BRPI1002450A2

BRPI1002450A2 - processo de fabricação de pozolana artificial ativada

Info

Publication number: BRPI1002450A2
Authority: BR
Inventors: Arnaldo Dias De Andrade; Rene Ferreira Jr
Original assignee: Cimento Liz S A Empresa De
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-05-15

Abstract

PROCESSO DE FABRICAçãO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA. O presente processo permite a produção de pozolana artificial ativada, obtida a partir de argilas, ou misturas de argilas, com adição de combustíveis, na faixa granulométrica de O a 10 mm, em proporções que variam de 1% até 10% da mistura. Estas argilas, ou misturas de argilas, quando calcinadas à temperaturas entre 600<198>C e 900<198>C, em ambiente redutor, geram a chamada pozolana artificial ativada, que é reativa quando em contato com água, conferindo ao material propriedades aglomerantes.

Description

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA

CAMPO DE APLICAÇÃO

Trata o presente relatório descritivo da Patente de Invenção de processo de fabricação de pozolana artificial ativada, a qual possui larga utilização, como material adicional, em diversos tipos de indústrias, como, por exemplo, na indústria cimenteira; na indústria concreteira; na indústria de argamassa, além de outras.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O presente processo permite a produção de pozolana artificial ativada, obtida a partir de argilas, ou misturas de argilas, com adição de combustíveis, na faixa granulométrica de 0 a 10 mm, em proporções que variam de 1% até 10% da mistura.

Estas argilas, ou misturas de argilas, quando calcinadas à temperaturas entre 600°C e 900°C, em ambiente redutor, geram a chamada pozolana artificial ativada, que é reativa quando em contato com água, conferindo ao material propriedades aglomerantes.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

Os materiais pozolânicos podem ser classificados em dois grandes grupos: naturais e artificiais, embora existam controvérsias no tocante à classificação de certos tipos de pozolanas, como das argilas calcinadas que, segundo alguns autores, são dadas como naturais e, segundo outros, como artificiais. O ponto crucial da questão está em classificar uma rocha cujas propriedades pozolânicas são realçadas com o tratamento térmico.

MALQUORI (1960), MASSAZZA (1976), ABNT (1991) e KITSOPOULOS & DUNHAM (1996), dentre outros, classificam como pozolanas naturais todas as rochas portadoras de atividade pozolânica natural. Por outro lado, MIELENZ et al (1951), MEHTA (1987) e ACI (1994), e outros, admitem como pozolanas naturais também os produtos da calcinação dessas rochas.

Se há controvérsia no que se refere à abrangência da qualificação das pozolanas naturais, ela inexiste no tocante à classificação de subprodutos industriais como pozolanas artificiais.

Dependendo da sua origem, as pozolanas naturais apresentam variações consideráveis nas suas propriedades à medida que variam os componentes ativos das rochas, suas características físicas e mineralógicas.

A forma; finura; distribuição do tamanho das partículas; densidade, e composição mineralógica das pozolanas naturais são também fatores que influenciam na reação pozolânica e, conseqüentemente, no resfriamento e no desenvolvimento da resistência do concreto (ACI 1994).

A reação pozolânica se desencadeia devido à reatividade da sílica e da alumina com o hidróxido de cálcio, motivada pela fraqueza e instabilidade de suas ligações estruturais no material original - caso do vidro vulcânico ou das argilas calcinadas (MALQUORI 1960).

Tomando como referência a composição química e mineralógica das próprias pozolanas, MIELENZ et al. (1951) as classificaram quanto à sua atividade-tipo, a qual foi expressa pela afinidade e intensidade de reação do hidróxido de cálcio com o tipo de componente ativo presente no compósito mineralógico, em presença da água, independentemente da origem da rocha.

