Estudo da hidratação e microestrutura de pastas de cimento Portland com adição de cinza de casca de arroz de baixo teor de carbono grafítico e sílica ativa

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL. Taís Gomes. ESTUDO DA HIDRATAÇÃO E MICROESTRUTURA DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND COM ADIÇÃO DE CINZA DE CASCA DE ARROZ DE BAIXO TEOR DE CARBONO GRAFÍTICO E SÍLICA ATIVA. Santa Maria, RS 2017.

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(3) Taís Gomes. ESTUDO DA HIDRATAÇÃO E MICROESTRUTURA DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND COM ADIÇÃO DE CINZA DE CASCA DE ARROZ DE BAIXO TEOR DE CARBONO GRAFÍTICO E SÍLICA ATIVA. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Área de Concentração em Construção Civil e Preservação Ambiental, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM-RS) como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Guerra Gastaldini. Santa Maria, RS 2017.

(4) Ficha catalográfica elaborada através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Central da UFSM, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).. Gomes, Taís ESTUDO DA HIDRATAÇÃO E MICROESTRUTURA DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND COM ADIÇÃO DE CINZA DE CASCA DE ARROZ DE BAIXO TEOR DE CARBONO GRAFÍTICO E SÍLICA ATIVA / Taís Gomes.- 2017. 168 p.; 30 cm Orientador: Antônio Luiz Guerra Gastaldini Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, RS, 2017 1. Cinza de casca de arroz. 2. Sílica Ativa. 3. Cimento Portland. 4. Hidratação. 5. Microestrutura. I. Luiz Guerra Gastaldini, Antônio II. Título..

(5) Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação de IViestrado. E S T U D O DA H I D R A T A Ç Ã O E M I C R O E S T R U T U R A D E P A S T A S D E CIMENTO P O R T L A N D COM A D I Ç Ã O DE CINZA D E C A S C A D E A R R O Z D E BAIXO T E O R D E C A R B O N O G R A F Í T I C O E S Í L I C A ATIVA. elaborada por Taís Gomes. como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil. C O M I S S Ã O EXAMINADORA:. Antônio Luiz Guerra Gastaldini, Dr. (Presidente/Orientador). André T a v a f e s ^ a Cunha--0tíímarães, Dr. (FURG). Geraldo Cechella Isaia, Dr. (UFSM). Santa Maria, 29 de agosto de 2017..

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(7) “A persistência é o menor caminho do êxito”. (Charles Chaplin).

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(9) AGRADECIMENTOS. À minha família, primeiramente, em especial aos meus pais, Rudi e Álvaro, que sempre estiveram junto comigo a cada passo da minha caminhada, sempre me encorajando a fazer o meu melhor, fornecendo todo suporte necessário e servindo como os meus exemplos. Também faço um parêntesis especial aos meus queridos avós, Júlio e Vanda, por tornar tudo na vida mais especial. Obrigada por vocês existirem. Ao meu, não apenas amigo, mas melhor amigo, o qual admiro muito, Diego da Luz Adorna, cujo auxílio foi vital para que essa pesquisa fosse realizada, doando seu tempo e esforço para me ajudar de todas as formas possíveis. Obrigada por eu ter te encontrado na minha vida e por me fazer rir nos momentos mais difíceis. Ao meu professor e orientador, Antônio Luiz Guerra Gastaldini, o meu agradecimento pelo apoio, confiança e sobretudo, por ceder seu tempo, energia e paciência. Os ensinamentos que me passou, não só no ambiente de mestrado, mas também como profissional, levarei para toda a vida lhe conferindo o respeito e admiração merecidos. Obrigada pela oportunidade. À minha avó do coração, Dona Júlia, pessoa maravilhosa que me acolheu em sua casa como se eu sempre fosse parte de sua família, por sua infinita generosidade, obrigada. Aos amigos, Edinara, Rubens Matheus, Ilce, Ronei, obrigada pelo companheirismo de todas as horas. A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. A todos os colegas do Grupo de Pesquisas em Concreto (GEPECON), pela combinação de esforços. Aos funcionários do Laboratório de Materiais de Construção Civil, em especial Seu João e Wilson (LMCC). Aos bolsistas de iniciação científica pela colaboração indispensável na fase experimental deste estudo, com especial lembrança Artur Ruviaro. À Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) pela estrutura disponibilizada. Ao CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico, pelos recursos financeiros disponibilizados. À todos aqueles que, das mais variadas formas e nas mais variadas ocasiões, colaboraram para a realização deste trabalho. Muito Obrigada!.

