i
MARIA CLARA CAVALINI PINTO
Avaliação das propriedades do gesso reciclado
contendo aditivos
CAMPINAS 2014
iii
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RBANISMOMARIA CLARA CAVALINI PINTO
Avaliação das propriedades do gesso reciclado
contendo aditivos
Orientadora: Profa. Dra. Gladis Camarini
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de concentração de Arquitetura e Construção.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO PRELIMINAR DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA MARIA CLARA CAVALINI PINTO E ORIENTADA PELA PROFa. DRa. GLADIS CAMARINI.
ASSINATURA DA ORIENTADORA ______________________________________
CAMPINAS 2014
iv Ficha catalográfica Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Pinto, Maria Clara Cavalini,
P658a PinAvaliação das propriedades do gesso reciclado contendo aditivos / Maria Clara Cavalini Pinto. – Campinas, SP : [s.n.], 2014.
PinOrientador: Gladis Camarini.
PinDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
Pin1. Gesso. 2. Microestrutura. 3. Aditivos. 4. Propriedades físicas. 5.
Propriedades mecânicas. I. Camarini, Gladis,1958-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Properties of recycled gypsum plaster with admixtures Palavras-chave em inglês: Plaster Microstructure Additives Physical properties Mechanical properties
Área de concentração: Arquitetura e Construção Titulação: Mestra em Engenharia Civil
Banca examinadora:
Gladis Camarini [Orientador] Armando Lopes Moreno Junior Antonio Ludovico Beraldo
Data de defesa: 19-12-2014
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil
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vi
vii
RESUMO
PINTO, M. C. C. Avaliação das propriedades do gesso reciclado contendo aditivos. Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas, 2014. 108p. Dissertação (Mestrado). Departamento de Arquitetura e Construção, UNICAMP, 2014.
As novas leis ambientais vêm forçando a sociedade e empresas a mudar suas atitudes com relação à geração e ao destino dos resíduos. A produção indiscriminada desses rejeitos e a deposição incorreta do material vêm causando impactos ambientais, apresentando-se como um grave problema de gestão pública, pois precisam ser descartados em aterros especiais. Um número limitado desses aterros especiais foi construído para receber os resíduos de gesso, o que pode motivar a destinação dos resíduos de gesso para centrais de reciclagem. O gesso reciclado é obtido por meio de um simples processo de moagem e calcinação em temperaturas relativamente baixas. Comprovou-se, em trabalhos anteriores, que o gesso reciclado endurece rapidamente, reduzindo seu tempo de aplicação. Aditivos retardadores de pega do gesso têm sido estudados, contudo os testes são baseados em gesso comercial. A escolha de um aditivo adequado, bem como de sua dosagem, pode melhorar o tempo de pega do gesso reciclado, de modo a permitir a reaplicação do produto em obras e na produção de componentes. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades do gesso reciclado, tanto no estado fresco como no endurecido, com o uso de aditivos retardadores: ácido cítrico, tânico, tartárico e citrato de sódio. Foram avaliadas a consistência, o tempo de pega, a cinética da temperatura, a resistência à compressão, a dureza e a microestrutura. Os resultados mostraram que alguns aditivos foram capazes de alterar as propriedades do gesso reciclado. No estado fresco, esse material teve seu tempo de pega aumentado por influência do ácido cítrico e do citrato de sódio. No estado endurecido, o ácido cítrico e o citrato de sódio reduziram a resistência à compressão e a dureza. O ácido tânico e o ácido tartárico, por outro lado, não alteraram significativamente o comportamento do gesso reciclado.
Palavras-chave: Gesso, gesso reciclado, aditivos, propriedades físicas, propriedades mecânicas, microestrutura.
ix
ABSTRACT
The new environmental laws are forcing society and enterprises to change their attitudes regarding the generation and the destination of wastes. The indiscriminate production of these wastes is causing environmental impacts, presenting itself as a serious problem of public management because the waste must be discharged in special landfills. A limited number of cells has been built for receiving sulfate waste, which may encourage this waste transfer to special recycling stations. The recycled gypsum plaster is obtained by a simple process of crushing and calcining at relatively low temperatures. Previous works on gypsum recycling show that recycled gypsum plaster has fast setting and lack of workability. Gypsum retarders have been studied intensively, but the emphasis was always laid on commercial gypsum. The selection of suitable retarders, as well as their dosage, can adjust the setting times of recycled gypsum plaster to an appropriate level to use this material again in construction works or to make components. The present study investigated the properties of recycled gypsum plaster with added citric, tannic, tartaric acid and sodium citrate to improve the performance in fresh and hardened states. The consistency, the setting times and kinetics of temperature, compressive strength, hardness and microstructure were evaluated. The results show that some admixtures can modify the recycled plaster properties. Setting times of the recycled plaster increased by influence of the citric acid and sodium citrate. Compressive strength and hardness were reduced by using citric acid and sodium citrate. On the other hand, tannic and tartaric acid did not change significantly the recycled plaster behavior.
Keywords: Gypsum, recycled plaster, admixtures, physical properties and mechanical properties, microstructure.
x
xi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 OBJETIVO DA PESQUISA ... 3 1.1.1 Objetivo Geral ... 3 1.1.2 Objetivos Específicos ... 3 1.2 JUSTIFICATIVA ... 3 1.3 HIPÓTESE DE TRABALHO ... 4 1.4 CONTRIBUIÇÃO TECNOLÓGICA ... 4 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 4
2 GESSO NA CONSTRUÇÃO CIVIL ... 7
2.1 PROCESSO PRODUTIVO ... 7
2.1.1 Matéria-prima ... 7
2.1.2 Produção ... 10
2.1.3 Tipos de fornos ... 11
2.1.4 Produtos da calcinação ... 15
2.2 PROCESSO DE HIDRATAÇÃO DO GESSO ... 18
2.3 RECICLAGEM DO GESSO ... 23
2.3.1 Processo de reciclagem ... 25
2.3.2 Propriedades e características do gesso reciclado ... 25
2.3.2.1 Propriedades físicas do gesso em pó ... 26
2.3.2.2 Propriedades físicas da pasta fresca ... 26
2.3.2.3 Propriedades físicas da pasta endurecida ... 27
2.3.3 Aplicações do resíduo de gesso ... 27
3 ADITIVOS NO GESSO ... 31
3.1 ADITIVO RETARDADOR DE PEGA DO GESSO ... 32
3.2 HISTÓRICO DO ADITIVO RETARDADOR DE PEGA ... 33
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 42 4.1 MATERIAIS ... 42 4.1.1 Gesso comercial ... 42 4.1.2 Gesso reciclado ... 43 4.1.3 Aditivos ... 47 4.2 MISTURAS EXPERIMENTAIS ... 48
xii
4.2.1 Misturas de referência (gesso comercial) ... 48
4.2.2 Misturas com gesso reciclado ... 48
4.2.3 Moldagem e cura do corpos de prova ... 49
4.3 MÉTODOS DE ENSAIO ... 49
4.3.1 Ensaios da pasta de gesso no estado fresco ... 50
4.3.2 Ensaios na pasta de gesso no estado endurecido ... 52
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 56
5.1 ÁCIDO CÍTRICO ... 56
5.2 ÁCIDO TÂNICO ... 60
5.3 ÁCIDO TARTÁRICO ... 64
5.4 CITRATO DE SÓDIO ... 65
5.5 Comparação entre os melhores resultados ... 69
5.6 Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV ... 72
5.6.1 GRAC- 0,050 ... 72 5.6.2 GRAC- 0,250 ... 74 5.7 Difratometria de Raios- X (DRX) ... 76 5.7.1 GRAC- 0,050 ... 76 5.7.2 GRAC- 0,250 ... 77 6 CONCLUSÕES ... 78
xiii
Dedico esta obra às pessoas pelas quais tenho mais admiração e das quais me orgulho: meus pais e meus avós.
xv
Agradecimentos
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, pelo apoio financeiro concedido à esta pesquisa.
À Professora Dra. Gladis Camarini, que contribuiu para o meu crescimento como aluna e pessoa.
Aos técnicos do laboratório, Marçal, Luciano, Ademir e Marcelo, pela ajuda, paciência, boa vontade, amizade, cafés e risadas.
