TEMA 3 – Tema Caracterização de Materiais
Caracterização de concretos confeccionados com a cinza do
bagaço da cana-de-açúcar
Sofia Araújo Lima 1,a, Almir Sales 2,b , Juliana Petermann Moretti3,c, Fernando do Couto Rosa Almeida3,d, Tiago José dos Santos3,e
1,2,3 Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil, Rodovia
Washington Luís, km 235, São Carlos, SP, Brasil
asalbessa@gmail.com, balmir@ufscar.br, cjuliana_pmoretti@yahoo.com.br, dfernandocralmeida@gmail.com, etjoses@yahoo.com.br
Palavras-chave: Concretos; Cinza do bagaço da cana-de-açúcar, Agregado miúdo. Resumo
O Brasil é o maior produtor mundial no complexo sucroalcooleiro e exerce a liderança em todos os segmentos (energia, açúcar e álcool) desta atividade. No processo de produção gera-se como resíduo o bagaço, utilizado na co-geração de energia por meio da queima em caldeiras, restando ao final, as cinzas residuais do bagaço da cana-de-açúcar (CBC), geralmente lançadas ao meio ambiente de forma inadequada. As cinzas ocupam lugar de destaque dentre os resíduos agroindustriais por resultarem de processos de geração de energia e sabe-se que muitas dessas cinzas não possuem reatividade hidráulica ou pozolânica, mas que ainda assim podem ser utilizadas na construção civil como materiais inertes. O objetivo do presente trabalho foi utilizar a CBC como substituto do agregado miúdo em concretos. As cinzas do bagaço de cana-de-açúcar utilizadas neste trabalho foram coletadas no estado de São Paulo, Brasil. As amostras foram caracterizadas quanto à composição química e física. Foram confeccionadas três séries de concretos, cada uma com um tipo de cimento - alta resistência inicial, composto e pozolânico - e com 0%, 30% e 50% de CBC em substituição ao agregado miúdo. Os corpos-de-prova foram submetidos aos ensaios de resistência à compressão e à tração, módulo tangente inicial, índice de vazios e massa específica no estado fresco e endurecido. Os resultados indicaram que os concretos confeccionados com o cimento composto e com 30% de CBC em substituição ao agregado miúdo apresentaram os melhores valores, em todas as propriedades analisadas, em relação ao traço de referência.
1. Introdução
O cultivo da cana-de-açúcar e a produção de seus derivados está intimamente ligado à própria história e ao desenvolvimento do Brasil [1]. Primeiramente transformada em açúcar, a cana-de-açúcar ocupa um importante papel na economia, surgindo o Brasil como líder mundial na produção de açúcar e álcool. Porém, mesmo após séculos de convívio com a agroindústria canavieira, somente no século XX, o Brasil descobriu no álcool uma opção energética viável [2]. Esse Programa foi desenvolvido para evitar o aumento da dependência externa de divisas quando dos choques de preço de
petróleo no começo da década de 1970. De 1975 a 2000, foram produzidos cerca de 5,6 milhões de veículos movidos a álcool hidratado.
Mais de 30 anos depois do início do Pro-Álcool, o Brasil vive agora uma nova expansão dos canaviais com o objetivo de oferecer, em grande escala, o combustível alternativo.
2. A cana-de-açúcar e seus resíduos
A produção de cana-de-açúcar, que vinha de altos e baixos na década de 1990, não parou de crescer desde o ano 2000. A Tabela 1 mostra a produção de cana-de-açúcar das últimas cinco safras.
Tabela 1. Produção de cana-de-açúcar por ano/safra – 2004/2009 (unid.: toneladas)
2004/2005 2005/2006 2006/2007 2007/2008 2008/2009* Região Centro-Sul 328.697.362 337.714.418 372.285.061 431.184.748 504.962.891 Região Norte-Nordeste 57.392.755 49.727.458 53.250.700 64.609.676 64.099.738 Brasil 386.090.117 387.441.876 425.535.761 495.794.424 569.062.629
* Posição em 30/08/2009
Fonte: União da Indústria de Cana-de-açúcar/UNICA e Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento/MAPA.