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(11) RESUMO. ESTUDO DA HIDRATAÇÃO E MICROESTRUTURA DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND COM ADIÇÃO DE CINZA DE CASCA DE ARROZ DE BAIXO TEOR DE CARBONO GRAFÍTICO E SÍLICA ATIVA AUTORA: Taís Gomes ORIENTADOR: Antônio Luiz Guerra Gastaldini. A crescente preocupação com a sustentabilidade resultou em uma busca por materiais alternativos para que a indústria do cimento reduza seus impactos ambientais e se alcance uma maior durabilidade das estruturas com menores custos. Ao se substituir parcialmente o cimento por alguma adição mineral, alterações na microestrutura e nas reações de hidratação dos materiais ocorrem, sendo imprescindível, então, avaliar seu desempenho. Baseado nesta premissa, o presente trabalho propõe analisar os efeitos da incorporação de cinzas de casca de arroz de baixo teor de carbono grafítico (CCA), procedente da indústria Geradora de Energia Elétrica Alegrete/RS nas propriedades das pastas de cimento, comparando seu desempenho com a de sílica ativa (SA) de fornecedor nacional, através dos ensaios de calorimetria, análise termogravimétrica (TG), tempo de início e fim de pega, difração de raios-X (DRX), porosidade por intrusão de mercúrio (PIM), água quimicamente combinada, condutividade elétrica e potencial de hidrogênio (pH). Para tal, foram moldadas (em corpos-de-prova cilíndricos de Ø4x8cm) pastas com diferentes teores de CCA (5, 10, 20 e 30%) e SA (5, e 10%), bem como uma amostra de referência contendo 100% de Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP VARI). Foram adotadas três relações de a/ag (0,35; 0,50 e 0,65) e diferentes períodos de cura. Dos resultados obtidos, constata-se que o aumento no teor de substituição de cimento por CCA e SA resultou em menores tempos de início e fim de pega das pastas e diminuição na condutividade elétrica e nos valores de pH da solução aquosa dos poros. O teor de água quimicamente combinada aumentou com maiores relações a/ag e maiores teores de pozolanas. Pelos resultados de PIM, quando comparado à mistura de referência, pastas contendo CCA e SA apresentaram aumento da área total de poros, porém diminuição dos diâmetros críticos e da quantidade de macroporos, evidenciando o refinamento dos poros promovido pela reação pozolânica das adições com o CH. As curvas de liberação de calor obtidas por ensaio de calorimetria de condução mostraram que a CCA e a SA modificaram a velocidade de hidratação do cimento, aumentando o período de indução e o de aceleração, e liberando maior calor total do que a pasta de referência. Palavras-chave: Cinza de casca de arroz. Sílica Ativa. Cimento Portland. Hidratação. Microestrutura..

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(13) ABSTRACT. STUDY OF HYDRATION AND MICROSTRUCTURE OF PORTLAND CEMENT PASTES WITH ADDITION OF LOW GRAPHITE CARBON RICE HUSK ASH AND SILICA FUME. AUTHOR: Taís Gomes ADVISOR: Antônio Luiz Guerra Gastaldini. Growing concern for sustainability has resulted in a search for alternative materials for the cement industry to reduce its environmental impacts and achieve greater durability of structures at lower costs. By partially replacing the cement with some mineral addition, changes in the microstructure and in the reactions of hydration of the materials occur, being essential, then, to evaluate its performance. Based on this premise, the present work proposes to analyze the effects of the incorporation of low graphite carbon rice husk ash (RHA) from Alegrete/RS Electric Power Generation Industry on the properties of cement pastes, comparing its performance with silica fume (SF) of national supplier through the calorimetry test, X-ray diffractogram (XRD), mercury intrusion porosimetry (MIP), chemically combined water, electrical conductivity and hydrogen potential (pH). For this, pastes with different RHA contents (5, 10, 20 and 30%) and SF (5, and 10%) were molded (in cylindrical samples of Ø4x8cm), as well as a reference sample containing 100% Portland Cement of Initial High Strength (CP V-ARI). Three ratios of w/b (0.35, 0.50 and 0.65) and different cure periods were adopted. From the results obtained, it was observed that the increase in the cement substitution content by RHA and SF resulted in lower initial and final setting times and decrease in the electrical conductivity and pH values of the aqueous solution of the pores. The chemically combined water content increased with higher w/b ratios and higher pozzolan contents. By the results of MIP, when compared to the reference mixture, pastes containing RHA and SF showed increase of the total pore area, but decrease of the critical diameters and the amount of macropores, evidencing the pore refinement promoted by the pozzolanic reaction of additions with CH. Heat release curves obtained by conduction calorimetry test showed that RHA and SF modified the rate of hydration of the cement, increasing the induction and acceleration period, and releasing greater total heat than the reference paste. Keywords: Rice husk ash. Silica Fume, Portland cement. Hydration. Microstructure..