Às minhas tchuruquinhas do coração, Aline e Natalia, pela ajuda, força e amizade. Aos meus professores da UFPR, Prof. Dra. Marienne e Prof. Dr. Marino, que me apresentaram o meio acadêmico e, desde então, têm sido meus anjos da guarda.
Ao meu irmão, José Roberto, por ser essa pessoa carinhosa e atenciosa, me ajudando a manter o equilíbrio.
Ao meu noivo, Thiago, que me ajudou de todas as formas possíveis a chegar até aqui. Agradeço pela motivação, tranquilidade, foco, carinho, força e muito amor que me ajudou a trilhar esse caminho. Como sempre, meu companheiro.
Às minhas amigas, Raisa, Talissa, Ana Claudia, Martina e Graciele, por serem amigas de verdade e fazerem de mim uma pessoa melhor.
Às minhas primas, Mirna e Grazzi, pelos cuidados, risadas, conselhos, companhia e atenção.
À minha dinda, Maria Apparecida, e tias, Bernadette e Maria Beatriz, e sogra, Elenise, pelo apoio, carinho e ajuda.
Aos meus amigos, Iara, Camila, Obadias, Andrei, Wilson, Paulo, André, Alan e Daniel, que tornaram meus momentos de lazer em Campinas muito melhores.
Aos amigos de laboratório, Lucas, Kislene e Jaqueline, pelas ajudas e conversas.
Finalmente, agradeço a todos os familiares e amigos que, de diferentes formas, me ajudaram a trilhar esse caminho. Muito obrigada a todos!
xvii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fluxograma das etapas do presente trabalho. ... 5
Figura 2 - Difratograma da gipsita "Johnson" tipo A. ... 8
Figura 3 - Difratograma da gipsita "estratificada" tipo B. ... 8
Figura 4 - Fluxograma do processo produtivo do gesso no forno tipo panela. ... 12
Figura 5 - Fluxograma do processo produtivo de gesso no forno tipo marmita. ... 13
Figura 6 - Fluxograma do processo produtivo de gesso no forno tipo rotativo. ... 14
Figura 7 - Morfologia do cristal de gesso alfa. ... 16
Figura 8 - Ilustração dos íons dissolvidos na água. ... 20
Figura 9 - Ilustração dos íons depositados sobre o núcleo de cristalização. ... 20
Figura 10 - Ilustração da formação dos cristais de gesso. ... 21
Figura 11 - Ilustração do entrelaçamento dos cristais de gesso. ... 22
Figura 12 - Ilustração da curva da cinética da hidratação da pasta de gesso. ... 22
Figura 13 - Consumo mensal de energia por fonte. ... 24
Figura 14 - Curva granulométrica do gesso comercial. ... 43
Figura 15 - Esquema do movimento do empilhador durante a montagem da pilha longitudinal. ... 44
Figura 16 - Esquema da pilha formada na homogeneização do gesso calcinado. ... 45
Figura 17 - Homogeneização do gesso em pilha longitudinal. ... 45
Figura 18 - Síntese do processo do reciclagem do gesso. ... 45
Figura 19 - Curva granulométrica do gesso reciclado. ... 46
Figura 20 - Aparelho de Vicat modificado e ensaio de consistência da pasta de gesso. ... 50
Figura 21 - Ensaio de tempo de pega. ... 51
Figura 22 - Ensaio de cinética de temperatura. ... 52
Figura 23 - Prensa utilizada no ensaio de dureza e desenvolvimento do ensaio. ... 52
Figura 24 - Imagens do ensaio de compressão axial. ... 53
Figura 25 - Imagens das amostras de materiais prontas para serem ensaiadas e do MEV. ... 53
Figura 26 - Imagens do gesso sendo colocado no porta-amostra. ... 54
xviii
Figura 28 - Imagem dos cps da mistura GRAC- 0,050. ... 56
Figura 29 - Imagem dos cps da mistura GRAC- 0,100. ... 57
Figura 30 - Imagem dos cps da mistura GRAC- 0,250. ... 57
Figura 31 - Resultados do ensaio de consistência para pastas contendo ácido cítrico. ... 58
Figura 32 - Resultados do ensaio de tempo de pega para pastas contendo ácido cítrico. ... 58
Figura 33 - Resultados do ensaio de resistência à compressão para pastas contendo ácido cítrico. ... 58
Figura 34 - Resultados do ensaio de dureza para pastas contendo ácido cítrico. ... 59
Figura 35 - Resultado do ensaio de cinética da temperatura para pastas contendo ácido cítrico. ... 59
Figura 36 - Imagens dos corpos de prova da mistura GRTN- 0,100. ... 60
Figura 37 - Imagem dos corpos de prova da GRTN- 0,250. ... 61
Figura 38 - Imagem dos corpos de prova da mistura GRTN- 0,500. ... 61
Figura 39 - Imagem dos corpos de prova da mistura GRTN- 1,000. ... 61
Figura 40 - Resultados do ensaio de consistência para pastas contendo ácido tânico. ... 62
Figura 41 - Resultados do ensaio de tempo de pega para pastas contendo ácido tânico. ... 62
Figura 42 - Resultados do ensaio de resistência à compressão para pastas contendo ácido tânico. ... 63
Figura 43 - Resultados do ensaio de dureza para pastas contendo ácido tânico. ... 63
Figura 44 - Resultado do ensaio de cinética da temperatura para pastas contendo ácido tânico. ... 63
Figura 45 - Imagem dos corpos de prova da mistura GRCS- 0,100. ... 65
Figura 46 -Imagem dos corpos de prova da mistura GRCS- 0,250. ... 65
Figura 47 - Imagem dos corpos de prova da mistura GRCS- 0,500. ... 66
Figura 48 - Imagem dos corpos de prova da mistura GRCS- 1,000. ... 66
Figura 49 - Resultados do ensaio de consistência para pastas contendo citrato de sódio. ... 67
Figura 50 - Resultados do ensaio de tempo de pega para pastas contendo citrato de sódio. ... 67
Figura 51 - Resultados do ensaio de resistência à compressão para pastas contendo citrato de sódio. ... 67
xix
Figura 52 - Resultados do ensaio de dureza para pastas contendo citrato de sódio. ... 68
Figura 53 - Resultados do ensaio de cinética da temperatura para pastas contendo citrato de sódio. ... 68
Figura 54 - Gráfico dos melhores resultados obtidos analisando-se a consistência. ... 69
Figura 55 - Gráfico dos melhores resultados obtidos analisando-se o tempo de pega. ... 70
Figura 56 - Gráfico dos melhores resultados obtidos analisando-se a resistência à compressão. ... 71
Figura 57 - Gráfico dos melhores resultados obtidos analisando-se a dureza. ... 72
Figura 58 - Micrografia da pasta GRAC- 0,050 ampliada 200 X. ... 73
Figura 59 - Micrografia da pasta GRAC- 0,050 ampliada 500 X. ... 73
Figura 60 - Micrografia das pastas GRAC- 0,050 ampliada 1.000 X. ... 73
Figura 61 - Micrografia das pastas GRAC- 0,050 ampliada 5.000 X. ... 74
Figura 62 - Micrografia da pasta GRAC- 0,250 ampliada 200 X. ... 74
Figura 63 - Micrografia da pasta GRAC- 0,250 ampliada 500 X. ... 75
Figura 64 - Micrografia da pasta GRAC- 0,250 ampliada 1.000 X. ... 75
Figura 65 - Micrografia da pasta GRAC- 0,250 ampliada 5.000 X. ... 75
Figura 66 - Difratograma da pasta GRAC- 0,050. ... 76
xxi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Porcentagens de produtos manufaturados importados pelo Brasil e seus
principais fornecedores. ... 10
Tabela 2 - Características do forno tipo panela na produção do gesso. ... 11
Tabela 3 - Características do forno tipo marmita na produção do gesso. ... 12
Tabela 4 - Características do forno rotativo com aquecimento direto na produção do gesso. ... 13
Tabela 5 - Propriedades físicas do gesso comercial. ... 42
Tabela 6 - Granulometria do gesso comercial – percentuais de massas retidas e acumuladas. ... 43
Tabela 7 - Propriedades físicas do gesso reciclado. ... 46
Tabela 8 - Granulometria do gesso reciclado - percentuais de massas retidas e acumuladas. ... 46
Tabela 9 - Resultados de pastas contendo ácido cítrico. ... 57
Tabela 10 - Resultados de pastas contendo ácido tânico. ... 61
xxiii
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Comparação entre as características dos fornos. ... 14 Quadro 2 - Resumo dos aditivos retardadores de pega do gesso usados em pesquisas
anteriores. ... 38
Quadro 3 - Composição das pastas de gesso reciclado contendo ácido cítrico. ... 48
Quadro 4 - Composição das pastas de gesso reciclado contendo ácido tânico. ... 49
Quadro 5 - Composição das pastas de gesso reciclado contendo ácido tartárico. ... 49
xxv
LISTA DE SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
LMC - Laboratório de Materiais de Construção Civil/ FEC - Unicamp LARES - Laboratório de Aglomerantes e Resíduos/ FEC - Unicamp RCC - Resíduos da Construção Civil
CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente SNIP - Syndicat National des Industries du Plâtre/ França PNRS - Política Nacional de Resíduos Sólidos
xxvii
LISTA DE SÍMBOLOS
MF - Módulo de finura MU - Massa unitária ρ - Massa específica real S - Superfície específica a/g - Relação água/gesso cps - Corpos de prova GC - Gesso comercial GR - Gesso reciclado
T. I. P. - Tempo de início de pega T. F. P. - Tempo de fim de pega R. C. - Resistência à compressão
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura DRX - Difratometria de Raio-X
1
1 INTRODUÇÃO
Até recentemente, resíduos provenientes da construção civil (RCC) eram descartados e destinados da mesma maneira que ocorre com os resíduos domiciliares. Não se conheciam seus malefícios ou, tampouco, a possibilidade de efetuar-se seu reaproveitamento. A partir da década de 1990, iniciaram-se de forma significativa as pesquisas voltadas para a utilização dos resíduos gerados na construção civil (PINTO, 1999).
