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Instituto Brasileiro do Concreto – Livro CONCRETO: CIÊNCIA E TECNOLOGIA

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Capítulo 6

CIMENTO PORTLAND

Arnaldo Forti Battagin

Associação Brasileira de Cimento Portland

6.1 Introdução

Este capítulo aborda um breve histórico do cimento Portland em âmbito mundial e nacional, sem procurar enfatizar esse aspecto histórico já que outras publicações conhecidas, principalmente da literatura internacional, já discorrem mais detalhadamente sobre o tema. Na sequência é abordada a questão da fabricação do cimento Portland, optando-se transcrição de parte do Capítulo 10, “O Cimento Portland” (KIHARA & CENTURIONE, 2005), do Livro “Concreto: Ensino, Pesquisa e Realizações”, com as complementações e adaptações necessárias na visão do autor Em seguida são abordados os constituintes do Cimento Portland, o clínquer e suas fases mineralógicas, o sulfato de cálcio e as adições. Como o tema hidratação é tratado no Capítulo 11, procurou-se enfatizar quais as particularidades do processo produtivo impõem características aos constituintes do clínquer, com repercussões nas propriedades da pasta de cimento e, consequentemente, no concreto. Os tipos de cimento Portland e sua normalização são tratados na seção 6.4, em que são feitas comparações entre as especificações normativas brasileiras, europeias e norte-americanas. Em seguida, é feita uma abordagem sobre os ensaios de controle de qualidade do cimento Portland, seu significado e suas implicações no desempenho. Considerações sobre a indústria do cimento e o meio ambiente bem como inovações em cimento Portland e novos ligantes são os temas escolhidos para concluir este capítulo. 6.1 Breve histórico do cimento Portland1 A grande versatilidade nas aplicações do Cimento Portland, nos distintos tipos de obras civis, explica seu grande consumo em âmbito mundial, com perspectiva de atingir, em 2050, cerca de cinco bilhões de toneladas, segundo a Agência Internacional de Energia. Os ligantes usados pelas antigas civilizações experimentaram grande evolução até chegar-se ao cimento Portland como o conhecemos atualmente. De fato, babilônios e assírios se utilizavam de argilas não cozidas, muitas vezes misturadas com fibras vegetais para elaboração de moradias. Os egípcios introduziram argamassas de cales e gesso na construção das pirâmides (LEA, 1998). Posteriormente, os gregos melhoraram esses materiais e, por fim, os romanos produziram um cimento de notável durabilidade, ao

1 Para mais informações, consultar o Capítulo 1.


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acrescentar em cinzas vulcânicas às argamassas de argila e cal. Fizeram obras públicas como aquedutos e portos, e muitas delas resistiram ao tempo. A humanidade não empregou outros ligantes até final do século XVIII, quando a evolução das argamassas e concretos tomou grande impulso com as investigações efetuadas por John Smeaton, engenheiro responsável pela reconstrução do Farol de Eddystone em Cornwall, no sudoeste da Inglaterra (GOMÀ, 1979). Para tal projeto, foram efetuados inúmeros testes até a obtenção de um material mais adequado para suportar a ação agressiva da água do mar em 1756 (BOGUE, 1955). Smeaton seria o responsável por transmitir o conhecimento de que calcários impuros, contendo argila, produziam cimento. Considerando-se o baixo intercâmbio científico da época e aparentemente o desconhecimento dos experimentos de Smeaton, cimentos similares foram redescobertos na Europa em, pelo menos, mais seis oportunidades até 1830. Dentre esses, destaque para o francês L. J. Vicat, que, em 1818, observou a possibilidade de se misturarem artificialmente calcários e conteúdos adequados de argila, inclusive em proporções ideais para obtenção de cimento (BOGUE, 1955). Ele é considerado o pai do cimento artificial. Em 1824, o construtor inglês de Leeds, Joseph Aspdin, queimou conjuntamente pedras calcárias e argila e, a seguir, moeu-as, transformando-as num pó fino. Percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se tão dura quanto às pedras empregadas nas construções. A mistura endurecida não se dissolvia em água, tendo recebido do Rei George IV da Inglaterra a patente de número 5022, registrada em 21 de outubro de 1824, com o nome de cimento Portland, que recebeu essa denominação por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland. Na verdade, Aspdin parece ter se baseado em seus antecessores, sobretudo Vicat, para produzir seu ligante hidráulico. Em 1885, um engenheiro inglês, Frederik Ransome, patenteou um forno horizontal rotativo, levemente inclinado, permitindo que o material a ser calcinado se movesse de uma extremidade para outra, aumentando sensivelmente a capacidade de queima das matérias-primas, além de permitir a obtenção de um produto mais homogêneo. Thomas A. Edson introduziu, em 1902, o primeiro forno longo de cimento. A evolução do processo produtivo é dinâmica até os dias de hoje. No Brasil, os primeiros estudos relativos à fabricação do cimento Portland ocorreram aparentemente em 1888, quando o comendador Antônio Proost Rodovalho empenhou-se em instalar uma fábrica na fazenda Santo Antônio, de sua propriedade, situada em Sorocaba-SP (BATTAGIN, 2010). Várias iniciativas esporádicas de fabricação de cimento foram desenvolvidas nessa época. Em 1890, inicia-se a construção na Paraíba de uma pequena fábrica de cimento, por iniciativa do engenheiro Louis Felipe Alves da Nóbrega, que estudara na França e chegara ao Brasil com novas ideias, com o projeto da fábrica publicado em livro de sua autoria. Em 1892, com essa instalação na ilha de Tiriri, no Pará, inicia sua produção, mas dura apenas três meses. Atribui-se o fracasso do empreendimento não à qualidade do produto, mas à distância dos centros consumidores e à pequena escala de produção, que não conseguia competitividade com os cimentos importados da época. No Estado de São Paulo, a usina de Rodovalho lançou, em 1897, sua primeira produção – o cimento marca Santo Antonio – e operou até 1904, quando interrompeu suas atividades. Voltou em 1907, mas experimentou problemas de qualidade e extinguiu-se definitivamente em 1918. Em Cachoeiro do Itapemirim, o governo do Espírito Santo fundou,


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em 1912, uma fábrica que funcionou até 1924, com precariedade e produção de apenas 8.000 toneladas por ano, sendo então paralisada, voltando a funcionar em 1935, após modernização. Todas essas etapas não passaram de meras tentativas que culminaram, em 1924, com a implantação, pela Companhia Brasileira de Cimento Portland, de uma fábrica em Perus, Estado de São Paulo, cuja construção pode ser considerada como o marco da implantação da indústria brasileira de cimento. As primeiras toneladas foram produzidas e colocadas no mercado em 1926. Até então, o consumo de cimento no país dependia exclusivamente do produto importado. A produção nacional foi gradativamente elevada com a implantação de novas fábricas e a participação de produtos importados oscilou durante as décadas seguintes. Na década de 70, a produção cresceu intensamente, com uma elevação do patamar de 9,8 milhões de toneladas por ano para 27,2 milhões de toneladas no início dos anos 80, período em que a recessão da economia nacional provocou queda no consumo (CARVALHO, 2010). Ao longo dos anos de 1990, houve uma retomada no crescimento do consumo, que provocou grande aumento de produção. A produtividade desenvolvida na época da estagnação foi extremamente eficaz para a obtenção dos resultados nessa fase. O ano de 1999 foi excepcional, alcançando 40,2 milhões de toneladas de cimento devido, especialmente, ao advento do Plano Real. A partir de 2000, a produção sofreu queda resultante das sucessivas crises mundiais e consequente instabilidade econômica. Em 2004 o consumo se estabilizou, indicando o início de uma retomada e voltou ao patamar de 40 milhões de toneladas no ano de 2006, com o aquecimento da construção civil. No ano seguinte, o mercado atingiu o número de 45 milhões de toneladas de cimento consumidas no País. Em 2008, o consumo de cimento no Brasil bateu recorde, superando a marca de 51 milhões de toneladas. Em 2009, esse número se manteve praticamente estável em relação ao ano anterior (CARVALHO, 2010) e em 2010 alcançou-se novo recorde, com produção de mais de 59 milhões de toneladas (SNIC, 2011). 6.2 Noções da fabricação do cimento Portland 6.2.1 Generalidades

O principal constituinte do cimento Portland é o clínquer Portland, material resultante da calcinação a aproximadamente 1450ºC de uma mistura de calcário e argila e eventuais corretivos químicos de natureza silicosa, aluminosa ou ferrífera, empregados de modo a garantir o quimismo. Esse quimismo refere-se a certa proporção de determinados compostos químicos da mistura, dentro de limites específicos, para proporcionar a formação de compostos hidráulicos e conferir a propriedade ligante do cimento Portland.

Assim, em escala industrial, para se obter o clínquer Portland, desenvolve-se uma operação complexa que consiste na extração e britagem das matérias-primas, seguindo-se à preparação adequada da mistura crua (farinha), isto é, moagem e homogeneização, com posterior queima por volta de 1450°C em forno rotativo, seguida de resfriamento no resfriador industrial. O cimento Portland é obtido a partir da moagem do clínquer com uma ou mais formas de sulfato de cálcio, estas últimas empregadas em proporções que variam em massa de 3% a 5%, aproximadamente, com o objetivo principal de regular o tempo de pega ou


endurecimento inicial do produto (obtenção do cimento Portland. Por razões técnicas, ambientais e econômicasnormalizadas vêm sendo utilizadas cada vez mais não somente no Brasil, mas também em âmbito mundial como constituintes dos cimentos, moídas em conjunto com o clínquer, ou separadamente. Consideraçõesdetalhadamente no Capítulo 8- Adições Minerais

Figura 1 – Fluxograma do processo de fabricação do cimento

6.2.2 A fabricação do clínquer Portland

Para a fabricação do clínquer Portland, o material de partida deve contercomposição química, os óxidos principais do clínquer, quais sejam: CaO, SiOFe2O3. Raramente esses componentes são encontrados em uma única rocha em proporções adequadas. Por isso, é necessário preparar misturas de dois ou mais tipos de rochas. O calcário (75% a 80%) e a argila (20% a 25%) são as maté

Quando um componente químico essencial não estiver presente na proporção adequada, eventuais aditivos corretivos, como o minério de ferro, a areia, a bauxita, são utilizados. As etapas relacionadas às matériashomogeneização, moagem e homogeneização,

Livro CONCRETO: CIÊNCIA E TECNOLOGIA

to (ZAMPIERI, 1989). A Figura 1 esquematiza o processo de obtenção do cimento Portland. Por razões técnicas, ambientais e econômicasnormalizadas vêm sendo utilizadas cada vez mais não somente no Brasil, mas também em

tuintes dos cimentos, moídas em conjunto com o clínquer, ou Considerações sobre adições serão tratadas ainda neste cap

Adições Minerais.

Fluxograma do processo de fabricação do cimento Portland (KIHARA

A fabricação do clínquer Portland

Para a fabricação do clínquer Portland, o material de partida deve conteros óxidos principais do clínquer, quais sejam: CaO, SiO

Raramente esses componentes são encontrados em uma única rocha em proporções adequadas. Por isso, é necessário preparar misturas de dois ou mais tipos de rochas. O calcário (75% a 80%) e a argila (20% a 25%) são as matérias-primas comuns do clínquer.

o um componente químico essencial não estiver presente na proporção adequada, eventuais aditivos corretivos, como o minério de ferro, a areia, a bauxita, são utilizados. As etapas relacionadas às matérias-primas são: extração, britagem, pré

moagem e homogeneização, as quais permitem que o material resultante,

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A Figura 1 esquematiza o processo de obtenção do cimento Portland. Por razões técnicas, ambientais e econômicas, as adições normalizadas vêm sendo utilizadas cada vez mais não somente no Brasil, mas também em

tuintes dos cimentos, moídas em conjunto com o clínquer, ou ainda neste capítulo e mais

et al., 1990).

Para a fabricação do clínquer Portland, o material de partida deve conter, em sua os óxidos principais do clínquer, quais sejam: CaO, SiO2, Aℓ2O3 e

Raramente esses componentes são encontrados em uma única rocha em proporções adequadas. Por isso, é necessário preparar misturas de dois ou mais tipos de rochas. O

primas comuns do clínquer. o um componente químico essencial não estiver presente na proporção

adequada, eventuais aditivos corretivos, como o minério de ferro, a areia, a bauxita, são primas são: extração, britagem, pré-

permitem que o material resultante,


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a farinha, apresente a composição química preestabelecida, a finura adequada para uma boa combinação de seus constituintes e uma homogeneidade apropriada.

É importante salientar que o controle das matérias-primas durante o processo industrial se dá fundamentalmente com base em módulos químicos empiricamente criados ao longo de décadas da evolução da indústria cimenteira, de modo a manter, o mais constante possível, o quimismo da farinha e a homogeneidade do clínquer. Dentre eles, os mais usuais são o Fator de Saturação de Cal (FSC), o Módulo de Sílica (MS) e o Módulo de Alumina (MA) (CENTURIONE, 1993), calculados pelas equações a seguir:

FSCCaO x 100

2,8SiO2 1,2Al2O3 0,65Fe2O3

=+ +

(Equação 1)

MS

SiO2

Al2O3 Fe2O3

=+

(Equação 2)

3O2Fe

3O2AlMA = (Equação 3)

Dois tipos principais de processo de homogeneização para posterior calcinação e obtenção do clínquer são empregados: os processos por via úmida e por via seca. Processos intermediários (via semiúmida e via semisseca) também são conhecidos, porém pouco usuais.

O processo por via úmida, em que as matérias-primas são moídas e homogeneizadas com adição de cerca de 40% de água, gerando uma pasta, era utilizado no início da fabricação industrial de cimento, até os anos 70, mas é pouco utilizado hoje em dia no Brasil, devido ao custo energético despendido. Foi substituído gradativamente pelo processo por via seca, sobretudo após a crise mundial do petróleo, iniciada em 1973. Em 2010, segundo o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento – SNIC (CARVALHO, 2010), 99% dos fornos brasileiros são de sistema via seca, contrapondo índices de 30% nos Estados Unidos e de 20% na Rússia, mostrando o alto grau de eficiência energética alcançado pela indústria brasileira de cimento (CARVALHO, 2010a).

O processo por via seca, ainda que mais complexo, consome cerca de metade do poder calorífico necessário para um forno via úmida. Constitui a moagem a seco das matérias-primas, gerando a farinha crua que calcinada resulta no clínquer Portland. Um forno moderno é constituído por um conjunto de ciclones (pré-aquecedores), um maçarico secundário (pré-calcinador), responsável, sobretudo, pela descarbonatação do calcário, o forno propriamente dito, com o maçarico principal, que por sua vez induz à formação dos minerais de clínquer, e um resfriador industrial. A Figura 2 ilustra um forno com pré-aquecedor e com resfriador do tipo satélite (DUDA, 1985).

Após um complexo e contínuo processo de queima, o clínquer é resfriado rapidamente, com o objetivo de impedir que as reações de transformações mineralógicas obtidas no interior do forno sejam revertidas durante o resfriamento.


