Cimento Portland é um ligante ou cimento hidráulico que, quando misturado com agregados “Agregado (minerário)”), água e fibras de aço descontínuas e discretas, tem a propriedade de formar uma massa rochosa resistente e durável denominada concreto. É o mais comum na construção civil e é utilizado como ligante para a preparação do concreto (chamado de concreto em vários pontos da América Latina). Por ser um cimento hidráulico, tem a propriedade de endurecer e endurecer na presença de água, reagindo quimicamente com ela para formar um material com boas propriedades de ligação.
Foi inventado em 1824, em Inglaterra, pelo construtor Joseph Aspdin, ano em que recebeu a patente.[1] O nome deve-se à semelhança no aspecto com as rochas encontradas na ilha de Portland, no concelho de Dorset, embora se argumente também que esta atribuição teve como objectivo associá-lo à 'alta qualidade' dentro do mercado de elementos de construção[2] do calcário da referida localidade.
Geralmente tem uma cor cinza ardósia intensa ou marfim pálido (nesse caso é chamado de cimento branco).
De acordo com um relatório da Agência Internacional de Energia,[3] o aumento da população global, os crescentes processos de urbanização e as necessidades de infraestruturas para o desenvolvimento, significam que a procura de cimento está a aumentar em todo o mundo. Isto faz do cimento Portland a substância manufaturada mais consumida no planeta e o setor de produção de cimento industrial ocupa o terceiro lugar no uso de energia industrial, compreendendo 7% do total ou o equivalente a cerca de 10,7 exajoules.
Fabricação de cimento Portland
Contenido
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases:.
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:.
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica. Con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada; sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o bien carbonato de calcio, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.
Cimento Portland (Invenção)
Introdução
Em geral
Cimento Portland é um ligante ou cimento hidráulico que, quando misturado com agregados “Agregado (minerário)”), água e fibras de aço descontínuas e discretas, tem a propriedade de formar uma massa rochosa resistente e durável denominada concreto. É o mais comum na construção civil e é utilizado como ligante para a preparação do concreto (chamado de concreto em vários pontos da América Latina). Por ser um cimento hidráulico, tem a propriedade de endurecer e endurecer na presença de água, reagindo quimicamente com ela para formar um material com boas propriedades de ligação.
Foi inventado em 1824, em Inglaterra, pelo construtor Joseph Aspdin, ano em que recebeu a patente.[1] O nome deve-se à semelhança no aspecto com as rochas encontradas na ilha de Portland, no concelho de Dorset, embora se argumente também que esta atribuição teve como objectivo associá-lo à 'alta qualidade' dentro do mercado de elementos de construção[2] do calcário da referida localidade.
Geralmente tem uma cor cinza ardósia intensa ou marfim pálido (nesse caso é chamado de cimento branco).
De acordo com um relatório da Agência Internacional de Energia,[3] o aumento da população global, os crescentes processos de urbanização e as necessidades de infraestruturas para o desenvolvimento, significam que a procura de cimento está a aumentar em todo o mundo. Isto faz do cimento Portland a substância manufaturada mais consumida no planeta e o setor de produção de cimento industrial ocupa o terceiro lugar no uso de energia industrial, compreendendo 7% do total ou o equivalente a cerca de 10,7 exajoules.
Fabricação de cimento Portland
Contenido
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases:.
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:.
La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400 °C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.
En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo o caliza) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (CaSi y CaSi). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (CaAl) y ferroaluminato tetracálcico (CaAlFe). El material resultante es denominado clínker. El clínker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua.[4].
La energía necesaria para producir el clínker es de unos 1700 julios "Julio (unidad)") por gramo, pero a causa de las pérdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, un gas de efecto invernadero.
Para mejorar las características del producto final al clínker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso "Yeso (mineral)") (aljez) y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo:.
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.
El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de sílice "Óxido de silicio (IV)") (SiO). Las tres reacciones generan calor.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:.
6 CaOSiO + (x+3) HO → 3 CaO2SiO·xHO + 3 Ca(OH)
4 CaOSiO+ (x+1) HO → 3 CaO2SiO·xHO + Ca(OH)
6 CaOAlO+ (x+8) HO → 4 CaOAlO·xHO + 2 CaOAlO·8HO
3 CaOAlO + 12 HO + Ca(OH) → 4 CaOAlO·13HO
4 CaOAlOFeO + 7 HO → 3 CaOAlO·6HO + CaOFeOHO.
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de CaOAlO, seguida de la de CaOSiO, y luego CaOAlOFeO y finalmente CaOSiO.
