Cimento Portland

O cimento Portland é calcário e argila cozidos em conjunto a cerca de 1450 °C até formarem nódulos duros, o clínquer, depois moídos com um pouco de gesso. Com água endurece por reação química, mesmo submerso, e ligado a areia e brita dá o betão, o material de construção mais usado no mundo.

O que é

O cimento Portland é um pó cinzento: calcário e argila cozidos até fundirem em parte em torrões duros, o clínquer, que depois se mói com um pouco de gesso. Com água forma uma pasta que ganha presa em poucas horas e continua a endurecer durante semanas.

É um ligante hidráulico: endurece ao reagir com a água, numa vala húmida como debaixo do mar. A argamassa de cal aérea, pelo contrário, endurece devagar por carbonatação, em contacto com o ar. O betão romano resistia à água graças à pozolana, uma cinza vulcânica cuja sílica reage com a cal apagada. No cimento Portland, a cal e a sílica da argila já se combinaram no forno: o pó só precisa de água, e fica muito mais resistente.

Misturado com areia e brita dá o betão: estes agregados ocupam a maior parte do volume e o cimento cola-os uns aos outros.

Como funciona

O clínquer à saída do forno; moído com um pouco de gesso, torna-se cimento.

A cozedura. O cru tem em geral cerca de quatro quintos de calcário, com argila ou xisto que trazem sílica, alumina e óxido de ferro. No forno, o calcário perde o dióxido de carbono e torna-se cal viva, que depois se combina com os minerais da argila. Perto dos 1450 °C, parte da carga funde e o resto sinteriza em nódulos escuros. Um clínquer típico contém cerca de 55 % de alite e 20 % de belite, dois silicatos de cálcio; a alite só se forma com uma cozedura intensa, acima de uns 1300 °C. O clínquer é depois arrefecido depressa.

A moagem. O clínquer é moído muito fino com cerca de 5 % de gesso, que impede o seu aluminato de endurecer a pasta poucos minutos depois da amassadura.

A presa. Na água, a alite e a belite formam silicatos de cálcio hidratados, um gel pouco cristalino que cresce a partir de cada grão e os liga uns aos outros, libertando hidróxido de cálcio e calor. A alite dá a resistência dos primeiros dias; a belite, a que vem depois da primeira semana.

Água e resistência. A água em excesso deixa poros, e os poros enfraquecem o betão. Em 1918, Duff Abrams, no Lewis Institute de Chicago, mostrou que a resistência depende sobretudo da razão entre água e cimento; a maioria das misturas fica entre 0,4 e 0,6 em massa. Um betão que seca cedo demais deixa de reagir; em alguns ensaios só atingiu cerca de metade da resistência de um betão mantido húmido.

Como construir

O clínquer exige um forno industrial, mas o cimento em saco, dentro do prazo de validade, pode ser amassado à mão sobre uma tábua para a sapata de um poste ou uma pequena laje de jardim. Tudo o que suporte um edifício ou um veículo precisa do projeto de um engenheiro.

A cofragem. Para uma laje, escave até ao solo firme, compacte uma camada de tout-venant e coloque tábuas de cutelo à volta, presas por estacas do lado de fora, com o bordo superior nivelado e a face interior oleada. Para uma sapata, o próprio buraco serve de molde.

A água vai para uma cratera aberta na mistura seca, e a pá puxa as bordas para o centro.

Misturar a seco e juntar pouca água. Uma regra comum é um balde de cimento para dois de areia para betão e três de brita lavada até 20 mm. Revolva o monte seco até ficar de um cinzento uniforme, deite água numa cratera e vá puxando para dentro dela, com a pá, a mistura seca das bordas, aos poucos. Uma razão de 0,5 corresponde a cerca de 12,5 litros por saco de 25 kg, contando a água que a areia húmida já traz. Pare quando a mistura estiver molhada por igual e mole o bastante para encher a cofragem e ser compactada, mas ainda mantiver a forma na pá: a água a mais torna-a mais fácil de colocar, mas deixa o betão endurecido mais fraco.

Betonar, compactar e manter húmido. Encha a cofragem por camadas, picando cada uma com uma vara e batendo nas tábuas para expulsar o ar; nivele a superfície com uma régua. Proteja o betão fresco do sol e do vento enquanto trabalha. Quando a superfície já não marcar, mantenha-a húmida debaixo de plástico ou de serapilheira molhada durante pelo menos 7 dias, mais tempo se estiver fresco, e proteja-a da geada.

Testar um cubo. Encha com a mesma amassadura um ou dois moldes oleados de 10 cm de lado interior, em duas camadas picadas com uma vara, e deixe-os curar debaixo da mesma serapilheira molhada que a laje. Um laboratório de ensaios esmaga estes cubos numa prensa aos 7 e aos 28 dias e indica a sua resistência: é assim que se controla o betão em obra. Partir um cubo com uma marreta diz pouco e projeta lascas e pó.

Segurança. O cimento fresco é muito alcalino. Preso contra a pele dentro de uma luva ou de uma bota, pode causar queimaduras químicas graves. Use luvas impermeáveis, mangas compridas, as calças por cima das botas e óculos de proteção. Lave logo a pele suja; se entrar nos olhos, enxague com muita água limpa durante pelo menos 15 minutos e procure assistência médica. O pó irrita os pulmões: esvazie os sacos ao ar livre, de costas para o vento e com máscara FFP3. Cortar betão endurecido levanta pó de sílica: use uma serra com alimentação de água e uma máscara FFP3 com ajuste verificado. Um saco pesa 25 kg: levante-o dobrando os joelhos, ou a dois.

História e evolução

A torre de Smeaton em Eddystone, 1759: pedras em rabo de andorinha numa argamassa que ganha presa em água do mar.

Em 1756, o engenheiro inglês John Smeaton, encarregado de reconstruir o farol de Eddystone ao largo de Plymouth, testou várias cais à procura de uma argamassa que ganhasse presa entre duas marés. As melhores vinham de calcário com argila; ergueu a torre com cal hidráulica e pozolana. Em França, em 1817-1818, Louis Vicat mostrou como a argila permite à cal ganhar presa debaixo de água e fabricou uma cal hidráulica artificial a partir de cré e argila, para uma ponte em Souillac.

A 21 de outubro de 1824, Joseph Aspdin, pedreiro de Leeds, patenteou uma pedra artificial «a que chamo cimento Portland», por causa da pedra clara de Portland, no Dorset. O seu produto estaria provavelmente pouco cozido para contar hoje como cimento Portland. Na década de 1840, o filho William e Isaac Charles Johnson, ambos perto de Londres, cozeram a mistura até ao clínquer, que os fabricantes anteriores deitavam fora por estar requeimado; cada um reivindicou a descoberta. Esta prancha fica com 1824, o ano do nome.

Frederick Ransome patenteou um forno rotativo em 1885. Os seus ensaios em Inglaterra falharam, mas em 1890 um forno deste tipo, aquecido a petróleo, funcionava na Pensilvânia, e estes fornos depressa substituíram os fixos.

Em 2018, segundo a Chatham House, o mundo produzia mais de 4 mil milhões de toneladas de cimento por ano, e esse fabrico emitia cerca de 8 % do CO₂ mundial. Mais de metade vinha do próprio calcário, que liberta o seu dióxido de carbono no forno. Os fabricantes substituem parte do clínquer por escória, cinzas volantes, argila calcinada ou calcário para reduzir essa parte.