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O cimento portland é o produto obtido pela pulverização do clinker constituído essencialmente de silicatos hidráulicos de cálcio, com uma certa proporção de sulfato de cálcio natural, contendo, eventualmente, adições de certas substancias que modificam suas propriedades ou facilitam seu emprego.

O clínker é um produto de natureza granulosa, resultante da calcinação de uma mistura daqueles materiais, conduzida ate a temperatura de sua fusão incipiente.

1. CONSTITUINTES

Os constituintes fundamentais do cimento portland são a cal (CaO), a sílica (SiO2), a alumina (Al2O3), o oxido de ferro (Fe2O3), certa proporção de magnésia (MgO) e uma pequena porcentagem de anidrido sulfúrico (SO3), que é adicionado após a calcinação para retardar o tempo de pega do produto. Tem ainda, como constituintes menores, impurezas, oxido de sódio, oxido de potássio, oxido de titânio, e outras substancias de menor importância. Os óxidos de potássio e de sódio constituem os denominados álcalis do cimento. Cal, sílica, alumina e oxido de ferro são os componentes essenciais do cimento portland e constituem 95 a 96% do total na analise de óxidos. A magnésia, que parece permanecer livre durante todo o processo de calcinação, esta usualmente na proporção de 2 a 3%, limitada, pelas especificações, a um maximo permissível de 5%. No Brasil, esse limite é um pouco superior (6,4%).

Os óxidos menores comparecem em proporção inferior a 1%, excepcionalmente 2%.

A mistura de matérias-primas quem contenha, em proporções convenientes, os constituintes anteriores relacionados, finamente homogeneizada e pulverizada, é submetida à ação do calor no forno produtor de cimento, ate a temperatura de fusão insipiente, que resulta na obtenção do clinker. Nesse processo ocorrem combinações químicas, principalmente no estado sólido.

A analise química dos cimentos portland resulta na determinação das proporções dos óxidos inicialmente mencionados. As propriedades do cimento são, entretanto, relacionadas diretamente com as proporções dos silicatos e aluminatos. As proporções destes últimos podem ser determinadas a partir do resultado da analise de óxidos. Denomina-se essa operação a determinação da composição potencial do cimento. Normalmente, usa-se para o calculo chamado de método de Bogue. Nesse método, o calculo parte da proporção total de cal, deduzindo-se a princípio, as parcelas necessárias à formação do sulfato de cálcio e a cal livre, eventualmente encontrada. Determinam-se a seguir as proporções de cal necessária para a formação do ferro aluminato de cálcio, de aluminato tricálcico e de silicato bicalcico. O saldo na proporção original de oxido de cálcio é a seguir associado à proporção de silicato bicalcico já calculada, resultando na determinação da proporção atual de silicato tricálcico. A sobra de silicato bicalcico constitui o teor desse composto no cimento.

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A importância do conhecimento das proporções dos compostos constituintes do cimento reside na correlação existente entre estes e as propriedades finais do cimento e também do concreto.

O silicato tricálcico (C3S) é o maior responsável pela resistência em todas as idades, especialmente ate o fim do primeiro mês de cura. O silicato bicalcico (C2S) adquire maior importância no processo de endurecimento em idades mais avançadas, sendo largamente responsável pelo ganho de resistência a um ano ou mais.

O aluminato tricálcico (C3A) também contribui para a resistência, especialmente no primeiro dia.

O aluminato de cálcio (C3A) muito contribui para o calor de hidratação, especialmente no inicio do período de cura. O silicato tricálcico é o segundo componente em importância no processo de liberação de calor. Os dois outros componentes contribuem pouco para a liberação de calor.

O aluminato de cálcio, quando presente em forma cristalina,é o responsável pela rapidez de pega. Com a adição de proporção conveniente de gesso, o tempo de hidratação é controlado. O silicato tricálcico (C3S) é o segundo componente com responsabilidade pelo tempo de pega do cimento os outros constituintes se hidratam lentamente, não tendo efeito sobre o tempo de pega.

2. PROPRIEDADES FISICAS

As propriedades físicas do cimento portland são consideradas sob três aspectos distintos: propriedades do produto em sua condição natural, em pó, da mistura de cimento e água e proporções convenientes de pasta e, finalmente, da mistura da pasta com agregado padronizado – as argamassas.