Em 2010 foi aprovada a Lei Nº 12.305, que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS). Entre outros aspectos, a Lei tem o objetivo de estimular os padrões sustentáveis de produção e consumo de bens e serviços, assim como proteger a saúde pública e a qualidade ambiental. A Lei visa estimular a não geração, a redução, a reutilização, a reciclagem e o tratamento dos resíduos sólidos e, também, que os resíduos sejam dispostos em locais ambientalmente adequados. Para o desenvolvimento da Política Nacional de Resíduos Sólidos, foram adotados como instrumentos os Planos de Resíduos Sólidos, os quais foram divididos em cinco categorias: nacional, estaduais, microrregionais, intermunicipais, municipais de gestão integrada e de gerenciamento de resíduos sólidos.
A versão preliminar do Plano Nacional de Resíduos Sólidos foi apresentada contemplando os seguintes conteúdos:
• Diagnóstico da situação atual dos resíduos sólidos;
• Metas de redução, reutilização e reciclagem de rejeitos;
• Metas para eliminação e recuperação de lixões;
• Medidas para incentivar e viabilizar a gestão regionalizada dos resíduos;
• Normas e diretrizes para disposição final dos rejeitos;
• Meios a serem utilizados para controle e fiscalização, no âmbito nacional, de sua
implementação e operacionalização.
Um dos tipos de resíduos urbanos abordados no texto é o resíduo da construção civil (RCC). Em seu diagnóstico, pôde-se constatar que de 50% a 70% da massa de resíduo urbano gerado é composto por RCC. Esse resíduo, apesar de ser classificado como sendo de baixa periculosidade, causa grande impacto devido ao seu grande volume (BREMBATTI, 2013).
2
Em função do conjunto de medidas ambientais apresentadas pelo governo, o setor da construção civil tem se preocupado cada vez mais com a geração e com o destino final dos resíduos produzidos, desde a extração da matéria-prima, até a demolição das edificações. A geração indiscriminada de rejeitos e o descaso com sua destinação final causam impactos ambientais indesejados, acarretando em problemas de gestão pública.
Entre os diversos resíduos gerados pela construção civil, encontra-se o resíduo proveniente de gesso. Esse é considerado, pela Resolução 431/2011 do CONAMA, como sendo um material pertencente a “Tipo II - Classe B”, na qual se inserem os resíduos recicláveis, tais como: plásticos, papel, papelão, metais, vidros e madeiras (BRASIL, 2011b; BRASIL, 2011c).
Pelo fato de o gesso ser um material solúvel em água, ele não pode ser depositado em qualquer local. Ao ser dissolvido, libera sulfato que, por sua vez, contamina o solo e a água, causando alterações de seus pH. No caso de o solo ser rico em sulfatos, esta ação se torna irrelevante. Em contrapartida, o gesso pode ser perigoso em aterros sanitários, por exemplo. Ao entrar em contato com a umidade, em condições anaeróbias, de baixo pH e com bactérias redutoras de sulfatos, o gesso pode gerar gás sulfídrico. Este gás, de odor desagradável, é altamente tóxico e inflamável (JOHN; CINCOTTO, 2003).
Por ser de difícil deposição final, a melhor opção para o resíduo de gesso é a reciclagem. Ribeiro (2006) e Pinheiro (2011) comprovaram a possibilidade de se reutilizar o gesso como aglomerante na construção civil. Contudo, ao ser submetido ao processo de reciclagem, o gesso sofre algumas alterações em suas propriedades, principalmente em sua consistência e seu tempo de pega.
Vários aditivos, como ácidos orgânicos e proteínas, já foram estudados anteriormente a fim de se analisar a influência de novos compostos nas propriedades do gesso. Em particular, os ácidos carboxílicos foram bastante estudados como aditivos retardadores de pega. Esses compostos orgânicos são capazes de alterar o processo de hidratação do gesso, aumentando seu tempo de pega.
Levando-se em conta que o tempo de pega e a consistência do gesso reciclado são duas propriedades que sofrem alterações significativas, é justificável a realização de um trabalho que proponha a utilização dos ácidos carboxílicos como aditivos que controlem a pasta de gesso reciclado no estado fresco.
3
1.1 OBJETIVO DA PESQUISA
Considerando que o gesso reciclado estudado em pesquisas anteriores, como as de Ribeiro (2006) e Pinheiro (2011), sofre alterações de comportamento quando comparado ao gesso comercial, apresentam-se, a seguir, os objetivos gerais e específicos da presente pesquisa.
1.1.1 Objetivo Geral
Dar continuidade à linha de pesquisa sobre a reciclagem de gesso, estudando as propriedades do gesso reciclado contendo aditivos. O avanço do conhecimento sobre a reciclagem de gesso torna possível a sua reinserção desse aglomerante no setor da construção civil, substituindo o gesso comercial. Essa substituição permitiria a redução da extração do minério gipso e, também, a redução da geração de resíduo de gesso.
1.1.2 Objetivos Específicos
Com base nesse objetivo geral, traçaram-se os seguintes objetivos específicos:
• Avaliar a influência dos aditivos nas propriedades do gesso reciclado no estado
fresco: consistência, cinética da temperatura e tempos de início e fim de pega;
• Analisar a influência dos aditivos no comportamento mecânico de gesso
endurecido: resistência à compressão e dureza.
1.2 JUSTIFICATIVA
Considerando que no Brasil sejam gerados 30 quilos de resíduo de gesso por ano e por habitante (BREMBATTI, 2013), e com a falta de local para sua deposição, faz-se necessário desenvolver estudos que reduzam a quantidade de rejeitos gerados em obra. Por ser contaminante do solo, a deposição do gesso deve ser feita em locais apropriados, de forma que este fique isolado em ambiente seguro. Assim, o resíduo de gesso é um material indesejável por sua dificuldade de deposição e, por isso, os estudos de novas técnicas de manipulação e de reutilização de tal resíduo se mostram importantes.
4
Caso o gesso reciclado tenha alterado algumas de suas propriedades à medida que vai sofrendo o processo de calcinação, torna-se necessário o uso de algum aditivo que mantenha as propriedades originais apresentadas pelo gesso comercial. Assim, para se viabilizar a aplicação do gesso reciclado, são necessários estudos sobre aditivos que atuem de tal forma que tornem esse aglomerante aplicável na construção civil.
