INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
KÊNIA GOMES AIRES
APLICAÇÃO INDUSTRIAL DO RESÍDUO DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE GESSO NA PRODUÇÃO DE CIMENTO PORTLAND
Vitória 2015
KÊNIA GOMES AIRES
APLICAÇÃO INDUSTRIAL DO RESÍDUO DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE GESSO NA PRODUÇÃO DE CIMENTO PORTLAND
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do InstitutoFederal do Espírito Santo, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre emEngenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientadora: Profª. Drª. Viviana Possamai DellaSagrillo
Coorientadora:Profª.Drª. DesilviaMachado Louzada
Vitória 2015
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo)
A298a Aires, Kênia Gomes.
Aplicação industrial do resíduo de peças pré-moldadas de gesso na produção de Cimento Portland / Kênia Gomes Aires. – 2015.
87 f. il. ; 30 cm
Orientadora: Viviana Possamai Della Sagrillo. Coorientadora: Desilvia Machado Louzada.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação emEngenharia Metalúrgica e de Materiais.
1. Resistência de materiais. 2. Gesso - Reaproveitamento (Sobras, refugos, etc.). 3. Cimento Portland. I. Sagrillo, Viviana Possamai Della. II. Louzada, Desilvia, Machado. III. Instituto Federal do Espírito Santo. IV. Título.
DECLARAÇÃO DO AUTOR
Declaro para devido fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-cientifico, que esta Dissertação de Mestrado pode ser parcialmente utilizada, desde que se faça referência à fonte e ao autor.
Vitória-ES, 18 de agosto de 2015.
Deus pela força, por não perder o caminho, a minha família, por sempre acreditarem em mim, e a Afonso por me apoiar sempre.
AGRADECIMENTOS
A Deus, que guia meu caminho e iluminou minha estrada até a conclusão deste trabalho.
Às professoras Viviana Possamai Della Sagrillo eDesilvia Machado Louzadapelo apoio e pelaconfiança depositada em mim.
Aos meus pais, Ênio de Araújo Aires e Virginia Gomes Pereira, pela orientação, dedicação e credibilidade.
Aos meus irmãos, Karina Gomes Aires e Kleiton Gomes Aires pelos conselhos e pela força nos momentos difíceis.
Ao meu maridoLuciano Afonso Pratti, pela paciência e compreensão queproporcionaram mais esta realização.
À empresa Mizuque cedeu suas instalações para realização dos testes contribuindo de forma valiosa para minha evolução profissional.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pelos conhecimentos adquiridos ao longo das disciplinascursadas.
Aos amigos que estudaram comigo, dividindo e adquirindo conhecimentos e experiências importantes paranossa vida profissional.
Aos amigos da Mizu Alexander da Silva Rangel, José Domingos Moreira Dias e Luady do Rosário Neto em função das contribuições neste trabalho.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
RESUMO
A presente pesquisa estudou a possibilidade do uso de resíduos de peças pré-moldadas de gesso em substituição à gipsita na produção de Cimento Portland. O resíduo em questão foi originado no processo de fabricação de peças pré-moldadas de gesso e em canteiros de obras onde o produto in natura é usado para fins decorativos. Clínquer, 3-5% em massa de gipsita e 5% em massa de material carbonático foram moídos em um moinho de bolas industrial da marca Polysius. O mesmo procedimento foi repetido duas vezes com o resíduo de peças pré-moldadas de gesso substituindo 10 e 20%da gipsita para termos comparativos. A caracterização química dos materiais envolvidos na pesquisa foi investigada usando Fluorescência de Raios X e Difração de Raios X. As propriedades físicas das amostras de cimento com e sem resíduo foram avaliadas determinando-se a resistência mecânica e constatou-se que o cimento produzido com até 10% do resíduo de gesso atende as especificações da ABNT podendo ser caracterizado como uma matéria-prima alternativa no processo de fabricação de cimento.
Palavras-chave: Resistência mecânica.Gesso natural. Resíduo gesso.Cimento
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
ABSTRACT
This research studies the possibility of using waste gypsum to replace gypsum in the production of Portland cement.The waste in question originated in the process of manufacture of precast pieces of plaster and construction sites where the product in natura is used for decorative purposes. Clinker, 3-5 % by weight of gypsum and 5% by weight of carbonate material were ground in a ball mill for industrial Polysius mark. The same procedure was repeated two times with the residue pre-molded gypsum parts replacing 10 and 20% gypsum in comparative terms. The chemical characterization of the materials involved in the study was investigated using X-Ray Fluorescence and X-Ray Diffraction. The physical properties of the cement samples with and without residue were tested by determining the mechanical resistance and it was found that the cement produced up to 10% of the gypsum residue ABNT meets specifications can be characterized as an advantageous alternative raw material in cement manufacturing process.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 - Célula cristalina da gipsita ... 21
Figura 02 - Reservas de gipsita no Brasil (2009) ... 23
Figura 03 - Variedades de gipsita utilizadas para a fabricação de gesso no pólo de Araripe. ... 25
Figura 04 - Frente de lavra de gipsita da Mineração ... 26
Figura 05 - Macroprocesso da cadeia produtiva da gipsita ... 27
Figura 06 - Resistência à compressão ... 31
Figura 07 - Fontes de resíduo de gesso ... 33
Figura 08 - Misturador eletromecânico ... 36
Figura 09 - Processo de fabricação de peças pré-moldadas de gesso: ... 37
Figura 10 - (a) Extração das peças e (b) secadora natural ... 37
Figura 11 - Participação regional na produção de cimento ... 41
Figura 12 - Emissão específica de CO2 por toneladas de cimento ... 42
Figura 13 - Esquema do processo de fabricação de cimento Portland ... 44
Figura 14 - Reações que ocorrem ao longo do forno rotativo para ... 46
Figura 15 - Curva do desenvolvimento de calor de hidratação do cimento Portland. 49 Figura 16 - Descrição esquemática dos produtos e microestruturas ... 51
Figura 17 - Clínquer bruto ... 56
Figura 18 - Calcário calcítico bruto ... 56
Figura 19 - Gipsita ... 57
Figura 20 - Resíduo de peças pré-moldadas de gesso ... 58
Figura 21 - Esquema do procedimento experimental adotado na pesquisa ... 60
Figura 22 - Esquema da produção dos cimentos propostos ... 64
Figura 23 - Variação do percentual de alimentação da gipsita no moinho de bolas .. 65
Figura 24 - Difratograma da gipsita ... 69
Figura 25 - Difratograma do resíduo de peças pré-moldadas de gesso ... 69
Figura 26 - Curva ATD/ATG da gispsita ... 71
Figura 27 - Curva ATD/ATG do resíduo de peças pré-moldadas de gesso ... 72
Figura 28 - a) Amostra do CP V ARI RS 2 b) Amostra do CP V ARI RS 3 e c) Comparativo do CP V ARI RS 2 e 3 ... 73
Figura 29 - Porcentagem de SO3 em função do tempo de coleta das amostras do CP V ARI RS 1 ... 74
Figura 30 - Porcentagem de SO3 em função do tempo de coleta das amostras do CP V ARI RS 2 ... 74 Figura 31 - Relação entre resistência à compressão e % SO3 nas amostras CPV ARI RS 1. ... 77 Figura 32 - Relação entre resistência à compressão e % SO3 nas amostras CPV ARI RS 2. ... 77
LISTA DE TABELA
Tabela 01 - Composição química da gipsita... 21
Tabela 02 - Sistema cristalino da gipsita de acordo com a desidratação ... 22
Tabela 03 - Reservas de gipsita no Brasil - 2009 ... 23
Tabela 04 - Análise química das amostras de fosfogesso e gipsita ... 30
Tabela 05 - Classificação dos resíduos sólidos da construção civil ... 34
Tabela 06 - Composição química dos materiais usados ... 38
