Cimento

Cimento em pó, aqui condicionado em saco, pronto para ser misturado com agregados e água. Dispersing pó de cimento seco no ar deve ser evitado para evitar 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 química usada para construção que fixa, endurece e adere a outros materiais para uni-los. O cimento raramente é usado sozinho, mas sim para unir areia e cascalho (agregado). Cimento misturado com agregado miúdo produz argamassa para alvenaria, ou com areia e cascalho, produz concreto. O concreto é o material mais utilizado que existe e está atrás apenas da água como o recurso mais consumido do planeta.

Os cimentos utilizados na construção são geralmente inorgânicos, muitas vezes à base de cal ou silicato de cálcio, que podem ser caracterizados como hidráulicos ou os menos comuns não hidráulicos, dependendo da capacidade do cimento a fazer presa em presença de água (ver reboco de cal hidráulica e não hidráulica).

Cimentos hidráulicos (por exemplo, cimento Portland) endurecem e se tornam adesivos por meio de 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 a presa em condições úmidas ou debaixo d'água e protege ainda mais o material endurecido do ataque químico. O processo químico para o cimento hidráulico foi descoberto pelos antigos romanos que usavam cinzas vulcânicas (pozolana) com adição de cal (óxido de cálcio).

Cimento não hidráulico (menos comum) não pega em condições úmidas ou debaixo d'água. Em vez disso, ele seca à medida que seca e reage com o dióxido de carbono no ar. É resistente ao ataque de produtos químicos após a presa.

A palavra "cimento" pode ser rastreada até o termo romano antigo opus caementicium, usado para descrever a alvenaria semelhante ao concreto moderno feito de rocha britada com cal queimada como aglutinante. As cinzas vulcânicas e os suplementos de tijolos pulverizados que foram adicionados à cal queimada, para obter um aglutinante hidráulico, foram posteriormente referidos como cementum , cimentum, cäment e cimento. Nos tempos modernos, os polímeros orgânicos às vezes são usados como cimentos no 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 cimenteira fosse um país, seria o terceiro maior emissor de dióxido de carbono do mundo, com até 2,8 bilhões de toneladas, atrás apenas da China e dos Estados Unidos. A reação inicial de calcinação na produção de cimento é responsável por cerca de 4% das emissões globais de CO₂. O processo geral é responsável por cerca de 8% das emissões globais de CO ₂, já que o forno de cimento no qual ocorre a reação é normalmente acionado por carvão ou coque de petróleo porque uma chama luminosa é 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 cimentícios podem ser classificados em duas categorias distintas: cimentos hidráulicos e cimentos não hidráulicos de acordo com os seus respectivos mecanismos de presa e endurecimento. A pega e endurecimento do cimento hidráulico envolve reações de hidratação e, portanto, requer água, enquanto os cimentos não hidráulicos reagem apenas com um gás e podem pegar diretamente ao ar.

Cimento hidráulico

Nódulos de Clinker 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 constituídos por uma mistura de silicatos e óxidos, as quatro principais fases minerais do clínquer, abreviadas na notação química do cimento, sendo:

C₃S: Alite (3CaO·SiO)₂);

C₂S: Belite (2₂);

C₃A: Aluminação de Tricalcium (3CaO·Al₂O₃) (historicamente, e ainda ocasionalmente, chamado Celite);

C₄AF: Brownmillerite (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃).

Os silicatos são os 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 a alta temperatura no forno. A química dessas reações não está totalmente esclarecida e ainda é objeto de pesquisas.

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 de emissões globais de dióxido de carbono.

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

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

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

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Cimento não hidráulico

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

Uma forma menos comum de cimento é o cimento não hidráulico, como a cal apagada (óxido de cálcio misturado com água), que endurece por carbonatação em contato com o 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:

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

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Depois que o excesso de água é completamente evaporado (este processo é tecnicamente chamado de configuração), a carbonatação começa:

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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, portanto a cal apagada é um cimento não hidráulico e não pode ser usado sob a água. Este processo é chamado de ciclo de cal.

