

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2.7 - Matérias-primas para fabricação do cimento- Calcário, marga (produto intermediário entre calcário e argila), argila,

escória de alto forno, gesso, areia e arenito, materiais ferrosos, etc.

2.8 - Tipos de Cimento

a - Cimento portland comum - Constitui o produto usual para asconstruções de concreto. Desse cimento há outros tipos:

- Cimento branco - menor teor em Fe2O3;- Cimento de poço de petróleo;- Cimento de pega rápida.

b - Cimento portland com baixo calor de endurecimento eresistente ao sulfato

O calor desprendido não deve exceder a 70 e 80 cal/g, depois de 7 e 28dias respectivamente.

c - Cimentos de alta resistência inicial

São produzidos com matérias-primas em que a razão cal/sílica é mais altaque nos cimentos tipo comum : os grãos são mais finos e o teor em silicatotricálcico(C3S) é maior que nos cimentos comuns.

Essa proporção e a granulometria mais fina provoca endurecimento rápido eevolução de calor também mais rápida.

d - Cimento portland de baixo calor de hidratação

Apresenta teores de C3S e C3A em menores percentagens. Em consequênciao teor de C4AF aumenta com o teor de Fe2O3 para reduzir o teor de C3A.

e - Cimento portland resistente aos sulfatos

O teor de C3A é menor que nos cimentos comuns. Por isto o percentualem C4AF é mais elevado.

2.9 - Procedimentos de Fabricação

a) Processo Úmido

Em ambos os processos (seco e úmido) a moagem em circuito fechado épreferida à moagem em circuito aberto para preparação das matérias-primas. Noprimeiro os finos são separados e os grossos retornam ao circuito, no último é moídoaté que sua granulometria média atinja o valor desejado.

O processo úmido está sendo deslocado pelo processo a seco em virtude daeconomia de calor, do controle acurado e da misturação da matéria-prima que eleproporciona.

No processo a úmido o material sólido depois de britado a seco é reduzido aum estado de divisão em moinhos de bolas, a úmido, e passa na formação desuspensão por classificadores de cuba ou peneiras.

A suspensão é bombeada para os tanques corretores onde braços giratóriosmantêm a mistura da lama grossa homogênea e se fazem os ajustamentos finais emcomposição.

Em algumas fábricas esta é continuamente filtrada num filtro rotatório.

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b) Sequência do Processo Via Seco

I - britagem grosseira;II - passagem por moinho;III - secagem e classificação;IV - moagem mais fina em moinhos tubulares;V - classificação pneumática:Nesta Sequência incluem-se dispositivos de proporcionamento das

substâncias que antes de entrarem no forno passam por uma misturação completa.VI - o material já referido entra no forno rotatório onde ocorrem as reações

químicas mencionadas anteriormente;VII - o calor no forno é proveniente da queima do óleo, gás ou carvão

pulverizado que usa o ar pré-aquecido no arrefecimento do clinquer;VIII - o tempo de permanência no forno é da ordem de 1 a 3 horas.Obs.: No processo Via Úmida, para gastar menor calor, parte da água é

removida através de filtro de lama.IX - o produto final que sai do forno como massas granulares duras (3 a 19

mm) é denominada clinquer;X - O clinquer é descarregado do forno em arrefecedores pneumáticos que

abaixam a temperatura para 100 a 200 C e pré-aquece o ar de combustão;XI - moagem fina em moinhos tubulares de bolas e adição de agentes

retardadores como gesso, gesso de paris(gesso semi-hidratado)

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Fluxograma Resumido

Jazida

Britador

Depósito de calcário eargila

Moinho

Homogenização e Silosde Cru

Forno

Depósitos de Clinquer eGesso

Moinho de cimento

Ensacadeira

Expedição

FLUXOGRAMA

FABRICAÇÃO DE CIMENTO PORTLAND

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2.10 - Operações Unitárias e Conversões Químicas

As operações unitárias consistem na preparação das matérias-primas nasproporções necessárias e no estado físico apropriado a ocorrerem as conversõesquímicas na temperatura de calcinação reinante no forno para formação doscompostos componentes do cimento.

Os óxidos alcalinos não alteram as propriedades do cimento em virtude dasemelhança de propriedades dos compostos formados com eles e dos compostossemelhantes que não os contém.