Tabela 07 - Efeito da gipsita e do resíduo de gesso sobre o tempo de pega inicial e final do cimento ... 39
Tabela 08 - Efeito da gipsita e do resíduo de gesso sobre a resistência a compressão ... 40
Tabela 09 - Nomenclatura dos cimentos Portland ... 45
Tabela 10 - Principais compostos do clínquer e suas propriedades específicas... 47
Tabela 11 - Composição e metodologia para confecção das amostras analisadas por fluorescência de raios X ... 61
Tabela 12 - Composições dos cimentos propostos ... 63
Tabela 13 - Caracterização química das matérias-primas por fluorescência de raios X ... 67
Tabela 14 - Composição potencial mineralógica do clínquer ... 68
Tabela 15 - Caracterização mineralógica por difratometria de raios X ... 70
Tabela 16 - Caracterização por análises termodiferencial e termogravimétrica da gipsita e do resíduo de peças pré-moldadas de gesso ... 70
Tabela 17 - Perdas de massa e teores di-hidrato e hemidrato ... 72
Tabela 18 - Resultados de resistência à compressão nas amostras CPV ARI RS 1 e 2 ... 76
LISTA DE SIGLAS
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland
ABFCD - Associação Brasileira dos Fabricantes de Chapas para Drywall ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM - American Society for Testing and Materials (USA) ATD - Análise Termodiferencial
ATG - Análise Termogravimétrica CFC - Cúbica de face centrada
CONAMA - Conselho Nacional de Meio Ambiente CP - Corpo de Prova
CPV ARI - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial CSH - Silicato de Cálcio Hidratado
CSI - CementSustainabilityInitiative
CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão DRX - Difração de Raios X
DNPM - Departamento Nacional de Produção Mineral EDS - Energy DispersiveSpectrometry
ES - Espírito Santo
FGD - Flue Gas Desulfurization GNR - Getting the Number Right IB - Índice de Basicidade
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo MT - Milhões de Toneladas
NBR - Norma Brasileira Registrada NWGR - New West Company Recycling PE - Pernambuco
PF - Perda ao Fogo
PNRS - Política Nacional de Resíduos Sólidos RCD - Resíduo de Construção e Demolição RG - Resíduo de Gesso
RSCC - Resíduos Sólidos da Construção Civil
RI - Resíduo Insolúvel RJ - Rio de Janeiro
LISTA DE SÍMBOLOS
LISTA DE FÓRMULAS C3A - Aluminato Tricálcico C4AF - FerroaluminatoTetracálcico C2S - Silicato Dicálcico C3S - Silicato Tricálcico Ca - Cálcio
CaO - Óxido de Cálcio
CaSO4- Sulfato de Cálcio ou Anidrita
CaSO4. 0,5H2O - Sulfato de Cálcio Hemidratado CaSO4. 2H2O - Sulfato de Cálcio Dihidratado CO2- Anidrido Carbônico
P2O5- Ácido fosfórico S - Enxofre
SO3- Trióxido de Enxofre TiO2- Óxido de Titânio
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 17 2 OBJETIVOS ... 18 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 3.1 GIPSITA ... 19 3.1.1 Aspectos Históricos ... 19 3.1.2 Mineralogia e Morfologia ... 20
3.1.3 Reservas de Gipsita no Brasil ... 22
3.2 PRODUÇÃO DE GIPSITA E GESSO ... 25
3.3 APLICAÇÕES DE GIPSITA E GESSO ... 28
3.4 RESÍDUOS DE GESSO PARA INDÚSTRIA CIMENTEIRA ... 29
3.4.1 Fosfogesso ... 29
3.4.2 Resíduos de Gesso da Construção Civil ... 32
3.5 CIMENTO PORTLAND ... 40
3.5.1 Produção de Cimento Portland ... 41
3.5.2 Processo Produtivo do Cimento Portland ... 42
3.5.3 Composição Química ... 46
3.5.4 Hidratação do Cimento ... 48
3.5.5 Calor de Hidratação ... 49
3.6 CIMENTO PORTLAND E MEIO AMBIENTE ... 51
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 55 4.1 MATÉRIAS-PRIMAS... 55 4.1.1 Clínquer ... 55 4.1.2 Calcário ... 56 4.1.3 Sulfato de Cálcio ... 57 4.2 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ... 58 4.2.1 Análise Química ... 60 4.2.2 Análise Mineralógica ... 61 4.2.3 Análises Térmicas ... 62
4.2.4 Fabricação dos Cimentos Propostos CPV ARI RS 1, 2 e 3 ... 63
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 67
5.1 CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS ... 67
5.1.2 Análise Mineralógica ... 68
5.1.3 Análises Térmicas ... 70
5.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E FÍSICA DOS CIMENTOS ... 73
5.2.1 Análise Química ... 73
5.2.2 Resistência à Compressão ... 75
5.2.3 Ponto ótimo de SO3 ... 78
5.2.4 Ensaios Normalizados ... 78
6 CONCLUSÕES ... 80
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 82
1 INTRODUÇÃO
A utilização de resíduos como matéria-prima reduz a exploração dos recursos naturais e consequentemente diminui a deposição em aterros sanitários que ocupa espaços cada vez mais valorizados, especialmente aqueles próximos aos grandes centros urbanos.
A cadeia produtiva da construção civil tem apresentado impactos relevantes ao meio ambiente. O reaproveitamento de resíduos como o gesso, próprios da construção civil ou gerados pelos demais setores industriais, é uma das tendências para diminuição do impacto ambiental da construção civil, particularmente em nível de consumo de recursos naturais.
Atualmente, no estado do Espírito Santo, o resíduo de gesso é considerado pelos empresários da área como um passivo ambiental, sendo gerado na planta das indústrias produtoras como também nas obras. As leis nacionais e internacionais abordam a logística reversa, onde o responsável pelos resíduos é sempre o gerador primário, ou seja, o fabricante.
Portanto, faz-se necessário estudo e pesquisas para viabilização do reaproveitamento desses materiais. Destacam-se nesse trabalho os resíduos de peças pré-moldadas de gesso que se destinam, principalmente, ao segmento construtivo de decoração no design de interiores.
Com essas informações, constata-se que o aproveitamento dos resíduos de peças pré-moldadas de gesso oriundos da fabricação e aplicação dessas peças contribuirá tanto do ponto de vista econômico como também ambiental. Do ponto de vista econômico, agrega valores intangíveis à marca do cimento, otimiza o custo do processo produtivo e, consequentemente, reduz o custo das edificações e construções e do ambiental, preserva osrecursos naturais.
2 OBJETIVOS
O trabalho tem como objetivo geral analisar o potencial de aplicação do resíduo de peças pré-moldadas de gesso na produção industrial do cimento Portland do tipo V de alta resistência inicial e resistente a sulfatos (CPV ARI RS).
Desta forma, são os seguintes objetivos específicos a atingir:
1) Comparar as características químicas e físicas da gipsita e do resíduo de peças pré-moldadas de gesso;
2) Analisar a composição química do clínquer e calcário utilizados na produção do cimento Portland;
3) Estabelecer metodologia de beneficiamento do resíduo estudado;
4) Estudar o percentual de aplicação do resíduo a ser aplicado na produção do cimento Portland proposto;
5) Aplicar metodologia de amostragem para coleta de amostras;
6) Avaliar a influência do resíduo de gesso nas características físico-químicas do Cimento Portland proposto comparando-o com uma amostra sem o uso do resíduo.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica do trabalho está dividida em duas partes onde a primeira aborda sobre o gesso na sua forma natural, aspectos históricos, mineralogia e geologia, reservas, produção de gipsita e do gesso e suas respectivas aplicações, além de apresentar o resíduo de peças moldadas com gesso de fundição, sua origem, classificação, destinação final e pesquisas de sua utilização na produção de cimento Portland e na construção civil.
Já a segunda parte, aborda aspectos daorigem do Cimento Portland, seu processo de fabricação, suas propriedades e tipos e a importância do teor ideal de gesso na composição do cimento.
3.1 GIPSITA
O mineral gipsita é um sulfato de cálcio duplamente hidratado eabundante no Brasil. É representado quimicamente pela fórmula (CaSO4.2H2O).