História

Talvez a ocorrência mais antiga conhecida de cimento seja de doze 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 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 lajes de alabastro. No Antigo Egito, os blocos de pedra eram cimentados com uma argamassa feita de areia e gesso grosseiramente queimado (CaSO₄ · 2H₂O), que frequentemente continha carbonato de cálcio (CaCO₃).

Os gregos e os 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 descobriu primeiro que uma combinação de cal hidratada não hidráulica e uma pozolana produz uma mistura hidráulica (ver também: Reação pozolânica), mas esse concreto foi usado pelos antigos macedônios e três séculos depois em larga escala por engenheiros romanos.

Há... um tipo de pó que de causas naturais produz resultados surpreendentes. Encontra-se no bairro de Baiae e no país pertencente às cidades ao redor do Monte Vesúvio. Esta substância quando misturada com cal e pedregulho não só empresta força a edifícios de outros tipos, mas mesmo quando os píeres dele são construídos no mar, eles estabelecem subaquático duro.

—Marcus Vitruvius Pollio, Liber II, De Arquitectura, Capítulo VI "Pozzolana" Sec. 1

Os gregos usavam tufo vulcânico da ilha de Thera como pozolana e os romanos usavam cinzas vulcânicas trituradas (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 pozzolana da cidade de Pozzuoli, a oeste de Nápoles, onde as cinzas vulcânicas foram extraídas. Na ausência de cinzas pozolânicas, os romanos usaram tijolo ou cerâmica em pó 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 desses concretos, muitas das quais ainda existem. O vasto sistema de aquedutos romanos também fez uso extensivo de cimento hidráulico. O concreto romano raramente era usado na parte externa dos edifícios. A técnica normal era usar material de revestimento de tijolo como cofragem para um preenchimento de argamassa misturada com um agregado de pedaços quebrados de pedra, tijolo, cacos de cerâmica, pedaços reciclados de concreto ou outros entulhos de construção.

Idade Média

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 do Oriente, bem como no Ocidente no período gótico. A Renânia alemã continuou a usar argamassa hidráulica ao longo da Idade Média, tendo locais depósitos de pozolana chamados trass.

Século XVI

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

Século XVIII

O conhecimento técnico para fazer cimento hidráulico foi formalizado por engenheiros franceses e ingleses no século XVIII.

John Smeaton fez uma importante contribuição para o desenvolvimento de cimentos enquanto planejava a construção do terceiro Farol de Eddystone (1755–59) no Canal da Mancha, agora conhecido como Torre de Smeaton. Ele precisava de uma argamassa hidráulica que fixasse e desenvolvesse alguma resistência no período de doze horas entre sucessivas marés altas. Ele realizou experimentos com combinações de diferentes calcários e aditivos, incluindo trass e pozolanas e fez pesquisas de mercado exaustivas sobre as cales hidráulicas disponíveis, visitando seus locais de produção, e observou que a "hidraulicidade" da cal estava diretamente relacionada ao teor de argila do calcário usado para produzi-la. Smeaton era engenheiro civil de profissão e não levou a ideia adiante.

Na costa do Atlântico Sul dos Estados Unidos, tabby contando com os restos de casca de ostra de populações nativas americanas anteriores foi usado na construção de casas de 1730 a 1860.

Em particular na Grã-Bretanha, a pedra de 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 um estuque para imitar a pedra. As cales hidráulicas foram as preferidas para isso, mas a necessidade de um tempo de pega rápido incentivou o desenvolvimento de novos cimentos. O mais famoso foi o "cimento romano" de Parker. Isso 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 reduzidos a um pó fino. Este produto, transformado em almofariz com areia, endurece em 5 a 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 XIX

Aparentemente sem conhecer o trabalho 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-a, produziu um "cimento artificial" em 1817 considerado o "principal precursor" de 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 uma boa argamassa publicado em São Petersburgo. Alguns anos depois, em 1825, ele publicou outro livro, que descrevia vários métodos de fabricação de cimento e concreto e os benefícios do cimento na construção de edifícios e aterros.