A Figura 3 mostra um esquema do interior de um forno rotativo de clínquer, ilustrando a carcaça (um cilindro metálico), protegida por uma camada de tijolosua vez, recoberta por camada de clínquer permanente, denominada colagem, e uma fotografia do interior do forno, em que se visualiza o maçarico com a chama.

Figura 2 – Esquema de forno de clínquer (F) com

Figura 3 – Corte transversal de forno (esquerda) e foto do interior do forno (direita)

O aporte térmico no forno provoca a descarbonatação do calcário e a desestruturação dos argilominerais, “liberando” os quatro elementos principais (Ca, Si, AFe) que se recombinam ao longo do perfil de temperaturas do forno rotativo, sob pressão negativa e ambiente oxidante e alcalino, sinterizando os componentes formadores do clínquer Portland, alita, belita, Cdo momento em que deixam o forno, esses minerais sintéticos encontram

F

P

Leito de clínquer


A Figura 3 mostra um esquema do interior de um forno rotativo de clínquer, ilustrando a carcaça (um cilindro metálico), protegida por uma camada de tijolos refratários, que é, por sua vez, recoberta por camada de clínquer permanente, denominada colagem, e uma fotografia do interior do forno, em que se visualiza o maçarico com a chama.

Esquema de forno de clínquer (F) com pré-aquecedor (P) e resfriador satélite (R)

(adaptado de DUDA, 1985).

Corte transversal de forno (esquerda) e foto do interior do forno (direita)(KIHARA & CENTURIONE, 2005).

aporte térmico no forno provoca a descarbonatação do calcário e a

desestruturação dos argilominerais, “liberando” os quatro elementos principais (Ca, Si, AFe) que se recombinam ao longo do perfil de temperaturas do forno rotativo, sob pressão

e ambiente oxidante e alcalino, sinterizando os componentes formadores do clínquer Portland, alita, belita, C3A e C4AF, os quais são estáveis nessas condições. A partir do momento em que deixam o forno, esses minerais sintéticos encontram

R

Refratário

Colagem

Carcaça

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A Figura 3 mostra um esquema do interior de um forno rotativo de clínquer, ilustrando s refratários, que é, por

sua vez, recoberta por camada de clínquer permanente, denominada colagem, e uma fotografia do interior do forno, em que se visualiza o maçarico com a chama.

aquecedor (P) e resfriador satélite (R)

Corte transversal de forno (esquerda) e foto do interior do forno (direita)

aporte térmico no forno provoca a descarbonatação do calcário e a desestruturação dos argilominerais, “liberando” os quatro elementos principais (Ca, Si, Aℓ e Fe) que se recombinam ao longo do perfil de temperaturas do forno rotativo, sob pressão

e ambiente oxidante e alcalino, sinterizando os componentes formadores do são estáveis nessas condições. A partir

do momento em que deixam o forno, esses minerais sintéticos encontram-se em estado


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metaestável2 às condições ambientes (CENTURIONE, MARINGOLO & PECCHIO, 2003). A Figura 4 esquematiza as transformações no interior do forno, em função da temperatura.

Convém lembrar que, na Química do Cimento, é corrente a adoção de uma nomenclatura simplificada para compostos químicos anidridos e hidratados do cimento, substituindo-se os óxidos por letras. Ao adotar-se C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3, F = Fe2O3, M = MgO, S = SO3, C = CO2 e H = H2O, pode-se expressar os principais constituintes do cimento Portland como:

• Silicato tri cálcico: C3S; • Silicato dicálcico: C2S; • Aluminato tricálcico: C3A; • Ferroaluminato tetracálcico: C4AF; • Sulfato de cálcio: C S .

Figura 4 – Esquema com as transformações mineralógicas no interior do forno de clínquer, em função

da temperatura (adaptado de WOLTER, 1985).

O Capítulo 243 do livro Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais, complementa as informações sobre fabricação de cimento Portland aqui apresentadas.

2 Termo emprestado da Termodinâmica para designar uma situação em que as fases mineralógicas resultantes ou decorrentes de aquecimento possuem uma estabilidade precária, podendo facilmente ser alteradas para um nível de energia mais baixo. 3 BATTAGIN, A. F., BATTAGIN, I. L. S. O cimento Portland no Brasil. In: ISAIA, G. C. (Ed.). Materiais de Construção Civil e Princípio de Ciência e Engenharia de Materiais. v. 1, São Paulo: Instituto Brasileiro do Concreto, 2010. p. 761-790.

C a l l iv r e

B e l i ta

C a C O 3

α q u a r tz o β q u a r tz o

C O 2

A l i ta

C r is to b a l i ta

C 1 2A 7

M in e r a is d e a r g i la

F e 2O 3H 2O C 2 (A ,F ) C 4A F

C 3A L íq u id o

Clínquer

Farinha

Relaçãode massa

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0

C a l l iv r e

B e l i ta

C a C O 3


C O 2

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C a l l iv r e

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C 3A L íq u id o

Clínquer

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0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0

Temperatura, °°°°C


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6.2.3 As demais etapas da fabricação do cimento Portland

No forno, como resultado do tratamento térmico, a matéria-prima transforma-se em clínquer. Na saída, o material apresenta-se em forma aproximadamente esférica com diâmetros variáveis e está a uma temperatura entre 1200oC e 1300oC, pois há um início de abaixamento de temperatura, na fase final, ainda no interior do forno, depois de atingir temperatura próxima de 1450oC. Inicia-se então a fase de resfriamento no resfriador industrial, que pode ser de vários tipos, mas os dois principais são os de satélite (ou planetário) e os de grelha (normalmente mais eficiente). Os resfriadores constituem intercambiadores de calor cujo objetivo é reduzir o mais rápido possível a temperatura do material que sai do forno, visando estabilizar as fases mineralógicas formadas durante a sinterização. Os gases provenientes dos resfriadores ("ar terciário") atravessam o forno no sentido oposto ao fluxo de materiais, tendo como finalidade principal o resfriamento. O clínquer resfriado é transportado para a moagem final no chamado moinho de cimento, para atingir a finura conveniente, acrescido do sulfato de cálcio e de eventuais adições, como já comentado. O cimento Portland, resultante da moagem do clínquer e demais componentes, é transportado mecânica e pneumaticamente para os silos de cimento a granel, onde é estocado. A próxima etapa consiste na operação de ensacamento, feita em máquinas especiais que automaticamente enchem os sacos e os liberam assim que atingem a massa especificada de 50 kg. Geralmente, o cimento é embalado em sacos de papel kraft de múltiplas folhas, adotados mundialmente por conferir adequado manuseio no transporte e permitir seu enchimento com material ainda bastante aquecido, por ensacadeiras automáticas, imprescindíveis ao atendimento do fluxo de produção. Entretanto o cimento pode ser também distribuído a granel, em caminhões graneleiros, geralmente destinado ao consumidor final, ao passo que os ensacados destinam-se primordialmente às revendas. Em 2009, segundo o SNIC, 71% do cimento despachado foi transportado na forma de sacos e apenas 29%, a granel. 6.2.4 Investimentos e logística na indústria do cimento É oportuno descrever alguns aspectos ligados aos investimentos e à logística na indústria do cimento, nem sempre abordados na literatura disponível (SNIC, 2009). O tempo necessário para a implantação de um projeto de fábrica de cimento, dos estudos preliminares até a “posta em marcha”, é de três a cinco anos. Atualmente, a escala mínima nas unidades industriais é de um milhão de toneladas/ano de capacidade instalada, com investimento de 200 a 300 milhões de dólares. As despesas com combustíveis e energia elétrica representam mais de 50% na formação do custo direto de produção em uma fábrica de cimento.

Algumas características específicas da produção do cimento tornam sua logística muito complexa, pois o cimento é consumido o ano inteiro, sem interrupções, sendo imprescindível em qualquer tipo de obra e, portanto, precisa estar presente em tempo hábil em todas as regiões do País. Dada a condição continental do Brasil, para atingir todos os mercados, o cimento é distribuído predominantemente através da cadeia da revenda, como já comentado, contrapondo-se a exemplo de países europeus e dos Estados Unidos, cuja indústria da pré-fabricação (pré-moldados) e da preparação de concretos em centrais já atingiu nível maior de maturidade que no Brasil.


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Ensacado ou a granel, o cimento ocupa muito espaço, considerando seu baixo valor. Por ser perecível, requer uma estocagem em condições especiais, seja nas fábricas, nos depósitos ou nas lojas, e por prazos limitados a poucos dias. É sensível à logística, que é de fluxo contínuo e inclui todo o processo de produção, distribuição e consumo. Em caso de aumento de demanda, toda a cadeia relacionada precisa ser imediatamente ampliada para maior produção, mais insumos, mais caminhões etc. Por ser um produto de baixa relação preço/peso, o cimento é bastante onerado pelo frete, na distribuição, sofrendo diretamente o impacto com os aumentos de combustíveis e outros derivados de petróleo. Por todos esses motivos, o peso da logística do cimento é maior do que em diversos outros segmentos de bens de consumo.

Outras características são determinantes para o escoamento da produção de cimento no Brasil: o modal de transporte mais utilizado pela indústria é o rodoviário, atingindo em 2009 a expressiva parcela de 94% do total de cimento transportado. Em 2009, para retirar o cimento das fábricas, circularam diariamente, em média, em todo o Brasil, mais de oito mil caminhões carregados do produto. O raio de distribuição do cimento atinge, em média, 300 a 500 quilômetros nas regiões Sudeste e Sul, podendo chegar a mais de 1000 quilômetros no Norte e Nordeste. Nestas regiões, existe a necessidade do uso do modal hidroviário que representa cerca de apenas 1% do total transportado. O sistema ferroviário adquiriu mais qualidade com a privatização, mas ainda hoje são necessários cinco dias para levar uma carga que seria transportada em um dia por uma rodovia. Além disso, há a disputa pelos meios de transporte com outros produtos como o aço, os minérios e os produtos agrícolas. 6.3 Os constituintes do cimento Portland 6.3.1 O clínquer Portland

Na etapa de transformações mineralógicas que se processa no interior do forno, as fases minerais abundantes na natureza, como calcita (CaCO3), dolomita {CaMg(CO3)2}, quartzo (SiO2), plagioclásio {(NaAℓSi3O8)-(CaAℓ2Si2O8)}, caulinita {Aℓ4(Si4O10)(OH)8}, biotita {K(Mg,Fe)3(AℓSi3O10)(OH)2}, muscovita {KAℓ2(AℓSi3O10)(OH)2}, hematita (Fe2O3), entre outras, sãos os principais constituintes das rochas calcárias e argilosas. Essas fases são transformadas em minerais metaestáveis, cujos campos de estabilidade envolvem normalmente temperaturas superiores a 1000ºC, representados pelos silicatos cálcicos (alita – Ca3SiO5 e belita – Ca2SiO4) e pelos aluminatos e ferroaluminatos cálcicos (C3A – Ca3Aℓ2O6 e C4AF – Ca4Aℓ2Fe2O10). Adicionalmente, outros minerais se formam em proporções menores, como a cal livre (CaO), o periclásio (MgO) e sulfatos alcalinos diversos (CENTURIONE, MARINGOLO & PECCHIO, 2003).

6.3.1.1 Alita

A alita é o principal constituinte do clínquer, compreendendo 40% a 70%, em massa. Tem importante papel no endurecimento e na resistência mecânica do cimento às primeiras idades (de 1 a 28 dias). Apresenta-se sob a forma de solução sólida de Ca3SiO5 com proporções variadas de elementos menores (Aℓ, Mg, Fe, Na, K, Ti, Mn, P e outros) (KIHARA


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et al., 1990). Um cristal de alita tem idealmente a forma prismática hexagonal. Quando o cristal desenvolve todas as faces de um hexágono, é denominado idiomórfico (Figura 5).

Figura 5 – Aspecto tridimensional de um cristal de alita.

A observação da microestrutura do clínquer, por meio da técnica de microscopia óptica de luz refletida, é empregada rotineiramente no Brasil como técnica complementar no controle de fabricação do cimento Portland. De fato, a alita se mostra ao microscópio óptico como cristais equidimensionais ou alongados, podendo predominar um ou outro tipo. A dimensão média dos cristais de alita é outra característica importante do clínquer. Essas características são decorrentes das condições reinantes no interior do forno e terão impacto no desempenho do produto final, o cimento. Assim, cristais com dimensões elevadas de alita (> 60µm) são formados em condições enérgicas de queima e pouco reativos, enquanto cristais pouco desenvolvidos (< 20µm) caracterizam clínqueres submetidos a condições insuficientes de queima, que podem resultar em clínqueres mal queimados, normalmente com elevados teores de cal livre residual. Cristais de alita com diâmetro médio entre 30µm e 40µm indicam condições normais de queima e são os mais desejáveis, pois são mais reativos (BATTAGIN, 2001). Os cristais de alita podem conter inclusões dos outros constituintes do clínquer (belita, periclásio, cal livre e fase intersticial). O nível de inclusões, no entanto, varia, e só é relevante quando em excesso. A presença de exsoluções em cristais de alita e a ocorrência de gotículas de ferro metálico são indicativas de ambiente redutor no forno e diminuem a reatividade do clínquer. A Figura 6 é uma fotomicrografia obtida em microscópio óptico de luz refletida e mostra cristais de alita com feições típicas de condições normais de queimabilidade (ABCP, 2005).

Figura 6 – Fotomicrografia mostrando os cristais de Alita (A) (ABCP, 2005).

6.3.1.2 Belita


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A belita também desempenha importante papel nas resistências mecânicas do cimento, sobretudo a idades mais avançadas (acima de 28 dias), uma vez que apresenta taxa de hidratação mais lenta. Constitui solução sólida de Ca2SiO4 com diversos elementos menores e, em média, representa de 10% a 20% do clínquer (KIHARA et al., 1990). Os cristais de belita aparecem no clínquer com as formas arredondadas, em início de digitação ou digitadas, e estão diretamente relacionadas às condições de resfriamento do processo industrial (BATTAGIN, 1985). As belitas arredondadas são as mais desejáveis, pois sendo mais reativas, contribuem para maior evolução da resistência do cimento. A distribuição da belita em zonas é decorrente de problemas de moagem ou homogeneização da farinha. Essas características devem ser evitadas, pois o excesso de zonas de belita está sempre associado à presença de zonas de cal livre, que contribuem para um menor teor de alita em relação ao projetado pelos módulos químicos, podendo levar a desenvolvimento diferenciado de resistência do cimento, além de problemas de estabilidade volumétrica da pasta de cimento. As Figuras 7, 8 e 9 ilustram algumas dessas feições (ABCP, 2005).

Figura 7 – Zonas regulares de belita (B) e presença de poros (P) (ABCP, 2005).

Figura 8 – Zonas regulares de belita (B), ligadas a grãos silicosos grossos na farinha crua (ABCP, 2005).