De acordo com a Norma Brasileira RegistradaNBR 13207 (ABNT, 1994) o gesso para construção civil é obtido da calcinação (decomposição pelo calor) da gipsita, constituído predominantemente de sulfato de cálcio podendo conter aditivos controladores do tempo de pega.
Segundo Linhales (2003), os termos “gipsita”, “gipso” e “gesso”, são frequentemente usados como sinônimos. No entanto, o mineral na sua forma natural é geralmente denominado como gipsita, enquanto gesso é o termo mais apropriadopara designar o produto calcinado.
3.1.1 Aspectos Históricos
Algumas importantes descobertas arqueológicas atestam que o gesso, inicialmente usado em obras de arte e decoração, é um dos mais antigos materiais utilizados pelo homem (PERESet al., 2001; DOMINGUEZ; SANTOS, 2001).
No antigo império Egípcio, desde as primeiras dinastias (c. 2575- c. 2150 a.C) que o gesso era amplamente utilizado. Na construção serviu como cobertura de paredes, misturado com lama, sendo a base para pintura. Na edificação da pirâmide de Khéops, encontramos outro exemplo de serventia, onde foi usado como aglutinante entre os blocos de pedra (AZARNOUSH, 1956).
A partir do século XVIII,houve generalização no emprego de sulfato de cálcio na construção civil quando este também passou a ser utilizado como corretivo de solos. Entretanto, nesta época a produção do gesso ainda era rudimentar e experimental.
Lavoisier em 1768foi titulado na Academia de Ciências Francesa como o precursor do estudo científico dos fenômenos relacionados à preparação do gesso.A partir de 1885, o emprego do gesso na construção civil foi estimulado pela descoberta do processo para retardar o tempo de pega.
No século XIX, vários autores realizaram trabalhos explicando cientificamente a desidratação da gipsita, principalmente os de VantHoff e Le Chatelier,que serviram de base para uma transformação nos equipamentos utilizados no processo de formação do gesso de fundição. Embora, apenas no século XX, devido à evolução da indústriaé que as transformações mais profundas foram introduzidas, resultando nos equipamentos atuais.
3.1.2 Mineralogia e Morfologia
Os minerais sulfato de cálcio são compostos formados ionicamente por um cátion cálcio (Ca²+) e um ânion sulfato (SO
42-). Segundo Baltaret al. (2005), esses minerais são encontradosna natureza nas formas di-hidratada(gipsita: CaSO4.2H2O), desidratada (anidrita: CaSO4) e, raramente,hemidrato (bassanita: CaSO4.1/2 H2O).
Teoricamente, segundo Baltaretal. (2005), a composição química do mineral se apresenta conforme tabela 1.
Tabela 01 - Composição química da gipsita
Composto Composição (% em massa)
CaO 32,5
SO3 46,6
H2O 20,9
Fonte: BALTAR et al., 2005
Na figura 1 pode ser observada a célula cristalina da gipsita onde a microestrutura é constituídade cristais geminados11 de sistema monoclínico composto por quatro moléculas de SO42-, quatro átomos de Ca2+ e duas moléculas de H2O (CANUT, 2006 apud DANA, 1969).
Figura 01 - Célula cristalina da gipsita
Fonte: CANUT, 2006 apud DANA, 1969.
De acordo com Canut (2006), o sistema cristalino da gipsita é alterado em função das mudanças de fases acarretadas pelas reações de desidratação da gipsita, conforme se observa na tabela 2.
Tabela 02 - Sistema cristalino da gipsita de acordo com a desidratação
Fórmula Sistema Cristalino Mineral
CaSO4.2H2O Monoclínico Gipsita
CaSO4.0,5H2O Hexagonal Bassanita
CaSO4.εH2O Hexagonal Anidrita III
CaSO4 Ortorrômbica Anidrita II
CaSO4 Cúbica Anidrita I
Fonte: CANUT, 2006 apud DANA, 1969
3.1.3 Reservas de Gipsitano Brasil
As reservas de gipsita são abundantes na maior parte dos países produtores, no entanto boa parte dos dados sobre reservas internacionais não está disponível. Os últimos dados do Departamento Nacional de Produção Mineral – DNPM apresentou as formações gipsíticas associadas às bacias sedimentares: Amazônica (Amazonas e Pará); do Parnaíba (Maranhão e Tocantins); Potiguar (Rio Grande do Norte); do Araripe (Piauí, Ceará e Pernambuco) e do Recôncavo (Bahia).
A figura 2 apresenta nestes domínios geológicos três estados que concentram 97,6% das reservas medidas: Camamu na Bahia (53,3%), Araripe em Pernambuco (22,4%) e Aveiro no Pará (21,9%).
Figura 02 - Reservas de gipsita no Brasil (2009)
Fonte: Sumário Mineral, 2009.
.
As reservas (medidas e indicadas) oficiais de gipsita, contabilizadas pelo DNPM até o ano-base 2009, aproximam-se da ordem de 1,2 bilhão de toneladas conforme tabela 3.
Tabela 03 - Reservas de gipsita no Brasil - 2009
Estados Medida (Mt) Partic. (%) Indicada (Mt) Total (Mt) Partic. (%) Brasil 866 100 364 1.230 100 Bahia 461 53,3 94 555 45,1 Pernambuco 194 22,4 62 256 20,8 Pará 190 21,9 204 394 32,0 Maranhão 16 1,8 2 18 1,4 Ceará 4 0,4 0 4 0,3 Tocantins 0,7 0,1 0,2 0,1 0,1 Outros 0,5 0,1 2 3 0,2
Fonte: Sumário Mineral, 2009.
Baltaret al. (2004 e 2005), apresentaram na figura 3as principais variedades mineralógicas de gipsita encontradas no tradicional pólo gesseiro de Araripe cuja jazida se destaca pelas vantagens qualitativas:
a) Cocadinha: um tipo de gipsita estratificada com raros filmes de argila verde, figura 3 a.
b) Rapadura: variedade estratificada que apresenta filmes milimétricos de argila verde, figura 3 b;
c) Pedra Johnson: alto grau de pureza, com a coloração variando de branco a creme e que se caracteriza por apresentar uma estrutura com nódulos e estrelas, figura 3 c;
d) Selenita: variedade placosa, incolor e transparente, figura 3 d;
e) Alabastro: maciça e muito utilizada em esculturas. Caracterizada por apresentar problemas na calcinação devido ao seu caráter fibroso que promove anisotropia, figura 3 e;
Figura 03 - Variedades de gipsita utilizadas para a fabricação de gesso no pólo de Araripe. a) e b) Cocadinha; c) Johnson e Estrelinha; d) Selenita; e) Alabastro; f) Anidrita.
Fonte: Adaptado de BALTAR et al., 2004 e 2005.
3.2 PRODUÇÃO DE GIPSITA E GESSO
Dados estatísticos do Sumário mineral (2014), informam quea produção mundial de gipsita em 2013 foi de 160 milhões de toneladas (Mt), um aumento de 5,3% em relação ao ano de 2012. A China continua sendo o país que mais produz gipsita (50 Mt), representando 31,3% de toda a produção de 2013.O Brasil é o maior produtor
da América do Sul e o 11º do mundo, com uma produção em 2013 de aproximadamente 3,3 Mt, valor que representou 2,1% do total mundial.
A gipsita podeser extraída da natureza de duas formas: lavra subterrânea ou a céu aberto. No Brasil, as bancadas simples apresentadas na figura 4 apresentam uma extração de lavra a céu aberto.
Figura 04 - Frente de lavra de gipsita da Mineração Campo Belo em Araripina-PE
Fonte:BALTAR et al., 2005.
A mineração a céu aberto é uma atividade que exige a aplicação considerável de suplementos, máquinas e equipamentos de grande porte para atender suas necessidades de desenvolvimento. Também tem implicações na produção de ruído e grandes quantidades de poeira, cuja dispersão pelo vento pode afetar os seres humanos, além de toda a fauna e flora (HÄBERER, 2005).
De modo geral, a atividade de lavra nas mineradoras obedece asequência apresentada na figura 5, onde se observaquea gipsita pode ser utilizada na sua forma natural (britada) ou calcinada. A calcinação é um processo térmico de desidratação da gipsita.
