Materiais de Construção: Gesso, Cal, Vidro, Cerâmica e Cimento

Gesso

O gesso é obtido da desidratação (a partir da calcinação do gipso) da gipsita, com posterior pulverização do mesmo.

Gipso: minério mais comum dos sulfatos, composto por gipsita (CaSO₄.2H₂O), anidrita (CaSO₄) e algumas impurezas. É a matéria-prima de produção do gesso de construção.

Tipos de gesso (depende do tipo de processo de calcinação da gipsita):

• Gesso β (setor da construção civil): representa mais de 95% do mercado de gesso. Elementos pré-moldados e decorativos.
• Gesso α (produto mais nobre): fins odontológicos e ortopédicos.

Processo de Produção:

1. Extração da matéria-prima;
2. Britagem (britadeira de mandíbula ou de martelo), moagem e estocagem com homogeneização;
3. Secagem (10% de umidade);
4. Calcinação (em forno rotativo ou de marmita);

• 1 forno: produz hemi-hidrato puro ou com poucas impurezas (gipsita ou anidrita).
• 2 fornos: produzem hemi-hidrato e anidrita separados.

5. Moagem (pulverização) e seleção da granulometria;
6. Armazenamento em silos e estabilização para maior homogeneidade na composição final.

Tipos de aquecimento da calcinação:

• Aquecimento direto: ocorre quando os gases da combustão entram em contato com o minério;
• Aquecimento indireto: ocorre quando o calor atinge a estrutura metálica do forno e este transfere calor para o minério.

Tipos de calcinação:

• Calcinação sob pressão atmosférica - Calcinação indireta e contínua;
• Calcinação indireta por batelada;
• Calcinação sob pressão de água saturante (maior custo e produto mais nobre).

Propriedades:

• Tempo de pega: Se a pega for muito rápida, o preparo da pasta fica condicionado a pequenos volumes, reduzindo a produtividade do gesseiro;
• Isolamento térmico e acústico;
• Boa aderência.

Cal

É um aglomerante hidráulico inorgânico ou mineral, produzido a partir de rochas calcárias, composto basicamente por cálcio e magnésio.

Para sua aplicação, apresenta-se sob forma de pó fino.

Em mistura com a água, forma uma pasta com propriedades aglomerantes, e seu endurecimento ocorre por reação com CO₂.

Tipos de cal: Cal cálcica, Cal magnesiana, Cal hidratada comum, Cal hidratada especial, Cal em pedaços, Cal pulverizada, etc.

O carbonato de cálcio é encontrado na natureza através da calcita, calcário, mármore e aragonita, e é insolúvel em água. Quando em suspensão na água, dissolve-se pela passagem de uma corrente de gás carbônico, em virtude de formação de um bicarbonato de cálcio solúvel.

Fatores que podem afetar a reação de calcinação:

• A concentração do CO₂, que poderá inibir a reação;
• A distribuição granulométrica das partículas, que poderá afetar a transferência de calor, bem como a transferência de massa;

Zona de pré-aquecimento: se inicia o aquecimento do calcário pelo calor resultante da passagem de gases.

Zona de queima (Calcinação): é onde se processa a combustão do gás proveniente do gasogênio CO que libera calor, o que provoca a dissociação do CaCO₃ transformando-o em óxido de cálcio e liberando o gás resultante da reação de combustão o CO₂ (dióxido de carbono).

Zona de resfriamento: nesta zona ocorre uma troca de calor.

O óxido de cálcio (Cal virgem) recebe um choque térmico do ar frio (ar atmosférico) o qual é introduzido no forno por um ventilador chamado de ar de combustão.

Etapa de Hidratação:

• Processo altamente exotérmico;
• Ocorre mediante a presença de água;
• Realizado industrialmente devido aos riscos de explosões;
• Após hidratação, a pasta deve ser envelhecida para completar a hidratação;
• Pode ser realizada naturalmente através da absorção da umidade do ar, porém ocorre processo de carbonatação conjunta.

Características

• Plasticidade: melhor trabalhabilidade e rendimento;
• Retenção de água: Mantém água em torno da partícula (não permite perdas por sucção para a alvenaria);
• Incorporação da Areia: Aumenta o rendimento da pasta ou argamassa.

Vidro

Tipos de vidro:

• Sílica fundida: vidro feito a alta temperatura pela pirólise do tetracloreto de silício;
• Silicatos alcalinos: vidros solúveis, usados apenas como soluções;
• Vidro à base de soda e cal: aplicações em janelas e em armações transparentes;
• etc.

