Propriedades físico-químicas, hidratação e reologia de cimentos ternários com reduzido teor de clínquer a partir de argila não calcinada e fíler calcário

Abstract

Em virtude da sua versatilidade, o cimento Portland se consolidou como material de construção civil indispensável para a sociedade em diversas aplicações, contemplando obras de infraestrutura, indústria e habitação. Como a produção do cimento convencional emite altos teores de gases de efeito estufa, as indústrias desse setor têm investido continuamente em pesquisas que analisam a viabilidade técnica da incorporação de materiais cimentícios suplementares (MCS). A redução da quantidade de clínquer no cimento, principal responsável pelo impacto ambiental, é o que motiva estas mudanças. Entre os principais candidatos, as argilas e os calcários possuem alto potencial de incorporação em virtude de sua disponibilidade e distribuição territorial relativamente homogênea. Embora esses dois MCS sejam bastante conhecidos pela indústria, a utilização de argilas não calcinadas em matrizes ternárias com adição de calcário é um assunto ainda pouco explorado, apesar desta aparentar ser uma solução viável economicamente e ambientalmente. Assim, o objetivo deste trabalho foi produzir e caracterizar cimentos e pastas com adição de argila não calcinada e fíler calcário em teores de substituição total de 45% e 55% quanto às principais propriedades reológicas, físico-químicas e mecânicas. Para tanto, foram produzidos oito traços de cimento com teores de argila entre 30% e 55% e de calcário entre 0% e 15%. O programa experimental foi subdivido em duas fases: a primeira consistiu-se na caracterização física e química das matérias-primas e a segunda na produção e caracterização dos cimentos e pastas. Nesse segundo caso, os cimentos foram ensaiados por reometria rotacional, mini-slump, calorimetria isotérmica, difratometria de raios X em pastas e resistência à compressão em argamassa em diferentes idades. A reometria rotacional para a determinação do teor de saturação de aditivo superplastificante se mostrou coerente com a composição do traço e com a demanda mínima de água, sendo a tensão de escoamento e viscosidade proporcionais ao teor de argila no sistema. Os resultados obtidos de calorimetria isotérmica enquadram esses cimentos como sendo de baixo calor de hidratação e os tempos de início de pega se mostraram coerentes com os previstos para um cimento Portland CP IV. Por fim, os resultados de difratometria de raios X evidenciam a formação das fases aluminatos nas primeiras idades e a resistência à compressão sugere que o melhor proporcionamento produzido, do ponto de vista mecânico, é aquele com substituição de 45% de clínquer por 40% de argila e 5% de calcário, sendo os resultados, inclusive, superiores aos do referência comercial nas primeiras idades.

Portland cement has become an essential building material for society due to its versatility and is commonly used in infrastructure, industry, and housing projects. As conventional cement production emits high levels of greenhouse gases, industries have continuously invested in research to analyze the technical feasibility of incorporating supplementary cementitious materials (SCM) to reduce the amount of clinker in cement. Among the main candidates, clays and limestone have greater potential for incorporation due to their availability and relatively homogeneous territorial distribution. Although these two SCM are well known by the industry and appear to be an economically and environmentally viable solution, the use of natural clays (without artificial thermal treatment) in ternary cement blends with the addition of limestone is little explored. Thus, this work aimed to produce and characterize cements and pastes with the addition of natural clay and limestone in total substitution levels of 45% and 55%. The rheological, physical-chemical and mechanical properties were investigated. The experimental program was conducted on eight cements produced with clay (content between 30% and 55%) and limestone (content between 0% and 15%) in two phases. In the first phase, the physical and chemical characterization of raw materials were analyzed, and the second phase involved the production and characterization of cements and pastes. In the second one, the cements were tested by rotational rheometry, mini-slump, isothermal calorimetry, X-ray diffraction in pastes and compressive strength in mortar at different ages. Rotational rheometry demonstrated consistency in determining the saturation content of the superplasticizer admixture based on the mix composition and the minimum water demand, with the yield stress and viscosity proportional to the clay content in the system. The isothermal calorimetry results classified these cements as low hydration heat and the initial setting time were consistent with those predicted for a Pozzolanic cement (CP IV). Finally, X-ray diffraction results show the formation of the aluminate phases in early ages. From the mechanical properties point of view, the compressive strength suggests that the best proportion was replacing 45% clinker by 40% clay and 5% limestone. In this case, the results were even higher than those of the reference sample at early ages.