Figura 05 - Macroprocesso da cadeia produtiva da gipsita
Fonte: Adaptado deCASTRO, 2006.
A gipsita tem uma característica peculiar que consiste na facilidade de desidratação e rehidratação. No processo de calcinação, a gipsita perde parte da água de cristalização,a uma temperatura entre 125ºC e 180ºC,passando de gipsita (di-hidratada)para forma de gesso(hemidrato) (Equação 1).
CaSO4.2H2OCaSO4.½H2O [1] (gipsita) 125-180ºC (gesso)
A calcinação pode ser realizada por via seca ou úmida. O hemidratoβ será obtido se a gipsita for calcinada a seco sob pressão atmosférica, ou baixa pressão. Caso a calcinação ocorra sob pressão de vapor de água saturante, será obtido o hemidrato α.
O hemidratoα, sendo um produto de melhor qualidade tem maior valor comercial, menor tempo de pega e maior resistência mecânica. Geralmente é empregado para fins mais nobres nas áreas de odontologia e ortopedia. Já o β, com custo deprodução mais baixo, predomina na construção civil e na indústria cerâmica (CINCOTTO et al., 1988).
A desidratação total da gipsita ocorre em temperaturas acima de 180ºC e resulta nas três formas de anidrita (CaSO4) conforme apresentado na tabela 2 (CALVO, 2003).
3.3 APLICAÇÕES DE GIPSITA E GESSO
A gipsita é bastante usada na agricultura e na indústria de cimento, enquanto a forma calcinada, conhecida como gesso, encontra várias utilizações na construção civil.
No setor industrial, a grande aplicação da gipsita é na fabricação do cimento como fonte de trióxido de enxofre (SO3) com o objetivo de retardar o tempo de pega. A gipsita é adicionada ao clínquer num porcentual de 3 a 5 % em peso na etapa de moagem para evitar apega instantânea do silicato tricálcico de alumínio (C3A) durante a hidratação do cimento.
No entanto, é sob a forma calcinada, depois de aquecida a temperatura em torno de 160ºC, transformando-se em um hemidratoβ, conhecido como gesso, que encontra seu maior mercado para fabricação de pré-moldados, revestimentos, moldes cerâmicos dentre outros.
Quando há necessidade, o gesso calcinado é misturado a adições, antes do ensacamento e comercialização, fabricando assim, tipos especiais, com
propriedades químicas e físicas preestabelecidas, como por exemplo, acelerador ou retardador do tempo de pega, fluidificante e impermeabilizante. As adições são utilizadas em pequenas proporções com a finalidade de modificar propriedades especificas, dentre os principais utilizados destacam-se: perlita, vermiculita, areia ou calcário e/ou produtos químicos (DOMÍNGUEZ; SANTOS, 2001; PERESet al., 2001).
3.4 RESÍDUOS DE GESSO PARA INDÚSTRIA CIMENTEIRA
3.4.1 Fosfogesso
Apesar da disponibilidade de gipsita, a sua aplicação na produção de cimento tem elevado o custo do processo produtivo devido ao valor do frete motivado pela grande distância que separa o pólo gesseiro do Araripe das fábricas de cimento de outras regiões do país.
Algumas empresas da região Sudeste utilizam o sulfato de cálcio proveniente das salmouras obtidas em salinas em substituição à gipsita. A gipsita também tem sido substituída pelo fosfogesso, um subproduto obtido nos processos de produção de ácido fosfórico, nas indústrias de fertilizantes fosfatados (LYRA SOBRINHOet al., 2001).Outra proposta é a substituição da gipsita pelos resíduos de gesso oriundos da construção civil.
Na tabela 4 pode-se verificar a análise química comparativa entre a gipsita e o fosfogessoin natura e beneficiado estudado porCanut (2006) onde foi avaliada a viabilidade técnica do reaproveitamento do resíduo de fosfogesso, gerado na produção de ácido fosfórico, para fabricação de materiais de construção incluindo o Cimento Portland.
Tabela 04 - Análise química das amostras de fosfogesso e gipsita Óxidos Fosfogesso "in natura" (% em massa) Fosfogesso beneficiado (% em massa) Gipsita (% em massa) SO4 58,120 66,810 65,610 CaO 40,120 40,970 39,880 MgO 0,102 0,106 0,291 SiO2 1,990 1,960 0,192 Fe2O3 0,602 0,579 0,166 Al2O3 0,098 1,125 0,136 K2O 0,031 0,028 0,033 TiO2 1,620 1,650 - P2O5 1,170 1,080 - Na2O 0,049 0,035 - ZnO 0,001 - - Cu2O 0,005 - - Fonte: CANUT, 2006.
Percebe-se que as duas amostras de fosfogesso analisadas apresentaramcompostos contaminantes como ácido fosfórico (P2O5) e óxido de titânio (TiO2) comparado a gipsita, mas é importante salientar que o fosfogesso é um material heterogêneo e essa porcentagem dos componentes pode variar de acordo com o processo de origem.
Canut (2006) verificou que o teor de 1,17 e 1,08% de P2O5 nas amostras in natura e beneficiada, respectivamente, estão fora do limite aconselhado pelas revisões bibliográficas e exigido pelas indústrias cimenteiras (≤ 0,8%) significando em teores maiores, um aumento do tempo de pega necessário para hidratação do cimento. Já a presença do TiO2 diminui a resistência mecânica dos produtos à base de cimento.
Depois de descartada a hipótese de utilização do resíduo estudado de fosfogesso na fabricação de cimento Portland devido à presença dos contaminantes (P2O5e TiO2, Canut (2006)realizou ensaios na pasta com a substituição parcial e total da gipsita
pelo resíduo a fim de determinar as propriedades físicas da mesma onde os resultados estão apresentados na figura 6.
Figura 06 - Resistência à compressão
*a:g – água:gipsita Fonte: CANUT, 2006.
A partir dos gráficos expostos na figura 6, Canut (2006) observou que as composições “B” (gipsita, traço 1:1,8) e “C” (gipsita, traço 1:1), apresentaram os melhores resultados de resistência mecânica aos 28 dias e o fator relevante na análise desses resultados é o alto consumo de gipsita utilizado nessas composições.
Nenhuma composição avaliada nos ensaios de resistência à compressão, exceto a composição “B” (gipsita, traço 1:1,8), atingiu a resistência superior a 8,4 MPa para idade de 28 dias, exigida pela norma NBR 13207– Gesso para construção civil (ABNT, 1994).
Uma solução indicada por Canut (2006), como objeto de trabalho futuro,para viabilizar a utilização de misturas proporcionadas com fosfogesso beneficiado e gipsita para fabricação de materiais de construção é o uso de aditivo redutor de água, que implicaria na redução da quantidade de água demandada às misturas, e
por consequência aumentaria as resistências à compressão, sem interferência na sua moldabilidade e trabalhabilidade.
Canut, 2006 concluiu, ainda, que o teor de P2O5 presente no fosfogesso (tabela 4) pode alterar algumas das propriedades do cimento como, por exemplo, aumento do tempo de pega, mas uma vez controlado esse teor (≤ 0,8%) a utilização do fosfogesso em substituição a consagrada gipsita indica ser viável na indústria cimenteira.
3.4.2 Resíduos de Gessoda Construção Civil
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) por meio da NBR 15112 (ABNT, 2004) define resíduos sólidos da construção civil (RSCC) como “resíduos provenientes de construções, reformas, reparos e demolições de obras de construção civil, e os resultantes da preparação e da escavação de terrenos, comumente chamados de entulhos de obras, caliça ou metralha”.
Os resíduos de gesso da construção civil possuem em sua composição materiais diversos, tais como cimento, amianto, gesso de construção e alguns resíduos químicos.Em ordem do volume dos resíduos gerados nas obras, estão os seguintes materiais constituídos à base de gesso: gesso para revestimento, placas e ornamentos de gesso fundidos, chapas de gesso acartonado e massas para tratamentos de juntas dessas chapas.
