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FACULDADE IETEC Sulenira Maria Ferreira de Sousa AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE POZOLANAS COMO MATERIAIS ALTERNATIVOS AO CLÍNQUER NA PRODUÇÃO DE CIMENTO PORTLAND Belo Horizonte 2017

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FACULDADE IETEC

Sulenira Maria Ferreira de Sousa

AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE POZOLANAS COMO MATERIAIS

ALTERNATIVOS AO CLÍNQUER NA PRODUÇÃO DE CIMENTO

PORTLAND

Belo Horizonte

2017

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Sulenira Maria Ferreira de Sousa

AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE POZOLANAS COMO MATERIAIS

ALTERNATIVOS AO CLÍNQUER NA PRODUÇÃO DE CIMENTO

PORTLAND

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado da Faculdade Ietec, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia e Gestão de Processos e Sistemas.

Área de concentração: Engenharia e Gestão de Processos e Sistemas

Linha de pesquisa: Engenharia de Processos e Sistemas. Orientador: Prof.ª Dr.ª Aline Pereira Leite Nunes Faculdade Ietec

Belo Horizonte

Faculdade Ietec

2017

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Sousa, Sulenira Maria Ferreira de.

S725a Avaliação do emprego de pozolanas como materiais alternativos ao clínquer na produção de cimento Portland / Sulenira Maria Ferreira de Sousa. - Belo Horizonte, 2017.

86 f., enc.

Orientador: Aline Pereira Leite Nunes.

Dissertação (mestrado) – Faculdade Ietec.

Bibliografia: f. 77-82

1. Adições minerais. 2. Argila calcinada. 3. Cimento Portland. 4. Escória de alto-forno. 5. Sustentabilidade. I. Nunes, Aline Pereira Leite. II. Faculdade Ietec. Mestrado em Engenharia e Gestão de Processos e Sistemas. III. Título.

CDU: 622:502.3

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Dedico este trabalho à minha mãe, Maria do Carmo Ferreira de Sousa, e à minha

família, pelo tempo que deixamos de estar juntos, pelo amor, pela dedicação, pelo

carinho e pela compreensão durante todo o tempo. A eles, todos os créditos...

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AGRADECIMENTOS

A Deus, primeiramente, pelo dom da vida e pelas conquistas até aqui.

À minha mãe, Maria do Carmo Ferreira de Sousa, por suas orações, seu apoio e sua

compreensão durante todo o período.

Ao irmão, Yuri Matheus Ferreira Neves, pelo apoio.

À minha orientadora, Prof.ª Aline Pereira Leite Nunes, pelos conhecimentos

repassados.

À professora Andréia Bicalho Henriques, do Departamento de Engenharia de Minas

da UFMG, pelas análises de caracterização das amostras.

À empresa, que abriu as portas para o desenvolvimento do trabalho.

Ao Marcos Henrique Gomes, pelo apoio e pela compreensão.

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“Mas tu, Senhor, és um escudo para mim, a minha glória e o que exalta a minha

cabeça. Com a minha voz clamei ao Senhor, ele ouviu-me desde o seu santo monte.

Eu me deitei, dormi e acordei porque o Senhor me sustentou.”

Salmo 3:5

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RESUMO

A utilização de resíduos industriais na fabricação de cimento proporciona benefícios

ao meio-ambiente, pois minimiza o descarte desses resíduos e gera uma diminuição

significativa no consumo de recursos naturais primários e não renováveis, como é o

caso dos minérios de calcário e argila. A substituição parcial do clínquer, matéria-

prima do cimento, por materiais alternativos reduz o consumo energético e as

emissões de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera. Entre estes materiais,

destacam-se as adições minerais com características pozolânicas, como a argila

calcinada, a escória granulada de alto-forno e as cinzas de volantes. Diante de

tantos benefícios, foram estudados dois tipos de pozolanas para substituição ao

clínquer, a argila calcinada e a escória granulada de alto-forno, em termos de

composição química, mineralógica, granulométrica e a influência de cada pozolana

na qualidade e na produtividade em uma indústria de cimento Portland. Esse

trabalho baseou-se na caracterização química da argila calcinada e da escória de

alto-forno, com o objetivo de elucidar os benefícios de cada material pozolânico com

base em suas características composicionais e na análise granulométrica. Em

seguida, avaliou-se a influência de cada material pozolânico na qualidade do

cimento por meio de análises químicas e de resistência à compressão e, por fim, foi

realizada uma análise da produtividade de cimento com ambos os materiais

pozolânicos em sua composição. Foram observados grandes benefícios com a

adição das pozolanas, principalmente no que se refere à qualidade do cimento,

como o aumento de resistência à compressão ao cimento, principalmente com a

argila calcinada e o aumento de produção com a escória de alto-forno, reflexo da

melhor estabilidade do processo com sua utilização.

Palavras-chave: Adições minerais. Argila calcinada. Cimento Portland. Escória de

alto-forno. Sustentabilidade.

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ABSTRACT

The industrial waste use in the cement manufacture provides benefits to the

environment, since it minimizes the disposal of these residues and generates a

significant decrease in the consumption of primary and non-renewable natural

resources, as is the case of limestone and clay ores. The partial replacement of

cement clinker with alternative materials reduces energy consumption and carbon

dioxide (CO2) emissions into the atmosphere. Among these materials, it highlights

the mineral additions with pozzolanic characteristics, such as calcined clay,

granulated blast furnace slag and fly ash. In the face of so many benefits, two types

of pozzolans, calcined clay and granulated blast furnace slag were studied in terms

of chemical composition, mineralogical, granulometric and the influence of each

material on quality and productivity in a Portland cement industry. This work was

based on the chemical characterization of the calcined clay and the blast furnace

slag, in order to elucidate the benefits of each pozzolanic material based on its

characteristics and granulometric analysis. Then, the influence of each pozzolanic

material on the quality of the cement was evaluated through of chemical analysis and

compressive strength, and finally, an analysis of the cement productivity with both

pozzolanic materials was made. Great benefits were observed with the addition of

pozzolans, especially with regard to cement quality, such as increased compressive

strength to cement, mainly with calcined clay and increased production with blast

furnace slag, reflecting the better stability of the process with its use.

Keywords: Mineral additions. Calcined clay. Portland cement. Blast furnace slag.

Sustainability.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Clínquer .................................................................................................... 20

Figura 2 – Fluxograma da fabricação de cimento ..................................................... 26

Figura 3 – Moinho de disco ....................................................................................... 44

Figura 4 – Prensa semiautomática ............................................................................ 44

Figura 5 – Espectrômetro de Raios-X ....................................................................... 45

Figura 6 – Molde cônico e agulha de Vicat ............................................................... 49

Figura 7 – Cimento após descida da agulha de Vicat ............................................... 49

Figura 8 – Molde da agulha ....................................................................................... 50

Figura 9 – Cimento no molde coberto por placa de vidro .......................................... 50

Figura 10 – Molde cilíndrico ...................................................................................... 51

Figura 11 – Corpo de prova capeado ........................................................................ 51

Figura 12 - Corpos de prova em câmara úmida ........................................................ 52

Figura 13 – Prensa hidráulica com corpo de prova para análise de resistência à

compressão ............................................................................................................... 53

Figura 14 – Fluxograma do trabalho ......................................................................... 55

Figura 15 – DRX da argila calcinada ......................................................................... 58

Figura 16 – DRX da escória de alto-forno ................................................................. 60

Figura 17 – Análise granulométrica das duas pozolanas .......................................... 64

Figura 18 – Análise na técnica de multi point BET da argila calcinada ..................... 65

Figura 19 – Análise na técnica de multi-point BET da escória de alto-forno ............. 66

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Resultados químicos e físicos do cimento Portland com argila

calcinada ................................................................................................ 67

Gráfico 2 – Resultados químicos e físicos do cimento Portland com escória de alto-

forno ....................................................................................................... 68

Gráfico 3 – Resistência à compressão do cimento Portland..................................... 70

Gráfico 4 – Produção de cimento X corrente da correia com argila calcinada.......... 72

Gráfico 5 – Produção de cimento X corrente da correia com escória de alto-forno .. 73

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Compostos básicos do cimento Portland ............................................... 19

Tabela 2 – Meta para os módulos da farinha ............................................................ 24

Tabela 3 – Principais reações do processo de clinquerização .................................. 25

Tabela 4 – Composição do cimento .......................................................................... 29

Tabela 5 – Exigências químicas dos cimentos .......................................................... 30

Tabela 6 – Exigências físicas dos cimentos .............................................................. 32

Tabela 7 – Exigências químicas das pozolanas ........................................................ 36

Tabela 8 – Exigências físicas das pozolanas ............................................................ 36

Tabela 9 – Composição do cimento Portland do teste .............................................. 47

Tabela 10 – Parâmetros importante de um moinho .................................................. 54

Tabela 11 – Resultado da análise de FRX das pozolanas ........................................ 56

Tabela 12 – Caracterização química da argila calcinada .......................................... 57

Tabela 13 – Caracterização química da escória de alto-forno .................................. 59

Tabela 14 – Análise granulométrica da argila calcinada ........................................... 63

Tabela 15 – Análise granulométrica da escória de alto-forno ................................... 63

Tabela 16 – Resultados da análise da área específica da argila calcinada .............. 65

Tabela 17 – Resultados da análise da área específica da escória de alto-forno....... 65

Tabela 18 – Análises química e física do cimento com argila calcinada ................... 67

Tabela 19 – Análise química e física do cimento com escória de alto-forno ............. 68

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASE Área superficial específica CPB Cimento Portland branco CPI Cimento Portland comum CPI-S Cimento Portland comum com adição CPIV Cimento Portland CPII-E Cimento Portland composto com escória CPII-Z Cimento Portland composto com pozolana CPII-F Cimento Portland composto com fíller CPIII Cimento Portland de alto forno CPIV Cimento Portland pozolânico CPV-ARI Cimento Portland de alta resistência inicial DRX Difratometria de raios-X FRX Fluorescência por raios- X FSC Fator de saturação da cal IAP Índice de Atividade Pozolânica ICDD International Centre for Diffraction Data MA Módulo de alumínio MS Módulo de sílica NBR Norma brasileira ONU Organização das Nações Unidas OS Oversize PAC Programa de Aceleração do Crescimento PF Perda ao fogo

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PIMS Process Information Management Systems PLC Power Line Communication SNIC Sindicato Nacional da Indústria do Cimento

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 15

2 OBJETIVOS ............................................................................................... 17

2.1 Objetivo geral ............................................................................................. 17

2.2 Objetivos específicos .................................................................................. 17

3 REFERENCIAL TEÓRICO ......................................................................... 18

3.1 Cimento Portland – aspectos gerais ........................................................... 18

3.2 Processo produtivo do cimento Portland .................................................... 21

3.2.1 Matérias-primas .......................................................................................... 21

3.2.2 Etapas do processo .................................................................................... 23

3.3 Tipos de cimento Portland .......................................................................... 28

3.3.1 Cimento Portland pozolânico ...................................................................... 33

3.4 Materiais pozolânicos ................................................................................. 34

3.4.1 Classificação das pozolanas ...................................................................... 35

3.4.2 Tipos de pozolanas .................................................................................... 37

3.4.3 Índice de atividade pozolânica .................................................................... 39

4 METODOLOGIA ........................................................................................ 41

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................. 56

5.1 Caracterização das pozolanas ................................................................... 56

5.1.1 Análises químicas, DRX e ASE .................................................................. 56

5.1.2 Análise granulométrica ............................................................................... 62

5.2 Caracterização dos cimentos ..................................................................... 66

5.2.1 Análises químicas e físicas......................................................................... 66

5.2.2 Resistência mecânica ................................................................................. 69

5.3 Análise de desempenho no processo produtivo ......................................... 71

6 CONCLUSÕES .......................................................................................... 75

6.1 Sugestões para trabalhos futuros ............................................................... 76

REFERÊNCIAS .......................................................................................... 77

APÊNDICE A – Análise de fluorescência de Raio-X (FRX) .................... 83

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15

1 INTRODUÇÃO

Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU, 2007), o uso de recursos

naturais e a grande quantidade de resíduos gerados pela construção civil são

responsáveis pelo consumo de 40% de toda energia, pela extração de 30% dos

materiais do meio natural, pela geração de 25% dos resíduos sólidos, pelo consumo

de 25% da água, e pela emissão de 1/3 de gases de efeito estufa. Isso faz com que

a construção civil se torne uma das atividades de maior impacto em relação ao meio

ambiente. Em contrapartida, este setor acaba se tornando um importante

consumidor de seus próprios resíduos. Além disto, os avanços tecnológicos têm

contribuído para a redução desses impactos, principalmente no que se refere à

reutilização desses resíduos industriais, como é o caso de alguns materiais

pozolânicos em cimenteiras (LEITE; DAL MOLIN, 2002).

A utilização de resíduos industriais na fabricação de cimento proporciona benefícios

ao meio-ambiente, pois representa uma redução da quantidade de resíduos

descartados pela indústria, como também uma diminuição significativa do consumo

de recursos naturais primários e não renováveis, como é o caso dos minérios de

calcário e argila. Com a substituição parcial do clínquer (produto do calcário

calcinado) no processo de fabricação do cimento, reduz-se significativamente o

consumo energético e as emissões de CO2 na atmosfera (FONSECA, 2010).