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(15) LISTA DE FIGURAS. Figura 1 – Figura 2 – Figura 3 – Figura 4 – Figura 5 – Figura 6 – Figura 7 – Figura 8 – Figura 9 – Figura 10 – Figura 11 – Figura 12 – Figura 13 – Figura 14 – Figura 15 – Figura 16 – Figura 17 – Figura 18 – Figura 19 – Figura 20 – Figura 21 – Figura 22 – Figura 23 – Figura 24 – Figura 25 – Figura 26 – Figura 27 – Figura 28 – Figura 29 –. MEV da microestrutura de uma CCA ........................................ DRX da CCA ............................................................................. Micrografias de CCA ................................................................. Variação do índice de atividade pozolânica com o tempo de moagem .................................................................................... Cores dos materiais cimentícios utilizados no presente estudo MEV de sílica ativa MEV de sílica ativa .................................................................... Processo de obtenção da sílica ativa ........................................ Diagrama esquemático do desenvolvimento estrutural durante a hidratação do cimento Portland .............................................. Evolução da hidratação de um grão de C3S na sequência (esquerda para direita): anidro; após 24h; após 96h ................. Cristais hexagonais de hidróxido de cálcio. Escala = 5µm ........ Estrutura do C-S-H com as ligações entre a ao longo das folhas de silicatos e sua polimerização ..................................... Micrografia do C-S-H em pasta de cimento Portland por meio de MEV ..................................................................................... Cristais de etringita obtidos por meio de MEV ........................... Gráfico da relação permeabilidade e resistência para todas as pastas ....................................................................................... Influência do consumo de cimento na temperatura do concreto Taxa de liberação de calor de uma pasta de cimento ................ Taxa de calor de hidratação de pastas cimento-sílica ativa hidratadas a 25ºC ..................................................................... Total de calor de hidratação após 10 dias em função do teor de sílica ativa ............................................................................ Primeiro pico de calor das amostras M e MC1 ........................... Segundo pico de calor das amostras M e MC ............................ Efeito de diferentes sílicas ativas no calor de hidratação ........... Água de consistência normal dos cimentos compostos experimentais em relação ao cimento puro ............................... Tempo de início de pega dos cimentos compostos experimentais em relação ao cimento puro ............................... Tempo de fim de pega dos cimentos compostos experimentais em relação ao cimento puro ..................................................... Tempos de pega de pastas de cimento com (a) sílica ativa; (b) cinza volante; (c) escória de alto-forno ...................................... MEV de cristais hexagonais de AFm e cristais de AFt ............. Representação das proporções volumétricas antes da hidratação (esquerda) e durante a hidratação (direita) ............ Intervalo dimensional de sólidos e poros na pasta de cimento hidratada ................................................................................ Distribuição do tamanho de poros para CUAD com aos a) 1 dia; b) 7 dias; c) 28 dias; e d) 91 dias ........................................ 41 42 43 44 46 47 48 53 56 57 58 59 60 62 66 68 73 74 75 76 77 81 81 82 84 90 91 91 97.

(16) 14. Figura 30 – Figura 31 – Figura 32 – Figura 33 – Figura 34 – Figura 35 – Figura 36 – Figura 37 – Figura 38 – Figura 39 – Figura 40 – Figura 41 – Figura 42 – Figura 43 – Figura 44 – Figura 45 – Figura 46 – Figura 47 – Figura 48 – Figura 49 – Figura 50 – Figura 51 – Figura 52 – Figura 53 – Figura 54 – Figura 55 –. Condutividade elétrica da pasta de cimento com sílica ativa e relação a/ag de (a) 0,40; (b) 0,45; (c) 0,50; e (d) 0,55 ………… Condutividade elétrica em função de diferentes teores de sílica ativa ………………………………………………………… Difratograma de amostra do cimento CP V-ARI ...................... Difratograma de amostra de CCA de baixo teor de carbono grafítico ................................................................................... Difratograma de amostra de AS .............................................. Solução sendo submetida à agitação ..................................... Medidor duplo de pH/condutividade SevenMulti™. ................ Curva do fluxo de calor de hidratação das pastas nas primeiras 24 horas .................................................................. Curva do fluxo de calor de hidratação das pastas nas primeiras 168 horas ................................................................ Curva de calor total de hidratação acumulado das pastas nas primeiras 24 horas .................................................................. Curva de calor total de hidratação acumulado das pastas após 7 dias .............................................................................. Calor de hidratação acumulado nos diferentes períodos de hidratação das pastas ............................................................. Consistência normal das pastas analisadas ........................... Água quimicamente combinada, aos 28 dias .......................... Água quimicamente combinada, aos 91 dias .......................... Tempos de pega das pastas analisadas ................................. Distribuição de tamanho dos poros da mistura de referência Distribuição de tamanho dos poros das misturas com adição de 5%; 10%; 20% e 30% de CCA ............................................ Distribuição de tamanho dos poros das misturas com adição de 5% e 10% de AS ................................................................ Correlação entre o volume de mercúrio intrudido com a resistência à compressão ....................................................... pH para amostras com relação a/ag de 0,35 ........................... pH para amostras com relação a/ag de 0,50 ........................... pH para amostras com relação a/ag de 0,65 ........................... Condutividade elétrica, para amostras com relação a/ag de 0,35 ........................................................................................ Condutividade elétrica, para amostras com relação a/ag de 0,50 ........................................................................................ Condutividade elétrica, para amostras com relação a/ag de 0,65 ......................................................................................... 102 103 108 109 110 116 117 120 121 122 122 125 127 130 131 127 133 133 134 139 142 142 143 145 146 147.

(17) LISTA DE TABELAS. Tabela 1 – Calor de hidratação dos compostos de cimento Portland ........ .. Tabela 2 - Proporção das adições minerais para cada mistura de aglomerante .............................................................................. Tabela 3 - Características físico-químicas e mecânicas do cimento .......... Tabela 4 - Características físico-químicas das adições minerais .............. Tabela 5 - Resistências médias obtidas no ensaio de compressão axial das misturas com cura de 7 dias ..................................... Tabela 6 - Consumo de materiais ............................................................... Tabela 7 - Parâmetros do ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio Tabela 8 - Resultados do tempo de pega das pastas analisadas ............ Tabela 9 Tabela 10 -. Tabela 11 Tabela 12 Tabela 13 -. Resultados obtidos por meio do ensaio de água quimicamente combinada .................................................................................... Volume total de intrusão, porosidade, diâmetro médio, área de poro, diâmetro crítico, resistência à compressão, para as três relações a/ag adotadas e misturas investigadas aos 91 dias ..... Quantidade de poros maiores e menores do que 50nm, em porcentagem ................................................................................. pH da solução aquosa .................................................................. Condutividade elétrica específica ................................................. 65 105 108 105 111 112 115 126 129. 134 137 140 140.

