AVALIAÇÃO DE MISTURAS DE RESÍDUOS INDUSTRIAIS PARA COMPOSIÇÃO DE CIMENTOS ECOLÓGICOS
L. G. Justino, L. G. Pedroti Universidade Federal de Viçosa
laricejustino@yahoo.com.br
RESUMO
A atividade industrial tem um caráter essencial na atualidade. Embora a sua importância seja indiscutível, ela é responsável por gerar um número bastante elevado de resíduos, com diferenciadas formas e características. Observou-se, em especial, o resíduo grits (do processo Kraft na indústria de celulose) e o resíduo do beneficiamento do granito. E, visto a importância do cimento Portland como um material de construção, seu vasto emprego e as propriedades dos resíduos que se assemelham aos componentes do clínquer, decidiu-se por fabricar compostos cimentícios a partir desses resíduos industriais. Os resíduos foram submetidos à caracterização mineralógica, química, física e morfológica. E, a mistura entre os resíduos na proporção 70% grits e 30% resíduo de granito foi sinterizada em muflas a 1250°C e a 1300°C com patamar de queima de 6 horas formando novos compostos, que foram comparados com cimentos nacionais baseado nas normas técnicas brasileiras.
Palavras–chave: cimento ecológico, grits, resíduo de granito. INTRODUÇÃO
Segundo TARTUCE e GIOVANETTI(1) (1990), aglomerante é um material ligante, em geral pulverulento, que promove a união entre os grãos do material inerte (agregado). São utilizados na obtenção das pastas, argamassas e concretos. E, um aglomerante hidráulico largamente utilizado é o Cimento Portland.
O cimento Portland é constituído de silicatos e aluminatos que, ao serem misturados com água, hidratam-se, resultando o endurecimento da massa, que pode então oferecer elevada resistência mecânica. Esse aglomerante depende, para sua fabricação, dos produtos minerais: calcário, argila e gipso (gesso).
Por estudos anteriores foi possível observar que os resíduos industriais Grits e Resíduo do Corte de Granito têm propriedades semelhantes às desses compostos do cimento.
O resíduo Grits é gerado durante o ciclo de recuperação química da produção de celulose pelo processo Kraft. Este resíduo é composto basicamente de carbonato de cálcio. Segundo CENIBRA(2) (2013), a produção de uma tonelada de celulose produz 223 kg de resíduos sólidos, levando o estudo de aplicação de resíduo da produção de celulose como material alternativo na construção civil a ganhar relevância.
O Resíduo de Granito é constituído por pó de rocha acrescido de água e provém de teares que usam fios diamantados. Trata-se de um material sílico-aluminoso.
Quando um resíduo se transforma em matéria-prima a empresa geradora do resíduo fica livre da responsabilidade ambiental desde que o resíduo fique descaracterizado. Os sistemas de co-processamento, como por exemplo, os das cimenteiras, permitem a descaracterização do resíduo de forma a isentar o gerador original (após completado o processo) de responsabilidade quanto ao produto processado (CRUZ, 2002)(3).
Com o objetivo geral de estudar a possibilidade de reciclagem de resíduos sólidos industriais em novos compostos cimentícios para a fabricação de cimentos ecológicos e baseado em pesquisas anteriores realizadas com os dois resíduos citados, forão feitos testes para avaliar as características do cimento ecológico em comparação às características de cimentos nacionais, baseado nas normas técnicas brasileiras.
MATERIAIS E MÉTODOS
Coleta das Matérias-primas e preparação do cimento ecológico
Os resíduos utilizados e suas respectivas fontes geradoras são descritos a seguir:
-Grits: coletado na empresa CENIBRA.
-Resíduos do corte de rochas ornamentais por fio diamantado: coletados na Empresa Decolores Mármores e Granitos de Cachoeiro de Itapemirim.
O grits é moído no moinho Los Angeles e o resíduo de granito é seco ao sol. Em seguida, passam-se os resíduos pela peneira nº 200. O que não passa pela peneira é moído no moinho de bolas e no almofariz, com o auxílio da mão-de-borracha. Então, os resíduos são misturados na proporção 70% grits e 30% resíduo de granito e sinterizados em muflas a 1250°C e a 1300°C, com
patamar de queima de 6 horas. O clínquer obtido é moído no moinho de bolas e passado pela peneira nº 200, esse processo é repetido até que todo o material tenha dimensões inferiores a 0,075μm.