1.3 HIPÓTESE DE TRABALHO
Em trabalhos anteriores (RIBEIRO, 2006; PINHEIRO, 2011), comprovou-se que o gesso sofre alterações em suas propriedades quando submetido a várias calcinações. Este trabalho assume a hipótese de que o uso dos aditivos poderia recuperar as propriedades que foram alteradas na reciclagem, viabilizando, dessa forma, a reaplicação do material.
1.4 CONTRIBUIÇÃO TECNOLÓGICA
O estudo realizado visa contribuir com o desenvolvimento de novos produtos para construção civil, proporcionando, assim, redução da extração das matérias-primas exploradas na produção de aglomerantes. Outra vantagem promovida pela pesquisa será a redução do resíduo gerado que, atualmente, é descartado inadequadamente no ambiente.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho foi estruturado em capítulos contemplando a seguinte estrutura científica: (i) aporte teórico; (ii) materiais e métodos; (iii) resultados e discussão e (iv) conclusão. A Figura 1 representa essa estrutura.
5
Figura 1 - Fluxograma das etapas do presente trabalho.
Fonte: Elaborado pelo autor.
INTRODUÇÃO OBJETIVOS APORTE TEÓRICO GESSO RECICLADO GESSO COMERCIAL ADITIVOS MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS MÉTODOS GESSO COMERCIAL GESSO RECICLADO ADITIVOS ESTADO FRESCO ESTADO ENDURECIDO RESULTADOS E DISCUÇÕES CONCLUSÕES
6
No Capítulo 1, Introdução, apresenta-se um panorama geral sobre o estudo do gesso, a atual legislação para efetuar o seu adequado descarte, o objetivo, a justificativa, as hipóteses e a contribuições tecnológicas do trabalho.
No Capítulo 2, Gesso na Construção Civil, discorre-se sobre a matéria prima, o processo produtivo e os produtos gerados na calcinação da gipsita. Também abordam-se as propriedades e características do gesso reciclado nos estados fresco e endurecido. Neste capítulo apresenta-se a revisão de literatura sobre o processo de hidratação do gesso.
No Capítulo 3, Aditivos no Gesso, abordam-se os tipos de aditivos existentes no mercado e os estudos que avaliaram a interação do gesso comercial com aditivos retardadores de pega.
No Capítulo 4, Materiais e Métodos, apresenta-se o programa de experimentos, com o detalhamento dos materiais empregados, bem como os métodos de ensaio utilizados para avaliação das propriedades dos gessos comercial e reciclado em pó, do gesso em pasta e do gesso no estado endurecido.
No Capítulo 5, Resultados e Discussões, expõem-se os resultados obtidos nos ensaios. No Capítulo 6, Conclusões, apresenta-se uma comparação entre os resultados obtidos na bibliografia e os obtidos no presente trabalho. Neste capítulo, apontam-se os possíveis impactos da pesquisa em setores da construção civil. Finalmente, são apresentadas algumas sugestões para o prosseguimento da pesquisa.
7
2 GESSO NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Nos itens a seguir, apresenta-se a revisão bibliográfica sobre os processos de produção do gesso e sobre os produtos obtidos a partir da gipsita.
2.1 PROCESSO PRODUTIVO
2.1.1 Matéria-prima
O gesso utilizado na construção civil é produzido a partir da calcinação da gipsita. Este mineral é encontrado em bacias sedimentares na região norte e nordeste do país. A seguir, apresentam-se algumas características desse material (BRASIL, 2001; OLIVEIRA et al., 2012):
• possui coloração clara, branca, cinza, amarelada ou avermelhada e brilho vítreo,
nacarado e sedoso;
• é comumente associado a calcários, folhelhos, margas e argilas;
• sua clivagem se dá em quatro direções;
• sua formação é dada por sulfato de cálcio di-hidratado e, portanto, sua fórmula
química é CaSO4.2H2O;
• sua composição teórica é de 46,6% de SO3, 32,5% de CaO, 20,9% de H2O;
• sua dureza varia entre 1,5 a 3,0;
• por ser um mineral pouco resistente, perde água em baixas temperaturas e, com
isso, a 160 ºC desidrata o suficiente para se transformar no aglomerante utilizado na construção, o material denominado gesso.
Conforme a qualidade e pureza do mineral gipsita, ela é classificada em tipos A, B ou C. No tipo A estão incluídas as gipsitas mais puras e de melhor qualidade. Estas gipsitas são destinadas à produção do gesso tipo alfa que, por sua vez, é comumente utilizado para fins ortopédicos e odontológicos. As gipsitas do tipo B são de qualidade mediana, sendo elas a matéria-prima do gesso beta. O gesso beta é o gesso utilizado no ramo da construção civil. A gipsita do tipo C é a sobra dos outros tipos, sendo de pior qualidade. Geralmente é empregada como corretivo de solo (OLIVEIRA et al., 2012).
8
A seguir, são apresentados dois difratogramas, onde o primeiro é referente à uma gipsita do tipo A (Figura 2) e o segundo é referente à uma gipsita do tipo B (Figura 3).
Figura 2 - Difratograma da gipsita "Johnson" tipo A.
Fonte: OLIVEIRA et al. (2012).
Figura 3 - Difratograma da gipsita "estratificada" tipo B.
Fonte: OLIVEIRA et al. (2012).
Analisando-se a Figura 2 e a Figura 3, é possível observar que os dois minerais possuem praticamente o mesmo perfil mineralógico, apresentando diferença apenas no ângulo 2θ igual a
9
40. O pico posicionado neste ângulo demonstra a presença de CaSO4, sulfato de cálcio totalmente
desidratado. Neste estado de desidratação completa, o sulfato de cálcio se torna inerte, ou seja, se torna um tipo de impureza na gipsita, reduzindo a reatividade do mineral. Sendo assim, por possuir maior teor de impurezas, a gipsita do tipo B possui o pico de ângulo 40 maior que a gipsita de tipo A.
No Brasil, existem bacias sedimentares de gipsita em nove estados: Amazonas, Pará, Maranhão, Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Pernambuco, Bahia, e Tocantins. Em 2011, a produção bruta de gipsita no país foi de 3.228.937 toneladas. A bacia mais explorada atualmente é a Bacia Sedimentar do Araripe (Pernambuco, Ceará e Piauí), pois apresenta melhores condições de aproveitamento econômico. No ano de 2011, o estado de Pernambuco foi responsável por 91,5% da produção de gipsita do Brasil. A jazida de Camamu, situada na Bahia, possui a maior reserva de gipsita. Contudo, o mineral fica localizado em grande profundidade, o que dificulta sua extração. O Pará também possui grande reserva de gipsita, mas esta se localiza no interior de uma floresta nacional, e, assim, sua exploração está sujeita a restrições ambientais. As empresas que mais produzem o mineral são a Votorantim Cimentos, Cia Brasileira de Equipamentos e Holcim (BRASIL, 2009; BRASIL, 2010b; BRASIL, 2012).
Em relação ao mercado mundial, o país que mais produz gipsita é a China, representando 30,8% da produção mundial em 2010. Os maiores volumes de reservas do minério encontram-se no Irã, na China, no Canadá e no México. Mesmo possuindo uma das maiores produções do mundo, o consumo nacional de gesso nesses países é significativamente inferior ao de países europeus, dos Estados Unidos, do Chile e da Argentina.
A produção da gipsita está intimamente ligada ao mercado da construção civil e, com isso, nos últimos anos, ambos têm aumentado. De 2009 para 2010, a produção da gipsita teve um aumento de 1,88% e o mineral foi principalmente destinado à produção de gesso, cimento, construção civil, condicionador de solo, entre outras finalidades. A importação e a exportação da gipsita e seus derivados estão baseadas nos produtos manufaturados de gesso. Isso ocorre porque o mineral gipsita possui baixo valor agregado. Sendo assim, o valor para transportar internacionalmente o mineral se torna elevado em relação ao preço do produto, não compensando a exportação do mineral.