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

O cimento Portland, o tipo mais comum de cimento em uso geral em todo o mundo como ingrediente básico de concreto, argamassa, estuque e rejunte não especial, foi desenvolvido na Inglaterra em meados do século XIX e geralmente se origina do calcário. James Frost produziu o que chamou de "cimento britânico" de maneira semelhante na mesma época, mas não obteve uma patente até 1822. Em 1824, Joseph Aspdin patenteou um material semelhante, que chamou de cimento Portland, porque o reboco feito com ele era colorido semelhante à prestigiada pedra Portland extraída na Ilha de Portland, Dorset, Inglaterra. No entanto, Aspdins' cimento não era nada parecido com o cimento Portland moderno, mas foi um primeiro passo em seu desenvolvimento, chamado de proto-cimento Portland. Joseph Aspdins' filho 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 contraintuitiva 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 desgastava rapidamente as mós, que eram a única tecnologia de moagem disponível na época. Os custos de fabricação foram, portanto, consideravelmente mais altos, mas o produto endureceu razoavelmente devagar e desenvolveu resistência rapidamente, abrindo assim um mercado para uso em concreto. O uso de concreto na construção cresceu rapidamente a partir de 1850 e logo foi o uso dominante para cimentos. Assim o cimento Portland iniciou 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.

Definição de tempo e "força inicial" são características importantes dos cimentos. Cais hidráulicos, "naturais" cimentos e "artificial" todos os cimentos contam com seu conteúdo de belita (2 CaO · SiO₂, abreviado como C₂S) para desenvolvimento de resistência. Belite desenvolve força lentamente. Por terem sido queimados a temperaturas abaixo de 1.250 °C (2.280 °F), não continham alita (3 CaO · SiO₂, abreviado como C₃S), que é responsável pela resistência inicial em cimentos modernos. O primeiro cimento a conter consistentemente alita foi feito por William Aspdin no início da década de 1840: era o que chamamos hoje de "moderno" Cimento Portland. 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 William O produto Aspdin fabricado na Northfleet, Kent, era um verdadeiro cimento à base de alita. 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 de sinterizar a mistura no forno.

Nos EUA, o primeiro uso em larga 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 revestir canos de água.

O cimento Sorel, ou cimento à base de magnésia, foi patenteado em 1867 pelo francês Stanislas Sorel. Era mais forte que o cimento Portland, mas sua baixa resistência à água (lixiviação) e propriedades corrosivas (corrosão por pite devido à presença de ânions de cloreto lixiviáveis e o baixo pH (8,5–9,5) de sua água intersticial) limitavam 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 era mais forte, porque mais alita (C₃S) é formada na temperatura mais alta alcançada (1450 °C) e mais homogênea. Como a matéria-prima é constantemente alimentada em um forno rotativo, permitiu um processo de fabricação contínua para substituir os processos de produção em lote de menor capacidade.

Século 20

A Companhia Nacional de Cimento Partilha da nova planta 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 experimentou concreto pré-moldado em casas em Union, N.J.

Nos EUA, 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 de Rosendale havia sobrevivido. Mas no início da década de 1930, os construtores descobriram que, embora o cimento Portland endurecesse mais rápido, não era tão durável, especialmente para rodovias - a ponto de alguns estados pararem de construir rodovias e estradas com cimento. Bertrain H. Wait, um engenheiro cuja empresa ajudou a construir o Aqueduto Catskill da cidade de Nova York, ficou impressionado com a durabilidade do cimento Rosendale e criou uma mistura de cimentos Rosendale e Portland que tinham os bons atributos de ambos. Era altamente durável e tinha um tempo de presa muito mais rápido. Wait convenceu o Comissário de Rodovias de Nova York a construir um trecho experimental da rodovia perto de New Paltz, Nova York, usando um saco de Rosendale para 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 têm sido usados como matriz de imobilização de lixo nuclear por mais de meio século. As tecnologias de cimentação de resíduos foram desenvolvidas e implantadas em escala industrial em muitos países. As formas de resíduos cimentícios requerem uma seleção cuidadosa e um processo de projeto adaptado a cada tipo específico de resíduo para satisfazer os rígidos critérios de aceitação de resíduos para armazenamento e descarte a longo prazo.

