Otimização da composição do cimento rumo à neutralidade carbónica

Abstract

A indústria de cimento contribui ativamente para o desenvolvimento de um país pois permite a construção de diversas infraestruturas. Esta utiliza recursos e energia para a produção de clínquer (elemento principal) e recorre à descarbonatação de calcário, pelo que pode associar-se a problemas ambientais, como por exemplo a emissão de CO2. Assim, aposta-se cada vez mais na sua substituição, utilizando-se materiais cimentícios complementares. A presente Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química tem como objetivo perceber a influência de aditivos do cimento nas propriedades físico-químicas e mecânicas de argamassas, de modo a otimizar as suas características, rumo à neutralidade carbónica. Esta foi desenvolvida na modalidade de estágio curricular na Cimpor, Indústria de Cimentos S.A, especificamente no Centro de Produção de Souselas, Coimbra (CPS). Foram criadas 4 misturas (RC2, RC3, RC4 e RC5) com o cimento base (RC1) e diferentes percentagens de aditivo. Da realização dos ensaios de carácter químico, foi possível verificar que o aditivo é constituído por compostos siliciosos que não se dissolvem, o que provocou um aumento dos resíduos insolúveis à medida que a percentagem de aditivo aumenta nas misturas. O teor de CaO, cal livre, cloretos e compostos maioritários do cimento, com a exceção do composto alite (C3S), diminuíram, devido à redução de clínquer. As misturas apresentaram um aumento da fase amorfa, pois o aditivo é maioritariamente amorfo (80%). Os ensaios de carácter físico permitiram verificar que o aditivo apresenta o menor valor de massa volúmica, provocando uma diminuição da densidade das misturas. O aditivo apresentou o maior valor de Blaine e conclui-se que este método não é o mais adequado para pós com um Blaine mais elevado do que o cimento. O resíduo de peneiração foi controlado para apresentar o valor pretendido (~11%). A análise granulométrica demonstrou que todas as misturas seguiram o mesmo comportamento da curva de distribuição granulométrica do aditivo, devido ao facto de as misturas não terem sido moídas depois de criadas, pelo que não houve uma uniformidade da distribuição granulométrica. Houve um aumento do tempo de início de presa em função do aumento do teor de aditivo e, consequentemente um aumento do espalhamento, uma vez que este é constituído por partículas esféricas impermeáveis que não absorvem tanta água, pelo que não “prendem” facilmente, provocando uma maior fluidez da argamassa fresca. Relativamente à resistência à compressão, aos 2 e 28 dias, esta diminuiu com o aumento do teor de aditivo. As argamassas curadas das misturas RC3, RC4 e RC5, apresentaram um aumento do crescimento da resistência dos 2 para os 7 dias. Aos 7 dias atingiram-se resistências equivalentes pois os produtos da reação do cimento com aditivo formam uma maior quantidade de alite hidratada, principal responsável pela resistência nos primeiros dias de cura.Foi avaliado o efeito do grau de moagem das misturas nas propriedades das argamassas, através de ensaios físico-químicos e mecânicos. Verificou-se que as misturas RC3 e RC4 alcançaram ganhos nas resistências à compressão. Da análise económica associada à redução de clínquer e custo de energia, para uma produção anual de 250 mil toneladas, a poupança traduziu-se em 340 e 510 mil euros para a mistura RC3 e para a mistura RC4, respetivamente. Assim, a utilização de aditivos é benéfica no que diz respeito à vertente económica e ambiental, uma vez que há redução do composto que mais encarece o processo, o clínquer, e redução de emissões de CO2.

The cement industry actively contributes to the development of a country as it allows the construction of infrastructures. This uses resources and energy to produce clinker (the main element) and uses limestone decarbonation, which can be associated with environmental problems, such as the emission of CO2. Thus, there is an increasing interest on its replacement, using complementary cementitious materials. This Master's Dissertation in Chemical Engineering aims to understand the influence of cement additives on the chemical, physical and mechanical properties of mortars, in order to optimize their characteristics, towards carbon neutrality. This was developed as a curricular internship at CIMPOR, Indústria de Cimentos S.A, specifically at the Souselas Production Center, Coimbra (CPS).Four mixtures (RC2, RC3, RC4 and RC5) were created with the base cement (RC1) and different percentages of additive. By carrying out the chemical tests, it was possible to verify that the additive consists of siliceous compounds that do not dissolve, which caused an increase in insoluble residues as the percentage of additive increases in the mixtures. The content of CaO, free lime, chlorides and major compounds in the cement, except for the alite (C3S) compound, decreased due to the reduction of clinker. The mixtures showed an increase in the amorphous phase since the additive is mostly amorphous (80%).From the physical tests, it was observed that the additive has the lowest density value, causing a decrease in the density of the mixtures. The additive showed the highest Blaine value, and it is concluded that this method is not the most suitable for powders with a higher Blaine than cement. The sieve residue was controlled to give the target value (~11%). The granulometric analysis showed that all the mixtures followed the same behaviour of the additive curve, because the mixtures were not ground after they were created, so there was no uniformity in the granulometric distribution. There was an increase in the setting time as a function of the increase in the additive content and, consequently, an increase in spreading, since the additive is made of spherical impermeable particles that do not absorb much water, so the setting time is longer, causing greater fluidity of fresh mortar.Regarding the compressive strength, at 2 and 28 days, it decreased with the increase in the additive content. The cured mortars of the mixtures RC3, RC4 and RC5, showed an increase in strength growth from 2 to 7 days. At 7 days, equivalent strengths were reached because the products of the cement reaction with the additive form a greater amount of hydrated alite (C3S), main responsible for the compressive strength in the first days of curing.The effect of the degree of grinding of the mixtures on the properties of the mortars was evaluated through physical-chemical and mechanical tests. It was found that the ground RC3 and RC4 mixtures gain in compressive strength. From the economic analysis associated with clinker reduction and energy costs, for an annual production of 250 thousand tons, the savings translated into 340 and 510 thousand euros for RC3 and RC4 mixtures, respectively. Thus, the use of additives is beneficial in terms of economic and environmental aspects, since there is a reduction in the compound that makes the process more expensive, clinker, and a reduction in CO2 emissions.