Nas adições minerais, segundo Malhotra e Mehta (1996), o termo adição, de forma

abrangente, refere-se a qualquer material além de água, agregados e cimento,

utilizados como ingredientes do concreto e adicionados à massa imediatamente

antes (como na fabricação do cimento) ou durante a mistura do concreto. Pode-se

citar materiais pozolânicos, material cimentante e filler como adições minerais ao

concreto (RILEM et al., 1998 apud DAL MOLIN, 2005).

Essas adições apresentam alguns benefícios quando adicionados ao cimento. Pode-

se citar a redução da porosidade, o aumento de resistência à compressão do

cimento e do concreto, principalmente em maiores idades (MEHTA; MONTEIRO,

1994), a redução do calor de hidratação e a capacidade de resistir ao ataque de

sulfatos (DAL MOLIN, 2005).

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16

Diante de tantas vantagens do uso de adições minerais ao cimento ou ao concreto,

esse trabalho aprofundou-se nas caracterizações química e mineralógica e na

análise granulométrica e da área superficial específica (ASE) de dois tipos de

pozolanas: argila calcinada e escória de alto-forno. Além da caracterização, a

aplicação das pozolanas no processo produtivo em uma indústria cimenteira em

Minas Gerais (MG) foi avaliada, de modo que os parâmetros de qualidade do

cimento após as adições foram estudados. Avaliou-se, ainda, a influência das

substituições nos parâmetros operacionais durante o processo produtivo, com foco

na estabilidade do processo. A produtividade tanto com a argila calcinada quanto

com a escória de alto-forno também foi estimada.

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17

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

O objetivo geral dessa pesquisa é a avaliação do emprego de dois tipos de

pozolanas como materiais substitutivos ao clínquer na produção de cimento Portland

em uma indústria cimenteira localizada em MG. A aplicabilidade das pozolanas foi

avaliada por meio da qualidade do cimento e da produtividade em escala industrial,

obtidas com a substituição do clínquer pelas pozolanas.

2.2 Objetivos específicos

a) caracterizar os dois tipos de pozolanas em aspectos químicos, mineralógicos,

granulométricos e de área superficial específica (ASE);

b) caracterizar os cimentos produzidos com as duas pozolanas, avaliando suas

resistências;

c) analisar os benefícios de cada substituição sobre a produtividade de cimento

em um moinho.

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18

3 REFERENCIAL TEÓRICO

3.1 Cimento Portland – aspectos gerais

Do nome cimento Portland, “cimento” tem origem do latim caementu, que

representava na Velha Roma uma “pedra natural de rochedos”, não esquadrejada

com composição não definida naquela época. Com o avanço da tecnologia, hoje,

esse material é conhecido em sua composição por rochas calcárias calcinadas que

desempenham atividades cimentícias (BATTAGIM, 2009). Já a palavra “Portland” foi

dada por Joseph Aspdin, patenteador do cimento Portland, que fez menção à Ilha

britânica de Portland, pois o material final produzido tinha características de

resistência, cor e durabilidade parecidas com as rochas dessa ilha (DUDA, 1977).

Segundo o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC, 2016a), o consumo de

cimento Portland no Brasil entre os anos de 2004 a 2014 dobrou em relação a anos

anteriores, passando de 35 milhões para mais de 70 milhões de toneladas, reflexo

do aumento da renda real e da massa salarial real, da expansão do crédito

imobiliário por parte do governo e por bancos privados e do crescimento dos

investimentos em obras de infraestrutura, que foram fundamentais para a

alavancagem da construção civil e, consequentemente, do consumo de cimento.

Programas do governo, como o “Minha casa minha vida”, e o Programa de

Aceleração do Crescimento (PAC) proporcionaram números positivos ao setor da

construção civil. Sendo assim, houve a necessidade da ampliação e da implantação

de novas fábricas de cimento nesse período, sendo criadas 36 novas fábricas para

atender a demanda do país a partir dessa época (SNIC, 2016b).

Com o aumento da produção de cimento Portland, há o aumento também da

emissão de gases de efeito estufa, isto é, do dióxido de carbono (CO2) gerado no

processo de descarbonatação e clinquerização para fabricação do mesmo.

O cimento Portland é considerado o material de construção de mais extenso uso no

mundo. É constituído por uma mistura moída de silicatos e aluminatos de cálcio, que

com adição de água desenvolve propriedades aglomerantes, aglutinantes ou

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19

ligantes e de resistência mecânica à compressão elevada, o que o diferencia de

outros aglomerantes hidráulicos. Essas propriedades estão ligadas à constituição

química do cimento Portland (SANTOS, 1968).

Os principais componentes químicos presentes no cimento Portland são: cal (CaO) ,

sílica (SiO2), alumina (Al2O3), óxido de ferro (Fe2O3), magnésio (MgO), álcalis (Na2O

e K2O) e sulfatos. Essa composição é conseguida a partir do calcário que, junto com

a argila, o ferro e o alumínio moídos e homogeneizados, formam um material fino,

chamado “farinha”. Esse material, ao passar por um forno rotativo e ao ser

submetido à alta temperatura, podendo chegar até 1450ºC em um processo

chamado de clinquerização, forma o clínquer (LIMA, 2012).

O principal composto para fabricação do cimento Portland é o clínquer, constituído

basicamente por quatro componentes mineralógicos: o silicato tricálcico

(3CaO.SiO2), o silicato dicálcico (2CaO.SiO2), o ferro aluminato tetracálcico

(4CaO.Al2O3.Fe2O3) e o aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3) (SATO, 2004). Já o sulfato

de cálcio (CaSO4) faz parte também da composição do cimento e pode ser adquirido

por meio da adição de gesso ao clínquer no processo final.

Na Tabela 1 são apresentados os compostos básicos do cimento Portland, a fórmula

química, a abreviatura na indústria de cimento e o nome de cada composto.

Tabela 1 – Compostos básicos do cimento Portland

Composto Fórmula química Fórmula

abreviada Nome

Silicato dicálcico 2CaO.SiO2 (C2S) Belita

Silicato tricálcico 3CaO.SiO2 (C3S) Alita

Aluminato tricálcico 3CaO.Al2O3 (C3A) -

Ferro aluminato tetracálcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) Celita

Sulfato de cálcio CaSO4 Gesso

Fonte: Fonseca, 2010

O clínquer é caracterizado por sua forma granular, que varia entre 3 mm a 25 mm de

diâmetro. O clínquer (Figura 1) é moído juntamente com o gesso, que além de ser

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20

rico em sulfato de cálcio (CaSO4) tem o objetivo de controlar o tempo de pega. Após

a moagem, obtém-se um pó fino chamado cimento Portland, que pode ter outras

adições, de acordo com o tipo de cimento a ser fabricado (ABCP, 2002).

Figura 1 – Clínquer

Fonte: Dylan, 2011

As propriedades do cimento Portland estão ligadas diretamente à qualidade do

clínquer produzido, uma vez que as concentrações de formação dos principais

cristais mineralógicos presentes no clínquer determinarão características específicas

no cimento (CELIK; ONER, 2006).

O silicato tricálcio ou alita (C3S) é a fase que prevalece no clínquer e o principal

responsável pela resistência mecânica do cimento nas primeiras idades. O silicato

dicálcico ou belita (C2S), presente também em escórias de alto-forno, subproduto de

siderurgias, produz pouca resistência do cimento nas idades iniciais e endurece

muito mais lentamente que a alita, mas é o responsável pela resistência à

compressão após 28 dias.

O ferro aluminato tetracálcico ou celita (C4AF) tem ação importante na resistência do

cimento e no ataque a sulfato no concreto. Já o aluminato tricálcico (C3A) é

responsável pela pega no cimento (PETRUCCI, 1995).

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21

3.2 Processo produtivo do cimento Portland

3.2.1 Matérias-primas

A matéria-prima para fabricação do cimento Portland é a rocha calcária, fonte mais

importante para obtenção de carbonato de cálcio (CaCO3) e que apresenta

impurezas de sílica, ferro, alumínio, potássio e magnésio, em menores proporções

(LIMA, 2011).

As rochas calcárias podem ser classificadas quanto ao teor de magnésio em sua

composição. O calcário calcítico apresenta um teor de magnésio menor que 5%; o

calcário magnesiano apresenta teor de magnésio entre 5 a 12%; já o calcário

dolomítico apresenta teor de magnésio maior que 12 %, tendo em comum o mineral

calcita (CaCO3) como principal constituinte, o diferenciando em relação a sua

composição, cor, estrutura, cristalinidade e etc. As rochas mais comercializadas são

o calcário calcítico (CaCO3) e o dolomito (CaCO3.MgCO3), existindo também a

aragonita (CaCO3), que apresenta mesma fórmula química da calcita, porém com

estrutura cristalina diferente, a siderita (FeCO3) e a magnesita (MgCO3) (LUZ e

LINS, 2008).

Segundo Luz e Lins (2008), para cada tonelada de cimento produzida, é necessária

1,4 tonelada de calcário. Em 2014 houve a produção de 70 milhões de toneladas de

cimento Portland, e a produção de carbonato de cálcio consumido pela indústria de

cimento em 2014 foi de aproximadamente 98 milhões de toneladas (SNIC, 2016a).

Em conjunto com a rocha calcária, a argila é um mineral ou uma mistura de minerais

com predominância de argilominerais compostos por silicatos hidratados, onde

ocorrem os cátions de alumínio, ferro, magnésio e potássio, que podem conter

também materiais não silicosos em sua composição, como o quartzo, o feldspato, a

mica, a calcita, a hematita e as matérias orgânicas (GOMES, 1988). A argila é

também matéria-prima para o cimento Portland, sendo fonte para obtenção de sílica

(SiO2) em sua maior proporção.

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22

As argilas podem ser classificadas quanto às suas atividades industrial e

tecnológica, que levam em consideração as características e as propriedades

específicas para suas aplicações industriais, denominadas como argilas caulinitas,

argila em bolas "Ball clay", argilas refratárias “Fire clay”, argilas betonita e argilas

comuns e o que as diferenciam são seus percentuais de sílicas e impurezas

presentes em cada tipo (LIMA, 2011).

Dentre os diversos minerais, o calcário calcítico e a argila comum são as mais

usadas para a fabricação de cimento Portland, podendo ser usadas uma ou mais

variações dessas rochas calcárias e argilosas, de acordo com o tipo de mineral

disponível na região em que está inserida a mina, contanto que se cumpram os

parâmetros de composição química exigidos para a fabricação da farinha crua

(BRANCO, 2014).

Se as quantidades de carbonato de cálcio, sílica, alumínio e ferro, essenciais para a

fabricação da farinha crua não forem necessárias, então são utilizados ingredientes

corretivos. É comum o emprego de areia, argila rica em sílica, diatomita, etc., como

fonte de sílica (LIMA, 2012).

O óxido de ferro, como hematita, magnetita, limonitas, ou até piritas e finos de

siderurgias também é utilizado como ingrediente corretivo, como fonte de ferro. As

argilas ricas em alumínio, gipsita, feldspatos, micas e silicatos ferro-magnesianos

são utilizadas como fontes de alumínio. Todas as matérias-primas são moídas em

conjunto e homogeneizadas, formando um material fino denominado “farinha”

(SATO, 2004).

O controle químico para a fabricação da farinha pode ser baseado no fator de

saturação da cal (FSC), conforme equação (1), no módulo de sílica (MS), conforme

equação (2) e no módulo de alumínio (MA), conforme equação (3). O FSC é a

relação entre o óxido de cálcio e a soma dos óxidos de sílica, alumínio e ferro. Já o

MS e o MA são a relação entre óxido de sílica e a soma dos óxidos de alumínio e

ferro, e a relação entre o óxido de alumínio e o óxido de ferro, respectivamente

(SATO, 2004).

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23

(1)

(2)

(3)

Segundo Kihara et al. (1983), a escolha de um FSC adequado proporciona um

clínquer com composição química apropriada e um consumo mínimo de combustível

necessário para elevar o material a uma temperatura que proporcione um clínquer

de boa qualidade, ou melhor, proporciona uma combinação química para a formação

de todos os minerais importantes do clínquer - C3S, C2S, C4AF e C3A. Alguns

autores, como Gouda (1977), estipulam um valor de FSC para a farinha de 94%

como ótimo; já Shafer (1987) defende um intervalo entre 88 a 98%.

Para Chaterjee (1979), valores altos de módulo de sílica dificultam a queimabilidade

da farinha, podendo, assim, aumentar a quantidade de combustível necessário.

Segundo Duda (1977), valores para o módulo de sílica ótimos ficam entre 2,2 a

2,6%.

De acordo com Kihara et al. (1983), o módulo de alumínio tem uma grande influência

na temperatura de formação do clínquer, já que o alumínio e o ferro são

considerados fundentes. Centurione (1993) afirma que para uma farinha com módulo

de alumínio de 1,63%, toda a quantidade de óxido alumínio e de óxido de ferro

entrará em fusão quando passarem por uma temperatura de 1300°C.

3.2.2 Etapas do processo

A fabricação do cimento Portland inicia-se pela extração de rochas calcárias, sua

britagem e seu depósito. Então, esse material seguirá para a fabricação da farinha

crua, constituída majoritariamente por carbonato de cálcio (LIMA, 2012). O calcário,

juntamente com argila e materiais corretivos ricos em alumínio e ferro, será dosado

em balanças, na entrada de moinhos de cru para garantir a proporção química

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24

necessária para a fabricação da farinha crua. Após blendado e moído em um

moinho de farinha, esse material apresenta-se como um pó, com granulometria

adequada entre 7 a 9 % de massa retida na peneira de 0,088 mm de abertura. Com

esta granulometria e com os módulos desejados, o processo será estável, com uma

boa queimabilidade da farinha, e, assim, com um menor custo no processo de

obtenção do clínquer.