Em 2010, o maior exportador de manufaturados de gesso para o Brasil foi a Argentina, sendo responsável por 76% dos produtos de gesso. Em 2011, a porcentagem de manufaturados de
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gesso fornecido pela Argentina foi de 48%, e em 2012, 39%. A Argentina ainda está à frente do mercado. Entretanto, está perdendo mercado para a Espanha, país que vem aumentando suas vendas de manufaturados de gesso ao Brasil. Em 2010, a Espanha foi responsável por fornecer apenas 4% dos manufaturados exportados para o Brasil. Em 2011, a porcentagem de exportação aumentou para 25%, e em 2012 foi responsável por fornecer 36% dos manufaturados de gesso importado pelo Brasil. No ano de 2010, os países que mais importaram produtos de gesso brasileiros foram Angola (34%), Cuba (19%) e Paraguai (17%). Nos dois anos seguintes, o Paraguai se tornou o maior país importador de manufaturados de gesso brasileiros, importando 31,4% em 2011, e 43% em 2012 (BRASIL, 2010b; BRASIL, 2011a; BRASIL, 2012; BRASIL, 2013).
Tabela 1 - Porcentagens de produtos manufaturados importados pelo Brasil e seus principais fornecedores. Argentina Espanha
2010 76% 4%
2011 48% 25%
2012 39% 36%
2.1.2 Produção
A extração da gipsita pode ser realizada por meio de lavra subterrânea ou a céu aberto. No Brasil, o método mais empregado é a céu aberto, onde as lavras possuem forma de anfiteatro, produzindo-se bancadas com aproximadamente 15 m de espessura. A lavra subterrânea é um método mais utilizado em outros países, principalmente nos Estados Unidos. Extraída a gipsita, esta é submetida a várias etapas do processo de produção do gesso, sendo eles: britagem, moagem, peneiramento, calcinação, pulverização, estabilização e embalagem (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001; BALTAR; BASTOS; LUZ, 2005).
A britagem e moagem são as etapas onde os blocos do mineral são fragmentados e moídos em tamanhos apropriados para serem calcinados. Após a moagem, a gipsita é peneirada, de forma que os grãos que não possuam diâmetro apropriado para calcinação voltem para o moinho e passem por essa etapa novamente (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001).
A calcinação consiste na inserção do mineral em um forno para que sofra a desidratação
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desidratação, quando realizada à pressão atmosférica, dá origem ao gesso beta ou hemi-hidrato beta, material menos refinado, utilizado na construção civil. Quando o equipamento de calcinação mantém a gipsita fechada em ambiente úmido e sob pressão, produz-se o gesso alfa ou hemi-hidrato alfa, aglomerante de melhor qualidade. Ao fim da calcinação, o gesso é novamente moído, a fim de se obter a granulometria especificada pela ABNT. A estabilização é feita para que o aglomerante produzido possua homogeneidade na sua composição e, após isso, é submetido a um período de ensilamento. Por fim, o aglomerante é embalado e distribuído para os centros consumidores (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001).
2.1.3 Tipos de fornos
Para calcinação da gipsita, podem-se utilizar diversos tipos de fornos, sendo os principais: panela, marmita e rotativo.
a) Forno tipo panela
Esse é um tipo de forno bastante utilizado no país. Geralmente, o combustível adotado é a lenha. Sua manutenção é simples e também não exige que sejam utilizados equipamentos específicos para controle de temperatura de calcinação do gesso. Mesmo assim, é capaz de produzir praticamente todos os tipos de gesso beta. Na Tabela 2, apresentam-se as características do forno tipo panela e, na Figura 4, mostra-se o fluxograma do processo produtivo do gesso no forno tipo panela (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001).
Tabela 2 - Características do forno tipo panela na produção do gesso. Unidade Lenha
Consumo de combustível kg/ton 525
Poder calorífico da lenha (inferior) kcal/kg 3.131
Consumo de calorias kcal/ton 1.64.800
Consumo teórico de energia kcal/ton 154.000
Eficiência Térmica % 9,40
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Figura 4 - Fluxograma do processo produtivo do gesso no forno tipo panela.
Fonte: PERES; BENACHOUR; SANTOS (2001). b) Forno tipo marmita
O forno tipo marmita opera, em sua maioria, por combustão a óleo; entretanto, ainda existem fábricas que utilizam lenha como combustível. Isto é uma vantagem, pois o forno não fica restrito a um tipo de combustível. Mesmo assim, produz de uma só vez, o que o forno de panela produziria em cinco fornadas. Assim, esse forno apresenta maior rendimento do combustível e, dessa forma, agride menos o meio ambiente. O forno do tipo Marmita é utilizado na região do Araripe e produz 700 kg/h com ciclo de calcinação em torno de 3 h. Na Tabela 3, são apresentadas as suas características e, na Figura 5, é apresentado o fluxograma de produção do gesso no Forno tipo Marmita (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001).
Tabela 3 - Características do forno tipo marmita na produção do gesso.
Unidade Lenha Óleo
Consumo de combustível kg/ton 350 45
Poder calorífico kcal/kg 3.131 9.770
Consumo de caloria kcal/ton 1.095.950 439.650
Consumo teórico de energia kcal/ton 154.000 154.000
Eficiência térmica % 14 35
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Figura 5 - Fluxograma do processo produtivo de gesso no forno tipo marmita.
Fonte: PERES; BENACHOUR; SANTOS (2001). c) Forno rotativo
Este forno produz cerca de 3 a 4 toneladas de gesso por hora. Sua particularidade é que necessita de mecanismos de retenção de poeira, como labirintos, ciclones ou filtros de manga, quando se utiliza gipsita finamente moída. Ele produz gesso com características uniformes. Por possuir fornalha independente, o forno rotativo permite que as manutenções sejam feitas consumindo pouco tempo e necessitando de pequenas paradas. O processo contínuo utilizado no forno permite também que a produção seja automatizada, aumentando a qualidade e reduzindo os custos com mão-de-obra. Na Tabela 4, apresentam-se as características do forno tipo rotativo, e na Figura 6 é possível observar o fluxograma do processo produtivo de gesso no forno (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001).
Tabela 4 - Características do forno rotativo com aquecimento direto na produção do gesso.
Unidade Óleo
Consumo de combustível kg/ton 35
Poder calorífico kcal/kg 9.495
Consumo de caloria por tonelada de gesso kcal/ton 332.320
Consumo teórico de energia por tonelada de gesso kcal/ton 154.000
Eficiência térmica % 45
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Figura 6 - Fluxograma do processo produtivo de gesso no forno tipo rotativo.
Fonte: PERES; BENACHOUR; SANTOS (2001). d) Comparativo entre os fornos
No Quadro 1, é apresentada a comparação entre as características gerais dos três principais tipos de fornos utilizados na fabricação do gesso.
Quadro 1 - Comparação entre as características dos fornos.
Rotativo Marmita Panela
Tipo de gesso produzido Fundição Revestimento Fundição e Revestimento Fundição e
Facilidade de controle do tempo
de pega não sim sim
Tendência a forma supercalcinada
ou cru sim não não
Poluente do ambiente pouco pouco pouco
Combustível BPF lenha ou BPF lenha
Consumo de combustível (1.000
kcal/ton gesso) 332 1.096/440 1.643
Investimento grande médio pequeno
Capacidade produtiva (t/h) 2,5- 3,5 0,6- 0,8 0,1- 0,2
Manutenção média média grande
Durabilidade (anos) determinado não não determinado 0,5- 0,6
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2.1.4 Produtos da calcinação
Dependendo do tipo de forno, da temperatura e da técnica utilizada na produção do gesso, podem-se obter diferentes tipos de aglomerantes: o gesso alfa, o gesso beta e as anidritas. No presente trabalho, os ensaios foram desenvolvidos utilizando-se o gesso beta como material de estudo.
a) Gesso alfa
O gesso alfa, ou hemi-hidrato alfa, é produto da calcinação da gipsita em equipamentos fechados, submetido a pressões superiores à atmosférica. A produção pode demorar aproximadamente 5 h, com temperaturas que variam entre 140 ºC a 160 ºC, e pode ser realizada de duas maneiras: processo hidrotermal (processo úmido) e calcinação sob vapor (processo seco). A matéria-prima adotada para se produzir o gesso alfa deve ser de melhor qualidade, ou seja, ser um mineral com poucas impurezas. No Araripe, as gipsitas adotadas são as do Tipo A, ou seja, a Johnson, pedra branca mais pura e de maior dureza, e a Estrelinha, pedra de cor marrom que possui um pouco de impurezas argilosas (SOARES et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2012).
