Processamento e Ativação de Materiais Cimentícios Suplementares (SCMs): Materiais de Substituição de Cimento e Tecnologia de Ativação de Argila
Materiais cimentícios suplementares (SCMs) são materiais de substituição do cimento amplamente utilizados, que substituem parte do calcário ou do tradicional clínquer de cimento Portland no cimento e no concreto. O uso de materiais cimentícios suplementares (SCMs) é uma das alavancas mais eficazes para reduzir as emissões de CO₂, pois a produção de clínquer gera grandes quantidades de CO₂: primeiro, a partir da reação química durante a calcinação do calcário e, segundo, pela demanda de energia do processo no forno de alta temperatura. Ao substituir, por exemplo, uma parte do clínquer por SCMs, menos clínquer é necessário, o que reduz diretamente as emissões de CO₂ relacionadas ao processo. Além disso, muitos SCMs são subprodutos industriais ou recursos minerais disponíveis localmente, o que pode reduzir o consumo de recursos virgens e apoiar os princípios da economia circular.
| Substituições para Clinker & Portland Cement |
|---|
| Células de mar contêm grandes quantidades de cal e, uma vez moído, pode ser usado de forma semelhante a calcário não queimado. |
| Fly ash: Devido à diminuição da utilização de usinas de energia a carvão, a disponibilidade de cinzas de fogo está em constante declínio. |
| A argila calcinada pode ser calcinada a 800 °C. Embora o CO2 seja liberado durante a calcinação - semelhante à queima de pedra calcária - as temperaturas exigidas são significativamente menores. |
| Os resíduos da produção de aço são reciclados. No entanto, esses processos industriais estão se tornando mais eficientes, reduzindo a disponibilidade de escoria. |
| Asas de resíduos alimentares, como cascas de arroz, podem ser usadas para substituir o cimento de Portland. |
| Os resíduos de mineração podem até aumentar a resistência do cimento, dependendo da sua composição. A vantagem reside na conservação dos recursos, pois os resíduos são reutilizados, por exemplo, em vez de areia natural. |
| Resíduos de demolição podem ser processados (fine ground) e ativados para uso no nível do cimento como um SCM, permitindo redução de clinker ao mesmo tempo que eficientemente upcycling recursos minerais. |
| Used Glass pode ser usado como SCM, matéria-prima substituindo o quartzo. |
Homogeneização de Escórias como Materiais Cimentícios Suplementares (SCMs)
A caracterização laboratorial confiável de materiais cimentícios suplementares (SCMs) à base de escória começa com uma preparação de amostra consistente. As escórias são frequentemente muito heterogêneas e podem conter resíduos metálicos, razão pela qual os componentes magnéticos devem ser removidos antes do processamento posterior. Para a britagem e homogeneização, britadores de mandíbulas são tipicamente utilizados para a pré-britagem, seguidos por moinhos de bolas ou pelo Moinho de Batedores Cruzados SK 300 para a moagem fina. Ao selecionar o britador de mandíbulas apropriado, os fatores-chave são o tamanho inicial da partícula, a quantidade de amostra e a finura final desejada.
Uma abordagem de pré-britagem em duas etapas no britador de mandíbulas — primeiro usando uma abertura larga e, em seguida, uma abertura estreita — é frequentemente mais rápida do que forçar o material diretamente através de uma fresta apertada. Fragmentos de amostra de até aproximadamente 20 mm podem ser processados de forma eficiente no SK 300, que atinge níveis de finura final de cerca de 700 µm e, graças ao seu design robusto e placas de impacto de carboneto de tungstênio, é ideal para materiais abrasivos.
Uma abordagem de pré-britagem em duas etapas no britador de mandíbulas — primeiro usando uma abertura larga e, em seguida, uma abertura estreita — é frequentemente mais rápida do que forçar o material diretamente através de uma fresta apertada. Fragmentos de amostra de até aproximadamente 20 mm podem ser processados de forma eficiente no SK 300, que atinge níveis de finura final de cerca de 700 µm e, graças ao seu design robusto e placas de impacto de carboneto de tungstênio, é ideal para materiais abrasivos.