Para a comparação dos resultados foram utilizados cimento CP II-E 32 da marca Tupi e clínquer sem adição, que passou pelo mesmo processo de moenda e peneiramento do clínquer de cimento ecológico.
Determinação da massa específica
Em acordo com a NM 23(4) (ABNT, 2000), registrou-se a primeira leitura (V1), com aproximação de 0,1 cm3, introduziu-se uma porção de 65g de cimento no frasco, tampou-se o frasco e girou-o em posição inclinada até que não subissem borbulhas de ar. Registrou-se a leitura final (V2).
Calculou-se a massa específica e, o resultado, expresso em duas casas decimais, é a média de duas determinações.
Determinação da área específica
A partir de dados conhecidos, fizeram-se testes para a determinação da massa necessária para preencher a célula do permeabilímetro e fornecer uma compactação adequada, obtendo então a porosidade.
Com o ensaio obtém-se o intervalo de tempo (t), que o fluido gasta para se deslocar da segunda até a terceira marca do tubo manométrico.
Anotou-se, também, a temperatura (θ) nas proximidades do aparelho. Calculou-se a área específica (Am) pela fórmula (A):
√ √
( ) √ (A)
Em que ε é a porosidade da camada, t é o tempo, ρ é a massa específica do material, η é a viscosidade dinâmica do ar e k é a constante do aparelho.
Determinação da pozolanidade – Método de Luxan
Segundo Luciana Cordeiro(5) (2009), este método consiste em medir a pozolanicidade através da variação da condutividade de uma solução saturada de Ca(OH)2, antes e depois de 2 minutos da pozolana ser adicionada e
misturada na solução a 40°C (5g de pozolana para 200 ml de solução). É possível classificar o material da seguinte forma:
Materiais sem atividade pozolânica: Δ mS/cm < 0,4;
Materiais de atividade pozolânica moderada : Δ mS/cm < 1,2; Materiais de boa atividade pozolânica: Δ mS/cm > 1,2;
Determinação do índice de consistência normal
A quantidade de material utilizada foi é o dobro da especificada na NBR 5752(6) (ABNT, 2012), que pode ser vista na tabela 1.
Tabela 1: Quantidade de material – ensaio consistência normal
Material Massa necessária (g)
Argamassa A Argamassa B1 (a) Argamassa B2 (a)
Cimento 312,0 202,8 202,8
Material pozolânico - 109,2 (b) 109,6 (b) Areia normal 936,0 (b) 936,0 (c) 936,0 (c)
(a) Argamassa B1 do clínquer obtido na queima a 1250°C e Argamassa B2 do clínquer obtido na queima a 1300°C
(b) obtida multiplicando 109,2 pela relação entre a massa específica do material pozolânico e do cimento (3,09 g/cm³)
(c) 4 frações de areia normal, cada uma com 234g
Utilizou-se a quantidade de água que forneceu índices de consistência de (225 ± 5) mm. O resultado é a medida do diâmetro da base do tronco de cone de argamassa, sendo o resultado final a média de duas medidas ortogonais.
Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland
Em acordo com a NBR 5752(6) (ABNT, 2012), misturou-se os materiais, na quantidade obtida no ensaio anterior e moldou-se 6 corpos de prova cilíndricos com cada argamassa. Na impossibilidade de realizar a cura exatamente como a norma especifica, fez-se uma cura convencional dos corpos de prova. Aos 3, 7 e 28 dias foram rompidos dois corpos de prova de cada tipo de argamassa.
O índice de atividade pozolânica (I) é expresso pela equação (B):
(B)
Em que fc é a resistência dos corpos de prova aos 28 dias: fcA, da argamassa A e fcB das argamassas B1 e B2.