𝑪𝒂𝑺𝑶𝟒. 𝟐𝑯𝟐𝑶 𝚫 !𝟏𝟒𝟎 ℃ 𝐚 𝟏𝟔𝟎 ℃ 𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒. 𝟏 𝟐 𝑯𝟐𝑶 Equação 1
A Equação 1 apresenta a reação química que ocorre no processo de produção do gesso alfa. Por possuir cristais mais uniformes e regulares (Figura 7), o gesso alfa apresenta melhor compactação, maior densidade, menor porosidade, melhor trabalhabilidade e maior resistência mecânica. Para se obter a trabalhabilidade desejada, o gesso alfa exige menor quantidade de água, isso permite que ele alcance resistências à compressão entre 15 e 24 MPa (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2001; SOARES et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2012).
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Figura 7 - Morfologia do cristal de gesso alfa.
Fonte: LEWRY; WILLIAMSON. Parte I (1994a).
O gesso alfa é geralmente utilizado nas áreas médico-odontológica e cerâmica. Na área médica, o aglomerante é utilizado para fins ortopédicos, para a imobilização de pacientes. Para fins odontológicos, o gesso é aplicado em restaurações ou na moldagem de blocos ou elementos ortodônticos. Moldes de indústrias cerâmicas ou de joias também utilizam este aglomerante de melhor qualidade. Mesmo apresentando melhor desempenho, o preço elevado do gesso alfa não permite que seja utilizado na construção civil e, por isso, nas obras é adotado o gesso beta (SOARES et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2012).
b) Gesso beta
O gesso beta é um aglomerante de qualidade inferior ao gesso alfa. Seu processo de produção é mais simples, podendo ser feito em quase todos os tipos de forno. A calcinação é feita sob pressão atmosférica e a gipsita adotada como matéria-prima é de menor pureza. A temperatura do forno que produz o gesso beta varia entre 140 ºC e 160 ºC (SOARES et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2012).
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Assim, por possuir uma produção mais simples, o custo do gesso beta é menor, tornando-o mais atrativo para o mercado da construção civil. Outro atrativo do gesso beta para a construção é que o seu tempo de pega é mais rápido do que o do gesso alfa, otimizando a execução da obra. Mesmo atingindo baixas resistências à compressão, entre 1,5 e 2,0 MPa, este aglomerante consegue atender aos requisitos impostos pelas normas brasileiras (SOARES et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2012).
c) Anidrita III
Quando a gipsita é submetida à calcinação, torna-se difícil obter um material completamente homogêneo. Assim, além do hemi-hidrato alfa ou beta, também é produzida a anidrita, que é dividida em três categorias, sendo elas: anidrita I, anidrita II e anidrita III.
Pode-se observar, na Equação 2, a reação química da formação do anidrita III (SNIP, 2002; JOHN; CINCOTTO, 2007).
𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒. 𝟐𝑯𝟐𝑶 𝚫 !𝟏𝟔𝟎 ℃ 𝐚 𝟏𝟗𝟎 ℃ 𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒. 𝛆𝑯𝟐𝑶 Equação 2
A anidrita III é a fase solúvel e intermediária ao hemi-hidrato e a anidrita II é produzida à temperatura variando entre 160 ºC e 190 ºC. Ela é basicamente o hemi-hidrato que foi exposto por mais tempo ao calor e, por isso, perdeu mais água. Diferentemente do hemi-hidrato, sua
fórmula é CaSO4. εH2O. O ε representa uma quantidade de água adsorvida que varia entre 0,06 a
0,11. Por possuir pouca água, a anidrita III é um composto instável, com tendência a combinar rapidamente com a água. Portanto, a anidrita III é o catalisador da hidratação do gesso e pode ser utilizada como acelerador de pega (SNIP, 2002; JOHN; CINCOTTO, 2007).
d) Anidrita II
Quando a gipsita é submetida a temperaturas elevadas, em torno de 300 ºC a 700 ºC, existe a formação da anidrita II ou supercalcinada. Conforme a temperatura na qual a gipsita foi submetida, a hidratação será mais rápida ou mais lenta, podendo demorar até mesmo semanas.
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Caso a temperatura seja entre 700 ºC a 800 ºC, a anidrita é conhecida como anidrita calcinada "à morte" e podendo levar meses para se hidratar completamente. A reação química da anidrita II pode ser observada na Equação 3 (SNIP, 2002; JOHN; CINCOTTO, 2007).
𝑪𝒂𝑺𝑶𝟒. 𝟐𝑯𝟐𝑶 𝚫 !𝟑𝟎𝟎 ℃ 𝐚 𝟕𝟎𝟎 ℃ 𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒 Equação 3
Em teores controlados, esta anidrita é vantajosa para a resistência mecânica e a dureza do gesso. Como sua hidratação é mais lenta do que a do hemi-hidrato e da anidrita III, ao se hidratar, a anidrita II acaba preenchendo vazios gerados no endurecimento dos aglomerantes mais reativos (SNIP, 2002; JOHN; CINCOTTO, 2007).
e) Anidrita I
A anidrita I é a fase que ocorre entre 1100 ºC e 1200 ºC. Como a dissolução do CaSO4
inicia-se por volta dos 800 ºC, a anidrita I é geralmente encontrada em conjunto com o óxido de cálcio, o que a torna um material não puro. Contudo, não é possível encontrar a anidrita I em temperatura ambiente, pois ao ser resfriada, ela retorna ao estágio de anidrita II. A única maneira de se identificar a presença de anidrita I é analisando se existe a presença de óxido de cálcio, ou cal livre, na amostra estudada. A Equação 4 representa quimicamente a formação da anidrita I (SNIP, 2002; JOHN; CINCOTTO, 2007).
𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒. 𝟐𝑯𝟐𝑶
𝚫 !𝟏𝟏𝟎𝟎 ℃ 𝐚 𝟏𝟐𝟎𝟎 ℃
𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒 Equação 4
2.2 PROCESSO DE HIDRATAÇÃO DO GESSO
A hidratação do gesso pode ser explicada pela reação do hemi-hidrato com a água, gerando como produto o sulfato de cálcio di-hidratado, também conhecido como gesso hidratado. A Equação 5 representa esta reação química.
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a) Teorias da hidratação
Para explicar como realmente ocorre o fenômeno da hidratação do gesso, foram criadas duas teorias: a Coloidal e a da Cristalização.
A teoria Coloidal foi defendida por Cavazzi (1913), Traube (1919), Baykove Neville (1926), dentre outros pesquisadores. A diferença entre as teorias é que na coloidal se pressupõe a formação de um gel entre a dissolução do hemi-hidrato e a precipitação do di-hidrato. Em 1953, Fischer propôs um mecanismo de hidratação do gesso dividido em quatro etapas: (i) a água é adsorvida pelo hemi-hidrato; (ii) ocorre a penetração da água nos finos capilares do hemi-hidrato, resultando em uma estrutura de gel de sulfato de cálcio di-hidratado; (iii) produz-se um empolamento no material e a água penetra mais profundamente nos espaços interrômbicos; (iv) por fim, a água deixa de se ligar fisicamente e passa a se ligar quimicamente com o hemi-hidrato, formando os cristais de di-hidrato (CUNNINGHAM; DUNHAM; ANTES, 1952; SNIP, 2002; BARDELLA, 2011; PINHEIRO, 2011).
Para comprovar qual das teorias explicava melhor o fenômeno da hidratação, diversas pesquisas foram realizadas, porém nenhuma delas conseguiu comprovar a formação do gel; portanto, a teoria coloidal foi descartada como possível hipótese para a hidratação do gesso (DESCH, 1919; CUNNINGHAM; DUNHAM; ANTES, 1952; ANTUNES, 1999; PINHEIRO, 2011).
Os estudos da teoria da cristalização foram iniciados por Lavoisier (1798) e a continuidade da pesquisa foi realizada por Le Chatelier (1887). Os pesquisadores propuseram que a hidratação do gesso era realizada em três etapas: fenômeno químico da dissolução, fenômeno físico da cristalização e fenômeno mecânico do endurecimento.
