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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Tese de Doutorado
“Estudo do efeito da incorporação de cinzas de cavaco de eucalipto como material cimentício suplementar.”
Autor: M. Sc. Domingos Sávio de Resende
Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouveia
Co-orientador: Prof. Dr. Augusto Cesar da Silva Bezerra
UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Domingos Sávio de Resende
“Estudo do efeito da incorporação de cinzas de cavaco de eucalipto como material cimentício suplementar.”
Tese de Doutorado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais
da REDEMAT, como parte integrante dos
requisitos para a obtenção do título de Doutor
em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processos de fabricação
Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouveia
Co-orientador: Prof. Dr. Augusto Cesar da Silva Bezerra
Ouro Preto, Dezembro de 2013
Catalogação: [email protected]
R433e Resende, Domingos Sávio de.
Estudo do efeito da incorporação de cinzas de cavaco de Eucalipto como material suplementício suplementar [manuscrito] / Domingos Sávio de Resende. – 2013.
166f. : il. color., grafs., tabs. Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouveia. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Processos de fabricação.
1. Eucalipto - Teses. 2. Biomassa vegetal - Teses. 3. Cimento Portland - Teses. I. Gouveia, Antônio Maria Claret de. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.
CDU: 628.477.7
i
ii
Agradecimentos
- A minha esposa Adriana e aos meus filhos Matheus e Laura, pelo companheirismo,
pelos momentos de renúncia e paciência, para que esta realização fosse possível.
- A meus pais, Zair (in memorian) e Maria Helena por todo o apoio e amor que foram
a mim dedicados através de ensinamentos, conselhos e lições de vida.
- Ao Prof. Dr. Claret, pela orientação e auxílio neste trabalho. Agradeço toda a
confiança e paciência depositada em mim para a realização deste trabalho.
- Ao Prof. Dr. Augusto, que como co-orientador soube cobrar e não mediu esforços
em oferecer todas as condições necessárias à realização deste trabalho.
- À FAPEMIG pelo apoio financeiro ao desenvolvimento da pesquisa.
- A empresa DPA/Nestlé, de Ibiá/MG pelo fornecimento das amostras de cinzas e ao
apoio para que fosse possível o desenvolvimento desta pesquisa.
- Aos bolsistas de iniciação científica Felipe Santos, Felipe Baldisseri e Matheus pelo
apoio na confecção dos corpos de prova;
- A Bióloga Rosângela Rios pelo apoio incondicional.
- A equipe do laboratório de materiais, do Departamento de Engenharia Civil do
CEFET/MG - Campus II.
- A equipe do Laboratório de ensaios especiais do Departamento de Engenharia de
Materiais e Construção (DEMC) da UFMG.
- A empresa CBMM, principalmente ao Eng. Rogério Contato, Marcos Botelho e
Alexandre pela contribuição na caracterização das amostras de cinza.
-- A Deus por mais esta conquista, por me ajudar em meu crescimento profissional,
por ter colocado pessoas maravilhosas em meu caminho durante esta trajetória.
“O Senhor é meu pastor nada me faltará” .(Salmo 23).
iii
“O êxito da vida não se mede pelo caminho que você conquistou, mas sim pelas dificuldades que superou no caminho.”
Abraham Lincoln
iv
ÍNDICE
LISTA DE TABELAS ............................................................................................... viii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... x
RESUMO.................................................................................................................. xiv
ABSTRACT ............................................................................................................... xv
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16
2 Objetivos ........................................................................................................... 20
2.1 Objetivo Geral .............................................................................................. 20
2.2 Objetivos específicos ................................................................................... 20
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 21
3.1 Concreto ...................................................................................................... 21
3.2 Componentes do concreto ........................................................................... 23
3.3 Adições minerais ao concreto ...................................................................... 24
3.3.1 Cimentantes ......................................................................................... 28
3.3.2 Pozolânicas.......................................................................................... 30
3.3.3 Fíler ...................................................................................................... 31
3.4 Principais tipos de adições minerais ............................................................ 32
3.4.1 Escória de alto forno ............................................................................ 32
3.4.2 Escória de aciaria ................................................................................ 34
v
3.4.3 Pozolanas naturais .............................................................................. 35
3.4.4 Sílica ativa ........................................................................................... 36
3.4.5 Metacaulim........................................................................................... 39
3.4.6 Cinzas volantes .................................................................................... 40
3.4.7 Cinzas de casca de arroz .................................................................... 42
3.4.8 Cinzas de biomassas agroindustriais ................................................... 43
3.4.9 Fíler calcário ........................................................................................ 48
3.5 Produção de cinza a partir de lenha vegetal. ............................................... 49
3.6 Adição de cinza no concreto ........................................................................ 59
3.7 Reação álcalis agregado ............................................................................. 63
4 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 66
4.1 Materiais utilizados ...................................................................................... 68
4.1.1 Água .................................................................................................... 68
4.1.2 Cimento Portland ................................................................................. 68
4.1.3 Agregado miúdo ................................................................................... 70
4.1.4 Cal hidratada........................................................................................ 71
4.2 Coleta e preparação das cinzas de cavaco de eucalipto ............................. 72
4.3 Processamento da cinza de cavaco de eucalipto ........................................ 75
4.4 Caracterização das cinzas ........................................................................... 77
4.4.1 Análise granulométrica das cinzas ....................................................... 77
vi
4.4.2 Análise térmica .................................................................................... 78
4.4.3 Análise microscópica e de composição química das cinzas ................ 79
4.5 Avaliação da reatividade da cinza através das propriedades mecânicas .... 81
4.5.1 Moldagem dos corpos de prova ........................................................... 81
4.5.2 Determinação das propriedades mecânicas dos compósitos .............. 84
4.6 Avaliação da atividade pozolânica ............................................................... 87
4.6.1 Determinação de atividade pozolânica ................................................ 87
4.7 Avaliação da reação álcalis agregado ......................................................... 91
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 94
5.1 Caracterização das cinzas ........................................................................... 94
5.1.1 Análise visual ....................................................................................... 94
5.1.2 Análise microscópica e de composição química das cinzas via
MEV/EDS ........................................................................................................... 96
5.1.3 Análise química EDX ......................................................................... 106
5.1.4 Análise granulométrica das cinzas ..................................................... 108
5.1.5 Análise térmica .................................................................................. 110
5.1.6 Difração de raio X .............................................................................. 113
5.1.7 Análise por FTIR ................................................................................ 116
5.2 Avaliação da atividade pozolânica ............................................................. 117
5.2.1 Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland ........... 117
vii
5.2.2 Determinação da atividade pozolânica com cal ................................. 120
5.2.3 Determinação da atividade pozolânica pelo Método de Luxan .......... 121
5.2.4 Determinação da atividade pozolânica pelo Método de Chapelle
modificado ........................................................................................................ 122
5.3 Avaliação das propriedades mecânicas ..................................................... 123
5.4 Avaliação da reação álcalis agregado ....................................................... 126
5.5 Avaliação dos resultados mecânicos ......................................................... 129
6 CONCLUSÃO .................................................................................................. 135
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .............................................. 137
8 TRABALHOS PUBLICADOS .......................................................................... 138
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 139
10 ANEXOS .......................................................................................................... 152
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3-1: Tipos de concreto segundo a ADESC, 2007 .......................................... 23
Tabela 3-2: Classificação, composição e características das adições minerais para
concreto .............................................................................................................. 27
Tabela 3-3: Exigências químicas ............................................................................... 30
Tabela 3-4: Exigências físicas ................................................................................... 31
Tabela 3-5: Análise química da cinza da serragem ................................................... 45
Tabela 3-6: Ensaio de resistência à compressão – cinza da serragem .................... 45
Tabela 3-7: Resultados dos ensaios de atividade pozolânica - CCCP ...................... 46
Tabela 3-8: Metodologias de Aflorestamento e Reflorestamento aprovadas pelo
IPCC(2008) ......................................................................................................... 51
Tabela 3-9: Relação de amostras ............................................................................. 54
Tabela 3-10: Resultados obtidos ............................................................................... 55
Tabela 3-11: Resultado análise granulométrica ........................................................ 56
Tabela 3-12: Resistência à compressão de corpos de prova confeccionados com a
cinza de casca de eucalipto ................................................................................ 58
Tabela 3-13: Análise química da cinza de casca de eucalipto calcinada a 1000ºC .. 58
Tabela 4-1: Características cimento LIZ CPV ARI - Premium ................................... 69
Tabela 4-2: Tipos de ensaios mecânicos a serem realizados ................................... 81
ix
Tabela 4-3: Planejamento para confecção dos corpos de prova............................... 82
Tabela 5-1: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza in
natura. ................................................................................................................. 96
Tabela 5-2: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza
moída. ............................................................................................................... 100
Tabela 5-3: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza
requeimada. ...................................................................................................... 103
Tabela 5-4: Composição química semi quantitativo via EDS .................................. 106
Tabela 5-5: Composição química via EDX .............................................................. 106
Tabela 5-6: Resultados perda ao fogo, Carbono fixo, cinzas e material volátil ....... 108
Tabela 5-7: Diâmetros equivalentes da granulometria a laser das partículas da
amostra cinza moída. ........................................................................................ 108
Tabela 5-8: Diâmetros equivalentes da granulometria a laser das partículas da
amostra requeimada. ........................................................................................ 109
Tabela 5-9: Resultado cálculo do IAP pela NBR 5752 ............................................ 118
Tabela 5-11: Resultados obtidos para o método de Luxan ..................................... 121
Tabela 5-12: Resultados obtidos para o método de Chapelle modificado .............. 122
Tabela 5-13: atividade pozolânica pelo método de Chapelle(metacaulim e sílica
ativa) ................................................................................................................. 122
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-1: Distribuição da matriz energética brasileira (ANEEL, 2010) ................... 16
Figura 3-1: Mecanismos de redução da exsudação na pasta de cimento pela adição
de sílica ativa ....................................................................................................... 38
Figura 3-2: Distribuição de áreas de reflorestamento (Fonte: SBS, 2007) ................ 50
Figura 3-3 - Morfologia das partículas das cinzas do bagaço de cana-de-açúcar .... 62
Figura 4-1: Produção do cavaco de Eucalipto ........................................................... 66
Figura 4-2: Caldeira alternativa alimentada com cavaco de lenha de Eucalipto ....... 67
Figura 4-3: Fluxograma de desenvolvimento da pesquisa ........................................ 67
Figura 4-4: Resultados ensaio cimento CPV LIZ Premium ....................................... 69
Figura 4-5: Ponto de coleta das amostras de cinza .................................................. 73
Figura 4-6: Saída filtro de manga da caldeira............................................................ 73
Figura 4-7: Recipiente de coleta do filtro ................................................................... 74
Figura 4-8: Cinza de cavaco de lenha de Eucalipto após a combustão .................... 74
Figura 4-9: Cinza in natura ........................................................................................ 76
Figura 4-10: Cinza moída .......................................................................................... 76
Figura 4-11: Cinza requeimada ................................................................................. 77
Figura 4-12: Sistema ternário .................................................................................... 80
xi
Figura 4-13: Moldagem de corpos de prova .............................................................. 84
Figura 4-14: Ensaio à compressão ............................................................................ 85
Figura 4-15: Ensaio de compressão diametral. ......................................................... 85
Figura 4-16: Ensaio de módulo de resistência à tração na flexão. ............................ 86
Figura 4-17: Corpos de prova com cal ...................................................................... 89
Figura 4-18: Método de Luxan .................................................................................. 91
Figura 4-19: Detalhe corpo de prova RAA e relógio de medição .............................. 93
Figura 4-20: Montagem para medição da expansão nos corpos de prova RAA ....... 93
Figura 5-1: Cinza in natura ........................................................................................ 94
Figura 5-2: Cinza moída ............................................................................................ 95
Figura 5-3: Cinza requeimada ................................................................................... 95
Figura 5-4: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza in natura ................ 96
Figura 5-5: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (20x). ............................. 97
Figura 5-6: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (150x). ........................... 98
Figura 5-7: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura ( 200x). .......................... 98
Figura 5-8: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (250x). ........................... 99
Figura 5-9: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (250x). ........................... 99
Figura 5-10: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza moída ................ 100
Figura 5-11: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (200x ) .... 101
Figura 5-12: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x) ... 101
xii
Figura 5-13: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x) ... 102
Figura 5-14: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x) ... 102
Figura 5-15: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza requeimada ....... 103
Figura 5-16: Micrografia por MEV das partículas da cinza requeimada (50x). ........ 104
Figura 5-17: Micrografia por MEV das partículas da cinza requeimada (250x). ...... 104
Figura 5-18: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (250x) ..... 105
Figura 5-19: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (250x) ..... 105
Figura 5-20: Diagrama ternário da cinza de cavaco de eucalipto............................ 107
Figura 5-21: Granulometria cinza moída ................................................................. 109
Figura 5-22: Granulometria cinza requeimada ........................................................ 110
Figura 5-23: DTA e TGA da CCE cinza in natura .................................................... 111
Figura 5-24: DTA e TGA da CCE cinza moída ........................................................ 112
Figura 5-25: DTA e TGA da CCE cinza requeimada ............................................... 113
Figura 5-26: Difratograma cinza in natura, moída e calcinada ................................ 114
Figura 5-27: Difratograma das três amostras de cinzas. ......................................... 115
Figura 5-28 Análise por FTIR das amostras de CCE .............................................. 116
Figura 5-29: Ampliação da análise por FTIR das amostras de CCE ....................... 117
Figura 5-30: Resistência à compressão dos compósitos substituição 35% de cimento
.......................................................................................................................... 118
Figura 5-31: Resistência à tração na compressão diametral................................... 119
xiii
Figura 5-32: Resistência à tração na flexão ............................................................ 120
Figura 5-33: Resultado ensaio à compressão NBR 5751 ....................................... 121
Figura 5-34: Resistência à compressão dos compósitos cimentícios aos 28 dias .. 124
Figura 5-35: Resistência à tração na compressão diametral aos 28 dias ............... 125
Figura 5-36: Resistência à tração na flexão ............................................................ 125
Figura 5-37: Resultado expansão RAA ................................................................... 127
Figura 5-38: Resultado do ensaio de compressão simples ..................................... 128
Figura 5-39: Resultado de tração na flexão............................................................. 128
Figura 5-40: Curva de tendência ensaio de compressão simples ........................... 130
Figura 5-41: curva de tendência ensaio de compressão diametral ......................... 131
Figura 5-42: Curva de tendência ensaio de tração na flexão .................................. 132
Figura 5-43: Tração na flexão 5% ........................................................................... 132
Figura 5-44: Tração na flexão 10% ......................................................................... 133
Figura 5-45: Tração na flexão 15% ......................................................................... 133
Figura 5-46: Tração na flexão 35% ......................................................................... 134
xiv
RESUMO
O presente trabalho caracterizou a cinza de cavaco de eucalipto (CCE) e avaliou a
sua utilização como material cimentício suplementar. As cinzas foram utilizadas em
substituição parcial do cimento (5, 10 e 15%), in natura e beneficiadas através da
moagem e da requeima. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas de análise
granulométrica, apresentando tamanho médio dos grãos 14,89m para a CCE
moída e 71,29m para a CCE requeimada. Foram realizadas micrografias por
microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química qualitativa (semi-
quantitativa) por espectrometria de raios-X dispersivo em energia (EDS). Os
resultados da EDS sugerem que a CCE possui grande quantidade dos elementos
químicos Cálcio e Ferro. A espectrometria de fluorescência de raios-X (EDX)
detectou que a CCE apresenta a seguinte composição química (%): SiO2(6,38),
Al2O3(22,60), CaO(27,40), MnO(0,41), MgO(6,15), TiO2(2,41), P2O5(2,752),
Na2O(0,28), K2O(4,29) e Fe2O3(10,9). A difração de raios-X realizada para análise
química qualitativa detectou diversas fases como óxido de silício (SiO2) na sua fase
cristalina (Quartzo), óxido de cálcio (CaO). O potencial pozolânico da CCE foi
avaliado por vários métodos. Com os resultados obtidos pelos os métodos Luxan,
Chapelle modificado e índice de atividade pozolânica com cal, é possível afirmar que
a CCE não se classifica como pozolana. Os resultados obtidos pelo método índice
de atividade pozolânica com cimento indicam que a CCE é pozolana. Na avaliação
da eficiência da CCE como material inibidor da reação álcali–agregado (RAA), a
CCE requeimada inibiu a expansão. Os resultados obtidos para as propriedades
mecânicas foram equivalentes ou próximos ao compósito sem substituição. Com os
resultados apresentados no presente trabalho, conclui-se que o uso da CCE como
material cimentício suplementar é uma alternativa viável para eliminar um passivo
ambiental das empresas geradoras deste tipo de resíduo.
Palavras-chaves: Cinzas de cavaco de eucalipto, biomassa, adições minerais,
cimento Portland
xv
ABSTRACT
This study characterized the ash eucalyptus chip (ECA) and has evaluated its use as
a supplementary cement material. The ashes were used in partial replacement of
cement (5, 10 and 15%), in natura and processed by milling and reburning. The
samples were characterized by the technique of laser granulometry, with grain size of
14.89m for ECA milled and 71.29m for ECA of reburning. Micrographs were
performed by scanning electron microscopy (SEM), and analysis of chemical
composition by dispersive energy spectroscopy (EDS), the result suggests that the
ECA has large amount of elements Calcium and Iron. The fluorescence spectrometry
(EDX), X-rays detected that following the ECA has the chemical composition
(%):SiO2(6.38), Al2O3(22.60), MnO(0.41), CaO(27.40), MgO(6.15), TiO2(2.41),
P2O5(2.752), Na2O(0.28), K2O(4.29) e Fe2O3(10.9). The technical X-ray diffraction
detected various phases that show evidence of silica (SiO2) phase in its crystalline
(quartz) and high contents of calcium oxide. The pozzolanic ECA potential was
assessed by several methods. With the results obtained by the Luxan, Chapelle
modified and pozzolanic activity index with lime, one can say that ECA does not rank
as pozzolan. The results obtained from the pozzolanic activity index with cement
indicate that ECA is pozzolan. In assessing the efficiency of ECA as an inhibitor
material alkali-aggregate reaction (AAR), ECA of reburning inhibited the expansion.
The results obtained for the mechanical properties equivalent or near composite
without replacement. With the results presented in this study, it is concluded that the
use of ECA as a supplementary cementitious material is a viable alternative to
eliminate environmental liabilities of the generators of this type of waste.
Keywords: ash eucalyptus chip, biomass, mineral additions, Portland cement.
16
1 INTRODUÇÃO
A importância do Brasil e o seu potencial na produção de energia renovável são
muito expressivos. Dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em
2010 revelaram que a energia produzida pelo uso de fontes limpas (energia
hidrelétrica, biomassa tradicional e outras energias renováveis) representa 73,5% da
matriz energética nacional (Figura 1-1). As projeções para o período de 2012 a 2020
indicam um crescimento médio da demanda de 5,2% a.a. Portanto, há espaço e
oportunidade para se produzir energia a partir de biomassa, uma fonte de baixo
custo e investimento, ecologicamente adequada e sócio economicamente correta
(ABRAF, 2011).
Figura 1-1: Distribuição da matriz energética brasileira (ANEEL, 2010)
Sabe-se que a queima de derivados de combustíveis fósseis (petróleo, carvão, etc.)
está acelerando o aumento da temperatura do planeta, fenômeno conhecido pela
17
comunidade científica como aquecimento global. Apesar de não ser recente,
somente agora tem demandado preocupação dos países desenvolvidos, até então
alheios aos apelos da comunidade científica.
Desde a crise do petróleo iniciada em 1973, a preocupação com o consumo
energético mundial tem estimulado a busca por fontes de energias renováveis que
diminuam o consumo de combustíveis fósseis, esgotáveis e altamente poluentes, e
que sejam sustentáveis em acordo com as normas ambientais vigentes.
Em um estudo de caso comparando o consumo de óleo derivado de petróleo com
baixo ponto de fluidez (BPF) e lenha de eucalipto, em relação ao consumo de
combustível, a caldeira a óleo consome, em média, 76,50 kg/hora do óleo
combustível B.P.F. e a caldeira a lenha um m³ de lenha/hora ou 620 kg de
lenha/hora. O custo médio do óleo pago pela empresa no período do estudo foi de
R$ 0,895/kg, com um custo/hora de R$ 68,46, implicando em uma despesa mensal
de R$ 27.384,00. Já o valor pago pela lenha (eucalipto) ficou em torno de
R$35,00/m³, com um custo hora de R$ 35,00. Neste caso, o custo operacional
adicional da empresa, relativo à mão-de-obra para transporte da lenha e
alimentação da fornalha gira em torno de R$ 1.500,00/mês, já incluídos todos os
encargos, inferindo para a lenha, um custo mensal de R$ 15.500,00 (CAETANO e
DUARTE, 2004).
Concluiu-se que, apesar de o óleo BPF ter um poder calorífico superior ao da lenha,
o primeiro representa maior custo operacional para a empresa, tendo em vista o seu
próprio custo e que sua utilização requer um sistema de lavagem da fumaça. Uma
de suas vantagens é a de não formar resíduos sólidos, enquanto que a lenha
produz, em média, de 1 a 2% de cinzas, que precisam ser removidas da fornalha a
intervalos periódicos. Outro aspecto a ser considerado, é que apesar de a lenha
exigir maior utilização de mão-de-obra, bem como maior espaço físico para
armazenamento, ela é o combustível mais barato, tanto por tonelada quanto por
unidade de energia gerada, representando uma economia da ordem de 76,67% em
relação ao óleo BPF. A isto, ainda, soma-se o fato da lenha ser um recurso
energético renovável (CAETANO e DUARTE, 2004). Tendo em vista os dados aqui
apresentados, pode-se concluir que a lenha representa combustível de maior
18
viabilidade que o óleo combustível. Outro aspecto é que a lenha de eucalipto é uma
fonte renovável.
Uma fonte de biomassa que compete com o óleo BTF e que está sendo amplamente
utilizada é o bagaço de cana-de-açúcar. Devido à expansão do setor sucro-
alcooleiro e da importância da energia gerada pela queima do bagaço de cana de
açúcar na matriz energética brasileira essa biomassa ganha grande importância. A
queima do bagaço de cana de açúcar em caldeiras gera cinzas. A primeira
destinação natural dessas cinzas seria como fertilizantes, no entanto o alto teor de
sílica e a baixa porcentagem de nutrientes presentes inviabilizam tal uso. Um uso
alternativo para a cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBCA) está sendo estudado
na confecção de concretos, por esta se constituir predominantemente de dióxido de
silício (SiO2) (CORDEIRO, 2006), de forma similar às cinzas provenientes da queima
da casca de arroz.
Diversas indústrias de grande porte utilizam a madeira de eucalipto em suas
caldeiras, como fonte de energia, seja na forma lenha, resíduos (cascas e aparas)
ou processadas (cavaco). Com se trata de uma fonte de energia renovável a
tendência é que o consumo da madeira de eucalipto aumente substancialmente nos
próximos anos gerando enormes quantidades de cinzas.