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Figura 9 – Cristais de belita arrredondados (B), resultantes de condições adequadas de resfriamento que lhes conferem alta reatividade; entre os cristais de belita aparece a fase intersticial (F) (ABCP, 2005).

6.3.1.3 Fase Intersticial

A fase intersticial, material que preenche os espaços entre os cristais de alita e belita, compreende o material que se funde durante o processo de clinquerização. Essa fase é formada por aluminatos e ferroaluminatos cálcicos, em solução sólida. O C3A (aluminato tricálcico) é responsável pela pega do cimento, já que é o componente mais reativo do clínquer. O C4AF (ferroaluminato tetracálcico) tem importante papel na resistência química do cimento, em especial ao ataque de sulfatos às estruturas de concreto. A fase intersticial ocorre em proporções que variam de 15% a 20% do clínquer (KIHARA et al., 1990). O estudo da microestrutura da fase intersticial pode nos revelar aspectos do segundo resfriamento. De fato, em relação ao segundo resfriamento, que se processa no resfriador industrial, sua avaliação se baseia no grau de cristalização da fase intersticial. Assim, fases intersticiais vítrea, semicristalizada e cristalizada caracterizam, respectivamente, um segundo resfriamento rápido, normal e lento. Quando o segundo resfriamento é lento e, portanto, a fase é cristalizada, é possível identificar a presença de álcalis no aluminato cálcico através do alongamento desses cristais, que influi decisivamente na sua reatividade. A fase intersticial cristalizada, com nítida separação entre o C3A e o C4AF, por ser mais reativa, requer maior teor de sulfato de cálcio para retardar a pega, em igualdade de condições. O segundo resfriamento rápido se caracteriza também por proporcionar alitas e belitas mais reativas. A Figura 10 ilustra diferentes feições da fase intersticial (ABCP, 2005).


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Figura 10 – No quadrante superior, fase intersticial cristalizada em C3A (D) e C4AF (E). Essa fase é muito reativa, com repercussão direta na resistência do cimento a sulfatos e no calor de hidratação. A feição da direita mostra incorporação de álcalis, com C3A alcalino com influência na reação álcali-agregado, pois sua presença indica também a presença de sulfatos alcalinos solúveis. No quadrante inferior fase vítrea (F) e semicristalizada (F), da esquerda para a direita, respectivamente, resultando em pega mais lenta e menor calor de hidratação em igualdade de condições (ABCP, 2005).

6.3.1.4 Cal livre

A cal livre (CaO) é considerada indesejável no clínquer em teores superiores a 2%. Forma-se pela descarbonatação do CaCO3 da farinha e serve como parâmetro de controle das condições de fabricação do clínquer. Teores elevados de cal livre indicam que a combinação dos óxidos presentes no forno não foi completa, seja pela moagem e homogeneização inadequadas da farinha, seja pelas condições de queima insatisfatórias. A frequência e distribuição da cal livre indicam assim as condições operacionais e parâmetros do processo. Pode ocorrer como cristais dispersos no clínquer ou agrupados em zonas regulares ou irregulares. De forma análoga à belita, as zonas regulares apresentam contornos definidos e são estruturas remanescentes de grãos grossos de calcário, que devido à baixa mobilidade iônica dos íons cálcio, conservam a forma original dos grãos de calcário. Da mesma maneira, as zonas irregulares revelam indícios de homogeneização


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insuficiente da mistura crua. A presença de cal livre pode levar a expansão da pasta de cimento no processo de hidratação, mas não existe uma limitação normativa do teor máximo de CaO livre no clínquer ou no cimento, o que se limita efetivamente é a variação volumétrica da pasta de cimento pelo método das agulhas de Le Chatelier, seja a frio ou a quente, de acordo com a ABNT NBR 11582:1991. A Figura 11 ilustra os cristais de cal livre, observados por microscopia óptica de luz refletida.

Figura 11 – Cristais de cal livre (c) em zonas, revelando cristais reliquiares de grão grossos de calcário na farinha crua (ABCP, 2005).

6.3.1.5 Periclásio

O óxido de magnésio no cimento Portland é derivado principalmente de calcários magnesianos usados como matéria prima para a produção do clínquer. Se presente em pequenas quantidades, o magnésio melhora a queimabilidade do clínquer, pois substitui o cálcio. Quando em baixos teores (até cerca de 2%), o óxido de magnésio entra em solução sólida nos aluminatos e ferroaluminatos bem como nas alitas. Acima desse valor começa a cristalizar o MgO livre na forma de cristais de periclásio. Se o resfriamento for rápido, as dimensões dos cristais tornam-se diminutas e os cristais ficam dispersos e mesmo com teores expressivos, em teores acima de 5%, não há expansão no ensaio de autoclave. Se o resfriamento no processo de produção do clínquer for lento e, se os cristais formados estiverem agrupados, há expansão nas barras de pasta por autoclave devido à hidratação do periclásio e formação de brucita expansiva. A Figura 12 ilustra a presença de cristais de periclásio no clínquer (ABCP, 2005).


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Figura 12 – Cristais de periclásio dispersos ou associados em zonas de cal livre ligadas a grão de calcário

dolomítico (ABCP, 2005).

As normas internacionais adotam limitação do teor de MgO no cimento ou limitação de variação volumétrica por métodos de desempenho (autoclave e Le Chatelier) ou ambos.Na Europa não é adotado o método de autoclave para avaliar-se a estabilidade volumétrica das pastas de cimento, metodologia adotada nos Estados Unidos. Na Europa, as especificações de cimento (EN197-1) limitam o teor de MgO no clínquer em 5% e não há limitação no cimento, pois seria muito difícil limitar aspectos da microestrutura do periclásio e sua forma de distribuição no clínquer. Adicionalmente, como o óxido de magnésio está presente na escória de alto-forno, mas nunca sob a forma de periclásio, seria inócuo limitar MgO em cimento contendo escória para prevenir manifestações patológicas. O método de autoclave é realizado sob condições enérgicas de pressão e temperatura que raramente ocorrem nas condições de aplicação do cimento. Mede-se a expansão de um corpo-de-prova de (1 x 1 x 10) polegadas em 24h de cura enérgica, com resultado em porcentagem. É adotado pelos Estados Unidos como ASTM C151-09 e também em alguns outros países, com limite de 0,8%, sendo que se limita também o MgO em 6,0% para cimentos sem adições (ASTM C150) e para os cimentos compostos (ASTM C595), mas sem escória. No Brasil, a norma de autoclave foi editada em 1966, mas foi cancelada anos depois, optando-se pelo método de Le Chatelier. Este mede a separação, em milímetros, das agulhas de corpos-de-prova cilíndricos conservados em água em ebulição durante certo período e, paralelamente, corpos-de-prova submetidos à cura a frio durante sete dias. Esse método é adotado também na Europa, com limitação de 10 mm de abertura das agulhas, contra 5 mm no Brasil. Infelizmente no Brasil há limitação equivocada de MgO para cimentos contendo adições de escória. Em suma, como as condições de autoclave não ocorrem nas condições de campo e não há registros no Brasil de patologias de edificações devidas a alto teor de MgO no cimento, conclui-se que o método de Le Chatelier é mais adequado que o de autoclave e deveria haver uma limitação de MgO apenas nos clínqueres.


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6.3.1.6 Sulfatos alcalinos

Os sulfatos alcalinos ocorrem em clínqueres, cujas matérias-primas são ricas em elementos alcalinos (K e Na) e sulfatos. Os combustíveis utilizados no forno podem contribuir também para o aporte de íons sulfato no sistema. Embora em baixas proporções, os componentes alcalinos apresentam grande importância, tendo em vista o papel desempenhado no fenômeno da reação álcali-agregado (RAA) e na própria cinética de hidratação do cimento.

A formação dos compostos alcalinos no clínquer é decorrente do ciclo de gases dentro do forno durante o seu processo de fabricação, por sua vez, fortemente dependente da relação molar álcalis/enxofre que resultará na condensação/cristalização de sulfatos alcalinos, aluminatos alcalinos ou silicatos alcalinos. Os sulfatos alcalinos são facilmente solubilizáveis na água de amassamento enquanto os álcalis contidos nos aluminatos (álcali-C3A) e nos silicatos (álcali-belita) serão liberados mais lentamente durante o processo de hidratação. A hidratação do cimento resulta na formação de uma solução intersticial no concreto contendo essencialmente hidróxidos de cálcio, sódio e potássio.

A concentração de Na+, K+ e OH- vai depender fundamentalmente do teor de álcalis no clínquer anidro, constituinte do cimento. Embora os álcalis no concreto provenham essencialmente do cimento, eles podem originar-se de outras fontes, tais como a água de amassamento, adições (cinzas volantes e escórias de alto-forno, sílica ativa, metacaulim), e aditivos químicos, além dos próprios agregados contendo minerais ricos em álcalis, como, por exemplo, os feldspatos e as micas, que, em alguns casos, também podem liberar álcalis ao longo do tempo. Os álcalis podem também ser originários de águas superficiais ou subterrâneas em contato com as estruturas de concreto. É necessário enfatizar, contudo que nem todos os álcalis no concreto participam da RAA, mas apenas, aqueles que não ficam fixos na estrutura cristalina dos silicatos de cálcio hidratados ou nos próprios agregados.

Com o objetivo de limitar o teor de álcalis para prevenir a RAA no concreto, a maioria dos países adotou o valor limite de 3,0 kg/m3 de Na2Oeq. de álcalis solúveis no concreto. Porém, constataram-se muitos casos de manifestação de RAA em concretos que haviam satisfeito esse limite, levando à necessidade de incluir outro tipo de prevenção adicional. Nesse sentido as mais recentes recomendações definem diferentes valores limites em função da classe de reatividade dos agregados ou do grau de risco de ocorrência da reação; direcionamento este, seguido pelas novas normas brasileiras de RAA (BATTAGIN, BATTAGIN & SBRIGI, 2009).

6.3.2 Sulfato de cálcio

O sulfato de cálcio, adicionado intencionalmente ao cimento Portland, atua como regulador (retardador) da pega da pasta de cimento, durante as reações de hidratação. O teor adicionado, entre 2 e 5%, varia em função do teor e da reatividade do C3A do clínquer, bem como da presença de álcalis, além da finura do cimento. Caso não se utilizasse desse expediente a pega seria praticamente instantânea, em menos de 10 minutos, o que inviabilizaria a aplicação do concreto na maioria das suas aplicações.

Um dos modelos para explicar o retardamento da pega da pasta de cimento baseia-se no conceito de formação de uma camada pouco solúvel de etringita sobre a superfície do


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C3A, retardando a penetração de água e retardando, portanto, as próprias reações de hidratação do C3A.

O sulfato de cálcio é encontrado no cimento Portland sob as formas de gipsita (CaSO4 • 2 H2O); hemidrato ou bassanita (CaSO4• 0.5 H2O) e anidrita (CaSO4). Geralmente as duas últimas se originam da desidratação parcial da gipsita dentro dos moinhos quando a temperatura atinge valores acima de 100ºC, favorecida por ventilação baixa. Essas fases possuem papel relevante na hidratação do cimento Portland devido às diferenças de solubilidade e taxa de solubilização.

No processo de hidratação do cimento Portland, o enrijecimento prematuro da pasta pode ser classificado em irreversível (pega rápida) e reversível (falsa pega). O primeiro se caracteriza por uma acentuada liberação de calor e por não readquirir a consistência inicial após remistura e geralmente ocorre quando há falta de sulfato de cálcio. Um caso especial de pega rápida em cimentos Portland é atribuído à precipitação de singenita a partir da reação de bassanita com o sulfato de potássio na presença de água. A equação a seguir demonstra essa condição: (CaSO4.½H2O + K2SO4 + ½H2O = CaSO4. K2SO4. H2O) (Equação 4) O enrijecimento reversível ou a falsa pega caracteriza-se por um endurecimento rápido da pasta sem liberação acentuada de calor de hidratação, que volta a adquirir sua propriedade inicial quando retrabalhada, isto é, quando o concreto é revibrado. Não causa nenhuma manifestação patológica se não for tomada a decisão errônea de adição suplementar de água para que o concreto readquira a trabalhabilidade. Dentre as várias hipóteses para explicar essa anomalia, a mais aceita é creditada à bassanita e à anidrita solúveis, provenientes da transformação e desidratação parcial da gipsita, que se dissolvem nos primeiros minutos de amassamento, precipitando-se como gipsita. A presença dessas formas de sulfato de cálcio no cimento não indica necessariamente que ocorrerá falsa pega, pois dependerá também da quantidade e da reatividade do C3A e da quantidade disponível de sulfato em solução. Torna-se importante esclarecer que a falsa pega também pode ocorrer quando o clínquer apresenta sulfatos alcalinos em sua composição. A langbeinita, formada durante o processo de clinquerização, quando na presença de água, transforma-se em singenita com liberação de uma molécula de CaSO4. Este, na presença de água, cristaliza-se em gipsita, dando origem ao fenômeno de falsa pega, conforme a seguinte reação: K2Ca2(SO4)3 + H2O = CaSO4.K2SO4. H2O + CaSO4 (Equação 5) CaSO4 + 2H2O = CaSO4.2H2O (Equação 6) A forma de sulfato de cálcio mais utilizada na indústria de cimento é a gipsita, que pode ser de origem natural ou sintética. As reservas nacionais conhecidas de gipsita natural são suficientes para atender ao consumo nos níveis atuais por cerca de 1.000 anos (PEREIRA, 1973) sendo as mais importantes localizadas nos Estados de Pernambuco, Ceará e Piauí. A gipsita consumida é proveniente de depósitos de alta pureza, geralmente superior a 90% (BATTAGIN & CENTURIONE, 1989).


