Gesso e Cal

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Assunto discutido na disciplina Processos Industriais, módulo "cimento". Dentro dos materiais de construção não hidráulicos se destacam o gesso e a cal. São descritos os processos da sua obtenção e suas aplicações típicas.

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Gesso e Cal

  1. 1. CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS CAMPUS VII - UNIDADE TIMÓTEO Produção de cimentos e argamassas não-hidráulicas. Prof. Armin Isenmann Mais antigos do que os cimentos Portland são os aglutinantes não-hidráulicos que, após a sua solidificação, não devem ser submetidos ao contato direto com a água. Ao contato prolongado com água, por exemplo, em construções submersas, o artefato se dissolve. São principalmente: Gesso = sulfato de cálcio e Cal apagada = hidróxido de cálcio, que servem para este fim. Enquanto o primeiro é frequentemente aplicado na sua forma pura, a segunda é misturada com areia e outras cargas que a tornam mais barata, durável e mais estável na suas dimensões (= atenuem o encolhimento). a) Gesso A matéria prima é o gesso natural, gipsita, CaSO4 . 2 H2O; menos frequente a anidrita da fórmula CaSO4 (alabaster; parece mármore, mas é mais barato, de tato "frio", muito usado para esculturas artísticas). A solubilidade do sulfato de cálcio em água é bem baixa e se conhece como "dureza permanente". No laboratório, o gesso pode ser feito, juntando as soluções de Ca2+ e de SO4 2- : abaixo de 66 °C formam-se cristais de gesso, acima os da anidrita. Histórico térmico do gesso
  2. 2. 120 a 130 °C o gesso solta uma parte da sua água cristalina e se transforma em semi- hidrato, CaSO4 . 0,5 H2O. Este material finamente moida se conhece como "gesso de estuque" que, quando misturado com água pega em ~4 minutos. Interessante é que o gesso hidratado, igual a água livre, chega a uma pressão de vapor de 1 atm a 100 °C. É um indicativo que aquelas 1,5 moléculas de água que saem realmente não são fortemente retidos na rede cristalina. A reação é a reversa, levando ao dihidrato em forma de tufos de agulhas finas. A interpenetração destas agulhas causa a resistência mecânica deste material (que não é muito alta: apenas 2, na escala de dureza de Mohs). Mais um detalhe interessante: ao endurecer o gesso dilata em torno de 1%. Assim, é um material perfeito para produzir negativos de objetos com pormenores estruturais, pois entra em cada cavidade fina. Também é usado na medicina onde um braço quebrado pode ser imobilizado de maneira firme e seguro. Industrialmente o gesso é produzido entre 130 e 180 °C, em panelas de ferro (processo descontínuo) ou em fornos rotativos (contínuo). 190 a 200 °C Eliminação do resto de água da fórmula. O produto pega rápido demais para ser usado na construção civil. 500 °C A tendência da pega rápida diminui. 800 a 900 °C Formação de um sulfato de cálcio que, moído em pó fino e misturado com areia, forma um concreto bastante duro e resistente, comparável ao cimento Portland. A pega dura em torno de 3 dias e o material é bastante usado no acabamento e nivelamento de pisos (soalho, laje). Este cimento é hidráulico, ou seja, não amolece sob influência da água. 1000 a 1200 °C "Queima morta" do gesso. Este sulfato de cálcio tem qualidades comparáveis à anidrita, então reage bastante lentamente com água. > 1200 °C Desprendimento de SO3 (→ SO2 + 1/2 O2) e transformação em cal queimada, CaO. Ao processar apenas uma parte do sulfato desta maneira, resulta um "gesso básico" que tem, novamente, a qualidade de endurecer sob contato com água.