Grandes quantidades de cinzas produzidas na geração de energia em caldeiras, tem
como destinação final os aterros sanitários, onde seu despejo, além de ocupar
grandes territórios, feito de maneira incorreta pode causar impactos ambientais,
podendo trazer danos a natureza e a população local. Assim sendo este trabalho
avaliou as características físico químicas das cinzas geradas pelas queima de
cavaco de eucalipto em caldeiras e a aplicação das cinzas em substituição do
cimento em compósitos cimenticios, o que pode representar uma alternativa viável
para destinação final deste passivo ambiental.
De forma similar às cinzas de casca de arroz e às cinzas de bagaço de cana de
açúcar, estas cinzas de cavaco de eucalipto se amorfas e com composição química
adequada podem apresentar-se como pozolanas para a produção de concretos mais
resistentes e menos porosos. No caso de serem cristalina podem atuar como fíler e
19
também melhorar as propriedades do concreto. Em ambos os casos são materiais
importantes para a produção de concretos duráveis. A reatividade das cinzas no
cimento depende de sua superfície específica e do teor de sílica amorfa presente
(MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Com a elevação da produção de cimento, aumentaram-se significativamente os
impactos ambientais causados pelas usinas cimentícias. Estima-se que, para cada
tonelada de cimento produzido é emitido na atmosfera aproximadamente uma
tonelada de gás carbônico, principal gás contribuinte para o aumento do efeito
estufa, assim distribuídas nas etapas de produção: descarbonatação (50%),
combustão no forno de clínquer (40%), transporte de matérias-primas (5%) e
eletricidade (5%).
Já estão sendo tomadas medidas por parte das indústrias para a redução destes
impactos, mas estas ainda correspondem a 7% das emissões de gás carbônico
mundiais (MEHTA e MONTEIRO, 2008). Como exemplo a Votorantim Cimentos, que
com o desenvolvimento e implantação de tecnologias limpas, reduziu suas emissões
em 13,6% se comparado com as emissões de 1990. Isto foi alcançado com o
aumento do teor de adições minerais no cimento (escória, cinzas de termelétricas,
entre outros). Atualmente, ela emite 625 quilogramas de CO2 para cada tonelada de
cimento produzido, enquanto a média mundial é de 1.000kg/ton. (VOTORANTIN
CIMENTOS, 2009).
Uma solução que está sendo estudada nesta pesquisa é a incorporação desse
material na dosagem de compósitos cimentícios na forma de adição mineral, por se
tratar de um material fino e possivelmente reativo. A adição deste material pode
acarretar numa melhoria nas propriedades do compósito produzido e poderá reduzir
o consumo do clínquer por m³ de concreto ou de argamassa, resultando assim em
menor emissão de CO2 para a atmosfera e menor consumo de matéria prima para a
produção do cimento, uma vez que a cinza pode vim a substituir parte do clinquer na
produção. O emprego de adições pozolânicas proporciona não somente a redução
de custos e o aumento da resistência mecânica, incrementando a durabilidade das
estruturas de concreto.
20
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
O presente trabalho teve como objetivo geral a avaliação o uso das cinzas geradas
no processo de queima do cavaco de lenha de eucalipto em substituição do cimento
em compósitos cimentícios.
2.2 Objetivos específicos
O presente trabalho teve como objetivos específicos:
a) caracterizar físico-quimicamente e micro - estruturalmente as cinzas de cavaco
de eucalipto (CCE) geradas através da queima em caldeira de uma indústria de
referência;
b) determinar do índice de pozolanicidade das cinzas de cavaco de eucalipto
(CCE);
c) avaliar as propriedades mecânicas (resistência à compressão, à tração na
flexão e na compressão diametral) do compósito desenvolvido com substituição
parcial do cimento por cinzas de cavaco de eucalipto (CCE) no estado endurecido;
d) avaliar do efeito da substituição parcial do cimento por cinzas de cavaco de
eucalipto (CCE) para inibição da reação álcalis agregado(RAA).
21
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Concreto
Certamente o material mais largamente usado em construção civil é o concreto,
normalmente feito com a mistura de cimento Portland com areia, pedra e água. Em
1963 nos Estados Unidos, 63 milhões de toneladas de cimento Portland foram
convertidas em 500 milhões de toneladas de concreto, cinco vezes o consumo de
aço, em massa. Em muitos países, o consumo de concreto é 10 vezes maior que o
do aço. O consumo mundial total de concreto, no ano de 1993, foi estimado em três
bilhões de toneladas, ou seja, 1 t por ser humano vivo. O homem não consome
nenhum outro material em tal quantidade, a não ser a água (MEHTA e MONTEIRO,
2008).
Hoje, a proporção em que o concreto é usado é muito diferente do que era há 30
anos. Estima-se que o atual consumo mundial de concreto é da ordem de 11 bilhões
de toneladas por ano.
Uma das primeiras aplicações conhecidas do concreto consistiu em aquedutos e
muros de contenção de água construídos pelos romanos. Pela sua alta resistência à
água, faz dele um material ideal para estruturas destinadas a controlar, estocar e
transportar água. O uso do concreto em barragens, canais, canalizações para
conduzir água em tanques para estocagem é, na atualidade, visto, normalmente, em
quase todo o mundo (MEHTA e MONTEIRO, 2008). A segunda razão para o uso tão
difundido deste material é a facilidade com que elementos estruturais de concreto
podem ser executados, numa variedade de formas e tamanhos.
A terceira razão é que é normalmente o material mais barato e mais facilmente
disponível no canteiro. Os principais ingredientes para execução do concreto,
cimento Portland e agregados, são relativamente baratos e comumente disponíveis
22
na maior parte do mundo. Apesar de em certas áreas geográficas o custo do
concreto chega a 80 dólares/toneladas, em outras ele cai para 20 dólares/toneladas,
o que corresponde apenas a 2 centavos de dólar/Kg (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Há vários tipos de concreto, que variam conforme a forma de classificação adotada
para o concreto e seus componentes. De acordo com a norma NBR 12655:2006 da
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o concreto pode ser classificado
em três categorias, conforme sua massa específica no estado endurecido:
Concreto normal: possui massa específica maior do que 2.000 kg/m3, mas não
excede 2.800 kg/m3. Constituído normalmente de areia natural, pedra britada
ou seixo rolado.
Concreto leve: possui massa específica não menor que 800 kg/m3, mas não
excede 2.000 kg/m3. Constitui-se de agregados naturais ou processados
termicamente que possuem baixa densidade (agregados expandidos de
argila, escória siderúrgica, vermiculita, ardósia, resíduos de esgoto
sinterizado e outros).
Concreto pesado: massa específica maior que 2.800 kg/m3. Constituído de
agregados de alta densidade, como barita, magnetita, limonita e hematita.
Segundo Mehta e Monteiro (2008), a classificação do concreto também pode ser
feita a partir de critérios de resistência à compressão (aos 28 dias), dividindo-se nas
seguintes categorias:
Concreto de baixa resistência: resistência à compressão menor que 20 MPa.
Concreto de resistência moderada: resistência à compressão de 20 a 40 MPa.
Concreto de alta resistência: resistência à compressão superior a 40 MPa.
Ainda com referência à resistência, a NBR 12655 (ABNT, 2006) define como
concreto de alta resistência o concreto com classe de resistência à compressão
maior que 50 MPa.
Nesta mesma norma, diversas outras formas de classificação e terminologias são
utilizadas para identificar o concreto: concreto-massa, concreto aerado, concreto
espumoso, concreto projetado, concreto dosado, concreto prescrito, etc.
23
Segundo a Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Concretagem do
Brasil (ABESC, 2007), os concretos comumente utilizados podem ser classificados
de acordo com sua aplicação em obra, uma vez que o sucesso de uma construção
dependerá da correta definição do tipo de concreto a ser utilizado. Os principais
tipos de concreto e suas características podem ser vistos na Tabela 3.1:
Tabela 3-1: Tipos de concreto segundo a ADESC, 2007
TIPO APLICAÇÃO
Rolado Barragens, pavimentação rodoviária e urbana
Bombeado De uso em qualquer obra. Obras de difícil acesso. Necessidade de vencer alturas elevadas ou longas distâncias
Resfriado Peças de elevado volume como bases ou blocos de fundações
Colorido Estruturas de concreto aparente, pisos( pátios, quadras e calçadas), guardas corpos de ponte, etc.
Projetado Reparo ou reforço estrutural, revestimento de túneis, monumentos, contenção de taludes, canais e galerias
Alta Resistência inicial Estruturas convencionais ou protendidas, pré-fabricados(estruturas. tubos etc.)
Fluido Peças delgadas. elevada taxa de armadura, concretagens de difícil acesso para a vibração
Pesado Como lastro contrapeso. barreira à radiação (amaras de raios X ou gama, paredes de reatores atômicos), lajes de subpressão
Leve (600 a 1200 kg/m³ Elementos de vedação (Paredes, painéis, rebocos de Lajes, isolante termo-acústico e nivelamento de pisos)
Leve estrutural Peças estruturais, enchimento de pisos e Lajes. painéis pré fabricados
Pavimentos Rígidos Pavimentos rodoviários e urbanos, pisos industriais e pátios de estocagem
Alto Desempenho CAD Elevada resistência (mecânica, física e química). Pré fabricados e peças protendidas
Convencional (a partir de 20 MPA)
Uso corrente na construção civil
Submerso Plataformas marítimas
Com floras e aço, plásticas ou de polipropileno
Reduz a fissuração
Grout Agregados de diâmetro max 4,8 mm
3.2 Componentes do concreto
O concreto é um material composto que consiste essencialmente de um meio
contínuo aglomerante, dentro do qual estão mergulhadas partículas ou fragmentos
de agregados. No concreto de cimento hidráulico, o meio aglomerante é formado por
24
uma mistura de cimento hidráulico e água (NEVILLE, 1997). O agregado é o material
granular, tal como a areia, o pedregulho, a pedra britada ou escória de alto forno,
usado com um meio cimentante, para formar um concreto ou uma argamassa de
cimento hidráulico. O termo agregado graúdo se refere às partículas de agregados
maiores do que 4,8 mm (peneira n° 4) e o termo agregado miúdo se refere a
partículas de agregado menores que 4,8 mm, porém maiores que 75 μm (peneira n°
200). Pedregulho é o agregado graúdo resultante da desintegração natural e
abrasão da rocha ou do processamento mecânico (britagem) de conglomerados
fracamente cimentados. O termo areia é, normalmente, usado para o agregado
miúdo resultante da desintegração natural e da abrasão de rochas ou
processamento de rochas arenosas fiáveis. Pedra britada é o produto resultante da
britagem industrial de rochas, seixos rolados ou pedras arredondadas graúdas.
Escória de alto forno, um subproduto da indústria do aço, é o material obtido pela
britagem da escória que solidificou sob condições atmosféricas (MEHTA e
MONTEIRO, 2008).
Argamassa é uma mistura de areia, cimento e água. É essencialmente um concreto
sem agregado graúdo. Cimento é um material finamente pulverizado, que sozinho
não é aglomerante, mas desenvolve propriedades ligantes, como resultado da
hidratação (isto é, de reações químicas entre os minerais do cimento e água). Um
cimento é chamado hidráulico quando os subprodutos de hidratação são estáveis
em meio aquoso. O cimento hidráulico mais utilizado para fazer concreto é o cimento
Portland, que consiste essencialmente de silicatos de cálcio hidratados. Os silicatos
de cálcio hidratados, formados pela hidratação do cimento Portland, são os
principais responsáveis por sua característica adesiva e são estáveis em meios
aquosos (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
3.3 Adições minerais ao concreto
Segundo Malhotra e Mehta (1996), o uso de adições minerais ao concreto iniciou-se
no período de 1.500 a.C., na Grécia, onde se extraía um material de origem
vulcânica na ilha Santorini. Na literatura geral sobre concreto, entretanto, há uma
25
definição distinta para as adições, que não se confundem com os aditivos. As
adições são utilizadas com o objetivo de somar ou mesmo substituir, parcialmente, a
matéria-prima cimento (devido às suas propriedades semelhantes às do cimento),
enquanto que os aditivos são utilizados para alterar as características do cimento,
sem alterar sua proporção na composição do concreto. Na definição de Malhotra e
Mehta (1996), o termo adição, de forma abrangente, refere-se a qualquer material
além de água, agregados e cimento, que é utilizado como um ingrediente do
concreto e adicionado à massa imediatamente antes ou durante a mistura.
(FONSECA, 2010)
As adições minerais são materiais silicosos finamente divididos, com propriedades
pozolânicas, cimentícias ou de preenchimento de poros (fíler), normalmente
adicionados ao concreto em quantidades relativamente grandes, que variam de 20 a
70% por massa do material cimentício total (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Normalmente adiciona-se teor maior ou igual a 5% em relação ao peso do cimento
(CIMENTO ITAMBÉ, 2009), o que pode acarretar significativamente na melhoria do
desempenho do concreto. Enfim, o teor de adições em cimentos é bem variado,
dependendo das características e granulometria do material.
A NBR 11172 (ABNT, 1990) recomenda a utilização do termo “adição” para designar
“produto de origem mineral adicionado aos cimentos, argamassas e concretos, com
a finalidade de alterar suas características” e do termo “aditivo” para “produto
químico adicionado em pequenos teores às caldas, argamassas e concretos com a
finalidade de alterar suas características no estado fresco e/ou no endurecido”.
Esta abordagem diferencia-se da proposta apresentada por Metha e Monteiro
(2008), que emprega o termo “aditivo mineral” para classificar o material pozolânico
ou cimentício utilizado como um constituinte do concreto. Quando o material
pozolânico ou cimentício é incorporado ao clínquer para a produção de cimentos
Portland compostos, emprega-se a designação “adição mineral” (mineral addition).
Para Nita e John (2007), as adições minerais são definidas como aquelas que
possuem em sua composição silicatos ou silico-aluminatos amorfos com nenhuma
ou pouca atividade aglomerante, mas que quando em contato com a água e em
26
temperatura ambiente reagem com o hidróxido de cálcio formando componentes
com propriedades cimentantes.
Powers, citado por Grigoli et al. (2001), observou que durante o processo de
hidratação, após ao estado plástico, quando começam as reações finais de
endurecimento, os canais capilares da pasta no estado fresco começam a ser
preenchidos pelos produtos de hidratação.
Esse processo reduz rapidamente o volume e tamanho dos capilares, não
implicando necessariamente na interrupção da sua continuidade. No entanto,
adições minerais introduzidas ao concreto, segundo Winslow et al. (1994), diminuem
tanto a porosidade, quanto a conectividade entre os poros.
Alguns pesquisadores, como Metha e Monteiro (2008), são enfáticos ao afirmar que
o emprego de adições de sílica ativa, cinza volante e escória de alto forno,
contribuem para o refinamento dos poros. Como resultado tem-se a diminuição do
volume de vazios do concreto, a redução das fissurações térmicas devido ao baixo
calor de hidratação, aumento da resistência final e redução da permeabilidade
devido à baixa porosidade.
Atualmente, grande parte das adições minerais é composta por resíduos
provenientes de siderúrgicas, usinas termelétricas e indústrias, como as escórias de
alto-forno, a sílica de fumo e as cinzas volantes, os quais têm substituído de forma
crescente as pozolanas naturais e argilas calcinadas. Conforme sua ação físico-
química no concreto, as adições minerais podem ser classificadas em três grupos
distintos: cimentantes, pozolânicas e filers. A tabela 3.2 mostra esta classificação, de
acordo com Metha e Monteiro (2008).
A diluição é um efeito adverso proporcionado pela substituição de uma parcela do
cimento pelo aditivo mineral. Este efeito é equivalente ao aumento da relação água-
cimento e é inversamente proporcional ao teor de substituição. Naturalmente, menos
cimento implica menos produtos formados pelas reações de hidratação
(LAWRENCE et al., 2003).
27
Tabela 3-2: Classificação, composição e características das adições minerais para concreto
Classificação Composição química e mineralógica Característica da partícula
Cimentantes e pozolânicas
Escória granulada de
alto forno (cimentante)
Maior parte de silicato vítreo contendo cálcio, magnésio, alumínio e sílica. Componentes cristalinos do grupo melita podem estar presentes
O material não processado é da dimensão da areia e contém 10 a 15% de umidade. Antes de ser usado é seco e triturado em partículas menores que 45µm.
Cinzas volantes com alto teor de
cálcio (cimentantes e pozolânicas)
Silicato vítreo contendo principalmente cálcio, magnésio, alumínio e sílica. A pequena quantidade de matéria cristalina presente geralmente consiste de quartzo e C3A.
O pó corresponde a 10-15% das partículas maiores de 45µm. a maioria das partículas são esferas sólidas com diâmetro menor que 20 µm.
Pozolanas altamente reativas
Sílica ativa condensada
Consiste essencialmente de sílica pura na forma não cristalina
Pó extremamente fino consistindo em esferas sólidas de 0,1 µm de diâmetro.
Cinza de casca de arroz
Consiste essencialmente de sílica pura na forma não cristalina
As partículas normalmente são menores que 45 µm, mas são altamente celulares.
Pozolanas comuns
Cinza volante com baixo teor
de cálcio
Na maior parte silicato vítreo contendo alumínio, ferro e álcalis. A pequena quantidade de matéria cristalina presente consiste geralmente de quartzo, mulita, silmanita, hematita e magnetita
Pó corresponde a 15-30% de partículas maiores do que 45µm. a maioria das partículas são esferas sólidas com diâmetro médio de 20 µm.
Materiais naturais
Alem de vidro de aluminosilicato, as pozolanas naturais contem quartzo, feldspato e mica
As partículas são moídas a menos de 45 µm e têm textura áspera.
Pozolanas pouco reativas
Escórias de alto forno resfriada
lentamente, Cinzas de forno,
Escória de caldeira, palha
de arroz.
Consistem essencialmente de materiais de silicato cristalino e apenas uma quantidade pequena de matéria não cristalina
Os matérias devem ser pulverizados em partículas de dimensões muito finas para desenvolver alguma atividade pozolânica. As partículas são de textura áspera.
Fonte: (Adaptado de METHA E MONTEIRO, 2008)
De forma geral, pode-se atribuir efeitos físicos e químicos às mudanças nas
propriedades de produtos cimentícios, confeccionados com aditivos minerais. Os
efeitos físicos podem ser divididos em três: diluição do cimento Portland, efeito fíler e
nucleação.
A diluição é um efeito adverso proporcionado pela substituição de uma parcela do
cimento pelo aditivo mineral. Este efeito é equivalente ao aumento da relação água-
cimento e é inversamente proporcional ao teor de substituição. Naturalmente, menos
28
cimento implica menos produtos formados pelas reações de hidratação
(LAWRENCE et al., 2003).
Segundo Mehta (1987), aos 7 dias, a resistência à compressão nos concretos sem
adição de pozolanas ainda é superior, se comparado ao concreto com adição, uma
vez que a reação de hidratação das pozolanas ainda não foi suficiente para afetar a
resistência. Porém, aos 28 dias, misturas contendo 10% de pozolanas já
apresentam resistências superiores.
A resistência à compressão de um concreto com adição de 10% de cinza de casca
de arroz apresenta valores ligeiramente superiores ao concreto de referência aos 28
dias (ZHANG e MALHOTRA, 1995).
3.3.1 Cimentantes
O material cimentante é aquele capaz de formar produtos cimentantes, como o C-S-
H, sem a necessidade do hidróxido de cálcio presente no cimento Portland. Sua
auto-hidratação é lenta, porém quando usado como adição ou substituição em
cimento Portland, sua hidratação é acelerada na presença de hidróxido de cálcio e
gipsita, como é o caso da escória granulada de alto-forno.
Ao contrário das pozolanas, segundo Mehta e Monteiro (2008), a escória em
presença de umidade pode formar produtos cimentantes (não necessitando do
hidróxido de cálcio). Entretanto, a quantidade de produtos cimentantes formados e a
taxa de formação são insuficientes para aplicação do material para fins estruturais.
Quando utilizada em conjunto com o cimento Portland, a escória tem sua hidratação
acelerada pela presença de hidróxido de cálcio e gipsita (sendo estes, portanto, os
seus primeiros ativadores químicos (SCHNEIDER, 2005).
Quando as pozolanas, como cinza volante, cinza de casca de arroz e sílica ativa,
formam o material aglomerante em conjunto com o cimento Portland e recebem a
adição de água, há na hidratação do cimento liberação do hidróxido de cálcio (CH)
que é consumido pela pozolana com formação de silicato de cálcio hidratado (C-S-
H) secundário. Essa reação também acontece quando o aglomerante é formado
29
pela escória e cimento Portland, entretanto, como a escória é rica em cálcio, há o
seu consumo na reação pozolânica com formação de C-S-H secundário de maior
relação CaO/SiO2. Assim, em ordem de relação C/S o C-S-H formado diminui na
ordem (MEHTA e MONTEIRO, 2008):
Cimento Portland > escória de alto-forno> pozolana
Como resultado das mudanças provocadas pela reação pozolânica, concretos com
escória têm comportamento diferenciado em relação a concretos com somente
cimento Portland. Primeiramente, porque a formação de C-S-H secundário, apesar
de menor densidade comparada ao C-S-H primário (produzido pelo cimento), é
muito eficiente no preenchimento dos grandes capilares em misturas contendo
adições minerais (Wee et aI., 2000) e esse efeito é conhecido como refinamento dos
poros. A microestrutura toma-se relativamente mais densa, tortuosa e descontinua
(portanto, menos permeável à penetração de ions agressivos) comparada com
concretos com somente cimento Porttand em idade similar.
O segundo efeito é a diminuição no teor de CH, tanto pelo consumo na reação
pozolânica quanto pela substituição do cimento por escória que gera efeitos
benéficos quando há possibilidade de reação álcali-agregado ou ataque por sulfato,
por exemplo. No entanto, em relação à carbonatação, Stumpp (2003) e Sperb (2003)
encontraram maior profundidade de carbonatação quando o teor de escória foi de
70%. Cabe salientar, também, que há transformação do tamanho dos grãos de CH
em grãos pequenos e menos orientados e esse efeito é conhecido como
refinamento dos grãos (SCHNEIDER, 2005).
O terceiro efeito é o desenvolvimento mais lento da liberação de calor e da
resistência mecânica. Cita Neville (1997) que cimentos compostos com alto teor de
escória podem ser usados em estruturas nas quais devem ser lançadas grandes
quantidades de massa de concreto, de modo que seja necessário o controle do calor
de hidratação desprendido nas primeiras idades, sendo possível controlar a abertura
de fissuras de origem principalmente térmica.
30
3.3.2 Pozolânicas
As pozolanas são classificadas da seguinte forma:
pozolanas naturais: materiais de origem vulcânica, geralmente de caráter
petrográfico ácido (65% de SiO2) ou de origem sedimentar com atividade
pozolânica;
pozolanas artificiais: materiais provenientes de tratamento térmico ou
subprodutos industriais com atividade pozolânica;
argilas calcinadas: materiais provenientes de calcinação de certas argilas
submetidas a temperaturas, em geral, entre 500ºC e 900ºC, de modo a
garantir sua reatividade com hidróxido de cálcio;
cinzas volantes: resíduos finamente divididos com atividade pozolânica que
resultam da combustão do carvão mineral pulverizado ou granulado;
outros materiais: materiais não tradicionais, tais como: escórias siderúrgicas
ácidas, cinzas de resíduos vegetais, rejeito de carvão mineral.