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A má distribuição geológica dos depósitos de gipsita natural, aliada às enormes proporções de rejeitos industriais da fabricação do ácido fosfórico nas regiões Sul e Sudeste do País, motivaram a industrialização do fosfogesso, como é conhecido no jargão industrial o sulfato de cálcio di-hidratado precipitado no processo de obtenção do ácido fosfórico, a partir do minério de apatita. Frequentemente, esse minério fosfático está associado a impurezas de sílica e de flúor, originando, no gesso sintético, a presença de compostos como fluoretos, fosfatos residuais, matéria orgânica, que podem afetar o tempo de pega e as resistências mecânicas do cimento. Daí a necessidade de beneficiamento e purificação do fosfogesso que é praticado pelos grandes grupos industriais que são fornecedores da indústria do cimento, gerando um produto com desempenho similar à gipsita natural e contribuindo na questão ambiental. É necessário enfatizar que não existe uma norma que prescreva as características do fosfogesso utilizado para regular a pega do cimento. O que é medido é o desempenho do fosfogesso no cimento através do ensaio de tempo de pega do cimento, limitando para o cimento os teores de SO3, resíduo insolúvel e perda ao fogo (os quais também estão ligados a outros componentes). É conhecido o fato de que algumas características do fosfogesso são favoráveis e outras desfavoráveis para seu emprego no cimento. Assim, o índice de acidez é um balizador para indicar fosfogesso de boa qualidade, sendo aceitáveis amostras com índice de acidez até um máximo de 3. A presença de contaminações residuais de flúor e P2O5 pode retardar anomalamente a pega, bem como influir no desenvolvimento da resistência mecânica. Teores altos de umidade também podem comprometer o processo de moagem, com acúmulo nas bolas do moinho, aspectos que a indústria de cimento está atenta, contribuindo para o uso generalizado do fosfogesso no Sudeste e Sul do País. 6.3.2 Adições Minerais O consumo apreciável de energia, durante o processo de fabricação do cimento Portland, motivou mundialmente esse segmento industrial na busca de medidas para diminuição do consumo energético. Uma das alternativas de sucesso foi o uso de escórias granuladas de alto-forno e materiais pozolânicos e, também, de fíler calcário na composição dos chamados cimentos com adições (cimentos Portland compostos, cimento Portland de alto-forno e cimento Portland pozolânico). Quando adicionadas ao cimento, as pozolanas e escórias combinam-se e/ou são ativadas pelo hidróxido de cálcio liberado nas reações de hidratação do clínquer, originando compostos com propriedades ligantes ao passo que os fíleres calcários melhoram a compacidade e trabalhabilidade dos concretos e argamassas fazendo o papel de ponte entre os produtos de hidratação e, em menor escala também formando produtos hidratados. Além do aspecto ligado à conservação de energia, as principais razões de utilização das escórias, pozolanas e fíleres devem-se às propriedades específicas que trazem ao cimento, com certas vantagens sobre o cimento Portland comum, especialmente com relação à durabilidade e a razões ambientais, contribuindo para a diminuição das emissões específicas de gases de efeito estufa, evitando que as jazidas de calcário sejam exauridas prematuramente, contribuindo para reciclagem de rejeitos industriais, notadamente no caso das escórias e pozolanas


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6.3.2.1 Escória granulada de alto-forno A escória granulada é o subproduto da fabricação do gusa nos alto-fornos, material de natureza vítrea, constituído em sua maior parte de aluminossilicatos de cálcio. Resulta da combinação dos minerais da ganga do minério de ferro, das cinzas do coque utilizado como combustível e ativador da redução e da cal utilizada como fundente. Além dos aluminossilicatos cálcicos, ocorrem, secundariamente, sulfetos de cálcio e manganês e óxidos de ferro e manganês. A presença de magnésio está condicionada à utilização de calcário magnesiano como fundente. De acordo com a especificação brasileira para cimento Portland de alto-forno (ABNT NBR 5735:1991), as escórias constituem de 35% a 70% da massa total do aglomerante. Além das características do clínquer, as propriedades do cimento Portland de alto-forno dependem em grande parte do teor e das características das escórias. A atividade hidráulica das escórias, por sua vez, depende principalmente da sua finura, composição química e do seu grau de vitrificação. De acordo com a ABNT NBR 5735:1991, as escórias utilizadas para cimento devem apresentar alto grau de vitrificação e obedecer à relação: CaO MgO Al O

SiO

+ +>2 3

2

1 (Equação 7)

O primeiro cimento Portland de alto-forno comercial foi produzido na Alemanha, em 1892. Em 1909, o Governo daquele país já oficializava o uso de até 30% de escória em cimentos. No Brasil, o processo de adição de escória ao cimento Portland iniciou-se no ano de 1952, com a empresa Cimento Tupi, em Volta Redonda/RJ, empregando escórias granuladas de alto-forno, provenientes da Companhia Siderúrgica Nacional (BATTAGIN, 1987). Em 2009, a fabricação do cimento Portland de alto-forno respondeu por 15 % da produção total, segundo o Sindicato Nacional da Indústria de Cimento (SNIC, 2010), concentrando-se na região Sudeste. De fato, nessa região, encontram-se instaladas as maiores usinas siderúrgicas a coque e, por consequência, o material disponível para as plantas de cimento são principalmente as escórias de alto forno. 6.3.2.2 Materiais pozolânicos Pozolanas são materiais silicosos ou sílico-aluminosos, que por si sós não possuem poder aglomerante, mas que, em presença de água e quando finamente divididos, reagem com o hidróxido de cálcio, na temperatura ambiente, dando origem a compostos com propriedades aglomerantes. De acordo com a ABNT NBR 5736:1991, especificação brasileira de cimento Portland pozolânico, as pozolanas são classificadas em naturais e artificiais, sendo as primeiras definidas como materiais de origem vulcânica, geralmente de natureza ácida ou de origem sedimentar. As pozolanas artificiais correspondem aos materiais provenientes de tratamento térmico ou subprodutos industriais com atividade pozolânica e podem ser subdivididas em:

• argilas calcinadas – materiais provenientes da calcinação de determinadas argilas que, quando tratadas à temperatura entre 500°C e 900°C, adquirem a propriedade de reagir com o hidróxido de cálcio;


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• cinzas volantes – resíduos finamente divididos, provenientes da combustão de carvão pulverizado ou granulado;

• outros materiais – são considerados ainda como pozolanas artificiais outros materiais não tradicionais, tais como escórias siderúrgicas ácidas, sílica ativa, rejeito sílico-aluminoso de craqueamento do petróleo, cinzas de resíduos vegetais como a cinza de casca de arroz e bagaço de cana, por exemplo, e rejeitos de carvão mineral.

De acordo com a especificação brasileira para cimento Portland pozolânico, os materiais pozolânicos constituem de 15% a 50% da massa total do aglomerante. Analogamente ao que ocorre com as escórias em relação aos cimentos Portland de alto-forno, as propriedades do cimento Portland pozolânico dependem em grande parte do teor e das características dos materiais pozolânicos. A atividade pozolânica por sua vez depende da área específica da pozolana, dos teores de sílica e da alumina reativas, da estrutura cristalina desordenada e, principalmente, da sua capacidade de combinar com a cal para formar compostos com propriedades cimentícias. No Brasil, os cimentos com adição pozolânica começaram a ser comercializados somente em 1969, no Rio Grande do Sul, por iniciativa da S.A. Indústrias Reunidas Francisco Matarazzo, utilizando-se as cinzas volantes coletadas na Termoelétrica de Charqueadas (BATTAGIN, 1987). Anteriormente, havia usos esporádicos de cinzas volantes em 1964 (KIHARA & SHUKUZAWA, 1982), também no Rio Grande do Sul, e de argilas calcinadas nas obras da barragem de Jupiá, no Rio Paraná, cuja fábrica de pozolana iniciou sua operação em 1965 (ZAMPIERI, 1989). Atualmente a produção de cimentos com materiais pozolânicos está restrita às regiões Sul e Nordeste. A localização no sul do País das jazidas economicamente exploráveis de carvão mineral condicionou a instalação das termelétricas alimentadas a carvão mineral nessa região, tornando disponíveis para a indústria cimenteira local um dos resíduos da queima do carvão, as cinzas volantes. Por tratar-se de um segmento industrial totalmente desfavorável aos transportes de longas distâncias, a produção de cimentos Portland pozolânicos com cinzas volantes também ficou confinada aos Estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. Na região Nordeste, por outro lado, concentra-se a oferta dos cimentos com pozolana de argila calcinada. Segundo o Sindicato Nacional da Indústria de Cimento, em 2009 a fabricação do cimento Portland pozolânico respondeu por cerca de 10 % da produção total (SNIC, 2010) de cimento do País. 6.3.2.3 Fíler calcário Como fíler calcário deve ser entendido o material proveniente da rocha calcária finamente moída, o qual adicionado ao cimento Portland produz concretos mais trabalháveis, porque os grãos ou partículas desses materiais, ao se alojarem entre os grãos dos demais componentes do concreto, desempenham o papel de lubrificante. É bastante conhecida, na literatura técnica, a controvérsia sobre a influência nefasta ou positiva da adição calcária, quer na resistência mecânica, quer mais amplamente na durabilidade do concreto. Atualmente a comunidade técnica e os consumidores já aceitam com maior naturalidade os cimentos filerizados, pois a experiência vem comprovando o bom desempenho desses materiais tanto no Brasil como em âmbito mundial, tendo a União Europeia adotado, no ano 2000, a EN 197-1 Especificação de Cimentos Correntes, que contempla o uso de filer em até 35%. No Brasil, o uso do filer calcário é especificado na


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ABNT NBR 11578:1991 – Cimento Portland Composto com fíler (CP II-F) em teores de 6 a 10% e nos demais cimentos compostos (com pozolana, CP II-Z e com escória, CP II-E) em teores de 0 a 10%. Nos cimentos Portland pozolânicos (ABNT NBR 5736:1991) e de alto-forno (ABNT NBR 5735:1991), os teores máximos são limitados em 5%, sendo exigência que o teor de carbonato do fíler seja superior a 85% de CaCO3. Na Argentina a norma IRAM 50000, versão 2010, prevê cimentos com até 25% de fíler calcário, ao passo que somente em 2005 as normas americanas da American Society for Testing and Materials (ASTM) incluíram até 5% de filer nos cimentos da especificação ASTM C 150, em contraste com alguns países europeus que vinham admitindo altos teores desde a década de 60. A adição de filer calcário causa um efeito químico e físico durante a hidratação do cimento. O efeito químico é limitado pela formação de carboaluminatos, com influência na pega (grosso modo, pode-se substituir até metade do teor de gesso ótimo no cimento), (BENSTED, 1980) e, na resistência pela incorporação de CaCO3 e na estrutura do C-S-H, o principal composto da hidratação das pastas de cimento, responsável pelo desenvolvimento da resistência mecânica. O efeito físico da adição calcária se deve unicamente ao preenchimento dos poros (efeito fíler), por ser geralmente um material extremamente fino. Por apresentar moabilidade mais fácil que o clínquer, durante a moagem conjunta nos moinhos industriais, ele se concentra nas frações mais finas do cimento. Essas partículas mais finas preenchem os poros e ao mesmo tempo promovem uma aceleração da hidratação ao se comportarem como locais de nucleação na formação dos novos compostos de hidratação. 6.4 Tipos de Cimento Portland e especificações normativas brasileiras e

internacionais 6.4.1 Os cimentos Portland brasileiros e sua aplicação Com suas normas de cimento baseadas no modelo europeu, que conta atualmente com vinte e sete tipos de cimento normalizados pelo CEN (EN 197-1:2000), o Brasil dispõe de oito tipos básicos normalizados de cimento Portland, os quais com seus subtipos e classes de resistência chegam a mais de duas dezenas disponíveis para as mais variadas aplicações. O cimento Portland comum (CP I), embora praticamente ausente do mercado, principalmente por questões ambientais e de racionalização de energia, continua como referência, por suas características e propriedades, a todos os tipos básicos de cimento Portland disponíveis no mercado brasileiro, pois foi o tipo de cimento pioneiramente produzido a partir de 1926 e constituiu o tipo predominante até o final da década de 1980. São os seguintes os tipos de cimento normalizados: • Cimento Portland Comum (CP I):

• CP I – Cimento Portland Comum; • CP I-S – Cimento Portland Comum com Adição;

• Cimento Portland Composto (CP II): • CP II-E – Cimento Portland Composto com Escória; • CP II-Z – Cimento Portland Composto com Pozolana; • CP II-F – Cimento Portland Composto com Fíler;


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• Cimento Portland de Alto-Forno (CP III); • Cimento Portland Pozolânico (CP IV); • Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V-ARI); • Cimento Portland Resistente a Sulfatos (RS); • Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC); • Cimento Portland Branco (CPB).

Esses tipos se diferenciam de acordo com a proporção de clínquer e sulfatos de cálcio e de adições, tais como escórias, pozolanas e fíler calcário, acrescentadas no processo de moagem. Podem diferir também em função de propriedades intrínsecas, como alta resistência inicial, a cor branca etc. O próprio Cimento Portland Comum (CP I) pode conter adição (CP I-S), neste caso, de 1% a 5% de material pozolânico, escória ou fíler calcário e o restante de clínquer. O Cimento Portland Composto (CP II- E, CP II-Z e CP II-F) tem adições de escória, pozolana e filer, respectivamente, mas em proporções um pouco maiores que no CP I-S. Já o Cimento Portland de Alto-Forno (CP III) e o Cimento Portland Pozolânico (CP IV) contam com proporções maiores de adições: escória, de 35% a 70% (CP III), e pozolana de 15% a 50% (CP IV).

O Quadro 1 apresenta esses tipos de cimento com suas nomenclaturas e conteúdos de constituintes especificados em normas.

Quadro 1 – Tipos de cimento Portland normalizados no Brasil.

Nome Técnico do Cimento Portland

Sigla Classes Conteúdo dos componentes (%)

Clínquer + gesso

Escória Pozolana Fíler

calcário

Comum CPI 25, 32, 40 100 0

Comum com Adição CPI-S 25, 32, 40 99-95 1-5

Composto com Escória

CPII-E 25, 32, 40 94-56 6-34 0 0-10

Composto com Pozolana

CPII-Z 25, 32, 40 94-76 0 6-14 0-10

Composto com Fíler CPII-F 25, 32, 40 94-90 0 0 6-10

Alto-Forno CPIII 25, 32, 40 65-25 35-70 0 0-5

Pozolânico CPIV 25, 32 85-45 0 15-50 0-5

Alta Resistência Inicial

CPV-ARI – 100-95 0 0 0-5

Resistente a Sulfatos RS 25, 32, 40 (*) Baixo Calor de

Hidratação BC 25, 32, 40

Branco Estrutural ** CPB 25, 32, 40 – – – –

(*) A composição depende do tipo original do qual é derivado. ** Outro tipo de cimento branco é também produzido: Cimento Portland Branco não Estrutural (CPB), cujo tema será tratado adiante.

Os Quadros 2 e 3 apresentam as especificações técnicas respectivamente físico-mecânicas e químicas para os cimentos Portland nacionais, segundo as normas brasileiras.


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Quadro 2 – Exigências físico-mecânicas dos cimentos segundo as normas brasileiras. Tipo de

cimen

to

Class

e

Finura Tempos de pega (h)

Expansibi- lidade (mm)

Resistência à compressão (MPa)

Resíduo

#75 µµ µµm

Área

específica

(m2 /kg

)

Início

Fim

A frio

A quen

te

1 dia

3 dias

7 dias

28dias

91 dias

CPI CPI-S

25 32 40

≤ 12,0 ≤ 10,0

≥ 240 ≥ 260 ≥ 280

≥ 1 ≤ 101) ≤ 51) ≤ 5 --

≥ 8 ≥ 10 ≥ 15

≥ 15 ≥ 20 ≥ 25

≥ 25 ≥ 32 ≥ 40

--

CPII-E CPII-Z CPII-F

25 32 40

≤ 12,0 ≤ 10,0

≥ 240 ≥ 260 ≥ 280

≥ 1 ≤ 101) ≤ 51) ≤ 5 -- ≥ 8 ≥ 10 ≥ 15

≥ 15 ≥ 20 ≥ 25

≥ 25 ≥ 32 ≥ 40

--

CPIII(2) 25 32 40

≤ 8,0 -- ≥ 1 ≤ 121) ≤ 51) ≤ 5 -- ≥ 8 ≥ 10 ≥ 12

≥ 15 ≥ 20 ≥ 23

≥ 25 ≥ 32 ≥ 40

≥ 32(1)

≥ 40(1)

≥ 48(1)

CPIV(2) 25 32 ≤ 8,0 -- ≥ 1 ≤ 121) ≤ 51) ≤ 5 --

≥ 8 ≥ 10

≥ 15 ≥ 20

≥ 25 ≥ 32

≥ 32(1)

≥ 40(1)

CPV-ARI ≤ 6,0 ≥ 300 ≥ 1 ≤101) ≤ 51) ≤ 5 ≥ 14 ≥ 24 ≥ 34 -- --

(1) Ensaio facultativo (2) Outras características podem ser exigidas, como calor de hidratação, inibição da expansão devido à reação

álcali-agregado, resistência a meios agressivos, tempos máximos de início de pega.