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(19) LISTA DE QUADROS. Quadro 1 – Exigências da NBR 12653:2012 .......................................... Quadro 2 – Períodos de Hidratação e calor acumulado das pastas ........ 37 123.

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(21) LISTA DE EQUAÇÕES. Equação 1 ..................................................................................................... Equação 2 ...................................................................................................... Equação 3 ...................................................................................................... Equação 4 ...................................................................................................... Equação 5 ...................................................................................................... Equação 6 ....................................................................................................... Equação 7 ....................................................................................................... Equação 8 ....................................................................................................... Equação 9 ........................................................................................................ 55 55 55 55 64 85 96 114 115.

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(23) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS. ABNT ABCP ARI AFm AFt Al (OH)4Al2O3 a/ag. Associação Brasileira de Normas Técnicas Associação Brasileira de Cimento Portland Alta Resistência Inicial Monossulfoalumonato de cálcio hidratado Trissulfoalumonato de cálcio hidratado ou etringita Íon aluminato Óxido de Alumínio relação água/aglomerante em massa. Ca2+ Cal/g CaO Ca/Si CCA CH C3A C2S C3S C4AF CaSO4 CP CP V ARI CSH C-S-H CSI cm CO2 Cu DRX Fe2O3 IPT J/g K+ Kg K2SO4 MEV MCS mm mg/L mL/min MPa Na+ Na2SO4 NBR Ni OPC O2. Íon Cálcio calorias por grama Óxido de Cálcio Relação entre Cal (CaO) e sílica (SiO2) Cinza de casca de arroz Hidróxido de Cálcio Aluminato tricálcico Silicato Bicálcico ou belita Silicato tricálcico ou alita Ferro aluminato tetracálcico ou brownmillerita Sulfato de cálcio ou anidrita Cimento Portland Cimento Portland de alta resistência inicial Hidróxido de cálcio Hidratado Silicato de cálcio hidratado Cement Sustainability Initiative Centímetro Dióxido de Carbono Cobre Difração de Raios-X Óxido de Ferro III Instituto de Pesquisa e Tecnologia Joule por grama Íon Potássio Quilograma Sulfato de potássio Microscopia Eletrônica de Varredura Materiais cimentícios suplementares milímetros miligramas por litro – Unidade de Medida mililitro por minuto – Unidade de Medida Mega Pascal Íon sódio Sulfato de Sódio Norma Brasileira Níquel Cimento Portland Comum Oxigênio.

(24) 22. OHpH rpm RS SiO2 SNIC SO42TG UFSM WSCSD Zn ºC ºC/min º/min m²/Kg Ø # μm nm. Íon hidroxila potencial de Hidrogênio rotações por minuto Rio Grande do Sul Dióxido de Silício Sindicato Nacional da Indústria do Cimento Íon sulfato Análise termogravimétrica Universidade Federal de Santa Maria World Business Council for Sustainable Development Zinco Graus Celsius Graus Celsius por minuto graus por minuto metro quadrado por quilo Diâmetro abertura da malha da peneira micrômetro – Unidade de Medida nanometro – Unidade de Medida.

(25) SUMÁRIO 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3. INTRODUÇÃO ............................................................................... DEFINIÇÃO TEMÁTICA ................................................................. Apresentação do tema ................................................................. Justificativa ................................................................................... OBJETIVOS ................................................................................... Objetivo geral ............................................................................... Objetivos específicos .................................................................. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ................................................. 25 31 31 31 32 32 32 33. 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.4. ADIÇÕES MINERAIS ................................................................... CONSIDERAÇÕES INICIAIS ....................................................... ADIÇÕES MINERAIS .................................................................... Trabalhabilidade ......................................................................... Durabilidade ............................................................................... Resistência à compressão ........................................................ CINZA DE CASCA DE ARROZ ................................................... Teor de carbono grafítico .......................................................... SÍLICA ATIVA ................................................................................ 35 35 37 38 39 40 41 45 47. 3 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5. 51 51 54 54 55 56 56 57 59 60 60 61 62 64 65 68 71. 3.5.1 3.5.2 3.5.3. MECANISMO DE HIDRATAÇÃO ................................................. HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND .................................. Hidratação das principais fases constituintes do cimento ..... Hidratação dos aluminatos ............................................................ Hidratação dos silicatos ................................................................ Propriedades das principais fases hidratadas ........................ Portlandita (CH) ............................................................................ Silicatos de cálcio hidratados (C-S-H) .......................................... Etringita ................................................................................... FATORES QUE INFLUENCIAM A HIDRATAÇÃO ...................... Tipo e finura do cimento ........................................................... Relação água/cimento .............................................................. Condições de cura .................................................................... REAÇÃO POZOLÂNICA ............................................................. CALOR DE HIDRATAÇÃO .......................................................... Evolução da liberação de calor ................................................ Métodos de medição ............................................................... EFEITO DAS POZOLANAS NOS ENSAIOS DE INVESTIGAÇÃO DA PASTA PERTINENTES AO ESTUDO DA HIDRATAÇÃO ....................................................... Calorimetria ................................................................................ Pega ............................................................................................. Água quimicamente combinada ................................................. 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2. MICROESTRUTURA .............................................................. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................. MICROESTRUTURA DA PASTA DE CIMENTO HIDRATADA Vazios na pasta de cimento hidratada ................................. Água na pasta de cimento hidratada ..................................... 89 89 89 91 91. 71 71 78 84.

