Estágio na Cimpor - Estudo do efeito de incorporação de aditivos nas propriedades reológicas e de desempenho do cimento

Abstract

O cimento é o material de construção mais utilizado a nível mundial, constituindo-se como um ligante hidráulico, material fundamental para a infraestrutura da sociedade em todo o mundo. O processo de produção deste material tem uma pegada ecológica significativa resultante da grande utilização de energia, bem como da geração de GEE, o que faz com que a procura agressiva de medidas de mitigação de emissões de carbono seja considerada como imperativa para o futuro sustentável da indústria cimenteira. Como tal, a substituição parcial do clinquer por outro tipo de materiais, aditivos, apresenta-se como uma das principais formas de combater esta problemática. O presente trabalho enquadra-se num estágio curricular proposto pela CIMPOR, Indústria de Cimentos S.A., desenvolvido no seu Centro de Produção de Souselas (CPS). O seu principal objetivo centrou-se na identificação do parâmetro de processo que permite avaliar, da forma mais expedita possível, a presença de um determinado aditivo na constituição do cimento. Para tal, efetuou-se o estudo do efeito de incorporação do aditivo nas propriedades reológicas e de desempenho do cimento, i.e., propriedades químicas, físicas e mecânicas. Através da realização de moagens laboratoriais, foi possível recolher amostras das matérias-primas (calcário, clinquer e gesso) e do respetivo cimento resultante, tendo sido posteriormente realizadas diferentes substituições parciais de clinquer em massa (1, 2, 3, 4, 5 e 10%) pelo aditivo em estudo. Dos diferentes tipos de caracterização efetuados, à medida que se aumentou a incorporação do aditivo nas misturas de cimento, foi possível verificar, entre o Branco (Mistura de controlo) e a Mistura E (5% de substituição em massa), que: i) a perda ao fogo, a cal livre, os cloretos e o teor em CaO total e SO3 diminuíram 1, 5, 7, 5 e 5%, respetivamente; ii) o resíduo insolúvel e o teor em SiO2, Al2O3 e Fe2O3 aumentaram 237, 10, 15 e 11%, respetivamente; iii) a massa volúmica diminuiu 1.9%; o valor de Blaine e do resíduo de peneiração aumentaram 8.7 e 14.3%, respetivamente; iv) a distribuição granulométrica demonstrou que o aditivo possui uma maior percentagem de partículas finas na gama até 3μm; v) o valor de início e fim de presa e de expansibilidade diminuiu, cerca de 9, 8 e 75%, respetivamente; vi) o valor de espalhamento das pastas e argamassas aumentou 3 e 7%, respetivamente; vii) o principal parâmetro de controlo de qualidade do cimento, a resistência à compressão, revelou um crescimento menor nos primeiros estágios de cura (- 4%), enquanto em estágios finais se obtiveram valores similares aos da mistura de referência; viii) o ponto ótimo de substituição parcial de clinquer pelo aditivo situou-se entre as Misturas C e D (3 e 4%). Como forma de responder ao objetivo principal do trabalho, revelou-se promissor estudar o sistema ternário SiO2, Al2O3 e Fe2O3. Para tal foi efetuado um programa analítico, CIMADITIVO, que permitisse analisar quantitativamente este sistema, por pastilha prensada, num difratómetro de raios-X.

Cement is the building material most widely used worldwide, establishing itself as a hydraulic binder, a key material for the infrastructure of society in general. The process of production of this material has a significant ecological footprint due to the highly energyintensive consumption and the generation of greenhouse gases (GHG) that causes the aggressive demand for CO2-emission mitigation strategies as vital for a sustainable future of cement industry. Therefore, the partial substitution of clinker by other materials, called additives, presents itself as one of the main ways to struggle this problem. This work was developed under the scopo of an internship proposed by Cimpor, Indústria de Cimentos, SA, and carried out in its Centro de Produção de Souselas (CPS). The main objective focused on the search for a process parameter that could evaluate, as quickly as possible, the presence of an additive in the cement constitution. To achieve this goal, the effect of the incorporation of the additive effects on the rheological properties and cement performance, i.e., on its physicochemical and mechanical properties, was studied. A laboratory grinding was made, along which the samples of the raw materials (limestone, clinker and gypsum) and the respective resulting cement were collected. Subsequently, substitutions were made considering several mass percentages (1, 2, 3, 4, 5 and 10%) of the additive. From the different types of characterizations, it was observed that, as the incorporation of the additive in cement mixtures increased, between the Control Mixture and Mixture E (5% by weight): i) the loss on ignition, free lime, chlorides and the content of total CaO and SO3 decreased by 1, 5, 7, 5 and 5%, respectively; ii) the specific gravity decresead by 1.9%, Blaine and sieve residue increased by 8.7 and 14.3%, respectively; iv) particle size distribution showed that the additive has a higher percentage of fine particles in the rang up to 3μm; v) initial and final setting time and the volume expansion decreased about 9, 8 and 75%, respectively; vi) the flow value of cement pastes and mortars increased by 3 and 7%, respectively; vii) the main cement quality control parameter, compressive strength, exhibited a lower growth in the early stages of hidration (- 4%), however, in final stages of curing, similar values to those obtained in the control mixture were achieved; viii) the optimum partial replacement of cement clinker by the additive was found to be between Mixtures C to D (3 – 4%). In order to accomplish the main objective of the study, the most promising approach was to assess the ternary system SiO2, Al2O3 and Fe2O3. Therefore, an analytical program was made, named CIMADITIVO, which allowed the quantitative analysis of this system, using pressed pellet of the cement mixtures and a X-ray diffractometer.