Ressalta-se que existe histórico que define um limite ideal de valores para os

módulos químicos da farinha crua, mas que o exato valor necessário dos módulos e

de granulometria da farinha será ditado pelo processo posterior a este, que é o de

clinquerização, definido por cada indústria de cimento dentro do limite ideal. De

acordo com a dificuldade ou facilidade de queima, já que uma granulometria menor

proporciona uma melhor queima, um FSC e um MS maiores dificultam a queima

(CENTURIONE, 1993).

A Tabela 2 apresenta as metas para os módulos químicos mais comuns para a

farinha.

Tabela 2 – Meta para os módulos da farinha

Meta para módulos da farinha crua (%)

FSC 88 - 98

MS 1,9 - 3,2

MA 1,7 - 2,4

Fonte: Centurione, 1993.

As variações de valores para os módulos podem estar relacionadas com pequenas

quantidades de componentes de impurezas, como Na2O, K2O, Cr2O3, TiO3 e SO3

presentes nos minerais de composição da farinha que impactam diretamente na

facilidade ou dificuldade de queima e na formação da alita e da belita do clínquer

(CENTURIONE, 1999).

Após blendagem e moagem, esse material é levado para silos de homogeneização,

que têm como objetivos minimizar os desvios químicos, causados principalmente por

segregação, e estocar a farinha produzida, deixando-a mais homogênea possível.

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25

A etapa seguinte é a clinquerização, quando a farinha crua será transformada em

clínquer após ser tratada termicamente em fornos rotativos verticais a uma

temperatura de até 1450°C. Esse processo é caracterizado por reações químicas

relacionadas à crescente elevação de temperatura entre os componentes presentes

na farinha, conforme Tabela 3, formando silicatos de cálcio, aluminatos, alumino-

silicatos e alguns outros componentes secundários em menor composição,

compondo o clínquer Portland (LIMA, 2012).

Tabela 3 – Principais reações do processo de clinquerização

Temperatura (C°) Processo Reação

>100 Secagem / eliminação. H2O(l) → H2O(g)

100-400 Secagem água absorvida. H2O(l) → H2O(g)

400-700 Decomposição da argila:

Caolinita em metacaolinita.

Al4(OH)8Si4O10→

2(Al2O3.2SiO2)+4H2O

600-900 Decomposição final da argila

c/ formação de óxidos

reativos.

Al2O3.2SiO2 →Al2O3 +

2SiO2

600-1000 Decomposição do calcário e

formação de C4AF e CA.

CaCO3→CaO+ CO2

3CaO+ 2SiO2 + Al2O3 →

2(CaO.SiO2) + CaO.Al2O3

800-1300 Fixação da cal pelo CS e CA:

formação de C2S, C3A,

C4AF.

CS + CaO → C2S

CA + 2CaO →C3A

CA + 3CaO + Fe2O3 →

C4AF

Acima de 1350 Nova fixação da cal pelo C2S.

2CaO.SiO2 + CaO

→3CaO.SiO2

Fonte: Centurione, 1993

A última etapa é a moagem de clínquer, em que o clínquer, principal componente do

cimento Portland, o gesso e as demais adições, como as pozolanas, serão

misturados e reduzidos em partículas menores, em um moinho de cimento,

transformando essa mistura em pó com características cimentícias. A Figura 2

apresenta o fluxograma de todo o processo para fabricação do cimento Portland.

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26

Figura 2 – Fluxograma da fabricação de cimento

Fonte: Coutinho, 2006

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27

Um dos grandes desafios das indústrias cimenteiras é tornar seus processos

produtivos mais sustentáveis, considerando que a fabricação de cimento é

responsável por cerca de 5% das emissões de CO2 mundiais (RUBENSTEIN, 2012).

Assim, de acordo com Jonh (1995), o desenvolvimento de materiais e tecnologias

alternativas vem sendo pesquisado e aprimorado, como a substituição do clínquer

por pozolanas.

A relação tonelada de CO2 por tonelada de clínquer, ou seja, a quantidade de

dióxido de carbono lançado na atmosfera para cada tonelada de clínquer produzido,

é um dos índices mais averiguados no processo produtivo em cimenteiras. Em

média, este valor é de 0,652, podendo ter algumas variações entre indústrias do

mesmo ramo, dependendo do tipo de combustível e matéria-prima usada (WBCSD,

2012).

Esse fator está diretamente ligado ao processo de descarbonatação do carbonato de

cálcio, em que o CO2 é proveniente da queima completa na decomposição do

calcário pela queima de combustíveis fósseis dentro do forno de clínquer (BRASIL,

2010). Conforme a ONU (2007), 175 países se comprometeram em reduzir as

emissões de CO2 num prazo de 20 a 30 anos.

Malhotra e Metha (2008) defendem como forma de redução aos impactos ambientais

e de CO2 a abordagem que adota como regra básica consumir menos concreto por

meio do uso de misturas que proporcionem uma maior durabilidade das obras, a

priorização de peças pré-moldadas para facilitar a montagem e a desmontagem e a

utilização de materiais mais econômicos e eficientes em termos de energia:

Consumir menos cimento Portland por meio de especificar resistências para

idades maiores como 63 e 91 dias em elementos estruturais e de aprimorar a

capacidade dos aditivos redutores de água para reduzir o consumo de

cimento mantendo as resistências;

Consumir menos clínquer por meio do uso de cimentos compostos que

utilizam materiais cimentícios em sua composição.

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28

Outra forma de redução do CO2 proporcionada pelo processo de clinquerização é

defendida por Jonh (2013) e dá-se pelo uso de combinação minuciosa das matérias-

primas usadas na produção do cimento. Ocorre a substituição de clínquer por filler

na fórmula do cimento Portland, e estudos laboratoriais mostram que pode chegar

até a 70% de filler ao cimento, porém os valores químicos atuais exigidos por norma

seriam excedidos, por exemplo, a perda ao fogo caso aumente a quantidade de

filler.

A substituição do clínquer por pozolanas, como a argila calcinada, a escória de alto-

forno, a casca de arroz, etc., implica numa produção de cimento sustentável, pois

proporciona uma economia de energia, a redução do custo de cimento, o aumento

do tempo de vida das jazidas de calcário, de argila e a utilização de resíduos

industriais, como é o caso das pozolanas provenientes de termoelétricas e

siderurgias. Esses ganhos dão-se devido à redução da taxa de emissão de CO2

durante o processo de produção de clínquer, já que se trata de um dos processos

industriais mais agressivos do ramo para o meio ambiente, (SANTOS, 2006).

3.3 Tipos de cimento Portland

Existem no Brasil vários tipos de cimento Portland, diferentes entre si, no que se

referem à composição e à funcionalidade. Cada tipo é regido por uma norma da

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), que define as exigências de

fabricação e de entrega do cimento (ABCP, 2002).

Os tipos de cimentos são regidos e denominados de acordo com as normas

brasileiras (NBR), sendo elas:

cimento Portland comum (CPI) e cimento Portland comum com adição (CPI-

S) (NBR 5732);

cimento Portland composto com escória (CPII-E), cimento Portland composto

com pozolana (CPII-Z) e o cimento Portland composto com fíller (CPII-F)

(NBR 11578);

cimento Portland de alto forno (CPIII) (NBR 5735);

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29

cimento Portland pozolânico (CPIV) (NBR 5736);

cimento Portland de alta resistência inicial (CPV-ARI) (NBR 5733);

e o cimento Portland branco (CPB) (NBR 12989).

Os tipos de cimentos Portland diferem em materiais e percentuais de adição usados

na fabricação para atender às especificações exigidas pela ABNT, onde cada tipo

tem sua aplicabilidade específica de acordo com as atividades químicas de cada

cimento, proporcionando o atendimento das expectativas de acordo com a

necessidade de cada cliente.

Na Tabela 4 são apresentados os tipos de cimentos Portland e suas composições.

Tabela 4 – Composição do cimento

Cimento

Portland

(ABNT)

Tipo

Clínquer

+ Gesso

(%)

Escória

(%)

Material

pozolânico (%)

Calcário

(%)

CP I Comum 100

CP I - S Comum 95-99 1-5 1-5 1-5

CP II - E Composto 56-94 6-34 0-10

CP II - Z Composto 76-94 6-14 0-10

CP II - F Composto 90-94 6-10

CP III Alto-forno 25-65 35-70 0-5

CP IV Pozolânico 45-85 15-50 0-5

CP V- ARI Alta Resistência

Inicial 95-100 0-5

CPB Estrutural 100-75 0-25

Fonte: ABCP, 2002.

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30

As exigências químicas e físicas para o cimento definem não somente as

características e as propriedades mínimas que os cimentos devem apresentar, como

também os métodos de ensaio empregados para verificar se esses cimentos

atendem às normas. O cimento Portland recebe um selo de qualidade caso o

produto seja produzido com qualidade e atenda às características prometida para

cada cimento (ABCP, 2002).

Na Tabela 5 são apresentadas as exigências químicas para os diferentes tipos de

cimento Portland.

Tabela 5 – Exigências químicas dos cimentos

Tipo de

cimento

Portland

Resíduo

Insolúvel

(%)

Perda ao

fogo (%)

MgO

(%) SO3 (%) CO2 (%) S (%)

CP I

CP I - S

≤ 1,0

≤ 5,0

≤2,0

≤4,5

≤6,5

≤4,0

≤1,0

≤3,0

-

-

CP II - E

CP II - Z

CP II -F

≤ 2,5

≤16,0

≤2,5

≤6,5 ≤6,5 ≤4,0

≤5,0

-

-

-

CP III ≤1,5 ≤4,5 ≤6,5 ≤4,0 ≤3,0 ≤1,0 (1)

CP IV(2) (3) (4) ≤4,5 ≤6,5 ≤4,0 ≤3,0 -

CP V - ARI ≤ 1,0 ≤4,5 ≤6,5 ≤3,5

≤4,5 (5)

≤3,0

-

CPB

≤ 3,5

≤ 12,0

≤ 6,5

≤ 4,0

≤ 11,0

-

Fonte: ABCP, 2002. (1) Ensaio facultativo; (2) A atividade pozolânica do cimento, determinada conforme a NBR 5753, deve ser positiva; (3) A atividade do material pozolânico, determinada conforme a NBR 5752, deve ser maior que 75%; (4) O teor de material pozolânico deve ser determinado pelo ensaio de resíduo insolúvel; (5) O teor de SO3 igual a 3,5% aplica-se quando C3A ≤ 8,0, e 4,5% quando C3A ≥ 8,0%.

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31

O resíduo insolúvel é uma análise química que determina a porção do cimento não

solúvel a quente e a ácido clorídrico. O calcário é solúvel no ácido clorídrico, já a

sílica, a alumina e os óxidos de ferro apenas são solúveis quando combinados no

processo final da formação do cimento. Esse valor é usado como parâmetro para

calcular o teor de cinzas ou impurezas no cimento (COUTINHO, 1988).

A perda ao fogo determina a massa de cimento perdida quando há uma mulfla a

temperatura de 1000°C, considerando que a maior parte desse valor é o CO2, outra

parte é água evaporada do gesso, no qual um valor alto de perda ao fogo indica uma

hidratação acelerada do cimento.

Já o trióxido de enxofre (SO3) no cimento demonstra o quanto de cinzas do

combustível sólido usado incorporou no clínquer no processo de clinquerização ou

pode ser proveniente da quantidade de gesso (CaSO4.2H2O) adicionado ao cimento.

Deve-se considerar que cada material para adição ao clínquer na fabricação do

cimento possui composições química e física distintas, ou seja, características

próprias, que irão proporcionar resultados diferentes.

Segundo a NBR 5732 (ABNT, 1991a), o CPI não tem adição em sua composição,

com exceção ao gesso, diferentemente CPI-S, que pode ter até 5% de material

pozolânico em sua composição. Essa adição proporciona uma menor

permeabilidade de agentes externos ao concreto se comparado ao cimento sem

adição (DAL MOLIN, 2005).

O CPII-E é um tipo de cimento que usa escória de alto-forno em sua composição,

sendo usado quando há necessidade de que as estruturas tenham um

desprendimento de calor moderadamente lento ou que possam ser atacados por

sulfatos. Difere do CPII-Z, que usa pozolana em sua composição, permitindo ser

utilizado em obras marítimas, industriais e subterrâneas por garantir uma maior

impermeabilidade e durabilidade ao concreto. Já o CPII-F é composto por filler, ou

seja, calcário como adição em sua composição (ABNT, 1991d). Na Tabela 6 são

apresentadas as exigências físicas para os diferentes tipos de cimentos Portland.

