Por que o cimento endurece?

Alguns relatos indicam que minerais a base de cálcio foram usados na construção de edifícios desde a Antiguidade. Na arquitetura do antigo Egito, por exemplo, usavam uma liga constituída por uma mistura de gesso calcinado, o sulfato de cálcio aquecido a altas temperaturas. Os gregos usavam terras vulcânicas e as construções romanas, como o Panteão e o Coliseu, parecem ter sido construídas com misturas de areia, calcário calcinado, cinzas vulcânicas e outros materiais. Alguns pesquisadores supõem que os homens pré-históricos já conheciam materiais que se tornavam duros sob ação da água.

Ao perguntar às pessoas de Barroso porque o cimento endurece, elas deram várias respostas:

– “É da natureza da mistura de elementos nele”.

–  “Por causa dos elementos químicos que possui na sua composição”.

– “Devido aos vários produtos em sua composição, sendo o principal o calcário. É usado também argila, minério de ferro, gesso e escória que quando elevados a grandes temperaturas se tornam uma farinha, o clínquer, que ao adicionar água, cascalho e areia, ganha resistência”.

– “Quando ele entra em contato com a água ele sofre uma reação química que o faz endurecer”.

-“Porque ele sofre reações físico-químicas em contato com a água e cristaliza, aglomera, proporcionando assim rigidez”.

– “Por causa da reação que ocorre quando entra em contato com a água suas partículas explodem formando uma base resistente na medida que se expande”.

– “Acontece uma reação química e ele dá liga”.

– “Por causa das ligações químicas”.

– “Pela união molecular”.

– “Seus componentes se ligam”.

– “Formam uma liga resistente após secagem”.

– “Pela sua capacidade aglomerante e aglutinante/serve como cola”.

Assim, a comunidade explicou o endurecimento do cimento como sendo devido à “natureza da mistura de elementos nele”, “aos vários produtos em sua composição”, mas não mais à matéria-prima original (calcário, argila, minério de ferro e areia), e sim aos produtos de suas reações químicas que ocorreram no forno (ver figura abaixo), e também por causa do sulfato de cálcio (gesso) que foi adicionado posteriormente.

Produtos das reações químicas que ocorreram no forno de cimento

“E quando ele entra em contato com a água ele sofre uma reação química que o faz endurecer”, “sofre reações físico-químicas”, “uma reação química que será explicada, entre: Silicato tricálcio, Silicato dicálcio, Alumínio tricálcio, Ferro alumínio tricálcio”.  “Quando ele entra em contato com a água” ocorrem várias reações químicas de hidratação desses compostos, uma série de reações simultâneas e sucessivas e é a partir delas que ocorre a “pega” e o endurecimento do cimento.

Massa de cimento

Fonte: <https://www.mapadaobra.com.br/inovacao/traco-de-concreto-a-importancia-do-cimento/>

Ainda não existe um entendimento completo dessas reações e demais processos envolvidos no endurecimento. “Os cientistas estudaram muito para fazerem o cimento chegar a esse ponto” e continuam estudando para compreenderem essa e outras propriedades. Sabem, contudo, que além das reações de hidratação ocorrem ainda processos de dissolução e dissociação de materiais, difusão ou movimentação na mistura com água, precipitação e crescimento com incorporação de novas unidades moleculares, fenômenos de complexação e também adsorção de substâncias.

Esses processos podem acontecer em série, em paralelo ou segundo combinações complexas e tendo diferentes velocidades. As reações de hidratação ocorrem espontaneamente e são exotérmicas, mas isso não significa que “suas partículas explodem”, mas que ocorre a liberação de calor.  No caso das reações de hidratação do C3S e do C2S, elas produzem hidróxido de cálcio e óxidos hidratados de cálcio e silício.

As reações de hidratação do C3A produzem vários compostos intermediários que se convertem depois em aluminosilicatos hidratados. Na presença de sulfato de cálcio, forma-se uma substância chamada etringita, que é um óxido misto de cálcio, alumínio e ferro hidratado comumente associado a íons sulfato. Essa substância é importante porque ela forma ligações químicas com as outras substâncias do cimento hidratado, fazendo-o endurecer.

O “endurecimento” significa aumento de resistência, dureza e força e ocorre após a “pega”, a mudança do estado fluido para rígido “passando de líquido para sólido”, semelhante ao que apontou uma estudante de uma escola local de Barroso: “o cimento endurece pela união molecular”, “acontece uma reação química e ele dá liga”, forma-se uma “ligação química”,  “a ligação de duas ou mais substâncias que, quando entram em contato, formam uma nova substância com propriedades diferentes”.

Antes da pega, essas ligações são predominantemente formadas por forças de van der Waals. Na medida em que a quantidade dos produtos das reações de hidratação aumentam, ocorre um maior número de ligações, tornando-se mais frequentes as forças eletrostáticas ou iônicas. Isso produz uma rede tridimensional, a “união molecular” dos compostos sólidos formados, a qual leva à perda da plasticidade da pasta, ou seja, à pega. Quanto maior a quantidade de compostos sólidos formados, mais ligações se formarão entre eles, o cimento endurece e passa a ser difícil quebrar a massa por forças externas.

E “quando seca” a água livre evapora, aí “endurece e resiste aos intemperismos”, que é um conjunto de processos mecânicos, químicos e biológicos que ocasionam a desintegração e a decomposição dos materiais. Adquire “resistência à compressão, não desmancha com facilidade”, torna-se “difícil de quebrar, não desmorona facilmente”. “Por causa de sua alta resistência, ele é a cola dos materiais que sustentam o edifício”. Devido à sua capacidade aglutinante, “seu potencial de colagem”, “serve como cola”, fixando os materiais entre si. É, assim, um material aglomerante usado na construção civil.

Fixação de tijolos por massa de cimento endurecida

Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/parede-tijolo-cimento-areia-254058/

Referências:

CIMENTO.ORG, O MUNDO DO CIMENTO. Disponível em: <https://cimento.org/historia-do-cimento/> Acesso: maio, 2020.

HISTÓRIA DO CIMENTO. Disponível em: <https://www.historiadomundo.com.br/curiosidades/historia-do-cimento.htm>. Acesso: maio, 2020.

BULLARD, J. W., JENNINGS, H. M., LIVINGSTON, R. A., NONAT, A., SCHERER, G. W., SCHWEITZER, J. S., SCRIVENER, K. L., THOMAS, J. J. Mechanisms of Cement Hydration. In: BIERNACKI, J. L. Cement and Concrete Research, 2011. Disponível em:

<https://www.researchgate.net/publication/229318656_Mechanisms_of_Cement_Hydration>. Acesso: maio, 2020.

ODLER, I. Hydration, Setting and Hardening of Portland Cement. 4. ed. In: HEWLETT, P. C. LEA’S Chemistry of Cement and Concrete. Oxford: Elsevier, 1988.

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