Por que o cimento endurece?

O cimento tem suas raízes na arquitetura monumental do Antigo Egito, onde usavam uma liga constituída por uma mistura contendo gesso calcinado ou sulfato de cálcio aquecido a altas temperaturas. As grandes obras gregas ou romanas, como o Panteão e o Coliseu, foram construídas com terras de origem vulcânica que têm propriedades de endurecimento sob a ação da água. Devido a isso, esses materiais estão, de certa forma, nas origens do cimento.

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

– “Foi feita uma análise em laboratório, juntando todos os componentes do cimento ocorrendo uma reação química”.

– “Porque ocorre uma reação química entre o aglomerado cimento e aglomerante calcário”.

– “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”.

– “Porque endurece quando mistura com água seus componentes químicos e se transforma em argamassa para uma construção”.

– “É utilizado na construção civil pela sua capacidade aglomerante, em contato com a água, pode ser moldado e em pouco tempo fica duro como pedra”.

– “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”.

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

-“Ele endurece devido ao fato de que durante o processo o cimento recebe matérias primas, que em contato com água ou até mesmo outros materiais, formam uma liga resistente após secagem (desidratação)”.

A comunidade explicou o endurecimento do cimento como sendo devido à sua “composição”, “seus componentes”, “elementos químicos”, às substâncias minerais presentes que se formaram durante o cozimento do calcário com a argila, as quais “em contato com a água” fazem com que o cimento possa “ser moldado” e sofra “reações físico-químicas”, “uma reação química que o faz endurecer”, cristalizar, aglomerar, “proporcionando assim rigidez”, ele “ganha resistência”, “endurece“, “fica duro como pedra”, forma “uma liga resistente após secagem”. Assim, o cimento, ao se misturado com a água adquire uma “capacidade aglomerante”, cuja principal característica é endurecer, e “aglutinante”, capaz de unir, juntar.

“Os cientistas estudaram muito para fazerem o cimento chegar a esse ponto”. O engenheiro civil britânico John Smeaton conseguiu no século XVIII obter um produto de alta resistência por meio de calcinação de calcários moles e argilosos. Foi então que ocorreu esse marco da criação do cimento artificial. No ano de 1758, Smeaton foi incumbido da tarefa de desenvolver um material que pudesse resistir à ação erosiva da água do mar. Empregando o uso de uma cinza vulcânica oriunda da Itália, conhecida como pozolana, ele criou uma mistura resistente após a calcinação de calcários argilosos moles produzindo um cimento de excelente qualidade e que veio a ser utilizado na construção do Farol de Eddystone, o qual durou mais de um século. Mas, não foi Smeaton quem foi considerado o inventor do cimento artificial, e sim o francês Louis Vicat, em 1818, o qual obteve resultados semelhantes aos de Smeaton pela mistura de componentes argilosos e calcáricos.

Tempos depois, em 1824, o construtor inglês Joseph Aspdin queimou pedras calcárias e argila, transformando-as num pó fino. Assim percebeu que obtinha uma mistura que, após secar, tornava-se tão dura quanto às pedras empregadas nas construções. A mistura não se dissolvia em água e foi patenteada pelo construtor no mesmo ano, com o nome de cimento Portland, que recebeu esse nome por apresentar cor e propriedades de solidez e durabilidade semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland.

O “endurecimento” se refere ao aumento de resistência de uma pasta de cimento após a pega, à mudança do estado fluido para rígido, conforme apontou uma estudante de uma escola local de Barroso: “o cimento endurece pela união molecular”, “passando de líquido para sólido”, ou seja, o “endurecimento”. “Por causa de sua alta resistência, ele é a cola dos materiais que sustentam o edifício, como brita, ferragem e etc.”. São aglomerantes ou materiais empregados na construção civil para fixar ou ajuntar outros materiais entre si, “acontece uma reação química e ele dá liga”, ocorre a “ligação química”.  “Entendo por ligação química a ligação de duas ou mais substancias que, quando entram em contato, formam uma nova substancia com propriedades diferentes”.

Ao misturar os materiais, nada ocorre se não houver a adição de água. Porém, quando ela é adicionada, observa-se que o cimento “serve como cola”. Isto ocorre devido às substâncias presentes no cimento, “o componente químico no qual se transforma reage com água causando seu endurecimento”. Estas substâncias (silicatos e aluminatos de cálcio) têm a propriedade de se combinar quimicamente com a água, ou seja, reagem com ela. E “misturado com a água ele se torna homogêneo”, a aparência da mistura torna-se uniforme a olho nu, como se fosse formada por apenas uma fase, mas quando seca endurece e resiste aos intemperismos”, que é um conjunto de processos mecânicos, químicos e biológicos que ocasionam a desintegração e a decomposição dos materiais.

Para responder a pergunta inicial, é necessário retomar os principais compostos químicos do cimento Portland discutidos em ‘Como o cimento é produzido atualmente?’, pois os componentes são os responsáveis pelo início de pega e endurecimento da pasta de cimento (nome dado à substância pastosa após adicionar água ao cimento), em termos gerais, ‘pega’ refere-se às etapas do processo de “endurecimento”, “solidificação” ou “enrijecimento” do cimento.