Determinação da água de consistência normal
Fez-se o ensaio conforme a MB-3433(7) (ABNT,1991): Preparou-se a mistura de 500g de cimento ecológico e 140g de água, preencheu-se o molde
troncocônico e fez-se descer sobre o molde a sonda de Tetmajer. Como há pouco material disponível para ensaio, acrescentou-se água à pasta já ensaiada para preencher novamente o molde e continuar o ensaio.
Determinação da expansibilidade de Le Chatelier
Como há pouco material disponível para ensaio, utilizou-se a pasta com a qual foi feita o ensaio de consistência. Em acordo com a MB-3435(8) (ABNT, 1991), preencheram-se as agulhas, três delas foram submetidas à cura a quente e as outras três, à cura a frio.
EDX
Esse ensaio permite a caracterização microscópica de materiais. Um feixe de elétrons incide sobre um mineral, os elétrons mais externos dos átomos e os íons constituintes são excitados, mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para sua posição inicial, liberam a energia adquirida a qual é emitida em comprimento de onda no espectro de raios-x. Um detector instalado na câmara de vácuo do MEV mede a energia associada a esse elétron. Como os elétrons de um determinado átomo possuem energias distintas, é possível, no ponto de incidência do feixe, determinar quais elementos químicos estão presentes no material analisado.
Método de Bogue
Trata-se de um método para análise quantitativa das fases do clínquer, através das seguintes equações (C, D, E, F):
C3S = 4,07 CaO – 7,6024 SiO2 – 6,7187 Al2O3 – 1,4297 Fe2O3 (C) C2S = 8,6024 SiO2 + 1,0785 Fe2O3 + 5,0683 Al2O3 – 3,0710 CaO (D) C3A = 2,6504 Al2O3 – 1,6920 Fe2O3 (E) C4AF = 3,0432 Fe2O3 (F) RESULTADOS E DISCUSSÃO Perda ao fogo
A tabela 2 apresenta a porcentagem de perda ao fogo por queima.
Foi possível observar que, quando os resíduos eram colocados em estufa por 24 horas antes da queima, havia redução na perda ao fogo, o que pode ser justificado pela afinidade do resíduo de granito em absorver umidade.
Observou-se, também que, com o aumento da temperatura de queima, houve aumento na porcentagem de perda ao fogo.
Tabela 2: Dados de perda ao fogo – queimas realizadas no ano de 2014
Data da queima Temp. queima (°C) Massa inicial (g) Massa final (g) Perda ao fogo (%) Data da queima Temp. queima (°C) Massa inicial (g) Massa final (g) Perda ao fogo (%) 28/03 1250 12,49 8,98 28,10 10/07 1250 20,00 14,12 29,40 24/04 1250 16,55 11,82 28,58 15/07 1250 20,00 14,09 29,55 02/05 1250 15,00 10,78 28,13 18/07 1250 20,00 14,07 29,65 07/05 1250 14,59 10,16 30,36 28/07 1250 20,00 14,10 29,50 26/05 1250 15,18 10,63 29,97 27/10 1300 20,00 12,76 36,20 28/05 1250 10,74 7,69 28,40 18/11 1300 20,00 13,17 34,15 29/05 (*) 1250 15,49 11,33 26,86 19/11 1300 20,00 11,59 42,05 04/06 1250 15,54 10,88 29,99 27/11 1300 20,00 13,38 33,10 25/06 1250 50,00 36,53 26,94 10/12 1300 20,00 13,36 33,20
(*) Resíduos foram deixados na estufa por 24 horas antes da queima
Determinação da massa específica
Determinou-se a massa específica para o clínquer sem adição e para cimento ecológico obtido pela queima a 1250°C e a 1300°C. Os resultados podem ser observados na tabela 3.
Os valores obtidos são próximos ao do cimento CP II-E 32: 3,09 g/cm3. Tabela 3: Ensaio de massa específica – Cimento ecológico 1250°C Cimento ecológico 1250°C Clínquer sem adição Cimento ecológico 1300°C 1ª det. 2ª det. 1ª det. 2ª det. 1ª det. 2ª det.