(26) 24. 4.3 4.4. 95. 4.4.1 4.4.2 4.4.3. RELAÇÃO POROSIDADE X PERMEABILIDADE ................. EFEITO DAS POZOLANAS NOS ENSAIOS DE INVESTIGAÇÃO DA PASTA PERTINENTES AO ESTUDO DA MICROESTRUTURA ............................................ Porosimetria por intrusão de mercúrio .................................. pH e condutividade ................................................................. Condutividade elétrica da solução dos poros ........................ 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................... CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..................................................... VARIÁVEIS ENVOLVIDAS NO ESTUDO .................................. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS .................................... Caracterização físico-química dos materiais aglomerantes . DOSAGEM E MOLDAGEM ........................................................ ENSAIOS EM PASTA ................................................................ Calorimetria de condução ....................................................... Consistência normal e Tempo de pega ................................. Calorimetria de condução ....................................................... Água quimicamente combinada ............................................ Porosimetria por intrusão de mercúrio ................................ Condutividade elétrica e pH da solução dos poros ............... 105 105 106 106 107 111 113 113 118 119 114 115 116. 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ........................ CALORIMETRIA ......................................................................... TEMPO DE INÍCIO E FIM DE PEGA ......................................... ÁGUA QUIMICAMENTE COMBINADA ...................................... POROSIMETRIA POR INTRUSÃO DE MERCÚRIO .................. pH DA SOLUÇÃO DOS POROS ................................................. CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ..................................................... 119 119 125 129 132 140 144. 7. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................ 148. REFERÊNCIAS .............................................................................. 151. 95 95 99 100.

(27) 1 INTRODUÇÃO. Desde o princípio da civilização, o ser humano sempre buscou maneiras de melhorar as suas condições de vida. Essa busca incessante promoveu grandes avanços tecnológicos em todas as áreas e o setor de infraestrutura não foi uma exceção. Em apenas 6.000 anos de evolução, o homem passou de uma fase em que se escondia em fendas nas rochas para se proteger do frio e do ataque dos animais para a construção de edifícios em concreto e aço com mais de 800 metros de altura e impressionantes obras de arte. Como ponto marcante do desenvolvimento humano, cabe destacar a Revolução Industrial, entre os séculos XVIII e XIX e, por mais irônico que pareça, as duas Grandes Guerras (1914-1918; 1939-1945), eventos que geraram o conhecimento e a demanda necessários para criar e aprimorar grande parte das tecnologias que se tem atualmente, sobretudo na área da construção civil. Porém, esse progresso veio acompanhado do consumo indiscriminado dos recursos naturais, ocasionando severos danos ao planeta. A combinação de dois fatores é a chave para entender como se chegou a um momento insustentável de consumo dos elementos da natureza (CAPMAS, 2014). O primeiro fator é o crescimento populacional. Segundo o relatório da ONU "Perspectivas da População Mundial: A Revisão de 2017", divulgado em junho de 2017, a atual população mundial de 7,6 bilhões de pessoas vai alcançar a marca de 8,6 bilhões até 2030 e de 9,8 bilhões em 2050. Para se ter uma ideia de como esse crescimento acelerou nos últimos anos, a população mundial, no ano de 1950, era de apenas 2,5 bilhões de pessoas (UNITED NATIONS, 2017). O segundo fator é consequência do primeiro, a urbanização. As estatísticas mostram uma correlação direta entre o crescimento da população e a urbanização do planeta. No início do século XX, apenas 10% da população vivia nas cidades ou em torno delas, enquanto que atualmente, a taxa de urbanização mundial (população nas cidades) já passa dos 70%. Juntos, esses dois elementos trouxeram uma enorme necessidade de infraestrutura (moradia, água, esgoto, gás, eletricidade, transporte, educação, saúde, entre outros), que precisou ser suprida pela indústria da construção civil e seus profissionais e que veio acompanhada de um maior consumo de materiais e maior geração de resíduos (ISAIA, 2010). O concreto foi o material escolhido para suprir essa demanda da população, se tornando o segundo material mais largamente utilizado pelo homem, perdendo apenas.

(28) 26. para a água. Suas vantagens derivam de seu baixo custo com elevado desempenho, das propriedades que adquire quando utilizado em conjunto com o aço, sua facilidade de emprego, podendo ser moldado em várias formas e tamanhos e considerável disponibilidade global de suas matérias-primas. O concreto permite a execução de estruturas nos mais variados ambientes agressivos e, além de suportar os esforços provenientes do projeto, apresenta durabilidade. Misturas comuns de concreto para a construção civil são compostas, em média, de 12% de cimento Portland, 8% de água e 80% de agregados graúdos e miúdos (MEHTA; MONTEIRO, 2014). O principal e mais complexo componente do concreto é o cimento Portland. No ano de 2014, de acordo com o 11th Global Cement Report, relatório publicado pela International Cement Review, o consumo mundial de cimento Portland atingiu 4 bilhões de toneladas (INTERNACIONAL CIMENT REVIEW, 2015). De acordo com dados provenientes do Sindicato Nacional da Indústria de Cimento (SNIC, 2015), o consumo de cimento Portland no Brasil, no ano de 2014, superou os 71,2 milhões de toneladas, colocando o país como o 4º maior consumidor mundial de cimento, atrás apenas de China, Índia e EUA. Grande parte desse elevado consumo foi impulsionado por programas governamentais, como o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), o Programa Minha Casa, Minha Vida, além da Copa do Mundo de 2014 e das Olimpíadas de 2016. Uwasu, Hara e Yabar (2014) observam que, apesar de o cimento ser uma necessidade para o desenvolvimento econômico dos países, os processos envolvidos em sua produção, que vão desde a exploração e transporte das matérias-primas das jazidas de argila e calcário, até a moagem e queima das mesmas em fornos de altas temperaturas para a produção do clínquer, geram um impacto ambiental muito grande. A indústria de cimento consome grandes quantidades de energia e de recursos naturais e é responsável pela emissão de gases poluentes, sendo o principal deles o CO2. A liberação de CO2 na atmosfera é o principal responsável pelo aquecimento global, chamado popularmente de efeito estufa. O incremento de gases como o CO2, o metano e o óxido nitroso na atmosfera promove um aumento significativo das temperaturas no planeta, resultado da formação de uma camada mais espessa de gases que absorve a radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre, fazendo com que o calor fique retido e não seja liberado para o espaço. Este fenômeno produz o derretimento das geleiras, aumentando o nível dos oceanos, além de promover.