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32

Tabela 6 – Exigências físicas dos cimentos

Tipo de

cimento

Portland

Classe

FINURA TEMPO

DE PEGA EXPANSIBILIDADE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

Resíduo

na

peneira

75 mm

(%)

Área

específica

(m2/kg)

Início (h) A quente (mm) 1 DIA

(MPa)

3 Dias

(MPa)

7 Dias

(MPa)

28

Dias

(MPa)

CP I

CP I - S

25

32

40

≤12,0

≤10,0

≥240

≥260

≥280

≥1,0

≤5,0

-

≥8,0

≥10,0

≥15,0

≥15,0

≥20,0

≥25,0

≥25,0

≥32,0

≥40,0

CP II - E

CP II - Z

CP II - F

25

32

40

≤12,0

≤10,0

≥240

≥260

≥280

≥1,0

≤5,0

-

≥8,0

≥10,0

≥15,0

≥15,0

≥20,0

≥25,0

≥25,0

≥32,0

≥40,0

CP III

25

32

40

≤8,0 -

≥1,0

≤5,0

-

≥8,0

≥10,0

≥15,0

≥15,0

≥20,0

≥23,0

≥25,0

≥32,0

≥40,0

CP IV

25

32

≤8,0 -

≥1,0

≤5,0

-

≥8,0

≥10,0

≥15,0

≥20,0

≥25,0

≥32,0

CPV - ARI

≤6,0 ≥300

≥1,0

≤5,0

≥14,00 ≥24,0 ≥34,0 -

CPB ≤12,0

≥1,0

≤5,0

≥5,00 ≥7,0 ≥10,0

Fonte: ABCP, 2002.

O CPIII e o CPIV, por usarem em sua composição escória e materiais pozolânicos,

respectivamente, modificam a estrutura do concreto pela redução da permeabilidade

e a porosidade capilar. Assim, estes cimentos proporcionam uma maior estabilidade,

durabilidade, desempenho ante a ação de sulfatos e da reação álcali-agregado e o

aumento da resistência à compressão em idades avançadas do concreto (ABCP,

2002).

Já CPV-ARI será usado para oferecer resistência ao concreto em meios agressivos

sulfatados, tais como os encontrados nas redes de esgotos de águas servidas ou

industriais, na água do mar e em alguns tipos de solos. Este cimento tem como

principal característica atingir altas resistências já nos primeiros dias da aplicação. A

alta resistência inicial é conseguida pela utilização de clínquer com maior quantidade

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33

de alita e de aluminato em sua composição, bem como pela moagem mais fina do

cimento, de modo que, ao reagir com a água, ele adquira elevadas resistências, com

maior velocidade (ABCP, 2002).

3.3.1 Cimento Portland pozolânico

O CPIV tem em sua composição materiais pozolânicos, podendo usar de 15 a 50%

de material pozolânico e de 0 a 5 % de material carbonático em sua composição. De

acordo com a NBR 5732 (ABNT, 1991a), o cimento Portland pozolânico deve passar

por ensaios laboratoriais e atender a algumas exigências químicas, como os

percentuais de perda ao fogo (PF), de óxido de magnésio (MgO), de trióxido de

enxofre (SO3) e de anidrido carbônico (CO2). E as exigências físicas e mecânicas

exigidas são finura (resíduo na peneira 75µm), tempo de início de pega,

expansibilidade a quente, resistência à compressão em 3, 7 e 28 dias (ABCP, 2002).

Em teores elevados, a escória deixa de ser considerada uma adição secundária para

se tornar um importante insumo para a fabricação de cimento, de tal modo que as

propriedades do cimento Portland dependem, em grande parte, das características

das pozolanas adicionadas (PECCHIO; BATTAGIN, 1999).

Segundo Dal Molin (2005), o uso de adições minerais, sobretudo a adição de

pozolanas mais ativas ao concreto como a sílica ativa, o metacaulim e a cinza de

casca de arroz, causam um aumento na resistência à compressão ao concreto. Esse

ganho está relacionado ao aumento da resistência da matriz na zona de transição,

devido ao processo de refinamento dos poros e dos cristais presentes na pasta de

cimento.

O uso de adições minerais na fabricação do cimento ou na argamassa de concreto

proporciona o efeito microfiller, caracterizado pelo aumento da densidade em função

do preenchimento dos vazios por partículas desses materiais, que apresentam-se

mais finos. O refinamento da estrutura de poros proporciona o aumento da

durabilidade do concreto (FONSECA, 2010).

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34

Outro benefício do cimento com adição minerais, segundo Mehta e Monteiro (1994),

é o aumento da resistência química a sulfatos dos concretos, efeito conseguido

devido à reação pozolânica, que proporciona uma redução na permeabilidade e a

redução do teor de hidróxido de cálcio disponível para combinar com os sulfatos

presente.

3.4 Materiais pozolânicos

As pozolanas são adições, segundo Malhotra e Mehta (1996), de forma abrangente,

a qualquer material além de água, agregados e cimento, que são utilizadas como

ingredientes ao concreto e adicionadas à massa imediatamente antes ou durante a

mistura.

As adições minerais ao cimento podem ser classificadas como materiais

cimentantes, filler ou materiais pozolânicos. Os materiais cimentantes atuam para

formar produtos com propriedades aglomerantes, como é o caso dos silicatos de

cálcio hidratado denominados (C-S-H), considerados a família de silicatos de cálcio

hidratados, estruturalmente formados após a hidratação dos cristais de clínquer

chamados alita (C3S) e belita (C2S), sem a necessidade do hidróxido de cálcio

presente no cimento Portland (FONSECA, 2010).

O filler pode ser pó de quartzo, calcário ou pó de pedra e atua basicamente no efeito

físico de empacotamento granulométrico, ou seja, por meio da diminuição da

porosidade total do sistema promovida pelo preenchimento dos vazios com esse

material finamente dividido, causando interferência na hidratação dos grãos de

cimento (DAL MOLIN, 2005).

Conforme a NBR 12653 (ABNT, 2012a), materiais pozolânicos são materiais que

atuam com pouca ou nenhuma propriedade cimentante, mas, que finamente dividido

e na presença de umidade, têm a capacidade de reagir com o hidróxido de cálcio

liberado na hidratação do cimento a temperaturas ambientes, para obter

propriedades cimentantes.

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35

As pozolanas podem ser de origem natural, sendo os materiais de origem vulcânica

ou sedimentar, ou artificial, sendo materiais provenientes de processos industriais ou

tratamento térmico. Os exemplos mais comuns de pozolanas artificiais são as argilas

calcinadas, cinzas volantes, cinzas de casca de arroz e sílica ativa, que apresentam

atividade pozolânica de acordo NBR 12653 (ABNT, 2012a).

É caracterizado como materiais silicosos ou silicoaluminosos que, por si sós, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas que, quando finamente divididos e na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente para formar compostos com propriedades aglomerantes (ABNT, 2012a).

O material pozolânico pode substituir o clínquer na produção do cimento Portland

devido à composição química semelhante. Uma característica importante da

pozolana é sua propriedade aglomerante obtida por meio da reação de materiais

silicosos ou silicoaluminosos com o hidróxido de cálcio na presença de água, ou

seja, formando compostos estáveis, como é o caso dos silicatos e aluminatos de

cálcio hidratados (OLIVEIRA; BARBOSA, 2006).

Segundo Mehta e Malhotra (2008), a adição de material pozolânico proporciona,

junto à atividade pozolânica, um aumento de resistência mecânica e a durabilidade

no estado endurecido do concreto, devido à redução da porosidade.

3.4.1 Classificação das pozolanas

A NBR 12653 (ABNT, 2012a) divide os materiais pozolânicos em três classes de

acordo com sua origem e requisitos físicos e químicos. Na classe N, estão inseridos

os materiais pozolânicos naturais ou artificiais que possuem origem vulcânica de

caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras diatomáceas e argila calcinada.

Na classe C, estão inseridos os materiais provenientes da queima de carvão mineral

em usinas termoelétricas. Na classe E, está inserida qualquer pozolana que difere

das classes anteriores. Enquadrados na classe E, as escórias siderúrgicas ácidas,

as cinzas de materiais vegetais e o rejeito de carvão mineral são considerados como

pozolanas não tradicionais.

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36

Na Tabela 7 são apresentadas as exigências químicas para cada classe de material

pozolânico.

Tabela 7 – Exigências químicas das pozolanas

Propriedades Classe de material pozolânico

N C E

(SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) % mín. 70 70 50

(SO3) % máx. 4 5 5

Teor de umidade, % máx. 3 3 3

Perda ao fogo, % máx. 10 6 6

Álcalis disponíveis (Na2O), % máx. 1,5 1,5 1,5

Fonte: ABNT, 2012a.

Nas exigências físicas, estão incluídas a finura, o IAP que pode ser calculado por

meio do método feito com cimento ou com cal e a quantidade de água a ser usada

para cada classe de material pozolânico. Na Tabela 8 são apresentadas as

exigências físicas para cada classe de material pozolânico.

Tabela 8 – Exigências físicas das pozolanas

Propriedades Classe de material pozolânico

N C E

Material retido na peneira 45μm, % máx. 34 34 34

Índice de atividade pozolânica:

Resistência com cimento aos 28 dias,

em relação ao controle, % mín. 75 75 75

Resistência com a cal aos 7 dias, em MPa 6 6 6

Água requerida, % máx. 115 110 110

Fonte: ABNT, 2012a.

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37

3.4.2 Tipos de pozolanas

Escória de alto-forno

A escória de alto-forno, classificada como classe E, é caracterizada como uma

pozolana artificial proveniente de resíduos dos processos industriais de siderúrgicas

que, ao passar por tratamentos térmicos, desenvolve uma atividade pozolânica de

acordo com a NBR 12653 (ABNT, 1992b).

Segundo a NBR 5735 (ABNT, 1991b), a escória granulada de alto-forno é um

subproduto da produção de ferro-gusa obtido da reação do minério de ferro,

fundentes e cinzas de carvão vegetal ou carvão mineral (coque) em altos-fornos,

com elevadas temperaturas, apresentando forma granulada ao passar por um

resfriamento brusco (NEVILLE, 1982).

O processo de obtenção baseia-se na alimentação do minério de ferro, pelotas,

sínter, coque ou carvão no topo do alto-forno vertical, quando esse material, ao

descer em contracorrente aos gases provenientes da queima do carbono com o

oxigênio, entra em contato com temperaturas cada vez mais elevadas que

proporcionam reações de redução. Então, a escória é resultado da fusão do material

inerte do minério, dos fundentes e das cinzas do coque que, chegando às zonas

mais quentes do forno com temperaturas próximas de 1700ºC, participam da

formação dos silicatos (CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, FeO.SiO2) e aluminatos (MgO. Al2O3,

CaO.Al2O3, etc.), principalmente (RIZZO, 2009).

A escória quando é resfriada lentamente não pode ser usada como material

cimentício, devendo ser usada para outros fins. Porém, quando sofre um

resfriamento brusco resulta em uma escória granulada ou paletizada, predominando

a fase amorfa e com características reativas (DAL MOLIN, 2005).

As escórias de alto-forno consistem basicamente de silicatos e aluminosilicatos de

cálcio, ou seja, compostos presentes na composição do cimento. Porém, em

diferentes proporções, os tornando um aditivo mineral em potencial para a

fabricação do cimento Portland (NEVILLE, 1982).

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As escórias podem ser classificadas como escórias ácidas ou básicas, medida pela

relação (CaO + MgO/SiO2 + Al2O3). Quando essa relação for maior que um, é

considerada uma escória básica e quando menor, é considerada uma escória ácida.

Ainda assim a escória básica é aquela que apresenta um excesso de óxidos básicos

em relação à proporção de sílica, ou seja, apresenta um excesso de íons de

oxigênio em solução. A escória ácida é aquela que apresenta excesso de sílica, ou

seja, excesso de íons silicatos. A escória ácida é proveniente da produção de ferro

gusa em altos fornos que utilizam carvão vegetal como combustível; já a escória

básica é produzida em altos fornos que utilizam coque como combustível

(BATTAGIN; ESPER, 1988).

São considerados componentes ácidos o SiO2, TiO2 e o ZrO2, e considerados

componentes básicos o CaO, MgO, FeO, MnO, CrO, MnO, ZrO, N 2O, K2O, Li2O,

CaF2. Os componentes anfóteros são Al2O3, B2O3, Fe2O3 e o Cr2O3. A basicidade da

escória é de grande importância, não só para indicar a sua atividade química com o

banho metálico, considerando a escória básica é mais reativa (BATTAGIN; ESPER,

1988).

Argila calcinada

A argila calcinada classificada na classe N para material pozolânico é considerada

uma pozolana artificial comum devido à necessidade de tratamento térmico em

fornos para garantir uma atividade pozolânica, ou seja, garantir uma reatividade com

o hidróxido de cálcio (ABNT, 2012a).

A caulinita é argilomineral pertencente à família das argilas, cuja composição se

assemelha a Al2O3.2SiO2.2H2O (DAMASCENO; LUZ, 1993) e o metacaulim faz

referência ao estado desidratado da caulinita provocada pela calcinação dessa

argila, que é o processo onde a temperatura é elevada de 500° a 950°C

(GARDOLINSKI; MARTINS FILHO; WYPYCCH, 2003).

Com essa temperatura, há a perda da molécula de água e a remoção dos íons

hidroxila (OH) resultando na formação da metacaulinita (Al2.Si2O7), composto

responsável pela atividade pozolânica desse material, sendo predominante a

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presença de silicato hidratado de cálcio (C-S-H) e de C4AHx (CALDARONE;

GRUBER; BURG, 1994).