Dentro do contexto da cogeração, e em face da crise do setor energético brasileiro, que teve início em 2001, o setor sucroalcooleiro tem apresentado um grande potencial de geração de energia, apresentando atrativos econômicos e ambientais, principalmente devido à queima de bagaço de cana-de-açúcar na produção como combustível [3].
Segundo Moreira e Goldemberg [4], cerca de 450 a 500 kg de vapor são gerados a partir de uma tonelada de cana-de-açúcar. O potencial de geração de energia a partir do bagaço de cana é da ordem de 15% de toda demanda nacional, patamar que pode ser atingido até 2020 [5]. A Revista Pesquisa FAPESP [6] destaca que a geração de eletricidade com a queima do bagaço e da palha poderá superar, já em 2013, a capacidade da maior hidrelétrica do Brasil, a usina de Itaipu.
Dos principais insumos obtidos com a cana, o açúcar foi o primeiro produto a ser produzido no Brasil pela indústria sucroalcooleira. Segundo boletim da Agência de Informações da EMBRAPA [7], projeções de médio e longo prazo indicam que o consumo mundial de açúcar continuará aumentando. Este crescimento poderá ser de cerca de 21% até 2015, atingindo 176 milhões de toneladas.
Na indústria sucroalcooleira, por muitos anos, existiu o grande desafio em relação ao descarte dos resíduos gerados no processo de produção de açúcar e álcool. Isso se deu porque o processo produtivo gerava externalidades negativas quando os resíduos eram descartados no meio ambiente. Atualmente, tornou-se uma vantagem econômica utilizar esses resíduos, à medida que geram externalidades positivas [8].
No processamento de cana nas usinas e destilarias, para a produção de açúcar e álcool, são gerados, anualmente no Brasil, cerca de 320 bilhões de
litros de vinhaça, 88 milhões de toneladas de torta de filtro e 92 milhões de toneladas de bagaço. Spadotto [9] ainda afirma que esses números, que já são altos, devem aumentar consideravelmente nos próximos anos com o incremento no mercado consumidor de álcool, a expansão das lavouras de cana-de-açúcar e o funcionamento de novas unidades agroindustriais.
De todos os resíduos da unidade industrial sucroalcooleira, o bagaço é um dos mais atrativos, apesar de não ser o de maior volume, por causa de seu poder calorífico, o que faz dele o principal combustível de todo o processo produtivo da fabricação do açúcar e do álcool [10, 11].
Atualmente, a destinação das cinzas do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) é um dos problemas enfrentados pelos administradores das usinas. A fuligem gerada no processo é recolhida a partir de técnicas de lavagem e decantação e, juntamente com a cinza de caldeira, constituem-se em resíduos finais do processo industrial, no qual não há possibilidade de redução do mesmo [8, 11].
Para cada tonelada de bagaço que alimenta o processo de cogeração, são gerados, aproximadamente, 25 kg de cinza residual [12]. As características da cinza são influenciadas pelas condições de queima do bagaço. De acordo com Coelho [13], para um teor de umidade de 50% a temperatura de ignição do bagaço está entre 500°C e 600°C, faixa que cai para 300°C a 400°C quando a umidade encontra-se entre 35% e 40%. Segundo Paula [14], a incineração do bagaço de cana-de-açúcar em condições não controladas gera cinza que pode conter altos teores de carbono e matéria orgânica. Além disso, a quantidade de carbono tem grande influência na absorção de água, pois o material carbonoso é extremamente fino, o que ocasiona um aumento na demanda de água [15].
A cinza do bagaço apresenta, em termos de óxidos, uma grande quantidade de dióxido de silício, normalmente acima de 60% (em massa). 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 [10, 16].
Mesmo contaminada por areia, a CBC é um resíduo passível de ser reciclado ou reutilizado em atividades mais nobres do que a fertilização de lavouras, uma vez que não possui nutrientes minerais para esse fim.
3. A substituição da areia por resíduos
De todos os segmentos da Construção Civil, o que mais se desenvolveu e que teve mais abrangência quanto à aplicação dos conceitos de sustentabilidade, foi o de materiais e componentes da construção, principalmente os que usam o cimento Portland como matriz. Vários estudos têm sido desenvolvidos sobre a incorporação de resíduos nos materiais de construção, até mesmo substituindo produtos já consagrados, como a areia e o cimento Portland, seja de forma parcial ou total.