2.11 - Reações Químicas

Temperatura(°C) Reações Troca Térmica100 Evaporação da água livre Endotérmica

Acima de 500 Perda da água combinada na argila Endotérmica

Acima de 900 Cristalização dos produtos amorfosresultantes da desidratação da argila Exotérmica

Acima de 900 Perda do CO2 do calcário Endotérmica900-1.200 Reação principal entre cal e argila Exotérmica

1.250-1.280 Início de formação de líquido Endotérmica

acima de 1.280Prossegue a formação de líquido e

completa-se a formação docimento(compostos)

No totalprovavelmenteendotérmica

A fase fluída final corresponde a uns 20 a 30% das reações.

2.12- Componentes Mineralógicos do Clinquer

Silicato Tricálcico: é o componente ativo do clinquer. Desenvolve granderesistência inicial. Dissocia-se a 1.900 C, dando silicato bicálcico e CaO livre.

Silicato Bicálcico: existem em média quatro formas desse silicato, estáveisnos seguintes intervalos de temperatura:

(alfa) - 1.470 a 2.130 C;‘(alfa’) - 675 a 1.470 C;(beta) - < 675 C(mais frequente);(gama) - < 820 C.

Aluminato Tricálcico: é o componente que possui a ação mais rápida dehidratação, haja vista seu alto calor de hidratação, maior que qualquer doscomponentes mineralógicos do clinquer.

Características: - resistência nos primeiros dias;- resistência a certas águas agressivas (mar).

Alumínio-ferro-Tetracálcico: não participa praticamente na resistência.Pouco aparece nos cimentos brancos. Constitui a fase intersticial do cimento.

2.13 - Componentes Fundamentais

CaO: provém do CaCO3 que se liberta por calcinação. É usado comoaglomerante devido sua pasta absorver o CO2 do ar adquirindo a consistência docarbonato. O aglomerante do CaO chega a resistência de 50Kg/cm2.

Apresenta-se sob várias colorações, dependendo do grau de impurezas.

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SiO2: ocorre nas argilas. É insolúvel em água e nos ácidos. Funde-se a 1.900C e no resfriar-se, produz o vidro de quartzo.

Al2O3: está relacionado com a argila que o contém em grande percentagem.É muito frequente na caulinita, quando contém,

Sílica - 45,5%Alumina - 39,5%Água - 14,0%A caulinita é o constituinte principal do caulim, produto da desagregação

das rochas principalmente feldspato.A alumina pura é usada principalmente na fabricação de refratário.Fe2O3: é um dos componentes inseparáveis dos cimentos hidráulicos, exceto

nos cimentos brancos.A maioria dos minerais o contém, inclusive as argilas.Participa na fabricação dos cimentos como fundente.

2.14 - Componentes Secundários

Perda ao Fogo: refere-se aos componentes que são liberados a temperaturade aproximadamente 1.000 C. São eles: CO2 e umidade.

A umidade provém da água que se junta ao clinquer para facilitar seuesfriamento ou abrandar sua moagem.

O CO2 é absorvido da atmosfera.A gipsita concorre com uma pequena parte da umidade.Uma perda ao fogo alta prejudica o endurecimento dos cimentos em relação

a idade. Pode indicar um clinquer incozido.Um armazenamento imperfeito, pode também resultar em um aumento da

perda ao fogo.

Resíduo Insolúvel: representa a sílica remanescente que não reagiu durantea clinquerização. Um resíduo insolúvel alto significa que a cocção foi imperfeita, ouseja a sílica ficou sem reagir. A sílica que integra os componentes minerais doclinquer é solúvel em ácido clorídrico. A sílica contida nos minerais é insolúvel.

MgO: é o companheiro assíduo dos carbonatos, onde ocorre sob a forma deMgCO3. No forno é descarbonatado, produzindo MgO e CO2.

Ao contrário do CaO, não reage para formar silicatos. Passa livre para oscimentos que constitui a parte intersticial do clinquer. Seus efeitos de expansão, sóse fazem sentir quando se hidrata produzindo Mg(OH)2, de volume maior que oMgO.

Cimentos ricos em MgO, apresentam tonalidade cinza esverdeada. Quandoisentos desses elementos dão coloração café.

Álcalis(K2O e Na2O): acompanham as matérias-primas. Representam umpapel reduzido como fundentes. Um excesso de álcalis, aumenta a fase líquida queacarreta no perigo de formação de anéis de álcalis, materiais que se cristalizam nointerior dos fornos. Teores altos de álcalis, prejudicam a regulação do tempo depega.

São vaporizados entre 800 e 1.000 C(zona de clinquerização onde sãoarrastados pelos gases de combustão).