Matérias-Primas:

1. Fundentes: barrilha, sulfato de sódio impuro ou a cal;
2. Coloração: óxido de chumbo, carbonato de potássio e ácido bórico;
3. Acabamento: Ácido fluorídrico e produtos abrasivos;
4. Principais compostos:
   • Areia;
   • Óxido de sódio;
   • Feldspatos (confere resistência mecânica);
   • Sulfato de sódio (remove a prejudicial espuma no banho);
   • Blocos refratários.

Produção do Vidro

As matérias-primas (areia, barrilha, dolomita, calcário e feldspato) são dosadas, pesadas e misturadas em uma quantidade pré-determinada chamada de batch.

Fusão em forno (tipos: cadinho, tanque ou regenerativos) a uma temperatura alta.

Moldagem

• Sopro/compressão: A máquina efetua uma operação de fundição que usa a pressão do ar para criar um oco interno. O processo se limita ao gotejamento e prensagem.

Etapas: Carregamento → Compressão/prensagem → Transferência → Assopro final→ Extração

• Vidro Plano:
  • Processo Forcault: Composto por uma ferramenta refratária, rolos de estiramento e serpentinas para esfriamento.
  • Processo de flutuação: produz vidros de alta qualidade.

Recozimento e acabamento: para reduzir a tensão, é necessário recozer todos os objetos de vidro (os fabricados mecanicamente ou manualmente). No acabamento, tem-se a limpeza, lapidação, calibração e etc.

Cerâmica

As três matérias-primas básicas usadas na fabricação dos produtos clássicos de cerâmica são a argila, o feldspato e a areia (sílica).

Argila

Processo de Produção: Estágios da Queima

Estas temperaturas provocam várias reações, que constituem a base das conversões químicas.

• Até 100°C: eliminação da água livre não eliminada totalmente na secagem;
• ~ 200°C: elimina-se a água coloidal, que permanece intercalada entre as pequenas partículas de argila;
• De 350 a 650°C: combustão das substâncias orgânicas contidas na argila;
• De 450 a 650°C: decomposição da argila com liberação de vapor;
• Acima de 700 a 900°C: reações químicas da sílica com a alumina, formando sílico-aluminatos complexos que dão ao corpo cerâmico suas características de dureza, estabilidade, resistência física e química;
• Acima de 1000°C: os sílico-aluminatos que estão em forma vítrea começam a amolecer, assimilando as partículas menores e menos fundentes, dando ao corpo maior dureza, compatibilidade e impermeabilidade.

Formação de Peças: Prensagem Isostática

• Consiste na aplicação de pressão igualmente ao pó por todos os lados;
• Tem como objetivo promover um maior empacotamento das partículas, aumentando a densidade de forma homogênea.

Formação de Peças: Secagem

• Vertical: Feita por dois queimadores na parte superior do equipamento. Na saída, a peça tem a mesma temperatura de entrada. 35-50 min.
• Horizontal: As peças movem horizontalmente por diversos planos no interior do equipamento. Queimadores laterais. 15-25 min. Menor gasto de energia.

Esmaltação e Decoração

Os esmaltes (vidrados) podem ser do tipo cru, esmalte de fritas ou uma mistura de ambos:

• Esmalte cru: mistura de matérias-primas com granulometria fina, aplicado na forma de suspensão à superfície da peça cerâmica. Na operação de queima se funde e adere ao corpo da peça, adquirindo o aspecto vítreo durante o resfriamento. Esse tipo de vidrado é aplicado em peças que são queimadas em temperaturas superiores a 1200^oC, como sanitários e peças de porcelana.
• Esmalte de Fritas: diferem dos crus por terem em sua constituição um material denominado “frita”, composto vítreo insolúvel em água que é obtido por fusão e posterior resfriamento brusco de misturas controladas de matérias-primas. O processo de fritagem implica na insolubilização dos componentes solúveis em água após tratamento térmico, em geral entre 1300^oC e 1500^oC, quando ocorre a fusão das matérias-primas e a formação de um vidro. Os esmaltes contendo fritas são utilizados em produtos submetidos a temperaturas inferiores a 1200^oC.

Cimento

• Aglomerantes: É o material ligante ativo, geralmente pulverulento, cuja principal função é unir os agregados inertes.