Uma definição mais formal da ASTM (especificação C618-72) descreve pozolana como um silicoso, ou material silicoso-aluminoso, que em si mesmo possui pequeno ou nenhum valor cementício, mas poderá, em uma forma finamente dividida, e na presença de umidade, reagir quimicamente com hidróxido de cálcio em temperaturas tais que possuam propriedades cementícias. E essencial que a pozolana esteja em um estado finamente dividido para que ocorram as reações na presença da água para formar estáveis silicatos de cálcio que possuem propriedades cementícias.

Os materiais pozolânicos são comumente descritos como: cinzas vulcânicas (a pozolana original); pumicitas; xistos de opalinas; terras de diatomáceas calcinadas; barro queimado; cinzas volantes, além de outros. Por último, também conhecida como cinzas de combustível pulverizadas, é, provavelmente, a pozolana artificial mais comum. As partículas das cinza volantes são esféricas, o que é vantajoso do ponto de vista de exigência de água, e são aproximadamente de mesma área superficial que o cimento, de forma que a sílica fica prontamente disponível para reação. Considerando as pozolanas em geral, o componente sílica tem que ser amorfo pois a sílica cristalina possui baixa reatividade.

A ASTM C Standard 595-72 descreve o cimento Portland-pozolana como tipo IP, e limita o conteúdo de pozolana entre 15% e 40% do peso de cimento Portland-pozolana. As pozolanas freqüentemente são mais baratas do que o cimento Portland que elas substituem, e possuem a característica de uma hidratação lenta, e sua baixa taxa de desenvolvimento de calor é de grande importância na construção em massa, e é por isso que o cimento Portland-pozolana, ou uma substituição parcial do cimento Portland pela pozolana, é bastante utilizado.

Quando as pozolanas são usadas em substituição parcial do cimento, o cimento e a pozolana são agrupados separadamente e misturados com outros ingredientes no misturador. As propriedades exigidas das pozolanas para um determinado propósito são prescritas pela ASTM Standard C 618- 72. Para cinzas de combustível pulverizadas, são necessárias as seguintes principais propriedades: um conteúdo mínimo de sílica; 70% de alumínio e óxido férrico; um máximo conteúdo de 5% de SO3; uma máxima perda ao fogo de 12%, e um conteúdo máximo de álcalis (expresso como Na2O) de 15%. O último valor só é aplicável quando as cinzas volantes forem usadas com agregados reativos.

Para uma avaliação da atividade pozolânica com o cimento, a especificação prescreve a medida de um índice de atividade pozolânica, o que é estabelecido pela determinação de resistência da mistura da substituição especificada do cimento pela pozolana.

O mineral aditivo metacaulim pode apresentar pozolanicidade, e é produzido, através de caulim calcinado, como uma alternativa de redução do custos na construção, pela substituição parcial do cimento Portland; porém, este potencial depende de algumas características do metacaulim, tais como, ótima temperatura de calcinação, e elevada área superficial específica, estando a pozolanicidade entre a mais importante.

Assim, as pozolanas podem baratear o custo das argamassas de cimento Portland através de sua adição, e são, geralmente, utilizadas por razões econômicas trazendo as suas benéficas propriedades ao material de argamassa ou de concreto.

Apesar dos estudos com relação ao metacaulim no concreto serem recentes, o seu emprego como material pozolânico precede ao uso do cimento, visto que a calcinação de argilas cauliníticas era a principal fonte deste tipo de material. Segundo PAPADIKIS e VENUAT (1968), os romanos utilizavam um material pozolânico, proveniente da moagem de telhas e de tijolos cerâmicos, em locais onde não havia a disponibilidade de tufos e cinzas vulcânicas.

Para que a argila caulinítica possa desenvolver atividade pozolânica existe a necessidade que a mesma sofra um processo de calcinação, em temperaturas entre 500°C e 800°C, e, posteriormente, a moagem, visando diminuição da sua granulometria. Quando o processo de moagem reduz o tamanho das partículas a valores inferiores a 5μπι, constata-se uma excelente atividade pozolânica, sendo denominado por alguns autores como metacaulim de alta reatividade. Esta capacidade pozolânica faz com que este material possa substituir parte do cimento no concreto, com o objetivo de aumentar a sua durabilidade e a sua resistência.