Cimentos modernos

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

• Renderização de cimento hidráulico (estuco) para acabamento de edifícios de tijolos em climas molhados
• Argamassas hidráulicas para construção de alvenaria de obras de porto, etc., em contato com água do mar
• Desenvolvimento de concretos fortes

Os cimentos modernos geralmente são cimento Portland ou misturas de cimento Portland, mas outras misturas de cimento são usadas em alguns ambientes industriais.

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 aquecendo o 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 virgem, que então se combina quimicamente com os outros materiais na mistura para formar silicatos de cálcio e outros compostos cimentícios. A substância dura resultante, chamada 'clínquer', é então moída com uma pequena quantidade de gesso (CaSO₄·2H₂O) em 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, da argamassa e da maioria dos rejuntes não especiais. O uso mais comum para o cimento Portland é fazer concreto. O cimento Portland pode ser cinza ou branco.

Mistura de cimento Portland

As misturas de cimento Portland geralmente estão disponíveis como misturas entre solos de produtores de cimento, mas formulações semelhantes também são frequentemente misturadas a partir dos componentes do solo na usina de mistura de concreto.

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 granulada moída de alto-forno, 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 de calor diminui. Usado como uma alternativa econômica aos cimentos Portland resistentes ao sulfato e de baixo calor.

Cimento Portland de cinzas volantes contém até 40% de cinzas volantes de acordo com os padrões ASTM (ASTM C595) ou 35% de acordo com os padrões EN (EN 197–1). As cinzas volantes são pozolânicas, de modo que a resistência final é mantida. Como a adição de cinzas volantes permite um menor teor de água no concreto, a resistência inicial também pode ser mantida. Onde houver cinzas volantes baratas e de boa qualidade disponíveis, elas podem ser uma alternativa econômica ao cimento Portland comum.

Cimento de pozolana Portland inclui cimento de cinza volante, uma vez que 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 costumam ser a forma mais comum de uso. As proporções máximas de substituição são geralmente definidas como para cimento de cinzas volantes Portland.

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

Cimentos de alvenaria são usados para preparar argamassas e estuques de tijolos, e não devem ser usados em concreto. Geralmente são formulações proprietárias complexas contendo clínquer Portland e vários outros ingredientes que podem incluir calcário, cal hidratada, incorporadores de ar, retardadores, impermeabilizantes e corantes. Eles são formulados para produzir argamassas trabalháveis que permitem um trabalho de alvenaria rápido e consistente. Variações sutis de cimento de alvenaria na América do Norte são cimentos plásticos e cimentos de estuque. Estes são projetados para produzir uma ligação controlada com blocos de alvenaria.

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

Cimentos misturados brancos podem ser feitos usando clínquer branco (contendo pouco ou nenhum ferro) e materiais brancos suplementares, como metacaulim de alta pureza. 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 em cimento Portland, e os cimentos coloridos são vendidos como cimentos hidráulicos misturados.

Cimentos muito finamente moídos são cimentos misturados com areia ou com escória ou outros minerais do tipo pozolana que são extremamente finamente moídos juntos. Esses cimentos podem ter as mesmas características físicas do cimento normal, mas com 50% menos cimento, principalmente porque há mais área de superfície 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

Cimentos de pozolana-cal são misturas de pozolana moída e cal. Estes são os cimentos usados pelos romanos e estão presentes nas 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 de cal escória—escória de alto-forno moída e granulada—não são hidráulicos por si só, mas são "ativados" pela adição de álcalis, mais economicamente usando cal. Eles são semelhantes aos cimentos de cal pozolânica em suas propriedades. Somente a escória granulada (ou seja, escória vítrea temperada com água) é eficaz como componente do cimento.