A NBR 12653 (ABNT, 1992) classifica os materiais pozolânicos em três classes, N,
C e E. A classe N são as pozolanas naturais e artificiais, como certos materiais
vulcânicos de caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras diatomáceas e
argilas calcinadas. A classe C são as cinzas volantes produzidas pela queima de
carvão mineral em usinas termoelétricas. A classe E são as pozolanas cujos
atributos diferem das classes anteriores. Na tabela 3.2, são apresentadas as
exigências químicas para as diferentes classes.
Tabela 3-3: Exigências químicas
Propriedades Classe de material pozolânico
N C E
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % mín 70 70 50
SO3, % máx. 4,0 5,0 5,0
Teor de umidade, % máx. 3,0 3,0 3,0
Perda ao fogo, % máx. 10,0 6,0 6,0
Álcalis disponíveis em Na2O, % máx. 1,5 1,5 1,5
31
Com relação às exigências físicas a NBR 12653 (ABNT, 1992) apresenta a tabela
3.4. A reação entre a pozolana e o hidróxido de cálcio é chamada reação
pozolânica. A reação é lenta, assim as taxas de liberação de calor e
desenvolvimento da resistência também são lentas. A reação consome hidróxido de
cálcio, em vez de produzi-lo, o que tem um importante papel na durabilidade da
pasta hidratada, frente às ambientes ácidos. Estudos sobre a distribuição do
tamanho dos poros nos cimentos hidratados CPIII e CPIV mostraram que os
produtos da reação são muito eficientes em preencher espaços capilares,
melhorando assim, a resistência e impermeabilidade do sistema (MEHTA e
MONTEIRO, 2008).
Tabela 3-4: Exigências físicas
Propriedades Classe de material pozolânico
N C E
Material retido na peneira 45 μm, % máx. 34 34 34
Índice de atividade pozolânica com cimento aos 28 dias, em relação ao controle, % mín.
75 75 75
Índice de atividade pozolânica com o cal aos 7 dias, em MPa
6,0 6,0 6,0
Índice de atividade pozolânica água requerida, % máx.
115 110 110
As pozolanas naturais são materiais de origem vulcânica ou sedimentar e as
pozolanas artificiais são materiais provenientes de tratamento térmico (argilas
calcinadas ou termicamente ativadas) ou subprodutos industriais com atividade
pozolânica, cinzas volantes, cinzas de casca de arroz, sílica ativa, etc..
3.3.3 Fíler
O fíler é um material finamente dividido sem atividade química, cuja atuação é
basicamente um efeito físico de empacotamento granulométrico e ação como pontos
de nucleação para a hidratação dos grãos de cimento (DAL MOLIN, 2005). Possui
partículas de diâmetro médio próximo ao do cimento, podendo ser constituído de
materiais naturais ou materiais inorgânicos processados.
32
Segundo Petrucci (1995), utiliza-se o fíler principalmente nos seguintes casos:
espessador de asfaltos fluidos; fabricação de mástiques betuminosos; preparação
de argamassas betuminosas; preparação de concretos hidrocarbonatos; adição a
cimentos; fabricação de borracha artificial; adição a concretos com consumos baixos
de cimento para colmatar os vazios.
O fíler possui propriedades que corrigem os finos da areia e melhoram a qualidade e
durabilidade do concreto, quando presentes em pequenas quantidades no mesmo.
Dentre as propriedades de melhor desempenho estão: a trabalhabilidade, a massa
específica, a permeabilidade, a exsudação e a tendência à fissuração (NEVILLE,
1995 apud DAL MOLIN, 2005).
Outros tipos de adições minerais que podem ser citados são os materiais com
características não reativas que possuem a finalidade específica de dar cor às
argamassas e concretos, como o pó de tijolo (FONSECA, 2010).
3.4 Principais tipos de adições minerais
3.4.1 Escória de alto forno
A escória de alto-forno é um subproduto não-metálico da produção de ferro-gusa em
altos-fornos, obtido pela reação, em elevadas temperaturas, do minério de ferro,
fundentes e cinzas de carvão vegetal ou carvão mineral (coque). Este material
constitui-se de uma mistura de cal, sílica e alumina, ou seja, os mesmos óxidos que
constituem o cimento Portland, porém em proporções diferentes (NEVILLE, 1997).
A escória granulada de alto-forno é definida pela Norma Brasileira NBR 5735 (ABNT,
1991) como sendo o subproduto do tratamento do minério de ferro em alto-forno,
obtido sob forma granulada por resfriamento brusco, constituído em sua maior parte
de silicatos e aluminosilicatos de cálcio. A Norma Européia EN 197-1:2000 também
define a escória granulada de forma semelhante, além de estabelecer que ela deva
conter no mínimo dois terços em massa de partículas vítreas e possuir propriedades
hidráulicas quando adequadamente ativada.
33
Segundo Coutinho (1997), a proporção entre a produção de escória e a do ferro é de
cerca de 0,75 a 1,25 toneladas de escória por 1 tonelada de ferro, que varia
segundo a riqueza em ferro do minério.
Quando a escória de alto-forno sofre um resfriamento lento, obtém-se a escória
resfriada ao ar ou escória expandida, que apresenta coloração que varia entre cinza
escuro e marrom. Esta escória não deve ser usada como material cimentício, porém
pode ser usada como agregado para concretos, asfaltos e lastros.
Quando a escória passa por um processo de resfriamento rápido – normalmente
através de jatos de água ou vapor d’água sob alta pressão – obtém-se a escória
granulada ou peletizada, que é um material predominantemente amorfo e
potencialmente reativo (DAL MOLIN, 2005). A operação de granulação altera
completamente as propriedades da escória, mantendo-a num estado semelhante a
um líquido superesfriado, ou seja, conserva no estado sólido a estrutura do líquido,
apresentando-se no estado amorfo. A escória granulada apresenta estrutura vítrea e
coloração amarelada, bege ou cinza, podendo apresentar propriedades cimentícias
quando finamente moída.
Diferentemente das cinzas volantes, a escória de alto-forno precisa ser moída até se
atingir um nível desejável de tamanho das partículas ou de área superficial,
dependendo do grau de ativação necessário e de fatores econômicos. Para ser
utilizada como adição mineral, a escória de alto-forno também precisa passar pelo
processo de secagem antes de ser moída.
A escória resfriada ao ar é geralmente aproveitada como agregado para bases de
estradas e pavimentos asfálticos e também pode ser usada como agregado leve
para o concreto e para isolamentos térmicos. Já a escória granulada é utilizada
como adição ou substituto parcial do cimento Portland em misturas de concreto em
betoneiras, bem como na fabricação de cimentos compostos, estando presente no
cimento Portland de alto-forno (CP III) e no cimento Portland composto com escória
(CP II E). Alguns fatores que afetam a hidraulicidade das escórias de alto-forno são:
grau de vitrificação, composição química, composição mineralógica e finura
(moagem).
34
Diferentemente das pozolanas, a escória de alto-forno finamente moída tem
propriedades auto-cimentantes, ou seja, não necessita de hidróxido de cálcio para
formar produtos cimentantes como o C-S-H. Porém, quando a escória de alto-forno
hidrata-se por si só, a quantidade de produtos cimentantes gerados e as taxas de
formação não são suficientes para a aplicação do material com fins estruturais.
Combinada com o cimento Portland, a escória tem sua hidratação acelerada na
presença de hidróxido de cálcio e gipsita.
Os concretos compostos com escória granulada de alto-forno apresentam as
seguintes características: boa durabilidade, alta resistência a meios sulfatados,
menor calor de hidratação e maior ganho de resistência mecânica a longo prazo
(LITTLE, 1999).
3.4.2 Escória de aciaria
Grandes quantidades de escórias siderúrgicas são produzidas em todo o mundo,
sendo as indústrias de ferro e aço as principais responsáveis pela geração destes
materiais. As escórias de alto-forno são produzidas durante a produção de ferro-
gusa a partir do minério de ferro e as escórias de aciaria são produzidas durante a
conversão do ferro-gusa em aço.
A escória de aciaria e a escória de alto-forno resfriada ao ar são tradicionalmente
utilizadas como agregado para base de estradas, devido às suas características
adequadas de durabilidade, dureza, drenagem livre e resistência ao esmagamento
por longos períodos. Outras importantes aplicações das escórias siderúrgicas são:
base para lastro ferroviário, fabricação de lã mineral, uso agronômico para
condicionamento de solos e preparação de terrenos e aterros.
Em países da Ásia, onde há incentivos através de subsídios ao transporte do
produto até os locais de aplicação, as escórias são amplamente utilizadas em
recuperação de terrenos ao mar e aumento de área territorial (FONSECA, 2010). As
escórias de aciaria são, portanto, resíduos siderúrgicos provenientes da fabricação
do aço. Por serem ricas em óxido de cálcio (CaO) e óxido de magnésio,
normalmente apresentam características expansivas, razão pela qual necessitam
35
passar por um processo de envelhecimento prévio, para então poderem ser
utilizadas como adição mineral. Este processo de estabilização preliminar é
necessário para transformar o CaO em hidróxido de cálcio.
As escórias de aciaria são muito usadas como agregados para pavimentos
asfálticos, enchimentos e bases de rodovias, uma vez que apresentam
características apropriadas de densidade, forma angular e coesão entre partículas.
Também podem ser utilizadas como um substituto parcial da pedra calcária e de
alguns materiais naturais, para servir de matéria-prima para os alto-fornos de
cimento.
Quando utilizadas na fabricação do cimento, tornam o processo menos dispendioso
em termos de consumo de energia, com menores emissões de CO2, uma vez que
não necessitam passar pela etapa de pré-moagem.
3.4.3 Pozolanas naturais
As pozolanas naturais são materiais que procedem de rochas vulcânicas e cinzas
vulcânicas, geralmente de caráter petrográfico ácido, isto é, ricos em sílica (≥ 65%
SiO2) ou de origem sedimentar com atividade pozolânica. Para serem empregados,
esses materiais em geral passam pelos processos de britagem, moagem,
classificação por tamanho e, em alguns casos, ativação, após os quais adquirem
uma maior e mais ativa superfície específica.
Dentre as pozolanas de origem vulcânica mais conhecidas no mundo destacam-se
as pozolanas encontradas em Bacoli (Itália) e na ilha de Santorini (Grécia), além da
rocha conhecida como Trass, encontrada na Alemanha (PETRUCCI, 1995).
Também podem ser citadas a pozolana de Shirasu no Japão e os tufos zeolíticos
encontrados na China e Rússia.
As pozolanas de origem vulcânica têm sua formação a partir de erupções vulcânicas
que lançam na atmosfera grandes quantidades de lava derretida, compostas
basicamente de aluminosilicatos. O rápido resfriamento da lava resulta na formação
de fases vítreas com estrutura desordenada e minerais pouco cristalinos. Os gases
36
liberados e o vapor d’água imprimem no material vulcânico uma textura porosa
contendo elevada área superficial. Esta combinação de efeitos é a causa da
reatividade dos aluminosilicatos presentes na cinza vulcânica com o hidróxido de
cálcio em temperatura ambiente.
As pozolanas de origem sedimentar são os cherts silicosos e as terras diatomáceas.
O chert é um tipo de rocha sedimentar composta principalmente de sílica e
minúsculos cristais de quartzo. As terras diatomáceas consistem de opalina ou sílica
amorfa hidratada proveniente de esqueletos de diatomáceas, que são minúsculas
plantas aquáticas com paredes celulares compostas de carapaças silicosas (MEHTA
e MONTEIRO, 2008). O material é pozolânico quando puro, mas geralmente precisa
ser termicamente ativado para aumentar sua atividade pozolânica devido à presença
de impurezas, como os argilominerais. Este tipo de pozolana natural é um depósito
sedimentar de granulação fina que possui algumas restrições para o uso, uma vez
que demanda alto teor de água devido à sua porosidade e angulosidade (NEVILLE,
1997 apud DAL MOLIN, 2005).
A classificação das pozolanas naturais segundo os critérios estabelecidos por Metha
e Monteiro (2008) toma por base o principal constituinte químico capaz de reagir
com o hidróxido de cálcio proveniente dos produtos de hidratação do cimento. Neste
contexto, as pozolanas naturais são classificadas em quatro categorias: vidros
vulcânicos, tufos vulcânicos, argilas ou folhelhos calcinados e terra diatomácea.
3.4.4 Sílica ativa
A sílica ativa, também conhecida como sílica de fumo, sílica volatilizada ou micros
sílica, é um material relativamente recente cuja utilização na indústria do concreto
tem crescido muito desde a década de 80 (MALHOTRA E MEHTA, 1996).
A sílica ativa é um subproduto da produção do silício metálico (utilizado na
fabricação de componentes eletrônicos, silicones e alumínio), das ligas de ferro-
silício (utilizado na produção de aços comuns) e de outras ligas de silício, produzidos
em grandes fornos de fusão, do tipo arco elétrico. Um arco elétrico é resultante de
uma ruptura dielétrica de um gás a qual produz uma descarga de plasma, resultante
37
de um fluxo de corrente em meio normalmente isolante tal como o ar. O arco ocorre
em um espaço preenchido de gás entre dois eletrodos condutivos (freqüentemente
feitos de carbono) e isto resulta em uma temperatura muito alta, capaz de fundir ou
vaporizar virtualmente qualquer coisa, inclusive o quartzo (FONSECA, 2010).
Durante a redução da sílica, quartzo de elevada pureza e carvão são introduzidos
em forno elétrico no qual, dentro do arco elétrico, um gás (monóxido de silício
gasoso – SiO) é produzido e escapa para a parte superior da carga. Este gás resfria-
se, condensa e oxida na forma de sílica (SiO2), que é captada por filtros de manga
antes da sua saída para a atmosfera, sendo devidamente armazenada para a sua
posterior utilização. Nesta forma amorfa, as partículas são extremamente reativas e
o seu pequeno tamanho relativo facilita a reação química com o Ca(OH)2 produzido
na hidratação do cimento Portland (KORMANN et al., 2001).
Há diferentes tipos de sílica ativa com relação à composição química, cor,
distribuição granulométrica e outras características. Esta variação existe em função
do tipo de liga produzida, tipo de forno, composição química e dosagem das
matérias-primas.
Muito usada em concretos de alto desempenho, a sílica ativa é umas das adições
minerais de maior reatividade, graças ao tamanho extremamente pequeno de suas
partículas e à sua natureza amorfa. Suas partículas são esféricas, de diâmetro cem
vezes menor que o do cimento. Por terem uma área específica elevada e
granulometria mais fina que os cimentos, as partículas da sílica ativa densificam a
zona de transição por ação física e química, gerando uma microestrutura mais
densa e homogênea, com reduzido volume de vazios. Para o aproveitamento ideal
deste material altamente pozolânico faz-se necessária a utilização de aditivos
redutores de água, pois sua finíssima distribuição granulométrica tende a provocar
um considerável consumo de água no concreto.
Em composições cimentícias, a sílica ativa tem sido utilizada para aumentar a
resistência mecânica e compacidade, graças à ocorrência de reações pozolânicas e
ao efeito físico fíler. As reações pozolânicas ocorrem devido à interação com o
hidróxido de cálcio do cimento, produzindo silicato de cálcio hidratado (C-S-H),
38
material mais resistente e estável, que favorece a durabilidade dos compósitos,
aumentando a resistência e diminuindo a permeabilidade do sistema devido ao
processo de refinamento dos poros. Já o efeito fíler ocorre em função da diminuição
da porosidade total do sistema promovida pelo preenchimento dos vazios de
empacotamento, de poros capilares e de gel (ROMANO et al., 2006).
No concreto fresco, a introdução de sílica ativa contribui para a diminuição da
exsudação e da segregação, sendo o uso de plastificantes e superplastificantes
necessário para garantir a trabalhabilidade da mistura. O efeito físico do
empacotamento das finíssimas partículas da sílica ativa provoca a redução dos
espaços vazios e conseqüentemente do consumo de água necessário para dar
plasticidade ao sistema, conforme demonstrado na Figura 3.1.
No concreto endurecido, a adição de sílica ativa em proporções adequadas aumenta
a resistência à compressão dos concretos. A permeabilidade e a porosidade são
diminuídas, aumentando a resistência aos agentes agressivos, uma vez que as finas
partículas da sílica ativa ocupam os vazios entre as partículas do cimento e do
agregado, tornando o conjunto mais denso (COUTINHO, 1997).
Figura 3-1: Mecanismos de redução da exsudação na pasta de cimento pela adição de sílica
ativa
Fonte: (L. HJORTH apud MALHOTRA e MEHTA, 1996)
39
A combinação dos efeitos físicos e químicos da sílica ativa tem como resultado uma
mudança micro estrutural do concreto, principalmente na zona de transição,
melhorando a aderência pasta-agregado e pasta-armadura, a resistência mecânica
e a durabilidade do concreto.
3.4.5 Metacaulim
O metacaulim é originado da calcinação do rejeito do beneficiamento do caulim,
sendo um subproduto sílico-aluminoso proveniente da calcinação de argilas
cauliníticas entre 600ºC e 900ºC. Após este tratamento térmico, que é precedido
pela lavagem da argila caulinítica para remoção de impurezas não reativas, forma-se
a partir dos argilominerais um componente amorfo e de grande instabilidade química
– a metacaulinita – que é responsável pela atividade pozolânica. O processo de
produção é rigorosamente controlado, razão pela qual se obtém um produto de alta
pureza e reatividade.
Segundo Dal Molin (2005), convencionou-se chamar o metacaulim proveniente de
argilas extremamente finas – com elevados teores de caulinita – de metacaulim de
alta reatividade (MCAR). O MCAR também pode ser obtido através do tratamento do
resíduo da indústria produtora de cobertura de papel.
O metacaulim constitui-se basicamente de sílica e alumínio no estado amorfo, que
reagem com o hidróxido de cálcio produzido pela hidratação do cimento Portland,
para formar silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e hidroaluminosilicato de cálcio.
Sabe-se que a incorporação de metacaulim em pastas de cimento Portland contribui
para o aumento da resistência à compressão e durabilidade, pois proporciona a
formação de uma estrutura de poros de tamanhos menores. Suas propriedades
físicas e químicas melhoram as propriedades mecânicas dos concretos (FONSECA,
2010).
Na definição de Helene et al. (2003) apud Tavares (2008), o metacaulim é um
produto constituído por compostos à base de sílica e alumina na fase vítrea,
proporcionando alta reatividade com o hidróxido de cálcio presente no concreto,
sendo recomendado para uso indiscriminado em concretos de cimento Portland.
40
Rocha (2005) cita que a alta reatividade do metacaulim se explica por sua reação
química com o hidróxido de cálcio livre presente na pasta de cimento, associada à
sua finura, que produz o efeito de micro-preenchimento de poros da mistura.
3.4.6 Cinzas volantes
Cinzas volantes são pequenas partículas coletadas por sistemas anti-pó das usinas
termelétricas que queimam carvão em altas temperaturas. Segundo Neville (1997),
elas são cinzas precipitadas eletrostaticamente dos fumos de exaustão de centrais
termoelétricas a carvão, constituindo-se nas pozolanas artificiais mais comuns.
Nas usinas termelétricas, o carvão mineral é utilizado para aquecimento da água de
circulação do sistema e conseqüente geração de vapor para movimentação das
turbinas a fim de produzir energia elétrica. Seu consumo é responsável pela geração
de cinzas, resultantes da queima do carvão mineral em fornalhas de aquecimento.
Ao passar pelas zonas de altas temperaturas na fornalha, materiais voláteis e
carbono são queimados, enquanto que a maior parte das impurezas minerais se
funde e permanece em suspensão no gás dos tubos de exaustão. Ao deixarem a
zona de combustão, as partículas fundentes de cinzas são resfriadas rapidamente e
se solidificam na forma de partículas esféricas e vítreas. Uma parte do material
fundido se aglomera no fundo para formar a cinza pesada, mas a maior parte
escapa através dos fumos de exaustão, recebendo o nome de cinza volante. Na
etapa subseqüente, a cinza volante é recolhida por uma série de separadores
mecânicos e precipitadores eletrostáticos ou filtros de manga (FONSECA, 2010).
A elevada quantidade de cinzas produzidas varia em função da qualidade do carvão,
podendo-se classificá-las em dois tipos: cinza pesada e cinza volante, sendo esta
última correspondente a mais de 80% do total de cinza gerada (IOPPI, 2009). A
ação da temperatura devido à queima do carvão faz com que as cinzas, compostas
de argilas, materiais silicosos e aluminosos, adquiram propriedades pozolânicas.
Devido às suas características mineralógicas e granulométricas peculiares, a cinza
volante geralmente não necessita passar por nenhum processo de beneficiamento
antes de ser utilizada como adição mineral (FONSECA, 2010).
41
Segundo a definição da NBR 5736 (ABNT, 1991), as cinzas volantes são materiais
finamente divididos provenientes da combustão de carvão pulverizado ou granulado.
Este material finamente particulado compõe-se de partículas esféricas simples,
cenosféricas ou angulosas. Por suas características químicas, são materiais sílico-
aluminosos, sílico-cálcicos ou sulfo-cálcicos, cuja composição varia de acordo com
as impurezas contidas na queima do carvão da usina de energia. Dependendo das
variações em parâmetros do processo em fornos industriais, é possível que se
obtenha dois exemplares de cinzas volantes com características químicas similares,
porém com diferentes composições mineralógicas e características de desempenho
em concretos.
Em função das diferenças significativas de composição mineralógica e propriedades,
Mehta e Monteiro (2008) explicam que as cinzas volantes podem ser divididas em
duas categorias que diferem entre si quanto ao teor de cálcio. A cinza com baixo
teor de cálcio é geralmente um produto de combustão de antracito e carvões
betuminosos, contendo quantidades de CaO total menores do que 10%. A cinza com
alto teor de cálcio contém normalmente de 15 a 30% de CaO e geralmente é um
produto de combustão de lignito ou de carvões sub-betuminosos. Esta variedade de
cinza é mais reativa, pois contém a maior parte do cálcio na forma de compostos
cristalinos reativos.
As cinzas volantes podem ser usadas no concreto como correção da granulometria
do agregado miúdo, como substituto parcial do cimento ou nas duas funções
simultaneamente. Quando adicionada na fabricação de cimentos, a cinza volante
está presente no cimento Portland pozolânico (CP IV) e no cimento Portland
composto com pozolana (CP II Z).
As características de superfície, a distribuição granulométrica das partículas e a
morfologia da cinza volante empregada como adição mineral ao concreto exercem
grande influência sobre o consumo de água, a trabalhabilidade do concreto fresco e
a velocidade de desenvolvimento da resistência no concreto endurecido.
O uso de cinzas volantes como substituto parcial do cimento diminui a exsudação,
facilita o bombeamento, retarda o início de pega e faz aumentar a trabalhabilidade
42
do concreto fresco. No concreto endurecido, o uso das cinzas reduz a resistência
nas idades iniciais, mas pode levar a resistência nas idades finais a valores iguais ou
superiores às do cimento Portland sem adição. Com uma cura úmida adequada, os
concretos com cinzas volantes apresentam menor permeabilidade, aumentando a
proteção das armaduras.