Amostras de escória
120mm, 30 kg
BB 300
15 min | < 3 µm
15 mm, 250 g
PM 100
5 min | < 500 µm
15 mm, 200 g
SK 300
20 min | < 700 µm
5 mm, 500 g
TM 300
4 Horas | < 25 µm
Demolition waste
Demolition waste offers significant potential as an SCM and cement substitute for a more resource-efficient cement industry. Materials such as concrete debris, bricks, ceramics, and mortar contain relevant mineral components; however, without processing they are usually not sufficiently reactive to be used directly as SCMs or cement substitutes. Therefore, impurities must first be removed and the mineral fractions must be selectively processed. Fine grinding significantly increases the specific surface area, which improves the material’s reactivity. At the same time, mechanical activation can disrupt the crystal structure and thereby enhance its suitability as an SCM and cement substitute. If this is not sufficient, the reactivity can be further increased through chemical activation.
It is important to differentiate between material types: crushed concrete often exhibits low natural reactivity and therefore typically requires stronger activation to function as an SCM. In contrast, brick residues may already contain pozzolanically reactive phases due to their fired clay content and are therefore often easier to use as SCMs and cement substitutes; however, they generally still require careful sorting and fine grinding.
In this way, SCMs derived from demolition waste can help replace clinker, reduce CO₂ emissions, and close material cycles in the construction industry.
Detritos de concreto 12 mm, 45 kg
TM 500
3 Horas | 100 µm
Detritos de concreto 4 mm, 200 g
PM 100
20 min | 100 µm
Fragmentos de tijolo 8 mm, 2 kg
TM 300
1 Horas | 40 µm
O material tende a se aglomerar no RS 200 e obstrui telas finas no SK 300; portanto, os moinhos de esferas que operam a velocidades moderadas e a adição de algumas gotas de etanol são recomendados.
Recycled Glass
Recycled glass can play an important role in the cement industry as an SCM, helping to reduce CO₂ emissions and conserve natural resources. When recycled glass is ground very finely, it forms a glass powder that can develop pozzolanic properties and thus be used as an SCM. Key requirements for its use as an SCM include a high degree of fineness, a suitable chemical composition, and consistent quality of the input material.
In addition to its use as an SCM, recycled glass can also be used as a raw material in clinker production, substituting quartz; however, in this application it only replaces mineral raw materials and is not considered a cement substitute. Another application is its use as an aggregate in concrete.
Recycled glass therefore demonstrates how secondary raw materials can make the cement industry more sustainable and resource efficient. Jaw crushers and, for example, disc vibratory mills are typically used for homogenization.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 min | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 min | 100 µm
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Processamento de Calcário Não Queimado, Conchas Marinhas e Pozolanas como Materiais de Substituição de Cimento
Diversos materiais minerais de substituição de cimento podem ser processados com equipamentos de moagem padrão de laboratório de cimento. O calcário não queimado é idealmente processado usando britadores de mandíbula seguidos por moinhos de bolas. As conchas marinhas também consistem principalmente de CaCO₃, mas são mais finas que as amostras típicas de calcário e, portanto, podem ser pré-trituradas eficientemente usando moinhos de corte e moídas finamente no Moinho Ultra Centrifugador ZM 300; o rotor de 6 discos para moinhos de corte é adequado para este propósito, e rotores resistentes ao desgaste revestidos com carboneto de tungstênio, bem como peneiras de distância, podem ser usados no ZM 300. Materiais cimentícios suplementares mais macios, como pozolanas ou materiais vulcânicos como a pedra-pomes, são igualmente processados usando moinhos de rotor, como o ZM 300 para volumes de até 5 l ou o SR 300 para quantidades maiores de amostra. Para aberturas de peneira abaixo de 1 mm, os ciclones facilitam a descarga da amostra e ajudam a prevenir a formação de poeira.
