O cimento é um dos materiais mais utilizados na construção civil, e está entre as matérias primas mais utilizadas no mundo. Ele foi descoberto em 1824 e desde então se tornou extremamente importante para as construções em todo o mundo, de modo que é difícil imaginar como seriam sem esse material. Devido a sua importância ele veio sendo melhorado ao longo dos anos e surgiram diversos tipos com classificações e indicações de uso diferentes. Então é extremamente importante que os profissionais da área conhecem suas especificações para realizar o uso adequado.
Então vamos lá! O nome técnico para esse material é Cimento Portland, ele é utilizado como uma aglomerante que reage na presença de água formando cristais e ganhando resistência mecânica, ou seja, ele é utilizado como uma ligante que ganha resistência mecânica quando seco. o nome Portland é devido as pedras que existiam em uma ilha chamada Portland, essas pedras possuíam uma coloração muito parecida com a do cimento. Então, quando vemos nos sacos de cimento a sigla CP, já sabemos que quer dizer Cimento Portland.
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Agora vamos conhecer qual é a composição do cimento, quais são os tipos e suas utilizações, como é produzido e um pouco sobre o seu processo de hidratação .
2. Composição do Cimento Portland
Primeiro vamos falar sobre a composição do Cimento Portland porque é importante para que possamos entender alguns termos utilizados a seguir.
Clínquer: é o principal componente do cimento, sendo considera a sua fase básica de fabricação. É resultante da calcinação (queima) de uma mistura composta por calcário, argila e de outros componentes químicos como o silício, esses componentes se fundem parcialmente formando grãos entre 3 e 25mm.
Gesso: o gesso é adicionado ao clínquer para ajudar a regular o tempo de pega (início do endurecimento) do cimento, evitando que ele endureça muito rápido e permitindo que tenhamos tempo suficiente para manuseá-lo.
Escória: geralmente, esses materiais são utilizados para tornar a liberação de calor das reações de hidratação mais lenta. É basicamente um subproduto da indústria siderúrgica, obtido através da fundição de minério para a purificação de metais. Pode ter a presença de materiais como cálcio, magnésio, alumínio, dentre outros.
Pozolanas: esses materiais dão maior impermeabilidade ao cimento. Eles são aqueles que na presença de água e em contato com hidróxido de cálcio formam compostos aglomerantes, ou seja, formam uma pasta que ajuda na união dos grãos do agregado. As pozolanas podem ser naturais ou artificiais, as naturais são as cinzas vulcânicas, como elas não existem no Brasil, utilizamos as pozolanas artificiais, que são as cinzas resultantes da combustão do carvão mineral ou argilas ou folhelhos argilosos ativados entre 700°C e 900°C por calcinação (queima).
Filler: o filler calcário uma matéria-prima que possui uma granulometria muito baixa e por isso aumenta a trabalhabilidade e diminui a permeabilidade do cimento. Ele resulta de uma fina moagem, geralmente, de basalto, calcário e materiais carbonáticos.
1. Tipos de Cimento Portland
- CP I– Cimento comum
Ele é utilizado em construções em geral, quando não existe a necessidade de nenhuma característica especial. Geralmente, em concretos em que não há exposição a águas subterrâneas ou a sulfatos do solo e também quando não é necessário desenformar a peça rapidamente ou evitar a geração de calor. Ele possui um custo alto quando comparado ao outros tipos e baixa resistência, por isso, praticamente não é mais utilizado no mercado. Sua composição pode conter adições em quantidade igual ou inferior a 5%, além do gesso, que é usado para regular a pega.
- CP I-S – Cimento comum com adição
O Cimento Portland Comum com Adições (CP I-S) é usado para praticamente o mesmo caso do anterior, mas é um pouco mais barato por que possibilita um percentual maior de adições, desse modo, requer menores quantidades de clínquer. Ao invés de 5% de adições, nesse tipo podemos ter adição de até 10% de material carbonático (aglomerante) em massa.
- CP II– Cimento composto
Esse são os tipos constituídos por cimento e pela adição de algum outro material, ele pode possuir diferentes características de acordo com o tipo de adição que foi realizada. Então vamos conhecer quais são as principais adições.
CP II-E – Cimento composto com escória: ele é utilizado para estruturas que precisam de uma liberação de calor lenta, evitando que o calor liberado durante as reações cause expansão no material e gerando trincas e fissuras devido a retração após o cimento já estar seco e em temperaturas mais baixas. Além da composição básica do cimento (clínquer + gesso) o CP II-E também possui escória de alto-forno em uma proporção entre 6% e 34% do total, essa adição possibilita que o cimento tenha um calor de hidratação consideravelmente menor, além de ajudar a proteger o aço contra ação de sulfatos.
CP II-Z – Cimento composto com pozolana: adequado para utilização em estruturas maciças de concreto e estruturas em contato com a água, como barragens, pontes, dentre outras. As pozolanas (como já falamos anteriormente) são materiais divididos finamente que em contato com hidróxido de cálcio e na presença de umidade formam aglomerantes. Quando adicionadas ao cimento elas causam um desenvolvimento de resistência menor no início da cura, mas a resistência final é maior que a resistência do cimento sem adições. Além disso, as pozolanas fazem com que o calor de hidratação seja menor e a resistência química maior, por isso é indicado para utilização em ambientes agressivos.