As propriedades da pasta e argamassas são relacionadas com o comportamento desse produto quando utilizado, ou seja, as suas propriedades potenciais para a elaboração de concretos e argamassas. Tais propriedades se enquadram em processos artificialmente definidos nos métodos e especificações padronizados, oferecendo uma utilidade quer para o controle de aceitação do produto, quer para a avaliação de suas qualidades para os fins de utilização dos mesmos.

2.1. Densidade

A densidade absoluta do cimento portland é usualmente considerada 3.15, embora, na verdade possa variar para valores ligeiramente inferiores. A utilização do conhecimento desse valor se encontra nos cálculos de consumo do produto nas misturas geralmente feitas com base nos volumes específicos dos constituintes. Nas compactações usuais de armazenamento e manuseio do produto, a densidade aparente do mesmo é da ordem de 1.5. Na pasta do cimento, a densidade é um valor variável com o tempo, aumentando a medida que progride o processo de hidratação. Tal fenômeno é conhecido como retração. Esta ocorre nas pastas, argamassas e concretos. Pode atingir, em 24 horas, cerca de 7 m por metro na pasta pura, 4.5m por metro na argamassa-padrao e 2 m por metro em concretos dosados a 350

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Jhodson CostaCimento Portland kg/cimento/m³. Dada a excepcional importância que o fenômeno da retração tem na tecnologia de concreto, ele será tratado pormenorizadamente no estudo das propriedades do concreto endurecido.

A finura do cimento é uma noção relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão, quando as especificações estabelecem uma proporção em peso do material retido a operação de peneiramento em malha de abertura definida pelo valor da superfície especifica (soma das superfícies dos grãos contidos em uma grama de cimento).

A finura, mais precisamente a superfície especifica do produto, é o fator que governa a velocidade da reação de hidratação do mesmo e tem também sua influencia comprovada em muitas qualidades de pasta, das argamassas e dos concretos.

O aumento da finura melhora a resistência, particularmente a resistência da primeira idade, diminui a exsudação e os tipos de segregação, aumenta a impermeabilidade, a trabalhabilidade e a coesão dos concretos e diminui a expansão em autoclave.

Exsudação é o fenômeno que consiste na separação espontânea da água de mistura que naturalmente aflora pelo efeito conjunto da diferença de densidades entre o cimento e a água e o grau de permeabilidade que permanece na pasta. É um tipo de segregação entendido como separação dos diversos constituintes das argamassas e dos concretos por via de ação de diferentes causas, conduzindo a uma indesejável heterogeneidade. A coesão nos concretos e argamassas frescas é responsável pela estabilidade mecânica dos mesmos antes do inicio da pega, e é medida pelo valor de resistência do cisalhamento.

Trabalhabilidade é uma noção subjetiva definida como estado que oferece maior ou menor facilidade nas operações de manuseio com as argamassas e concretos frescos. São todos os atributos importantes das misturas frescas.

2.3. Tempo de pega

O fenômeno da pega do cimento compreende a evolução das propriedades mecânicas da pasta no inicio do processo de endurecimento, propriedades essencialmente físicas, consequentemente, entretanto a um processo químico de hidratação. É um fenômeno artificialmente definido como o momento em que a pasta adquire certa consistência que a torna imprópria a um trabalho. Tal conceituação se estende tanto a argamassa quanto aos concretos, nos quais a pasta de cimento esta presente e com missão aglutinadora dos agregados.

No processo de hidratação, os grãos de cimento que inicialmente se encontram em suspensão vão se aglutinando paulatinamente uns aos outros, por efeito de floculação, conduzindo a construção de um esqueleto sólido responsável pela estabilidade da estrutura geral. O prosseguimento da

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Jhodson CostaCimento Portland hidratação em subseqüentes idades conduz ao endurecimento responsável pela aquisição permanente de qualidades mecânicas, características do produto acabado. A pega e o endurecimento são dois aspectos do mesmo processo de hidratação do cimento, vistos em períodos diferentes – a pega na primeira fase do processo e o endurecimento na segunda e ultima fase do processo. A partir de um certo tempo após a mistura, quando o processo de pega alcança determinado estagio, a pasta não é mais trabalhável, não admite operação de remistura. Tal período de tempo constitui o prazo disponível para as operações de manuseio das argamassas e concretos, após o qual esses materiais devem permanecer em repouso,em sua posição definitiva, para permitir o desenvolvimento do endurecimento.