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2.15 - Pega e Endurecimento do Cimento

As reações do cimento portland com a água são exotérmicas, lentas e ocalor dissipado é por irradiação.

Contrariamente a hidratação da cal que é instantânea e o calor geradochega a ferver a água do apagado. Devido a rapidez, não há tempo para o calordissipar por irradiação. O calor gerado aumenta a temperatura das partes,argamassa e concreto causando perigo nas construções de grande porte, pois o calorgerado é proporcional ao volume. Após uma hidratação completa, cada componentemineral do cimento libera a seguinte quantidade de calor:

Silicato Tricálcico ___120 cal/gSilicato Bicálcico __ 62 cal/gAluminato Tricálcico ____207 cal/gFerro Aluminato Tetracálcico ___100 cal/g

2.15.1 - Pega : é o nome tecnológico do fenômeno durante o qual a pastado cimento adquire gradualmente resistência.

Os diversos compostos contribuem para o calor de endurecimento, depoisde 28 dias, da seguinte forma:

C3A> C3S> C4AF> C2SConsegue-se retirar este efeito adicionando ao cimento mais Fe2O3 que

retira o Al2O3 formando C4AF, diminuindo assim o teor de C3A.O cimento com baixo desprendimento de calor, durante a pega, é

recomendado para barragens porque evita rachaduras na estrutura provocadas portensões térmicas criadas durante a pega e o arrefecimento.

Para evitar a pega rápida, provocada pelo C3A, adiciona-se gesso comoretardador que leva a formação de C3A3CaSO4.31H2O.

2.15.2 -Procedimentos p/ Determinação do Tempo de PegaA medida do tempo de pega se faz com a utilização da agulha de Vicat de

formato cilíndrico, seção circular de 1 mm2, é aplicada sobre uma pasta deconsistência normal, com uma carga de 300g.

A consistência normal é determinada pelo uso da sonda Tetmajer, deformato também cilíndrico, mas de diâmetro de 1 cm.

Diz-se que a pasta tem consistência normal quando colocada em uma formade feitio de anel, com diâmetro interno de 8 cm e altura de 4 cm, a sonda deTetmajer, colocada sobre a pasta, sem choque e sem velocidade inicial, estaciona a6 mm do fundo da forma.

O tempo de início de pega é o tempo que decorre desde o instante em quese lança no cimento a água de amassamento até que a agulha de Vitac, aplicadatambém sem choque, estaciona a 1,0 mm do fundo.

O fim da pega é o tempo que decorre desde o lançamento da água deamassamento até o momento em que a agulha, aplicada suavemente sobre asuperfície da pasta, não deixa vestígios apreciáveis.

Os testes devem ser feitos a 21 C e a umidade relativa ambiente > 85%.

2.16 - Funções dos Compostos do Cimento

C3A - Provoca a pega, mas precisa ser retardado pelo gesso;C3S - Responsável pela resistência inicial(em 7 a 28 dias);C2S e C3S - Responsáveis pela resistência final(em um ano);Fe2O3, Al2O3, Mg e Alcalis - abaixam a temperatura de formação do Clinquer.

2.17 - Análises Químicas para Controle do Cimento

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a) Perda ao fogo - exprime os componentes, acidentalmente presentes nocimento, e que são eliminados por aquecimento a 1.000 C. Normalmente éconstituída de água higroscópica, água de cristalização, água de hidratação e deCO2.

b) Resíduo Insolúvel - constituído principalmente de silicatos solúveis emHCl, encontrados em pequeno teor nos cimentos portland.

c) Cal Total - corresponde a todo o CaO sob a forma de silicatos,aluminatos, ferroaluminatos, sulfatos, óxidos e hidróxidos livres, e originalmenteCaCO3.

d) Alumina e Ferro - acompanham a matéria-prima e entram na fabricaçãodos cimentos como fundentes, combinados sob a forma de silicatos.

Limites Exigidos pela A.B.N.T.

Perda ao fogo 4,0 % Resíduo insolúvel 0,85% SO3 2,5 % MgO 6,0 %

2.18 - Testes Físicos(que se realizam numa fábrica de cimento)

a) Resistência a Compressão: limites minímos3 dias - 80 Kg/cm2

7 dias - 150 Kg/cm2

28 dias - 250 Kg/cm2

b) Finura: - Limite de resíduo de 15% para peneira de abertura de 0,075mm;

- Permeabilidade Blaine : superfície específica - 2.600 a 3.000cm2/g;

c) Expansão - Agulha de Le Chatelier - 10 mm(limite);d) Pega -

Composição Química : Embora afete pouco a resistência final, seudesenvolvimento é afetado notavelmente pela composição química.

