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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.

Substituto de Clínquer Substituto para o Cimento Portland
Calcário não queimado Pozolanas
Conchas marinhas contêm grandes quantidades de cal e, uma vez moídas, podem ser usadas de forma semelhante ao calcário não queimado. Escórias: Materiais residuais da produção de aço são reciclados. No entanto, esses processos industriais estão se tornando mais eficientes, reduzindo a disponibilidade de escória.
Cinzas volantes: Devido à diminuição do uso de usinas termelétricas a carvão, a disponibilidade de cinzas volantes está em queda constante. Cinzas de resíduos alimentares, como cascas de arroz, podem ser usadas para substituir o cimento Portland.
Argilas calcinadas podem ser calcinadas a 800 °C. Embora o CO₂ seja liberado durante a calcinação - de forma semelhante à queima de calcário - as temperaturas exigidas são significativamente mais baixas. -
Rejeitos de mineração podem até aumentar a resistência do cimento, dependendo de sua composição. A vantagem reside na conservação de recursos, uma vez que os resíduos são reutilizados, por exemplo, em vez da areia natural.

Ao substituir o clínquer ou o cimento Portland, significativamente menos CO₂ é liberado. Além disso, menos combustível é necessário para o aquecimento do forno rotativo.

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.

Britadores de Mandíbula

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.

Moinho de impacto cruzado SK 300

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.

Moinho de Tambor TM 300

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

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.

Britagem de Calcário e ArgilaMoinho de corte SM 300
Moinho Ultra Centrífugo ZM 300Moinho de rotor de impacto SR 300

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.

Amostras vegetais

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].

GrindControlMoinho de bolas planetário PM 100
Mecanoquímica

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.

Moinho Planetário de Bolas PM 300

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Moagem e homogeneização de materiais típicos

Ferramentas para a preparação de amostras otimizada para análise de XRF

Combustíveis derivados de resíduos e alternativos na produção de cimento

Processamento e ativação de SCMs

Tecnologias complementares de cimento

Peneiramento de matérias-primas ou materiais de cimento homogeneizados

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