A produção de areia e pedra britada caracteriza-se pelo baixo valor unitário e pela produção em grandes volumes. O transporte corresponde a cerca de 65% do custo final do produto, o que impõe a necessidade de ser produzido o mais próximo possível do mercado consumidor. Em regiões metropolitanas, como as de São Paulo e Rio de Janeiro, quase toda a areia consumida pela construção civil está sujeita a transporte por distâncias de até 100 km [17].
Por conta dos riscos ambientais inerentes a extração de areia natural, várias pesquisas têm sido desenvolvidas sobre a viabilidade da substituição de agregado miúdo natural, com o uso de resíduos de origem diversa.
Marzouk et al. [18] utilizou o PET (polietileno tereftalato) granulado em substituição ao agregado miúdo em argamassas, com 3 tipos de moagem, em tamanhos máximos de 5 mm, 2 mm e 1 mm. Os resultados mostraram que as propriedades de resistência à compressão e à flexão dos concretos não foram prejudicadas com a substituição de até 50% de resíduo de PET por areia. Os autores também comprovaram que a zona de transição matriz-resíduo não foi alterada com a substituição do agregado miúdo por PET.
Ismail e Al-Hashmi [19] estudaram a substituição de agregado miúdo por resíduos de plásticos (RP) não-biodegradáveis (80% polietileno e 20% poliestireno) por agregado miúdo, em teores de 10%, 15% e 20%, para a produção de concretos. Os valores do ensaio de resistência à compressão das misturas com resíduos ficaram abaixo dos valores de referência para todas as idades analisadas.
Outro resíduo atualmente investigado como substituto da areia é o resíduo sólido municipal incinerado. Al-Rawas et al. [20] utilizaram cinzas provenientes da queima de resíduo sólido municipal (RSMI) substituindo areia e cimento na produção de concretos. Foram utilizados teores de substituição de 0%, 10%, 20% e 30%, com fator a/c constante no valor de 0,70. Outros valores de fator a/c foram testados anteriormente, mas produziram concretos com baixa trabalhabilidade, o que levou os autores a aumentarem a quantidade de água.
Macedo [21] também substituiu o agregado miúdo pela CBC em argamassas, no traço 1:3 em massa com relação água/cimento 0,48. Os teores de substituição foram de 0%, 3%, 5%, 8% e 10%, com cinco corpos-de-prova para cada traço. Pelos resultados do ensaio de resistência à compressão aos 56 dias, todos os traços com CBC obtiveram resistência superior ao traço controle, o que pode ser atribuído ao efeito físico de preenchimento dos vazios pelos grãos finos da cinza e à ação do aditivo superplastificante, presente nos traços com 5%, 8% e 10% de CBC. Houve um acréscimo de 23% da resistência à compressão, aos 56 dias, do traço controle para o traço com 10% de CBC.
Por conta desses resultados promissores a cerca da substituição de cinzas pelo agregado miúdo, este artigo propõe-se a discutir a troca parcial de areia por CBC na confecção de concretos.
4. Programa experimental
Esta pesquisa coletou amostras de cinza do bagaço da cana-de-açúcar em quatro usinas do Estado de São Paulo, Brasil. As características físicas e químicas das cinzas e a aplicação preliminar em argamassas como substituto da areia foram analisadas. A CBC foi coletada em cidades próximas ao município de São Carlos, num raio de 150 km. A coleta da CBC foi realizada em usinas do Grupo COSAN, o maior grupo individual do mundo em produção de derivados da cana-de-açúcar, com participação de 10,48% no mercado brasileiro. As unidades da COSAN onde foram coletadas as amostras de CBC foram: Usina Diamante, na cidade de Jaú (CBC-J); Usina Tamoio, na cidade de Araraquara (CBC-A); Usina da Serra, na cidade de Ibaté (CBC-I); e Usina da Barra, na cidade de Barra Bonita (CBC-B).