Ex.: Cimentos mais pobres em cal, dão uma resistência final maior.

Resistência versus Tempo

Sonda metálicaP = 300gA = 1,0 mm2(área da seção circular)

Recipiente da pasta80x40 mm1,00 mm(parar)- tempo de pega em torno de uma hora

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2.19 - Ocorrência c/ os compostos do cimento por ocasiãoda hidratação:

Os compostos do cimento são anidros. Quando entram em contato com aágua originam um processo de endurecimento pela hidratação dos mesmos.

Esses produtos hidratados são de fraca solubilidade na água, de modo queem um concreto a dissolução é de grandeza desprezível.

Veja a seguir o que acontece na hidratação de cada componente:

C3S - A hidratação começa dentro de poucas horas, desprende-se calor; ocomposto anidro vai passando para a solução, aparecendo cristais de Ca(OH)2,enquanto uma massa gelatinosa de silicato hidratado se forma em torno dos grãosoriginais.

C2S - É atacado lentamente pela água; depois de semanas os cristais serecobrem de silicato hidratado. Forma-se também Ca(OH)2, porém em menorquantidade que na hidratação de C3S.

C3A - Reage rapidamente com a água e cristaliza em poucos minutos. Nãose produz hidróxido, mas aluminato hidratado. O calor de hidratação é tanto quequase seca a massa.

C4AF - Reage menos rapidamente que o C3A. Não libera cal e formatambém um aluminato hidratado.

Estas reações processam-se simultaneamente, havendo ainda uma reação,da parte dos compostos, com o gesso.

O aluminato de cálcio hidratado reaciona com o sulfato de cálcio e forma osulfoaluminato conhecido pelo nome de sal de CANDLOT.

C3A.aq. + 3CaSO4 3 CaO. Al2O3 . 3CaSO4 . 3lH2O

A cristalização desse sal se dá com a fixação de muita água.Havendo cal dissolvida na água de embebição, o aluminato não está

dissolvido e forma-se nos poros da massa uma quantidade de sulfoaluminato maiordo que eles podem conter, o que provoca a expansão e desagregação do material.

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Em caso contrário, isto é, formando-se o sulfoaluminato a partir doaluminato dissolvido, a cristalização do sal não ocupa um volume maior que o dostrês componentes (água-aluminato-sulfato), o elemento sólido se aloja nos poros e amassa se torna mais compacta.

2.20 - Especificações:

A especificação EB-1 da ABNT classifica os cimentos portland comuns em 3tipos: 250, 320 e 400.

O grau de moagem determina-se pelo ensaio de peneiração, havendo atendência de substituí-lo pelo ensaio da superfície específica, de muito maiorexpressão.

Pelo ensaio de finura, o resíduo deixado na peneira normal, de malhaquadrada de 0,075mm de lado (série Tyler no 200), não deve ultrapassar 15% empeso.

Enquanto pelo ensaio da superfície específica, através do Blaine, tem comovalores mínimos recomendáveis os seguintes: tipo 250 (mínimo) 2.600cm2 / g , tipos320 e 400 (mínimo) 2.800cm2 / g.

Com relação à expansibilidade, no ensaio efetuado com as agulhas LECHATELIER, tanto para o ensaio a quente como para o ensaio a frio, o valor máximopermissível é de 5mm.

O tempo de início de pega determinado em uma pasta de consistêncianormal (fixada pela sonda de TETMAJER), com o auxílio da agulha de VICAT, devedar no mínimo uma hora, para ser considerada normal a pega.

O tempo de fim de pega deve ser no máximo de 10 horas.Com relação à resistência a compressão, o ensaio executado em corpos de

prova cilíndricos deverá dar os seguintes valores mínimos, obtidos pelas médias de 6corpos de prova:

IDADE EM DIAS RESISTÊNCIA EM kgf / cm2 (mínima)TIPO 250 TIPO 320 TIPO 400

3 80 100 1407 150 200 24028 250 320 400

3.0 -BIBLIOGRAFIA

- INDÚSTRIA DE PROCESSOS QUÍMICOS - R. Norris Shreve.

- CONCRETO DE CIMENTO DE PORTLAND - Eládio G.R. Petrucci.