Segundo Zampieri (1993), as argilas com maiores teores de Al2O3 obtêm um

metacaulim com maior reatividade pozolânica, e essa propriedade está relacionada

ao maior teor de caulinita, que é o argilomineral potencialmente ativado pelo

tratamento térmico. E quanto maior o teor de SiO2, menor a reatividade pozolânica já

que o quartzo não é reativo.

A incorporação de metacaulim em pastas de cimento Portland contribui para o

aumento da resistência à compressão e da durabilidade, pois proporciona a

formação de uma estrutura de poros de tamanhos menores que os do cimento.

Assim, suas propriedades físicas e químicas melhoram as propriedades mecânicas

dos concretos (DAL MOLIN, 2005).

3.4.3 Índice de atividade pozolânica

O Índice de Atividade Pozolânica (IAP) mede o desempenho do material pozolânico

em relação à capacidade relativa de fixação do hidróxido de cálcio liberado na

hidratação do cimento pela sílica ativa da pozolana, para formar compostos

cimentíceos, como é o caso do silicato de cálcio hidratado (C-S-H) (ABNT, 2012b).

O princípio ativo das pozolanas na hidratação do cimento é a quantidade de sílica

presente e disponível para reagir com o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] liberado no

processo de hidratação do cimento. Nessa reação, formam-se (C-S-H)

complementares, que é a família de silicatos de cálcio hidratados, estruturalmente

formados após a hidratação dos cristais de clínquer chamados alita (C3S) e belita

(C2S). Estes compostos contribuem para o aumento da resistência dos cimentos

produzidos em idades mais avançadas (ZAMPIERI, 1993).

Segundo Neville (1997), a hidratação completa do C3S produz 61% de silicato

hidratado de cálcio (C-S-H) e 39% de cal livre ou hidróxido de cálcio, já o C2S produz

82% de (C-S-H) e 18% de hidróxido de cálcio.

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40

O método para o cálculo do IAP pode ser feito com cimento ou com cal, no qual se

baseia na determinação da resistência mecânica do material pozolânico, devendo

seguir a NBR 12653 - Materiais Pozolânicos - Especificações (ABNT, 2012a). Para o

método com cal, o valor mínimo é de 6 MPa de resistência à compressão aos sete

dias; para o método com o cimento o valor mínimo é de 75 MPa aos 28 dias.

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41

4 METODOLOGIA

As adições pozolanicas do estudo foram caracterizadas como materiais alternativos

de grande potencial na produção de cimento, sendo escolhidas duas pozolanas

devido às suas disponibilidades no mercado e na indústria em estudo. Na presente

pesquisa, são identificadas como pozolana X (argila calcinada), proveniente da

região de Sete Lagoas – MG, e pozolana Y (escória de alto-forno), proveniente da

região de Juiz de Fora – MG.

O estudo é uma pesquisa aplicada em escala industrial, em que a parte experimental

foi desenvolvida em uma indústria de cimento Portland, inserida na região de Belo

Horizonte – MG, em campo e em seu laboratório, e também nos laboratórios de

caracterização do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da

Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Para o estudo, os dois materiais

usados foram a argila calcinada e a escória de alto-forno e o cimento produzidos

com ambas, tendo como parâmetro operacional o CPIV de classe 32 fabricado em

um moinho de rolos verticais Loesch.

Esse trabalho baseou-se na caracterização química da argila calcinada e da escória

de alto-forno, que teve como objetivo elucidar os benefícios de cada material

pozolânico com base em suas características e na análise granulométrica, com a

finalidade de determinar a composição dimensional das partículas para cada

material. Em seguida, foi avaliada a influência de cada material pozolânico na

qualidade do cimento, por meio de análises químicas e de resistência à compressão

e, por fim, foi realizada uma análise da produtividade de cimento com ambos os

materiais pozolânicos em sua composição.

O período de execução deste trabalho foi baseado em duas etapas. Para coletas de

amostras e análises químicas, físicas, mineralógicas, granulométricas, IAP e do

acompanhamento do processo de fabricação do moinho na sala de controle foi

analisado um período de 48 horas, compreendido entre os dias 21 e 22 de outubro

de 2016. Já para a análises de resistência à compressão e de produtividade foi

necessário um acompanhamento maior, período compreendido entre 1 de outubro e

5 de novembro de 2016.

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42

Análises referentes às pozolanas

Para análise das pozolanas, foram utilizadas aproximadamente amostras de 500g da

argila calcinada e da escória de alto-forno usadas no estudo.

As propriedades mineralógicas dos materiais usados na fabricação do cimento são

fundamentais para o alcance adequado dos componentes finais, que são

responsáveis pelas qualidades alcançadas nos diferentes produtos. Tais

propriedades têm, portanto, relação direta com a cinética das reações químicas

envolvidas nos processos de fabricação do cimento.

DRX

A caracterização mineralógica consiste na determinação dos minerais que

constituem as amostras. A técnica empregada foi a difratometria de raios-X (DRX),

de modo que as amostras de pozolanas foram atingidas por radiações CuKα

produzidas por um tubo de raios-x de um difratômetro, com tubo de anodo de cobre

e gerados os difratogramas.

Os resultados foram analisados por meio da comparação entre os valores das

distâncias interplanares (d´s) e as intensidades dos picos nos difratogramas da

amostra analisada e uma amostra de referência, utilizando o padrão do banco de

dados PDF-2 do International Centre for Diffraction Data (ICDD) e um software

auxiliar. Assim, foram determinados os minerais presentes nas pozolanas.

Determinação de umidade

Para determinação de umidade das pozolanas, as amostras foram colocadas em um

cadinho e pesadas em uma balança analítica. Então, essas amostras foram

submetidas a uma temperatura entre 105 a 110°C em uma estufa por um período de

24 horas. Em seguida foram retiradas e levadas para um dessecador por um período

aproximado de uma hora. Após esse período pesou-se a nova massa das amostras

sem umidade para fazer o cálculo que deve ser expresso em percentual.

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43

Análise granulométrica

Para análise granulométrica foi realizado o peneiramento, que é o método de análise

granulométrica mais antigo e o mais utilizado para esse tipo de material. Consiste na

passagem de partículas por uma série de peneiras superpostas, cujas aberturas são

sucessivamente menores. Às partículas que passam pelas aberturas da peneira dá-

se o nome de passante ou, do inglês, undersize (US), e às que não passam retidas,

oversize (OS). As peneiras de laboratório apresentam algumas características

padronizadas para que os resultados da classificação granulométrica sejam

comparáveis.

ASE

As pozolanas foram caracterizadas também em termos de área superficial específica

(ASE), por meio da técnica de BET, que se baseia na soma total da área superficial

de um material particulado ou de um corpo de prova poroso por unidade de massa.

Os fatores que influenciam a determinação da área superficial específica são a

distribuição dos diâmetros das partículas, a forma das partículas, a porosidade e a

rugosidade. Nessa técnica, as isotermas de adsorção foram obtidas utilizando o

analisador de área superficial por meio de adsorção de gás N2.

Para a análise, a amostra foi colocada em uma célula e submetida previamente a

desgaseificação, e, posteriormente, pesada e, então, levada ao equipamento para a

obtenção da área superficial.

Análise química por FRX

A análise química para caracterização dos dois diferentes tipos de pozolana foi

realizada por meio de espectroscopia por fluorescência de raios-x (FRX), que se

refere a uma técnica de análise elementar em amostras sólidas ou líquidas.

Para análise de fluorescência de raios-X, o material pozolânico foi reduzido em

partículas menores por meio de um moinho de disco conforme Figura 3. Para

preparação foram moídos 10 g de material pozolânico junto com três gotas de

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trietanolamina, que atua como dispersante e um grama de cera Wax, material

aglutinante.

Depois de moído, 10 g desse material foram colocados em uma cápsula redonda de

alumínio, onde a mistura foi prensada em uma prensa semiautomática Herzog,

modelo HTP40 (Figura 4), por um tempo de um minuto e carga de 20 toneladas

sobre a mesma, formando a pastilha.

Figura 3 – Moinho de disco

Fonte: Da autora, 2017

Figura 4 – Prensa semiautomática

Fonte: Da autora, 2017

Essa pastilha foi introduzida no espectrômetro Philips/Panalytical, modelo PW 2600

(Figura 5), acoplado a um computador para o processamento de dados, para a

análise de fluorescência de raios-X e determinação dos elementos químicos

constituintes e suas respectivas quantidades.

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45

Figura 5 – Espectrômetro de Raios-X

Fonte: Da autora, 2017

Índice de atividade pozolânica (IAP)

Para a análise do IAP com a cal, a argila calcinada e a de escória de alto-forno

foram submetidas a uma temperatura de 110°C para secagem, então foram usados

5 kg de cada material e moídos em um moinho piloto por um período

aproximadamente de 40 minutos. Desse material, é retirada uma alíquota para

determinar o resíduo na peneira de 45 µm. Esse valor deverá ser menor que 5%,

caso contrário repete-se o processo de moagem. Em seguida, deve-se determinar a

massa específica para o material pozolânico e do hidróxido de cal, conforme NBR 23

(ABNT, 2000), ou seja:

(4)

Ensaios de resistência à compressão

Então, foram moldados três corpos de prova para a argila calcinada e três corpos de

prova com a escória de alto-forno, totalizando seis. A argamassa para confecção

dos corpos de prova conteve: 250 g de material pozolânico, 104 g de hidróxido de

cálcio, 234 g de areia normal fração fina (material retido entre peneiras de aberturas

entre 0,3 a 1,15 mm), 234 g de areia normal fração média fina (material retido entre

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peneiras de aberturas entre 0,6 a 0,3 mm), 234 g de areia normal fração média

grossa material retido entre peneiras de aberturas entre 1,2 a 0,6 mm) e 234 g de

areia normal fração grossa (material retido entre peneiras de aberturas entre 2,4 a

1,2 mm) que foram compactados manualmente em moldes cilíndricos com diâmetro

de 50 mm e altura 100 mm com auxílio de soquete e espátula.

Após moldados os corpos de prova, deve-se mantê-los com a face superior vedada

durante 24h em uma sala úmida submetidos a 23°C de temperatura. Após esse

período, é preciso colocar esse material em uma estufa a 55°C por um período de

seis dias, e deve-se garantir que este recipiente esteja hermeticamente fechado

durante todo esse período.

Após esse período, os corpos de prova devem ser desmoldados cuidadosamente e

levados individualmente para uma prensa hidráulica de marca Forney, modelo A -

10000 PSI (Figura 4), de ensaio de compressão uniaxial, onde foi aplicada uma

carga sobre o molde. É feita a leitura da carga de ruptura gerada pela prensa e feita

a média dos valores obtidos dos três corpos de prova para cada material pozolânico,

e, assim, determina-se o resultado. Considera-se um valor IAP ≥ 6 MPa de

resistência ótimo, após sete dias com a cal.

Análises referentes ao cimento

Para análise do cimento, foram coletadas amostras a cada duas horas com o

cimento CPIV por um período de 48 horas, prazo compreendido da fabricação do

cimento com as duas pozolanas distintas. O teste iniciou-se às 0 h do dia 21 de

outubro de 2016 com a fabricação do cimento CPIV em um moinho de rolos vertical

Loesche feito em escala industrial usando argila calcinada como adição ao cimento.

Às 0 h no dia 22 de outubro de 2016, essa adição foi trocada por escória de alto-

forno. O período e a composição do cimento de análise são mostrados na Tabela 9.

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Tabela 9 – Composição do cimento Portland do teste

Data

Composição do cimento Portland do teste

Clínquer +

Gesso (%)

Argila

Calcinada (%)

Escória de

alto-forno

(%)

Calcário

(%)

Até dia

21/10/2016

65 30 - 5

22/10/2016 65 - 30 5

Fonte: Da autora, 2017

Análise química por FRX

A análise química do cimento foi realizada por meio de espectroscopia por

fluorescência de raios-x (FRX). Para análise de fluorescência de raios-X, o material

pozolânico de estudo foi reduzido em partículas menores por meio de um moinho de

disco. Para preparação, foram moídos 10 g de cimento junto com três gotas de

trietanolamina, que atua como dispersante e um grama de cera Wax, material

aglutinante. Depois de moído, 10 g desse material foram colocados em uma cápsula

redonda de alumínio, onde a mistura foi prensada em uma prensa semiautomática

Herzog, modelo HTP40, por um tempo de um minuto e carga de 20 toneladas sobre

a mesma, formando a pastilha. Essa pastilha foi introduzida no espectrômetro

Philips, modelo PW 2600, conforme Figura 5, acoplado a um computador para o

processamento de dados, para a análise de fluorescência de raios-X e determinação

dos elementos químicos constituintes e suas respectivas quantidades.

Análise granulométrica

Para análise granulométrica do cimento, foi usado o peneiramento Aerodinâmico

PVE-I, desenvolvido para análise granulométrica especialmente no controle de

qualidade de cimento, café, caulim, gesso, etc., que se baseia na movimentação de

partículas por meio de um jato cíclico de ar e uma pressão negativa ajustável. O jato

movimenta todas as partículas várias vezes, permitindo que as menores sejam

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sugadas pela pressão negativa, restando somente as partículas maiores retidas na

peneira que será usado para cálculo do resultado.