Tipos:

• Hidráulico: cimento e cal hidráulica;
• Aéreo: cal virgem e gesso;
• Polimérico: polímeros e asfalto.

Definição de Cimento

• Por definição é um aglomerante hidráulico.
• Aglomerante: tem a propriedade de unir outros materiais.
• Hidráulico: porque ele hidrata e reage quando se mistura com a água e, ao secar, endurece ganhando características de rocha artificial.
• A combinação do cimento com diferentes materiais como areia, pedra, cal e aditivos origina a formação das pastas, argamassas e concretos.

Calcário: De acordo com o teor de magnésio, o calcário se classifica em:

• Calcário calcítico (CaCO₃): O teor de MgO varia de 0 a 4%. Devido à maior quantidade de cálcio a pedra quebra com maior facilidade e em superfícies mais uniformes e planas. Este calcário, também por ter menor quantidade de carbonato de magnésio exige maior temperatura para descarbonatar.
• Calcário magnesiano (MgCO₃): O teor de MgO varia de 4 a 18%. A presença maior de carbonato de magnésio faz com que este calcário tenha características bem diferentes do calcítico.
• Calcário dolomítico (CaMg(CO₃)₂): O teor de MgO é acima de 18% e por isso possui uma temperatura de descarbonatação ainda menor do que o calcário magnesiano.

Argila: são silicatos complexos contendo alumínio e ferro como cátions principais e potássio, magnésio, sódio, cálcio, titânio e outros. A escolha da argila envolve disponibilidade, distância, relação sílica/alumínio/ferro e elementos menores como álcalis.

A argila fornece os componentes Al₂O₃, Fe₂O₃ e SiO₂. Podendo ser utilizado bauxita, minério de ferro e areia para corrigir, respectivamente, os teores dos componentes necessários, porém são pouco empregados.

Gesso: É o produto de adição final no processo de fabricação do cimento, com o fim de regular o tempo de pega por ocasião das reações de hidratação.

• É encontrado sob as formas de gipsita hemi-hidratado (CaSO₄ .2H₂O), ou bassanita (CaSO₄ .0,5H₂O) e anidrita (CaSO₄).
• Utiliza-se também o gesso proveniente da indústria de ácido fosfórico a partir da apatita:

Ca₃ (PO₄)₂ + 3H₂SO₄ + 6H₂O → 2H₃PO₄ + 3(CaSO₄ . 2H₂O)

Escória: A escória de Alto Forno é produzida no Alto Forno que produz Ferro Gusa, na proporção de 200 a 300 Kg de escória por tonelada de ferro gusa.

• A Escória de Alto Forno contém pouco Cálcio, CaO, e, por isso, é pouco reativa e precisa ser misturada ao clínquer do cimento Portland, para reagir com o Ca(OH)₂ que é formado pela dissolução, na água, do CaO do cimento Portland.

Processos de Produção de Cimento

• Dois métodos utilizados: processo seco e o processo úmido;
• Nos dois métodos os materiais são extraídos das minas e britados de forma mais ou menos parecidas, a diferença porém é grande no processo de moagem, mistura e queima;
• Dos dois métodos produz-se clínquer e o cimento final é idêntico nos dois casos.

Processo Úmido: A mistura é moída com a adição de aproximadamente 40% de água, entra no forno rotativo sob a forma de uma pasta de lama.

Processo Seco: A mistura é moída totalmente seca e alimenta o forno em forma de pó. Para secar a mistura no moinho aproveita-se os gases quentes do forno ou de gerador de calor.

Processo Seco X Processo Úmido

• O processo seco tem a vantagem determinante de economizar combustível já que não tem água para evaporar no forno.
• Comparativamente, um forno de via úmida consome cerca de 1250 kcal por kg de clínquer contra 750 kcal de um forno por via seca.
• O forno de um processo por via seca é mais curto que um forno por via úmida, porém suas instalações de moagem e do forno são muito mais complexas.

Extração e Britagem

• A extração é feita a céu aberto através de explosivos ou mecanicamente.
• Os blocos são levados para a britagem até a redução do tamanho de 25 mm ou menor.

Moagem do “Cru”

• Definida a proporção das matérias-primas, elas são transportadas para moinhos onde se produz o chamado “cru” (mistura moída).
• Simultaneamente à moagem ocorre um processo de adição de outros materiais: areia e minério de ferro, por exemplo, de forma a obter as quantidades pretendidas dos compostos que constituem o "cru": cálcio, sílica, alumínio e ferro.
• Ocupam mais espaço;
• Maior gasto de energia.