Cimentos supersulfatados contêm cerca de 80% de escória granulada moída de alto-forno, 15% de gesso ou anidrita e um pouco de clínquer Portland ou cal como ativador. Eles produzem resistência por formação de etringita, com crescimento de resistência semelhante a um cimento Portland lento. Apresentam boa resistência a agentes agressivos, inclusive sulfato. Os cimentos de aluminato de cálcio são cimentos hidráulicos feitos principalmente de calcário e bauxita. Os ingredientes ativos são aluminato monocálcico CaAl₂O₄ (CaO · Al₂O₃ ou CA em químico de cimento notação, CCN) e mayenita Ca₁₂Al₁₄O₃₃ (12 CaO · 7 Al₂O₃, ou C₁₂A₇ no CCN). Formas de força por hidratação para hidratos de aluminato de cálcio. Eles são bem adaptados para uso em concretos refratários (resistentes a altas temperaturas), por exemplo, para revestimento de fornos.

Cimentos de sulfoaluminato de cálcio são feitos de clínquer que incluem ye'elimite (Ca₄(AlO₂)₆SO₄ ou C₄A₃S em 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" cimentos. A hidratação produz etringita, e propriedades físicas especializadas (como expansão ou reação rápida) são obtidas pelo ajuste da disponibilidade de íons de cálcio e sulfato. Seu uso como uma alternativa de baixo consumo de energia ao cimento Portland foi pioneiro na China, onde são produzidos vários milhões de toneladas por ano. Os requisitos de energia são menores 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 CO₂ cerca de metade da associada ao clínquer Portland. No entanto, as emissões de SO₂ são geralmente significativamente maiores.

"Natural" cimentos 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 (cerca 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.

Cimentos de geopolímeros são feitos de misturas de silicatos de metais alcalinos solúveis em água e pós minerais de aluminossilicato, como cinzas volantes e metacaulim.

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

O Cimento Sorel é um cimento duro e durável feito da combinação de óxido de magnésio e uma solução de cloreto de magnésio

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 usado 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 principal objetivo dessas propriedades combinadas é reduzir a fissuração.

Definição, endurecimento e cura

O cimento começa a endurecer quando misturado com água, o que causa uma série de reações químicas de hidratação. Os constituintes hidratam lentamente e os hidratos minerais solidificam e endurecem. O entrelaçamento dos hidratos dá ao cimento sua força. Ao contrário da crença popular, o cimento hidráulico não endurece por secagem - a cura adequada requer a manutenção do teor de umidade adequado necessário para as reações de hidratação durante os processos de presa e 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 superior a 30 °C. O concreto em tenra idade deve ser protegido contra a evaporação da água devido à insolação direta, temperatura elevada, baixa umidade relativa do ar e vento.

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

Problemas de segurança

Sacos de cimento rotineiramente têm avisos de saúde e segurança impressos neles porque não só o cimento é altamente alcalino, mas o processo de endurecimento 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, pó de cimento seco em contato com membranas mucosas pode causar irritação ocular ou respiratória grave. Alguns oligoelementos, como o cromo, provenientes de impurezas naturalmente presentes nas matérias-primas utilizadas na produção do cimento podem causar dermatite alérgica. Agentes redutores como sulfato ferroso (FeSO₄) são frequentemente adicionados ao cimento para converter o cromato hexavalente cancerígeno (CrO₄²⁻) em trivalente cromo (Cr³⁺), uma espécie química menos tóxica. Os usuários de cimento também precisam usar luvas e roupas de proteção adequadas.

Indústria de cimento no mundo

Produção de cimento global em 2010

Capacidade de Cimento Global em 2010.

Em 2010, a produção mundial de cimento hidráulico foi de 3.300 megatoneladas (3.600×10^6 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 pelos três estados mais populosos do mundo.

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

Ao longo de 2011 e 2012, o consumo global continuou subindo, subindo para 3.585 Mt em 2011 e 3.736 Mt em 2012, enquanto as taxas de crescimento anual diminuíram para 8,3% e 4,2%, respectivamente.