Análise de perda ao fogo

A análise de perda ao fogo identifica uma hidratação avançada do cimento,

conforme NBR NM 18 (ABNT, 2004). Para análise, a amostra de cimento foi

adicionada a um cadinho e aquecida numa mufla a 950°C por um período de 15

minutos. Em seguida, foi retirada e levada para um dessecador por um período

aproximado de uma hora. Após esse período, pesou-se a nova massa da amostra

para fazer o cálculo que deve ser expresso em percentual.

Análise de resíduo insolúvel (RI)

A análise de resíduo insolúvel determina o teor de cimento não solúvel ao ataque ao

ácido clorídrico, sendo usado como parâmetro para estimar o teor de cinzas no

cimento, conforme NBR NM 22 (ABNT, 2012d). Para análise, 1 g da amostra de

cimento foi dissolvido em ácido clorídrico, o restante da solução filtrada foi aquecida

numa mufla a 900°C. Em seguida, foi retirada e levada para um dessecador por um

período aproximado de uma hora. Após esse período deve-se pesar e calcular o

resultado.

Análise de tempo de pega

A análise de tempo de início de pega determina o tempo compreendido desde a

adição de água ao cimento até o momento em que a agulha de Vicat estacionar a

4±1 mm da base do molde, que contém a pasta de cimento e o tempo de fim de

pega determina o tempo compreendido desde a adição de água ao cimento até o

momento em que a agulha de Vicat (Figura 6) penetra (0,5 mm) na pasta de

cimento, conforme NBR NM 65 (ABNT, 2003b). Para análise, foi preparada a pasta

de consistência normal do cimento; para isso 500 g de cimento e água foram

adicionados a um misturador mecânico e deixados em repouso por 30 s. Misturou-

se durante 30 s em velocidade lenta, quando então, o aparelho foi desligado e as

paredes da cuba foram raspadas com a espátula. Após esse procedimento, a

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mistura foi repetida por mais 60 s à velocidade rápida. Esse material foi colocado em

molde tronco cônico e placa de vidro e colocados abaixo da agulha de Vicat,

conforme Figura 7, e então fez descer suavemente a agulha até que houve contato

com a pasta. Manteve-se por 2s e, depois, soltou rapidamente a haste sobre o

molde tronco-cônico e, após 30s, e então efetuou a leitura no indicador.

Figura 6 – Molde cônico e agulha de

Vicat

Fonte: Da autora, 2017.

Figura 7 – Cimento após descida da

agulha de Vicat

Fonte: Da autora, 2017.

Análise de expansibilidade

A análise de expansibilidade a quente determina a expansibilidade da pasta de

cimento, conforme NBR 11582 (ABNT, 2012c). Cimento com excesso de óxido de

cálcio é um dos responsáveis por essa expansibilidade e resultados altos identificam

possíveis degradação e deformações ao concreto. O método consiste em medir o

distanciamento de duas hastes provocado pela expansão da pasta de cimento de

consistência normal moldada no interior de um cilindro com fendas, em um aparelho

denominado Agulha de Le Chatelier (Figura 8).

Para análise, preparou-se uma pasta de consistência normal do cimento, conforme

NBR NM 43 (ABNT, 2003a). Essa pasta foi colocada em moldes de agulha de Le

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Chatelier, conforme Figura 9 (a), e coberta com placas de vidro (embaixo e acima) e

colocada um contrapeso acima do mesmo conforme Figura 9 (b). Logo em seguida,

foi medido e anotado o distanciamento das duas hastes para determinação do

resultado.

Figura 8 – Molde da agulha

de Le Chatelier

Fonte: Da autora, 2017.

Figura 9 – Cimento no molde coberto

por placa de vidro

(a) Amostra em molde

(b) Amostra coberta por placa de

vidro (embaixo e acima) Fonte: Da autora, 2017.

Análise de resistência à compressão

A análise de resistência à compressão é um ensaio físico mecânico exigido para o

cimento, conforme NBR 7215 (ABNT, 1996). O método compreende a determinação

de resistência à compressão de corpos de prova cilíndricos de 55 mm de diâmetro e

100 mm de altura compostos por argamassa feita por cimento, areia e água, que

serão submetidos a uma carga de compressão axial.

Para preparação dos corpos de prova foram coletados aproximadamente 10 kg de

amostra para cada cimento: cimento produzido com argila calcinada como adição e

o cimento produzido com escória de alto-forno em um intervalo de 20 minutos. As

amostras foram homogeneizadas e levadas para o laboratório de ensaios físicos da

própria fábrica, onde foram preparadas argamassa com esse material.

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Para a preparação da argamassa, foram misturados o cimento e a água em um

misturador mecânico de argamassa com velocidade baixa por 30 segundos, nas

seguintes proporções: 624 ± 0,4 g de cimento e 300 ± 0,2 g de água. Em seguida, foi

adicionada a Areia Normal Brasileira, de acordo com a NBR 7214 (ABNT,1996), que

caracteriza a areia normal para ensaio de resistência à compressão do cimento, nas

seguintes proporções: 468 ± 0, 3 g de areia normal fração fina (material retido entre

peneiras de aberturas entre 0,3 a 1,15 mm), 468 ± 0,3 g de areia normal fração

média fina (material retido entre peneiras de aberturas entre 0,6 a 0,3 mm), 468 ±

0,3 g de areia normal fração média grossa material retido entre peneiras de

aberturas entre 1,2 a 0,6 mm) e 468 ± 0,3 g de areia normal fração grossa (material

retido entre peneiras de aberturas entre 2,4 a 1,2 mm).

Então, esse material foi compactado manualmente em moldes cilíndricos com

diâmetro de 50 mm e altura 100 mm com auxílio de soquete e espátula, conforme

NBR 7215 (ABNT, 1996) - Determinação da resistência à compressão (Figura 10).

Foram moldados quatro corpos de prova (Figura 11) para cada idade totalizando a

confecção de 12, já que será medida a resistência à compressão após três, sete e

28 dias.

Figura 10 – Molde cilíndrico

Fonte: Da autora, 2017.

Figura 11 – Corpo de prova capeado

Fonte: Da autora, 2017.

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Esses moldes contendo os corpos de prova são conservados em uma câmara úmida

(Figura 12) com condições a 23°C de temperatura para cura inicial ao ar, quando

devem permanecer por um período de 20 h a 24 h, com a face superior protegida

por uma placa de vidro. Após esse período, os corpos de prova foram retirados dos

moldes e submetidos à cura final em água, momento em que são imersos em um

tanque com água saturada com cal, onde devem permanecer até o momento do

ensaio de ruptura, obedecendo ao prazo de três dias, sete dias e 28 dias.

Figura 12 - Corpos de prova em câmara úmida

Fonte: Da autora, 2017.

Após a cura final esses corpos de prova, foram levados para serem capeados em

suas extremidades com uma solução de enxofre de aproximadamente 2 mm para

garantir uma superfície lisa e plana de modo que a carga seja aplicada

uniformemente distribuída no corpo de prova conforme (Figura 12).

Os corpos de provas foram levados individualmente para uma prensa hidráulica de

marca Forney, modelo A - 10000 PSI (Figura 4), de ensaio de compressão uniaxial

onde foi aplicada uma carga sobre o molde conforme (Figura 13). É feita a leitura da

carga de ruptura gerada pela prensa e utiliza-se a média dos valores obtidos dos

quatro corpos de prova para cada idade, e, assim, é determinado o resultado.

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53

Considerando que as metas e os valores de resistência à compressão são

influenciados pelo tipo de cimento do teste, de acordo com a NBR 11578 (ABNT,

1991c).

Figura 13 – Prensa hidráulica com corpo de prova para análise de resistência à

compressão

Fonte: Da autora, 2017

Por meio de um computador ligado ao sistema de Power Line Communication (PLC),

acompanhou-se o comportamento operacional do moinho de rolos na fabricação do

cimento com os dois tipos de pozolanas e suas variações, sendo anotadas as

interferências no processo.

A Tabela 10 mostra os principais parâmetros operacionais para o acompanhamento

de operação do moinho de rolos verticais, nesse estudo, na fabricação do cimento. A

ênfase foi dada em duas variáveis, considerando constante o percentual de

pozolana usada durante todo o teste, mudando apenas o tipo de pozolana. As

variáveis analisadas foram produtividade de cimento no moinho de rolos verticais

(ton/h) e a corrente (A) da correia transportadora do produto final (cimento).

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54

Tabela 10 – Parâmetros importante de um moinho

Tipo de cimento

Portland

produzido

Tipo de

moinho

Pozolana

(%)

Produção

(ton/h)

Corrente da

correia (A)

CP IV - 32 Vertical de rolos 30,1% (1) 220 82(2)

Fonte: Da autora, 2017 (1) Para o cimento pozolânico o percentual de adição conforme a norma é de 15 a 50%. (2) Uma amperagem acima de 90 é considerada alta.

Produtividade de cimento

A produtividade do cimento no moinho (ton/h) é determinada pela soma do passante

de material em balanças gravimétricas instaladas para cada material individualmente

(clínquer, calcário, gesso e pozolana) na entrada do moinho, sendo considerado o

valor em base seca, ou seja, desprezando no cálculo a umidade de cada material.

Essa produtividade será aumentada de acordo com a estabilidade do processo.

No caso em estudo, o limitante do processo é a variação de corrente da correia

transportadora do produto final, decorrente de sobrepeso na mesma. Este

descontrole ocasiona o derramamento de cimento e uma queda na produtividade, já

que foi necessária a redução da produção até estabilização do processo.

A corrente da correia transportadora é dada em amperes, que deverá ser analisada

em relação às suas variações e seu comportamento. A variação de amperagem da

corrente da correia deverá ser mínima, já que o fluxo de entrada de material é

constante. Uma amperagem alta ou muitas variações significam que a correia está

com sobrepeso (isso considerando correias sem desgastes, guias laterais normais e

correia alinhada), e como consequência ocorrerá o derrame de material.

Esses dados foram colhidos para análise por meio do Process Information

Management Systems (PIMS), já que esse programa caracteriza-se por colher

informações e dados de diversas fontes, armazenar grandes históricos e os

disponibilizar os dados por meio de diversas formas de representação. Assim, o

PIMS é considerado uma ferramenta de gerenciamento de informações.

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55

A análise dos dados obtidos foi feita por gráficos do Excel, alimentados com

informações armazenadas pelo PIMS, que transmite os valores relacionados à

produtividade de cimento (tonelada/hora) e à corrente (A) da correia de saída do

cimento, analisando-se o comportamento das variáveis com as duas pozolanas

usadas. Para o teste de acompanhamento de produtividade, foi iniciada a fabricação

do cimento CPIV-32 no moinho de rolos verticais com a argila calcinada. Em

seguida, esta pozolana foi substituída pela escória de alto- forno.

O acompanhamento do processo e a coleta de amostras com cada material foram

feitos num período maior que 48 horas. O estudo de produtividade tem o intuito de

acompanhar a influência do material pozolânico na estabilidade do processo por

meio da variação da amperagem da corrente e, como consequência, na produção.

O fluxograma do estudo com as análises realizadas são mostradas na Figura 14.

Figura 14 – Fluxograma do trabalho

Fonte: Da autora, 2017.

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56

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Caracterização das pozolanas

5.1.1 Análises químicas, DRX e ASE

Na Tabela 11 são apresentados os elementos identificados com a interpretação das

proporções de cada elemento em função das intensidades obtidas para cada

amostra na análise semiquantitativa de FRX. No Apêndice A, estão os espectros da

análise de FRX das amostras de argila calcinada e de escória de alto-forno.

Tabela 11 – Resultado da análise de FRX das pozolanas

Amostra

Elementos

identificados

em maior

proporção

Elementos com

proporção

média

Elementos

com

proporção

baixa

Traço

Argila

calcinada O, Fe, Si Al, Mg, Mn, Ca

S, Cl, Pb, Zn,

Cu

K, Cr, Ti,

Ba

Escória de

alto-forno Mg, O, Si Fe, Mn, Ca, Al Ti, Cr, K S, Cl

Fonte: Da autora, 2017.

Observa-se que se apresentaram em maior quantidade o oxigênio, o silício e o ferro,

sendo esse responsável pela coloração avermelhada para a amostra de argila

calcinada. Já a escória apresentou magnésio (Mg), oxigênio (O) e silício (Si). O

cálcio (Ca), manganês (Mn) e alumínio (Al) se apresentaram em proporções médias.

E com baixos valores, têm-se os elementos cloro (Cl), enxofre (S), zinco (Zn),

potássio (K), cobre (Cu), titânio (Ti), chumbo (Pb) e cromo (Cr). Os dados obtidos

correspondem ao que seria esperado para as duas amostras, já que as pozolanas

são caracterizados por serem materiais silicoaluminatos.

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57

A análise quantitativa por espectrometria de fluorescência de raios-X para amostra

da argila calcinada é mostrada na Tabela 12, onde se pode observar também o valor

de umidade e de IAP da amostra.

Tabela 12 – Caracterização química da argila calcinada

Qu

ímic

a

Um

ida

de

SiO

2

Al 2

O3

Fe

2O

3

Ca

O

Mg

O

SO

3

Na

2

K2O

F

Cl

PF

To

tal

IA

P (

Mp

a)

Va

lor

(%)

7,10 46,90 9,50 16,90 20,10 1,00 0,70 0,20 0,70 0,50 0,040 3,00 99,54 6,30

Fonte: Da autora, 2017.