Quadro 3 – Exigências químicas dos cimentos segundo as normas brasileiras.

Tipos de Cimento

Resíduo Insolúvel (%)

Perda ao Fogo (%)

Teores de óxidos (%)

MgO SO3 CO2

CPI ≤ 1,0 ≤ 2,0 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 1,0

CPI-S ≤ 5,0 ≤ 4,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 3,0

CPII-E ≤ 2,5 ≤ 6,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 5,0

CPII-Z ≤ 16,0 ≤ 6,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 5,0

CPII-F ≤ 2,5 ≤ 6,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 5,0

CPIII ≤ 1,5 ≤ 4,5 – ≤ 4,0 ≤ 3,0

CPIV – ≤ 4,5 ≤ 6,5 ≤ 4,0 ≤ 3,0

CPV-ARI ≤ 1,0 ≤ 4,5 ≤ 6,5 (*) ≤ 3,0

(*) SO3 ≤ 3,5% para C3A ≤ 8,0% e SO3 ≤ 4,5% para C3A > 8,0%.

Características especiais de alguns cimentos, que lhes conferem maior adequabilidade para aplicações específicas, foram normalizadas separadamente, de forma a estimular o mercado a utilizar o cimento correto para essas aplicações. Assim, as normas a


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seguir tratam de características especiais que os cimentos devam cumprir, além dos requisitos constantes da norma do produto, de forma a atenderem: 1) a necessidade de resistência aos sulfatos (ABNT NBR 5737:1992); 2) a necessidade de baixo calor de hidratação (ABNT NBR 13116:1994); 3) a necessidade de um cimento branco (ABNT NBR 12989:1993). De acordo com a norma ABNT NBR 5737:1992, os cinco tipos básicos de cimento podem ser resistentes aos sulfatos, desde que se enquadrem em pelo menos uma das seguintes condições: 1) teor de aluminato tricálcico (C3A) do clínquer e teor de adições carbonáticas de no máximo 8% e 5% em massa, respectivamente; 2) cimentos do tipo alto-forno que contiverem entre 60% e 70% de escória granulada de alto-forno, em massa; 3) cimentos do tipo pozolânico que contiverem entre 25% e 40% de material pozolânico, em massa; e 4) cimentos que tiverem antecedentes de resultados de ensaios de longa duração ou de obras que comprovem resistência aos sulfatos. Os cimentos resistentes a sulfatos são designados pelo tipo de cimento do qual se deriva, acrescido do sufixo RS. Oferecem resistência aos meios agressivos sulfatados, como redes de esgotos de águas servidas ou industriais, água do mar, e a alguns tipos de solos. Podem ser usados em: concreto dosado em central, concreto de alto desempenho, obras de recuperação estrutural e industriais, concreto projetados, armado e protendido, elementos pré-moldados de concreto, pisos industriais, pavimentos, argamassa armada, argamassas e concretos submetidos ao ataque de meios agressivos, como estações de tratamento de água e esgotos, obras em regiões litorâneas, subterrâneas e marítimas. O Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC) é designado por siglas e classes de seu tipo, acrescidas de BC. Por exemplo: CP III-32 (BC) é o Cimento Portland de Alto-Forno com baixo calor de hidratação, determinado pela sua composição. Esse tipo de cimento tem a propriedade de retardar o desprendimento de calor em peças de grande massa de concreto, evitando o aparecimento de fissuras de origem térmica, devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do cimento. De forma geral, todos os tipos de cimento Portland são adequados a todos os tipos de estrutura e aplicações. Existem, entretanto, alguns tipos de cimento que são mais vantajosos ou recomendáveis para determinadas aplicações. Dentro desse princípio, pode-se afirmar que os cimentos CP I e CP II se destinam a aplicações gerais, ao passo que o CP III, CP IV e ARI comportam-se melhor em algumas situações específicas. O CP V ARI, com valores médios aproximados de resistência à compressão acima de 25 MPa a um dia de idade e de 50 MPa aos 28 dias, que superam em muito os valores normativos de 14 MPa, 24 MPa e 34 MPa para um, três e sete dias, respectivamente, é recomendado no preparo de concreto e argamassa para produção de artefatos de cimento como blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes, meio-fio, mourões, postes, elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados. Pode ser utilizado no preparo de concreto e argamassa em obras desde as pequenas construções até as edificações de maior porte e em todas as aplicações que necessitem de resistência inicial elevada e desforma rápida. O desenvolvimento dessa propriedade é conseguido pela utilização de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer (que resulta em elevação dos conteúdos de alita e C3A), e pela moagem mais fina do cimento. Assim, ao reagir com a água, o CP V ARI adquire elevadas resistências, com maior velocidade. No entanto, apesar de garantir um crescimento acelerado de resistência já nos primeiros dias, há um decréscimo na velocidade desse crescimento, tendendo a valores


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finais assintóticos próximos aos obtidos para os demais tipos de cimento a idades avançadas. Os concretos preparados com cimento de alta resistência inicial exigem mais água para a obtenção da mesma consistência obtida com outros tipos de cimento, o que demanda cautela do ponto de vista de buscar indiscriminadamente resistências mais altas às primeiras idades, sem a prática da boa engenharia, sob pena de resultar em manifestações patológicas como, por exemplo, fissuras decorrentes da maior retração por secagem em condições ambientais inapropriadas. De uma maneira geral, os cimentos com adições (pozolânicos e de alto-forno) apresentam, para as aplicações rotineiras e convencionais, desempenho comparável ao dos cimentos Portland compostos. Para certos tipos de obras, apresentam algumas vantagens. De fato, as principais vantagens dos cimentos Portland de alto-forno e pozolânicos estão ligadas às maiores: estabilidade, durabilidade e impermeabilidade, que conferem ao concreto, ao menor calor de hidratação, à maior resistência ao ataque por sulfatos, à maior resistência à compressão em idades mais avançadas, à maior resistência à tração e à flexão e a uma melhor ou igual durabilidade. Portanto, é especialmente recomendável o emprego de cimentos CP III e CP IV em: obras de concreto-massa como barragens e peças de grandes dimensões, fundações de máquinas, pilares, obras em contato com ambientes agressivos por sulfatos, terrenos salinos, tubos e canaletas para condução de líquidos agressivos, esgotos ou efluentes industriais; concretos com agregados reativos, pois esses cimentos concorrem para minimizar os efeitos expansivos da reação álcali-agregado; pilares de pontes ou obras submersas em contato com águas correntes puras; obras em zonas costeiras ou em água do mar; pavimentação de estradas e pistas de aeroportos, etc.

Por outro lado, sua menor resistência inicial, quando comparados com os cimentos Portland compostos, pode ser incrementada pelo uso de aditivos aceleradores do endurecimento ou por compensações na dosagem do concreto. O uso dos cimentos CP III e CP IV deve ser cauteloso em pré-moldados com cura normal, nos casos em que se exija desforma rápida, o que pode ser resolvido pela cura a vapor. Também devem ser evitadas as concretagens em ambientes muito secos ou em temperaturas baixas. Como contém sulfetos, provenientes da escória, o cimento Portland de alto-forno não é recomendado em caldas de injeção para bainhas de protensão, embora, no concreto protendido ou armado, não haja restrições de uso, assim como também deve ser evitado seu uso em argamassa de assentamento de pisos e azulejos, fato que pode provocar manchas no revestimento.

O Cimento Portland Branco se diferencia por coloração e está classificado em dois subtipos: estrutural e não estrutural. O estrutural é aplicado em concretos brancos para fins arquitetônicos, com classes de resistência 25, 32 e 40, similares as dos demais tipos de cimento. Já o não estrutural não tem indicações de classe e é aplicado, por exemplo, em rejuntamento de azulejos e em aplicações não estruturais. A cor branca é obtida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxido de ferro e manganês, em condições especiais durante a fabricação, tais como resfriamento e moagem do produto e, principalmente, utilizando o caulim no lugar da argila. O índice de brancura deve ser maior que 78%. Adequado aos projetos arquitetônicos mais ousados, o cimento branco oferece a possibilidade de escolha de cores, uma vez que pode ser associado a pigmentos coloridos4.

4 Os temas concreto branco e concreto arquitetônico e decorativo são apresentados nos Capítulos 46 e 45, respectivamente.


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O Quadro 4 resume as principais características que o cimento confere aos concretos, argamassas e pastas, em igualdade condições (ABCP, 2002).

Quadro 4 – Influência do tipo de cimento nas propriedades de pastas, argamassas e concretos.

Influência

Tipo de Cimento

Comum e Composto

Alto-Forno Pozolânico Alta

Resistência Inicial

Resistente aos

Sulfatos

Branco Estrutural

Resistência à compressão

Padrão

Menor nos primeiros

dias e maior no final da

cura

Menor nos primeiros

dias e maior no final da

cura

Muito maior nos primeiros

dias Padrão Padrão

Calor gerado na reação do cimento

com a água Padrão Menor Menor Maior Padrão Maior

Impermeabilidade Padrão Maior Maior Padrão Padrão Padrão

Resistência aos agentes

agressivos (água do mar e esgotos)

Padrão Maior Maior Menor Maior Menor

Durabilidade Padrão Maior Maior Padrão Maior Padrão

6.4.2 A correspondência das especificações brasileiras com as normas estrangeiras Os cimentos americanos que são regidos pela ASTM C150 e pela norma ASHTO 85 não possuem adições e são responsáveis por mais de 90% da produção nos EUA, exatamente o contrário do que ocorre no Brasil, onde o padrão com adições tem sido elogiado mundialmente por conta de questões ambientais de emissão de gases de efeito estufa. Assim, para diferenciar as propriedades dos cimentos nos Estados Unidos, a fabricação é focada na diferenciação das características do clínquer, ao passo que no Brasil adotam-se teores distintos de adição de escórias e pozolanas. No Brasil não há limitação de silicatos no clínquer, pois isso se faz pela diluição do clínquer com adições quando necessário, por exemplo, para impor uma propriedade de mais baixo calor inicial. Por outro lado, a finura é limitada por um valor mínimo de área especifica Blaine e por limite máximo de resíduo em peneira normalizada, para garantir resistência mecânica, exatamente como ocorre nos Estados Unidos para todos os tipos de cimento, exceto aqueles com limitação de calor, que são os tipos II (moderado calor de hidratação) e IV (baixo calor de hidratação). Havia, até há pouco tempo, uma preocupação quanto à harmonização das especificações de cimento da ASTM C150 e da AASHTO, que por terem alguns requisitos distintos obrigava os fabricantes de cimento a possuírem silos também distintos para atender aos consumidores que adotavam uma ou outra norma. Essa harmonização foi conseguida nas edições de 2009 de ambas as normas com a criação de um novo subtipo de cimento de moderado calor de hidratação – Tipos II (MH) e a harmonização das exigências dos cimentos de moderada resistência a sulfatos e baixo calor de hidratação, Tipos II e IV,


27

respectivamente, que se destinam a aplicações onde o desenvolvimento de calor possa gerar fissurações de origem térmica; cimentos esses em que são exigidos valores de resistências mínimas bem menores que para os demais tipos de cimento. É importante esclarecer que a norma AASTHO, que limitava a finura máxima e o teor de silicato para os demais tipos (I, II, III, IV), deixou de fazê-lo para compatibilizar com a norma ASTM C150.

Atualmente, os cimentos norte-americanos são designados pelos tipos I a V, conforme listados a seguir:

• Tipo I – para uso quando nenhuma propriedade especial é especificada; • Tipo II – para uso geral, mas mais especificamente quando moderada resistência a

sulfatos é desejada; • Tipo II (MH) – variante do Tipo II, é de uso geral e mais específico quando moderada

resistência a sulfatos e moderado calor de hidratação são desejados; • Tipo III – para uso quando se deseja alta resistência inicial; • Tipo IV – para uso quando baixo calor de hidratação é desejado; • Tipo V – para uso quando alta resistência a sulfatos é desejada.

Convém salientar que os tipos I a III apresentam sua sigla identificada com o sufixo A, quando ar incorporado é desejado.

O Quadro 5 mostra uma tentativa de equivalência entre os cimentos brasileiros e americanos, valendo lembrar que essa equivalência é estabelecida por propriedades e não por composição.

Quadro 5 – Equivalência dos cimentos americanos e brasileiros.

Cimento Americano Cimento Brasileiro Equivalente

Norma Tipo Norma Tipo

ASTM C150 I ABNT NBR 5732 CPI ou CPI-S

ASTM C150 II ABNT NBR 11578 Tipo CPII – F

ASTM C150 III ABNT NBR 5733 CPV – ARI

ASTM C150 IV ABNT NBR 13116 BC-Cimento de baixo calor de hidratação

ASTM C150 V ABNT NBR 5737 RS-Cimento resistente

aos sulfatos

ASTM C595 IS ABNT NBR 5735 Tipo CPIII

ASTM C595 IP ABNT NBR 5736 Tipo CPIV

Observação: Os tipos brasileiros CPII- E e CPII-Z correspondem aos tipos ASTM C-595, I S e I P, com menores teores de escória e pozolana, respectivamente.

Com relação à especificação europeia, há muita similaridade com as normas de especificação de cimentos da ABNT, já que ambos os modelos se baseiam no mesmo princípio de diferenciação dos cimentos pelo teor de adições presentes, com raras exceções como o caso do cimento brasileiro de alta resistência inicial, CPV-ARI, que constitui um tipo específico, ao passo que na Europa todos os tipos básicos podem ser de alta resistência inicial, sendo acrescentado na sigla R. O Quadro 6 mostra os tipos e a composição dos cimentos europeus.