3.4.7 Cinzas de casca de arroz
A cinza da casca de arroz é o material obtido após a combustão da casca de arroz,
nas usinas beneficiadoras de arroz, onde a cinza é queimada para se gerar calor e
vapor nos processos de beneficiamento dos grãos. A casca de arroz é uma fonte de
energia renovável que também se tornou bastante atrativa como substituto dos
combustíveis fósseis em usinas geradoras de energia. Estima-se que cada tonelada
de arroz em casca produz cerca de 200 kg de casca, o que por combustão gera 40
kg de cinzas (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
O silício presente na casca de arroz ocorre geralmente em uma forma amorfa
hidratada de sílica, com uma estrutura em estado similar ao vítreo ou na forma de
gel. Durante a combustão, parte da massa da casca se transforma em cinza,
obtendo-se uma estrutura celular e porosa, com elevada superfície específica e
grande quantidade de sílica (HOUSTON, 1972 apud DAL MOLIN, 2005).
As cinzas obtidas através de processos de combustão controlada, com temperaturas
entre 500ºC e 700ºC, têm características amorfas e possuem alta pozolanicidade,
produzindo efeitos benéficos sobre as propriedades do concreto.
A micro porosidade e a elevada área superficial das partículas da cinza da casca de
arroz contribuem para a sua alta atividade pozolânica. Uma das grandes vantagens
técnicas de sua utilização como adição mineral está na capacidade de reduzir
drasticamente a permeabilidade do concreto.
A cinza de casca de arroz constitui-se em um dos resíduos agro-industriais de maior
produção no mundo. Seu aproveitamento como material pozolânico na construção
civil é de extrema importância, tanto econômica quanto ecologicamente, pois impede
43
seu descarte em forma de aterro, que seria um fator gerador de problemas
ambientais de poluição do solo, do ar e de rios e córregos.
3.4.8 Cinzas de biomassas agroindustriais
As cinzas ocupam lugar de destaque dentre os resíduos agroindustriais por
resultarem de processos de geração de energia e secagem, e apresentam
problemas de armazenamento e impacto ambiental (CINCOTTO, 1988). Em
princípio, qualquer cinza vegetal predominantemente silicosa, que possa ser
produzida no estado amorfo e com finura adequada, pode ser utilizada como adição.
A reatividade da cinza vai depender da sua composição química, fortemente
influenciada pelo produto que gerou a cinza, pelo solo e pelo processo de produção
da cinza. Uma vez que contenham elevado teor de sílica amorfa podem ser de
utilização viável como adições minerais (JOHN et al., 2003). Outro fator relevante
referente às adições minerais deve-se à sua composição física, estado amorfo ou
cristalino e, caso apresentem reatividade em meio aquoso com o CH (hidróxido de
cálcio), resultando em endurecimento, podem ser utilizados como adição mineral
pozolânica (JOHN et al., 2003).
Segundo Maltz (2003) a forma mais comum de lançamento de resíduos ainda são os
aterros sanitários, que mesmo tendo alta tecnologia ainda apresentam o risco da alta
concentração de poluentes. O gerenciamento dos resíduos sólidos e a destinação
ou o reaproveitamento ganha força com a responsabilidade ambiental exigida de
empresas que precisam conquistar novos mercados. Nesta realidade a construção
civil passou a ser consumidora de resíduos produzidos por ela mesma, como se
tornou destino adequado de resíduos de outros processos produtivos. O uso de
resíduos na construção civil é crescente.
Lébeis (2003) afirma que com a legislação ambiental mais restritiva dia após dia,
além dos custos do tratamento dos resíduos poderão ser repassados aos cidadãos
em formas de impostos. Assim, utilizar resíduos sólidos como matéria-prima e sua
transformação passam a ser viáveis para empresas e pessoas e para o meio
ambiente (JÚLIO et al, 2011).
44
Tem havido bastante esforço no intuito de tirar o máximo beneficio econômico dos
resíduos de coco de palma, aplicando-os como materiais de construção em
concretos (MANNAN e GANAPATHY, 2004). Tay e Show (1996) investigaram cinzas
de casca do coco da produção de dendê e do cacho da mesma planta. Os autores
indicaram que a cinza da casca do coco e do cacho do dendê podem substituir,
parcialmente, o cimento Portland em até 10% da massa. Nessa pesquisa o tempo
de pega, a consistência e a trabalhabilidade se mantiveram constantes e não foi
observada segregação dos materiais.
Di Campos (2005) estudou o emprego da cinza proveniente da queima controlada
da cama de suínos, nas temperaturas de 400°C, 500°C, 600°C, em matrizes de
cimento Portland. A autora destaca que as cinzas de cama sobreposta de suínos,
calcinadas a 600°C, (material passante na peneira n° 325mm e com teor de
substituição de 30%, tiveram melhor desempenho no ensaio de resistência à
compressão axial, com resultado de 36,0 MPa aos 28 dias, em relação às
argamassas CONTROLE (28,2 MPa), e argamassa com 10% de sílica ativa (32,6
MPa), indicando que a cinza da cama sobreposta de suínos pode promover
atividade pozolânica em matrizes cimentícias.
Zardo et al. (2005) também analisaram cinzas de resíduos agroindustriais para
possível aproveitamento na construção civil: a cinza da cama sobreposta de suínos
e a cinza do bagaço da cana. Os resultados indicaram que a cinza da cama
sobreposta de suínos, por ter processo de queima controlado e alto teor de casca de
arroz, apresenta maior potencial pozolônico que a cinza do bagaço da cana.
O resíduo do processamento da madeira é denominado serragem ou pó-de-serra,
pode causar danos tanto à saúde quanto ao meio ambiente, quando não feita à
correta disposição final do material. A maior parte da utilização da serragem
atualmente se dá como combustível, e uma pequena quantidade como material fíler
ou agregados para concretos. A utilização da cinza da serragem como substituto
parcial do cimento Portland é recente e pode contribuir em dois aspectos: a redução
da eliminação deste resíduo no meio ambiente e a diminuição da quantidade/custo
de cimento utilizado em argamassas e concretos (ELINWAH e MAHMOOD, 2004).
45
Para esse estudo, as propriedades químicas e físicas da cinza da serragem foram
determinadas no laboratório National Steel Council em Kaduna, Nigéria, e os
resultados encontram-se nas tabelas 3.5 e 3.6. A análise química demonstrou que a
sílica (67,20%) e o cálcio (9,98%) são os elementos predominantes. A porcentagem
total de SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ficou em 73,55% ,que ultrapassa o mínimo (70%)
especificado pela ASTM C-61816.
Tabela 3-5: Análise química da cinza da serragem
Componentes Teor(%)
Al2O3 4,09
Fe2O3 2,26
SiO2 67,20
CaO 9,98
MgO 5,80
MnO 0,01
Na2O 0,08
K2O 0,11
P2O5 0,48
SO2 0,45
Fonte: Elinwah e Mahmood, 2004 (Adaptado)
Tabela 3-6: Ensaio de resistência à compressão – cinza da serragem
Resistência à compressão (MPa)
Cinzas(%) 3 dias 7 dias 14 dias 28 dias
0 16,40‘ 17,63 21,74 23,12
5 12,89 13,91 19,65 21,60
10 12,13 13,11 16,00 18,14
15 8,27 8,98 12,00 15,74
20 7,29 7,96 9,47 11,52
25 4,49 5,96 8,54 9,25
30 4,32 5,29 6,54 8,76
Fonte: Elinwah e Mahmood, 2004 (Adaptado)
Mesmo possuindo elevado teor de sílica, o ensaio de resistência à compressão
demonstrou uma redução de resistência na medida em que se aumentou a
substituição do cimento por cinza de serragem, em tomo de 7% de diferença, para a
amostra com 5% de adição de serragem em relação à amostra padrão (Tabela 3.6).
Outros autores (UDOEYO e DASHIBIL, 2002; UDOEYO et al, 2006) concluíram que,
após análises com a cinza da serragem obtida por queima sem controle, (SiO2 +
46
Al2O3 +Fe2O3 > 70%) tanto a trabalhabilidade quanto a resistência à compressão
tiveram seus valores decrescidos em relação ao exemplar de cimento Portland.
A grande quantidade de casca da castanha-do-pará motivaram Camelo et al. (2005)
a realizar um estudo exploratório para avaliar o potencial pozolânico e a utilização
como adição para produtos cimenticios, obtendo resultados poucos expressivos.
Para que a casca da castanha-do-pará possa ser utilizada como adição mineral,
assim como na cinza da casca de arroz, a mesma necessitou passar por um
processo de calcinação. Após transformação da casca em cinza. Camelo et al
(2005) observaram a elevada perda ao fogo do material, o que, segundo os autores,
pode ter sido um dos determinantes para a pouca reatividade da cinza (LIMA, 2008).
Na avaliação do material obtido, em relação ao aspecto químico, verifica-se o baixo
teor de elementos reativos (SiO2, Al2O3, Fe2O3) e elevada perda ao fogo residual, o
que conseqüentemente posicionou a cinza obtida fora dos limites definidos pela
NBR 12653 (ABNT, 1992). Essa situação também foi observada, em menor escala,
por Cincotto e Kaupatez (1988) no estudo do bagaço da cana-de-açúcar, da casca
de amendoim e da casca de mamona.
Camelo et aI. (2005) obtiveram resultados que atestam que a atividade pozolânica
da cinza da casca da castanha-do-pará (CCCP), em substituição ao cimento
Portland, obteve valores superiores aos da exigência normativa da NBR 12653
(Tabela 3.7).
Tabela 3-7: Resultados dos ensaios de atividade pozolânica - CCCP
Material utilizado
Ensaio Norma Idade Valor obtido
Exigência NBR12653/92
CCCP Atividade pozolânica com o cimento Portland ARI, com
adição e sem aditivo
NBR 5752/92 28 dias 79,67% ˃75%
CCCP Atividade pozolânica com o cimento Portland ARI, com
adição e uso de aditivo
NBR 5752/92 28 dias 106,54% -
CCCP Atividade pozolânica com cal NBR 5751/92 7 dias ˂ 1 MPa ˃ 6 MPa
Fonte: Camelo et al., 2005 (adaptado)
47
Além dos satisfatórios resultados no ensaio de pozolanicidade com o cimento
Portland, obteve-se que a quantidade de água requerida pela argamassa foi 13%
superior á obtida na argamassa de referência, menor que o valor máximo de 15%
exigido para o uso de materiais pozolânicos Segundo o autor, esse aumento deve-
se, talvez, à elevada finura do material em relação ao cimento, o que faz com que
seja necessária uma maior quantidade de água para que a argamassa possa atingir
a consistência definida pela NBR 12653.
Camelo et aI. (2005) concluíram seu estudo constatando a possibilidade da
obtenção de pozolanas provenientes da casca da castanha-do-pará, desde que
observados os parâmetros referentes à sua composição química, ao seu processo
de calcinação e à moagem.
Lima (2008) avaliou a viabilidade técnica do uso de cinzas agroindustriais em
matrizes de cimento Portland, tendo como estudo de caso a cinza da casca da
castanha de caju (CCCC). As cascas das castanhas de caju, resíduos da produção
das castanhas, são incorporadas novamente ao processo, e, nas caldeiras, irão
gerar calor para a decorticação de novas castanhas. A CCCC é o resíduo colhido no
fundo da grelha das caldeiras, resultante da queima das cascas de castanhas.
Atualmente, esse resíduo é utilizado como adubo em plantações de caju, sendo uma
pequena parte destinada a aterros sanitários comuns.
A pozolanicidade da CCCC foi analisada com a cal e o cimento Portland, por meio
de ensaios normativos. Porém os resultados obtidos não atingiram o mínimo exigido
pelas respectivas normas, não sendo possível classificar a CCCC como material
pozolânico Os resultados da análise da resistência à compressão de argamassas
confeccionadas com teores variados de CCCC em substituição ao cimento Portland,
indicam que apenas o teor de 2,5% apresentou valores estatisticamente iguais ao
traço de referência. Os demais teores de CCCC promoveram a redução significativa
dos valores da resistência à compressão das argamassas. O alto teor de ar
incorporado observado em algumas amostras pode ter contribuído para os baixos
valores de resistência à compressão observados nos corpos-de-prova de argamassa
com teores de substituição acima de 10% (LIMA, 2008).
48
3.4.9 Fíler calcário
Segundo Neville (1997) o fíler calcário é um material finamente moído, com
aproximadamente a mesma finura da cimento Portland que, devido as suas
propriedades físicas apresenta um efeito benéfico sobre as propriedades do
concreto. tais como a trabalhabilidade, densidade, permeabilidade, capilaridade ou
exsudação. Geralmente são materiais inertes, no entanto, é visto como vantajoso o
fato de que podem apresentar alguma propriedade hidráulica ou reagirem com os
produtos de hidratação da pasta sem causar nenhum prejuízo.
A maioria das adições minerais contêm alguma forma de sílica vítrea que pode se
combinar com a cal na presença de água, à temperatura ambiente, para formar
silicato de cálcio hidratado idêntico aquele formado pelo hidratação do cimento
Entretanto, para AÏTCIN (2000), alguns fillers utilizados como adição ao cimento não
têm essa propriedade, sendo empregado com finalidade exclusivamente pela sua
presença física.
De fato, os fílers podem ativar a hidratação do cimento atuando como pontos de
nucleação. Além do papel de nucleação, constatado por RAMACHANDRAN (1984),
o fíler calcário (CaCO3) se incorpora parcialmente na fase silicato de cálcio
hidratado, beneficiando a estrutura da pasta de cimento hidratada.
Embora não muito empregado como adição mineral para a fabricação de concreto
de alto desempenho. o fíler calcário pode ser utilizado para produzir concretos
convencionais. Este material difere das demais adições por ser praticamente inerte
quimicamente, isto é, pouco reage com a água e com os compostos do cimento
hidratado. Isto significa que não possui atividade pozolânica, produzindo apenas
efeitos físicos de tamponamento dos poros e complemento de granulometria.
Pequena atividade química com alguns compostos de hidratação do cimento podem
ser observadas.
As normas brasileiras permitem que se adicione este material em qualquer dos
cimentos fabricados nacionalmente, à exceção do CP-I. Nos demais, pode aparecer
em quantidades de até 10%, caso dos CP-II F e 5% nos demais. A única condição
49
para a inclusão deste material carbonático na produção dos cimentos comerciais é
que o fíler calcário possua um mínimo de 85% de CaCO3 em sua constituição.
Bonavetti et al. (1999), utilizando 10 e 20% de substituição em massa do cimento
Portland por fíler calcário, constataram que o aumento no teor resultou em
diminuição dos valores das resistências mecânicas. Kulakowski et al. (1994)
observaram que misturas contendo pequenas quantidades de fíler calcário não
afetam a resistência do concreto, mas também demonstraram que este material
diminui a trabalhabilidade do concreto.
Observando misturas aglomerantes compostas com ‘carbon black’, outro material
também inerte quimicamente, em relação às reações pozolânicas de concretos
contendo mesmos teores de sílica ativa, Goldman e Bentur (1993) concluíram que
os efeitos físicos causados por este material tiveram grandes significados na
intensificação das resistências mecânicas, provando que os efeitos físicos possuem
mesmo grau de importância que os efeitos químicos das reações pozolânicas no
desempenho dos CAD.
Segundo Neville (1997) espera-se que, para finalidades específicas, no futuro o
emprego de fílers se tornem populares e se atinjam níveis de 15 ou até 20% de
adição ao cimento.
3.5 Produção de cinza a partir de lenha vegetal.
Os países com maiores plantações florestais são a China e Índia, de acordo com
estudo realizado pela FAO (2007). O Brasil encontra-se na 7ª posição, com 5,24
milhões de hectares plantados, correspondente a 0,6% da área territorial do país. No
estudo realizado pela SBS (2007), este percentual corresponde a 0,7% do território
nacional, compreendendo 5,74 milhões de hectares plantados, com cerca de 61%
de eucaliptos e 31% de pinus. A distribuição das florestas plantadas no Brasil é
mostrada na figura 3.2.
50
Figura 3-2: Distribuição de áreas de reflorestamento (Fonte: SBS, 2007)
Muitas empresas da região sudeste estão substituindo a utilização de madeira
proveniente de florestas nativas por aquelas de florestas plantadas, que vêm
assumindo crescente importância no conjunto do agronegócio do país. Novos
investimentos estão sendo realizados em outras regiões como, por exemplo, no
Norte e Nordeste (CENBIO, 2007).
Essa mudança decorre de questões como maiores custos para obtenção de madeira
de locais distantes, ganhos operacionais obtidos pela utilização de matéria-prima
uniforme, além da pressão social contra o corte de florestas nativas. Considerando a
média nacional de uso de madeira, se toda a produção de ferro-gusa do país fosse
dependente do carvão vegetal, seria necessário derrubar anualmente uma área de
aproximadamente 7.463,73 mil hectares, equivalente a 1,7 vezes o estado do Rio de
Janeiro (MILANEZ e PORTO, 2008).
Com o intuito de reduzir o uso de florestas na produção do carvão vegetal, o
Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD) realizou pesquisas
para viabilizar a utilização de coco de babaçu. De acordo com a pesquisa, na
produção do carvão vegetal, os maiores custos estão associados à coleta, preparo e
transporte da matéria-prima. Como o coco de babaçu é disperso e os produtores
51
buscam biomassa de menor custo, desprezando repercussões sociais e ambientais,
este acaba não se tornando competitivo (CENBIO, 2007).
A possibilidade de obtenção de créditos de carbono por meio do reflorestamento de
áreas degradadas tornou-se um incentivo às siderurgias no país e no mundo. A
Tabela 3.8 mostra as metodologias de aflorestamento e reflorestamento já
aprovadas pelo IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).
Tabela 3-8: Metodologias de Aflorestamento e Reflorestamento aprovadas pelo IPCC(2008)
Metodologia Título Aprovação País
AR – AM0001 Reflorestamento de Terra Degradada 2006 China
AR – AM0002 Restauração de Terras Degradadas por meio de A/R 2006 Moldova
AR – AM0003 A/R de Terras Degradadas por meio de Plantio de
Árvores, Regeneração Natural Assistida e Controle
de Animais
2006 Albânia
AR – AM0004 A/R de Terras sob Uso Agrícola 2006 Honduras
AR – AM0005 A/R Implementado para Usos Comercial e Industrial 2006 Brasil
AR – AM0006 A/R com Árvores e Arbustos em Terras Degradadas 2007 China
AR – AM0007 A/R de Terra sob Uso Agrícola ou Pastoril 2007 Equador
O Brasil é o maior produtor mundial de carvão vegetal. Os principais consumidores
são os setores de ferrogusa, aço e ferroliga e, em menor escala, o comércio e o
consumidor residencial. O carvão vegetal apresenta inúmeras vantagens em relação
ao carvão mineral. É renovável, menos poluente (tem baixo teor de cinzas),
praticamente isento de enxofre/fósforo e a tecnologia para sua fabricação já está
amplamente consolidada no Brasil.
Para a economia florestal, a gama de empresas mais relevante no quesito consumo
de carvão vegetal faz referência aos produtores independentes de ferrogusa, os
quais são fornecedores de matéria prima para a indústria do aço. Em 2010, foram
produzidos 11,6 milhões de m³ de carvão vegetal a partir de florestas plantadas, dos
quais 66,2% foram consumidos pelos “guseiros” independentes (ABRAF, 2011).
52
O uso da madeira para a geração de energia apresenta algumas vantagens e
desvantagens, quando relacionadas a combustíveis à base de petróleo. Entre as
vantagens, salientam-se o baixo custo de aquisição, a não emissão de dióxido de
enxofre, menor agressividade das cinzas ao meio ambiente comparadas às
provenientes de combustíveis fósseis, a menor corrosão de equipamentos (caldeiras
e fornos), o menor risco ambiental por se tratar de recurso renovável, as emissões
não contribuem para o efeito estufa e a possibilidade de aproveitamento dos
resíduos do processo de fabricação (serragem, cavacos e pedaços de madeira).
Como desvantagens podem ser citados: o menor poder calorífico, maior
possibilidade de geração de material particulado para a atmosfera e as dificuldades
no estoque e armazenamento (GRAUER E KAWANO, 2001).
Silva (1984), comparando a biomassa de diferentes espécies para a produção de
energia,encontraram, para o Eucalyptus viminalis com teor de umidade de 12% e
peso específico de 0,57 g/cm3 , um poder calorífico de 4.691 kcal/kg para a madeira
e 3.495 kcal/kg para casca. Vale et al. (2000) encontraram para a Acacia mangium,
um poder calorífico superior médio de 4.619 kcal/kg e para o Eucalyptus grandis
4.641 kcal/kg, não apresentando diferença significativa entre as espécies. No
entanto, Maraboto et al. (1989), trabalhando com madeiras de dez espécies nativas
da Amazônia, encontraram um poder calorífico superior médio de 4.697 Kcal/kg.
Atualmente, aproximadamente 55,0% da produção brasileira de carvão vegetal
ainda é proveniente de florestas nativas. A tendência é que a cada ano o consumo
de madeira nativa diminua, sendo substituída por madeira de florestas plantadas, em
função do maior controle exercido pelos órgãos fiscalizadores e também pelo
aumento das pressões sociais na preservação dos recursos naturais (ABRAF,
2011).
A importância da madeira como fonte de energia fica evidente quando se tomam os
valores citados por Floresta Colonial (2000): um estéreo de madeira seca,
aproximadamente 450 kg, é equivalente a 210 litros de óleo combustível que, por
sua vez, equivalem a 282 kg de carvão mineral quanto ao poder calorífico produzido.
Esses valores não são fixos, pois a quantidade de energia liberada pela queima da
madeira bem como o comportamento da combustão dependem de uma série de
53
fatores, como a composição química, a granulometria, a massa específica básica e o
teor de umidade da madeira, além das características das instalações para queimar.
Os resíduos originados do processamento da madeira em indústrias madeireiras ou
moveleiras, paletes em desuso, móveis velhos, galhos de árvores podadas, resíduos
de culturas agrícolas, como casca de arroz, bagaço de cana-de-açúcar, artigos de
madeira em geral, etc., são resíduos ligno-celulósicos. Os resíduos ligno-celulósicos
geralmente apresentam formas e granulometria bastante diferenciada.
No Brasil, a década de 70 foi marcada por grande substituição da lenha por
derivados de petróleo. No início da década de 80 o processo de substituição na
indústria é atenuado, com a elevação dos preços internos do óleo combustível e do
gás natural, favorecendo um maior uso da lenha e do carvão vegetal.
No que diz respeito à biomassa, o setor industrial com cerca de 67% do consumo,
inclui o uso de bagaço na produção de álcool, e o residencial com cerca de 16%,
são os principais consumidores. Em seguida vem o setor de transporte com 12%,
em razão da utilização do álcool carburante. O alto incremento do uso industrial de
biomassa, na primeira metade da década de 80, se deve ao carvão vegetal, em
substituição ao óleo combustível; ao bagaço de cana utilizado na produção de álcool
e à expansão da siderurgia a carvão vegetal. O consumo de biomassa nos setores
residencial e agropecuário cai em razão da menor utilização da lenha.