4.1. Materiais
Na composição dos concretos, foram usados os seguintes materiais: cimento, areia (agregado miúdo), brita basáltica (agregado graúdo), cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) e água. Foram usados 3 (três) tipos de cimento e, para cada um destes, foi determinada uma resitência de dosagem característica: CP V ARI RS (cimento portland de alta resistência inicial resistente a sulfatos), CP III 40 RS (cimento Portland de alto forno resistente a sulfatos), and CP II E 32 (cimento Portland composto de alto forno). A composição física e química dos cimentos utilizados encontra-se na Tabela 2.
Tabela 2. Composição física e química dos cimentos.
Componentes (%) CP V ARI RS CP II E 32 CP III 40 RS
SiO2 19,65 21,41 26,06 Al2O3 4,99 5,88 8,46 Fe2O3 3,17 3,68 1,94 CaO 64,03 58,44 53,81 MgO 2,01 2,04 3,20 K2O 0,69 0,73 0,50 CO2 1,24 4,95 1,25 SO3 2,33 1,26 2,42 Perda ao fogo - 1000°C 2,30 5,92 2,37 Resíduo insolúvel 0,50 1,72 0,38 Propriedades
Início de pega (min) 167 184 191
Finura
Material retido na # 200 (%) 0,30 1,60 0,60
Blaine (cm2/g) 4600 4000 4550
Resistência à compressão (MPa)
3 dias 36,60 23,00 30,00
7 dias 43,80 31,00 38,00
28 dias 52,00 40,00 48,00
A caracterização do agregado miúdo apresentou os seguintes resultados: massa específica, conforme NM 52 [22] no valor de 2,45 kg/dm3; massa unitária no estado seco e solto, conforme NM 45 [23], no valor de 2,04 kg/dm3; e absorção de água, confome NM 30 [24], no valor de 0,88%. E a caracterização do agregado graúdo apresentou os seguintes resultados: massa específica, conforme NM 53 [25], no valor de 2,63 kg/dm3; massa unitária no estado seco e solto, conforme NM 53 [25], no valor de 0,98 kg/dm3; massa unitária compactada, conforme NM 45 [23], no valor de 1,58 kg/dm3; e absorção, conforme NM 53 [25], no valor de 0,25%.
4.2. Caracterização das amostras de CBC
As amostras de CBC foram analisadas quanto à composição química, granulometria, conforme NM 248 [26]; massa unitária, conforme NM 45 [23]; e massa específica, segundo as recomendações da NM 23 [27]. Todas as amostras utilizadas na fase de caracterização passaram por secagem em estufa a 100°C, por 12h, e por moagem durante 3 minutos em moinho tipo almofariz-pistilo.
4.3. Dosagem e análise dos concretos
Os diferentes tipos de concretos foram produzidos com a substituição de areia natural nas seguintes porcentagens: 0%, 30% e 50%. A dosagem e a trabalhabilidade dos concretos é apresentada na Tabela 3.
Tabela 3. Dosagem dos concretos confeccionados com a CBC
Dosagem para 1m3 de concreto (kg) Tipo de cimento Resistência de dosagem MPa (fc28) Concreto
Cimento Areia Brita CBC Água
Slump (mm) AR 777,75 1143,25 - 221,00 65,00 A30 544,43 1143,25 233,33 225,25 65,00 CP V ARI RS 51,60 (C50) A50 425,00 388,88 1143,25 388,88 229,50 75,00 BR 901,00 1215,50 - 225,25 70,00 B30 630,70 1215,50 270,30 229,50 65,00 CP III 40 RS 38,60 (C40) B50 425,00 450,50 1215,50 450,50 235,88 60,00 CR 854,25 1215,50 - 221,00 70,00 C30 597,98 1215,50 256,28 225,25 80,00 CP II E 32 31,60 (C32) C50 425,00 427,13 1215,50 427,13 229,50 75,00
A dosagem dos concretos foi baseada no método da ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland). Esse método é indicado para concretos de consistência plástica a fluida (slump de 60 a 80 mm). O consumo de cimento foi mantido constante, para todos os traços, em 425 kg/m3, e o teor de argamassa também foi mantido constante, em 51,30%. Sendo assim, foi possível a comparação entre os resultados obtidos com os concretos confeccionados com e sem CBC.