CP II-F – Cimento composto com fíler: o fíler possibilita uma maior trabalhabilidade, por isso, esse é um tipo de cimento muito utilizado para argamassas, estruturas de concreto armado ou outras estruturas que não estejam em locais muito agressivos. O fíler (fíler calcário) é obtido da moagem fina de calcário, basalto, materiais carbonáticos, dentre outros, por possuir uma granulometria muito fina ele é um ótimo material para aumentar a trabalhabilidade e diminuir a permeabilidade do material.
- CP III– Cimento de alto forno
Ele é muito utilizado em grandes obras, que exigem resistência e durabilidade como barragens, tubos para transporte de líquidos, estradas, dentre outras construções que necessitam de características especiais. O CP III é semelhante ao CP II-E, sua adição também é a escória, mas nele a quantidade é muito maior podendo chegar a 70%, desse modo o calor desprendido na hidratação do cimento é bem mais lento, esse tipo também apresenta uma baixa permeabilidade e uma resistência bem mais elevada.
- CP IV– Cimento pozolânico
Ele é muito utilizado para argamassas de assentamento e revestimento, em concreto armado e em concreto para pavimento solo-cimento. O cimento pozolânico possui uma quantidade entre 15% e 50% de pozolanas, o que torna o seu calor de hidratação baixo e proporciona estabilidade no uso com agregados que são reativos e em ambientes com agentes agressivos ácidos.
O material pozolânico do cimento reage (na presença de água) com hidróxido de cálcio formando materiais aglomerantes. A adição desses materiais modifica as características do cimento diminuindo a permeabilidade e aumentando a estabilidade, a resistência a compreensão e o desempenho diante da ação de sulfatos e das reações álcalis-agregado.
- CP V-ARI– Cimento de alta resistência inicial
Esse tipo de cimento, como o nome já sugere, possui uma alta resistência inicial e alcança resistências mais elevadas que os cimentos comuns. Ele é muito utilizado na indústria de pré-moldados (para diminuir o tempo de desenforma das peças e aumentar a produtividade), em concreto protendido, pisos industriais e argamassas armadas.
Ele não possui adições, a sua diferença para o cimento comum é a quantidade de calcário e argila na composição do clínquer e grau de moagem dele, nesse caso o clínquer fica mais tempo na moagem e possui uma granulometria muito menor que o convencional, possibilitando que as reações de hidratação do cimento ocorram mais rapidamente, proporcionando maior resistência com menor tempo de cura. Porém, devido a ausência de pozolanas ele não é indicado para utilização em concretos que possuem agregados reativos.
Observação: É importante lembrar que a presença dessas adições no cimento são muito importantes não só para melhorar o desempenho do material, mas, também para o meio ambiente, o cimento precisa de quantidades impressionantes de calcário e outros materiais que compõem o clínquer e isso retirado da natureza ( vamos entender isso um pouco melhor no processo de fabricação), então quando adicionamos outras misturas como escória, além de reutilizar o material que é descartado por outras industrias também estamos diminuindo a quantidade de matéria prima retirada da natureza.
2. Processo produtivo do Cimento Portland
O processo de fabricação do cimento segue as orientações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Ele passa por diversos processos e os principais materiais utilizados são: calcário, argila, minério de ferro e gesso. Então vamos lá entender como funciona o processo.
- Dosagem, secagem e homogeneização das matérias-primas
O principal componente do cimento é o calcário, este contribui entre 85 e 95% na fabricação do clínquer (principal composto do cimento), dependendo da sua origem esse material pode possuir algumas impurezas como magnésio, alumínio, ferro, dentre outros.
Para obter esse calcário extraímos rochas calcárias das jazidas utilizando explosivos, as grandes pedras obtidas na explosão passam por um processo de britagem até que sejam reduzidas a grãos menores ou iguais a 25 mm. Para aumentar a qualidade do clínquer o calcário recebe algumas correções complementares de filito (argila), quartzito e minério de ferro. Todo esse material é direcionado para a moagem em um moinho vertical de rolos em proporções já determinadas, lá se processa toda a mistura, dando a granulometria adequada, homogeneizando e secando a mistura formando a farinha de cimento.
- Clinquerização
No processo de clinquerização a farinha crua é calcinada até fusão incipiente, em um forno rotativo a uma temperatura de 1450º C. Desse processo obtêm-se o clínquer.
Definição de calcinação: basicamente é uma queima realizada a altas temperatura, mas, do ponto de vista técnico a calcinação é o nome dado a reação química de decomposição térmica, usada para transformar o calcário em cal virgem para a fabricação de cimento, liberando gás carbônico.
- Adições finais e moagem
Para obter o cimento Portland pronto é realizada a moagem do clínquer, obtido anteriormente, com algumas adições. Essas adições podem ser gesso (que sempre está presente em até 5%), pozolanas ou escória. Esse processo de moagem é muito importante pois a granulometria do cimento pode influenciar em algumas características, como a velocidade de hidratação e as resistências inicial e final do cimento.
