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Em trabalhos como os de Mehta e Monteiro (2014) e Fontes (2008) podem ser encontradas referências à composição básica do cimento Portland. Basicamente o material é composto de calcário, argila alumina e óxido de ferro e é produzido pela moagem e calcinação destes componentes.

O principal constituinte do cimento é denominado de clínquer Portland, que resulta da calcinação de uma mistura de calcário e argila a aproximadamente 1450ºC, em que, eventualmente, se adiciona elementos corretores químicos de origem silicosa, no intuito de garantir um determinado proporcionamento dos principais compostos do cimento a ser produzido (BATTAGIN, 2011). O clínquer então é moído com formas de sulfato de cálcio em proporção de 3% a 5%, o que se destina à regulação do tempo de pega ou endurecimento inicial do cimento.

Os materiais utilizados na fabricação do clínquer contêm os óxidos principais dos seus compostos: CaO, SiO2, Al2O3 e Fe2O3. A partir da combinação entre os constituintes da matéria- prima, adotando-se uma notação específica1_{, tem-se os compostos principais do cimento:}

-silicato tricálcico – C3S (alita) -silicato dicálcico – C2S (belita) -aluminato tricálcico – C3A

-ferroaluminato tetracálcico – C4AF -sulfato de cálcio – CS

O proporcionamento dos compostos do cimento é responsável pelas principais propriedades do material relacionadas com a sua transformação via hidratação dos grãos, tais como liberação de calor de hidratação, ganho de resistência nas primeiras idades, retração, etc. Em geral a alita responde por 40% a 70% da massa do cimento, a belita por um montante de 10% a 20% enquanto que os aluminatos presentes no que se chama de fase intersticial do material que preenche os espaços deixados pelos cristais de alita e belita e que se funde durante o processo de clinquerização, ocupam de 15% a 20% da massa do material, o restante da massa é ocupada por outros óxidos presentes como o óxido de cálcio e o óxido de magnésio (BATTAGIN, 2011).

A alita possui importante papel no endurecimento e na resistência mecânica do cimento, especialmente às primeiras idades, enquanto que a belita, possuindo taxas de hidratação

1 _{Na química do cimento adota-se de forma corrente: CaO=C; SiO}

2=S; Al2O3=A; Fe2O3=F; MgO=M; SO3=S’; CO2=C’; H2O=H.

menores, apresentará ganho de resistência mecânica em idades mais avançadas. O C3A, sendo o material mais reativo, atua no início de pega do cimento. O C4AF não tem grande contribuição na resistência mecânica, mas sim na resistência química dos produtos cimentícios, especialmente na resistência ao ataque de sulfatos.

O óxido de cálcio presente, em sua forma livre, na mistura em teores acima de 2% pode ser resultado de moagem deficiente, mistura ou queima insatisfatórias, o que impede a adequada combinação entre os óxidos originalmente presentes. Assim, elevados teores de cal livre entre os compostos do cimento acarretam processos de expansão da pasta durante a hidratação. O mesmo vale para o óxido de magnésio que, em teores abaixo de 2%, funciona como fundente no clínquer, mas em teores elevados pode levar à expansão da pasta, o que vem a prejudicar o desempenho dos produtos cimentícios após a hidratação.

O sulfato de cálcio é adicionado ao cimento no intuito de retardar o início da pega que, na sua ausência, tenderia a ocorrer de forma instantânea após a mistura do cimento com a água. Seus teores, que variam de 2% a 5%, dependem da reatividade do C3A, da presença dos álcalis do cimento (Na2O e K2O) e da finura do material.

Cincotto (2011), afirma que a função principal dos cimentos em mistura com água, formando uma suspensão supersaturada, é a de “aglomerar partículas e ligá-las pela formação de produtos hidratados com desenvolvimento de resistência mecânica”. A autora salienta a complexidade do processo de hidratação do cimento, pois, ainda que cada um dos compostos possua uma interação característica com a água, a cinética do conjunto dependerá sempre da interação entre os mesmos, ou seja, seu proporcionamento na massa do conjunto.

Em Silva (2001), é apresentada uma sucinta descrição do processo de hidratação dos grãos de cimento, relacionando o andamento do processo com a liberação de calor. Segundo a autora, a avaliação do processo de liberação de calor de hidratação é uma das técnicas mais utilizadas no estudo do processo de transformação do cimento anidro em fases hidratadas, tais como o C-S-H e o Ca(OH)2, durante os primeiros dias do processo. Desta forma, a autora descreve o processo de hidratação do cimento a partir de aumentos e decréscimos na taxa de liberação de calor devido à reação entre o cimento e a água presente na mistura.

Os primeiros minutos após o contato da água com os grãos de cimento liberam uma quantidade considerável de íons, devido à dissolução de sulfatos alcalinos. Assim, a fase aquosa em torno dos grãos em hidratação inicial encontra-se com elevada concentração de íons K+, Na+_{, SO4}-2 _{e Ca}2+_{, sendo tais reações as responsáveis pelo pico de liberação de calor que ocorre} em questão de minutos após a mistura do cimento com a água. Este pico está marcado na Figura 1 como estágio I do processo.

A alta concentração iônica na região do contato da água com os grãos de cimento e a deposição de um gel hidratado sobre os grãos de cimento acabam por criar uma barreira física que diminui a velocidade da continuidade das reações. O Estágio II é marcado, então, por uma importante redução na taxa de liberação do calor de hidratação, é denominado de indução ou dormência e ocorre entre 30 minutos e 2 horas após a mistura do cimento com a água.

Após o Estágio II, alterações na estrutura química provocam a destruição da camada de gel hidratado dando início a outro período de aumento do calor de hidratação, rápida formação de C-S-H e hidróxido de cálcio, ocorrendo de 3 a 12 horas após a mistura (Estágio III). Além da liberação mais intensa de calor, o aumento da reatividade é percebido pela diminuição da concentração de íons em solução, especialmente os íons Ca2+. Fisicamente a cinética do processo neste estágio é representada pela nucleação e aumento do C-S-H.

Figura 1 - Taxa da evolução de calor de um cimento Portland

Fonte: (ODLER, 1998 apud SILVA 2001)

Os estágios IV, V e VI são marcados por diminuição na liberação de calor devido à escassez de íons cálcio e sulfato, o que remete a um mecanismo diverso do anterior, o de difusão iônica. Alguns cimentos poderão ter incremento de taxa de liberação de calor nos casos de elevados teores de C3A. A formação de C-S-H e hidróxido de cálcio ocorre de forma muito mais lenta e esses estágios duram até 30 horas após a mistura. Após estes fenômenos a hidratação prossegue por um processo topoquímico, ou seja, grão a grão, até que não exista mais água disponível.