Desenvolvimento e caracterização de cimentos LC3 – cimentos ternários a base de argila calcinada e calcário – a partir de matérias primas do Rio Grande do Sul

Abstract

A substituição de uma fração do clínquer por Materiais Cimentícios Suplementares (MCS) tem sido utilizada há décadas e com eficiência pela indústria cimenteira como medida para reduzir seu impacto ambiental. Levantamentos realizados tanto a nível nacional quanto global, no entanto, demonstram que a disponibilidade dos MCS tradicionalmente mais utilizados, a exemplo da escória de alto forno (GGBS) e da cinza volante (CV), não irá acompanhar o crescimento da produção de cimento nos próximos anos, especialmente em países em desenvolvimento como o Brasil. Recentemente, a utilização de fíler calcário e argila calcinada como MCS tem ganhado crescente interesse internacional com o desenvolvimento dos cimentos ternários LC³ (Limestone Calcined Clay Cement). Diversos estudos demonstraram que a substituição de até 45% do clínquer por uma combinação destes dois materiais é capaz de obter desempenho similar ao cimento Portland sem adições, mesmo com a utilização de argilas com baixo teor do argilomineral caulinita. A principal vantagem desses MSC está em sua ampla disponibilidade na natureza, em quantidades que superam a produção mundial de cimento. À vista disso, essa pesquisa teve por propósito avaliar a viabilidade da utilização de fontes diversas de matérias primas do RS para produção de cimentos LC3 com baixo teor de clínquer (50%). Foram produzidos quatro cimentos LC3, na proporção 50:30:15:5 (clínquer:argila calcinada:calcário:gipsita), variando a fonte de argilominerais (uma argila natural e um resíduo) e dois tipos de calcário. Para comparação foram produzidos um cimento referência com 45% de pó de quartzo e um CP IV com 40% de CV. Os cimentos produzidos foram caracterizados e comparados com ênfase nos produtos de hidratação, na cinética de hidratação, na demanda de água, na reologia e na resistência à compressão até os 91 dias. Enquanto os cimentos REF e CP IV demonstraram, basicamente, o desenvolvimento das fases etringita, portlandita e monossulfoaluminato, foi também visível nos cimentos LC3 a formação de fases carboaluminatos (mono e hemicarboaluminatos), com maior intensidade a partir dos 7 dias. Uma maior demanda de água (de 5 a 18%), tensão de escoamento (de 8 a 104%) e viscosidade (de 2,7 a 5,3 vezes superior) foram identificadas nas pastas com argila calcinada em comparação ao CP IV, em função da elevada finura e formato irregular das partículas dos argilominerais. O elevado desenvolvimento de resistência aos 7 dias alcançado com a utilização da argila natural, 88% superior ao CP IV, apresenta-se como um diferencial dos cimentos LC³ em relação aos demais cimentos com MCS presentes no mercado.

Clinker replacement by Supplementary Cementitious Materials (SCM) has been used for decades and efficiently by the cement industry as a measure to reduce its environmental impact. However, studies carried out both nationally and globally demonstrate that the availability of the most traditionally used SCM, such as blast furnace slag (GGBS) and fly ash (FA), will not follow the growth in cement production in the coming years, especially in developing countries such as Brazil. Recently, the use of limestone and calcined clay as SCM has received increased international interest with the development of LC³ cements (Limestone Calcined Clay Cement). Several studies have shown that the replacement of up to 45% of clinker by a combination of these two SCM is able to obtain a similar performance to Ordinary Portland Cement (OPC), even with clays with low kaolinite content. The main advantage of these SCM is their wide availability in nature, in quantities that exceed the world production of cement. This research aimed to evaluate the feasibility of using various sources of raw materials from the RS for the production of LC3 cements with low clinker content (50%). Four LC3 cements were produced, with a 50:30:15:5 ratio (clinker:calcined clay:limestone:gypsum), varying the source of clay minerals (a natural clay and a residue) and two types of limestone. For comparison, a reference cement with 45% quartz powder and a CP IV with 40% FA were produced. Cements produced were characterized and compared with emphasis on hydration products, hydration kinetics, water demand, rheological properties and compression strength up to 91 days. While REF and CP IV cements basically demonstrated the development of the etringite, portlandite and monosulfoaluminate phases, the formation of carboaluminate phases (mono and hemicarboaluminates) was also present in LC3 cements, with greater intensity from 7 days on. A higher water demand (from 5 to 18%), yield stress (from 8 to 104%) and plastic viscosity (from 2.7 to 5.3 times higher) were identified in the pastes with calcined clay compared to CP IV, due to the high fineness and irregular shape of the claymineral particles. The high strength development at 7 days achieved with the use of natural clay, 88% higher than CP IV, is a differential of LC³ cements in relation to other cements with SCM present in the market.