4 . Hidratação do Cimento Portland
Agora para quem estuda sobre mais especificamente sobre o cimento ou é estudante de engenharia e está na disciplina de materiais de construção civil ou mesmo quem tem muita curiosidade sobre o assunto, vamos falar sobre o processo de hidratação de cimento, essa é uma parte mais técnica e um pouco mais complexa do conteúdo.
Esse é o momento que esquecemos um pouco o que sabemos de química para entender quais são os reagentes e quais são as reações da hidratação do cimento. A nomenclatura usada aqui é diferente da que utilizamos a vida toda na química, aqui C não é um carbono, mas sim cal. Então o primeiro passo é entender a nomenclatura para sabermos identificarmos os compostos
- Nomenclatura
Essa nomenclatura facilita o entendimento do processo pois temos reações com compostos complexos o que dificulta a visualização dos componentes.
C = CaO = cal
S = SiO2 = sílica
A = Al2O3= alumina
H = H2O= água
CH = CaO.H2O == Ca(OH)2 = hidróxido de cálcio = portlandite
M = MgO= periclase
C3S = Ca3SiO5 == 3CaO.SiO2 == cálcio silicato = alite, quando impuro
C2S = Ca2SiO4 == 2CaO.SiO2 == cálcio silicato = belite, quando impuro
- Reações de hidratação do cimento
A primeira reação que acontece no cimento é a hidratação do aluminato de cálcio (C3A), essa reação ocorre tão rápido que o cimento endurece em questão de segundos, não permitindo que ele seja manuseado e liberando grande quantidade de calor.
Quando os grãos do cimento eram maiores como antigamente isso não era um grande problema, pois com os grãos grande a superfície em contanto com a água era muito menor e as reações aconteciam de forma mais lenta. Porém, atualmente, o cimento possui grãos muito menores, aumentando a superfície de contato e acelerando as reações e tornando a hidratação tão rápida que o cimento endurece antes mesmo que tenhamos a possibilidade de manuseá-lo.
Então, para resolver esse problema os cimentos atuais sempre têm gesso adicionado a sua composição, o gesso é responsável por retardar a hidratação inicialmente, adiando a pega e garantindo que tenhamos um tempo entre 2 e 4 horas para manusear a pasta de cimento, esse é o que chamamos de período de dormência.
Quando o gesso está presente no cimento reage com a água mais rapidamente, os sulfatos solúveis, tanto os alcalinos presentes no clínquer quanto os de cálcio presentes no gesso, dissolvem-se rapidamente e reagem com o aluminato tricálcico, o resultado dessa reação é um cristal chamado de etringita que envolve os grãos de cimento adiando dificultando o processo de hidratação.
Depois de um certo tempo essas etringitas desaparecem e o processo de hidratação continua normalmente. Em alguns casos, pode ocorrer a formação da etringita tardia, que é a sua formação após o endurecimento, esse fenômeno é indesejado pois pode causar patologias a pasta de cimento. Geralmente, ocorre quando ocorre o ataque de sulfatos indesejados ou quando o calor de hidratação é muito alto, desse modo é necessário controlar a temperatura na hidratação e utilizar adições que diminuam a porosidade garantindo proteção contra ataques de sulfatos
Depois que todo o gesso presente na mistura é consumido a etringita se dissolve reagindo com o aluminato de cálcio, formando o monosulfato.
Após o período de dormência a etringita se dissolve e a hidratação continua o seu processo normal, com a hidratação do C3S, do C2S e do C4AF
Hidratação do C3S
Hidratação do C2S
Hidratação do C4AF
Essas reações têm como produtos CH(Portlandita) ou CSH, ou os dois ao mesmo tempo, esses são os cristais responsáveis por determinar as características de resistência mecânica. O CHS é responsável por dar resistência ao concreto, enquanto o CH(Portlandita) é responsável por controlar a alcalinidade.
Vídeo sobre tipos de cimento e aplicações:
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Referências
Figura 1 – Disponível em: < https://www.mapadaobra.com.br/inovacao/cimento-portland-rs-e-a-melhor-solucao-para-ambientes-agressivos/>.
Figura 5 – Disponível em: < http://blogdocimento.blogspot.com/2011/11/ >.
Figuras 2, 3 – Cimento. Cimento Itambé. Curitiba. Abril de 2010. Disponível em: < http://www.unochapeco.edu.br/static/data/portal/downloads/1276.pdf >.
Thomaz, Eduardo C. S. Hidratação do cimento Portland. IME. 09/08/2011. Disponível em:< http://aquarius.ime.eb.br/~webde2/prof/ethomaz/cimentos_concretos/Hidratacao_do_cimento.pdf >.
Figuras 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 – Thomaz, Eduardo C. S. Hidratação do cimento Portland. IME. 09/08/2011. Disponível em:< http://aquarius.ime.eb.br/~webde2/prof/ethomaz/cimentos_concretos/Hidratacao_do_cimento.pdf >.