El yeso, o aljez "Yeso (mineral)"), se agrega generalmente al clínker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada etringita.[5]
3 CaOAlO + 3 CaSO·2HO + 26 HO → 3CaOAlO·3CaSO·32HO.
Módulos
Os módulos são valores característicos de cada cimento ou cal, que permitem conhecer a relação em termos percentuais dos vários componentes do produto final. Para cimento Portland você tem:
Módulo hidráulico.
Módulo de silicato.
Módulo de sílica.
Módulo de alumina.
Impacto Ambiental
La producción de cemento Portland comprende una serie de impactos ambientales. La descomposición de la piedra caliza (carbonato de calcio), representa aproximadamente dos tercios de las emisiones totales de CO2 generadas en el proceso, mientras el resto de emisiones de CO2 se debe a la combustión de combustibles, volviendo al sector en uno de los responsables más grandes del total emisiones industriales directas de dióxido de carbono (alrededor de un 27% o 2,2 gigatoneladas de dióxido de carbono por año en 2014[3]). Existen otros impactos relacionados, como emisiones de ruido, partículas de polvo y otros impactos relacionados con su producción y distribución como el ciclo de vida de la mina, entre otros.
El cemento Portland está directamente relacionado con la construcción y constituye uno de los factores principales de desarrollo de los países, por lo que reemplazarlo en su totalidad no es viable. Dado que su empleo en el futuro seguirá vigente, es necesario reducir su impacto ambiental, por lo que existen una serie de acciones dirigidas a mitigar el impacto de la industria en cuanto a polución y eficiencia energética.[6].
Estudios recientes demuestran que se puede mejorar la eficiencia económica y disminuir los impactos ambientales del cemento Portland, mediante el uso de una serie técnicas que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios que reducen las emisiones de Co2, el empleo de aditivos tecnológicos utilizados en el proceso de molienda, que mejoran el rendimiento del molino al reducir el consumo específico de energía o el empleo de arcillas calcinadas como sustituto parcial del Clinker, entre otros.[6].
De la misma manera, actualmente se prioriza el empleo de tecnologías de mitigación ambiental y control de la contaminación, de aquellos contaminantes emitidos a la atmósfera durante fabricación de cemento, como la generación del polvo, emisiones de dióxido de azufre, emisiones de óxidos de nitrógeno o la propia contaminación acústica.[7].
Impactos positivos no meio ambiente
O uso de cimento Portland em conjunto com compostos naturais como o solo para produzir tijolos de terra-cimento pode ter efeitos ambientais positivos em comparação com alternativas mais tradicionais, como tijolos convencionais ou blocos cerâmicos. Isso, principalmente no que diz respeito à disponibilidade de materiais (o solo geralmente próximo ou na área de construção), economia de energia pela dispensa do fogo para fazer tijolos e redução de custos de transporte pela produção in loco.[8].
Utilização de materiais alternativos em ecocimentos
Com o objetivo de reduzir a pegada de carbono do cimento Portland, têm sido desenvolvidas estratégias que incluem a utilização de materiais cimentícios suplementares como substitutos parciais do clínquer. Um estudo avaliou a viabilidade do uso de cinzas vulcânicas do vulcão Cumbre Vieja (La Palma, Espanha) na fabricação de ecocimentos.[9].
As cinzas geradas pela erupção de 2021 são caracterizadas pelo seu alto teor de sílica (45%) e alumina (15%), o que lhe confere uma reação pozolânica com a portlandita. Os resultados do estudo indicam que os cimentos com até 40% de cinzas vulcânicas atendem aos padrões químicos, físicos e mecânicos exigidos, além de apresentarem boa durabilidade intrínseca. A sua incorporação poderá contribuir significativamente para a redução das emissões de CO₂ na indústria cimenteira e incentivar o desenvolvimento de cimentos com menor impacto ambiental.[9].
Tipos de cimentos Portland
Los CEMENTOS ADICIONADOS, derivados del portland tipo I:.
Este cemento se usa de la misma manera que el cemento pórtland tipo II. Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento portland tipo IMS con baja relación agua materiales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos.
