Ativação mecanoquímica de materiais cimentícios suplementares (SCMs) na construção

Introdução

A ativação mecanoquímica (MCA) é uma tecnologia em rápido crescimento em muitas áreas da ciência dos materiais, especialmente na construção. Ela se baseia na aplicação de processos mecânicos e químicos para modificar materiais. Uma das principais aplicações da MCA é a ativação de aditivos no cimento, conhecidos como materiais cimentícios suplementares (SCMs). Esses materiais incluem cinzas volantes, escória granulada de alto-forno, pozolanas naturais e várias argilas, que podem substituir parte do cimento Portland e, portanto, o teor de clínquer no cimento. Isso permite uma redução significativa nas emissões_{de CO2} durante a produção de cimento.

Histórico sobre SCMs e sua importância

A produção convencional de cimento Portland consome muita energia e libera grandes quantidades de dióxido de carbono. As emissões primárias ou de Escopo 1, que totalizam aproximadamente 500 kg de_CO2 por tonelada de cimento, são geradas durante a queima do clínquer por meio da decomposição do _CaCO3 em CaO e_CO2 e da combustão de combustíveis fósseis ou alternativos necessários para esse processo. As emissões do Escopo 1 são responsáveis por aproximadamente 85% a 90% da pegada total_{de CO2} do cimento. Minimizar o teor de clínquer nas misturas de cimento e concreto usando SCMs oferece um potencial significativo de redução dessas emissões. Além disso, as SCMs podem ter um impacto positivo na resistência de longo prazo, na demanda de água, na resistência química e na trabalhabilidade do cimento.

As SCMs, como cinzas volantes, escória granulada de alto-forno e sílica ativa, são subprodutos de outros setores e, portanto, contribuem para a reciclagem de resíduos. Embora esses materiais tenham propriedades pozolânicas inerentes que os qualificam para uso em misturas de concreto, sua reatividade é significativamente aprimorada pela ativação mecanoquímica. Além disso, materiais como argilas, que têm pouca ou nenhuma propriedade pozolânica por natureza, também podem ser utilizados pela MCA. Ao ativar argilas, os materiais residuais de poços existentes ou argilas de baixa qualidade do setor de argila e cerâmica também podem ser ativados mecanicamente, oferecendo, assim, uma produção de SCMs com eficiência de recursos semelhante à dos subprodutos mencionados acima.

Dry Agitator Bead Mill Pamir da NETZSCH, projetado para aplicações de moagem e dispersão de alta eficiência. — Fig. 1: Moinho de esferas com agitador a seco `Pamir`

Fundamentos da ativação mecanoquímica

A ativação mecanoquímica significa que a energia mecânica, na forma de moagem ou deformação, é aplicada a um material e essa energia inicia ou acelera as reações químicas. Quando os SCMs são tratados mecanicamente, o material é triturado por um processo intensivo de moagem, e sua área de superfície aumenta drasticamente. O aumento da área de superfície permite que as reações químicas ocorram de forma mais rápida e eficiente.

Além de aumentar a área de superfície, o processo de ativação mecanoquímica também leva a mudanças na estrutura cristalina do material. Isso significa que as estruturas cristalinas são quebradas e são criadas fases amorfas e reativas, que formam fases C-S-H e C-A-H adicionais com a portlandita produzida durante a hidratação do cimento. Essa formação secundária de C-S-H pode levar a maiores resistências devido à maior densidade. Isso se aplica, entre outras coisas, a materiais como cinzas volantes, que contêm poucas fases reativas e cuja reatividade é dramaticamente aprimorada pela ativação mecanoquímica.

Mecanismos de ativação

A ativação mecanoquímica segue vários mecanismos básicos:

Aumento da superfície específica: A moagem aumenta significativamente a área da superfície do material, disponibilizando mais locais de reação.
Formação de defeitos: O estresse mecânico leva a defeitos e fraturas na estrutura cristalina, tornando-os mais reativos quimicamente.
Transformação de fase: A energia mecânica pode transformar fases cristalinas estáveis em fases amorfas de alta energia, que são mais reativas quimicamente.
Aumento da solubilidade: A ativação mecanoquímica também aumenta a solubilidade dos materiais na matriz do cimento, o que permite a formação adicional das fases C-S-H e C-A-H e dá suporte ao endurecimento do cimento.

Aplicações e benefícios da ativação mecanoquímica

A aplicação da ativação mecanoquímica aos SCMs oferece muitas vantagens significativas:

Reatividade aprimorada

Os SCMs que foram ativados mecanoquimicamente apresentam uma reatividade significativamente maior. Isso significa que eles reagem melhor com a água e com os outros componentes do cimento, otimizando assim seu desempenho na mistura de concreto.

Redução do teor de cimento

A maior reatividade dos SCMs significa que a proporção de cimento Portland convencional em uma mistura de concreto pode ser reduzida ainda mais sem comprometer a resistência ou a durabilidade.

Sustentabilidade

A ativação mecanoquímica possibilita o uso de mais resíduos minerais como matéria-prima secundária para produzir SCMs, e menos cimento Portland prejudicial ao clima é usado em projetos de construção.

Economia de custos

O aumento do uso de SCMs por meio da ativação mecanoquímica não é apenas favorável ao meio ambiente, mas também economicamente vantajoso, já que os SCMs são geralmente mais baratos do que o cimento Portland.

Fonte de energia

Especialmente na ativação da argila em comparação com a calcinação térmica, a MCA tem a vantagem adicional de usar 100% de eletricidade verde como fonte de energia no processo (excluindo os pré-processos, como a secagem). Isso leva a uma redução adicional nas emissões totais_{de CO2} em comparação com os combustíveis fósseis.

Flexibilidade do processo

Devido às máquinas acionadas eletricamente, a partida e o desligamento não são um grande problema, especialmente quando comparados à calcinação em fornos rotativos. A operação das plantas MCA pode compensar as flutuações na rede elétrica causadas pela energia renovável e permitir uma economia significativa nos custos de eletricidade.

Desafios e desenvolvimentos futuros

Apesar das vantagens promissoras da ativação mecanoquímica, também há desafios que precisam ser superados. Os estudos de ativação anteriores eram geralmente realizados em moinhos vibratórios ou planetários. Os parâmetros do processo e os princípios de funcionamento dessas máquinas de laboratório geralmente não são transferíveis para as plantas industriais. A ativação em um moinho de bolas com agitador seco provou ser uma excelente alternativa. Com a série Pamir, a NETZSCH oferece um moinho de bolas com agitador a seco que pode realizar tanto a moagem quanto a ativação de vários SCMs e está disponível em uma ampla gama de tamanhos, desde máquinas de laboratório até máquinas de produção industrial.

Para a comercialização de uma planta industrial completa, há fortes parcerias com a thyssenkrupp Polysius GmbH em Beckum, Alemanha, e com a Minerva Engineering Inc. na Turquia. Como um parceiro reliable para o planejamento, instalação e comissionamento de grupos de processos completos, a Polysius ou a Minerva realizam essas tarefas em estreita cooperação com a NETZSCH.

Conclusão

A ativação mecanoquímica é um método promissor para melhorar a reatividade dos SCMs e oferece uma maneira sustentável e econômica de revolucionar a produção de cimento no futuro. Ela contribui para a redução das emissões_{de CO2} no setor de cimento e abre novas possibilidades para o uso de subprodutos industriais no setor de construção. Por meio de mais pesquisas e inovações tecnológicas, a ativação mecanoquímica pode se tornar parte integrante da produção moderna de cimento e concreto.