Para a análise das propriedades dos concretos no estado endurecido, corpos-de-prova cilíndricos, com um diâmetro de 100 mm e altura de 200 mm foram utilizados. Após a moldagem, os corpos-de-prova permaneceram em
seus moldes por 24 horas, e depois desse período, foram desmoldados e acondicionados em câmara úmida (temperatura 23 ± 2 °C) e umidade relativa 95 ± 5%) até a idade de ensaio e/ou ruptura. A Figura 1 mostra o desenvolvimento e o ensaio dos concretos em laboratório.
Figura 1. Desenvolvimento dos concretos; (a) Slump test; (b) Moldagem dos exemplares; (c) Análise da resistência à compressão.
Nas análises das propriedades mecânicas, a resistência à compressão [28] e o módulo de elasticidade [29] foram obtidos para todas as amostras de concreto produzido, nas idades de 3, 7 e 28 dias, para a resistência à compressão, e aos 28 dias, para o módulo de elasticidade, no qual se considerou o módulo de deformação tangente inicial cordal (Eci) a 30% fc. A resistência à tração [30] foi obtida aos 28 dias, com quatro amostras por idade. 5. Resultados e discussões
Nos resultados da análise química da CBC (Tabela 4), notou-se um alto teor de sílica (SiO2) em todas amostras, com valores acima de 75%. Essa magnitude de valor também foi observada por CORDEIRO et al. [16].
Tabela 4. Resultado da análise química das amostras de CBC
CBC-A CBC-B CBC-I CBC-J SiO2 93,5 62,7 96,2 88,2 Fe2O3+ Al2O3 3,8 13,3 1,9 7,4 K2O+ Na2O 0,8 1,9 0,3 1,4 TiO2 0,5 3,1 0,2 1,0 CaO 0,4 0,9 0,1 0,6 P2O5 0,2 0,7 0,1 0,4 MgO 0,3 0,6 < 0,1 0,4 SO3 < 0,1 0,2 0,1 < 0,1 Perda ao fogo 0,34 16,28 1,04 0,35
A Tabela 5 apresenta as propriedades físicas das amostras de CBC e da areia. Pelos resultados das análises granulométricas das amostras de CBC, ela pode ser comparada a areia fina, com módulos de finura entre 0,6 e 1,2. O resultado das massas específicas e unitárias se aproximaram muito dos valores referentes aos da areia. No trabalho de Souto et al. [31], o valor encontrado para a dimensão máxima característica (DMC) da CBC ficou em 0,60 mm, o mesmo encontrado para as amostras CBC-B, CBC-I e CBC-J.
Em relação aos ensaios com os concretos, todas as amostras apresentaram trabalhabilidade e coesão adequadas para a moldagem dos corpos-de-prova. Não foi observada a ocorrência de exsudação ou segregação dos materiais. Após a determinação dos traços finais, foram feitos ensaios para determinar as propriedades dos concretos nos estados fresco e endurecido.
Tabela 5. Propriedades físicas das amostras de CBC e da areia
Propriedades CBC-J CBC-I CBC-B CBC-A Areia
Módulo de finura 1,23 1,46 0,52 1,46 2,11
Dimensão máxima característica (mm) 0,60 0,60 0,60 1,20 2,40
Massa unitária (g/cm3) 1,39 1,30 0,98 1,43 2,04
Massa específica (g/cm3) 2,65 2,58 2,23 2,63 2,65
Os resultados do ensaio de resistência à compressão dos concretos são apresentados nas Figuras 2 a 4.
Figura 2. Valores médios de resistência à compressão dos concretos da série A – Cimento CP V ARI RS
Figura 3. Valores médios de resistência à compressão dos concretos da série B – Cimento CP III 40 RS
Nas séries A e B, os valores de referência foram maiores que os valores de resistência dos concretos com CBC, aos 28 dias. Para a série A, a diferença ficou em 3,8% entre o traço AR e A50 e para a série B, a diferença foi maior, e ficou em 12,22% entre o traço BR e B50. Na série C, os concretos confeccionados com CBC obtiveram valores de resistência à compressão maiores que o referência (Figura 4). Os exemplares do traço C50 tiveram valor médio 17,20% maior que as amostras de referência.