Cimentos Portland Especiais
Cimentos Portland especiais são aqueles obtidos da mesma forma que o cimento Portland normal, mas apresentam características diferentes devido às variações na porcentagem dos componentes que o compõem.
[2] ↑ Müller, Ingo (2006). Influence of cellulose ethers on the kinetics of early Portland cement hydration. KIT Scientific Publishing. p. 6. ISBN 978-3-86644-077-7. OCLC 1126199098. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1126199098
[6] ↑ a b Martirena-Hernandez, Jose Fernando; Alujas-Díaz, Adrian; Amador-Hernandez, Meylin (2020). Proceedings of the International Conference of Sustainable Production and Use of Cement and Concrete : ICSPCC 2019. p. 142. ISBN 978-3-030-22034-1. OCLC 1106168679. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1106168679
[7] ↑ Chatterjee, Anjan Kumar (2018). Cement production technology : principles and practice. CRC Press. ISBN 978-1-351-33574-4. OCLC 1033555002. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1033555002
[8] ↑ Marques, Sheyla K. J. (2016). Ecological soil-cement bricks from waste materials. p. 8. ISBN 978-3-319-28920-5. OCLC 944247645. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/944247645
[9] ↑ a b Sanjuán, M. A.; Frías, M.; Monasterio, M.; García-Giménez, R.; De La Villa, R. V.; Álamo, M. (2023). «Volcanic ash from La Palma (Canary Islands, Spain) as Portland cement constituent». Journal of Building Engineering 78: 107641. doi:10.1016/j.jobe.2023.107641.: https://dx.doi.org/10.1016%2Fj.jobe.2023.107641
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica. Con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada; sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o bien carbonato de calcio, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.
La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400 °C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.
En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo o caliza) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (CaSi y CaSi). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (CaAl) y ferroaluminato tetracálcico (CaAlFe). El material resultante es denominado clínker. El clínker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua.[4].
La energía necesaria para producir el clínker es de unos 1700 julios "Julio (unidad)") por gramo, pero a causa de las pérdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, un gas de efecto invernadero.
Para mejorar las características del producto final al clínker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso "Yeso (mineral)") (aljez) y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo:.
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.
El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de sílice "Óxido de silicio (IV)") (SiO). Las tres reacciones generan calor.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:.
6 CaOSiO + (x+3) HO → 3 CaO2SiO·xHO + 3 Ca(OH)
4 CaOSiO+ (x+1) HO → 3 CaO2SiO·xHO + Ca(OH)
6 CaOAlO+ (x+8) HO → 4 CaOAlO·xHO + 2 CaOAlO·8HO
3 CaOAlO + 12 HO + Ca(OH) → 4 CaOAlO·13HO
4 CaOAlOFeO + 7 HO → 3 CaOAlO·6HO + CaOFeOHO.
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de CaOAlO, seguida de la de CaOSiO, y luego CaOAlOFeO y finalmente CaOSiO.
El yeso, o aljez "Yeso (mineral)"), se agrega generalmente al clínker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada etringita.[5]
3 CaOAlO + 3 CaSO·2HO + 26 HO → 3CaOAlO·3CaSO·32HO.
Módulos
Os módulos são valores característicos de cada cimento ou cal, que permitem conhecer a relação em termos percentuais dos vários componentes do produto final. Para cimento Portland você tem:
Módulo hidráulico.
Módulo de silicato.
Módulo de sílica.
Módulo de alumina.
Impacto Ambiental
La producción de cemento Portland comprende una serie de impactos ambientales. La descomposición de la piedra caliza (carbonato de calcio), representa aproximadamente dos tercios de las emisiones totales de CO2 generadas en el proceso, mientras el resto de emisiones de CO2 se debe a la combustión de combustibles, volviendo al sector en uno de los responsables más grandes del total emisiones industriales directas de dióxido de carbono (alrededor de un 27% o 2,2 gigatoneladas de dióxido de carbono por año en 2014[3]). Existen otros impactos relacionados, como emisiones de ruido, partículas de polvo y otros impactos relacionados con su producción y distribución como el ciclo de vida de la mina, entre otros.
El cemento Portland está directamente relacionado con la construcción y constituye uno de los factores principales de desarrollo de los países, por lo que reemplazarlo en su totalidad no es viable. Dado que su empleo en el futuro seguirá vigente, es necesario reducir su impacto ambiental, por lo que existen una serie de acciones dirigidas a mitigar el impacto de la industria en cuanto a polución y eficiencia energética.[6].