Analisando-se os dados referentes a matriz energética nacional fica evidente a
dependência do país aos recursos naturais renováveis dando ênfase à lenha e ao
carvão vegetal. O consumo de lenha no Brasil em 2004 atingiu 90.896 milhões de
toneladas. Considerando-se que de todas as tipologias florestais de onde provém
esta lenha ocorra um rendimento médio de 200 estéreos por hectare, e que cada
estéreo tenha 300kg, o consumo de lenha corresponderia a uma área de
aproximadamente 1.515 milhões de hectares de florestas. Desse modo torna-se
necessário à reutilização dos resíduos gerados pelas indústrias de base florestal
para a produção de alternativas energéticas, sendo uma delas a confecção de
briquetes como substituto da lenha reduzindo a pressão nas florestas nativas.
54
As cinzas provenientes da queima de combustíveis de origem vegetal em caldeiras é
um problema recorrente nas plantas de beneficiamento de grãos do sul do Brasil, em
especial o da soja. Devido ao custo e a disponibilidade, a madeira ainda é muito
usada. A quantidade de resíduo gerado deste processo tornou-se um problema, pois
é um Material Particulado Fino (MPF), que espalhar-se por quilômetros. O mesmo
possui reatividade com o solo, sendo usadas como corretivo, mesmo que de forma
empírica. Por essas características este resíduo tornou-se um problema ambiental
de solução complexa (JÚLIO et al, 2011).
Nas tabelas 3.9, 3.10 e 3.11 encontra-se um estudo comparativo entre os diversos
tipos de cavaco utilizados para queima em caldeiras e o bagaço de cana. Foram
realizadas análises dos seguintes parâmetros: Poder Calorífico, Teor de Umidade,
Teor de Cinzas, Densidade e Granulometria. Este estudo comparativo foi
gentilmente cedido pela empresa Minas Agromercantil e realizado pelo
Departamento de Ciências Florestais da Escola Superior de Agricultura Luís Queirós
(ESALQ-USP) sob a supervisão do Prof. José Otávio Brito em Novembro de 2006.
Tabela 3-9: Relação de amostras
Amostra Descrição do produto
1 Cavaco de resíduo de serraria Pinus sem casca – Capri 2 Casca de Pinus 3 Cavaco de resíduo de serraria Pinus – Itapinus 4 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Montana Serraria 1 5 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Montana Serraria 2 6 Cavaco de resíduo de serraria Pinus – Betel 7 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Zanoni - Água Clara 8 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Zanoni/JJR 9 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Zanoni - Ribas do Rio Prado 10 Cavaco de lenha de pinus – Madrid 11 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Floranorte – Camanducaia 12 Cavaco de Paletes – Cezan 13 Cavaco de resíduo de serraria - Eucalipto – Ibaté 14 Cavaco de lenha de Pinus - Chapadão do Bugre 15 Cavaco de lenha de Eucalipto - Chapadão do Bugre 16 Cavaco de resíduo de serraria Pinus – Brancalhão 17 Cavaco de resíduo de serraria Pinus - Floranorte – Itapeva 18 Cavaco de lenha de Pinus - Floranorte – Itapeva 19 Bagaço de cana
Fonte: Minas Agromercantil, 2006
55
Analisando o teor percentual de cinza obtido na tabela 3.9 entre as amostras de
Cavaco de lenha de Eucalipto (0,31%) e de bagaço de cana-de-açúcar (0,67%),
nota-se que o bagaço de cana gera mais que o dobro de cinzas e particulados em
relação ao cavaco de lenha de Eucalipto.
Assim espera-se que as cinzas geradas pela lenha de cavaco de Eucalipto
apresentem características físicos químicas semelhantes às aos demais resíduos
citados nesta revisão bibliográfica, justificando a sua incorporação em compósitos
cimentícios.
Resultados obtidos após a análise de cada amostra:
Tabela 3-10: Resultados obtidos
Amostra U PCS PCI PCU DA CZ PCUv1 PCUv2
1 48,4 4469 4145 1847 332 0,20 613415 2567 2 23,5 5168 4844 3563 257 0,22 915976 3833 3 42,5 4758 4434 2297 255 0,15 586700 2455 4 47,4 4715 4391 2028 282 0,17 571280 2390 5 48,6 4685 4361 1948 307 0,19 598143 2503 6 45,5 4964 4640 2258 267 0,16 602691 2522 7 49,9 4695 4371 1891 275 0,15 519137 2172 8 45,2 4904 4580 2238 344 0,19 768636 3216 9 47,9 5046 4722 2175 263 0,15 571850 2393
10 31,4 5149 4825 3120 227 0,24 709517 2969 11 54,5 5074 4750 1834 267 0,19 489146 2047 12 9,9 5183 4859 4317 263 0,33 1135687 4752 13 22,4 4934 4610 3445 312 0,16 1075084 4498 14 26,6 4730 4406 3076 253 0,21 777623 3254 15 20,0 4816 4492 3474 278 0,31 965499 4040 16 37,4 4599 4275 2454 255 0,22 625018 2615 17 41,6 4476 4152 2173 257 0,18 559339 2340 18 30,9 4856 4352 2947 259 0,19 764567 3199 19 48,5 4740 4416 1983 70 0,67 139383 583
Fonte: Minas Agromercantil, 2006
Observações:
U = Teor de Umidade (%)
CZ = Teor de Cinzas (%)
PCS = Poder Calorífico Superior (kcal/kg)
PCI = Poder Calorífico Inferior (kcal/kg)
PCU = Poder Calorífico Util (kcal/kg)
56
DA = Densidade a Granel á Umidade Corrente (kg/m³)
PCUv1 = Poder Calorífico Útil Volumétrico (kcal/m³)
PCUv2 = Poder Calorífico Útil Volumétrico (MJ/m³)
Tabela 3-11: Resultado análise granulométrica
Amostra
Peneira
A B C D E
% de material retido
1 68,5 13,2 5,9 5,7 6,6 2 83,0 5,5 7,3 3,2 1,1 3 36,0 20,8 31,8 8,9 2,6 4 41,6 35,0 16,5 4,6 1,3 5 31,9 29,7 22,6 10,7 5,0 6 25,8 33,9 32,7 5,5 2,0 7 44,5 25,5 24,6 4,3 1,2 8 44,9 29,8 14,2 6,7 4,1 9 32,1 16,8 17,0 16,7 18,4 10 30,7 38,7 22,2 7,4 1,1 11 45,8 31,1 18,5 3,4 1,3 12 57,6 19,1 17,2 5,5 0,6 13 42,9 36,2 12,3 8,5 0,1 14 43,4 26,1 20,8 7,7 2,1 15 23,8 30,0 28,5 15,1 2,7 16 43,1 27,6 23,3 4,7 1,2 17 32,2 25,6 29,8 9,7 2,7 18 18,3 36,3 35,8 8,6 1,0 19 3,3 4,3 4,6 19,6 70,7
Fonte: Minas Agromercantil, 2006
Observações:
A = > 30 mm
B = entre 30 e 20 mm
C = entre 20 e 10 mm
D = entre 10 e 5 mm
E = < 5 mm
Vieira, Borlini e Monteiro (2010) avaliaram a incorporação de cinzas de lenha de
eucalipto em cerâmica argilosa. Misturas de argila caulinítica do município de
Campos de Goytacazes, no estado do Rio de Janeiro, Brasil, foram preparadas
amostras com adições de 0, 5, 10 e 20% em peso de cinzas de lenha de eucalipto.
57
As amostras foram pré moldadas uniaxialmente a 20 MPa e queimadas a 900°C. Os
resultados mostraram que a incorporação de 10% em peso de cinzas de lenha de
eucalipto melhorou as propriedades da cerâmica argilosa uma vez que a
plasticidade foi otimizado, absorção de água diminuiu, enquanto a resistência
mecânica aumentou.
Dentre os resíduos da indústria do papel, destaca-se, entre outros, o uso das fibras
para reforços de matrizes frágeis e o reaproveitamento da cinza da casca do
eucalipto em matrizes cimentícias (NOLASCO e AGNESINI, 1993; SILVA et
aI,1993).
A cinza de casca de eucalipto, resíduo do processo de fabricação de papel da
empresa Aracruz, tem sido estudada por vários pesquisadores da Universidade
Federal do Espírito Santo (UFES).
Silva e Souza (1995) estudaram o aproveitamento do resíduo da indústria de
celulose/papel e entulho de obra em componentes de construção (painéis e blocos).
Os melhores resultados foram obtidos com a substituição de 30% da massa de
cimento pela cinza de casca de eucalipto (resíduo da indústria de celulose papel) e
pela substituição do agregado pelo resíduo de construção. Nessa época, a Aracruz
Celulose, empresa fornecedora do resíduo para essa pesquisa, informou ser de US$
500.000/ano os gastos com execução de aterros para seus resíduos.
Silva et aI. (1993) estudaram vários resíduos industriais da região da cidade de
Vitória, entre eles a cinza da casca de eucalipto, para aproveitamento em
componentes para construção civil. Foram realizados ensaios de resistência à
compressão, ensaio de tração por compressão diametral. assim como massa
específica, absorção e volume de vazios permeáveis utilizando corpos-de-prova
cilíndricos (50 x l00mm). Os resultados mostraram um aumento da resistência à
compressão simples dos corpos-de-prova de argamassa com adição de 5% de cinza
em relação aos de referência nas primeiras idades, o que não se repetiu em idades
avançadas (Tabela 3.12).
58
Tabela 3-12: Resistência à compressão de corpos de prova confeccionados com a cinza de
casca de eucalipto
7 dias 14 dias 28 dias 63 dias 91 dias
Referência 20,7 29,4 36,3 49,5 52,7 5% de cinza 26,7 29,7 37,7 48,4 47,3
Fonte: Silva et. al., 1993
Silva e Souza (1996) analisaram em outro estudo a composição química do resíduo
da produção de eucalipto, calcinado a 1000°C (Tabela 3.13).
Tabela 3-13: Análise química da cinza de casca de eucalipto calcinada a 1000ºC
Óxidos SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3 SO3 Na2O K2O PF CO2
% 13,10 55,70 7,98 1,05 5,02 10,50 2,82 1,50 40,50 10,40
Fonte: Silva et. al., 1996
Após a análise química foram confeccionados corpos-de-prova de argamassa de
50xl00mm, com o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas (resistência à
compressão e à tração por compressão diametral) e físicas (massa específica,
absorção e volume de vazios permeáveis até a idade de 230 dias).
Os resultados iniciais obtidos demonstraram ser possível a substituição de até 30%
de cinza da casca do eucalipto, sem prejudicar a resistência à compressão. No ano
de 1996, o Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT deu inicio a um programa de
caracterização da cinza da casca do eucalipto. Não foram encontrados dados na
literatura sobre a cinza da casca do eucalipto após essa data.
Tabela 3-14: Composição química da cinza de eucalipto (% em relação ao peso)
CaO MgO P2O5 K2O SiO2 SO3 Fe2O3 MnO TiO2
82,097 6,252 4,207 2,690 2,265 1,849 0,373 0,181 0,085
Fonte: Melo et. al., 2011
Melo et al. (2011) analisaram a possibilidade de uso da cinza residual de lenha
proveniente da queima do eucalipto no concreto, substituindo o agregado miúdo em
volume. Após seu peneiramento, a cinza teve sua composição química obtida por
59
fluorescência de raios-X (Tabela 3.14), realizada com o equipamento EDX 720 da
marca Shimadzu.
A quantidade de cinza, em massa, foi determinada a partir de três percentuais de
substituição (5%, 10% e 15%) baseados na massa do cimento. Para a análise foram
moldados oito corpos-de-prova para cada percentual e traço de referência, onde seis
foram submetidos a ensaio de resistência à compressão para duas idades (7 e 28
dias), e dois foram ensaiados à porosidade. Com base nos resultados obtidos,
constatou-se que para todos os percentuais houve uma diminuição da resistência
mecânica à compressão em relação ao material de referência, tendo sido o
percentual de 5% o mais afetado (cerca de 20% de diminuição). Com relação à
porosidade, os ensaios mostraram variações desprezíveis, levando à conclusão que
a substituição, em volume, do agregado miúdo pela cinza residual de eucalipto é
possível sem alterações na resistência para um percentual de até 15%.
3.6 Adição de cinza no concreto
Para que haja atividade pozolânica, é necessário que a sílica e a alumina não
estejam em elevado grau de cristalinidade. A reatividade pozolânica está, portanto,
ligada à sua estrutura interna, e será tanto maior quanto mais longe elas estiverem
do seu estado cristalino (NEVILLE, 1997)
Como algumas das pozolanas são produzidas em processo de combustão, o teor de
carbono presente deve ser controlado. MEHTA (1992) relata emprego de pozolana
até 5% de carbono e Neville (1997) considera que teores de até 12% não causam
prejuízos.
GEYER et al. (2000) demonstraram que a utilização da cinza da queima de lodo
altamente poluente proveniente de esgoto urbano, pode ser uma alternativa segura
e econômica, em substituição parcial de até 20% do cimento. BHATTY e REID
(1989) incineraram lodos e utilizaram as cinzas como adição a argamassas de
cimento e areia. Os autores concluíram que as cinzas podem apresentar alguma
atividade pozolânica e com isto beneficiarem as argamassas ou concretos com elas
60
executados. Todavia, a maior vantagem constatada foi à atuação das cinzas como
finos, que adicionado às argamassas podem aumentar o desempenho mecânico
destas.
JÚLIO et al. (2011) avaliaram os resultados comportamento da argamassa com a
adição do resíduo cinza de caldeira nas proporções de substituição de 10, 20,e 30%
e não foi possível afirmar que a adição de resíduos de cinza de caldeira ou de sílica
ativa possa ter alterado as amostras. O que se percebe e que em todas as amostras
há diferenças nas medidas realizadas, porém todas com uma margem não distante
dos valores de referência. Após as avaliações realizadas em todos os corpos de
prova consideraram que a utilização das cinzas de caldeiras proveniente da queima
de madeira é viável como aditivo em argamassas. Em todos os testes de aplicação
de carga o comportamento dos corpos de prova mostrou desempenho semelhante à
composição tradicional de argamassas ou mesmo quando utilizada um aditivo
consagrado como a sílica
Lessa (2005) analisou a possibilidade de utilização de lodos gerados na estação de
tratamento de esgoto misto em Osório/RS, após desaguamento em leitos de
secagem e processo de incineração, tendo a cinza produzida e utilizada como
adição em argamassa de construção civil. A evolução estrutural e química resultante
do tratamento térmico (calcinação em diferentes temperaturas) identificou a
temperatura ideal para os ensaios em argamassa. A calcinação proporcionou a
diminuição do volume do material, eliminou o conteúdo de matéria orgânica, reduziu
a cinza dos materiais combustíveis (tornando-o inerte), eliminou patogênicos e
transformou o lodo de esgoto em material amorfo, critério essencial para torná-lo
reativo ao cimento, avaliado através de ensaios específicos da amostra. A
caracterização morfológica e mineralógica das cinzas em ensaios revelou que estas
cinzas podem ser tratadas através de processo de conformação específica e
contribuiu para revelar o bom comportamento físico e químico do material que
apresentou características pozolânicas e cimentantes.
A literatura especializada em cinza da casca de arroz indica que o processo de
combustão da casca de arroz é a chave para obter a atividade pozolânica da cinza
resultante, pois a calcinação em temperatura adequada produz cinza com alto teor
61
de sílica amorfa, considerada como a responsável pela atividade pozolânica.
Evidentemente, nem toda casca é queimada em temperatura controlada e, esse tipo
de processo acaba gerando cinzas com presença de sílica cristalina, as quais são
quimicamente inativas (ZUCCO, 2007).
Cook et al. (1997) constataram que a estrutura mineralógica das cinzas de casca de
arroz (CCA) residuais depende de fatores tais como a temperatura, o tempo e a taxa
de fluxo de ar e o processo de queima utilizado. Essas cinzas podem resultar em
sílica no estado amorfo quando são produzidas sob temperaturas relativamente
baixas (inferiores a 600ºC) ou em estado cristalino quando são submetidas a
temperaturas mais elevadas.
A produção de cinzas do bagaço com queima controlada poderia evitar a formação
de fases cristalinas, conforme descrevem PAYÁ et al. (2002) e CORDEIRO et al.
(2008), e aumentar a atividade pozolânica. Esse comportamento é similar ao que
ocorre com a cinza da casca de arroz (MEHTA, 1992).
Paiva et al. (2007) estudou o aproveitamento do lodo de ETE de indústria de papel
na produção de compósitos cimentícios para ouso na construção civil. Foi estudada
a influência de diferentes teores da adição do lodo de ETE (5%, 10%, 20% e 30%
em massa) em argamassa de cimento e areia, com relação água cimento de 0,65.
Determinou-se para o resíduo: teor de umidade; massa unitária; massa específica;
pH; sazonalidade de geração e teor de sólidos fixos e para o compósito: massa
específica aparente; absorção de água por imersão; absorção de água por
capilaridade; retratibilidade; isolamento acústico; resistência à compressão e análise
da microestrutura. Sua incorporação na argamassa aumentou a absorção de água
por capilaridade em 12,76% e por imersão em 18,93% no traço com 30% de
resíduo. Houve também a diminuição à compressão de 2,5 MPa, exigência para
blocos sem função estrutural. A incorporação de resíduo também apresentou
decréscimo na massa específica do compósito de 14% para traços de 30% do
resíduo. Os resultados permitiram concluir que este compósito é adequado para uso
em materiais de construção sem função estrutural.
62
A cinza do bagaço de cana-de-açúcar apresenta uma grande quantidade de dióxido
de silício, normalmente acima de 60% (em massa). O silício é absorvido do solo
pelas raízes na forma de ácido monossílico (H4SiO4) e, após a saída da água das
plantas por transpiração, deposita-se na parede externa das células da epiderme
como sílica gel. O acúmulo de silício entre a cutícula e a parede das células da
epiderme funciona como uma barreira física à penetração de fungos patogênicos e
reduz as perdas de água por transpiração (BARBOZA FILHO e PRABHU, 2002).
Outra possível fonte de sílica para a cinza é a areia (quartzo), oriunda da lavoura,
que não é totalmente removida durante a etapa de lavagem no processamento da
cana-de-açúcar. Esta areia permanece no bagaço e pode ser observada nas
operações de limpeza dos salões das caldeiras, onde ocorre a combustão. A figura
3.4 apresenta a morfologia das partículas da cinza do bagaço. Observa-se a
estrutura celular altamente porosa e a contaminação do material por partículas de
quartzo. (CORDEIRO, 2006)
Figura 3-3 - Morfologia das partículas das cinzas do bagaço de cana-de-açúcar
Fonte: (Cordeiro, 2006).
A cinza de resíduos agrícolas deve ser produzida com temperatura de queima
abaixo de 700°C, por uma hora, para que o conteúdo de sílica da cinza se
63
transforme em fase amorfa (MOAYAD et al., 1984, JAMES, 1986 citados por
GANESAN; RAJAGOPAL; THANGAVEL, 2007). Nos estudos de PAYÁ et al. (2002),
a CBCA pesquisada, com temperatura de queima superior a 800ºC, apresentou
elevada cristalinidade, com picos de quartzo e mulita.
3.7 Reação álcalis agregado
A reação álcali-agregado, dividida em reação álcali-sílica, álcali-silicato e álcali-
carbonato, acontece no interior do concreto e pode ser explicada como uma reação
química entre álcalis, provenientes principalmente do cimento, e alguns minerais
reativos presentes no agregado. O produto gerado, pela reação álcalis agregado,
pode deteriorar a estrutura de concreto, pois tem caráter expansivo na presença de
umidade, acarretando, deste modo, expansão, fissuração, redução da resistência,
como também, aumento da permeabilidade do elemento.
Em 1940, na Califórnia, Stanton, identificou um processo como sendo uma reação
deletéria que ocorria entre os constituintes do concreto, a sílica do agregado e os
álcalis do cimento, o qual denominou reação álcali-agregado. Em constatações
experimentais, a reação era capaz de formar eflorescências brancas, causar
expansão e fissurações; Tais fatos puderam ser observados em diversas estruturas
reais afetadas na Califórnia, durante os anos 1920 a 1930 (STANTON, 1940).
Vários autores passaram a estudar os mecanismos de expansão da RAA, tais como
Hansen (1940), Vivian (1952), Van Aardt e Visser (1977), Dent Glasser e Kataoka
(1981), Deng e Tang (1993), Prezzi, Monteiro e Sposito (1997), Hasparyk (1999)
entre outros. Tais estudos que contribuíram para o esclarecimento de fatores
intervenientes, tais como: o processo químico envolvido, a identificação dos minerais
reativos, as conseqüências, a partir da identificação de casos reais de estruturas
afetadas por esta patologia.
As expansões e fissurações devidas à RAA podem comprometer o concreto,
resultando em perda de resistência, elasticidade e durabilidade. Metha e Monteiro
(2008). Segundo Correa (2002), a reação álcali-agregado é uma reação expansiva
64
que se processa entre os álcalis ativos (disponíveis) existentes no interior do
concreto, com certos minerais presentes na estrutura cristalina do agregado, sendo
uma reação de evolução bastante lenta, podendo levar anos para se manifestar.
De acordo com Figueroa e Andrade (2007), diversas ocorrências foram estudadas e
investigadas em todo mundo, vários fóruns e congressos foram realizados para
discutir o assunto, com o objetivo de definir causas, saber como ocorre o processo
de deterioração e quais as medidas mitigadoras, além de outros fatores importantes
relacionados a este tipo de problema no concreto, propiciando a criação de
regulamentos específicos e normas técnicas em vários países, tais como: Guide to
the Evaluation and Management of Concrete Structures Affected by Alkali-Aggregate
Reaction, no Canadá; State of the Art Report on Alkali-Aggregate Reactivity (ACI),
nos Estados Unidos; Strutural effects of alkali-silica reaction- Technical guidance on
the appraisal of existing structures, na Inglaterra; NBR 15577- Agregados –
Reatividade álcali-agregado, no Brasil.
Segundo Hasparyk (1999), existem mais de 20 casos confirmados de barragens
afetadas por esta reação no Brasil, dentre eles encontram-se a barragem Apolônio
Sales, localizada na divisa entre a Bahia e Alagoas; as barragens de Billings/Pedras,
situadas no estado de São Paulo; as barragens de Furnas, em Minas Gerais e a
barragem Joanes, no estado da Bahia.
Antigamente, quando se falava em reação álcali-agregado, pensava-se em obras
debarragens e obras de grande porte. Atualmente as reações podem ser
encontradas em diversos tipos de estruturas de concreto, como foram constatadas
na Região Metropolitana de Recife onde vários estudos mostram que edifícios
apresentam manifestações patológicas compatíveis com RAA (FIGUERÔA e
ANDRADE, 2007).
Os diversos métodos normatizados auxiliam na avaliação do comportamento do
agregado, na combinação cimento-agregado quanto à reatividade potencial e, em
casos potencialmente reativos, direcionam as condições adequadas de uso desses
agregados a fim de se evitar o desencadeamento da reação expansiva com o passar
do tempo ou mesmo avaliar estruturas de concreto que já apresentam indícios da
65
RAA. No Brasil, o método foi normatizado pela Associação Brasileira de Normas
Técnicas através da NBR 15777-4 (ABNT, 2008).
