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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
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
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
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...
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.
“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
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.
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.
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
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
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
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
PIMS Process Information Management Systems PLC Power Line Communication SNIC Sindicato Nacional da Indústria do Cimento
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
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).
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.
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.
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
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
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).
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.
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).
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
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.
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.
26
Figura 2 – Fluxograma da fabricação de cimento
Fonte: Coutinho, 2006
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.
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);
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.
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%.
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.
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
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).
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.
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.
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.
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).
38
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
39
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.
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.
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.
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.
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
44
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.
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
46
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.
47
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
48
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
49
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
50
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.
51
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.
52
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.
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).
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.
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.
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.
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.
58
Figura 15 – DRX da argila calcinada
Fonte: Da autora, 2017.
Posição
(Cobre
(Cu))
59
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.
60
Figura 16 – DRX da escória de alto-forno
Fonte: Da autora, 2017.
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:
62
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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5
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20
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28/1
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30/1
0/16
01/1
1/16
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
71
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.
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.
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Co
rre
nte
da
corr
eia
(A
)
Pro
du
ção
(to
n)
Período (Dia)
Alimentação
Corrente da correia
73
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
100
150
200
250
22
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05
/11
/16
Co
rre
nte
da
corr
eia
(A
)
Pro
du
ção
(to
n)
Período (Dia)
Alimentação
Corrente da correia
74
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.
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
84
FRX II da escória de alto-forno
85
FRX I da argila calcinada
86
FRX II da argila calcinada