Fenômeno químico da dissolução: ao se misturar a água com o sulfato de cálcio hemi-hidratado, ocorre a dissolução dos compostos do aglomerante, gerando uma solução de água
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Figura 8 - Ilustração dos íons dissolvidos na água.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Fenômeno físico da cristalização: os íons dissolvidos começam a gerar o sulfato de cálcio hidratado que, por sua vez, precipita na solução por ser menos solúvel em água. O di-hidrato se transforma em núcleo, ou germes de cristalização, e os íons se depositam em sua superfície. Partículas de di-hidrato que não foram calcinadas também agem como núcleo de cristalização (Figura 9).
Figura 9 - Ilustração dos íons depositados sobre o núcleo de cristalização.
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Fenômeno mecânico do endurecimento: ao se depositarem na superfície dos núcleos de cristalização, os íons geram cristais de di-hidrato e, assim, vão se formando os cristais de gesso. Por se depositarem na superfície do núcleo, os cristais crescem radialmente (Figura 10).
Figura 10 - Ilustração da formação dos cristais de gesso.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os cristais de gesso que se formam se entrelaçam radialmente uns aos outros. Esse entrelaçamento é o que faz o gesso endurecer e ganhar resistência mecânica. O crescimento e o entrelaçamento dos cristais podem ocorrer de duas formas: lenta e rapidamente. A forma lenta apresenta poucos núcleos de cristalização, disponibilizando espaço para que os cristais apresentem tamanhos maiores, com estruturas mais organizadas. Estruturas com cristais maiores caracterizam-se por possuírem menor resistência mecânica. A segunda maneira de crescimento dos cristais, de forma rápida, consiste na formação de numerosos núcleos de cristalização e, portanto, apresentando cristais menores, bem definidos e, consequentemente, maior número por unidade de volume. A diferença na maneira como os cristais cristalizam-se influencia diretamente nas propriedades mecânicas do gesso endurecido (Figura 11) (DESCH, 1919; CUNNINGHAM; DUNHAM; ANTES, 1952; MURAT et al., 1975 apud HINCAPIE; CINCOTTO, 1997; ANTUNES, 1999; ANTUNES; JOHN, 2000, JOHN; CINCOTTO, 2007, PINHEIRO, 2011).
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Figura 11 - Ilustração do entrelaçamento dos cristais de gesso.
Fonte: Elaborado pelo autor. b) Cinética da hidratação
A reação de hidratação do gesso é um mecanismo exotérmico e, existem ensaios que conseguem medir o calor liberado pelo aglomerante. Obtendo-se o calor liberado em intervalos de tempo, pode-se montar a curva de hidratação do gesso ou a curva da cinética da hidratação. Essa curva possui o mesmo formato que curvas de funções sigmoides ou em "S" (HAND, 1994; ANTUNES, 1999; SINGH; MIDDENDORF, 2007).
Na Figura 12, pode-se observar um exemplo de curva da cinética da hidratação do gesso. Figura 12 - Ilustração da curva da cinética da hidratação da pasta de gesso.
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A curva da cinética da hidratação do gesso é dividida em três etapas:
A etapa 1 consiste no instante logo após a mistura do gesso com a água. Os íons dispersos na água começam a se estabilizar química e fisicamente, iniciando a formação dos germes de cristalização. Esse estágio é conhecido como período de indução e essa é a fase que controla a cinética da hidratação e as reações de endurecimento. O fim dessa etapa caracteriza o início de pega do gesso.
A etapa 2 é caracterizada pela aceleração das reações e pelo início da elevação da temperatura. O aumento de temperatura representa a formação dos di-hidratos, seguido da sua precipitação. A precipitação dos cristais os deixa mais próximos, favorecendo sua interligação e, com isso, o ganho de resistência mecânica do gesso.
Na etapa 3 ocorre a redução da velocidade de hidratação, pois a concentração de íons é muito baixa, comprometendo a formação de novos cristais. Os cristais já existentes continuam crescendo, favorecendo as propriedades mecânicas da pasta. Ao final desta etapa, tem-se o fim de pega do gesso. (CLIFTON, 1973; ANTUNES, 1999; ANTUNES; JOHN, 2000; JOHN; CINCOTTO, 2007; PINHEIRO, 2011).
A hidratação do gesso é uma reação que pode sofrer alterações devido a variáveis externas e internas. A origem geológica, a finura, o formato do grão e as impurezas são características do gesso que podem acelerar ou retardar sua hidratação. Os fatores externos que alteram a reação de hidratação são as relações: água/gesso, duração e velocidade de mistura, temperatura da água e natureza dos aditivos utilizados (KARNI; KARNI, 1995; JOHN; CINCOTTO, 2007).
2.3 RECICLAGEM DO GESSO
No Brasil, o valor aproximado de gesso consumido per capta anualmente é de 19 kg. Para a produção de hemi-hidrato, na região do Araripe, são consumidos mais de 29000 MWh por mês. Cerca de 95% dessa energia consumida na produção do gesso é utilizada na etapa da calcinação do material. Para a calcinação do hemi-hidrato, diferentes fontes de energia térmica podem ser aplicadas, sendo elas: eletricidade, diesel, BPF, coque, óleo residual e lenha. O combustível mais utilizado na calcinação do gesso é a lenha, sendo ela responsável por gerar 73% da energia de calcinação mensal na região do Araripe. Em sequência, 10% da energia é gerada pela utilização do coque, 8% é gerada pela utilização do BPF, 5% é gerada utilizando-se diesel,
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3% é gerada utilizando-se eletricidade e 1% é gerada utilizando-se óleo residual (Figura 13). Na calcinação do gesso são liberados altos teores de gás carbônico e poluentes oriundos da combustão dos materiais empregados nessa etapa da produção. Além disso, mais gás carbônico e poluentes são liberados no transporte do gesso da região do Araripe para os centros consumidores. Mesmo sendo considerado um "aglomerante verde", quando comparado ao cimento Portland, é possível observar que a produção do gesso é altamente poluente (BRASIL, 2013; ATECEL, 2006; MAGALLANES- RIVERA et al., 2012).
Figura 13 - Consumo mensal de energia por fonte.
Fonte: ATECEL (2006). *Tonelada equivalente de petróleo
Além do fato de a produção e a distribuição do gesso serem altamente poluentes, a aplicação do gesso em obra também gera grandes quantidades de resíduos. Estudos feitos por Agopyan et al. em 1998 apontaram que, em média, 45% do gesso utilizado em obra é perdido, sendo essa perda influenciada pelo tipo de substrato no qual o revestimento de gesso é aplicado. Outro fator que também influencia o desperdício de hemi-hidrato em obras é a organização no manuseio e na aplicação do material. Camarini, Pimentel e Sá concluíram que, no caso do gesso de revestimento ser aplicado na parede de forma organizada, não apresentando defeitos na superfície da parede, o desperdício de gesso varia entre 15,8% e 19,9%. Entretanto, se o gesso de revestimento for aplicado à parede de forma desorganizada, surgirão defeitos na superfície revestida. Ao se corrigir esses defeitos, mais gesso é utilizado e a espessura do revestimento de gesso se torna maior, aumentando assim o consumo de hemi-hidrato. Nesse caso, o desperdício apresentado em obra pode variar entre 27% e 47,2%. Para agravar a situação, novas leis ambientais proíbem que o resíduo de gesso seja enviado indiscriminadamente para aterro sanitário, já que o contato do resíduo de gesso com materiais orgânicos pode formar ácido sulfídrico, composto químico corrosivo e venenoso. Atualmente, os aterros devem apresentar
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células especificamente projetadas para receber este tipo de material (AGOPYAN et al.; 1998, ANTUNES; 1999, CAMARINI; PIMENTEL; SÁ, 2011).
Diante desses entraves ocasionados pela produção, distribuição, aplicação e destinação do gesso e de seus resíduos, a reciclagem de gesso se torna, portanto, uma alternativa viável do ponto de vista ambiental.