2.4. Resistência

A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão de corpos-de-prova realizados com argamassas. A forma do corpo-de-prova, suas dimensões, traço da argamassa, sua consistência e o tipo de areia empregada são definidos nas especificações correspondentes, e constituem características que variam de país para outro. No Brasil o corpo de prova é um cilindro de 10 cm de altura por 5 cm de Ø.

2.5. Exsudação

É um fenômeno de segregação que ocorre nas pastas de cimento. Os grãos de cimento, sendo mais pesados que a água que os envolve, são forçados por gravidade a uma sedimentação. Resulta dessa tendência de movimentação dos grãos para baixo um afloramento do excesso de água, expulso das porções inferiores. Esse fenômeno ocorre antes do inicio da pega. A água que se acumula superficialmente é chamada de exsudação e é quantitativamente expressa como porcentagem do volume inicial da mesma, na mistura. É uma forma de segregação que prejudica a uniformidade, a resistência e a durabilidade dos concretos. Já foi dito que a finura do cimento influi na redução da exsudação, considerando-se que a diminuição dos espaços intergranulares aumenta a resistência ao percurso ascendente da água.

3. CLASSIFICAÇÃO

Os cimentos foram originalmente fabricados segundo as especificações dos consumidores que encomendavam, das fabricas, o produto com certas características convenientes a um trabalho. A partir de 1904, quando as primeiras especificações da ASTM foram introduzidas, a indústria limitou-se a produzir alguns tipos de cimento.

Em cada país, a indústria produz os cimentos padronizados pelo organismo normalizador nacional e alguns outros fora de normas, mas sempre um número limitado de tipos. Não se encontram todos os tipos disponíveis no mercado, muitos deles são destinados a usos especiais, são obtidos mediante encomenda.

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Fabrica-se também o cimento branco, que é um cimento portland ordinário, praticamente isento de óxidos de ferro, e que se obtém mediante cuidados adequados na escolha da matéria-prima e na condução do processo de fabricação.

Cimento portland tipo 1: é o cimento portland comum utilizado nos trabalhos gerais de construção, onde nenhumas das características diferenciadoras dos tipos restantes são exigidas e constituem um desenvolvimento natural do cimento fabricado antes de 1936, quando foi introduzida essa classificação. Cimento portland tipo 2: frequentemente conhecido como ''modificado'', é um cimento com desenvolvimento moderado de calor de hidratação. Foi muito utilizado nas pavimentações antes do desenvolvimento da técnica de incorporação de ar, e recomendado para construções volumosas de porte moderado. Cimento portland tipo 3: é o cimento de alta resistência inicial, diferindo do tipo 1 pela proporção mais elevada de C3S e maior finura. Cimento portland tipo 4: pouco utilizado atualmente, é um cimento de calor de hidratação muito baixo, destinado ao emprego de construções volumosas de grande porte. Isso é conseguido pela redução na proporção de C3A eC3S. Cimento portland tipo 5: é destinado ao emprego em obras onde a resistência ao ataque as águas sulfatadas é importante. Nesse produto a proporção de C3A é substancialmente reduzida.

Os tipos 1, 2 e 3 são também especificados com a incorporação de agentes de arrastamento de ar, constituindo os tipos 1A, 2A e 3A. O agente incorporador de ar geralmente esta presente na proporção de 0.01 a 0.03% e permite, nos concretos realizados com esses aglomerantes, a introdução de bolhas de ar de pequeno diâmetro, na proporção de 3 a 6% em volume.

De todos esses tipos de cimento, apenas os tipos 1 e 3, e mais raramente o 2, são normalmente encontrados em estoque.

4. FABRICAÇÃO

O cimento portland é atualmente produzido em instalações industriais de grande porte, localizadas junto às jazidas que se encontram em situação favorável quanto ao transporte do produto acabado aos centros consumidores. Trata-se de um produto de preço relativamente baixo, que não comporta fretes a grandes distâncias. As matérias-primas utilizadas na fabricação do cimento portland são, usualmente, misturas de materiais calcários e argilosos em proporções adequadas que resultem em composições químicas apropriadas para o cozimento.

O condicionamento econômico do empreendimento, combinado com a natureza das jazidas disponíveis, determina os materiais que podem ser utilizados encontram-se o calcário propriamente dito, conchas de origem marinha etc. Entre os materiais calcários utilizados encontram-se a argila, xistos, ardósia e escorias de alto-forno.

A fabricação do cimento portland comporta seis operações principais, a saber:

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