(29) 27. mudanças climáticas extremas, como excesso de chuvas ou estiagem prolongada em algumas regiões. De acordo com dados de 2012 do último relatório da Cement Sustainability Initiative (CSI), o Brasil gera em torno de 600 kg de CO2 para cada tonelada de cimento produzido (CEMENT SUSTAINABILITY INITIATIVE, 2013). Em escala global, a indústria do cimento é a responsável pela emissão de 5% a 7% do total de CO 2 liberado na atmosfera. Segundo Benhelal et al. (2013), a produção mundial de cimento está prevista para aumentar em taxas de 0,8 a 1,2% ao ano e, como consequência desse crescimento significativo, as emissões de CO2 também vão subir acentuadamente, chegando a 2,34 bilhões de toneladas em 2050. Para Vargas e Halog (2015), em vista desse cenário preocupante, recentemente tem havido uma maior sensibilização das partes interessadas (indústrias, governos e sociedade) em desenvolver novas práticas industriais mais sustentáveis, de modo a reduzir a exploração de matéria-prima, reutilizar os recursos disponíveis e reduzir a emissão de poluentes, promovendo assim um menor impacto ambiental na produção de insumos. A indústria de cimento tem enfrentado pressão significativa e novos desafios bem como obrigatórias atualizações em tecnologia de processamento. Em resposta, o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC) e a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), lançaram, oficialmente, em setembro de 2014, o início de um estudo de dois anos a ser concluído no primeiro semestre de 2017, que conta com a participação de 90% da indústria do cimento brasileira bem como da IEA (International Energy Agency) e a CSI/WBCSD (Cement Sustainability Initiative/ World Business Council for Sustainable Development), com o objetivo de mapear o estado atual e futuro da indústria de cimento no Brasil, em termos de emissões de CO2 e de suas principais alternativas de redução, a médio e longo prazos. Nesse mesmo sentido, na 21ª Conferência das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (COP 21), realizada em dezembro de 2015, foi adotado um novo acordo (Acordo de Paris) com o objetivo de redução das emissões globais de CO2 como uma resposta à ameaça da mudança do clima e suas consequências. O Brasil, em setembro de 2016, ratificou o acordo e comprometeu-se a reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 37% abaixo dos níveis verificados em 2005, até 2025, com uma contribuição indicativa subsequente de reduzir as emissões de gases de efeito.

(30) 28. estufa em 43% abaixo dos níveis de 2005, em 2030 (MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2017). Segundo Battagin (2011), cerca de metade da emissão de CO2 da indústria do cimento é inerente ao processo de produção e ocorre durante a descarbonatação do calcário no forno para transformar-se em clínquer. A outra parcela é resultado da queima de combustíveis fósseis para atingir altas temperaturas requeridas nos fornos e do consumo de energia elétrica. Sendo assim, três iniciativas podem ser a resposta para a mitigação dos gases do efeito estufa: eficiência energética (diminuir os gastos de energia térmica e elétrica do processo), o uso de combustíveis alternativos (biomassa) e o uso de cimento com adições. García-Gusano et al. (2015) compararam essas diferentes estratégias para redução de CO2 na produção do cimento e concluíram que o uso de adições minerais (ou Materiais Cimentícios Suplementares-MCS) como substituição de parte do clínquer pode reduzir as emissões de CO2 em até 12%, em comparação ao máximo de 5% atingido pelas outras estratégias. Além disso, relataram que, em média, outros impactos ambientais, tais como toxicidade humana e acidificação e eutrofização das águas, também são reduzidos em 10% quando um aumento do uso de MCS ocorre. O benefício do uso de adições minerais no concreto, contudo, não se restringe apenas à redução das emissões de gases e do consumo de matérias-primas pela substituição de parte do clínquer. Também é importante destacar suas outras vastas vantagens técnicas, econômicas e ambientais, motivos pelos quais o uso de materiais alternativos na construção civil vem ganhando força. O emprego de adições minerais pode ser a solução para a disposição final de resíduos potencialmente poluidores no meio ambiente e que não são utilizados pelas indústrias que os produzem, tendo, ainda, consequentemente, um menor custo como matéria-prima se comparado as do clínquer. Além do ganho ambiental e econômico, essas adições podem trazer grandes ganhos de resistência e, acima de tudo, durabilidade no concreto, permitindo, inclusive, a elaboração de concretos de alto e ultra alto desempenho (DAL MOLIN, 2011). Segundo Mehta e Monteiro (2014), em longo prazo, o desenvolvimento sustentável se dará apenas com o aumento da durabilidade das estruturas. Uma construção projetada com uma vida útil de 100 ou 250 anos resultará em grandes economias de recursos naturais e industriais, visto que estruturas que se deterioram antes do término de sua vida útil precisam ser reparadas ou reconstruídas,.