De acordo com Thomas et al., (2006), o método consiste em executar barras de
argamassas com os mesmos materiais empregados no concreto e submetê-las a um
banho térmico de 80ºC de solução de hidróxido de sódio (NaOH) por 14 dias. Os
resultados de expansão são avaliados após 16 dias, contados a partir da data da
confecção das barras. Ainda de acordo com o autor, o método não é indicado para
as reações do tipo álcali-carbonato. Este método também é utilizado para a
avaliação dos inibidores da RAA.
Thomas et al. (2006) concluíram que os resultados do método, apesar de não
traduzirem com precisão a realidade, podem garantir a segurança de prevenção da
RAA. Entretanto, Sanchez (2008) afirma que o método, embora de fácil execução e
prático, tem apresentado resultados incoerentes em campo. Alguns agregados,
indicados como reativos no ensaio, têm se apresentado inócuos no campo (falso-
positivos), bem como, agregados indicados como inócuos no ensaio, demonstraram
ser reativos no campo (falso negativos).
66
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo descreve os materiais e métodos utilizados para caracterizar e avaliar
as cinzas de cavaco de eucalipto obtidas após a queima em caldeira provenientes
das indústrias da Mesorregião do Alto Paranaíba e do Triângulo Mineiro em Minas
Gerais e interior de São Paulo, incorporadas em substituição parcial do cimento em
compósitos cimentícios.
Na Figura 4.1 é possível visualizar a madeira de Eucalipto antes e após o processo
de transformação em cavaco. A DPA/Nestlé relata que este processo é necessário
para facilitar o armazenamento, o controle de umidade, o transporte e o
abastecimento da caldeira.
Figura 4-1: Produção do cavaco de Eucalipto
A figura 4.2 mostra a correia transportadora que leva o cavaco de eucalipto do silo
de armazenamento ao ponto de queima na caldeira. A DPA/Nestlé utiliza caldeiras
com queima de lenha de Eucalipto em todas as suas unidades em Minas Gerais,
interior de São Paulo e demais regiões do Brasil. A caldeira utilizada na empresa
utilizada filtros tipo manga para recolhimento dos resíduos logo abaixo da grelha e
na saída do ciclone.
67
Figura 4-2: Caldeira alternativa alimentada com cavaco de lenha de Eucalipto
Figura 4-3: Fluxograma de desenvolvimento da pesquisa
68
Para nortear o estudo das características físico químicas da cinza de cavaco de
eucalipto e bem como analisar a sua reatividade a partir da incorporação em
compósitos cimentícios foi desenvolvido um fluxograma com o planejamento da
pesquisa, o qual é apresentado na figura 4.3.
As cinzas geradas pela queima da lenha de cavaco de Eucalipto representa hoje um
grande passivo ambiental para a empresa e tem o seu descarte final monitorado
pelos órgãos ambientais.
4.1 Materiais utilizados
4.1.1 Água
A água potável empregada foi proveniente de abastecimento local, fornecida pela
concessionária local (COPASA). Para manter um padrão em todos os ensaios a
água utilizada foi submetida a um processo de destilação no laboratório de
Edificações do CEFET/MG Campus Araxá.
4.1.2 Cimento Portland
Dentre os inúmeros tipos de cimento Portland fabricados no Brasil, optou-se pela
utilização de um cimento com baixo teor de adições minerais, buscando desta forma
não interferir dos resultados da pesquisa.
O cimento Portland de alta resistência inicial tem alta reatividade em baixas idades
em função do grau de moagem a que é submetido. O clínquer é o mesmo utilizado
para a fabricação de um cimento convencional, mas é submetido a uma queima
diferenciada e por esta razão propicia resistências elevadas nas idades iniciais (24
hs e até 3 dias). É largamente utilizado em produção industrial de artefatos, onde se
exige desforma rápida, concreto convencional e protendido, pisos industriais e em
argamassa armada. Devido ao alto calor de hidratação, não é indicado para
concreto massa. Contém adição de até 5% de fíler calcário. A ausência de
69
pozolanas não o torna indicado para concreto com agregado potencialmente
reativos e deletérios.
O cimento utilizado neste estudo foi o cimento Portland de Alta Resistência Inicial
(CPV ARI), produzido pela cimentos LIZ. Segundo a NBR 5733 (1991) este cimento
possui em sua constituição, teores entre 95 e 100% de clínquer e sulfato de cálcio,
com a adição de até 5% de material carbonático na produção do aglomerante
(tabela 4-1).
Tabela 4-1: Características cimento LIZ CPV ARI - Premium
Características cimento LIZ CPV – ARI Premium
Resistência à compressão Finuras Tempo de pega
Idades 1 dia 3 dias 7 dias 28 dias #325
(%)
Blaine
m2/KG
Início
de pega
Fim de
pega
NBR 5733 14,0 24,0 34,0 - - ≥ 280 ≥ 60 ≤ 600
CPV ARI LIZ 27,3 40,3 45,5 52,5 1,2 544 121 172
Fonte: LIZ cimentos, 2010
Os resultados do ensaio do cimento LIZ CPV ARI Premium são apresentados na
figura 4.4.
Figura 4-4: Resultados ensaio cimento CPV LIZ Premium
70
Fonte: LIZ cimentos, 2010
A coleta do aglomerante resumiu-se ao transporte entre o ponto cedente e o local de
estocagem, não havendo a necessidade da realização de procedimentos
complementares, sendo analisado posteriormente o relatório de ensaio fornecido
pela indústria cimenteira para compreensão das características do cimento Portland
empregado neste trabalho.
4.1.3 Agregado miúdo
4.1.3.1 Areia natural
Os agregados utilizados no concreto, brita e areia – desempenham uma função
primordial, pois representam de 75% a 85% do seu volume. Também requerem
atenção no momento da dosagem, já que suas características nem sempre são
uniformes. Esta particularidade impõe cuidados especiais no momento de receber os
materiais nas unidades produtoras, caso contrário o concreto pode ter desempenho
totalmente diferente daquele calculado previamente nos estudos dos traços em
laboratório. Toda a areia natural utilizada para moldagem dos corpos de prova nesta
pesquisa é proveniente do mesmo lote e foi mantida em estufa a 60ºC para
eliminação de umidade e constância de massa.
4.1.3.2 Areia normatizada
A areia normatizada utiliza nesta pesquisa foi adquirida junto ao Instituto de
Pesquisas tecnológicas (IPT), a produção de areia normal obedece à norma ABNT
NBR 7214/82. Areia normal brasileira é material de referência para os ensaios de
controle da qualidade de cimentos Portland, que é um dos constituintes da
argamassa empregada na moldagem de corpos de prova utilizados para classificar
os cimentos nas classes 25, 32 e 40. Ou seja, as propriedades de resistência do
cimento, obtidas por meio das argamassas, vão caracterizar as do concreto nas
diferentes estruturas em obras civis. O IPT é o único a produzir esse material no
Brasil e por isso atende à indústria do cimento em todo o território nacional. Hoje,
71
são vendidas cerca de 30 toneladas por mês dessa areia, ou 75% da produção, para
essas empresas.
De acordo com o IPT, esse material é certificado por meio de ensaios
granulométricos e petrográficos dos componentes. A areia normal brasileira é
classificada em quatro frações granulométricas, ou seja, material retido entre
peneiras de abertura nominal de 2,4 mm e 1,2 mm (grossa); 1,2 mm e 0,6 mm
(média grossa); 0,6 mm e 0,3 mm (média fina) e 0,3 mm e 0,15 mm (fina). Seus usos
estão se expandindo para outras aplicações normativas como ensaios de
caracterização de cal hidratada, avaliação de compactação de solos e de verificação
de rugosidade do concreto em pistas de aeroportos.
4.1.3.3 Areia de basalto
A areia de basalto utilizada para confecção dos corpos de prova foi obtida a partir da
britagem do agregado graúdo coletado na Usina Hidrelétrica de Nova Ponte
(basalto). Após a britagem o material foi peneirado e classificado em quatro frações
granulométricas, de acordo com a norma para produção de areia normal brasileira.
Ou seja, foi utilizado na pesquisa o material retido entre peneiras de abertura
nominal de 2,4 mm e 1,2 mm (grossa); 1,2 mm e 0,6 mm (média grossa); 0,6 mm e
0,3 mm (média fina) e 0,3 mm e 0,15 mm (fina).
4.1.4 Cal hidratada
Também chamado de cal viva ou virgem, é um composto sólido branco. A cal (óxido
de cálcio, CaO) é preparada pela calcinação do carbonato de cálcio e é usada em
argamassas, em cerâmicas, na indústria farmacêutica, na desodorização de óleos.
O cálcio tem importantes aplicações como constituinte de ligas de chumbo e de
alumínio, como agente redutor na obtenção de outros metais a partir dos seus
óxidos, como desoxidante para o ferro, aço, cobre e suas ligas.
Por aquecimento dá a cal viva, que reage com a água formando a cal hidratada
(Ca(OH)2); esta, misturada com água e areia, forma a argamassa. Por aquecimento
72
em forno elétrico de óxido de cálcio com coque, forma-se carboneto de cálcio,
vulgarmente chamado de "carbite"; este, por sua vez, reagindo com água produz
acetileno, um dos mais importantes compostos da química orgânica.
O óxido de Cálcio é uma das substâncias mais importantes para a indústria, sendo
obtida por decomposição térmica de calcário (900°C), segundo a transformação
representada pela equação química:
CaCO3(s) = CaO (s) + CO2(g)
O óxido de cálcio é usado para produzir hidróxido de cálcio, como base barata para
o tratamento de solos ácidos, e na metalurgia extrativa para produzir escória
contendo as impurezas (especialmente areia) presentes nos minérios de metais.
São propriedades CaCO3:
- ponto de fusão: 2570º C;
- ponto de ebulição: 2850 ºC;
- massa específica real: 3,32 g/cm³.
4.2 Coleta e preparação das cinzas de cavaco de eucalipto
A coleta das amostras de cinzas será feita na planta industrial da DPA-Nestlé S/A
em Ibiá/MG. A figura 4.5 mostra a localização dos pontos de coleta das amostras na
caldeira que é alimentada com cavaco de lenha de Eucalipto.
73
Figura 4-5: Ponto de coleta das amostras de cinza
Foram coletadas amostras de cinzas após a grelha do queimador e no decantador
do filtro de manga. As figuras 4.6 e 4.7 mostram em detalhe os pontos de coleta das
amostras na caldeira alternativa da DPA-Nestlé.
Figura 4-6: Saída filtro de manga da caldeira
74
Figura 4-7: Recipiente de coleta do filtro
A figura 4.8 mostra o detalhe das cinzas obtidas do cavaco de lenha de Eucalipto
após a combustão em caldeira. Somente na planta industrial de Ibiá/MG é gerada
14,5 toneladas de cinzas a cada 15 dias, aproximadamente uma tonelada de cinza
por dia.
Figura 4-8: Cinza de cavaco de lenha de Eucalipto após a combustão
75
Em seguida, as amostras foram colocadas em estufas com temperatura entre 60-
65°C, de acordo com a NBR 6457(ABNT, 1986) para matéria orgânica, durante dois
dias até obter a constância de massa.
Para se promover uma caracterização completa da cinza de cavaco de eucalipto as
amostras de cinza foram processadas e divididas em três grupos distintos: cinza in
natura (tal e qual colhida na caldeira), cinza moída (Processada em moinho de bolas
por 12 horas) e cinza requeimada (queimada em mufla a 600ºC por 2 horas).
Segundo Cordeiro (2006), o processo de cominuição de materiais cimentícios e
aditivos minerais, mesmo sendo uma operação dispendiosa, é extremamente
necessário para ativar as reações químicas, cujas taxas são diretamente
proporcionais à superfície específica do material que, por sua vez, é inversamente
proporcional ao tamanho das partículas. O aumento desta superfície específica está
diretamente relacionado à cinética das reações pozolânicas (CORDEIRO, G. C. et
al., 2009b). Outra vantagem deste processo é que a redução das partículas pode
proporcionar maior compacidade à mistura.
4.3 Processamento da cinza de cavaco de eucalipto
As cinzas in natura coletadas na indústria foram levadas à estufa para obtenção de
constância de massa, conforme norma NBR 6457 (ABNT, 1986), a amostra final de
cinza in natura é mostrada na figura 4.9.
76
Figura 4-9: Cinza in natura
As cinzas in natura depois de secas em estufa foram colocadas em moinho de bolas
por um período de 12 horas, para redução do tamanho das partículas. O tempo de
moagem utilizado foi baseado na revisão bibliográfica. A figura 4.10 apresenta uma
amostra de cinza moída.
Figura 4-10: Cinza moída
Para a requeima da cinza foi construído um cadinho a partir de um tijolo refratário,
que consistiu em frezar um lado do tijolo na horizontal, permitindo que neste orifício
fosse depositado aproximadamente 180 g de cinzas. Após ser preenchido com a
amostra de cinza, o cadinho foi levado ao forno tipo Mufla por um período de 2 horas
77
a uma temperatura de 600ºC, sendo retirado após o resfriamento natural do mesmo
com a Mufla fechada. A amostra obtida é mostrada na figura 4.11.
Figura 4-11: Cinza requeimada
4.4 Caracterização das cinzas
4.4.1 Análise granulométrica das cinzas
A classificação granulométrica, ou seja, a determinação da distribuição do tamanho
das partículas é de grande importância para caracterização das cinzas de cavaco de
eucalipto.
A técnica de análise de tamanho de partículas por difração de laser é um método
pelo qual as partículas são dispersas num fluído em movimento causando
descontinuidades no fluxo do fluído, que são detectadas por uma luz incidente, e
correlacionadas com o tamanho de partícula. O princípio do método é que o ângulo
de difração é inversamente proporcional ao tamanho da partícula. Ao atingir uma
quantidade de partículas, a luz incidente sofre uma interação segundo quatro
diferentes fenômenos (difração, refração, reflexão e absorção) formando um
78
invólucro tridimensional de luz. O formato e o tamanho deste invólucro são afetados
pelo índice de refração relativo da partícula no meio dispersante, pelo comprimento
de onda da luz, e pelo tamanho e formato da partícula. Detectores estrategicamente
posicionados medem a intensidade e o ângulo da luz espalhada. O sinal dos
detectores é então convertido para a distribuição de tamanho de partícula através
softwares matemáticos.
Esta técnica é amplamente utilizada devido à grande flexibilidade de uso (em ar,
suspensões, emulsões e aerossóis); grande amplitude de análise (0,05 a 3500 μm);
rapidez; reprodutibilidade e não é necessário realizar algum tipo de calibração.
4.4.2 Análise térmica
A cinza de cavaco de eucalipto processada passou por uma análise
termogravimétrica (TGA) com o objetivo de avaliar a variação de peso em um
material como uma função da temperatura e do tempo, em um ambiente controlado.
A análise termogravimétrica (TGA) é uma técnica utilizada na caracterização do
perfil de degradação de materiais, para investigar a estabilidade térmica de um
material, ou para investigar o seu comportamento em ambientes diferentes (por
exemplo, inerte ou oxidante).
Simultaneamente a TGA foi realizada a análise térmica diferencial (DTA) que é uma
técnica calorimétrica, que registra a temperatura e o fluxo de calor associado com as
transições térmicas em um material. A ocorrência de eventos endotérmicos e
exotérmicos permite a determinação das transições de fase como por exemplo:
ponto de fusão, temperatura de transição vítrea, cristalização, etc.
Para adições minerais, o processo de perda ao fogo é atribuído à quantidade de
matéria orgânica (carbono livre) presente no material, uma vez que a umidade e os
materiais voláteis foram eliminados no processo de queima. A quantidade de
carbono presente na cinza, utilizada como adição mineral na confecção de
argamassas ou concretos, influencia as propriedades mecânicas desses materiais
cimentícios. Valores de até 20% de carbono na cinza não afetam significativamente
a resistência à compressão, o que já não é verdadeiro para valores superiores a
79
30%, onde a queda de resistência é conseqüência da diminuição na quantidade de
sílica (PAULA, 2006).
4.4.3 Análise microscópica e de composição química das cinzas
Na análise microscópica das cinzas geradas foi utilizada a técnica de Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV). As amostras foram espalhadas sobre uma fita de
Carbono previamente colada a um porta amostra. Em seguida, foi feita a
metalização da amostra, que consiste na precipitação de uma película de material
condutor (carbono) sobre a superfície da mesma, possibilitando a condução de
corrente elétrica. Foram realizadas análises semiquantitativas de área em diferentes
regiões da amostra para determinar a composição química média.
A difração de raio X permite a determinação da composição mineralógica dos
sólidos cristalinos presentes nas cinzas e também a composição química qualitativa.
É um ensaio de caracterização mineralógica que analisa qualitativamente os
minerais presentes na amostra. O resultado se apresenta em um gráfico que indica
os picos característicos de cada espécie mineral. O equipamento do ensaio lança
um raio laser na amostra que, dependendo do tipo de cristal de cada mineral,
devolve o raio a um determinado ângulo. Como cada mineral apresenta composição
cristalográfica diferente, cada ângulo caracteriza um mineral presente na amostra.
Os picos caracterizam, qualitativamente, os principais minerais presentes na
amostra.
Para validar a caracterização química das amostras de cinza foi utilizada a técnica
de Espectrometria de fluorescência de raios X (EDX). Este método baseia-se no
princípio de que a absorção de raios X por parte do material provoca a excitação dos
átomos que emite radiação secundária que é denominada fluorescência de raios X.
Os raios emitidos têm comprimento de onda característico e bem definido para cada
elemento químico que constitui a cinza de cavaco de Eucalipto (análise química
qualitativa), sendo possível por meio da comparação com amostras padrão,
estabelecer a proporção dos elementos químicos presentes (análise química
qualitativa e quantitativa).
80
A partir dos resultados obtidos na Espectrometria de fluorescência de raios X (EDX)
para a amostra de CCE e do cimento CP-V ARI utilizado, pode-se admitir um
sistema ternário CaO-SiO2-Al2O3 para os constituintes da CCE. Foi utilizado como
referência para o sistema ternário desenvolvido por Isaia et al., (2005), onde estão
localizados o cimento Portland e suas principais adições minerais.
Figura 4-12: Sistema ternário
Fonte: Isaia et al., (2005)
Foram analisados pelo método de espectrometria no infravermelho com
transformada de Fourier (FTIR) as amostras de cinza in natura, moída e requeimada.
O objetivo da análise de FTIR neste trabalho de pesquisa é a determinação de
grupos funcionais dos materiais.
81
Para aprofundar as análises de Difração de Raio X e de FTIR, todos os dados foram
tratados com o software Origin-8 e os resultados para cada tipo de amostra de cinza
foram apresentados em gráficos com melhor nível de definição.
4.5 Avaliação da reatividade da cinza através das
propriedades mecânicas
. Para cada ensaio previstos pelas normas da ABNT, determinou-se o tipo e o
tamanho do corpo de prova, o número mínimo de ensaios previsto por norma. A
partir destes dados determina-se a quantidade de ensaios que seria possível
realizar, considerando uma ampla margem de tolerância, pois os corpos de prova
foram confeccionados no CEFET/MG - Campus Araxá e transportados para serem
ensaiados no CEFET/MG - Campus Belo Horizonte, determinando-se assim a
quantidade de corpos de prova a serem produzidos. A tabela 4.2 mostra a síntese
do planejamento dos ensaios.
Tabela 4-2: Tipos de ensaios mecânicos a serem realizados
Tipos de ensaios mecânicos com substituição parcial de cimento por CCE
Ensaio Tipo de corpo de
prova Tamanho do
corpo de prova Nº mínimo de
ensaios Nº de ensaios
realizados
Compressão
axial simples Cilíndrico 50 x 100 mm 04 06
Compressão
diametral Cilíndrico 50 x 100 mm 03 03
Flexão Prismático 40x40x160 mm 03 03
RAA Prismático 25x25x285 mm 02 02
4.5.1 Moldagem dos corpos de prova
A planilha representada na tabela 4.3 contem o planejamento das quantidades para
confecção dos corpos de prova.
82
Tabela 4-3: Planejamento para confecção dos corpos de prova
CONFECÇÃO DE CORPOS DE PROVA
Areia natural - Cimento CP-V
TIPO MATERIAL %SUBST. CIMENTO
TIPO CORPO PROVA
QUANT.(cilind.)
QUANT. (Prism.)
Referência 0 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza in natura
5 cilíndrico 12 -
prismático - 3
10 cilíndrico 12 -
prismático - 3
15 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza moída
5 cilíndrico 12 -
prismático - 3
10 cilíndrico 12 -
prismático - 3
15 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza queimada
05 cilíndrico 12 -
prismático - 3
10 cilíndrico 12 -
prismático - 3
15 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Areia normatizada IPT - Cimento CP-V – NBR 5752
Referência 0 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza in natura 35 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza moída 35 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Cinza queimada 35 cilíndrico 12 -
prismático - 3
Areia artificial (Basalto) - Cimento CP-V
Referência 0
cilíndrico 6 -
prismático - 3
prismát. RAA - 2
Cinza in natura 35
cilíndrico 6 -
primático - 3
prismát. RAA - 2
Cinza moída 35
cilíndrico 6 -
prismático - 3
prismát. RAA - 2
Cinza queimada 35
cilíndrico 6 -
prismático - 3
prismát. RAA - 2
Areia normatizada IPT - Cimento CP-V
Referência 0 prismát. RAA - 2
Areia normatizada IPT - Cal – NBR 5751
Cinza moída - cilíndrico 3 -
Cinza queimada - cilíndrico 3 -
TOTAL 198 64
Para avaliação da utilização da cinza como adição em concretos foram
confeccionados corpos de prova para compósitos cimentícios com substituição
83
parcial do cimento pelo cinzas in natura e processadas. Para se determinar o volume
de cinza de substituição foram determinadas as massas específicas do cimento e
das cinzas. Os resultados são apresentados na tabela 4.4.
Tabela 4-4: Massa específica de cimento e das cinzas
Resultado do cálculo da massa específica
Material Massa específica (g/cm3)
Cimento 3,018
Cinza in natura 1,122
Cinza moída 1,971
Cinza requeimada 2,380
Para a avaliação da utilização das cinzas como adição em compósitos cimenticios
foram confeccionados corpos de prova com substituição parcial em massa para
representar um mesmo volume do cimento por CCE nos percentuais e quantidades
apresentadas na tabela 4.5. Nesta etapa, para cada compósito foram moldados 12
corpos de prova cilíndricos, de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura e três corpos
de prova prismáticos de corpos-de-prova prismáticos de 40x40x160 mm, totalizando
150 corpos de prova moldados.
Tabela 4-5: Proporção de materiais utilizados para confecção do compósito cimenticios
Materiais Ref. Cinza in natura Cinza moída Cinza requeimada
0% 5% 10% 15% 5% 10% 15% 5% 10% 15%
Cimento 624,00 592,80 561,60 530,40 592,80 561,6 530,40 592,80 561,60 530,40
Cinza 0,00 11,60 23,20 34,80 20,38 40,75 61,13 24,60 49,20 73,80
Água 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00
Areia natural
1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00
Na figura 4.13 são apresentados os corpos de prova moldados com a substituição
de cimento por cinza de cavaco de Eucalipto nas proporções de 0%, 5%, 10% e
15%.
