Influência das características físico-químicas das fases do clínquer no comportamento reológico de pastas cimentícias

Abstract

Resumo: A qualidade do cimento Portland depende de uma série de etapas do processo fabril, entre elas estão as matérias primas empregadas, as condições de homogeneização e moagem, a sinterização, o combustível utilizado na queima e a velocidade do resfriamento. Alterações nessas etapas podem promover diferenças como: proporção entre as fases do clínquer, tamanho dos grãos, contorno dos grãos, presença de polimorfo entre outros aspectos, que afetam a cinética de hidratação e o comportamento reológico. Assim sendo, optou-se por eliminar as variáveis inerentes do processo de produção a partir da síntese das quatro principais fases do clínquer: 3CaO.SiO2 (C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), e 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF). Foram então elaborados quatro sistemas de formulações: o monofásico, apenas a fase pura; o bifásico, interação entre fase e gipsita, a qual controla a hidratação do C3A; o trifásico, aluminatos (C3A e C4AF) com a gipsita; e, por fim, o polifásico, todas as quatro fases do clínquer e a gipsita, sendo as formulações semelhantes aos cimentos industriais. Nas análises de caracterização física das fases e das formulações foram avaliadas a distribuição granulométrica, a área superficial especifica (ASE) e a densidades. Foram calculadas a área superficial volumétricas de sólidos (ASV), a porosidade e a distância de separação entre partículas (IPS). Quanto às análises de caracterização química foram empregadas a difração de raios X, a perda ao fogo e a fluorescência de raios X. As análises de hidratação das pastas foram realizadas a calorimetria isotérmica e a difração de raios X. Para avaliar o comportamento reológico foi empregado o ensaio de fluxo cisalhante, sendo realizado o ensaio de fluxo após a mistura até um período de 150 min. Empregou-se o modelo matemático de Bingham para o tratamento dos dados reológicos. A partir das análises de hidratação e reológica foi possível entender a interação entre cada fase e a gipsita, assim como identificar a influência física e química das composições no comportamento reológico no decorrer do tempo. As características físicas como ASE, ASV e IPS apresentaram maior influência no comportamento reológico até 90 min. A medida que aumenta a ASE e a ASV a tensão de escoamento também aumenta, assim como a viscosidade plástica. O aumento do IPS promove diminuição na viscosidade e na tensão de escoamento. Foi possível verificar a influência das fases C3S e C3A/CaSO4.2H2O no resultado de tensão de escoamento. A tensão de escoamento e a resistência ao fluxo calculada apresentaram boas correlações em função do tempo, assim como a viscosidade plástica. Palavras-Chave: Hidratação do cimento. Reologia. Fases do clínquer. Cimento.

Abstract: The quality of Portland cement depends on a number of production process steps, among them are the raw materials used, the homogenization and milling conditions, the sintering, the fuel used in the burning and the speed of the cooling. Alterations in these steps may promote differences such as: ratio between clinker phases, grain size, grain boundary, presence of polymorph, among others, affecting hydration kinetics and rheological behavior.Therefore, it was decided to eliminate the inherent variables of the production process, from the synthesis of the four main phases of the clinker: 3CaO.SiO2 (C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C3A), and 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF). Four formulation systems were then prepared: pure phase only; the interaction between phase and gypsum; the aluminates (C3A and C4AF) with the gypsum; and finally to polyphasic systems, all four phases of clinker and gypsum, with compositions similar to industrial cements. For the analyzes of the physical characterization of the phases and the formulations, the granulometric distribution, the specific surface area (ASE) and the densities were evaluated. The volumetric surface area of solids (ASV), as well as porosity and separation distance between particles (IPS) were calculated. As for the chemical characterization analyzes, Xray diffraction, teh loss on ignition and X-ray fluorescence were used. In the hydration analysis of cement pastes were carried out experiments isothermal calorimetry and X-ray diffraction.To evaluate the rheological behavior, the shear flow test and the flux assay were performed immediately after the mixture until a period of 150 min. The mathematical model of Bingham was used for the treatment of the rheological dataFrom the analysis of hydration and rheology it was possible to understand the interaction between each phase and gypsum, as well as to identify the physical and chemical influence of the compositions on the rheological behavior over time. Physical characteristics such as SSA, VAS and IPS showed greater influence on rheological behavior up to 90 min. As the SSA and VAS increase the yield stress also increases, as does the plastic viscosity. The increase in IPS promotes a decrease in viscosity and yield stress. It was possible to verify the influence of the C3S and C3A/CaSO4.2H2O phases on the yield stress result. The yield stress and flow resistance showed good correlations with time and the with plastic viscosity. Keywords: Cement Hydration. Rheology. Phases of the clínquer. Cement.