A China, representando uma parcela crescente 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 atingiram 16% em 2010, parecem ter diminuído, diminuindo para 5–6% em relação a 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 1.462 Mt em 2010, 5% para 1.535 Mt em 2011 e, finalmente, 2,7% para 1.576 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 ao aumento dos custos de energia no Paquistão e em outros grandes países produtores de cimento, o Irã está em uma posição única como um parceiro comercial, utilizando seu próprio excedente de petróleo para abastecer fábricas de clínquer. Agora um grande produtor no 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 no período de 2010–12 contrastou notavelmente com o da China, pois a crise financeira global evoluiu para uma crise de dívida soberana para muitas economias da região e recessão. Os níveis de consumo de cimento para esta região caíram 1,9% em 2010 para 445 Mt, recuperaram 4,9% em 2011 e caíram novamente 1,1% em 2012.

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

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

A capacidade total mundial de cimento foi registrada em 5.245 Mt em 2012, com 2.950 Mt localizadas 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 constante declínio desde então. Apenas 5,18 milhões de toneladas foram exportadas da China em 2002. O cimento chinês, oferecido a US$ 34 a tonelada, está se distanciando do mercado, já que a Tailândia está cobrando 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 mundial total de cimento. “A demanda por cimento na China deve avançar 5,4% ao ano e ultrapassar 1 bilhão de toneladas em 2008, impulsionada pelo crescimento lento, mas saudável, dos gastos com construção. O cimento consumido na China representará 44% da demanda global, e a China continuará sendo o maior consumidor nacional de cimento do mundo por uma grande margem."

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

Impactos ambientais

A fabricação do cimento causa impactos ambientais em todas as etapas do processo. Estes incluem emissões de poluição atmosférica na forma de poeira, gases, ruído e vibração durante a operação de máquinas e durante a explosão em pedreiras, e danos ao campo causados pela extração de pedreiras. O equipamento para reduzir as emissões de poeira durante a extração e fabricação de cimento é amplamente utilizado, e o equipamento para capturar e separar os gases de exaustão está sendo cada vez mais utilizado. A protecção ambiental inclui também a reintegração das pedreiras no meio rural após o seu encerramento, devolvendo-as à natureza ou re-cultivando-as.

Emissões de CO2

A concentração de carbono em vãos de cimento vai de ≈5% em estruturas de cimento a ≈8% no caso de estradas em cimento. A fabricação de cimento libera CO2 na atmosfera tanto diretamente quando o carbonato de cálcio é aquecido, produzindo cal e dióxido de carbono, quanto indiretamente através do uso de energia se sua produção envolver a emissão de CO₂. A indústria do cimento produz cerca de 10% das emissões globais de CO2 produzidas pelo homem, das quais 60% são provenientes do processo químico e 40% da queima de combustível. Um estudo da Chatham House de 2018 estima que as 4 bilhões de toneladas de cimento produzidas anualmente representam 8% das emissões mundiais de CO₂.

Quase 900 kg de CO₂ são emitidos para cada 1000 kg de cimento Portland produzido. Na União Europeia, o consumo específico de energia para a produção de clínquer foi reduzido em cerca de 30% desde a década de 1970. Esta redução nos requisitos de energia primária é equivalente a aproximadamente 11 milhões de toneladas de carvão por ano com os correspondentes benefícios na redução das emissões de CO₂. Isso representa aproximadamente 5% do CO₂ antropogênico.

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 de cimento Portland. Estas emissões podem ser reduzidas diminuindo o teor de clínquer do cimento. Eles também podem ser reduzidos por métodos alternativos de fabricação, como a mistura 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 económico 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 CO₂ que foi liberado em sua fabricação e tem uma menor necessidade de energia na produção do que o cimento convencional. Tipos de cimento recém-desenvolvidos da Novacem e Eco-cement podem absorver dióxido de carbono do ar ambiente durante o endurecimento.

A partir de 2019, a captura e armazenamento de carbono está prestes a ser testada, mas sua viabilidade financeira é incerta.