Dados do Sindicato da indústria do gesso (SINDUGESSO, 2011) indicam que o resíduo de gesso de revestimento é considerado o de maior proporção entre os resíduos de gesso de construção, figura 7.
Figura 07 - Fontes de resíduo de gesso
Fonte: SINDUGESSO, 2011.
A alta geração de resíduos, no processo executivo de revestimento, é devida à perda de material que ocorre durante o preparo, a aplicação e o endurecimento da pasta antes de sua efetiva aplicação (JOHN; CINCOTTO, 2003; PIMENTEL; CAMARINI, 2009).
De acordo com John e Cincotto (2003), a perda de material neste processo construtivo é de 45%, valor superior ao informado pelos fabricantes de gesso, os quais estimam uma perda de 30%. Pimentel e Camarini (2009) estimaram valores entre 30% e 40% em obras no interior de São Paulo.
Segundo Aguiar (2004), nesse resíduo de revestimento de gesso, a identificação do material e a tarefa de separar ogesso do substrato não são viáveis, pois o gesso apresenta elevada aderência a todos os tipos de base mineral.
Por outro lado, Aguiar (2004) afirmou que o descarte das peças pré-moldadas e de gesso acartonadonas obras é seguramente mais fácil de separar no processo de triagem de entulho para aprodução de agregados reciclados, em função do seu tamanho e também por ficar isoladas dos outros componentes construtivos.
É importante salientar que os resíduos de gesso em suas várias formas são recicláveis conforme consta na redação da Resolução 431/2011 do CONAMA, que estabelece diretrizes, critérios e procedimentos para a gestão dos resíduos da construção civil: “Classe B - são os resíduos recicláveis para outras destinações, tais como: plásticos, papel, papelão, metais, vidros, madeiras e gesso”.
A resolução 307/2002classificava os RSCCem quatro classes: A, B, C e D estando os resíduos do gesso enquadrados na classe C (resíduos para os quais não foram desenvolvidas tecnologias ou aplicações economicamente viáveis que permitam sua reciclagem/recuperação). Já na resolução 431/2011, o resíduo de gesso passou para a classe B, que engloba os materiais recicláveis para outras destinações,conforme tabela 5.
Tabela 05 - Classificação dos resíduos sólidos da construção civil
Classe Características
A
Resíduos reutilizáveis ou recicláveis como agregados, tais como: a) de construção, demolição, reformas e reparos de pavimentação e de outras obras de infraestrutura, inclusive solos provenientes de terraplenagem;
b) de construção, demolição, reformas e reparos de edificações: componentes cerâmicos (tijolos, blocos, telhas, placas de revestimento, etc.), argamassa e concreto;
c) de processo de fabricação e/ou demolição de peças pré-moldadas em concreto (blocos, tubos, meio-fio, etc.) produzidas nos canteiros de obras.
B São os resíduos recicláveis para outras destinações, tais como: plásticos, papel, papelão, metais, vidros, madeiras e gesso.
C
São os resíduos para os quais não foram desenvolvidas tecnologias ou aplicaçõeseconomicamente viáveis que permitam a sua reciclagem/recuperação.
D
São resíduos perigosos tais como tintas, solventes,óleos e outros, ou aqueles contaminados ou prejudiciais àsaúde oriundos de demolições, reformas e reparos de clínicas radiológicas, instalações industriais, telhas e demais objetos e materiais que contenham amianto ou outros produtos nocivos àsaúde.
Fonte: Resolução 431/2011 - CONAMA
A modificação na resolução foi uma iniciativa da Associação Brasileira dos Fabricantes de Chapas para Drywall (ABFCD), que realizou estudos práticos para comprovar a possibilidade de reciclagem do gesso e constatou que o gesso pode ter três destinos: utilização como regulador de pega na produção de cimento; reaproveitamento nas fábricas de gesso ou transformação em gesso agrícola, atuando como corretivo do solo e fonte de enxofre (S).
Por isso, torna-se necessário a elaboração de um adequado e apropriado plano de gerenciamento e separação desses resíduos porque a ausência de procedimentos adequados pode introduzir a presença de contaminantes no resíduo gesso, classe B, fato que pode inviabilizar a sua reutilização.
Um estudo de reaproveitamento foi realizado em 2011 em Vancouver, Canadána New West CompanyRecycling(NWGR) a qual desenvolveu um processo de reciclagem de resíduos de placas de gesso oriundos do próprio processo de fabricação como também dos RSCC. O estudo demonstrou que aNWGRpoderia incluir média de25% do resíduo de gesso para produção de novas placas de gesso sem nenhum prejuizo na qualidade do produto final.
3.4.1.1 Resíduos de Peças Pré-moldadas de Gesso
O gesso, comumente empregado na construção civil, é obtido a partir de um minério com grau de pureza superior a 75%. A calcinação produz um hemidrato β que, dependendo do processo pode ser do tipo A (gesso de fundição) ou tipo B (gesso de revestimento). A partir desses tipos de gesso são obtidos diferentes produtos (CUNHA; SILVA, 2007).
Os dois tipos de gesso A e B são de alta qualidade e alvura sendo o tipo A, caracterizado com gesso de fundição, destinado à produção de peças moldadas, artesanais ou industriais, tais como placas, blocos, cortineros, sancas, painéis e demais peças decorativas. O tipo B,caracterizado como gesso de revestimento,
pode ser utilizado para revestimentos internos de paredes para correção e uniformização de superfícies.
Os resíduos de peças pré-moldadasde gesso (RPPMG) são originados no processo de fabricação onde se faz uso do gesso de fundição (tipo A) e, também, na aplicação dessas peças em diversas obras como elementos decorativos. Esse resíduo é classificado pela Resolução 431/11do CONAMA como classe B: resíduos recicláveis para outras destinações.
Exemplos de peças pré-moldada são as placas amplamente utilizadas na instalação de forros. A figura8 ilustra a preparação da pasta, utilizada na fabricação de placas,em misturador eletromecânico podendo estátambém ser realizada de forma manual.
Figura 08 - Misturador eletromecânico
Fonte: Autoria própria.
A pasta preparada no misturador eletromecânico é vertida sobre uma forma metálica e aparada por régua de alumínio lubrificada com óleo diesel. Faz-se uso de uma segunda forma também metálica com encaixe macho-fêmea sobre a forma base para finalizar o processo de moldagem conforme figura 9.
Figura 09–Processo de fabricação de peças pré-moldadas de gesso:
(a) Despejo da pasta sobre a forma metálica e (b)forma encaixe macho-fêmea.
Fonte: Autoria própria.
Após a moldagem as placas são desmoldadas e acondicionadas em prateleiras, também conhecidas como secadoras, a fim de serem secas de forma natural e estocadas para venda de acordo com a figura 10.
Figura 10 - (a) Extração das peças e (b)secadora natural
Fonte: Autoria própria.
CHANDARA et al. (2009), estudou a influência do resíduo de peças pré-moldadas de gesso em substituição à gipsita como retardador do tempo de pega para fabricação de Cimento Portland. A tabela 8 apresenta o resultado da composição química da gipsita (G) e do RG estudado.
Tabela 06 - Composição química dos materiais usados
Componentes
Análise Química (% em peso)
Clínquer Gipsita Resíduo de gesso
SiO2 21,30 1,90 0,93 CaO 65,75 35,00 37,00 Al2O3 6,11 0,63 0,16 Fe2O3 3,83 0,28 0,17 MgO 1,63 -- 0,97 K2O 0,84 0,13 0,03 SO3 0,74 41,00 42,00 NiO -- 0,02 0,02 SrO -- 0,09 0,13 CaO Livre Perda ao Fogo 0,78 -- -- 20,40 -- 18,00
Fonte: CHANDARA et al., 2009.
Os resultados da tabela 6 apresentam similaridade na composição química do G e do RG com pequena diferença na análise de perda ao fogo. Segundo Chandaraetal. (2009), a diferença no valor de perda ao fogo significa que os dois tipos de gessos consistem em diferentes tipos de sulfato de cálcio, tais como: Di-hidrato (CaSO4.2H2O), hemidrato (CaSO4.½H2O) e anidrita (CaSO4). O RG apresentou um valor de perda ao fogo inferior ao G indicando uma maior quantidade de hemidrato na sua composição.