Silos de Homogeneização do Cru

• A mistura de cru, devidamente dosada e com granulometria adequada, deve ter sua homogeneização assegurada para permitir uma perfeita combinação dos elementos formadores do clínquer.
• A homogeneização é executada em silos verticais de grande porte através de processos pneumáticos e por gravidade.

Pré-aquecimento – Ciclones

Na torre dos ciclones se dá o início da descarbonatação do material:

• Evaporação da água;
• Evaporação de outros voláteis;
• Descarbonatação CaCO₃ → CaO + CO₂.

Clinkerização

É o processo que ocorre dentro do forno rotativo, onde ocorre a transformação da matéria-prima em clínquer.

Forno rotativo: consiste de tubo de cilindro de aço revestido com tijolos refratários que protegem as chapas das elevadas temperaturas no interior do forno.

• Apoiado sobre rolamentos, gira em torno de 1 a 4 voltas por minuto;
• Ligeiramente inclinado, em torno de 2 a 8%.

• O material parcialmente descarbonatado entra na extremidade superior do forno, a gravidade e a rotação permitem que o material flua forno abaixo com uma velocidade praticamente uniforme em direção ao queimador com uma temperatura na ordem de 2000°C.
• O material passando em contrafluxo com os gases quentes da combustão é aquecido até aproximadamente 1450°C.

Reações químicas na transformação do cru para obter o clínquer:

• Decomposição do carbonato de magnésio (MgCO₃) entre 400 e 500°C;
• Descarbonatação entre 800 e 950°C, reação fortemente endotérmica:

CaCO₃ → CaO + CO₂

MgCO₃ → MgO + CO₂

• Formação da fase líquida entre 1200 e 1300°C:

• Aluminato tricálcico: 3CaO + Al₂O₃ → 3CaO ⋅ Al₂O₃
• Ferro aluminato tetracálcico: 4CaO + Al₂O₃ + Fe₂O₃ → 4CaO ⋅ Al₂O₃ ⋅ Fe₂O₃
• Formação do silicato tricálcico entre 1350 e 1450°C: CaO + SiO₂ → 3CaO ⋅ SiO₂

Resfriamento

• Após todas as reações dentro do forno, o clínquer é resfriado bruscamente até 100-200°C em arrefecedores de grelhas.

Moagem e Adições

• O cimento é produzido moendo-se o clínquer produzido no forno, com o gesso.
• É permitido também a adição de calcário e escória de alto forno em teores determinados de acordo com o tipo de cimento a ser produzido.
• O Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (ARI) - NBR 5733, o Cimento Portland Branco, o Cimento Portland de Moderada Resistência aos Sulfatos e Moderado Calor de Hidratação (MRS) e o Cimento Portland de Alta Resistência a Sulfatos (ARS) – NBR 5737, não recebem outros aditivos, a não ser o gesso. Portanto, são feitos de clínquer + gesso.

Adições: Gesso

• A gipsita, sulfato de cálcio di-hidratado, comumente chamada de gesso, é adicionada no final da moagem do cimento com a finalidade de aumentar o tempo de pega (propiciar manuseio ao adicionar a água), permitindo que o cimento permaneça trabalhável por pelo menos uma hora e trinta minutos, conforme ABNT.
• Sem adição de gipsita, o cimento tem o tempo de pega de aproximadamente 15 minutos, o que tornaria difícil sua utilização em concretos.
• O teor varia em torno de 3%.

Adições: Calcário Finamente Moído

• Sua adição confere maior trabalhabilidade ao concreto, e está associado a três características:
• Facilidade de adensamento: eliminar espaços vazios na mistura (bolhas de ar);
• Facilidade de moldagem: relacionada com o preenchimento da forma;
• Resistência à segregação e manutenção da homogeneidade da mistura, durante manuseio e vibração.

Adições: Escória

• Sua aplicação pode trazer vantagens ao concreto como:
• Maiores resistências finais e maior durabilidade;
• Melhor trabalhabilidade e plasticidade;
• Menores porosidade e permeabilidade (maior durabilidade);
• Aumento da resistência à corrosão por cloretos e sulfatos.
• O Cimento Portland de Alto Forno – NBR 5735, recebe 25 a 65% de escória e o comum é permitido até 10%.