Emissões de metais pesados no ar

Em algumas circunstâncias, principalmente dependendo da origem e composição das matérias-primas utilizadas, o processo de calcinação a alta temperatura de calcários e argilominerais pode liberar na atmosfera gases e poeiras ricas em metais pesados voláteis, como p. tálio, cádmio e mercúrio são os mais tóxicos. Metais pesados (Tl, Cd, Hg,...) e também o selênio são frequentemente encontrados como oligoelementos em sulfetos de metais comuns (pirita (FeS₂), mistura de zinco (ZnS), galena (PbS),...) presentes como minerais secundários na maioria das matérias-primas. Existem regulamentos ambientais em muitos países para limitar essas emissões. A partir de 2011, nos Estados Unidos, os fornos de cimento são "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 como da utilização de subprodutos reciclados ou combustíveis alternativos. O alto pH prevalecente na água intersticial 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 cromo duro usadas nos moinhos de bolas quando o clínquer é moído. Como o cromato (CrO₄²⁻) é tóxico e pode causar alergias cutâneas graves em concentrações residuais, às vezes é reduzido a Cr(III) trivalente pela adição de sulfato ferroso (FeSO₄).

Uso de combustíveis alternativos e materiais derivados

Uma fábrica de cimento consome 3 a 6 GJ de combustível por tonelada de clínquer produzida, dependendo das matérias-primas e do processo utilizado. A maioria dos fornos de cimento hoje usa carvão e coque de petróleo como combustíveis primários e, em menor escala, gás natural e óleo combustível. Resíduos e subprodutos selecionados com poder calorífico recuperável podem ser usados como combustíveis em forno de cimento (denominado coprocessamento), substituindo uma parte dos combustíveis fósseis convencionais, como o carvão, desde que atendam a especificações rígidas. Resíduos selecionados e subprodutos contendo minerais úteis como cálcio, sílica, alumina e ferro podem ser usados como matérias-primas no forno, substituindo 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 fornecer cinzas contendo minerais úteis na matriz de clínquer. Sucata de pneus de automóveis e caminhões são úteis na fabricação de cimento, pois têm alto poder calorífico e o ferro embutido nos pneus é útil como matéria-prima.

O clínquer é fabricado aquecendo matérias-primas dentro do queimador principal de um forno a uma temperatura de 1.450 °C. A chama atinge temperaturas de 1.800 °C. O material permanece a 1.200 °C por 12 a 15 segundos a 1.800 °C (e/ou?) por 5 a 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 de gases ácidos, óxidos de enxofre e cloreto de hidrogênio. Além disso, vestígios de metais pesados estão embutidos na estrutura do clínquer e nenhum subproduto, como cinzas ou resíduos, é produzido.

A indústria de cimento da UE já utiliza 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 dos chamados combustíveis alternativos (AF) seja tipicamente baseada no custo, outros fatores estão se tornando mais importantes. O uso de combustíveis alternativos traz benefícios tanto para a sociedade quanto para a empresa: as emissões de CO₂ são menores do que com combustíveis fósseis, os resíduos podem ser coprocessados de maneira eficiente e sustentável e a demanda por certos materiais virgens pode ser reduzido. No entanto, existem grandes diferenças na proporção de combustíveis alternativos usados entre os estados membros da União Européia (UE). Os benefícios sociais poderiam ser melhorados se mais estados membros aumentassem sua participação em combustíveis alternativos. O estudo Ecofys avaliou as barreiras e oportunidades para uma maior aceitação de combustíveis alternativos em 14 estados membros da UE. O estudo da Ecofys constatou que fatores locais restringem o potencial de mercado muito mais 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 deles 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, particularmente CO₂.

A crescente preocupação ambiental e o aumento do custo dos combustíveis de origem fóssil têm resultado, em muitos países, numa redução acentuada dos recursos necessários para a produção de cimento e efluentes (poeiras e gases de escape).

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

Uma visão geral dos métodos ecológicos para a produção de cimento pode ser encontrada aqui.