A tabela 7 apresenta os resultados de tempo de pega em função da relação água/cimento estudados por Chandaraet al. (2009).
Tabela 07 - Efeito da gipsita e do resíduo de gesso sobre o tempo de pega inicial e final do ci- mento.
Amostra
Água/cimento Tempo de pega Tempo de pega
(%) inicial (min) final (min)
Cimento 3% G 26,25 138 169 Cimento 4% G 26,50 140 174 Cimento 5% G 26,50 134 169 Media 26,42 137,33 170,67 Cimento 3% RG 26,25 98 125 Cimento 4% RG 26,25 125 164 Cimento 5% RG 26,0 126 153 Média 26,17 116,33 147,33
G – GipsitaRG - Resíduo de gesso Fonte: CHANDARA et al., 2009.
Chandaraet al. (2009) observou que não houve diferença significativa no teor de água utilizado para produzir cimentos com e sem o resíduo. Já a presença de hemidratos no RG, detectado na tabela 7, através do valor inferior encontrado na análise de PF comparado a G foi responsável por acelerar o tempo de pega do cimento sem sacrificar a resistência mecânica conforme apresentado na tabela 8.
Tabela 08 - Efeito da gipsita e do resíduo de gesso sobre a resistência a compressão
Amostra
Resistência a compressão (cimento + água + areia)
(MPa)
3 dias 7 dias 28 dias
Cimento 3% G 16,05±0,4 31,43±0,5 49,20±1,3 Cimento 4% G 18,92±0,2 33,83±0,4 52,82±1,1 Cimento 5% G 21,82±0,4 36,05±1,2 50,70±0,8 Média 18,93 33,77 50,91 Cimento 3% RG 18,45±0,8 37,15±1,9 53,25±2,0 Cimento 4% RG 18,95±0,1 32,13±0,6 51,75±1,0 Cimento 5% RG 17,25±0,1 31,98±0,1 51,77±0,2 Média 18,22 33,75 52,26
G – GipsitaRG - Resíduo de Gesso Fonte: CHANDARA et al., 2009.
Iglesiaset. al.(1999), estudaram emum processo industrialdefabricaçãode cimento, o uso de misturas de95%de clinquere 5% degesso, comdois tiposde gesso com composição química semelhante, masde origem diferente. A pesquisa resultou em umadiferençano consumo de energiade moagem de até 15%. Uma análise microscópica mostrouas diferençasem termos de característicasde texturaque levou as diferenças de consumo energético tanto na moagemno processoindustrialcomonos testesde laboratório.
3.5 CIMENTO PORTLAND
A NBR 5732 (ABNT, 1991) definiu o cimento Portland como sendo um aglomerante hidráulico(não só endurecepor meio de reaçãocomágua, mas tambémconstituium produtoresistente à água), produzido pela moagem do clínquer ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formasde sulfato de cálcio. Durante a moagem é permitido adicionar a esta misturaadições em teores específicos.
3.5.1 Produção de Cimento Portland
O relatório anual de 2013 publicado pelo Sindicato Nacional da Indústria de Cimento (SNIC) revelou que a China chegou à marca de 2.137 Mt de cimento produzidas em 2012, quantidade que representa 55,3% de toda a produção mundial, enquanto a Índia, segundo maior produtor mundial, produziu 270 Mt(6,1% da produção mundial). Na América Latina, destacam-se como os maiores produtores o Brasil e o México com, respectivamente, 1,8% e 0,9% de toda a produção mundial.
No Brasil a figura 11 revela que a região Sudeste concentra 48% da produção, seguida pelas regiões Nordeste, Sul, Centro-Oeste e Norte.
Figura 11 - Participação regional na produção de cimento
Fonte: SINIC, 2013.
Ainda no relatório anual de 2013, emitido pelo SNIC, foi apresentado um estudo publicado através do programa GettingtheNumberRight (GNR) do CementSustainabilityInitiative(CSI) sobre a emissão específica de CO2 revelando (figura 12) que o Brasil se destaca como o menor emissor por tonelada de cimento.
Figura 12–Emissão específica de CO2 por toneladas de cimento
Fonte: SINIC, 2013.
O nível de excelência alcançado vem de vários esforços e estratégias implementadas ao longo das últimas décadas como, por exemplo, maior eficiência energética, utilização de combustíveis alternativos (como biomassas e resíduos) e adições (escória de alto forno, cinzas volantes, entre outras).
3.5.2 Processo Produtivo do Cimento Portland
O processo produtivo do cimento Portland se divide em duas etapas, sendo a primeira a produção do clínquere a segunda a moagem deste com o sulfato de cálcio.
As matérias-primas utilizadas na fabricação de cimento devem conter cálcio, sílica, alumínio e ferro, pois são estes os elementos químicos que combinados, vão produzir compostos hidráulicos ativos.
O clínquer resulta da mistura de calcário e argila, calcinados em fornos. O calcário e a argila são extraídas de jazidas e passam por um processo de britagem onde são reduzidos a dimensões adequadas para o processamento industrial. Posteriormente são armazenados, pré-homogeneizados e submetidos a ensaios químicos a fim de assegurar a qualidade da mistura.
Posteriormente, a mistura em proporções convenientes de calcário, argila e materiais corretivos como bauxita, minério de ferro ou areia é encaminhado ao moinho de cru onde se processa a homogeneização e pulverização, de modo a reduzir o tamanho das partículas, em média, a 90 μm.
O pó resultante da homogeneização e pulverização é denominado farinha crua. A fim de obter uma perfeita combinação dos elementos formadores do clínquer, a farinha fica armazenada em silos verticais de homogeneização. A homogeneidade é garantida por processos pneumáticos ou por gravidade.
Dos silos de homogeneização, essa farinha é lançada continuamente na alimentação do pré-aquecedor ou pré-calcinador. Segue para o forno rotativo, onde a mistura é calcinada até a temperatura de fusão incipiente (1450ºC) obtendo-se o clínquer.
Um resfriador promove a redução da temperatura à aproximadamente 150ºC e a principal matéria-prima do cimento é armazenada em silo aguardando a próxima etapa. A figura 13 apresenta um esquema do processo de fabricação do cimento.
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Conforme destacado na figura 13, o cimento propriamente dito é obtido após a moagem do clínquer junto com sulfato de cálcio (retardador de pega) e material carbonático. Também é possível, em alguns casos, adicionar outros materiais tais como escória de alto-forno, pozolana e filler. Os cimentos produzidos podem ser distribuídos em sacos, transportados a granel ou em big-bag.
Os compostos fundamentais do cimento são CaO,SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, SO3e comoconstituintes em teores menores tem-se o Na2O e o K2O. Os óxidos depotássio e sódio constituem os denominados álcalis do cimento.
As adições realizadas na etapa de moagem compõem os diversos tipos de cimento Portland designados pela ABNT, cujas especificações estão apresentadas na tabela 9.
Tabela 09 - Nomenclatura dos cimentos Portland
Tipos de cimento Adições Siglas Normas
Cimento Portland Comum Escória, Pozolana ou Fíler (até 5%) CPI-S 32 NBR 5732 CPI-S 40 Cimento Portland Composto Escória (35-70%) CPII-E 32 NBR 11578 CPII-E 40 Pozolana (6-14%) CPII-Z 32 Fíler (6-10%) CPII-F 32 CPII-F 40 Cimento Portland de Alto-forno Escória (35-70%) CPIII 32 NBR 5735 CPIII 40 Cimento Portland Pozolânico Pozolana (15-50%) CPIV 32 NBR 5736 Cimento Portland de Alta Resistência Inicial Materiais carbonáticos (até 5%) CPV-ARI NBR 5733 Cimento Portland Resistente aos sulfatos
Estes cimentos são designados pela sigla RS. Ex: CPIII-40 RS, CPV-ARI RS.