Estudios recientes demuestran que se puede mejorar la eficiencia económica y disminuir los impactos ambientales del cemento Portland, mediante el uso de una serie técnicas que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios que reducen las emisiones de Co2, el empleo de aditivos tecnológicos utilizados en el proceso de molienda, que mejoran el rendimiento del molino al reducir el consumo específico de energía o el empleo de arcillas calcinadas como sustituto parcial del Clinker, entre otros.[6].
De la misma manera, actualmente se prioriza el empleo de tecnologías de mitigación ambiental y control de la contaminación, de aquellos contaminantes emitidos a la atmósfera durante fabricación de cemento, como la generación del polvo, emisiones de dióxido de azufre, emisiones de óxidos de nitrógeno o la propia contaminación acústica.[7].
Impactos positivos no meio ambiente
O uso de cimento Portland em conjunto com compostos naturais como o solo para produzir tijolos de terra-cimento pode ter efeitos ambientais positivos em comparação com alternativas mais tradicionais, como tijolos convencionais ou blocos cerâmicos. Isso, principalmente no que diz respeito à disponibilidade de materiais (o solo geralmente próximo ou na área de construção), economia de energia pela dispensa do fogo para fazer tijolos e redução de custos de transporte pela produção in loco.[8].
Utilização de materiais alternativos em ecocimentos
Com o objetivo de reduzir a pegada de carbono do cimento Portland, têm sido desenvolvidas estratégias que incluem a utilização de materiais cimentícios suplementares como substitutos parciais do clínquer. Um estudo avaliou a viabilidade do uso de cinzas vulcânicas do vulcão Cumbre Vieja (La Palma, Espanha) na fabricação de ecocimentos.[9].
As cinzas geradas pela erupção de 2021 são caracterizadas pelo seu alto teor de sílica (45%) e alumina (15%), o que lhe confere uma reação pozolânica com a portlandita. Os resultados do estudo indicam que os cimentos com até 40% de cinzas vulcânicas atendem aos padrões químicos, físicos e mecânicos exigidos, além de apresentarem boa durabilidade intrínseca. A sua incorporação poderá contribuir significativamente para a redução das emissões de CO₂ na indústria cimenteira e incentivar o desenvolvimento de cimentos com menor impacto ambiental.[9].
Tipos de cimentos Portland
Los CEMENTOS ADICIONADOS, derivados del portland tipo I:.
Este cemento se usa de la misma manera que el cemento pórtland tipo II. Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento portland tipo IMS con baja relación agua materiales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos.
Cimentos Portland Especiais
Cimentos Portland especiais são aqueles obtidos da mesma forma que o cimento Portland normal, mas apresentam características diferentes devido às variações na porcentagem dos componentes que o compõem.
[2] ↑ Müller, Ingo (2006). Influence of cellulose ethers on the kinetics of early Portland cement hydration. KIT Scientific Publishing. p. 6. ISBN 978-3-86644-077-7. OCLC 1126199098. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1126199098
[6] ↑ a b Martirena-Hernandez, Jose Fernando; Alujas-Díaz, Adrian; Amador-Hernandez, Meylin (2020). Proceedings of the International Conference of Sustainable Production and Use of Cement and Concrete : ICSPCC 2019. p. 142. ISBN 978-3-030-22034-1. OCLC 1106168679. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1106168679
[7] ↑ Chatterjee, Anjan Kumar (2018). Cement production technology : principles and practice. CRC Press. ISBN 978-1-351-33574-4. OCLC 1033555002. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1033555002
[8] ↑ Marques, Sheyla K. J. (2016). Ecological soil-cement bricks from waste materials. p. 8. ISBN 978-3-319-28920-5. OCLC 944247645. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/944247645
[9] ↑ a b Sanjuán, M. A.; Frías, M.; Monasterio, M.; García-Giménez, R.; De La Villa, R. V.; Álamo, M. (2023). «Volcanic ash from La Palma (Canary Islands, Spain) as Portland cement constituent». Journal of Building Engineering 78: 107641. doi:10.1016/j.jobe.2023.107641.: https://dx.doi.org/10.1016%2Fj.jobe.2023.107641