84
Figura 4-13: Moldagem de corpos de prova
Terminado o período inicial de cura, os corpos-de-prova foram retirados das formas,
identificados e imersos, separados entre si no tanque de água (não corrente)
saturada de cal da câmara úmida, onde devem permanecer até o momento do
ensaio. A água dos tanques da câmara úmida deve ser renovada com freqüência,
pelo menos quinzenalmente. Desde que são retirados da câmara úmida e até o
instante do ensaio de compressão, os corpos-de-prova devem ser protegidos de
maneira que toda a superfície exterior permaneça úmida.
4.5.2 Determinação das propriedades mecânicas dos compósitos
Os corpos-de-prova foram retirados da cura aos 28 dias e preparados para os
ensaios de determinação do módulo de resistência à compressão, resistência à
compressão diametral e resistência à tração na flexão.
A resistência à compressão axial é o ensaio mais usado para o controle do concreto,
tanto pela facilidade de execução e baixo custo quanto pela sua importância na
segurança das estruturas. Após os 28 dias de idade os corpos-de-prova foram
resfriados à temperatura ambiente, capeados com enxofre e ensaiados quanto à
resistência à compressão NBR 7215 (ABNT, 1996). Foram utilizados 6 corpos-de-
prova para cada traço.
85
Figura 4-14: Ensaio à compressão
A resistência à tração pode ser avaliada por meio do ensaio de compressão
diametral, desenvolvido pelo engenheiro brasileiro Fernando Lobo Carneiro,
preconizado pela norma NBR 7222. Este ensaio é de mais simples execução que o
ensaio de tração direta. A Figura 4.15 mostra esquema do ensaio de compressão
diametral.
Figura 4-15: Ensaio de compressão diametral.
Seu valor é determinado pela expressão:
86
DL
Pf t
2 (4.1)
Onde:
P = carga aplicada no corpo de prova;
D = diâmetro do corpo de prova;
L = altura do corpo de prova.
O módulo de ruptura à flexão (anteriormente chamado de resistência à tração na
flexão) é determinado através de ensaios que utilizam corpos de prova prismáticos
de concreto, em forma de vigas, segundo norma NBR 12142. Neste ensaio o corpo
de prova é posicionado sobre elementos de apoio, de tal forma que a carga seja
aplicada no terço médio.
Figura 4-16: Ensaio de módulo de resistência à tração na flexão.
O módulo de ruptura é calculado pela expressão:
²bd
PLMR (4.2)
Onde:
87
P = carga aplicada no corpo de prova;
L = distância entre os apoios;
b = largura do corpo de prova;
d = altura do corpo de prova.
A Figura 4.16 mostra o ensaio.
4.6 Avaliação da atividade pozolânica
Para se verificar a atividade pozolânica existem diversos métodos de ensaio que
podem ser utilizados. Os métodos químicos baseiam-se, essencialmente, na
quantidade de hidróxido de cálcio que o material consegue fixar. Como exemplo
destes métodos temos o Método de FRATINI conforme a NBR 5753 , o Método de
CHAPELLE e de LUXAN(1989). Há também os métodos baseados na resistência
mecânica, como os métodos descritos pelas normas NBR 5751(1977), NBR
5752(1992). Os métodos que foram utilizados especificamente nesta pesquisa são
descritos a seguir.
4.6.1 Determinação de atividade pozolânica
De acordo com a NBR 5752 (ABNT,1992), o índice de atividade pozolânica com
cimento portland é calculado pela relação entre à resistência a compressão da
argamassa A e da Argamassa B descrita pela equação 4.3.
100% xf
fIAP
cc
cp (4.3)
Onde: fcp - resistência à compressão média, aos 28dias, de três corpos-de-prova
(CP) moldados com cimento Portland e material pozolânico–argamassa A;
88
fcc - resistência à compressão média, aos 28 dias, de três corpos-de-prova
moldados somente com cimento Portland como material cimentíceo –
argamassa B.
A argamassa A teve substituição de 35% do volume de cimento por material
pozolânico, no traço 1:3 (cimento + pozolana : areia normal), em massa. A
argamassa B deve conter somente cimento Portland, no traço 1:3 (cimento: areia
normal), em massa. A mistura dos materiais e a moldagem dos corpos-de-prova são
feitas seguindo a NBR 7215 (ABNT,1996). Nesta etapa, para cada tipo de cinza
foram moldados 12 corpos-de-prova cilíndricos cujas dimensões são 50x100 mm e 3
prismáticos 40x40x160 mm, totalizando 60 corpos de prova ensaiados. As
quantidades dos materiais utilizados para confecção dos corpos de prova estão
descritos na tabela 4.6.
Nas primeiras 24 horas de cura, os corpos-de-prova foram mantidos nas formas em
câmara úmida, sendo desmoldados após este período e colocados em recipientes
hermeticamente fechados e estanques à temperatura de 38 ± 2°C, em câmara
quente, durante 27 dias.
Tabela 4-6: Proporção de materiais utilizados para confecção do compósito cimenticios
Referência Cinza in natura
Cinza moída Cinza
requeimada
Materiais 0% 35% 35% 35%
Cimento 624 399,6 399,6 399,6
Cinza 0 83,43 146,74 176,93
Água 300 300 300 300
Areia natural
1872,00 1872,00 1872,00 1872,00
A NBR 5751 (ABNT, 1977) estabelece a determinação do índice de atividade
pozolânica com cal no traço 1:9 em massa, na qual a quantidade de pozolana
adicionada em massa é dada por:
ycal
pozolanayPHCQ
)..2(
(4.4)
89
Onde : Q é a quantidade de pozolana em massa
PHC é a quantidade de Hidróxido de Cal utilizado
У pozolana é a massa específica da pozolana
У cal é a massa específica da cal
A quantidade necessária de água é aquela determinada para o índice de
consistência Flow table de (225±5) mm, determinado segundo a NBR 7215 (ABNT,
1996). Foram moldados três corpos de prova segundo a NBR 7215 e sua cura
ocorre em duas etapas: nas primeiras 24 horas, nos moldes à temperatura de 21(±2)
ºC, e em seguida feita a desforma, por 6 dias, a 55ºC. Em seguida os corpos de
prova foram resfriados à temperatura ambiente, capeados a quente com enxofre, e
logo a seguir ensaiados à compressão. A pozolanicidade é dada pela média da
compressão dos três exemplares.
Tabela 4-7: Proporção de materiais utilizados para confecção corpos de prova com cal
Materiais Cinza in natura
Cinza moída
Cinza requeimada
Cal 104 104 104
Cinza
Água 150 150 150
Areia Normal 920 920 920
A figura 4.17 mostra os corpos de prova confeccionados de acordo com a NBR
5751.
Figura 4-17: Corpos de prova com cal
90
O método CHAPELLE modificado é uma medida quantitativa da atividade de uma
pozolana (RAVERDY et al, 1980). O ensaio é realizado em uma suspensão de 1g
CaO puro proveniente da calcinação do CaCO3, juntamente com 1 g de pozolana em
250 ml de água. A mistura é colocada em um Erlenmeyer submetido em um banho-
maria na temperatura de 90°C com agitação mecânica por 16 horas. Após o
resfriamento da solução em temperatura ambiente, é acrescentada solução de
sacarose seguida de agitação. Na filtragem da solução resultante adiciona-se
Fenolftaleina como indicador e faz-se a titulação de HCl 0,1N. A atividade pozolânica
por Chapelle é calculado conforme a Equação 1.3.
xFcmmm
mVmVmaterialgmgCaO
234
4233
..
)...(28)(/
(4.5)
Onde:
m2 – massa de material pozolânico em g.
m3 – massa de CaO empregado no ensaio com a amostra.
m4 – massa de CaO empregado no ensaio em branco.
V2 – volume de HCl 0,1N consumido no ensaio com amostra em ml.
V3 – volume de HCl 0,1N consumido no ensaio em branco.
Fc – fator de correção do HCl para uma concentração de 0,1N.
O resultado do ensaio dependerá da capacidade do material em se dissolver
previamente na solução para reagir com o hidróxido de cálcio. Outros fatores que
influenciam a atividade Chapelle são o grau de pureza, amorfização e finura (JOHN
et al, 2003). Além disso, podem existir diferenças quanto à metodologia de
procedimento adotado no ensaio como tamanho de recipientes, utilização de
dispersores de barras, velocidade de agitação e temperatura do banho-maria.
Devido à complexidade deste ensaio, optou-se por contratá-lo junto ao Instituto de
Pesquisas Tecnológicas-IPT em São Paulo-SP.
LUXAN et. al (1989), propuseram que a atividade pozolânica pode ser medida pela
condutividade elétrica. Neste método, é definido um índice de atividade pozolânica
baseado na variação da condutividade elétrica de 200ml de solução saturada de
91
hidróxido de cálcio Ca(OH)2, a 40ºC, sob agitação constante de 5,0g de pozolana.
Após adição a condutividade decresce, pois existe pois existem uma menor
quantidade de íons de cálcio Ca+2 e hidroxilas OH- na solução, sendo o índice de
atividade pozolânica definido como a relação entre a condutividade elétrica antes da
adição de cinzas de cavaco de lenha de Eucalipto e a obtida após decorridos 600s
da adição. Quanto maior a diferença de condutividade iônica da solução após a
mistura de Ca(OH)2, maior a reatividade pozolânica do material. A figura 4.18 mostra
detalhes do ensaio
Figura 4-18: Método de Luxan
A tabela 4.8 traz a classificação de materiais pozolânicos proposta por Luxan et. al
(1989).
Tabela 4-8: Classificação dos materiais pozolânicos (LUXAN, 1989)
Pozolanicidade do material Condutividade (mS) = mili Siemens
Não pozolânico < 0,4 Pozolanicidade variável 0,4 a 1,2
Boa pozolanicidade > 1,2
4.7 Avaliação da reação álcalis agregado
Para avaliação da reação álcalis agregado foram confeccionados corpos de prova
para compósitos cimentícios com substituição parcial do cimento por cinzas in natura
92
e processadas, nos percentuais e quantidades apresentadas na tabela 4.9. Para
cada compósito foram moldados 6 corpos de prova cilíndricos 50 por 100mm para
ensaio de compressão simples e dois corpos prismáticos para o ensaio de
expansão, totalizando 32 corpos de prova a serem ensaiados. Para se determinar o
volume de cinza de substituição, foram utilizadas as massas específicas do cimento
e das cinzas constantes na tabela 4.1.
Os corpos-de-prova de referência foram produzidos com cimento Portland CPV-ARI,
agregado miúdo (areia de rio) e água. Os outros corpos-de-prova foram produzidos
com o agregado graúdo coletado na Usina Hidrelétrica de Nova Ponte (basalto)
britado, as quantidades dos materiais utilizados constam na tabela 4.9. Os corpos-
de-prova foram submetidos ao ensaio de reação álcali-agregado acelerado, onde
por 30 dias ficaram submersos em solução de Hidróxido de Sódio, para medir sua
expansibilidade. Até a idade de 16 dias, foram medidos todo dia.
Tabela 4-9: Proporção de materiais utilizados para confecção do compósito cimentício
Ref. Ref. Cinza in natura
Cinza moída
Cinza requeimada
Materiais
0% 0% A B C
35% 35% 35%
Cimento 624 624 592,8 592,8 561,6
Cinza 0 0 11,60 20,38 40,75
Água 300 300 300 300 300
Agregado miúdo
1872,00 1872,00 1872,00 1872,00 1872,00
As variações de comprimento de barras de argamassa foram determinadas por meio
de um relógio comparador que permita leituras de 0,001mm por divisão. A barra
padrão em liga de aço para calibração do aparelho deve ter comprimento total de
295,0 mm e seu coeficiente de dilatação linear deve ser maior que 2x10-6/ºC. A barra
padrão deve ser temperada e suas extremidades polidas de tal forma que se
adaptem às extremidades do comparador, conforme figuras 4.19 e 4.20.
93
Figura 4-19: Detalhe corpo de prova RAA e relógio de medição
Figura 4-20: Montagem para medição da expansão nos corpos de prova RAA
94
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Caracterização das cinzas
5.1.1 Análise visual
A amostra de cinza in natura que foi utilizada na pesquisa pode ser visualizada na
figura 5.1. A amostra de cinza in natura apresenta-se com granulometria variada e
visualmente com um tom de cor escura o que indica elevada quantidade de carbono.
Figura 5-1: Cinza in natura
A figura 5.2 apresenta a amostra de cinza moída obtida no processamento, houve
uma comunuição das partículas e a granulometria é aparentemente uniforme,
apresentando a tonalidade escura.
95
Figura 5-2: Cinza moída
Analisando a amostra de cinza requeimada, é possível inferir que houve a
eliminação de parte do carbono presente, pois a amostra apresenta uma tonalidade
clara, mas a granulometria continua desuniforme. A amostra de cinza requeimada é
mostrada na figura 5.3.
Figura 5-3: Cinza requeimada
96
5.1.2 Análise microscópica e de composição química das cinzas via
MEV/EDS
Os resultados da espectrometria de raios-X dispersivo em energia (EDS), das cinzas
in natura, para determinação da composição química semi quantitativa são
apresentados na Tabela 5.1 e Figura 5.4. Comparativamente à composição química
obtida na tabela 3.14 por MELO et. al.(2011) as cinzas de cavaco de Eucalipto
colhidas em Ibiá/MG nas dependências da DPA/Nestlé, apresentaram
proporcionalmente os mesmos valores.
Tabela 5-1: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza in natura.
Elemento Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Mn Fe
CCE in natura 2,9 8,1 2,1 2,2 1,7 2,0 6,7 56,0 2,8 0,8 14,7
Figura 5-4: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza in natura
Na figura 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 e 5.10 são apresentadas micrografias, obtidas via
MEV, das amostras de cinza in natura nas amplitudes de 20, 100, 150, 200 e 250x.
97
Figura 5-5: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (20x).
Figura 5-6: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (100x).
98
Figura 5-6: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (150x).
Figura 5-7: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura ( 200x).
99
Figura 5-8: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (250x).
Figura 5-9: Micrografia obtida por MEV da cinza in natura (250x).
100
Observa-se pouca presença de fibras longas rugosas escuras que indicariam a
presença de carbono. Isto confirmaria o baixo teor de matéria orgânica das cinzas.
Os resultados da espectrometria de raios-X dispersivo em energia (EDS), das cinzas
moídas, para determinação da composição química semi quantitativa detectaram a
presença de Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn e Fe, conforme apresentado na
Tabela 5.2 e Figura 5.11.
Figura 5-10: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza moída
Tabela 5-2: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza moída.
Elemento Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Mn Fe
CCE moída 2,9 11,6 3,9 2,7 1,7 3,8 10,9 44,4 2,6 1,3 14,1
Na figura 5.12, 5.13, 5.14 e 5.15 são apresentadas as micrografias, obtidas via MEV,
da amostra da CCE moída nas amplitudes de 200 e 1000x. Na imagem com
ampliação de 200x é possível perceber que houve uma cominuição das partículas.
101
Figura 5-11: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (200x )
Figura 5-12: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x)
102
Figura 5-13: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x)
Figura 5-14: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (1000x)
103
Os resultados da espectrometria de raios-X dispersivo em energia (EDS), das cinzas
requeimada, para determinação da composição química semi quantitativa
detectaram a presença de Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn e Fe, conforme
apresentado na Tabela 5.3 e Figura 5.15.
Figura 5-15: Espectro semi quantitativo para a amostra de cinza requeimada
Tabela 5-3: Resultados semi quantitativos obtidos via MEV para a amostra cinza requeimada.
Elemento Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Mn Fe
CCE requeimada 3,1 8,3 1,8 1,9 1,0 3,9 12,1 49,4 2,8 0,7 15,1
Na figura 5.17, 5.18, 5.19 e 5.20 são apresentadas as micrografias, obtidas via MEV,
da amostra de cinza requeimada nas amplitudes de 50 e 250x. Na imagem com
ampliação de 250x é possível observar que a estrutura se manteve parecida com a
CCE in natura, sem indicativo da presença de carbono.
104
Figura 5-16: Micrografia por MEV das partículas da cinza requeimada (50x).
Figura 5-17: Micrografia por MEV das partículas da cinza requeimada (250x).
105
Figura 5-18: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (250x)
Figura 5-19: Micrografia obtida por MEV das partículas da cinza moída (250x)
106
A espectrometria de raios-X dispersivo em energia (EDS) para determinação da dos
elementos da composição química semi-quantitativa obtidos durante a realização da
microscopia eletrônica de varredura detectou a presença dos elementos químicos
Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn e Fe, conforme resumo apresentado na tabela 5-4.
Tabela 5-4: Composição química semi quantitativo via EDS
Elemento Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Mn Fe
CCE in natura 2,9 8,1 2,1 2,2 1,7 2,0 6,7 56,0 2,8 0,8 14,7
CCE moída 2,9 11,6 3,9 2,7 1,7 3,8 10,9 44,4 2,6 - 14,1
CCE calcinada 3,1 8,3 1,8 1,9 1,0 3,9 12,1 49,4 2,8 0,7 15,1
É possível observar que nas três amostras o elemento químico que apresenta maior
teor é o Cálcio com percentual próximo a 50% e em segundo o Ferro com percentual
próximo a 15%.
5.1.3 Análise química EDX
Na tabela 5.5 são apresentados os resultados da composição química em óxidos da
cinza e do cimento utilizado na pesquisa. Esses resultados foram obtidos pelo
ensaio de espectrometria de fluorescência de raios-X (EDX).
Tabela 5-5: Composição química via EDX
Elemento SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 P2O5 Na2O K2O MnO LOI
CCE 6,38 22,60 10,9 27,40 6,15 2,41 2,752 0,28 4,29 0,41 15,56
Cimento (CPV)
18,7 4,53 3,70 59,2 1,06 0,72 0,265 0,10 0,90 0,13 7,32
Baseado nos resultados do EDX foram situados os percentuais dos óxidos das
composições químicas das amostras de CCE no diagrama ternário CaO-SiO2-Al2O3,
que pode ser visualizado na figura 5.20. O diagrama ternário CaO-SiO2-Al2O3 é
elaborado em função dos óxidos presentes nas amostras.
107
Figura 5-20: Diagrama ternário da cinza de cavaco de eucalipto
Fonte: Adaptado de Isaia et al(2005)
Apesar de ser uma análise qualitativa, os dados indicam que as cinzas possuem
baixo teor de sílica e alto teor de cálcio. Isto indicaria que as cinzas apresentariam
baixa atividade pozolânica. É possível afirmar pelo diagrama ternário que a CCE
apresenta características próximas de um cimento aluminoso.
O ensaio de perda ao fogo, realizado em laboratório, é apresentado na tabela 5.6. É
possível afirmar que as amostras de cinza in natura e moída possuem um percentual
de perda ao fogo maior que a amostra de cinza requeimada devido à maior
presença de carbono nas amostras.
A tabela 5.6 apresenta também os resultados dos ensaios de teor de carbono fixo,
cinzas e material volátil, realizados para as amostras de cinzas moída e requeimada.
O resultado do ensaio do teor percentual de carbono fixo comprova que houve uma
redução do teor de carbono quando se faz a requeima da amostra de cinza in
108
natura, já comentado na análise visual das amostras. O percentual de cinzas nestas
amostras é diretamente proporcional ao percentual de perda ao fogo de cada
amostra e o teor de material volátil das amostras,apresenta uma alteração pequena.
Tabela 5-6: Resultados perda ao fogo, Carbono fixo, cinzas e material volátil
Tipo de ensaio
Tipo de amostra Perda ao
fogo (%)
Carbono Fixo (%)
Cinzas (%)
Mat. Volátil (%)
Cinza in natura 47,5 - - -
Cinza moída 51,0 39,33 49,72 10,95
Cinza requeimada 15,0 0,75 86,14 13,12
5.1.4 Análise granulométrica das cinzas
Devido as condições do equipamento Cillas foi possível determinar a granulometria
à laser somente para as amostras de cinza moída e cinza requeimada.
Na tabela 5.7 são apresentados os diâmetros equivalentes partículas da amostra de
cinza moída através do método de granulometria a laser.
Tabela 5-7: Diâmetros equivalentes da granulometria a laser das partículas da amostra cinza
moída.
Diâmetro a 10% (d10) 1,34m
Diâmetro a 50% (d50) 6,59m
Diâmetro a 90% (d90) 21,01m
Diâmetro médio 14,89m
A granulometria a laser, mostrada na figura 5.21, indica que a amostra de cinza
moída utilizada atendeu os parâmetros próximos ao estabelecido pela NBR 12653
(ABNT, 1992), que define um limite mínimo de finura para as pozolanas artificiais
tipo E, em que o percentual máximo retido na peneira 45μm deve ser de 34%. A
amostra de cinza moída utilizada, de acordo com a granulometria a laser, possui
mais de 90% dos seus grãos inferiores a 21,01μm e tamanho médio de 14,89m.
109
Figura 5-21: Granulometria cinza moída
Na tabela 5.8 são apresentados os diâmetros equivalentes partículas da amostra
cinza requeimada através do método de granulometria a laser.
Tabela 5-8: Diâmetros equivalentes da granulometria a laser das partículas da amostra
requeimada.
Diâmetro a 10% (d10) 9,87m
Diâmetro a 50% (d50) 40,85m
Diâmetro a 90% (d90) 95,03m
Diâmetro médio 71,29m
A granulometria a laser, mostrada na figura 5.22, indica que a amostra de cinza
calcinada utilizada não atingiu valores próximos ao estabelecido pela NBR 12653
(ABNT, 1992), que define um limite mínimo de finura para as pozolanas artificiais
tipo E, em que o percentual máximo retido na peneira 45μm deve ser de 34%. A
amostra de cinza requeimada utilizada, de acordo com a granulometria a laser,
reteve 54,64% dos grãos acima de 45μm e possui um tamanho médio de 71,29m.
110
Figura 5-22: Granulometria cinza requeimada
Baseado nos resultados da análise granulométrica é possível afirmar que apenas as
amostras de CCE moída atende as exigências da NBR 12653 para classificação
como material pozolânico.
5.1.5 Análise térmica
Na figura 5.23 são apresentadas as curvas obtidas nos ensaios térmicos (DTA e
TGA) para a CCE in natura. Pode-se observar que existe uma leve perda de massa
e um pico endotérmico na temperatura próxima à 50ºC. Esta variação se deve,
provavelmente, à perda da água na superfície da CCE in natura. Em torno de 500ºC
ocorreu uma perda de massa significativa e um pico exotérmico, sendo que entre as
temperaturas de 350 e 650ºC esta perda de massa chegou a 42%. Acredita-se que
este pico estaria relacionado provavelmente a alguma mudança de fase devido a
perda de matéria orgânica .
111
Figura 5-23: DTA e TGA da CCE cinza in natura
O resultado do ensaio de DTA/TGA para a amostra de cinza moída é apresentado
na figura 5.24, apresenta uma leve perda de massa e um pico endotérmico na
temperatura próxima à 50ºC, provavelmente, à perda da água adsorvida na
superfície da amostra de cinza moída. Ocorre na faixa dos 450ºC uma leve perda de
massa e um pico exotérmico com proporção menor em relação a amostra de cinza in
natura. A perda de massa calculada entre as temperaturas de 300 e 900ºC foi de
30%.
