Balanço de sulfatos e hidratação de cimentos ternários à base de calcário e argilas calcinadas

Abstract

A redução do teor de clínquer em cimentos compostos com materiais cimentícios suplementares (MCS) tem sido uma estratégia mundialmente utilizada para a redução das emissões de gases do efeito estufa pelas indústrias cimenteiras. Subprodutos de diferentes ramos industriais, tais como as cinzas volantes e escórias são utilizados pela indústria do cimento para produção de ligantes com reduzido impacto ambiental. Estudos alertam sobre a elevada demanda de cimento nos próximos anos e, consequentemente, o esgotamento de algumas fontes de MCS que não acompanharão esta demanda. Isto porque há uma tendência na redução de resíduos gerados pelas indústrias e da forte adoção de fontes de energias mais limpas. Desta forma, as argilas calcinadas se destacam, junto ao fíler calcário, como alternativa para a indústria, devido a sua ampla disponibilidade em diversas localidades. No entanto, a otimização de sulfatos e a potencial redução do fator clínquer são fatores que ainda precisam de um maior entendimento nesse tipo de cimento. Assim, o presente trabalho avaliou o balanço de sulfatos (teores entre 2,0 e 6,5% de SO3) e a produção de cimentos ternários compostos com argilas calcinadas e fíler calcário, em teores de substituição de clínquer em 54% e 45%, variando as proporções argila e fíler em 2:1 e 4,4:1. Foram avaliados como referências, um cimento com alto teor de clínquer (OPC) e um cimento do tipo CP IV produzido comercialmente. Como fonte pozolânica, utilizaram-se uma argila com elevado teor de metacaulinita (HMK~80%) e uma argila residual de médio teor (MMK~46%). Pelas análises de termogravimetria, observou-se o elevado consumo de portlandita nas primeiras idades em virtude da reação pozolânica, assim como a formação de fases carboaluminatos a partir da reação sinérgica entre fíler calcário e a argila calcinada. As misturas ternárias apresentaram aumento da demanda mínima de água em relação aos sistemas de referência, sobretudo nas misturas contendo argila MMK. O desempenho mecânico das argamassas ternárias, de modo geral, superou as misturas de referência aos 3, 7 e 28 dias, embora para as dosagens com menor teor de clínquer e menor relação MCS tenham sido ligeiramente inferiores às referências.

The use of supplementary cementitious materials (SCM) has been the most viable strategy for clinker factor reduction in blended cements to reduce carbon dioxide emissions from cement industry worldwide. Byproducts from different industrial branches like fly ashes and slags are suitable as SCM for cement production with low environmental impact. However, studies have established a large demand for cement in the next few years and, hence, some of these materials will not follow the growing demand. Likewise, there is a tendency in the industry sector to reduce the amount of byproducts generated in their process, as well as renewable energy adoption and cleaner processes. Calcined clays and limestone filler arise as an alternative for the cement industry, given their wide availability in several locations. Yet, sulfate optimization in blended cements with low clinker factor is a field that needs more research and comprehension. The following study evaluated sulfate balance (SO3 ratios from 2 to 6,5%) in ternary blended cements with a clinker substitution by SCM within the range of 54% and 45% and calcined clay:limestone ratios of 2:1 and 4.4:1. An Ordinary Portland Cement (OPC) within high amount of clinker produced in the laboratory and a commercial Pozzolanic Portland Cement (CP IV) produced in the industry were used as reference systems. Furthermore, a high metakaolinite clay (HMK~80%) and medium metakaolinite clay (MMK~46%) were used as pozzolanic sources. Portlandite consumption was observed in the thermogravimetric analysis due to pozzolanic reaction in the first days of hydration, as well as carboaluminate phases formation from the synergic effect of limestone and calcined clay reactions. Moreover, minimum water requirement increased significantly in ternary blended cements, mostly for the blends containing calcined clay MMK. Mechanical strength of the ternary compositions evaluated in mortars, in general, overcome the reference systems from 3 to 28 days of hydration. Although, for 54-2:1 dosage, the performance strength was slightly inferior to the reference.