De acordo com as exigências químicas especificadas pela ABNT para materiais

pozolânicos, a argila calcinada apresentou 73,3% ao somatório dos teores de (SiO2

+ Al2O3 + Fe2O3) e atende ao mínimo exigido de 70%. Os valores de álcalis (Na2),

somados aos valores de SO3 e aos valores de perda ao fogo (PF) apresentaram uma

grande folga quanto aos valores exigidos. Apenas a umidade excedeu-se

apresentando um valor de 7,1 enquanto o percentual máximo é três, esta umidade

está relacionada à forma de estocagem e de transporte desse material (Tabela 7).

Em relação às exigências físicas especificadas pela ABNT para materiais

pozolânicos, a argila calcinada apresentou um resultado próximo ao limite mínimo de

6,3 MPa de IAP considerando uma exigência de 6 MPa e quanto ao material retido

na peneira de 45µm o resultado foi de 0,24%, considerando um material fino,

apresentando folga, considerando que a exigência máxima é de 34% (Tabela 4).

A análise semiquantitativa por difração de raio-X para amostra de argila calcinada,

conforme Figura 15, corrobora a caracterização química quantitativa feita por

fluorescência de raios-X.

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Figura 15 – DRX da argila calcinada

Fonte: Da autora, 2017.

Posição

(Cobre

(Cu))

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A fase mais frequente foi o quartzo, na forma de SiO2, sendo que a hematita (Fe2O3)

e a pigeonita na forma de ((Mg, Fe, Ca) (Mg, Fe) Si2O6) foram também observados.

Esse material apresenta um singelo halo amorfo, o que permite interagir

quimicamente com a cal formando compostos hidratados. A presença de halo

amorfo justifica a capacidade dessa adição em fixar cal conforme observado também

no teste de IAP.

Comparando as análises químicas da argila calcinada, observou-se que elementos

químicos, como K, Cr, Ti, Ba, Zn, Cu, Pb e Mn, foram apresentadas na análise

semiquantitativa de FRX, porém não estiveram na análise quantitativa de FRX. A

análise quantitativa por espectrometria de fluorescência de raios-X para amostra da

escória de alto forno é mostrada na Tabela 13, onde é apresentado também o valor

de umidade e de IAP para amostra.

Tabela 13 – Caracterização química da escória de alto-forno

Qu

ímic

a

Um

ida

de

SiO

2

Al 2

O3

Fe

2O

3

Ca

O

Mg

O

SO

3

Na

2

K2O

F

Cl

PF

To

tal

IA

P (

Mp

a)

Va

lor

(%)

6,20 46,40 12,30 2,60 27,40 6,30 0,02 0,05 0,60 0,08 0,02 0,60 96,30 8,40

Fonte: Da autora, 2017.

A análise por difração de raio-X para amostra de escória de alto-forno apresentou

uma fase amorfa, o que significa ausência praticamente total de cristalinidade do

material. Essa ausência pode estar relacionada ao processo em que é obtida a

escória de alto-forno, havendo uma descaracterização de seus minerais. A fase

amorfa permite interagir quimicamente com a cal, formando compostos hidratados,

justificando a capacidade dessa adição em fixar cal conforme observado também no

teste de IAP. O resultado complementa a caracterização química quantitativa feita

por FRX. O resultado dessa análise pode ser observado na Figura 16.

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Figura 16 – DRX da escória de alto-forno

Fonte: Da autora, 2017.

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61

De acordo com as exigências químicas especificadas pela ABNT para materiais

pozolânicos, a escória de alto-forno apresentou 61,3% ao somatório dos teores de

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 e atende ao mínimo exigido para sua classe (E) de 50%.

Os valores de álcalis (Na2), aos valores de SO3 e aos valores de PF apresentaram

uma grande folga quanto aos valores exigidos. Apenas a umidade excedeu-se,

apresentando um valor de 6,2 enquanto percentual máximo é três, esta umidade

está relacionada a forma de transporte desse material (Tabela 7).

Em relação às exigências físicas especificadas pela ABNT para materiais

pozolânicos, a escória de alto-forno apresentou um resultado de 8,4 MPa de IAP,

melhor que o esperado, considerando uma exigência de 6 MPa e quanto ao material

retido na peneira de 45 µm o resultado foi de 0,85%, considerando um material fino,

apresentando folga, considerando que a exigência máxima é de 34% (Tabela 8).

Comparando as análises químicas da argila calcinada e da escória nas tabelas 12 e

13, observa-se que os percentuais de sílica (SiO2), sódio (Na2) e o óxido de potássio

(K2O) apresentaram valores próximos. Já o cloro, devido à pequena quantidade, foi

considerado desprezível.

Observou-se que a quantidade de óxido de ferro presente na amostra de escória de

alto-forno foi significativamente menor. Esse resultado pode ser explicado pela sua

forma de obtenção, já que esse material é apenas um resíduo da fabricação de ferro

gusa, apresentando, assim, apenas pequenas quantidades.

Outras diferenças significativas entre as duas amostras foram os teores de óxido de

alumínio (Al2O3), óxido de cálcio (CaO), óxido de magnésio (MgO), flúor (F), perda

ao fogo (PF) e o trióxido de enxofre (SO3).

Os teores desses compostos químicos no cimento podem causar influências em

suas propriedades:

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Altos teores de álcalis Na2 e K2O pode prejudicar a regulação do tempo de

pega no processo de hidratação.

O óxido de alumínio (Al2O3) ao reagir com o cálcio influencia na resistência à

compressão em três dias do cimento.

O óxido de ferro (Fe2O3), ao reagir com o cálcio, é o principal responsável

pela coloração do cimento.

O óxido de cálcio (CaO) influencia na formação da alita, principal fase mineral

do clínquer, que é responsável pelas principais características físicas e

químicas do cimento.

O óxido de magnésio (MgO) impacta diretamente na expansibilidade do

cimento, podendo causar fissuras no concreto se seu teor passar de 6,5% no

cimento.

O flúor (F) influencia no tempo de pega do cimento.

A perda ao fogo (PF) que refere-se aos componentes que são liberados em

temperaturas de aproximadamente 1.000°C, e teores acima de 4,5% no

cimento são considerados altos e pode prejudicar o endurecimento dos

cimentos em relação a idade.

Já a concentração de SO3 irá impactar diretamente no tempo de início e fim

de pega do cimento (SILVA, 2010).

5.1.2 Análise granulométrica

As Tabelas 14 e 15 apresentam a distribuição granulométrica da argila calcinada e

da escória de alto-forno estudada por peneiramento. Observa-se a massa retida em

gramas, o percentual de material retido em cada peneira, o percentual de retido

acumulado e o percentual acumulado.

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63

Tabela 14 – Análise granulométrica da argila calcinada

Argila calcinada

Abertura (mm)

Massa Retida (g) % retido % retido acumulado

% passante acumulado

9,600 1,00 0,26 0,26 99,74 6,300 10,80 2,82 3,08 96,92 4,750 13,70 3,58 6,67 93,33 3,360 30,00 7,84 14,51 85,49 2,360 55,40 14,48 28,99 71,01 1,700 77,00 20,13 49,12 50,88 1,200 72,90 19,06 68,18 31,82 0,850 50,40 13,18 81,36 18,64 0,600 26,20 6,85 88,21 11,79 0,435 21,00 5,49 93,70 6,30 0,300 7,80 2,04 95,74 4,26 0,212 6,70 1,75 97,49 2,51 0,150 3,20 0,84 98,33 1,67 0,106 3,00 0,78 99,11 0,89 0,075 1,40 0,37 99,48 0,52 0,053 0,90 0,24 99,71 0,29 0,038 0,90 0,24 99,95 0,05 -0,038 0,20 0,05 100,00 0,00

382,50 100,00

Fonte: Da autora, 2017. Tabela 15 – Análise granulométrica da escória de alto-forno

Escória de alto-forno

Abertura (mm)

Massa Retida (g) % retido % retido acumulado

% passante acumulado

31,70 25,2 3,52 3,52 96,48 12,50 27,20 3,80 7,32 92,68 9,600 24,50 3,42 10,75 89,25 6,300 56,10 7,84 18,59 81,41 4,750 66,20 9,25 27,84 72,16 3,360 92,10 12,87 40,71 59,29 2,360 93,10 13,01 53,72 46,28 1,700 84,80 11,85 65,58 34,42 1,200 77,00 10,76 76,34 23,66 0,850 70,10 9,80 86,14 13,86 0,600 13,80 1,93 88,06 11,94 0,435 18,60 2,60 90,66 9,34 0,300 11,00 1,54 92,20 7,80 0,212 14,10 1,97 94,17 5,83 0,150 9,10 1,27 95,44 4,56 0,106 11,90 1,66 97,11 2,89 0,075 6,50 0,91 98,02 1,98 0,053 6,20 0,87 98,88 1,12 0,038 7,10 0,99 99,87 0,13 -0,038 0,90 0,13 100,00 0,00

715,50 100,00

Fonte: Da autora, 2017.

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64

A Figura 17 apresenta as curvas granulométricas para as duas amostras de

materiais pozolânicos estudados. Verificou-se que, aproximadamente, 80% da

amostra de argila calcinada passaram pela peneira de 3,36 mm.

Figura 17 – Análise granulométrica das duas pozolanas

Fonte: Da autora, 2017.

Já para a escória de alto-forno, aproximadamente, 80% da amostra passaram pela

peneira de 6,30mm, considerando a argila calcinada um material mais fino, o que

aumenta as chances desse material contribuir com algum efeito pozolânico se

comparado à escória de alto-forno.

De acordo com os resultados apresentados na Tabela 16, observou-se uma alta

área específica, característica de um material muito fino para a argila calcinada, o

que proporciona uma maior fluidez desse material no processo de fabricação do

cimento refletido na correia de transporte (derramamento) do produto final.

As Tabelas 16 e 17 apresentam os resultados das análises de área específica para

a argila calcinada e escória de alto-forno, respectivamente. Esses resultados

confirmam a análise granulométrica, pois se observou um valor alto de 11520 m2/g

se comparado ao valor de 0,375 m2/g da escória de alto-forno, porém considerado

compatível com os materiais silicosos.

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65

Tabela 16 – Resultados da análise da área específica da argila calcinada

RESULTADO PELA TÉCNICA BRUNAUER, EMMETT E TELLER – BET

PARA A ARGILA CALCINADA

Coeficiente de

correlação (r) Constante de absorção (C)

Área específica

(m2/g)

0.999920 189 11520

Fonte: Da autora, 2017.

Tabela 17 – Resultados da análise da área específica da escória de alto-forno

RESULTADO PELA TÉCNICA BRUNAUER, EMMETT E TELLER – BET

PARA A ESCÓRIA DE ALTO-FORNO

Coeficiente de

correlação (r) Constante de absorção (C)

Área específica

(m2/g)

0.9949 -34756 0,375

Fonte: Da autora, 2017.

As Figuras 18 e 19 apresentam as análises da área específica superficial analisada

pela técnica de BET para a argila calcinada e a escória de alto-forno,

respectivamente.

Figura 18 – Análise na técnica de multi point BET da argila calcinada

Fonte: Da autora, 2017.

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66

Figura 19 – Análise na técnica de multi-point BET da escória de alto-forno

Fonte: Da autora, 2017.

5.2 Caracterização dos cimentos

5.2.1 Análises químicas e físicas

As exigências químicas e físicas para o cimento Portland pozolânicos são perdas ao

fogo (PF) ≤ 4,5%, óxido de magnésio (MgO) ≤ 6,5%, trióxido de enxofre (SO3) ≤

4,0%, anidrido carbônico (CO2) ≤ 3,0%, finura (resíduo na peneira 75 µm) ≤ 8%,

tempo de início de pega ≥ 1 hora e expansibilidade a quente ≤ 5 mm.

A resistência à compressão em três dias ≥ 8,0 MPa, resistência a compressão em 7

dias ≥ 15 MPa e resistência a compressão em 28 dias ≥ 25 MPa também são

parâmetros exigidos, porém são abordados separadamente em um item a posteriori.

A Tabela 18 mostra os resultados das análises químicas e físicas feitas com o

cimento produzido com argila calcinada como adição.

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67

Tabela 18 – Análises química e física do cimento com argila calcinada

Análises químicas e físicas ao cimento com argila

calcinada Resultados

Perda ao Fogo (PF) 3,23 %

Óxido de magnésio (MgO) 2,61 %

Trióxido de enxofre (SO3) 2,61 %

Anidrido carbônico (CO2) 1,05 %

Finura 0,30 %

Tempo de início de pega 240 min

Expansibilidade a quente 0%

Fonte: Da autora, 2017.

O Gráfico 1 compara a meta (com base nas exigências) do cimento com os

resultados das análises químicas e físicas do cimento produzido com argila

calcinada.

Gráfico 1 – Resultados químicos e físicos do cimento Portland com argila calcinada

Fonte: Da autora, 2017.

Todos os parâmetros atenderam às exigências, porém observou-se que a PF e os

óxidos apresentaram folga nos valores exigidos. A expansibilidade apresentou valor

zero, demonstrando que não houve presença representativa de óxidos que causam

deformação ao cimento. O tempo de início de pega foi de quatro horas, valor que

proporciona um ótimo tempo de trababilidade da argamassa antes de seu

endurecimento. A finura apresentou resultados melhores e as resistências em todas

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68

as idades apresentaram resultados acima do esperado, porém a resistência após

três dias apresentou o melhor desempenho atingindo 11 MPa, acima do esperado.