Líquido usado no ensaio querosene querosene querosene Temperatura ambiente (° F) 64,4 64,4 64,4 67,1 83,9 78,7 Umidade do ar (%) 68 68 68 71 51 65 Temperatura do banho (° C) 19 22 22 22 26 25,3 Massa da amostra (g) 65 60 65 Leitura inicial (cm3) 0,8 0,5 0,5 0,8 0,4 0,8 Leitura final (cm3) 21,8 19,6 19,6 19,8 21,4 21,7 Volume da amostra (cm3) 21 19,1 19,1 19 21 20,9 Massa específica da amostra (g/ cm3) 3,095 3,141 3,141 3,158 3,10 3,11 Diferença entre as amostras (g/ cm3) 0,01 0,02 0,01 Massa específica do cimento (g/ cm3) 3,09 3,15 3,10
Determinação da área específica
O resultado final do ensaio está expresso na tabela 4.
Segundo Silva(9) (2013), a área específica do Cimento Portland deve ser maior ou igual a 240 m2/kg. Observa-se que o valor encontrado para o cimento ecológico atende a este valor.
Tabela 4: Ensaio de área específica
Amostra 1ª 2ª
Constante do aparelho (Pa1/2/m) 0,829 Volume da camada (cm3) 1,663 Temperatura ambiente (° C) 22,8 22,8 Viscosidade do ar (x10-5 Pa.s) 18,22 18,22 Porosidade adotada 0,453 Massa da amostra (g) 2,81 Tempo de queda (s) 88,91 92,15 Área específica da amostra (m2/kg) 330,35 336,32 Área específica do cimento (m2/kg) 333 Determinação da pozolanidade – Método de Luxan
Os resultados obtidos com o ensaio podem ser observados na tabela 5. Como os valores (Δ) encontrados foram inferiores a 0,40 mS/cm, conclui-se que os materiais analisados não apreconclui-sentam atividade pozolânica.
Tabela 5: Ensaio de Luxan
Cimento Portland
Cimento ecológico Clínquer sem
adição 1º lote 20/06 24/06 09/07
Leitura inicial (mS/cm) 12,17 11,27 11,47 11,42 11,27 9,07 Leitura final (mS/cm) 13,34 11,06 11,87 11,98 12,80 10,72 (mS/cm) -1,17 0,21 -0,40 -0,56 -1,53 -1,65 Conclusão não poz. não poz. não poz. não poz. não poz. não poz.
Determinação do índice de consistência normal Os resultados obtidos estão expressos na tabela 6.
Tabela 6: Ensaio de consistência
Quant. água 1 (g) Diâmetro 1 (mm) Quant. água 2 (g) Diâmetro 2 (mm) Valor conclusivo (g) Argamassa A 164,6 216,5 174,6 223,5 170,0 Argamassa B 160,0 215,0 170,0 235,0 165,0
Quantidade de água necessária ao ensaio de pozolanicidade, no ensaio de consistência usou-se o dobro.
Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland
Os resultados obtidos estão expressos nas tabelas 7, 8 e no gráfico 1. Tabela 7: Índice de atividade pozolânica
IAB1 (%) IAB2 (%)
66,0 60,9 Ensaio de resistência à compressão
Tabela 8: Ensaio de pozolanicidade – resistência
Idade (dias) CP D1 (cm) D2 (cm) F (kgf) (MPa) m (MPa)
Argamassa A 3 01 5,00 5,02 4310 218,6 21,8 3 02 5,00 5,02 4300 218,1 7 03 5,04 4,98 5610 284,6 28,2 7 04 4,97 4,99 5440 279,3 28 05 5,06 5,02 6680 334,8 34,2 28 06 5,06 5,04 7000 349,5 Argamassa B1 3 07 5,00 5,00 2480 126,3 12,3 3 08 5,00 5,00 2350 119,7 7 09 4,99 5,01 3200 163,0 16,5 7 10 5,00 5,01 3280 166,7 28 11 5,00 5,00 4270 217,5 22,6 28 12 5,04 5,02 4650 234,0 Argamassa B2 3 13 4,99 5,01 2690 137,0 13,7 7 15 5,00 5,00 3340 170,1 17,0 28 17 5,02 5,03 4130 208,3 20,8