2.3.1 Processo de reciclagem
Para ser utilizado em obra, o gesso comercial (hemi-hidrato) deve ser hidratado com água. Como foi apresentado anteriormente, o processo de hidratação do gesso consiste em transformar o sulfato de cálcio hemi-hidratado em sulfato de cálcio di-hidratado, sendo que o resíduo de gesso gerado nas obras é o sulfato de cálcio di-hidratado. Pode-se notar, dessa forma, que o resíduo de gesso e a gipsita (matéria-prima do gesso) possuem a mesma fórmula química. Então, para produzir gesso comercial, é necessário calcinar a gipsita, e para produzir gesso reciclado é necessário calcinar o resíduo de gesso. Foi calcinando o resíduo de gesso para que Santos e Camarini (2003), Ribeiro (2006), Pinheiro (2011) e Bardella e Camarini (2011) produziram gesso reciclado. O gesso reciclado estudado pelos citados autores está sendo desenvolvido, visando substituir o gesso comercial.
2.3.2 Propriedades e características do gesso reciclado
Para poder ser empregado na construção civil o gesso deve atender a uma série de normas descritas e padronizadas pela ABNT, que têm a função de balizar seu comportamento e suas características. A NBR 13207 (ABNT, 1994) padroniza as características que o gesso de construção civil deve atender para ser comercializado.
O gesso reciclado, para poder ser empregado como aglomerante e comercializado, deve, também, atender aos padrões da ABNT. Suas propriedades são avaliadas quanto ao seu estado em pó, em pasta e endurecido. A seguir, serão apresentadas as propriedades mais importantes para se caracterizar o gesso reciclado.
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2.3.2.1 Propriedades físicas do gesso em pó
Para se certificar das características do gesso em pó, é necessário avaliar sua granulometria, massa unitária e massa específica real. Visando atender aos requisitos da NBR
13.207 (ABNT; 1994), o gesso deve possuir massa unitária superior a 700 kg/m3.
As propriedades do gesso reciclado são bastante susceptíveis à forma segundo a qual se efetua sua calcinação, sendo tal fato comprovado por trabalhos nos quais se avaliou a massa unitária do novo aglomerante. Nas pesquisas, pôde-se comprovar que a massa unitária do gesso reciclado diminuía à medida que ele era exposto a temperaturas mais elevadas ou a maiores tempos de calcinação. Isso pôde ser explicado pelo fato de que a calcinação modifica a estrutura dos cristais de gesso. Sendo assim, quanto mais calcinado for o gesso, maior a modificação no seu arranjo cristalino (HARADA; PIMENTEL; 2009, NASCIMENTO; PIMENTEL; 2010, BARDELLA; CAMARINI; 2011, PINHEIRO; 2011).
A partir dos resultados apresentados pelos citados pesquisadores, conclui-se que, para que o gesso reciclado possa atender às normas brasileiras quanto às características do pó, ele deve ser calcinado de forma rápida e submetido a baixas temperaturas.
2.3.2.2 Propriedades físicas da pasta fresca
Ao se misturar água e gesso, tem-se a formação da pasta fresca, que também deve obedecer padrões de qualidade estabelecidos pela NBR 13.207 (ABNT; 1994). A norma exige que a pasta de gesso para fundição, para que possa ser comercializada, deva apresentar início de pega superior a 4-10 minutos e fim de pega superior a 20-45 minutos. A norma NBR 12.128 (ABNT; 1991) descreve o procedimento para se medir o tempo de pega e a consistência de pasta de gesso, estabelecendo consistência padronizada pela penetração do cone (aparelho de Vicat modificado) a uma profundidade de 30 ±2 mm.
Pinheiro (2011) apresentou valores de tempo de pega e consistência para pastas de gesso reciclado. No trabalho, o autor concluiu que quanto mais o gesso foi calcinado, mais as propriedades do gesso reciclado no estado fresco sofreram alteração, reduzindo a consistência e o tempo de pega. De acordo com a pesquisa, a perda na trabalhabilidade (tempo de pega e consistência) do material ocorreu devido à redução da massa unitária do aglomerante. Os dados
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do trabalho mostraram também que os gessos reciclados obtidos não atenderam às especificações da norma para a pasta fresca.
Ribeiro (2006) produziu gesso reciclado realizando calcinação por aproximadamente 30 minutos, com temperatura em 140 ºC, utilizando resíduos de gesso provenientes de revestimentos e forros. Em seus experimentos, o autor obteve tempos de início de pega entre 8,00 e 8,30 minutos e fim de pega entre 23 e 27 minutos. Diferente dos resultados obtidos por Pinheiro (2011), o gesso reciclado desenvolvido por Ribeiro (2006) atendeu às especificações da NBR 13.207 (ABNT; 1994).
Em outra pesquisa, Bardella e Camarini (2011) apresentaram tempos de pega para um gesso reciclado calcinado por 24 h, nas temperaturas de 150 ºC, 180 ºC e 200 ºC. Os ensaios de tempos de pega mostraram que quanto mais elevada foi a temperatura na qual o gesso era submetido, maior era o tempo de pega do aglomerante. Os gessos reciclados produzidos nesse trabalho atenderam aos requisitos de tempo de pega da norma brasileira.
2.3.2.3 Propriedades físicas da pasta endurecida
No estado endurecido, para atender às especificações da NBR 13.207 (ABNT; 1994), o gesso deve atingir resistência à compressão superior a 8,40 MPa e dureza superior a 30,00 MPa.
A utilização do gesso reciclado propiciou bons resultados de resistência à compressão. No trabalho de Pinheiro (2011), o gesso reciclado apresentou resistências superiores àquelas do gesso comercial. Bardella e Camarini (2011) concluíram que a elevação da temperatura de calcinação provocou aumento na resistência à compressão e na dureza do gesso reciclado. Em resumo, a reciclagem fez com que esse aglomerante alternativo atendesse à norma brasileira quanto à resistência à compressão. Em contrapartida, as amostras de gesso reciclado estudadas por Pinheiro (2011) não atingiram a dureza necessária para serem aceitas pela norma brasileira.
2.3.3 Aplicações do resíduo de gesso
Em função das políticas governamentais criadas para reduzir o volume de resíduos e o impacto causado pela sociedade ao ambiente, pesquisadores vêm buscando alternativas de uso para os resíduos gerados na construção civil. Um segmento das pesquisas investiga o que pode
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ser feito com os resíduos de gesso gerados na construção civil e, a partir desse segmento, surgiram aplicações para tais resíduos, bem como para o gesso reciclado.
O gesso, quando hidratado e aplicado, se transforma em CaSO4.2H2O, ou seja, apresenta
a mesma composição química da sua matéria-prima – a gipsita. Portanto, o gesso hidratado ou o resíduo de gesso possuem basicamente as mesmas características apresentadas pelo mineral gipsita. Baseado nisso, foi estudada a utilização do resíduo de gesso em atividades nas quais se aplicavam a gipsita. A seguir, são apresentadas algumas atividades em que a gipsita pode ser substituída pelo resíduo de gesso (DRYWALL, 2012).
a) Indústria de Cimento
Para a produção do cimento, uma das matérias-primas é a gipsita. Ela é empregada em pequena quantidade (cerca de 5%) com a função de retardar a pega do cimento Portland. Visando reduzir o descarte do resíduo de gesso, estudou-se a substituição da gipsita pelo rejeito de gesso. Sendo assim, o gesso descartado pode ser adicionado ao cimento Portland, na etapa da moagem do clínquer. Atualmente, esta não é uma prática muito comum nas indústrias cimenteiras, pois é preciso utilizar uma fonte de sulfato de cálcio muito pura. Como o gesso descartado comumente apresenta contaminantes, o mais usual para tal aplicação é utilizar o fosfogesso ou o resíduo de gesso industrial (JOHN; CINCOTTO; 2003, DRYWALL; 2009, 2012).
b) Setor agrícola
Pesquisas desenvolvidas no setor agrícola comprovaram a eficácia do resíduo de gesso como modificador de propriedades do solo, em especial o pH (PAPAROTTE; MACIEL; 2006, AHMED; UGAI; KAMEI; 2011, 2012, DRYWALL; 2012).
c) Reinserção na Indústria da Construção
Até o momento, foram estudadas duas maneiras de reinserir o resíduo de gesso na indústria da construção civil, utilizando-o como agregado ou novamente como aglomerante.