Conchas marinhas & Pozolanas
50 mm, 100 g
BB 50
1 min | 2 mm
80 mm, 1 kg
Pré-britagem SM 200
Moagem fina ZM 300
3 min | 0,3 µm
5 mm, 200 g
SR 300
45 s | < 500 µm
2 mm, 90 g
ZM 300
2,5 min | 0,1 mm
Materiais Cimentícios Suplementares (SCMs) de Origem Vegetal e Materiais de Substituição de Cimento Derivados de Cinzas
Materiais vegetais derivados de cinzas — especialmente aqueles originários de resíduos da indústria alimentícia, como cascas de arroz — podem servir como materiais cimentícios suplementares (SCMs) e materiais de substituição do cimento. Eles podem ser homogeneizados da mesma forma que as escórias ou o calcário. O SK 300, resistente ao desgaste, é particularmente adequado para amostras abrasivas, enquanto para a moagem fina abaixo de 500 µm, utilizam-se moinhos de bolas (para quantidades de amostra de pequeno a médio porte) ou moinhos de tambor (para quantidades maiores). As próprias matérias-primas de origem vegetal (por exemplo, cascas de arroz, pellets de casca de semente de girassol ou resíduos de palha) também devem ser analisadas; moinhos de facas são usados para a redução preliminar do tamanho, seguidos pelo ZM 300 ou, para volumes maiores, pelo SR 300 para a moagem fina. Para amostras fibrosas, o uso de ciclones deve ser sempre considerado, pois eles resfriam o material, melhoram a descarga da amostra e evitam a formação de poeira; a alimentação lenta e constante ou o uso de peneiras de distância também ajuda a reduzir o acúmulo de calor. O sistema de alimentação DR 100 permite uma introdução de amostra mais fácil e consistente.
A finura das partículas nas pastilhas depende do tipo de moinho utilizado
Se o teor de fibras da amostra moída precisar ser reduzido, as peneiras nos moinhos de facas ou no SR 300 podem ser instaladas em orientação inversa, ou a velocidade do rotor nos moinhos de rotor pode ser reduzida. Para a análise de XRF, é necessária uma moagem muito fina — frequentemente abaixo de 50 µm; se os moinhos de bolas ou os moinhos de rotor são mais adequados, depende da análise subsequente, uma vez que os moinhos de bolas fornecem resultados mais finos, porém demoram mais e podem gerar mais abrasão metálica [3]. Se a abrasão não for crítica, a regra geral para resultados de XRF reprodutíveis é: quanto mais fino, melhor. [2]
Amostras vegetais
Walnut shells 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 min | 150 mm
Casca de arroz 8 mm, 200 g
ZM 300
8 min | 0,5 mm
Cinzas de casca de arroz 15 mm, 450 g
SK 300
2 min | 1 mm
Pelotas de casca de semente de girassol 30 mm, 500 g
ZM 300
15 min | 0,5 mm
Palha 20 mm, 300 g
SR 300
7 min | < 200 µm
A Mecanoquímica Encontra o Cimento:
Alternativas à Calcinação de Argila e Tecnologia de Ativação para Argilas
As argilas ativadas estão entre os materiais cimentícios suplementares (SCMs) mais promissores, pois estão disponíveis globalmente, podem ser obtidas localmente e permitem uma redução significativa de clínquer. Tradicionalmente, argilas reativas são produzidas via calcinação, mas a ativação mecanoquímica é uma tecnologia emergente que pode oferecer uma alternativa atraente em certas aplicações. A ativação mecanoquímica da argila — particularmente utilizando moinhos de bolas como o PM 100 ou PM 300 — utiliza energia mecânica para alterar a estrutura cristalina, permitir a amorfização e aumentar a reatividade, tornando uma ampla gama de tipos de argila locais utilizáveis como materiais de substituição de cimento. O PM 100 e o PM 300 são perfeitamente adequados para esse processo em escala laboratorial e piloto. Estudos mostram que as argilas ativadas mecanicamente são mais finas, estruturalmente modificadas e mais reativas quimicamente do que as argilas calcinadas, especialmente aquelas com alto teor de mica.
Um elemento-chave do controle de processo na tecnologia de ativação é o sistema GrindControl, que mede continuamente a temperatura e a pressão dentro do vaso de moagem, ajuda a evitar o superaquecimento e fornece informações importantes sobre as reações mecanoquímicas. Os sensores são compatíveis com vários tamanhos de vasos. Durante a ativação da argila, a temperatura e a pressão aumentam significativamente, indicando a liberação de gases e a transformação mineral; esse monitoramento é essencial para controlar a reatividade e garantir uma qualidade consistente do produto SCM. Os dados também podem apoiar conclusões sobre a composição da argila — por exemplo, materiais com maior teor de dolomita geram pressões mais altas devido à liberação de CO₂ [1].