Contudo, a produção do MCAR pode apresentar problemas devido ao tratamento térmico e ao processo de moagem, haja vista que geralmente este material tende a apresentar valores bem variados, que decorrem da natureza e da finura da argila empregada. Em função desta variabilidade, os fatores relacionados à calcinação, como temperatura e tempo de queima, e os fatores relacionados à moagem, como tempo e tipo de moinho, passam a ter uma grande importância, visando a garantia da pozolanicidade das argilas, quando calcinadas à baixas temperaturas.

DESCRIÇÃO PREFERIDA DA INVENÇÃO

Desse modo, o objetivo principal do presente processo de fabricação de pozolana artificial ativada, que consiste em calcinar uma argila, ou uma mistura de argilas, em forno horizontal, com adição de combustível conjuntamente à alimentação da argila, ou da mistura de argilas. O combustível utilizado pode ser o coque de petróleo moído, moinha vegetal moída, carvão vegetal ou mineral moídos, com granulometria entre OelO mm, e, dependendo da argila, ou da mistura de argilas, e do combustível utilizado, a proporção de combustível da alimentação pode varia de 1% até 10%. A temperatura do forno, medida na zona de queima, deverá está entre 600 a 900 °C, devendo ainda o ambiente no interior do forno ser redutor, com o nível de CO, variando, na saída do forno, entre 0,50 e 3,00%, e o tempo de residência do material no forno deverá ser de 40 a 70 minutos.

Com esse processo produtivo as argilas calcinadas tendem a reduzir a intensidade, ou eliminar a cor avermelhada, após sua ativação e respectivo resfriamento. Os tons de cores passam de vermelho intenso a marrom escuro, cinza claro ou cinza escuro, o que depende do tipo de argila e temperatura de calcinação.

A redução do tom avermelhado viabiliza o uso das argilas calcinadas nos cimentos, como material cimentício, sem necessidade de tratamentos adicionais e/ou misturas com outros materiais cimentícios para controle da cor; ou seja, mantendo-a o mais próximo possível das cores originais dos cimentos tipo Portland.

A pozolana artificial ativada poderá, na saída do forno, ser resfriada por ar em contra corrente, ou resfriada pela temperatura ambiente em um estoque.

O controle de qualidade da argila, ou misturas de argilas, produzida pode ser realizado pela perda ao fogo ou pela perda por calcinação da pozolana artificial ativada na saída do forno, o que dependendo da argila, ou mistura de argilas, poderá se situar entre 0,50 e 11%.

A atividade da argila, ou da mistura de argilas, se deve à atividade pozolânica aos argilominerais dos óxidos de alumínio do tipo gama e dos hidróxidos de alumínio, os quais devem ser calcinados para produzir propriedades pozolânicas satisfatórias; algumas argilas calcinadas resultam em excelentes pozolanas, especialmente as argilas contendo caulinita e montmorilonita para o controle da reação álcali-agregado.

As propriedades pozolânicas das argilas calcinadas são obtidas à cerca de 500 °C, sendo otimizadas à temperaturas entre 600 a 900 °C, e, acima de 900 °C se perde a atividade pozolânica, devido à formação de compostos cristalinos estáveis.

As argilas usadas como pozolanas geralmente contêm de 50 a 65% de S1O2, e de 17 a 38% de Al2O3, sendo que a atividade pozolânica aumenta na medida que aumenta o teor de AL2O3, o que sugere que um composto de alumínio contribui para a atividade pozolânica, formando, provavelmente, um aluminato de cálcio, e, em face desse fator, tem-se que a bauxita calcinada, rica em óxido de alumínio gama, se constitui em um excelente material pozolânico.

Devido a influência crítica da temperatura de calcinação nas propriedades das argilas, a produção deve ser cuidadosamente controlada para obter-se uma pozolana uniforme.