Figura 4. Valores médios de resistência à compressão dos concretos da série C – Cimento CP II E 32
A Figura 5 apresenta os resultados de cada série e a respectiva resistência de dosagem de cada tipo de concreto. A série “C”, confeccionada com cimento CP II E 32, obteve os melhores resultados individuais de resistência à compressão aos 28 dias, se comparado ao valor da resistência de dosagem, no valor de 32 MPa. Os concretos da série “B”, confeccionados com o CP III 40 RS, obtiveram os resultados menos expressivos e não conseguiram ultrapassar o valor de 30 MPa, que é apenas 75% da resistência de dosagem inicial.
Figura 5. Valores médios de resistência à compressão dos concretos em comparação com as classes de resistência
Os valores dos módulos de elasticidade variaram entre 34,9 GPa (Traço BR) e 46,5 GPa (Traço A50). Os resultados são apresentados na Figura 6.
Figura 6. Valores médios do módulo de elasticidade dos concretos
A norma NBR 6118 [32] apresenta o cálculo estimado do valor do módulo de elasticidade, pela Equação 1.
Eq. 1 Onde:
Eci = módulo de elasticidade (MPa);
fck = resistência característica do concreto (MPa).
Por meio dessa equação foram calculados os valores estabelecidos pela NBR 6118 [32] e constatou-se que todos os valores obtidos em ensaio ficaram acima dos valores estabelecidos pela referida norma (Tabela 6). Os traços A50, B50 e C30 tiveram os melhores resultados individuais em suas séries.
Tabela 6. Valores dos módulos de elasticidade dos concretos obtidos em laboratório em comparação com os valores mínimos da NBR 6118
Módulo de elasticidade (GPa) Traços
Ensaio - 28 dias Norma NBR 6118
Relação Ensaio/ Norma AR 42,27 37,47 1,128 A30 41,20 36,58 1,126 A50 46,50 36,74 1,265 BR 34,90 28,34 1,231 B30 35,90 27,13 1,323 B50 36,40 26,55 1,370 CR 38,00 27,31 1,391 C30 39,80 29,62 1,343 C50 39,50 30,01 1,316
Os resultados do ensaio de tração por compressão diametral encontram-se na Figura 7. Segundo Mehta e Monteiro [33] a resistência à tração depende do nível geral de resistência à compressão e quanto maior for a resistência à
compressão, menor será a relação entre estas duas propriedades. Sendo assim, a relação entre a resistência à tração e a resistência à compressão é de 10-11% para o concreto de baixa resistência, 8-9% para o concreto de média resistência e de 7% para o concreto de alta resistência.
Figura 7. Resistência à tração por compressão diametral e Relação resistência à compressão por resistência à tração dos concretos
Pode-se notar, também, pela Figura 7, que os menores valores para a relação Rt/Rc são encontrados nos traços da série “A” e os maiores valores para a série “C”, o que está de acordo com a literatura consultada [33, 34]. Já os traços da série “B” se comportaram quase como os da série “C”, ainda que sua resistência de dosagem tenha sido de 40 MPa (classe de resistência C40). 6. Conclusões
Sobre a análise dos concretos confeccionados com cinza do bagaço da cana-de-açúcar, pode-se concluir que:
• Os concretos confeccionados com a CBC e cimento CPII E 32 obtiveram valores de resistência à compressão maiores que os exemplares de referência;
• Os concretos confeccionados com o CPIII 40 RS obtiveram os resultados menos expressivos, e não conseguiram ultrapassar o valor de 30 MPa, que é apenas 75% da sua resistência de dosagem inicial.
• No ensaio de módulo de elasticidade, todos os concretos obtiveram valores acima daqueles estabelecidos pela norma NBR 6118;
• Os concretos confeccionados com o CPIII 40 RS obtiveram os menores valores relativos de resistência à tração por compressão diametral, em comparação com as outras séries;
• Os concretos confeccionados com 30% e 50% de CBC e o cimento CPII E 32 (série “C”) apresentaram os melhores resultados em todas as séries analisadas.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP, pelo auxílio financeiro e pela concessão da bolsa de estudo.
Referências
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