NBR 5737
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3.5.3 Composição Química
Como explorado na seção 3.5.2, para a fabricação do cimento Portland uma mistura contendo rocha calcária e argila, com altos teores de CaO, SiO2, Fe2O3 e Al2O3 é processada em fornos rotativos. Os compostos dessa mistura, quando sujeitos à ação do calor dentro do forno reagem entre si, dando origem a uma série de reações até ser alcançado um estado de equilíbrio químico.
As reações ocorridas ao longo do forno estão apresentadas no diagrama esquematizado por Jackson (1998) na figura 14.
Figura 14–Reações que ocorrem ao longo do forno rotativo para formação do clínquer.
Fonte: JACKSON, 1998.
Devido à complexidade da formulação dessas reações, é prática o uso de abreviações, as quais são apresentadas na tabela 10, bem como suas propriedades tecnológicas (Kattaret al.,1999).
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Tabela 10 - Principais compostos do clínquer e suas propriedades específicas
Fórmula química clássica Compostos Abrev. Propriedades Tecnologicas 3CaO.SiO2 Silicato tricálcico C3S
Endurecimento rápido, alto calor de hidratação e alta resistência inicial.
2CaO.SiO2 Silicato dicálcico
C2S
Endurecimento lento, baixo calor de hidratação e baixa resistência inicial.
3CaO.Al2O3 Aluminato tricálcico
C3A
Pega muito rápida e deve ser controlada com adição de gipsita; suscetível ao
ataque de meios
sulfatados, alto calor de hidratação, alta retração e baixa resistência final.
3CaO.Al2O3. Fe2O3 Ferroaluminatot etracálcico C4AF Endurecimento lento, resistente a meios sulfatados, não tem contribuição para a resistência, cor escura.
Fonte: KATTAR etal., 1999.
Na indústria de cimento faz-se uso das equações desenvolvidas por Bogue (1929) para estimar a composição potencial dos compostos (C3S, C2S, C3A, C4AF) do clínquer. O cálculo é realizado a partir das quantidades de óxidos presentes partindo do pressuposto da cristalização completa destes compostos.As equações de Bogue para estimar a composição potencial ou teórica dos compostos do cimento Portland são as equações de 2 a 5:
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%C3S = 4,071CaO – 7, 600SiO2 – 6, 718Al2O3 – 1, 430Fe2O3 – 2, 850SiO2 [2] %C2S = 2,867SiO2 – 0, 7544 C3S [3]
%C3A = 2,650Al2O3 – 1, 692Fe2O3 [4] %C4AF = 3,043Fe2O3 [5]
É importante ressaltar que tanto as matérias-primas disponíveis como o processo de calcinação aplicado podem fazer variar a mineralogia do clínquer produzido, por isso cada tipo de clínquer (minerais) formado apresenta diferentes comportamentos de endurecimento que influenciamnas propriedades do cimento direcionando diferentes aplicações.
3.5.4 Hidratação do Cimento
Uma vez que o cimento Portland é constituído de uma mistura heterogênea de vários compostos, o processo de hidratação consiste na ocorrência de reações simultâneas dos compostos anidros com água. Entretanto, todos os compostos não hidratam na mesma velocidade. Os aluminatos (C3A) são conhecidos por hidratarem muito mais rapidamente do que os silicatos (C3S). Na verdade, a perda de consistência e a pega características da pasta de cimento Portland, são amplamente influenciadas por reações de hidratação envolvendo os aluminatos.
A reação do C3A com água é imediata,formam-se rapidamente hidratos cristalinos com liberação de uma grande quantidade de calor de hidratação. O cimento Portland não terá utilidade para a maioria dos propósitos da construção a menos que a reação rápida de hidratação do C3A seja de alguma forma desacelerada pela adição de sulfato de cálcio. Portanto, na prática, não são importantes as reações de hidratação do C3A sozinho, mas sim a hidratação do C3A na presença do sulfato de cálcio.
Embora o sulfato de cálcio seja adicionado ao cimento para servir como um retardador, o que é conhecido como teor ótimo no cimento, é geralmente determinado por ensaios normalizados que mostram a resistência máxima do cimento e a retração mínima para dadas idades de hidratação. Os íons sulfato, que
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entram em solução pela dissolução da gipsita tem um efeito retardador sobre os aluminatos, mas um efeito acelerador na hidratação dos silicatos, os quais são os principais compostos do cimento Portland. Logo, dependendo da composição de um cimento, é indicado um teor específico de gipsita para o desempenho ótimo do cimento (MEHTA, 1994).
Segundo Neville, (1995), a hidratação do C3S de um modo geral caracteriza o comportamento do cimento e essa hidratação não se processa a uma velocidade constante e nem mesmo a uma velocidade com variação constante. A formação, inicial rápida, de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) para a solução deixa uma camada externa de silicatode cálcio hidratado com cerca de 10 mm de espessura. Esta camada dificulta a hidratação subsequente, de modo que por algum tempo, a hidratação fica muito lenta.
3.5.5Calor de Hidratação
O cimento ao ser colocado em contato com água inicia uma série de reações químicas denominadasreações de hidratação. Tais reações são processos exotérmicos que ao medir o calor de hidratação ao longo dessas fases, a uma temperatura constante, torna-se possível observar curvas calorimétricas típicas conforme figura 15.
Figura 15 - Curva do desenvolvimento de calor de hidratação do cimento Portland, duranteprocessode hidratação a temperatura constante.
C3A – Aluminato tricálcicoSO3 – Trióxido de enxofre Fonte: DOMONE, 1994.
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A respeito da figura 15, Neville (1995) afirmou que a liberação de uma grande quantidade de calor desenvolve-se, à medida que os primeiros produtoshidratados são formados sobre a superfície das partículas de cimento, sobretudo do aluminato tricálcico (C3A). A reação do C3A é apresentada e é esta que conduz o cimento a uma pega rápida e instantânea:
3CaO.Al2O3 + 6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O (H= - 245kJ/mol)[8] (C3A + 6H C3AH6)
O pico A do gráfico da figura 15 dura apenas alguns minutos e a taxa de desenvolvimento de calor diminui rapidamente devido à presença de sulfatos em solução. Os produtos dessa hidratação formam uma barreira ao redor das partículas deC3A formando-se etringita e diminuindo a velocidade reacional (NEVILLE, 1995).
C3A + 3Cs H2 + 26H C6AsH32[9]
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O[10] (H = -452 kJ/mol)
Em seguida, ocorre um período conhecido como período de dormência com pouca atividade química devido à formação de etringita e sua baixa solubilidade em meio sulfatado. O fim do período dormente é caracterizado pela formação dos primeiros hemidratos, CSH (estável), aceleração da velocidade de hidratação e inicio do tempo de pega.
O pico B da figura 15 corresponde à reatividade máxima de hidratação dando início ao fim de pega e fase de endurecimento. E finalmente, no pico C a etringita se converte em monosulfato, mas Domone (1994) afirmou que isso só ocorre em cimentos com teor maior que 12% de C3A. A figura 16 apresenta uma descrição esquemática dos produtos e microestruturas formados durante a hidratação do cimento.
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Figura 16 - Descrição esquemática dos produtos e microestruturas formados durante a hidratação do cimento Portland.
Fonte: YOUNG et al., 1998
3.6 CIMENTO PORTLAND E MEIO AMBIENTE
A construção civil é reconhecida como uma das mais importantes atividades para o desenvolvimento econômico e social. Ao mesmo tempo em que se apresenta como grande geradora de impactos ambientais quer pelo consumo de recursos naturais, quer pela modificação da paisagem ou pela geração de resíduos, o setor tem o desafio de conciliar a atividade produtiva com condições que conduzam a um desenvolvimento sustentável, consciente e menos agressivo ao meio ambiente (PINTO, 2005).
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A indústria cimenteira, como parte da construção civil, nos últimos anos realizou avanços na pesquisa associados com a abordagem promissora de resíduos que servem de materiais alternativos ou matérias-primas sustentáveis para o processo de fabricação de cimento.