As variações da atividade pozolânica das argilas, em função da temperatura, estão correlacionadas às variações estruturais que ocorrem nos diferentes argilominerais, sendo essas transformações esquematicamente representadas pelas equações:

(400 a 700 °C) (975°C)

3(A1203.2Si02.2H20)^6H20+3(A1203.2Si02)(metacaulimoumetacaulinita)^Nucleação

O maior grau de desordem cristalina está na fase Metacaulinita, que contém alumina e sílica de elevada área específica e de grande atividade química.

Desta forma é razoável concluir que o componente com atividade pozolânica nas argilas cauliniticas calcinadas é a Metacaulinita, e que o produto formado pela reação entre Metacaulinita e hidróxido de cálcio é, provavelmente, uma mistura de silicatos e aluminatos de cálcio, possivelmente hidratados. A caulinita sem calcinar não possui nenhuma atividade pozolânica, e não reage com hidróxido de cálcio.

Com o processo acima descrito tem-se também a redução do Fe2O3, devido ao carbono do combustível e do ambiente redutor no forno, com presença de CO, e, com isso, haverá uma mudança na cor da argila, ou da mistura de argilas, calcinadas no forno rotativo.

A pozolana artificial ativada produzida no forno horizontal, através do processo acima descrito, deverá atender as seguintes normas: NBR 5736 - Cimento Portland pozolânico;

NBR 5737 - Cimentos Portland resistentes a sulfatos;

NBR 12653 - Materiais pozolânicos;

NBR 5751 - Materiais pozolânicos - Determinação de atividade pozolânica - índice de atividade pozolânica com cal;

NBR - 5752 - Materiais pozolânicos - Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland - índice de atividade pozolânica com cimento, e

NBR - 5753 - Cimento Portland - ensaio de pozolanicidade para cimento Portland pozolânico.

Claims

1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, caracterizado pelo fato da calcinação de uma argila, ou de uma mistura de argilas, em forno horizontal, ser efetuada com adição de combustível, conjuntamente com a alimentação da argila, ou da mistura de argilas.

2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do combustível poder ser coque de petróleo moído, moinha vegetal moída, carvão vegetal ou mineral moídos, com granulometria entre OelO mm.

3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, dependendo da argila, ou da mistura de argilas, e do combustível, a proporção de combustível da alimentação pode variar de 1% até 10%.

4. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura do forno, medida na zona de queima, deverá está entre 600 a 900 0C5 devendo ainda o ambiente no interior do forno ser redutor, com o nível de CO, variando, na saída do forno, entre 0,50 e 3,00%.

5. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tempo de residência do material no forno deverá ser de 40 a 70 minutos.

6. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as argilas calcinadas tenderem a reduzir a intensidade, ou eliminar, a cor avermelhada, após sua ativação e respectivo resfriamento, podendo, em função do tipo da argila e da temperatura de calcinação, tons entre o marrom escuro e o cinza claro.

7. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da redução do tom avermelhado viabilizar o uso de argilas calcinadas, como material cimentício, sem necessidade de tratamentos adicionais e/ou misturas com outros materiais cimentícios para controle da cor.

8. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do material poder ser resfriada, na saída do forno, por ar em contra corrente ou por temperatura ambiente.

9. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da perda ao fogo ou pela perda por calcinação da pozolana artificial ativada, na saída do forno, dependendo da argila, ou da mistura de argilas, poder se situar entre 0,50 e 11%.

10. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da argila, ou da mistura de argilas, apresentar atividade pozolânica aos argilominerais dos óxidos de alumínio do tipo gama e dos hidróxidos de alumínio.

11. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das argilas utilizadas conterem caulinita e montmorilonita para o controle da reação álcali-agregado.

12. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das argilas utilizadas conterem de 50 a 65% de S1O2, e de 17 a 38% de Al2O3.

13. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POZOLANA ARTIFICIAL ATIVADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo seu processamento tem-se também a redução do Fe2O3, devido ao carbono do combustível e do ambiente redutor no forno, com presença de CO, ocorrendo, com isso, a mudança na cor da argila, ou da mistura de argilas, calcinadas no forno rotativo.