Gráfico 1: Resistência (MPa) x Idade (dias)
Gráfico 2: Resistência (MPa) x Idade (dias)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 7 14 21 28 Resistência (MPa) Idade (dias) Argamassa A Argamassa B1 Argamassa B2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 7 14 21 28 35 42 49 Resistência (MPa) Idade (dias) Argamassa A Argamassa B Argamassa C Argamassa D
Tabela 9: Ensaio de resistência à compressão
Idade (dias) CP D1 (cm) D2 (cm) F (kgf) (MPa) m (MPa)
Argamassa A 3 01 5,00 5,02 4310 218,6 21,8 3 02 5,00 5,02 4300 218,1 7 03 5,04 4,98 5610 284,6 28,2 7 04 4,97 4,99 5440 279,3 28 05 5,06 5,02 6680 334,8 34,2 28 06 5,06 5,04 7000 349,5 Argamassa B 3 07 (*) - - - - 0,0 3 08 (*) - - - - 7 09 5,00 5,00 60 3,06 0,3 7 10 4,99 5,00 50 2,55 28 11 5,00 5,00 260 13,24 1,52 28 12 5,06 5,01 340 17,08 Argamassa C 3 13 5,00 5,03 2190 11,09 10,9 3 14 5,01 5,02 2130 10,78 7 15 5,01 5,00 3170 16,11 16,5 7 16 4,99 5,01 3300 16,81 28 17 5,05 5,03 4480 22,46 20,0 28 18 5,05 5,06 3520 17,54 Argamassa D 3 19 5,00 5,01 250 1,27 1,27 7 20 5,00 5,01 473 2,40 2,44 7 21 5,00 5,00 487 2,48 28 22 5,02 5,01 670 3,39 3,37 28 23 5,01 5,00 660 3,35 54 24 4,99 5,00 830 4,24 4,24
(*) Corpo de prova rompeu antes do teste
Argamassa A : 100 % Cimento Tupi - Argamassa B : 100% Cimento Ecológico (1250°C) - Argamassa C : 100% Clinquer - Argamassa D : 100% Cimento Ecológico (1300°C)
Optou-se por romper um corpo de prova da argamassa D aos 54 dias pois não se observou um valor significativo de resistência aos 3 dias.
Conflitando os gráficos 1 e 2, é possível observar que a curva que representa a argamassa com 35% de Cimento ecológico e a que representa a argamassa com 100% de clínquer sem adição são próximas.
Determinação da água de consistência normal
A medida de consistência obtida foi de 9mm, enquanto deveria ser (6 ± 1) mm. Como há pouco material disponível para ensaio, acrescentou-se 5 g de água à pasta, moldou-se novamente o molde e a sonda desceu completamente sobre a mistura. Conclui-se que o ideal seria 141g de água.
Determinação da expansibilidade de Le Chatelier
Os resultados obtidos (tabela 10) são satisfatórios em acordo com a MB-3435(8) (ABNT, 1991).
Tabela 10: Expansibilidade
Agulha Expansibilidade quente (mm) Agulha Expansibilidade frio (mm)
01 0,0 04 0,0
02 0,0 05 0,0
03 0,5 06 0,0
EDX
Os resultados obtidos estão expressos na tabela 11 e podem ser comparados aos de um composto padrão.
Tabela 11: Resultados EDX
Resíduo Granito Grits Mistura 3:7 Cimento ecológico Clínquer sem adiçao Cimentos usuais* CaO 3,784 94,396 66,206 60,901 74,725 60 A 67% SiO2 68,828 2,138 22,88 26,458 14,828 17 A 25% Al2O3 15,82 0 5,514 7,671 4,222 3 A 8% Fe2O3 2,052 0,36 1,164 1,38 2,313 0,5 A 6% SO3 1,843 0,286 1,47 0,96 1,859 < 3% * PETRUCCI, 2005(10)
Observa-se que, com exceção ao dióxido de silício, o cimento ecológico atende às faixas de composição de cimentos usuais.
Método de Bogue
Os resultados da aplicação do método, bem como os valores sugeridos na literatura podem ser observados na tabela 12.