ARRIVABENE etal. (2012) estudaram a viabilidade técnica da fabricação de cimento com uma mistura de resíduo proveniente da serragem de blocos de granito e escória de aciaria LD. Para isso, prepararam uma mistura desses materiais de modo que a relação %CaO / %SiO2 fosse 1,2. Essa mistura foi fundida e resfriada rapidamente em água. A amostra foi caracterizada e o difratograma de raios X mostrou um material amorfo e a presença das fases mineralógicas Akermanita e Gehlenita, as quais foram consideradas como as fases mineralógicas ideais para a atividade hidráulica. Essa mistura foi adicionada ao clínquer para a fabricação de cimento e com o cimento foram realizados ensaios cujos resultados foram comparados com os valores obtidos para o cimento de alto forno. Esses resultados indicaram a viabilidade técnica da utilização da mistura na fabricação de cimento.
USÓN et al. (2013) realizou uma pesquisabaseada em estudos previamente publicados. A análise foi especialmente focada nos efeitos técnicos, econômicos e ambientais das utilizações de cinco resíduos sólidos: os resíduos sólidos urbanos, carne e ossos de animais, lodo de esgoto, biomassa e pneus em fim de vida útil na indústria de cimento. Para os autores, em termos da diversidade de combustíveis alternativos disponíveis, a indústria de cimento apresenta a oportunidade de recuperar a energia a partir de vários materiais residuais em condições técnicas e ambientais ideais, evitando perdas de energia para os processos associados à cadeia de gestão de resíduos, como a incineração ou deposição em aterro.
CAILLAHUA (2013)avaliou o resíduo fluegásdessufurization (FGD), oriundo de plantas fornecedoras de energia com instalações de dessulfurização de gases de combustão como aditivo retardador do tempo de pega substituindo a gipsita na fabricação do cimento Portland (CPII E-32). Os resultados da pesquisa demonstram retardo de uma hora no tempo de paga em comparação com a gipsita e a melhor mistura onde se obteve a maximização das resistências de 3, 7 e 28 dias foi com
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2,1% do resíduo FGD e 1,4% de gipsita. O gesso FGD demonstrou ser uma alternativa adequada para substituir o gesso natural.
SALES (2015) estudou a atividade pozolânica de micropartículas de vidro soda-cal, incolor e âmbar, e sua influência no desempenho de compostos de cimento Portland a fim de produzir concretos ecoeficientes. Neste trabalho foi investigado o efeito da substituição parcial do cimento Portland por 10, 15 e 20% de partículas de vidro, de dimensões em torno de 9,5 µm, na atividade pozolânica, no comportamento mecânico e na durabilidade de compostos cimentícios (argamassa e concreto). Segundo SALES (2015), os resultados mostraram que a substituição de parte do cimento por micropartículas de vidro soda-cal pode contribuir para a produção de argamassas e concretos de trabalhabilidade e desempenho mecânico similar e para a produção de concretos duráveis no que se refere à inibição da reação álcali-agregado. No entanto, o uso das partículas de vidro tornou o composto mais suscetível a carbonatação e diminuiu sua resistência ao desgaste por abrasão.
Estudos referentes ao tema do reaproveitamento de resíduos de gesso (RG) oriundos da construção civil para fabricação de cimento que é o objeto de estudo deste trabalho, ainda são muito recentes e, portanto, foram encontrados poucos trabalhos.
Conforme apresentado no item 3.4.2.1, CHANDARA et al. (2009), estudou a influência do resíduo de peças pré-moldadas de gesso em substituição à gipsita como material alternativo para retardar o tempo de pega na fabricação de Cimento Portland e observou nos resultados que o resíduo estudado pode ser usado em substituição à gipsita na produção de cimento Portland.
NOGUEIRA et al.(2015) analisou a possibilidade da reutilização do resíduo de gesso como insumo no processo de fabricação do cimento visando reduzir o impacto ambiental causado pelo descarte inadequado desses resíduos no meio ambiente. Na pesquisa em questão, foram realizadas analises nos resíduos coletados com a finalidade de analisar as características e observar a pureza do gesso, visto que este material não deve conter misturas, contaminação química ou física, como por
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exemplo, metais, plásticos e outros, que possam alterar a qualidade do cimento ou comprometer o bom funcionamento dos equipamentos da indústria cimenteira. O resíduo de gesso estudado apresentou bom potencial para reutilização como insumo no processo de fabricação do cimento, mas a variação de resultados de SO3 encontrados evidenciou a contaminação devido à exposição com outros materiais da construção civil tornando-se necessário fazer uma Política de Gestão de Resíduos mais ativa nos canteiros de obra, pois, a separação e armazenamento desses resíduos de forma adequada, é um fator muito importante para manter a qualidade e a pureza do gesso.
GAZQUEZ et al. (2013) analisou e avaliou as principais propriedades físico-mecânicas e químicas de cimentos fabricados com diferentes proporções de gesso vermelho, um dos resíduos gerados pela indústria do dióxido de titânio. Os resultados mostraram que o gesso vermelho pode ser usado como um substituto seguro para a gipsita na fabricação de cimentos comerciais sem qualquer redução da qualidade. Os melhores resultados comparáveis àqueles para Cimento Portland Normal, que contém 97% de clínquer e 3% de gispista, foram obtidas quando 10% do gesso vermelho foi misturado com o clinquer o que significou uma economia de
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4MATERIAIS E MÉTODOS
Todo procedimento experimental desta pesquisa foi desenvolvido na empresa Mizu exceto alguns ensaios de caracterização como análise de difração de raios X (DRX), análise termodiferencial (ATD) e análise termogravimétrica (ATG) que foram realizadas no laboratório de caracterização tecnológica (LCT) da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP).
Os métodos de ensaios utilizados foram os descritos em normas aprovadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) para a produção de cimento.
4.1 MATÉRIAS-PRIMAS
Os materiais utilizados neste trabalho encontram-se descritos na sequência, assim como o processo de obtenção.
4.1.1 Clínquer
O clínquer apresentado na figura 17 foi disponibilizado pela empresa Rio Negro localizada no município de Cantagalo/RJ. Devido à alta reatividade, o material foi transportado a granel até a empresa Mizu em caminhão devidamente coberto com lona a fim de evitar a hidratação.
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Figura 17 - Clínquer bruto
Fonte: Autoria própria
4.1.2 Calcário
O calcário utilizado foi proveniente da Provale Indústria e Comércio S/A localizada no município de Itaóca/ES. Este calcário é do tipo calcítico com granulometria que varia de 0 a 60 mm conforme figura 18.
Figura 18 - Calcário calcítico bruto
Fonte: Autoria própria
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4.1.3 Sulfato de Cálcio
4.1.3.1 Gipsita
Na figura 19 observa-se a gipsita com granulometria até 12 mm, proveniente do polo gesseiro de Araripe no município de Trindade/PE.
Figura 19 – Gipsita
Fonte: Autoria própria
4.1.3.2 Resíduo de Peças Pré-moldadas de Gesso
Nas visitas “in loco” às empresas geradoras do RPPMG foi constatado que uma única empresa promovia a separação do material de demais contaminantes, empresa está responsável pela geração de 150 t/mês desse resíduo limitando assim a quantidade parcial do resíduo de peças pré-moldadas de gessoRPPMG no CPV ARI RS 2 e 3.
O RPPMG estudado foi originado na empresa Gesso Cinco Estrelas situada no município de Vila Velha/ES, que se localiza próximo à empresa Mizu onde foram realizados os testes e que se destacou pelo adequado processo de separação de componentes contaminantes como papel, plástico e madeira.
A coleta do material foi realizada pela própria empresa geradora especificamente em duas fontes: na indústria produtora das placas e em canteiros de obras. O RPPMG
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foi transportado a granel até a fábrica de cimento onde foram realizados os estudos. O resíduo possui granulometria variável conforme pode ser observado na figura 20.
Figura 20 - Resíduo de peças pré-moldadas de gesso
Fonte: Autoria própria
4.2TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
O esquema da figura 21 apresenta o procedimento experimental adotado no trabalho.
Fonte: Autoria própria.