28

Quadro 6 – Os 27 produtos da família de cimentos correntes segundo a EN-197-1

Tipos

Notação dos 27 produtos

Composição (percentagem em massa a)

Constituintes m

inoritários

Constituintes principais

Clínquer

( K)

Escória de alto

forno (S)

Sílica ativa (D) b

Pozolana Cinza volante

Xisto cozido (T)

Calcário

natural

(P)

Natural

calcina

da (Q)

Silicios

a (V)

calcária

(W)

L LL

CEM I Cimento Portland CEM I 95-100

- - - - - - - - - 0-5

CEM II

Cimento Portland com escória

CEM II/A-S

80-94 6-20 - - - - - - - - 0-5

CEM II/B-S

65-79 21-35

- - - - - - - - 0-5

Cimento Portland de sílica ativa

CEM II/A-D

90-94 - 6-10

- - - - - - - 0-5

Cimento Portland com pozolana

CEM II/A-P

80-94 - - 6-20 - - - - - . 0-5

CEM II/B-P

65-79 - - 21-35

- - - - - - 0-5

CEM II/A-Q

80-94 - - - 6-20 - - - - - 0-5

CEM II/B-Q

65-79 - - - 21-35

- - - - - 0-5

Cimento Portland de cinza volante

CEM II/A-V

80-94 - - - - 6-20 - - - - 0-5

CEM II/B-V

65-79 - - - - 21-35

- - - - 0-5

CEM II/A-W

80-94 - - - - - 6-20 - - - 0-5

CEM II/B-W

65-79 - - - - - 21-35

- - - 0-5

Cimento Portland de xisto cozido

CEM II/A-T

80-94 - - - - - - 6-20 - - 0-5

CEM II/B-T

65-79 - - - - - - 21-35

- - 0-5

Cimento Portland de calcário

CEM II/A-L

80-94 - - - - - - - 6-20 - 0-5

CEM II/B-L

65-79 - - - - - - - 21-35

- 0-5

CEM II/A-LL

80-94 - - - - 6-20 0-5

CEM II/B-LL

65-79 - - - - - - - - 21-35

0-5

Cimento Portland composto c

CEM II/A-M

80-94 <------------------------------------------- 6-20 --------------------------------

-------> 0-5

CEM II/B-M

65-79 < - ---------------------------------------- 21-35 --------------------------------

----- > 0-5

CEM III Cimento de alto-forno

CEM III/A

35-64 36-65

- - - - - - - - 0-5

CEM III/B

20-34 66-80

- - - - - - - - 0-5


29

CEM III/C

5-19 81-95

- - - - - - - - 0-5

CEM IV

Cimento pozolânico

c

CEM IV/A

65-89 - < --------------- 11-35 ----------------

> - - - 0-5

CEM IV/B

45-64 - < --------------- 36-55 ---------------

> - - - 0-5

CEM V Cimento compostoc

CEM V/A

40-64 18-30

- < --------- 18-30 ------

-- > - - - - 0-5

CEM V/B

20-38 31-50

- < --------- 31-50 ------

-- > - - - - 0-5

a Os valores do quadro referem-se à soma dos constituintes principais e dos adicionais minoritários. b A incorporação de sílica ativa é limitada a 10 %. c Nos cimentos Portland compostos CEM II/A-M e CEM II/B-M, nos cimentos pozolânicos CEM IV/A e CEM IV/B e nos

cimentos compostos CEM V/A e CEM V/B, os constituintes principais, além do clínquer, devem ser declarados na designação do cimento.

Os Quadros 7 e 8 mostram as limitações químicas, físicas e mecânicas estabelecidas para os cimentos correntes, segundo a norma europeia EN 197-1.

Quadro 7 – Requisitos físicos e mecânicos dos cimentos (EN 197-1/2000).

Classe de Resistência

Resistência à compressão (MPa) Tempo de início de pega (min)

Expansão (mm)

Inicial Normal

2 dias 7 dias 28 dias

32.5 N - ≥ 16 ≥ 32,5 ≤ 52,5 ≥ 75

≤ 10

32.5 R ≥ 10 -

42.5 N ≥ 10 - ≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥ 60

42.5 R ≥ 20 -

52.5 N ≥ 20 - ≥ 52,5 - ≥ 45

52.5 R ≥ 30 -

Quadro 8 – Requisitos químicos dos cimentos (EN 197-1/2000).

Propriedade Tipo de cimento Classe de resistência Requisitos

Perda ao Fogo (P.F.) CEM I CEM III

Todas ≤ 5.0 %

Resíduo Insolúvel (R.I.) CEM I CEM III

Todas ≤ 5.0 %

Sulfatos (SO3)

CEM I CEM II

CEM IV CEM V

32.5 N 32.5 R 42.5 N

≤ 3.5 %

42.5 R 52.5 N 52.5 R ≤ 4.0 %

CEM III Todas

Cloretos (Cℓ) Todos Todas ≤ 0.10 %


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Tentativa de correspondência dos cimentos brasileiros e europeus está no Quadro 9.

Quadro 9 – Correspondência entre cimentos brasileiros e europeus.

Denominação

Cimento Brasileiro Cimento Europeu

Norma ABNT

Tipo Sub-tipo Tipo segundo a Norma Européia

EN-197-1

Cimento Portland Comum

NBR 5732 CP I CP I CEM I

CPI-S CEM I

Cimento Portland Composto

NBR 11578 CP II

CPII-F CEM II/A-L

CPII-E CEM II/A-S (1) CEM II/B-S (2)

CPII-Z (6)

CEM II/A-P CEM II/A-V CEM II/A-Q CEM II/A-T

Cimento Portland de Alto-forno

NBR 5735 CP III - CEM III/A

Cimento Portland Pozolânico

NBR 5736 CP IV - CEM IV/A (3) CEM IV/B (4)

Cimento Portland de Alta Resistência Inicial

NBR 5733 CP V-ARI - CEM I (5)

Notas (1) Se o teor de escória do CPII-E, que pode ser de 6 a 34%, estiver no intervalo de 6 a 20%. (2) Se o teor de escória do CPII-E, que pode ser de 6 a 34%, estiver no intervalo de 21 a 34%. (3) Se o teor de pozolana do CP IV, que pode ser de 15 a 50%, estiver no intervalo de 15 a 35%. (4) Se o teor de pozolana do CP IV, que pode ser de 15 a 50%, estiver no intervalo de 16 a 50%. (5) O CPV-ARI corresponde em termos de composição ao CEM I, com classe R de resistência à compressão. (6) A classificação depende do tipo de material pozolânico, se cinza volante silicosa, pozolana natural, pozolana natural calcinada ou xisto calcinado.

6.5 Ensaios de controle da qualidade do cimento Portland, seu

significado e implicações no desempenho A fabricação do cimento exige um controle rigoroso dos distintos processos industriais, o que demanda a realização de um elenco de ensaios nos laboratórios das unidades industriais para o controle de produção, que envolve as características químicas e físicas das matérias-primas iniciais e da mistura crua e controles por sistemas on line de alta tecnologia. Para assegurar a qualidade necessária ao produto final e o atendimento às normas da ABNT dos distintos tipos de cimento, são efetuados ensaios para determinar as suas características químicas e físico-mecânicas. As características químicas visam avalizar que:

• não ocorreram falhas nas etapas de queima e resfriamento no processo de fabricação (Resíduo Insolúvel, CO2, Cal livre);

• o cimento não se hidratou antes do seu uso (ensaios de Perda ao Fogo e umidade);


31

• os teores de adição preconizados pelas normas foram atendidos (SO3,CO2, RI); • o cimento não apresentou risco de expansão ao hidratar-se (MgO, CaO livre); • foram atendidas algumas propriedades de durabilidade para certos tipos de cimento

(por exemplo C3A, com determinação de CaO e Al2O3 no caso de cimentos resistentes aos sulfatos) – é prática corrente ainda controlar a composição química completa como parâmetro complementar na fabricação.

As características físicas e mecânicas visam garantir que: • o cimento foi moído adequadamente (finura Blaine e resíduo na peneira); • o desempenho está adequado para as classes de resistência estabelecidas aos 28

dias, sendo determinado por ensaios de resistência mecânica à compressão aos 3, 7 e 28 dias para todos os tipos de cimento e resistências a 1, 3 e 7 dias para o cimento CPV-ARI;

• o cimento possui um período adequado depois de misturado com água para ser aplicado antes do seu endurecimento, medido através da propriedade de tempo de pega;

• o cimento possui estabilidade volumétrica (expansibilidade Le Chatelier).

6.5.1 Finura e Resistência mecânica do cimento

A moagem é uma das últimas etapas da fabricação do cimento que impõe ao produto final valores característicos de finura, com forte influência na sua distribuição granulométrica. Essas propriedades, por sua vez, têm importância vital para o comportamento reológico e desempenho mecânico do cimento nas pastas argamassas e concretos. No tocante ao controle adequado da finura e à distribuição granulométrica do cimento, várias técnicas são utilizadas, com destaque para as apresentadas a seguir.

6.5.1.1 Área específica Blaine

É um método de permeabilidade padrão desenvolvido por Rigden e Blaine, em 1940. Sua importância reside no fato de que as taxas de pega e hidratação dos cimentos são controladas pela área específica. Entretanto, o método é limitado, não dando a noção real da distribuição granulométrica da amostra. Dessa forma, dois cimentos de mesmas áreas específicas Blaine podem apresentar distribuições granulométricas muito distintas e, em consequência, comportamentos reológicos diversos (BUCHANAN, 1995).

6.5.1.2 Peneiramento

É uma técnica antiga, de baixo custo, porém aplicável a distribuições granulométricas mais grossas. Abaixo de 38 µm (#400), o peneiramento é muito difícil, com baixa reprodutibilidade dos resultados.

6.5.1.3 Granulometria por difração a laser

O método se baseia no fato de que o ângulo de difração de um feixe de raios laser ao incidir sobre uma partícula é inversamente proporcional ao tamanho dessa partícula. No


32

granulômetro a laser, o material particulado (cimento) é diluído em um líquido (água ou álcool etílico) que passa através de uma célula, em que é incidido um feixe de raios laser. Detectores captam os raios difratados após serem desviados pelas partículas de cimento em suspensão, determinando o ângulo de difração e, por conseguinte, o diâmetro das partículas. Esse método possibilita a determinação da distribuição granulométrica do cimento dentro de intervalo que vai de 0,1 µm a 500 µm. 6.5.1.4 Resistência mecânica e interação com a finura do cimento

Essa propriedade depende de uma série de características tais como reatividade do clínquer, relação a/c, condições de cura, distribuição granulométrica das partículas, teor de adições minerais, entre outras. A resistência à compressão, medida em laboratório por meio do método ABNT NBR 7215:1996, chamada resistência à compressão normal, estabelece uma relação a/c fixa de 0,48 e condições de cura padronizadas, de modo que a distribuição granulométrica do cimento e o teor de adição possuem uma influência expressiva no desenvolvimento da resistência dos corpos-de-prova. Com o aumento da área específica Blaine, obtém-se maior resistência. Entretanto, o aumento da resistência pode ser alcançado também com o mesmo valor de Blaine, porém com uma curva de distribuição granulométrica de partículas mais fechadas. A grande vantagem de utilização de cimento com valores de finura Blaine mais baixos (mais grossos) e curvas granulométricas mais fechadas é a economia de energia elétrica nos moinhos. Por outro lado, maiores valores de Blaine e curva granulométrica mais estreita aumentam o teor de água requerida para uma mesma trabalhabilidade. Esse fato não tem repercussão no valor de resistência normal (pois a relação a/c é fixa), porém pode acarretar transtornos na reologia da argamassa ou do concreto. Análises de distribuição de tamanho de partículas por analisador de difração a laser podem indicar rapidamente aspectos sobre o desempenho do produto, bem como a própria eficiência dos separadores e moinhos das fábricas de cimento. Essa metodologia, embora não normalizada no Brasil, já é adotada por um número expressivo de fábricas brasileiras. Assim, partículas com dimensões menores que 2µm não são desejáveis, pois contribuem apenas para o aumento do requerimento de água, pouco influindo na resistência. Já as partículas superiores a 50µm comportam-se praticamente como inertes, sendo desejável que 60% a 70% das partículas situem-se na faixa de 3µm a 30µm. Portanto, iniciativas para aumentar deliberadamente a finura do cimento são antieconômicas e podem acarretar comportamento reológico anômalo. Com relação ao uso de adições ativas, verifica-se tendência crescente no Brasil, tanto no passado, estimulada principalmente pela diminuição da dependência de importação de óleo combustível (crises do petróleo de 1973 e 1979) quanto atualmente, com forte apelo ambiental, é um dos pilares do desenvolvimento sustentável, sem nunca negligenciar em qualquer época as grandes vantagens técnicas auferidas ao produto final. As Figuras 13, 14 e 15 (BATTAGIN & BATTAGIN, 2010) mostram as características do cimento Portland composto, subtipos II-F, II-E e II-Z, respectivamente, que após sua normalização em 1991 passou a ser o tipo de cimento mais produzido e comercializado no Brasil, substituindo na maior parte das aplicações o cimento Portland comum. Em particular verifica-se que o cimento Portland, composto com adição de material carbonático nos teores normalizados, tem apresentado valores médios ligeiramente crescentes de área específica e


33

resistência à compressão (valores extremos de 345 m2/kg e 407 m2/kg de área específica e variação entre os valores extremos da ordem de 5 MPa para a resistência à compressão em qualquer das idades apresentadas). Existe uma percepção no mercado de que a evolução da resistência mecânica à compressão dos diferentes tipos de cimento teria mudado o padrão de comportamento, nos últimos anos principalmente no que diz respeito ao ganho de resistência de 28 para 91 dias. Com base na compilação de resultados de ensaios obtidos junto à Associação Brasileira de Cimento Portland, são mostrados os Quadros 10 e 11, elaborados a partir das análises de 580 amostras representativas de cimentos fabricados por todas as unidades brasileiras das diferentes regiões do País.

Figura 13 – Evolução da resistência à compressão e da área específica do cimento Portland Composto

CPII-F-32 (Fonte: ABCP, 2010).

Figura 14 – Evolução da resistência à compressão e da área específica do cimento Portland Composto


34

CPII-E-32 (ABCP, 2010).

Figura 15 – Evolução da resistência à compressão e da área específica do cimento Portland Composto CPII-Z-32 (ABCP, 2010).

Quadro 10 – Resultados de resistência à compressão dos cimentos, em função da idade.

Tipo de cimento

Resultados de Resistência à Compressão, em MPa, em função da Idade

1 dia 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias 91 dias

CP II-E-32 9,4 22,1 30,5 41,2 44,4 48,9

CP II-F-32 12,7 26,9 32,4 39,7 42,1 44,0

CP II-E-40 – 28,9 37,3 47,2 51,4 56,6

CP II-Z-32 12,7 24,9 30,5 38,2 40,1 42,6

CP III-32 6,5 16,3 27,2 41,8 48,4 51,4

CP III-40 10,5 21,4 33,4 48,2 51,3 56,0

CP IV-32 9,6 21,5 28,6 39,9 43,6 46,3

CPV-ARI 24,5 37,4 42,7 48,5 48,8 52,5

CPV-ARI RS 19,0 33,1 40,2 47,2 49,9 52,4


35

Quadro 11 – Percentual de resistência à compressão dos cimentos brasileiros, em diferentes idades, em relação à resistência à idade de 28 dias.