Reatividade de diferentes argilas após ativação térmica e mecânica; o aumento da pressão no GrindControl reflete o teor de dolomita
Um estudo [2] examina como a entrada de energia durante a ativação mecanoquímica influencia a reatividade química das argilas, com foco em moinhos planetários de bolas. O moinho planetário de bolas é uma ferramenta laboratorial preferencial porque permite o ajuste preciso de parâmetros-chave, como velocidade de rotação, proporção entre bolas e pó e duração da moagem. Ao analisar quase 100 pontos de dados, os pesquisadores identificaram uma forte correlação entre a entrada de energia e a reatividade resultante da argila. A reatividade química aumenta rapidamente com o aumento da entrada de energia até cerca de 100 kJ/g, enquanto aumentos adicionais mostram apenas efeitos extras irrelevantes. Em termos práticos, o moinho planetário de bolas PM 300 — operado em altas velocidades, como 850 rpm — oferece vantagens significativas ao maximizar a entrada de energia e acelerar o processo de ativação para materiais cimentícios suplementares (SCMs) à base de argila.
Em um projeto de experimento na Universidade de Bath, diferentes condições de fresagem em moinhos Planetary Ball foram testadas para avaliar a melhor configuração de parâmetros para a maior ativação de argila com consumo mínimo de energia. Parece que proporções mais altas de bola para pó de 25 são benéficas, juntamente com velocidades mais altas de pelo menos 600 rpm. Em apenas 20 min, uma reatividade notável foi alcançada, com consumo de energia mínimo de apenas 0,22 kWh (resultados com permissão do Dr. Ilda Tole).
Curiosamente também o Vibratory Disc Mill RS 200 pode ser usado para a ativação de argila, embora para baixar ligeiramente as taxas de ativação. Aqui resultou ser benéfico se o nível de enchimento não for muito alto – a amostra de 40 g foi ótima. Novamente, uma velocidade mais alta de 1400 rpm parece ser benéfica. O tempo e o consumo de energia estavam no mesmo intervalo que para Planetary Ball Mills.
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Processamento e Ativação de Materiais Cimentícios Suplementares (SCMs): Materiais de Substituição de Cimento e Tecnologia de Ativação de Argila - FAQ
O que são materiais cimentícios suplementares (SCMs)?
Materiais cimentícios suplementares (SCMs) são materiais de substituição do cimento que substituem uma parte do calcário e/ou do tradicional clínquer de cimento Portland no cimento e no concreto.
Por que os materiais cimentícios suplementares (SCMs) ajudam a reduzir as emissões de CO₂?
Eles reduzem a quantidade de clínquer necessária. A produção de clínquer é intensiva em CO₂ devido à reação de calcinação do calcário e à alta demanda de energia do processo no forno, de modo que a substituição do clínquer por SCMs reduz diretamente as emissões relacionadas ao processo e pode apoiar o uso de recursos na economia circular.
Quais materiais podem ser usados como SCMs e o que afeta sua disponibilidade?
Exemplos incluem escórias, cinzas volantes, pozolanas/rochas vulcânicas (ex: pedra-pome), calcário não queimado, conchas marinhas (ricas em CaCO₃), cinzas de resíduos da indústria alimentícia, como casca de arroz, argilas calcinadas e rejeitos de mineração. A disponibilidade pode mudar conforme as tendências industriais — por exemplo, uma produção de aço mais eficiente pode reduzir a oferta de escória, e a redução da geração de energia a carvão pode limitar o fornecimento de cinzas volantes.
Como funciona a ativação da argila e qual a diferença em relação à calcinação da argila?
Tradicionalmente, argilas reativas são produzidas via calcinação a 800 °C, enquanto a ativação mecanoquímica é uma tecnologia de ativação que aumenta a reatividade da argila por meio da moagem (por exemplo, em moinhos planetários de bolas PM 100 ou PM 300). A energia mecânica modifica a estrutura cristalina, promove a amorfização e pode tornar utilizável uma gama mais ampla de argilas locais. O controle do processo pode ser auxiliado pelo GrindControl (monitoramento de temperatura/pressão).
Referências
1] Tole, I., Delogu, F., Qoku, E., Habermehl-Cwirzen, K., & Cwirzen, A. (2022). Enhancement of the pozzolanic activity of natural clays by mechanochemical activation. Construction and Building Materials, 352, 128739.
[2] Alastair T.M. Marsh, Sreejith Krishnan, Suraj Rahmon, Sisan A. Bernal and Xinyuan Ke; Relationsship between milling input energy and chemical reactivity for mechanochemical activation of clays; Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5mr00088b
[3] Permission for picture usage by Rigaku Europe SE