(31) 29. ocasionando um desperdício de materiais e recursos financeiros. Para Isaia (2010), o foco atual do estudo da engenharia consiste na desmaterialização da construção civil, desenvolvendo materiais mais resistentes e mais duráveis, projetos de maior qualidade e detalhamento, e técnicas construtivas que levem, simultaneamente, a um menor consumo de tempo e recursos e maior vida útil da estrutura. É nesse contexto que o avanço em pesquisas e uso de MCS se insere. Dal Molin (2011) descreve que, com a adição de pozolanas, ocorrem alterações na estrutura interna da pasta de cimento hidratada e na zona de transição entre matriz e agregado, acarretando na redução da porosidade capilar do concreto e consequentemente, dificultando a penetração de agentes agressivos que degradam o concreto, aumentando sua durabilidade. Além disso, as reações que ocorrem entre a sílica amorfa, presente na pozolana, com o CH, produto da hidratação do cimento Portland, aumentam a resistência do concreto em longo prazo e diminuem as taxas de liberação de calor de hidratação, o que ocasiona uma redução da incidência de fissuras de origem térmica. Os mais variados resíduos, de diversas fontes, vêm sendo empregados como adições minerais dentro da indústria de cimento. Entre os mais usuais, destacam-se a sílica ativa, a cinza volante, a escória granulada de alto-forno e a cinza de casca de arroz, esta última escolhida como principal objeto desta pesquisa (NEVILLE; BROOKS, 2013). O Brasil é considerado um dos maiores produtores de arroz do mundo. Segundo dados de acompanhamento da Companhia Nacional do Abastecimento, a produção da safra 2016/2017 foi de 12,13 milhões de toneladas, sendo o Rio Grande do Sul responsável por 71% desse montante (CONAB, 2017). Isso revela um grande volume de resíduos a serem reaproveitados. As cascas oriundas dos engenhos de beneficiamento de arroz vêm sendo utilizadas como combustível, visando o aproveitamento energético. Quando não queimadas, são descartadas no meio ambiente, em terrenos baldios ou em mananciais, provocando poluição ambiental. Do processo de queima das cascas de arroz sobram, ainda, as cinzas, cujo destino está em aberto. A casca de arroz é o resíduo vegetal que mais produz cinzas quando queimado. Segundo Mehta e Monteiro (2014), cada tonelada de arroz colhido produz aproximadamente 40kg de cinza. Essas cinzas, dependendo do processo de queima ou moagem a que foram submetidas, podem ser compostas por altos teores de sílica.

(32) 30. amorfa e apresentar elevada superfície específica, se caracterizando por uma alta reatividade como pozolana. Diante desse panorama, o emprego da cinza de casca de arroz despertou o interesse de diversos pesquisadores no Brasil e no exterior. Um dos grandes pioneiros na área foi o Prof. P. Kumar Mehta, da Universidade de Berkeley, na Califórnia (MEHTA, 1979). No Brasil, vários trabalhos vêm sendo desenvolvidos, sobretudo nas últimas duas décadas, a fim de aproveitar a CCA no aprimoramento das propriedades do concreto (ISAIA, 1995; SILVEIRA, 1996; SANTOS, 1997; DAL MOLIN, 1999; DAFICO, 2001; RÊGO, 2004; POUEY, 2006; GASTALDINI et al., 2009). A sílica ativa (SA), um pó fino pulverizado decorrente do processo de fabricação do silício metálico ou ferro silício e caracterizado por partículas esféricas, com alto teor de sílica amorfa e elevada finura, proporciona altíssima reatividade com os produtos decorrentes da hidratação do cimento. As investigações sobre o desempenho da sílica ativa no concreto começaram nos países escandinavos, particularmente na Islândia, Noruega e Suécia, com o primeiro artigo publicado por Bernhardt em 1952 (BERNHARDT, 1952). Apesar de aumentar consideravelmente a necessidade de água no concreto, com a evolução dos aditivos plastificantes, a sílica ativa passou a ser utilizada em maior escala e despertou interesse de vários pesquisadores (BUCK; BURKES, 1981; MALHOTRA; CARETTE, 1983; AÏTCIN, 1983; DETWILER, 1988; HOFFMANN, 2001; KULAKOWSKI, 2002; VIEIRA, 2003; CARMO; PORTELA, 2008), sobretudo pela sua contribuição na confecção de concretos de alta resistência e/ou durabilidade. Com base no exposto e com o objetivo de melhorar o aproveitamento desses materiais, a ênfase deste trabalho será dada na utilização da cinza de casca de arroz (CCA) e de sílica ativa (SA) como substituições ao cimento Portland, analisando as alterações que estas adições minerais provocam na evolução da hidratação e na microestrutura de pastas de cimento e suas influências nas principais propriedades dessas misturas. A sílica ativa será utilizada como referência para avaliar o desempenho da CCA. Importante ressaltar que o presente trabalho faz parte de uma pesquisa maior que verificou o desempenho de concretos com adição de CCA com diferentes teores de carbono grafítico. Mostardeiro Neto (2011) pesquisou o comportamento de absorção capilar e resistividade elétrica com teores de substituição de 10%, 20% e 30% das cinzas estudadas. Da Silva (2012) verificou o desempenho de concretos com.