Tipo de cimento

Resistência à Compressão, em %, em função dos resultados aos 28 dias

1 dia 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias 91 dias

CP II-E-32 23 54 74 100 108 119

CP II-F-32 32 68 82 100 106 111

CP II-E-40 - 61 79 100 109 120

CP II-Z-32 33 65 80 100 105 112

CP III-32 16 39 65 100 116 123

CP III-40 22 44 69 100 106 116

CP IV-32 24 54 72 100 109 116

CPV-ARI 50 77 88 100 101 108

CPV-ARI RS 40 70 85 100 106 111

Os Quadros 10 e 11 mostram que a evolução da resistência mecânica de 1 dia a 91 dias depende expressivamente do tipo de cimento. Mostram ainda, como era esperado, que o cimento CPV ARI apresenta a 1 dia cerca de 50% da resistência que irá atingir aos 28 dias e, aos 91 dias, o crescimento é inferior a 10% do registrado aos 28 dias. No outro extremo, o CP III-32 mostra que a evolução de resistência é superior a 20% aos 91 dias em relação aos 28 dias. A um dia esse tipo de cimento apresenta apenas 16% da resistência que irá atingir aos 28 dias. Esses resultados corroboram o que estabelece a ABNT NBR 6118:2007 em seu item 12.3.3 com relação ao crescimento esperado dos concretos preparados com cada tipo de cimento Portland, desconsiderando outras variáveis além do desempenho do próprio cimento. Investigações efetuadas (BATTAGIN & BATTAGIN, 2010) evidenciam que as mudanças verificadas nas últimas décadas na produção de cimento não repercutiram em alterações significativas na finura e na resistência mecânica quando se comparam o mesmo tipo de cimento. O que mudou efetivamente foi a participação porcentual de cimentos caracteristicamente mais finos no mercado, como o CPV ARI e os cimentos com expressivos teores de adições (CPIII e CPIV) em relação aos cimentos compostos (CPII-F, CPII-E e CPII-Z), os mais consumidos no Brasil, gerando a percepção errônea de que os cimentos estariam mais finos e portanto passíveis de gerar concretos ou argamassas susceptíveis a maior fissuração.

No início dos anos 90, os cimentos compostos já haviam substituído o cimento Portland comum no País, até então o mais utilizado. Essa tendência de uso de cimentos com adições é mundial, estimulada por constituir um dos vetores de diminuição de gases de efeito estufa (os outros vetores são a eficiência energética e o uso de combustíveis alternativos de fontes renováveis), sendo o Brasil considerado benchmark mundial, em igualdade de condições com muitos países europeus, tema a seguir tratado na seção 6.6.


36

6.6 A indústria do cimento e o meio ambiente A indústria cimenteira brasileira vem se antecipando às questões climáticas, tema debatido mundialmente nas mais distintas esferas. Em um cenário onde limites de emissões nos processos industriais podem ser impostos, o setor de cimento vem adotando voluntariamente medidas para melhorar o desempenho de seus processos produtivos quanto à emissão de gases de efeito estufa. Assim, aderiu há muito à Iniciativa de Sustentabilidade do Cimento (em inglês CSI), em parceria com o WBCSD (sigla em inglês do Conselho Empresarial Mundial para o Desenvolvimento Sustentável). Esse movimento, criado em1999, pelas dez maiores companhias de cimento do mundo forma atualmente um grupo para promover o desenvolvimento sustentável da indústria cimenteira. Em 2010 cerca de 70% da produção brasileira de cimento pertenceu ao universo auditado pela CSI. O início da CSI se caracterizou por uma agenda de metas e compromissos de adesão voluntária para compensar e mitigar os impactos da indústria do cimento ao ambiente, principalmente com relação à redução das emissões dos gases de efeito estufa, tendo como base o ano de 1990. Cerca da metade da emissão de CO2, na indústria do cimento, é inerente ao processo de produção e ocorre durante a descarbonatação do calcário para transformar-se no clínquer. Outra parcela é predominantemente resultante da queima de combustíveis no forno de clínquer, cuja chama pode atingir uma temperatura de até 2.000oC. Contribuem ainda, pela emissão, ações ligadas ao transporte da matéria prima e ao uso de eletricidade. A Figura 16 ilustra esquematicamente essas diversas fontes de emissão de CO2 no processo de produção de cimento.

Três vetores concentram as iniciativas da indústria brasileira e mundial para mitigação dos gases de efeito estufa, quais sejam: a eficiência energética, o uso de combustíveis alternativos ou de fontes renováveis e o uso de cimento com adições. Um quarto vetor, ainda incipiente no Brasil, diz respeito ao aprisionamento e armazenamento de carbono. Enfatiza-se que grandes avanços já foram alcançados, pois no Brasil, uma série de características do processo de produção e de medidas adotadas há muitos anos pelo setor cimenteiro posicionaram a indústria nacional entre as mais eficazes no controle de suas emissões, resultando em um dos menores níveis de CO2 por tonelada de cimento produzida no mundo.

Figura 16 – Distribuição média mundial das emissões de CO2 na produção de cimento (BATELLE, 2002).


A ecoeficiência energética é conseguida graças opera com 99% dos fornos pelo sistema viacombustíveis em até 50%. Além disso, os altos níveis de eficiência energética são conseguidos com pré-aquecedores e préda saída do forno para pré-aquecer a matériadiminuindo o consumo de combustíveissimultânea de combustíveis alternativos e convencionais (coque de petróleo, óleo combustível e carvão mineral e vegetal), sistemas de filtrmonitoramento on line de gases para controle ambiental e do processosejam praticados índices específicos de(653 kcal/kg ou 825 kcal/kg de clde alta eficiência, o consumo elétrico de 10que são reconhecidas como parâmetros de referência Internacional de Energia (2009),novo patamar dado os avanços já conseguidos. As Figuras 17 e 18 apresentam a comparação dos índices de eficiência pelos vários países segundo dados referentes a 2003, compilados pelo SNIC (2009)

Figura 17 – Consumo comparativo de energia elétrica na produção de cimento

107 108

70

90

110

130

150

170

Brasil Espanha

(kWh/t cimento)Consumo específico de energia elétrica


ncia energética é conseguida graças a um parque industrialcom 99% dos fornos pelo sistema via seca que garante a diminuição do uso de

combustíveis em até 50%. Além disso, os altos níveis de eficiência energética são aquecedores e pré-calcinadores que reaproveitam os gases quentes

aquecer a matéria-prima previamente à entrada do forno, diminuindo o consumo de combustíveis. Multi-queimadores desenvolvidos para queima simultânea de combustíveis alternativos e convencionais (coque de petróleo, óleo combustível e carvão mineral e vegetal), sistemas de filtro de alto desempenho,

de gases para controle ambiental e do processosejam praticados índices específicos de consumo térmico médio de 2730 MJ/t de cimento

de clínquer ) Adicionalmente, graças aos moinhos e separadores consumo elétrico de 107 kWh/t de cimento, atingiram metas

como parâmetros de referência em âmbito mundial segundo a (2009), enfatizando-se que se torna muito difícil para o Brasil atingir

novo patamar dado os avanços já conseguidos. apresentam a comparação dos índices de eficiência pelos vários

países segundo dados referentes a 2003, compilados pelo SNIC (2009).

Consumo comparativo de energia elétrica na produção de cimento (SNIC

108

146

125

112

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Espanha EUA França Itália Japão

Consumo específico de energia elétrica

37

um parque industrial moderno que seca que garante a diminuição do uso de

combustíveis em até 50%. Além disso, os altos níveis de eficiência energética são calcinadores que reaproveitam os gases quentes

ma previamente à entrada do forno, queimadores desenvolvidos para queima

simultânea de combustíveis alternativos e convencionais (coque de petróleo, óleo o de alto desempenho,

de gases para controle ambiental e do processo, fazem com que consumo térmico médio de 2730 MJ/t de cimento

aos moinhos e separadores , atingiram metas de consumo

em âmbito mundial segundo a Agência se torna muito difícil para o Brasil atingir

apresentam a comparação dos índices de eficiência pelos vários

SNIC, 2009).

100

Japão

Consumo específico de energia elétrica


Figura 18 – Consumo comparativo de energia térmica na produção de cimento O segundo vetor, na busca da mitigação das emissõescombustíveis alternativos, seja de biomassa,de resíduos industriais nos fornos de cimento. O dos resíduos em fornos de clínquerde recursos minerais e energéticos, ao mesmo tempo em que minimiza o descarte de resíduos no ambiente. Surge num ambiente onde a contínua exploração dos recursos naturais não renováveis e o aumento da geração de resíduos têm levado a sociedadebuscar soluções que levem em consideraçãodestes últimos. Trata-se de tecnologia segura, que utiliza resíduos como substitutos de matérias-primas e como combustível alternativo, contribuindo com o meio ambiente. Por essa razão, o coprocessamento de Resíduos Sólidos, sancionada pelo governo federal em agosto de 2010. Essa prática é também regulamentada desde 1999 pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), por meio da Resolução 264, e tambrigorosos limites de emissão de material particulado e Das 48 fábricas integradas com fornos em operação em 2010 no Brasil, 37 estavam licenciadas para coprocessar produção nacional de clínquer. O Brasil gera cerca de 2,7 milhões de toneladas de resíduos por ano, provenientes de diversos segmentos da indústria (siderúrgica, petroquímica, automobilística, de alumínio, tintas, embalagens, papprocessa, anualmente, cerca de 950 mil em fornos de cimento, cerca de 180 mil toneladas de pneus velhos, o que corresponde a 36 milhões de unidades (ABCP, 2010). Ao comparapercebe-se o desafio para novos avanços, pois enquanto o índice de substituição de combustível por resíduos chega a 42% na Alemanha e a 47% na Suíça (SNIC, 2010), esse percentual no Brasil foi de aproximadamente 10% fica mais favorável quando se contempla o uso de

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Brasil Colômbia

(kcal/kg clinquer)

Consumo específico de energia térmica


nsumo comparativo de energia térmica na produção de cimento (SNIC

na busca da mitigação das emissões, concentrabustíveis alternativos, seja de biomassa, devido à sua natureza renovável, seja do uso

de resíduos industriais nos fornos de cimento. O coprocessamento, termo aplicado à queima dos resíduos em fornos de clínquer, oferece uma alternativa de conservação e rade recursos minerais e energéticos, ao mesmo tempo em que minimiza o descarte de resíduos no ambiente. Surge num ambiente onde a contínua exploração dos recursos naturais não renováveis e o aumento da geração de resíduos têm levado a sociedadebuscar soluções que levem em consideração: a reciclagem, a reutilização e o tratamento

se de tecnologia segura, que utiliza resíduos como substitutos de primas e como combustível alternativo, contribuindo com o meio ambiente. Por

figura como técnica de gestão ambiental na Política Nacional de Resíduos Sólidos, sancionada pelo governo federal em agosto de 2010. Essa prática é também regulamentada desde 1999 pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), por meio da Resolução 264, e também por órgãos ambientais estaduais que estabelecem rigorosos limites de emissão de material particulado e de poluentes.

Das 48 fábricas integradas com fornos em operação em 2010 no Brasil, 37 estavam resíduos. Essas fábricas representam mais de 80% da . O Brasil gera cerca de 2,7 milhões de toneladas de resíduos

de diversos segmentos da indústria (siderúrgica, petroquímica, automobilística, de alumínio, tintas, embalagens, papel e pneumáticos), das quais processa, anualmente, cerca de 950 mil toneladas (SNIC, 2010). Em 2009, foram eliminados

cerca de 180 mil toneladas de pneus velhos, o que corresponde a 36 milhões de unidades (ABCP, 2010). Ao comparar esses números com o de outros países,

se o desafio para novos avanços, pois enquanto o índice de substituição de combustível por resíduos chega a 42% na Alemanha e a 47% na Suíça (SNIC, 2010), esse percentual no Brasil foi de aproximadamente 10% em 2010, segundo a ABCP. Esse índice fica mais favorável quando se contempla o uso de biomassa (moinha de carvão vegetal,

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Colômbia Espanha EUA França


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SNIC, 2009).

concentra-se no uso de sua natureza renovável, seja do uso

, termo aplicado à queima oferece uma alternativa de conservação e racionalização

de recursos minerais e energéticos, ao mesmo tempo em que minimiza o descarte de resíduos no ambiente. Surge num ambiente onde a contínua exploração dos recursos naturais não renováveis e o aumento da geração de resíduos têm levado a sociedade a

a reciclagem, a reutilização e o tratamento se de tecnologia segura, que utiliza resíduos como substitutos de

primas e como combustível alternativo, contribuindo com o meio ambiente. Por como técnica de gestão ambiental na Política Nacional

de Resíduos Sólidos, sancionada pelo governo federal em agosto de 2010. Essa prática é também regulamentada desde 1999 pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama),

ém por órgãos ambientais estaduais que estabelecem

Das 48 fábricas integradas com fornos em operação em 2010 no Brasil, 37 estavam representam mais de 80% da

. O Brasil gera cerca de 2,7 milhões de toneladas de resíduos de diversos segmentos da indústria (siderúrgica, petroquímica,

el e pneumáticos), das quais coo-2009, foram eliminados,

cerca de 180 mil toneladas de pneus velhos, o que corresponde a 36 r esses números com o de outros países,

se o desafio para novos avanços, pois enquanto o índice de substituição de combustível por resíduos chega a 42% na Alemanha e a 47% na Suíça (SNIC, 2010), esse

em 2010, segundo a ABCP. Esse índice biomassa (moinha de carvão vegetal,

890

França



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casca de arroz, bagaço de cana, grãos contaminados, etc.), crescendo para cerca de 18%, com base em avaliação feita, já que se desconhece a existência de estatística atualizada. Segundo o WBCSD – CSI, no estudo Getting the Numbers Right (WBCSD, 2009), por outro lado, o Brasil é o líder no uso de biomassa como substituto de combustível fóssil, com 12% do total de energia térmica gerada. Adicionando-se o uso de 9% de resíduos co-processados (atualmente 10% como mostrado), o Brasil atinge mais de um quinto de combustíveis alternativos, substituindo combustíveis fósseis. A Figura 19, retirada do relatório do Balanço Energético Nacional (Ministério de Minas e Energia, Brasil, 2010), confirma esses números.

Figura 19 – Estrutura do consumo de combustíveis na indústria do cimento no Brasil.