 “O que percebe é uma reação química que será explicada, entre: Silicato tricálcio, Silicato dicálcio, Alumínio tricálcio, Ferro alumínio tricálcio”. Na presença de água, os silicatos e os aluminatos formam produtos de hidratação que possuem características de pega e endurecimento. A perda de consistência (enrijecimento) e solidificação do cimento (pega) são características da hidratação dos aluminatos, enquanto os silicatos são responsáveis pelo desenvolvimento da resistência (endurecimento). “O cimento pertence à classe dos materiais mais classificados como aglomerantes hidráulicos”, os quais são caracterizados por endurecerem pela ação da água: “esse tipo de material em contato com a água entra em processo físico-químico tornando-se um elemento sólido com grande resistência à compressão e resistente à agua e a sulfatos”, ou seja, têm a propriedade de não ser desgastado pela ação da água e ser resistente aos meios agressivos sulfatados, tais como os encontrados nas redes de esgotos ou industriais, na água do mar e em alguns tipos de solos.

Os aluminatos, tricálcico (C3A) e ferro aluminato tetracálcico (C4AF), são aglomerantes formados a partir da cristalização do material que se funde durante o processo. A gipsita faz parte desse processo (um composto de sulfato de cálcio hidratado CaSO4.2H2O), ou seja, do “gesso, que tem facilidade em secagem” usado no cimento para regular o tempo de pega e mantê-lo trabalhável por mais tempo. A hidratação desses resulta na formação de etringita (substância formada por Sulfoaluminato de Cálcio, resultante da reação do cimento com a água). A etringita assume formas de agulhas minutos após o início da hidratação, e são estas as responsáveis pelo fenômeno da pega. O C3A é o primeiro a reagir, análogo ao C4AF, cuja composição supõe-se que seja a mais estável utilizada para representar a solução sólida como um todo e imprimir resistência à corrosão química do cimento, reagem da seguinte forma:

(CaO)3.Al2O3 + CaO + 12H2O → (CaO)4.Al2O3.12H2O           (reação do C3A)

(CaO)4Al2O3Fe2O3 + CaO + 12H2O → (CaO)5Al2O3Fe2O3.12H2O      (reação do C4AF)

Formação da etringita:

(CaO)3.Al2O3 (clínquer do cimento) + 3CaSO4.2H2O (gesso misturado ao cimento) + 26H2O (água)

C6AS3H32 Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O (etringita)

A cura é uma série de procedimentos adotados para controlar a hidratação do cimento, para que o concreto endureça corretamente e as estruturas apresentem, após o processo completo, o desempenho esperado. Uma das principais funções da cura é evitar que o concreto perca água para o ambiente e retraia abruptamente, o que acarreta o surgimento de fissuras. Para uma boa cura não basta deixar o concreto simplesmente secar ao tempo. Deve se mantêm um teor de umidade satisfatório, evitando a evaporação de água da mistura, garantindo ainda, uma temperatura favorável (acima de 10°C) ao concreto durante o processo de hidratação dos materiais aglomerantes, de modo que se possam desenvolver as propriedades desejadas. Quanto mais tempo durar a cura (até três semanas), melhor será para o concreto.

A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após a mistura com a água. A hidratação do C3S e C2S origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito variada e são representados pelas fórmulas apresentadas anteriormente e hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, compostos que preenchem o espaço ocupado previamente pela água e pelas partículas de cimento em dissolução.

O C3S possui elevada velocidade de hidratação e é responsável pela resistência e endurecimento do cimento. Ele reage da seguinte forma:

(CaO)3.SiO2 + 4H2O → CaO.Si2.2H2O + 2Ca(OH)2

2[(CaO)3.SiO2] + 6H2O →[(CaO)3(SiO2)]2.3H2O + 3Ca(OH)2

O C2S, que contribui significativamente nas resistências mecânicas do cimento, a longo prazo, reage mais tarde do seguinte modo:

2(CaO)2.SiO2 + 8H2O → 2CaO.Si2.5H2O + 2Ca(OH)2    

2[(CaO)2.SiO2] + 6H2O →(CaO)3(SiO2)2.3H2O + 3Ca(OH)2

Os cristais de C-S-H formados são pequenos e fibrilares (em forma de fibras) e o Ca(OH)2 forma grandes cristais prismáticos.

As fases dos silicatos e dos aluminatos hidratados começam a criar algumas ligações interpartículas (que acontece ou se realiza entre partículas), e resulta no endurecimento progressivo da pasta. Após algumas horas, a velocidade da reação começa a diminuir. Isto se deve ao fato de alguns grãos de cimento que não reagiram estarem cobertos por uma camada de hidratos (que se torna cada vez mais espessa com o passar do tempo). Esta camada dificulta as moléculas de água chegarem às partes não hidratadas.

O produto resultante é pouco solúvel em água não agressiva, que não tem tendência a dissolver componentes dos materiais com que contata. Quando a água é dita agressiva, ocorre a formação de ferrugem se as tubulações são de ferro ou aço. Pode também dissolver os componentes calcários contidos no cimento ou ‘betão’, mistura de cascalho, água e cimento que formam o concreto, o que fragiliza a estrutura dos reservatórios e outras construções.

             Desta forma, o tempo de início de pega (quando se inicia o endurecimento) deve ser visto e respeitado com muito rigor. A partir deste momento, tanto as agulhas formadas na reação com os aluminatos como os cristais gerados na reação com os silicatos, serão prejudicados se o concreto for manuseado após este tempo. Portanto, é preciso “deixar a massa secar” para que assim endureça mantendo a forma requerida.

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