112
Figura 5-24: DTA e TGA da CCE cinza moída
A análise termogravimétrica da amostra de cinza requeimada mostra a ausência do
pico endotérmico na faixa próxima à temperatura de 50ºC. Como o processamento
da cinza requeimada foi realizado em forno mufla à temperatura de 600ºC, percebe-
se que não houve nenhuma perda de massa significativa até a faixa de 650ºC. Na
faixa dos 700ºC uma leve perda de massa e um pico exotérmico, provavelmente
ligado à uma mudança de fase, e uma perda de massa calculada entre as
temperaturas de 650 e 900ºC de 10%. Estes detalhes podem ser visualizados na
figura 5.25.
113
Figura 5-25: DTA e TGA da CCE cinza requeimada
5.1.6 Difração de raio X
Como pode ser verificado na figura 5.26, os difratogramas das amostras das cinzas
desta pesquisa são muito semelhantes, e ambos apresentam evidências de sílica
(SiO2) no estado cristalino (Quartzo) e altos teores de óxido de Cálcio. Ao mesmo
tempo, ambos os difratogramas não indicam a presença de um halo característico
de material amorfo.
114
Figura 5-26: Difratograma cinza in natura, moída e calcinada
As principais fases cristalinas presentes na amostra de cinzas foram identificadas
utilizando os bancos de dados. A análise do difratograma mostra que as amostra
cinza são formadas predominantemente pelas fases cristalinas de quartzo (SiO2),
Silicato de Cálcio (Ca2SiO4), Hematita (Fe2O3), Silicato de Magnésio (Mg(SiO3),
Carbonato de Cálcio (Ca(CO3), Óxido de Ferro Cálcio(Ca2Fe2O5), Silicato de Ferro
Cálcio (Ca2FeSi2O6), Calcita (Mg0, Ca0,9CO3) e Óxido de Ferro Cálcio(Ca2Fe2O5). No
115
capítulo 10 são apresentados em anexo os difratogramas originais com a
identificação de todas as fases listadas acima para cada amostra de CCE.
Os resultados obtidos foram superposto e são apresentados na figura 5.27. Como
cada mineral apresenta composição cristalográfica diferente, os picos caracterizam,
qualitativamente, os principais minerais presentes na amostra.
Figura 5-27: Difratograma das três amostras de cinzas.
Nitidamente, pode se afirmar que as fases cristalinas dos mesmos minerais estão
presentes nas amostras de CCE analisadas e as diferenças entre os picos foram
causadas pelo beneficiamento das amostras de CCE moída e requeimada em
relação a amostra a original de CCE in natura. Percebe-se praticamente uma
igualdade nos difratograma das amostras de CCE in natura e a CCE moída, e a
amostra de CCE requeimada, que foi queimada em forno mufla por 2 horas a 600ºC,
apresenta um difratograma com fases cristalinas distintas. Destaca-se o aumento da
fase da Calcita na amostra de cinza requeimada em relação as amostras de cinza in
natura e moída.
116
5.1.7 Análise por FTIR
No espectro de FTIR da cinzas ocorreram vibrações referentes à (1400 cm-1),
observa-se a presença de um vale, principalmente nos HDLs do sistema Mg-Al-CO3
que, segundo Miyata(1975), pode estar relacionado com o abaixamento da simetria
do carbonato e à desordem no espaço intramelar. Uma banda média de estiramento
Si–O ocorreu entre 800 e 1070 cm-1, e uma banda pequena de deformação no plano
(O–Si–O) entre 500 e 660 cm-1 Os eventos ocorreram com as três amostras de CCE
durante a análise FTIR, nas mesmas faixas de frequências, e podem ser
visualizados na Figura 5.28 e 5.29.
Figura 5-28 Análise por FTIR das amostras de CCE
117
Figura 5-29: Ampliação da análise por FTIR das amostras de CCE
5.2 Avaliação da atividade pozolânica
5.2.1 Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland
O resultado do ensaio à compressão simples dos corpos de prova moldados com
substituição de 35% de cimento por cinzas in natura e requeimada mostra que
houve uma redução média de 36% na resistência em relação ao corpo de prova de
referência. Já os corpos de prova confeccionados com substituição de 35% cimento
por cinza moída apresentaram praticamente a mesma resistência dos corpos de
prova de referência demonstrando que o tamanho dos grãos influenciaram
diretamente no mecanismo de reação das cinzas no compósito cimentício moldado.
Os resultados podem ser visualizados na figura 5.30.
118
Figura 5-30: Resistência à compressão dos compósitos substituição 35% de cimento
De acordo com a NBR 5752 (ABNT, 1992), o índice de atividade pozolânica com
cimento Portland é calculado pela relação entre a resistência à compressão da
argamassa A e da Argamassa B descrita pela equação 4.3. O resultado final do IAP
(Índice de atividade pozolânica) pode ser visto na tabela 5.9.
Tabela 5-9: Resultado cálculo do IAP pela NBR 5752
Tipo de cinza Índice de atividade
pozolânica
In natura 65,50%
Moída 97,98%
Requeimada 71,76%
Para os corpos de prova produzidos com índice de substituição de 35% foram
realizados os ensaios de resistência à compressão diametral e à tração na flexão,
estes ensaios não são obrigatórios pela NBR 5752, mas foram realizados para efeito
de comparação quanto ao índice de substituição de cimento por CCE.
O resultado do ensaio à compressão diametral dos corpos de prova moldados com
substituição de 35% de cimento por cinzas in natura, moída e requeimada mostra
que houve uma redução média de 40% na resistência à tração na compressão
diametral em relação ao corpo de prova de referência conforme mostra a figura 5.31.
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Ref. CCE in natura CCE moída CCE requeimada
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O melhor desempenho neste ensaio foi do compósito produzido com CCE moída
como já havia ocorrido com os compósitos com índice de substituição de 5%, 10% e
15% discutidos anteriormente.
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Figura 5-31: Resistência à tração na compressão diametral
O resultado do ensaio de tração na flexão para os corpos de prova com substituição
de 35% de cimento por cinzas in natura, moída e requeimada são apresentados na
figura 5.32.
Estes resultados indicam uma redução média de 49% na resistência à tração na
flexão para os corpos de prova moldados com substituição de cimento pó amostras
de cinza em relação a corpo de prova de referência. Estes resultados comparados
com os resultados discutidos no próximo subcapítulo para os compósitos com
substituição de 5%, 10% e 15% validam que o melhor desempenho é o das
amostras de CCE moída e de CCE requeimada, justificando o custo do
beneficiamento das amostras de cinza.
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Ref. CCE In natura CCE Moída CCE requeimada
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Figura 5-32: Resistência à tração na flexão
5.2.2 Determinação da atividade pozolânica com cal
Para a avaliação da atividade pozolânica foi realizado o ensaio de IAP de acordo
com a NBR5751. A Figura 5.33 mostra os resultados da resistência a compressão
do ensaio de atividade pozolânica com cal. Os corpos de prova foram rompidos aos
7 dias, permanecendo no molde durante este período em temperatura ambiente, de
acordo com as recomendações da norma. É necessária uma resistência à
compressão superior a 6 MPa para constatar a pozolanicidade do material.
Os corpos de prova moldados com cinza in natura e cal não apresentaram
resistência mecânica, apresentaram uma oxidação acentuada na interface do corpo
de prova com o molde metálico e se desmancharam quando foram retirados dos
respectivos moldes. Já os corpos de prova moldados com cal e cinza moída, e com
cal e cinza requeimada foram desmoldados, capeados e submetidos ao ensaio de
compressão simples. Os resultados conforme mostra a figura 5.33 não foram
suficientes para constatar a pozolanicidade das amostras de CCE in natura, moída e
requeimada, ou seja, as amostras de CCE não reagiram na presença da cal. A
oxidação apresentada nos corpos de prova in natura na interface com o molde
121
também é relatada na literatura em ensaios com cimento aluminoso o que pode
justificar, em parte, o efeito cimentante da CCE.
Figura 5-33: Resultado ensaio à compressão NBR 5751
5.2.3 Determinação da atividade pozolânica pelo Método de Luxan
Os valores obtidos no ensaio de condutividade elétrica baseado no método Luxan et
al. (1989) são apresentados na Tabela 5.11.
Tabela 5-10: Resultados obtidos para o método de Luxan
Tipo de Cinza
Condutividade
Inicial mS/cm
t=0s
Condutividade
final mS/cm
t=600s
Variação de
condutividade
(final - inicial)
Cinza in natura 7,079 8,910 1,831
Cinza moída 7,046 7,359 0,313
Cinza requeimada 7,550 8,507 0,957
Os resultados baseados limites descritos na tabela 4.5, índice de pozalanicidade do
material em função da condutividade, demonstram que as cinzas in natura podem
ser consideradas materiais de boa atividade pozolânica e a cinza requeimada
apresenta atividade pozolânica moderada de acordo com o método proposto. Já a
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CCE in natura CCE moída CCE requeimada
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cinza moída apresentou um resultado que indica material sem atividade pozolânica
de acordo com o método de Luxan et al. (1989).
5.2.4 Determinação da atividade pozolânica pelo Método de Chapelle
modificado
A determinação da atividade pozolânica: NBR 15.895/10 "Materiais pozolânicos -
Determinação do teor de hidróxido de cálcio fixado - Método Chapelle modificado",
foi realizada no Instituto de Pesquisas Tecnológicas-IPT e apresentou os seguintes
resultados:
Tabela 5-11: Resultados obtidos para o método de Chapelle modificado
Tipo de Cinza Atividade pozolânica (mg
Ca(OH)2/g amostra)
Cinza moída 4,00
Cinza requeimada 116,00
A Tabela 5.13 ilustra alguns valores típicos da atividade pozolânica para o
metacaulim e a sílica ativa, obtidas pelo método de Chapelle, mostrando que nesse
ensaio o metacaulim pode ser mais reativo que a sílica ativa. Alguns resultados
foram expressos em mgCH/g de pozolana. Utilizando o fator de multiplicação de
0,757 é possível converter esses valores de mg CH para mg de CaO. Os dados em
(*) são originalmente expressos em mg CH/g.(Boletim técnico IPT).
Tabela 5-12: atividade pozolânica pelo método de Chapelle(metacaulim e sílica ativa)
Pozolana Atividade Chapelle (mgCaO/g*)
Referência
Metacaulim
795 ASBRIDGE et al, 1994 apud SABIR et al, 2001
833 SALVADOR,1995
719 KOSTUCH et al, 1993 apud McCARTER E TRAN, 1996
533-617 KAKALI et al, 2001
Sílica ativa
323 KOSTUCH et al, 1993 apud McCARTER E TRAN, 1996
616-665 442
BONNEAU et al, 2000
123
Baseado nos resultados da tabela 5.12 e os dados da tabela 5.13, pode-se afirmar
que, pelo método de Chapelle, a amostra de cinza moída não apresenta atividade
pozolânica, comportando-se como um fíler provavelmente devido ao tamanho dos
grãos e a amostra de cinza requeimada apresenta uma pequena atividade
pozolânica.
5.3 Avaliação das propriedades mecânicas
Na figura 5.34 são apresentados os resultados do ensaio de resistência à
compressão dos corpos-de-prova dos compósitos cimenticios desenvolvidos com os
diversos percentuais de substituições parciais do cimento pela cinza de cavaco de
eucalipto. Os resultados mostram que o uso de 5% e 10% de cinzas, quer sejam in
natura, moídas ou requeimadas, são extremamente expressivos e não
comprometendo o comportamento do composto quanto à resistência à compressão,
pois os resultados médios se mantiveram acima de 40 MPa, aos 28 dias.
Entretanto, analisando os resultados dos compósitos confeccionados com CCE após
a moagem, nota-se que houve um melhora considerável na resistência à
compressão final do compósito, se comparado ao de referência, para todos os
percentuais de substituição de cimento pelo percentual de cinza moída.
Avaliando os resultados dos compósitos com 15% de substituição de cimento pela
CCE in natura e CCE requeimada, percebe-se que os resultados atendem os
valores mínimos de resistência à compressão exigidos pelas NBR 5736 e NBR
11578, podendo caracterizar o cimento com adição de CCE com substituições até
14% como CPII Z 40 e para a substituição de 15% como CPIV.
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Ref. CCE in natura CCE moída CCE requeimada
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Figura 5-34: Resistência à compressão dos compósitos cimentícios aos 28 dias
O tratamento térmico através da requeima, parece não melhorar o desempenho do
compósito com substituição de cimento por cinza requeimada, se comparado aos
índices dos compósitos in natura, o que para futuras aplicações não justifique o
processo de requeima utilizado nesta pesquisa. Os resultados obtidos na figura 5.34
justificam o processamento da CCE através da moagem para aplicações em
concretos de alta resistência.
Na figura 5.35 são apresentados os resultados de resistência à tração na
compressão diametral. Pode se observar que os resultados para a CCE in natura e
requeimada mantiveram os resultados muito próximos, com o ocorrido no ensaio de
resistência à compressão. Já para os corpos de prova confeccionados com CCE
moída foram ligeiramente inferiores ao compósito de referência e se mantiveram
estáveis para os três níveis de substituição ensaiados. Acredita-se que o
comportamento da CCE moída no compósito seja de preenchimento de poros (efeito
fíler).
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Ref. CCE in natura CCE moída CCE requeimadaRe
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Figura 5-35: Resistência à tração na compressão diametral aos 28 dias
Quanto a resistência à tração na flexão, os resultados apresentados na figura 5.36.
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Ref. CCE in natura CCE moída CCE requeimada
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Figura 5-36: Resistência à tração na flexão
Os resultados de resistência à tração na flexão indicam que os compósitos com
adição de CCE in natura apresentaram valores inferiores. Os compósitos com
adição de CCE moída e requeimada apresentaram valores muito próximos aos
valores de referência. Neste caso o processamento da CCE melhorou o
126
comportamento do compósito produzido com substituição de cimento por CCE,
sendo que o resultado para o compósito com adição de 5% de cinza moída ficou
acima da referência. Considerando o baixo teor de sílica das diferentes cinzas e
esses resultados, pode se afirmar que o mecanismo de atuação das cinzas seria por
preenchimento de poros. É provável que os poros mais finos não tenham sido
preenchidos, acredita-se então que para estes corpos de prova ocorreu um efeito
cimentante da CCE, o que pode ser explicado pela análise do diagrama ternário,
pois a CCE ocupa uma posição muito próxima à do cimento aluminoso. (Ver figura
5.20)
5.4 Avaliação da reação álcalis agregado
Na figura 5.37 é possível observar as expansões sofridas pelos compósitos
moldados com substituição de cimento por cinza de cavaco de Eucalipto durante o
ensaio para avaliar a expansibilidade ocorrida por RAA.
O resultado dos ensaios de reação álcalis agregado após 16 dias demonstram que
as cinzas de cavaco de eucalipto in natura e moída reduziram a expansão dos
corpos-de-prova produzidos com basalto utilizado na UHE de Nova Ponte. A cinza
de cavaco de eucalipto requeimada inibiu a expansão dos corpos-de-prova
produzidos com basalto utilizado na UHE de Nova Ponte , que é conhecido como
reativo.
Além disso, o alto teor de cálcio das amostras pode ter favorecido a formação de um
silicato de cálcio hidratado que geralmente apresenta menor número de defeitos
devido a uma maior relação cálcio/sílica, o que poderia afetar a resistência aos
álcalis do composto fabricado com as cinzas (LOTHENBACH, 2011).
127
Figura 5-37: Resultado expansão RAA
O resultado do ensaio de compressão simples nos corpos de prova com substituição
do agregado miúdo pelo basalto da UHE Nova Ponte são mostrados na figura 5.38.
Após a realização dos ensaios descritos na norma é possível afirmar que a
substituição de cimento por cinza de cavaco de eucalipto é viável. No ensaio de
compressão simples os corpos de prova com substituição de cimento por cinzas
moídas apresentaram um resultado idêntico aos corpos de prova de referência e nos
demais houve uma redução da ordem de 30% na resistência quando comparados
com os corpos de prova de referência. o que evidencia a necessidade do
processamento da cinza para a sua aplicação em compósitos cimentícios.
128
Figura 5-38: Resultado do ensaio de compressão simples
Utilizando o basalto da usina de Nova Ponte como agregado miúdo foram
confeccionados corpos de prova para o ensaio de tração na flexão com substituição
de 35% de cimento por cinzas in natura, moída e requeimada. Os resultados podem
ser visualizados na figura 5.39.
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Ref. Basalto CCE in natura CCE moída CCE requeimadaResis
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Figura 5-39: Resultado de tração na flexão
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Ref. Basalto CCE in natura CCE moída CCE requeimada
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5.5 Avaliação dos resultados mecânicos
Vários fatores exercem influência sobre a resistência final do concreto com adições
minerais, como: condições de cura, quantidade da adição mineral, tamanho das
partículas, relação água/cimento, etc. Para melhorar a análise dos diversos
resultados obtidos nos ensaios mecânicos realizados com corpos de prova
confeccionados com CCE, optou se por normatizar os valores obtidos de cada
ensaio em relação ao valor de referência . Assim foi possível criar uma curva de
tendência com o desempenho mecânico dos corpos de prova para cada ensaio
realizado.
Através curva de tendência da figura 5.40 para os ensaios de compressão simples
para os corpos de prova confeccionados com as amostras de CCE, in natura, moída
e requeimada, é possível verificar a influência das adições minerais no resultado dos
ensaios.
O aumento da resistência mecânica dos concretos com adições minerais está
diretamente relacionado com o aumento da resistência da matriz na zona de
transição, devido ao processo de refinamento dos poros e dos cristais presentes na
pasta de cimento. Este efeito é claramente visualizado no resultado dos corpos de
prova da CCE moída, pois não houve decréscimo na resistência à compressão
simples para diferentes índices de substituição de até 35%, o que poderia ser
explicado pela finura da amostra de cinza moída que preenchendo os vazios atue
como um microfller.
As amostras de CCE in natura e requeimada apresentaram uma diminuição
considerável no valor da resistência à compressão simples acima do índice de
substituição de 10% de cimento por CCE, chegando a 80% do valor de referência
para o índice de substituição de 35% de cimento por CCE em ambas as amostras.
Porém os valores obtidos para estas duas amostras ficaram acima dos 32MPa
recomendados pela ABNT para concretos estruturais.
130
Figura 5-40: Curva de tendência ensaio de compressão simples
Os resultados para resistência à compressão na tração diametral estão consolidados
no gráfico da figura 5.41. Os fatores que levam ao aumento na resistência à
compressão dos concretos – como a redução na porosidade da matriz e da zona de
transição – são basicamente os mesmos que levam ao aumento na resistência à
tração. Porém, segundo Dal Molin (2005), o aumento da resistência à compressão
decorrente do efeito microfiler não corresponderá a um aumento proporcional na
resistência à tração na compressão diametral. Isso porque a resistência à tração só
terá um aumento significativo a partir da consolidação das reações pozolânicas das
adições minerais, com conseqüente redução do tamanho e concentração dos
cristais de hidróxido de cálcio na zona de transição.
131
Figura 5-41: curva de tendência ensaio de compressão diametral
Na figura 5.42, encontram-se os resultados para o ensaio de tração na flexão. Os
resultados demonstram que houve redução na tração à flexão proporcional ao
aumento do índice de substituição de cimento por CCE.
Para aprofundamento da análise do comportamento mecânico são apresentados
nas figuras 5.43, 5.44, 5.46 e 5.47 as curvas de deformação por tração na flexão
para os índices de substituição de 5, 10, 15 e 35% respectivamente.
132
Figura 5-42: Curva de tendência ensaio de tração na flexão
Figura 5-43: Tração na flexão 5%
133
Figura 5-44: Tração na flexão 10%
Figura 5-45: Tração na flexão 15%
134
Figura 5-46: Tração na flexão 35%
De acordo com Mehta e Monteiro(2008), o índice de substituição ideal para cinzas é
de no máximo 20%. As curvas de tendência apresentadas para o índice de
substituição de 35% de cimento pro CCE comprovam este indicativo, pois houve um
decréscimo significativo na compressão simples, diametral e flexão respectivamente.
135
6 CONCLUSÃO
A caracterização da cinza de cavaco de Eucalipto gerada na caldeira da DPA/Nestlé
demonstra tratar se de um material com granulometria heterogênea, apresentando
grande quantidade de carbono. A análise realizada através do Expectrometria de
Raios X(EDS) sugere que a CCE possui grande quantidade dos elementos químicos
Cálcio e Ferro. A determinação da composição química via Fluorescência de Raios
X(EDX) permitiu verificar no sistema ternário que a CCE tem uma composição
próxima do cimento aluminoso.
Os resultados obtidos para o índice de atividade pozolânica com cimento (NBR
5752) demonstram que a CCE in natura apresenta atividade pozolânica com cimento
e as amostras processadas de CCE moída e requeimada apresentam atividade
pozolânica moderada. No ensaio realizado com cal nenhuma das amostras de CCE
apresentou atividade pozolânica. No ensaio realizado através do método de Luxan
apenas a CCE in natura apresentou bom resultado em relação atividade pozolânica.
Pelo ensaio realizado pelo método de Chapelle modificado é possível afirmar que
nenhuma das amostras de CCE apresenta atividade pozolânica. Portanto, de acordo
com os métodos de ensaio utilizados nesta pesquisa, é possível afirmar que a cinza
de cavaco de eucalipto (CCE) não se classifica como pozolana. Pode-se concluir
que os resultados obtidos pelos métodos de avaliação de atividade pozolânica
citados, não são conclusivos, pois apresentam divergências entre si.
Os resultados do comportamento mecânico indicam que as amostras de CCE in
natura apresentaram um efeito de preenchimento de vazios. Para as amostras de
CCE moída e requeimada pode se afirmar que, além do preenchimento de vazios,
estas cinzas apresentaram uma certa reatividade, podendo se tratar de um efeito
cimentante, que melhorou as propriedades do compósito no estado endurecido.
Conclui se que este material pode ser utilizado como material cimentício
suplementar, pois nos ensaios de comportamento mecânico os corpos de prova
apresentaram comportamento muito próximo ao de referência.
136
Os ensaios de reação álcalis agregado comprovaram que a incorporação de CCE
requeimada em substituição parcial do cimento inibiu a expansão dos corpos de
prova produzidos com basalto utilizado na UHE de Nova Ponte , que é conhecido
como reativo. As amostras de CCE in natura e moída reduziram parcialmente a
expansão.
De uma maneira geral, se for considerada a quantidade de concreto consumida no
Brasil atualmente, a substituição de 5% de cimento nestes concretos por CCE in
natura que de acordo com os ensaios mecânicos realizados, praticamente não
alterou a qualidade do compósito produzido. Portanto tal substituição torna-se uma
alternativa viável para eliminar um passivo ambiental das empresas geradoras deste
tipo de resíduo.
137
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Após a análise de todos resultados apresentados sugerem-se os seguintes temas
para trabalhos futuros:
- Avaliar a influência do teor de carbono no comportamento mecânico do compósito
produzido com CCE em substituição parcial do cimento.
- Avaliar compósitos cimentícios produzidos com CCE requeimada e moída
simultaneamente.
- Estudar a possibilidade de obtenção de crédito de carbono com a reutilização da
CCE.
- Avaliar a durabilidade do compósito produzido com amostra de CCE.
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152
10 ANEXOS
A seguir são apresentados cópias dos ensaios e caracterizações realizados fora do
campus do CEFET/MG. A difração de Raio X e a análise granulométrica foram
realizadas na Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração CBMM.
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