Em suma, o uso de energias renováveis está cada vez mais presente na produção do cimento. Isso é possível pelo coprocessamento de resíduos e/ou pelo uso de biomassa, que emitem, muitas vezes, menor quantidade de CO2 que os combustíveis tradicionais utilizados. Através do coprocessamento, a indústria aproveita resíduos como substitutos de combustível ou matéria-prima. Esse processo, além de dar uma destinação ambientalmente adequada a rejeitos de outras atividades industriais, permite, ainda que parcialmente, reduzir o uso de combustíveis tradicionais não-renováveis, como o coque de petróleo, o óleo combustível e o carvão. O último vetor na busca da mitigação das emissões dos gases de efeito estufa liga-se ao uso de cimento com adições de escórias, materiais pozolânicos e fíler calcário. Utilizados desde o início da década de 50 do século passado, os cimentos com adições levam à diminuição na utilização de clínquer e à consequente menor liberação de CO2 proveniente do consumo de combustíveis no forno e da descarbonatação do calcário, reduzindo as emissões totais de CO2 por tonelada de cimento produzido. O uso de adições na produção de cimento permitiu, em 2008, a redução de aproximadamente 14 Mt de CO2. Trabalho recentemente publicado (IEA, 2009) mostra que a indústria brasileira de cimento, devido ao grau de excelência já atingido e das melhores práticas empregadas, apresenta menor índice de recursos disponíveis (uso de combustíveis


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alternativos e cimentos com adição já praticados) para a redução de suas emissões. De fato a Figura 20 mostra que a evolução na produção de cimento no período 1990-2008 dobrou ao passo que as adições tiveram seu consumo triplicado, em oposição ao clínquer que aumentou em cerca de 70% (SNIC, 2009ª)

Figura 20 – Evolução da produção de cimento em comparação com o clínquer e as adições.

A Figura 21 mostra a evolução no uso de adições em substituição ao clínquer, conforme dados trabalhados pelo autor em função de estatística histórica original do SNIC.

Figura 21 – Evolução no uso de adições ao cimento em substituição ao clínquer Portland.

Todas essas ações resultaram que o Brasil apresenta um dos menores índices de emissão específica de CO2, ou seja, abaixo de 600 kg/tonelada de cimento, constituindo referência mundial do setor, como mostra a Figura 22.


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Figura 22 – Comparação das taxas de emissão específica de CO2 por tonelada de cimento no período 1990 a

2008 (WBCSD-CSI, 2009).

O Segundo Inventário Nacional dos Gases de Efeito Estufa, com dados referentes ao período de 1990 -2005 e tornados públicos pelo Ministério da Ciência e Tecnologia em 2010 (MCT, 2011), mostra que há concentração de emissão no uso do solo e queimadas, agropecuária e uso de energia (Figura 23). As emissões devido aos setores industriais são pequenas em termos porcentuais, cabendo ao Setor de Cimento Brasileiro o valor de 1,1% em relação às emissões totais e contrapondo-se a valores médios mundiais de 5%.

Figura 23 – Segundo Inventário Nacional de Gases de Efeito Estufa (MCT, 2011).


42

6.7 Inovações em cimento Portland e novos ligantes

Diferentemente do concreto, cuja inovação é bastante visível, como o aparecimento dos concretos de pós-reativos, concretos de elevadíssimas resistências, concretos auto limpantes, concretos autoadensáveis, etc., o cimento Portland como material ligante já atingiu um alto patamar de qualidade, desempenho, competitividade e moderna tecnologia de fabricação. O grande desafio que ora se configura para a indústria do cimento é a diminuição das emissões dos gases de efeito estufa, principalmente o CO2, por fazer parte do processo de fabricação desse insumo como mostrado na seção anterior. Portanto as inovações ou pesquisas têm se direcionado ao estudo de novos tipos de cimento ou do aprimoramento na tecnologia de fabricação do cimento Portland que minimizem as emissões de CO2. O sucesso desses tipos de cimento Portland ou de novos ligantes vai depender da relação custo/benefício ambiental, diretamente dependente das exigências legais e dos compromissos e comportamento da sociedade nos próximos anos. São descritas a seguir diversas iniciativas nessa temática. O estágio atual dessas investigações permite concluir que, embora possam contribuir para aplicações específicas, não constituem um substituto do cimento Portland, cujas previsões apontam um consumo mundial de quase 5 bilhões de toneladas em 2050, segundo a IEA. 6.7.1 Novacem

A origem do Novacem remonta aos estudos iniciais de um estudante de pós- graduação, o grego Nikolaos Vlasopoulos, no Imperial College, na Inglaterra, desde 2005. Esse estudo motivou a criação de uma empresa privada com a própria denominação de Novacem, a qual vem propagando que o produto absorve mais CO2 do que emite (NOVACEM, 2009). Embora seja segredo industrial, o processo produtivo consiste basicamente na obtenção de MgO a partir da calcinação a cerca de 700oC de silicatos de magnésio, os quais misturados com certos aditivos, um deles, carbonato de magnésio hidratado, leva ao novo produto. Ao reagir com água obtém-se um material que endurece e tem as mesmas propriedades do cimento Portland. A reação que leva a obtenção do ligante é a seguinte:

MgSiO3(7000C) � MgO + 4MgCO3.Mg(OH)2.4H2O + aditivos � Novacem (Equação 8)

Segundo o fabricante, o dióxido de carbono, gerado pela queima do silicato de magnésio, é menor que o teor absorvido pela carbonatação do concreto contendo Novacem. Em comparação com o cimento Portland, que gera para a fabricação de uma tonelada de cimento ao redor de 0,8 a 1,1 toneladas de CO2 na fabricação e absorve de 0,2 a 0,5 toneladas de CO2 durante a vida da estrutura de concreto pela carbonatação, o produto Novacem geraria de 0,2 a 0,4 toneladas de CO2 e absorveria de 0,9 a 1,1 toneladas de CO2, respectivamente, com saldo negativo de CO2, ou seja, absorção de 0,6 toneladas de CO2 por tonelada de produto fabricado. Segundo o fabricante, poderá ser competitivo com o cimento Portland para produção acima de 500.000 toneladas/ano. A fabricação em escala comercial está prevista para 2014/2015, tendo em 2010 sido anunciada uma parceria com a Lafarge, importante produtor mundial de cimento. Embora essa tecnologia tenha ganhado o prêmio do Massachussets


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Institute of Technology –MIT- de 2010 como umas das 10 melhores invenções em todos os campos da atividade humana, o MIT TOP 10 Emerging Tecnology (NOVACEM, 2010), existe uma percepção de que o novo produto não apresenta potencial de substituir o cimento Portland, mas pode ser um concorrente para aplicações onde haja forte apelo ecológico. 6.7.2 Ceramicrete

A ceramicrete é um ligante desenvolvido e patenteado com base em pesquisas conduzidas na Universidade de Chicago (JEONG e WAGH, 2002) Apresenta comportamento intermediário entre a cerâmica e o cimento Portland, correspondendo a cimento não Portland à base de fosfato. O processo produtivo consiste na obtenção de MgO a partir da calcinação à alta temperatura de silicatos ou calcários e mistura com fosfato de potássio, obtendo-se um pó. Ao reagir com água, obtém-se um material que endurece e forma fosfato hidratado de potássio e magnésio. O pó pode ser misturado com escória e cinzas volantes. A pasta formada pode ser moldada e endurece em poucos minutos ou horas dependendo da adição de retardadores e adquire resistências, em média, três vezes maiores que o cimento, segundo o fabricante. A reação básica de obtenção do ceramicrete pode ser simplificada em:

MgO + KH2PO4 + 5H2O ---> MgKPO4. 6H2O (Equação 9)

BATTAGIN (2010a), investigando o tema, não observou na literatura internacional nenhum trabalho versando a aplicação do ceramicrete em concreto, apenas em pastas. De fato, o uso originalmente pesquisado foi direcionado para o encapsulamento e estabilização de resíduos radioativos, estando ainda em desenvolvimento estudos para o uso em construção civil e como cimento para uso odontológico. Depreende-se, por conta da disponibilidade de matérias-primas, logística de distribuição, etc., que o produto não apresenta potencial de substituir o cimento Portland, mas pode ser usado para aplicações especiais, como obras de reparos, grautes, selantes de poços petrolíferos, etc. 6.7.3 Cimento modificado energeticamente Sigla em inglês para Energetically Modified Cement, o EMC é um produto constituído de mistura de clínquer Portland e outras adições (quartzo, calcário, materiais pozolânicos, escória de alto-forno etc.) resultante de moagem conjunta e diferenciada da moagem tradicional em moinho de bolas, que segundo o fabricante apresenta melhor desempenho que os cimentos tradicionais com os mesmo teores de adição. O processo produtivo consiste na cominuição em moinhos com alta vibração e impacto das partículas (vibrating mills), que cria microfissuras na superfície dessas partículas, causa sua deformação e expansão e, portanto aumenta sua reatividade. Como resultado há formação precoce de portlandita e maior formação de C-S-H, que leva ao aumento das resistências mecânicas iniciais. Esse processo foi originalmente desenvolvido nos anos 1990 na Suécia (RONIN & JONASSON, 1994), e a patente da tecnologia está na Holanda, ao passo que produtos


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patenteados encontram-se em vários locais, como, por exemplo, o Cem Pozz, produzido pela Texas Industries nos Estados Unidos (KLEMENS, 2004). Além do melhor desempenho, segundo os desenvolvedores do processo, os custos de fabricação são competitivos, fator que tem impedido o sucesso da maior parte das inovações tecnológicas na área de cimento e concreto para aplicação em grande escala.

Existe uma vasta literatura internacional sobre o tema que mostra que o leque de produtos já estudados apresenta composição variada, por exemplo, clínquer e 50% de escória; clínquer e 50% de quartzo, clínquer e até 70% de cinzas volantes, ou ainda, cinza volante em teor de 95% que é usada conjuntamente no concreto com cimento tradicional em teor de 50%.Todos eles apresentam melhor comportamento mecânico e de durabilidade, quando comparados com os cimentos tradicionais, em igualdade de condições. A ativação energética aumenta a reatividade das partículas pela deformação do retículo cristalino e pelo aumento da área específica, comprovada por adsorção de nitrogênio (método BET), que passaria despercebida pelo método tradicional de Blaine utilizado na indústria de cimento.

O EMC pode ser usado em qualquer campo da tecnologia do concreto, em uso conjunto ou substituição do cimento Portland.

A indústria de cimento é cautelosa na aplicação de inovações tecnológicas. Entretanto as pressões ambientais cada vez maiores, com compromissos em âmbito setorial e mundial, constituem estímulo à adoção dessa tecnologia.

A tendência é a utilização de menor consumo de clínquer no concreto para redução das emissões específicas de gases de efeito estufa, que com essa diretriz parece ser tecnicamente possível.

Em suma, falta o convencimento da indústria cimenteira em fazer os investimentos necessários para a fabricação desses produtos, lembrando que a tecnologia de moagem autógena5, procedimento da década de 1990, bastante similar, não teve sucesso na área de cimento, embora haja no Brasil mais de 30 moinhos instalados na área de minérios, indústria química, flotação mineral etc. 6.7.3 Cimento TX Active Estrategicamente lançado com o nome de cimento antipoluição, o cimento TX Active se diferencia dos demais pelo seu estágio mais avançado de aplicação. Trata-se de um produto desenvolvido pela empresa italiana Italcementi (ITALCEMENTI, 2006), um dos grandes produtores mundiais de cimento Portland que possui a capacidade de autolimpar e eliminar os gases poluidores dos veículos nos grandes centros urbanos. A pesquisa que levou ao produto iniciou-se no final da década de 90, no século passado, depois que o arquiteto americano Richard Méier, responsável pelo projeto arquitetônico da igreja do Jubileu em Roma, pediu apoio à empresa italiana de cimento. O produto possui TiO2, usado em pigmentos e possui propriedades fotocatalíticas, que os técnicos da companhia

5 Moagem autógena é, em linhas gerais, a cominuição de material num moinho rotativo utilizando o próprio

material de alimentação como meio de moagem, diferenciando-se da moagem tradicional na indústria do cimento que é feita com auxílio de bolas de aço.


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comparam à fotossíntese realizada na natureza. Embora seja segredo industrial, o processo produtivo consiste basicamente na mistura de cimento branco com TiO2, na forma de anatásio. Segundo o fabricante, na presença de luz natural ou artificial, o fotocatalisador aumenta de forma significativa os processos de oxidação natural que causam a decomposição dos poluentes, transformando-os em compostos menos danosos, como água, nitratos e dióxido de carbono, não necessariamente limpos, mas muito mais toleráveis do ponto de vista ambiental. O fabricante enfatiza que a Igreja do Jubileu, anos depois de ser construída em concreto branco ainda conserva sua alvura. Outros exemplos de aplicação são as obras sede geral da Air France, estradas italianas, bloco de apartamento na Bélgica e mais recentemente na Ponte San Antonio sobre o Rio Mississipi, que colapsou em 2007, obra restaurada e concluída em fins de 2008. O produto pode ser usado não apenas na estrutura dos edifícios, mas também em tintas, revestimentos de argamassa e como ligante na pavimentação das estradas e ruas. Na percepção do autor, esse tipo de cimento não tem potencial de substituir o cimento Portland, mas pode ser um usado conjuntamente para aplicações onde haja forte apelo ecológico. O preço, segundo o fabricante, é 10 vezes maior que o do cimento Portland, o que vem impedindo que sua aplicação seja mais abrangente no Brasil e também em âmbito mundial. No Brasil existem pesquisas na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, orientadas pelo professor Vanderley John, privilegiando o uso como tintura à base de titânio para viabilizar os custos. Em suma, existem ainda outras tecnologias como os cimentos polímeros, os cimentos com nanotubos de carbono, as iniciativas da Calera nos Estados Unidos (CALERA, 2010), que não são propriamente um novo tipo de cimento, mas uma tecnologia que pode vir a ser adotada pela indústria de cimento no combate à questão das mudanças climáticas. Todas essas tecnologias estão em estágios diferenciados de desenvolvimento e somente se tornarão possíveis se forem economicamente viáveis, apresentarem comportamento de bom desempenho ao longo do tempo e principalmente se tiverem aceitação na indústria da construção.

6.8 Conclusões

O cimento Portland no Brasil já atingiu níveis de desempenho de excelência, mas existem ainda grandes desafios para a indústria de cimento, os quais serão elencados a seguir.

Por sua extensão territorial e características de ocupação, o Brasil apresenta diferenças regionais que interferem no processo produtivo e, consequentemente, nas emissões de CO2. Assim constituem ações continuadas da indústria do cimento: (1) pesquisar novas fontes alternativas de adições no cimento nas regiões carentes de escória granulada e cinzas volantes; (2) incrementar o nível de substituição de combustível convencional por alternativo; (3) estimular a produção sustentável de cimento pelo uso de clínquer co-processado e o uso de adições e (4) investir em inovações tecnológicas que levem a menor emissão de CO2. Produzir cimento suficiente para garantir a demanda dos programas governamentais


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de infraestrutura e habitação, pois o cimento é a base indispensável para a construção de casas, hospitais, escolas, rodovias, ferrovias, saneamento, usinas hidroelétricas, portos, aeroportos, pontes, estádios, necessidades urbanas, etc. O Brasil apresenta baixo consumo per capita de cimento em comparação com países desenvolvidos que já dispõem de infraestrutura, que é condição fundamental para o crescimento de um país, mas o aumento de consumo deve ser acompanhado da manutenção do baixo nível de emissões específicas de CO2 por tonelada de cimento. 6.9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS. AASHTO M 85:

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