A Tabela 19 mostra os resultados das análises químicas e físicas feitas com o

cimento produzido com escória de alto-forno.

Tabela 19 – Análise química e física do cimento com escória de alto-forno

Análises químicas e físicas ao cimento com

escória de alto-forno Resultados

Perda ao Fogo (PF) 3,70 %

Óxido de magnésio (MgO) 3,61 %

Trióxido de enxofre (SO3) 3,10 %

Anidrido carbônico (CO2) 1,0 %

Finura 0,40 %

Tempo de início de pega 235 min

Expansibilidade a quente 0%

Fonte: Da autora, 2017.

O Gráfico 2 compara a meta (com base nas exigências) do cimento com os

resultados das análises químicas e físicas do cimento produzido com a escória de

alto-forno como adição.

Gráfico 2 – Resultados químicos e físicos do cimento Portland com escória de alto-

forno

Fonte: Da autora, 2017.

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69

Todos os parâmetros atenderam às exigências, porém observou-se que a PF e os

óxidos apresentaram folga nos valores exigidos. A expansibilidade apresentou valor

zero, mostrando que não houve presença representativa de óxidos que causam

deformação ao cimento. O tempo de início de pega foi de 3,9 horas, valor que

proporciona um ótimo tempo de trababilidade da argamassa antes de seu

endurecimento. A finura apresentou resultados melhores e as resistências em todas

as idades apresentaram resultados acima do esperado, porém a resistência após

três dias apresentou o melhor desempenho atingindo 9MPa acima do esperado.

Comparando os resultados das análises químicas e físicas dos cimentos produzidos

com argila calcinada e escória de alto-forno como adições, todos os parâmetros

atenderam às exigências, observando-se que a PF e os óxidos apresentaram folga

nos valores exigidos, porém, para a escória de alto forno, apresentaram valores

maiores. As expansibilidades apresentaram valor zero, demonstrando que não

houve presença representativa de óxidos que causam deformação ao cimento. O

tempo de início de pega foi aproximadamente de quatro horas para as duas

amostras, valor que proporciona um ótimo tempo de trababilidade da argamassa

antes de seu endurecimento. As finuras apresentaram resultados melhores, porém,

com a argila calcinada, apresentou um cimento mais fino. As resistências em todas

as idades apresentaram resultados acima do esperado, entretanto a resistência

após três dias apresentou o melhor desempenho.

5.2.2 Resistência mecânica

A resistência à compressão do cimento é um parâmetro físico de qualidade exigido

pela NBR 5733 (ABNT, 1991b) que estabelece padrão para o cimento pozolânico.

De acordo com as NBRs 5736 (ABNT, 1991c) e 5737 (ABNT, 1992a) que regem o

padrão de qualidade para o CPIV-32, as resistências à compressão devem obedecer

às especificações garantindo que a resistência na idade de três dias atenda valores

entre 12 e 16 MPa, resistência na idade de sete dias atenda valores entre 20 e 24

MPa e a resistência na idade de 28 dias atenda valores entre 32 e 36 MPa.

Com base na caracterização, os resultados de resistência à compressão após três,

sete e vinte e oito dias são apresentados no Gráfico 3. Foi mostrado um período

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70

maior para um melhor acompanhamento e uma visão holística dos resultados.

Enfatiza-se que até dia 21 de outubro usou-se argila calcinada como adição e a

partir do dia 22 passou-se a usar a escória de alto-forno como adição ao cimento.

Gráfico 3 – Resistência à compressão do cimento Portland

Fonte: Da autora, 2017.

Observou-se valores de resistência à compressão mais altas, em todas as idades,

no período que antecede o dia 21 de outubro de 2016 com valores alcançando até

20 MPa após três dias, 27 MPa após sete dias e 40 MPa após 28 dias. O período

compreendido corresponde à composição pozolânica do cimento Portland de argila

calcinada.

Observou-se que o comportamento de resistência à compressão segue a mesma

tendência para as idades de três, sete e 28 dias confirmando e enfatizando cada

resultado. Observou-se ainda uma tendência de queda nos valores de resistência do

cimento em idades a partir do dia 22 de outubro de 2016, data em que a composição

pozolânica do cimento era a escória de alto-forno.

Esses resultados foram baixando com o passar dos dias, no dia 30 de outubro de

2016 apresentaram valores de 14 MPa após 3 dias, 21 MPa após 7 dias e 32 MPa

após 28 dias, os mais baixos de todo o período analisado.

0

5

10

15

20

25

30

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45

02/1

0/16

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03/1

1/16

05/1

1/16

Val

or (M

Pa)

Período

RESISTÊNCIA APÓS 3 DIAS

RESISTÊNCIA APÓS 7 DIAS

RESISTÊNCIA APÓS 28 DIAS

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A utilização da argila calcinada apresentou um melhor desempenho de resistência

ao cimento e como consequência irá proporcionar uma maior durabilidade ao

concreto. Esse valor está diretamente ligado à maior área específica superficial

deste material, porém, observou-se que os resultados das amostras de cimento com

escória foram menores, mas foram satisfatórios, pois atenderam aos valores de

resistência à compressão exigidos por norma, valor influenciado também por uma

área específica superficial, porém menor.

5.3 Análise de desempenho no processo produtivo

Acompanhou-se a fabricação de cimento produzido por um moinho de rolos verticais

e o comportamento da correia que transporta o cimento produzido, fazendo a

comparação em relação à variação de corrente da correia transportadora em

ampères (A), quando utilizada argila calcinada e, em seguida, utilizando escória de

alto-forno como adição ao cimento.

O parâmetro nominal da correia transportadora em amperagem determinado pelo

fabricante para esse tipo de material (muito fino) é de 70 A, considerando que a

quantidade de material na correia pode influenciar a sua amperagem e que não há

anomalia no equipamento. Valores acima de 90 A são considerados altos e

acarretam em derrame de cimento sob a correia devido à mesma apresentar

sobrepeso de material. Esse sobrepeso pode ser influenciado pela característica

desse material, pois impacta diretamente a fluidez do mesmo.

Observou-se, conforme Gráfico 4, uma grande variação de corrente (A) na correia

transportadora no período que antecede o dia 21 de outubro de 2016 com incidência

de derrame de material. Foi considerada a amperagem da correia transportadora

como o gargalo do processo, por apresentar variações entre 60 a 120 A e causar

constantes derrames, que obriga a redução da produção pontual do moinho até a

redução de amperagem e do derrame do cimento produzido.

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72

Gráfico 4 – Produção de cimento X corrente da correia com argila calcinada

Fonte: Da autora, 2017.

No dia 01/10, houve produção de 187 t e corrente alta de 113 A, sendo necessário a

redução dessa produção no dia 02/10 para 165 t, o que influenciou diretamente na

redução da corrente da correia para 90 A. O aumento de amperagem da correia

acompanhou o aumento de produção, e esse comportamento manteve-se até

próximo do dia 14 de outubro de 2016.

Observou-se que entre os dias 14 e 20 de outubro não houve mais essa

relação, aumento de produção com aumento de amperagem da correia, pois,

mesmo com o aumento da produção, a corrente da correia manteve-se mais baixa,

porém ainda apresentou valores acima de 90 A nos dias 15 e 19 de outubro,

demonstrando distúrbios no processo nesse período; porém nesse caso, não houve

relação direta com o aumento de produção.

Observou-se, notoriamente, no Gráfico 5 uma tendência de estabilidade no processo

de moagem do moinho de cimento por meio da corrente da correia transportadora a

partir do dia 22 de outubro, apresentando valores de 185 t e corrente da correia de

73 A; a partir do dia 23 de outubro a produção se elevou para 187 t e a corrente para

70 A, não havendo mais variações bruscas.

0

20

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80

100

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0

20

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nte

da

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eia

(A

)

Pro

du

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Período (Dia)

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Corrente da correia

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Desse modo, houve a estabilidade na produção do moinho, após estabilizar a

corrente da correia que era o gargalo do processo; o derrame de material pela

correia foi sanado, proporcionando a possibilidade de aumento de produtividade.

Esta coleta de dados foi capaz de mostrar a interferência da mudança das adições

na fabricação do cimento na estabilidade da correia de produto final e se a mesma

possibilita uma oportunidade de manutenção ou aumento de produção.

Gráfico 5 – Produção de cimento X corrente da correia com escória de alto-forno

Fonte: Da autora, 2017.

Após a estabilidade do processo por meio das variações da correia transportadora

em amperes, no dia 27 de outubro de 2016, iniciou-se o aumento da produção.

Observou-se um aumento de produção e, ainda assim, a corrente da correia

manteve-se mais estável, apresentando valores que variaram entre 65 a 80 A, no

período de 27 de outubro a 05 de novembro de 2016. Observou-se também que o

aumento de produção era potencial influenciador da amperagem da correia

transportadora, porém não era o único.

Logo, o cimento produzido usando como adição a argila calcinada apresentou

variação de produção entre 160 a 190 toneladas, pois houve necessidade das

diversas intervenções com reduções na produção devido à instabilidade no

processo. Já o cimento produzido usando como adição a escória de alto-forno

apresentou variação de produção entre 175 a 215 toneladas, valores influenciados

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

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Co

rre

nte

da

corr

eia

(A

)

Pro

du

ção

(to

n)

Período (Dia)

Alimentação

Corrente da correia

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por uma maior estabilidade no processo acarretando assim, numa maior produção

de cimento.

Essa estabilidade pode estar relacionada à característica do material pozolânico

usado na composição do cimento. A área superficial específica é uma característica

que influencia no processo de fluidez de um material transportado por correias

transportadoras, considerando que a área específica à argila calcinada foi 11.520

m2/g, valor muito alto se comparado com a área específica de 0,375 m2/g da escória

de alto-forno usada.

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75

6 CONCLUSÕES

As análises químicas quantitativas feitas pela fluorescência de raios-X e

semiquantitativas feitas pelas técnicas DRX e FRX complementam-se no que se

refere à composição da argila calcinada e da escória de alto-forno, apresentando

maior proporção em sílica, seguida de cálcio, alumínio e ferro. Este resultado

confirma e mostra que os materiais aqui estudados são materiais silicoaluminosos,

características predominantes das pozolanas, o que confirma que podem ser usados

como adição ao cimento Portland pozolânico.

A argila calcinada apresentou como fase mais frequente o quartzo, na forma de

SiO2, com presença também de hematita e de pigeonita. A escória de alto-forno

apresentou fase amorfa, não possuindo um sistema cristalino organizado, reflexo

das severas cargas térmicas usadas no alto-forno, necessárias para sua obtenção,

podendo chegar a temperaturas próximas de 1800°C.

Em relação à análise granulométrica, as técnicas de peneiramento e de área

superficial específica (ASE) se complementaram e mostram a grande diferença na

granulometria entre os dois materiais, pois, aproximadamente, 80% do material

passante de amostra de argila calcinada passaram pela peneira de 3,36 µm. Já para

a escória de alto-forno, aproximadamente 80% do material passaram pela peneira

de 6,30 µm, caracterizando um material mais fino se comparado à escória de alto-

forno.

Havendo uma grande discrepância nos valores obtidos para a área superficial

específica, a argila calcinada apresentou uma área de 11.520 m2/g, muito superior

ao da escória de alto-forno que apresentou uma área de 0,375 m2/g, proporcionando

assim, um efeito de empacotamento melhor, refletindo numa menor porosidade e

permeabilidade de agentes externos ao cimento e assim ao concreto.

Os cimentos produzidos com argila calcinada e com escória de alto-forno atenderam

a todos os parâmetros químicos e físicos exigidos pelas normas técnicas.

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Com os resultados obtidos, é possível ter as seguintes conclusões no que se refere

à análise dos cimentos produzidos com ambas pozolanas:

a) as pozolanas atenderam às exigências solicitadas pelas normas brasileiras;

b) o cimento produzido com adição de argila calcinada apresentou maior

instabilidade no processo, principalmente no que se refere à variação da

corrente da correia transportadora. Esse fato é explicado pela maior área

superficial específica característica de um material mais fino que ocasiona

uma maior fluidez;

c) a produção do cimento com adição de escória de alto-forno foi maior, pois

apresentou um processo mais estável.

d) o cimento produzido com adição de argila calcinada apresentou maior

resistência em todas as idades, reflexo da menor porosidade e

permeabilidade ao cimento.

Concluiu-se, então, que a escória de alto-forno em estudo como adição do cimento,

comparando à argila calcinada, proporcionou uma maior produção de cimento e uma

maior estabilidade no processo de fabricação, porém uma menor resistência em

todas as idades devido a seu menor valor de área superficial específica.

6.1 Sugestões para trabalhos futuros

Um estudo mais aprofundado, relacionando outros parâmetros importantes de um

moinho no processo de fabricação de cimento será fundamental para continuidade

dos estudos sobre a influência dos materiais pozolânicos no processo.

O estudo da influência de outros tipos de materiais pozolânicos já usados na

indústria de cimento e o estudo de novos materiais e suas influências dará uma

continuidade ao assunto tratado nesse trabalho, podendo relacionar qual o melhor

tipo de pozolana a ser usada de acordo com o objetivo da empresa beneficiada.

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APÊNDICE A – Análise de fluorescência de Raio-X (FRX)

FRX I da escória de alto-forno

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FRX II da escória de alto-forno

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FRX I da argila calcinada

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FRX II da argila calcinada