Tabela 12: Método de Bogue
Mistura 3:7 Cimento ecológico Mistura 3,2:6,8 Cimentos comerciais (*) C3S 56,80 -7,09 52,38 - C2S 22,71 81,29 27,76 C3A 12,64 18,00 11,89 8% C4AF 3,54 4,20 2,74 8% outros 4,30 3,61 5,22 9% Silicatos combinados 79,51 - 80,14 75% (*) SILVA, 2013(9)
Em estudos iniciais, foi observado que a proporção de mistura 3,2:6,8 atende aos valores comuns de composição química, por isso, utilizou-se o Método de Bogue também para essa proporção.
CONCLUSÕES
Observou-se que as características físicas do Cimento Ecológico são satisfatórias quando comparadas às características de cimentos comerciais.
Concluiu-se que o Cimento Ecológico apresenta propriedades cimentantes, por ganhar resistência com o tempo, mas é preciso que haja um aumento mais significativo para então se equiparar ao Cimento Portland convencional.
Utilizando os resultados do ensaio EDX para o Cimento Ecológico, fez-se o cálculo da porção de C3S na mistura pelo método de Bogue, o valor obtido foi
negativo. Conclui-se que, é necessário reduzir a quantidade de grits na mistura. Sugere-se, então, que sejam feitas queimas com a proporção de 68% de grits e 32% de resíduo de granito, que, conforme citado, atende à composição química de cimentos comuns e provavelmente atenderá à composição de fases do clínquer.
E, como a temperatura de queima e a velocidade de resfriamento da mistura são fatores importantes na formação dos compostos do clínquer, sugere-se aumento da temperatura de queima e uso de resfriamento rápido. AGRADECIMENTOS
Agradeço à PROBIC-FAPEMIG pelo apoio para a presente pesquisa. REFERÊNCIAS
(1)
TARTUCE, Ronaldo; GIOVANETTI, Edio. Princípios Básicos sobre Concreto de Cimento Portland. São Paulo: Pini : IBRACON, 1990.
(2)
CENIBRA, 2013. Relatório de sustentabilidade. Disponível em < http:// www.cenibra.com.br/cenibra/Cenibra/pdf/relatoriodesustentabilidadecenibra201 2.pdf. Acesso em 19 set. 2014.
(3)
CRUZ, Arthur Adelino de Freitas. Estudo sobre a Utilização do Resíduo da Queima da Biomassa em Argamassas. Disponível em: < http://www.tede. udesc.br/tde_arquivos/11/TDE-2006-05-24T104032Z-196/Publico/Arthur%20 Adelino%20de%20Freitas%20Cruz.pdf>. Acesso em 24 fev. 2014.
(4)
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CORDEIRO, Luciana de Nazaré Pinheiro. Análise da variação do índice de amorfismo da cinza de casca do arroz sobre a atividade pozolânica. 2009. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.
(6)
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5752 : Materiais pozolânicos – Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland – Índice de atividade pozolânica com cimento – Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2012. 4 p.
(7)
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(8)
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(9)
SILVA, Angelo Just da Costa e. Desempenho e inovações tecnológicas do concreto. 2013.
(10)
PETRUCCI, Eládio G. R.. Concreto de Cimento Portland. 14.ed. São Paulo: Globo, 2005.
ASSESSMENT OF MIXTURE FROM INDUSTRIAL RESIDUE FOR THE COMPOSITION OF ECOLOGICAL CEMENT
ABSTRACT
Industrial activity has an essential character today. Although its importance is unquestionable, it is responsible for generating a lot of residue, with different forms and characteristics. It was observed, in particular the grits (from the Kraft process in the industry of cellulose) and the residue of the granite processing. And since the importance of Portland cement as a building material, its vast employment and the properties of the residues that are similar to the components of clinker, it was decided to manufacture cementitious compounds from these industrial residues. The residues were submitted for mineralogical, chemical, physical and morphological analisys. And, the mixing ratio between the residues in the 70% of grits and 30% of granite residue was sintered at 1250°C and 1300°C with 6 hours of firing threshold forming new compounds, which were compared with brazilian cements, based on national technical standards.