  3. 3. O gás SO2 pode ser utilizado para produzir ácido sulfúrico (processo de Müller-Kühne). Porém, existem outros caminhos menos energéticos que cobrem grande parte da produção mundial do H2SO4. Sob as seguintes condições o processo de Müller-Kühne torna-se rentável: • adição de argila e carvão; isso abaixa a temperatura onde o sulfato se decompõe, liberando CO, aluminatos e silicatos de cálcio). Ao acertar a quantidade da argila se obtém diretamente um cimento Portland que amortiza os custos da decomposição térmica do sulfato. • Altos preços de enxofre elementar • Baixo custo de energia elétrica • Necessidade de resolver problemas ambientais causados por "gesso químico", um rejeito da indústria, sem valor e geralmente depositado na natureza. CaSO4 pode ser usado, em analogia ao BaSO4, como pigmento branco em tintas de parede e claro, para produzir o giz do quadro negro. b) Cal apagada A cal representa o aglutinante mais antigo e mais conhecido, formando uma argamassa igualmente não hidráulica. É feito a partir de calcário natural (ou da forma mais pura, o mármore), por calcinação. A calcinação do calcário ou da dolomita (= CaCO3 . MgCO3) é uma reação fortemente endotérmica, produzindo gás carbônico e "cal queimada", também chamada de "cal cáustica" ou "cal viva": 178, 4 kJ + CaCO3 CaO + CO2. Um equipamento bastante econômico usado para a queima do calcário é o forno anelado:
  4. 4. Importante na queima do calcário é o controle da temperatura. À pressão ambiente e à concentração atmosférica do gás carbônico (aplica-se o "Princípio de Le Chatelier") o desprendimento do CO2 ocorre a 908 °C. Especialmente prejudiciais são temperaturas mais elevadas na presença de impurezas, tais como argila, areia ou óxido de ferro. Nestas condições se tem um abaixamento drástico da temperatura de fusão do CaO (puro: 2587 °C), devido à formação de um eutéctico. Então formam-se aluminatos, silicatos e ferritos de cálcio (Tf ≈ 1500 a 1600 °C) que não mostram mais reatividade com a água, como veremos a seguir. São materiais vitrificados e compactos, mais parecidos a telhas, que são inertes frente à água. Em analogia ao gesso temos uma "cal queimada morta". O apago da cal queimada (esse nome porque se percebe um barulinho que parece ao apago de uma fogueira) é uma reação exotérmica, mas não compensa o a energia que se gastou na calcinação: CaO + H2O → Ca(OH)2 + 65,2 kJ A cal apagada é a base mais barata da indústria. Sua solubilidade em água é bastante limitada (apenas 1%), porém, esta quantidade é suficiente para elevar o pH da solução saturada (= "leite de cal") acima de 12. Em piscinas aproveita-se desta base, para regular o pH. Durante a pega da argamassa à base da cal a água excessiva se perde, para depois, na fase do endurecimento, acomodar CO2 da atmosfera: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O. No produto final a cal reconstituída, os grãos de areia, a brita e/ou os tijolos da construção são dureza comparável ao concreto hidráulico à base de cimento Portland. A dominância do cimento Portland em cima da cal, deve-se procurar na lentidão deste processo. No interior de muros grossos a formação completa do carbonato pode demorar centenas de anos! A vantagem desse processo lento: o muro é livre de tensões internas, por isso a durabilidade extraordinária das alvenarias antigas. A reação do endurecimento da cal explica por que muros recém-construídos ou pintados sempre têm um tato úmido. O gás carbônico espirado sustenta a reação da cal. Antigamente se acelerava essa reação, colocando um fogo aberto de coque no meio do ambiente: tanto o calor como a liberação do CO2 ajudaram à reação da cal. Na época moderna se aproveita de uma outra reação da cal apagada, para produzir tijolos brancos de cal. Sob vapor d´ água superaquecido, na autoclave (200 °C, 16 atm) forma-se em 4 a 8 horas sob condições hidrotérmicas o hidrogenossilicato de cálcio, Ca(HSiO3)2 que gruda os grãos de areia. Outros usos da cal Além do uso na preparação de argamassas a cal apagada serve para tintas brancas de parede (de baixa qualidade, devido à sua solubilidade na água). A cal queimada é usada na produção de carbeto de cálcio (CaC2, que tem o ânion do acetileno), na síntese de amônia, como revestimento básico em reatores da siderurgia, como aditivo básico na fundição de metais, na produção de fertilizantes e na fábrica de vidro.

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