(33) 31. 5%, 10%, 20% e 30% de cinza frente à retração total, à penetração de cloretos após a retração e à resistência mecânica. Utilizando os mesmos teores Zamberlan (2013) analisou a penetração de cloretos no concreto e Nunes (2014) a carbonatação acelerada.. 1.1 DEFINIÇÃO TEMÁTICA. 1.1.1 Apresentação do tema. O presente trabalho propõe a análise de pastas com adição de cinza de casca de arroz (CCA) de baixo teor de carbono grafítico e de sílica ativa (SA) em substituição parcial ao cimento Portland (CP V-ARI), para diferentes teores de substituição, de 5%, 10%, 20% e 30% para CCA, e de 5 e 10% para sílica ativa. Poderão ser verificadas como e com que intensidade essas adições minerais alteram a velocidade e o calor liberado nas reações de hidratação, os produtos formados, bem como o diferente grau de hidratação atingido por cada mistura. Também poderá ser possível avaliar como as características físicas e químicas de cada uma das duas pozolanas condicionam sua reatividade com os produtos da hidratação do cimento, levando a alterações na microestrutura, em especial na presença de íons e na estrutura dos poros das pastas.. 1.1.2 Justificativa. O setor da construção civil utiliza o cimento em larga escala, gerando um elevado consumo de energia, recursos naturais e elevada emissão de gases poluentes, principalmente o CO2, para a atmosfera. A crescente preocupação com a questão da sustentabilidade resulta na busca por materiais alternativos que, simultaneamente, reduzam esses impactos ambientais, apresentem menores custos e aumentem a durabilidade das estruturas. Com uma safra 2016/2017 de 234,33 milhões de toneladas de grãos (CONAB, 2017), o agronegócio representa 23% do PIB brasileiro, sendo o estado do Rio Grande do Sul um dos grandes celeiros do país. Com uma produção próxima a 8 milhões de toneladas de arroz todos os anos, o estado precisa lidar com os resíduos deixados pela indústria de beneficiamento desses grãos, mais especificamente, as cascas. A casca de arroz não é apropriada para uso como alimento para os animais, devido às.

(34) 32. suas baixas propriedades nutricionais. Sua composição siliciosa é resistente à degradação natural, o que produz um sério acúmulo de volume do material. Nas zonas produtoras de arroz do Brasil, a incineração, além de ser um método muito eficaz para a redução desse volume, também é usada para geração de energia. Quando queimadas as cascas produzem uma grande quantidade de cinzas (CCA), cinzas essas que, dependendo das condições de queima, poderão conter teores consideráveis de sílica amorfa, caracterizando um excelente material pozolânico a ser utilizado como adição mineral. Ao se substituir parcialmente o cimento por alguma adição mineral, alterações na microestrutura e nas reações de hidratação dos materiais ocorrem, sendo imprescindível, então, avaliar seu desempenho. Considerando a disponibilidade do material e estudos de diversos autores ao longo dos anos, comprovando a contribuição da CCA na redução da porosidade, aumento da resistência e durabilidade dos concretos, o presente trabalho se propõe a analisar os efeitos da incorporação de cinzas de casca de arroz de baixo teor de carbono grafítico (cor clara) em pastas de cimento, comparando os resultados com os obtidos com a incorporação de iguais teores de sílica ativa, uma pozolana de altíssima reatividade.. 1.2 OBJETIVOS. 1.2.1 Objetivo geral. Este estudo visa investigar o calor liberado, os produtos formados e a evolução da hidratação do cimento Portland, bem como alterações na microestrutura das pastas de cimento, quando parte deste é substituída por cinza de casca de arroz ou sílica ativa.. 1.2.2 Objetivos específicos. Com a finalidade de atender ao objetivo geral da pesquisa, pretende-se responder os seguintes questionamentos: • comparar entre si os desempenhos das pastas com cinza de casca de arroz de baixo teor de carbono grafítico e com sílica ativa, com relação às propriedades pesquisadas;.

(35) 33. • analisar as alterações promovidas por diferentes tempos de cura e relações a/ag; • avaliar a influência das adições no calor liberado pelas reações de hidratação das pastas pelo ensaio de calorimetria; • verificar se a substituição parcial do CP por CCA e SA implica em alterações significativas no tempo de pega e no grau de hidratação das misturas; • analisar a influência das adições na porosidade da microestrutura das pastas moldadas através do ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio; • fazer uma análise integrada dos resultados obtidos nesta pesquisa.. 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO. Este trabalho estrutura-se da seguinte maneira. No capítulo 1, “Introdução”, faz-se uma introdução ao tema abordado, destacando a importância da pesquisa e os objetivos assumidos, além de indicar a forma de organização do trabalho. No capítulo 2, “Adições minerais”, foi realizada uma revisão bibliográfica acerca das principais vantagens do uso das adições minerais e seus efeitos no concreto, com especial ênfase na caracterização das pozolanas que são foco deste estudo, a cinza de casca de arroz (CCA) e a sílica ativa (SA). No capítulo 3, “Mecanismo de Hidratação”, são descritas as reações de hidratação do cimento e pozolânicas, as características dos compostos formados, os fatores que podem influenciar essas reações de forma mais expressiva, o processo de liberação de calor, e as alterações promovidas pela presença de CCA ou SA nos resultados dos ensaios que permitem avaliar todos esses aspectos. No capítulo 4, “Microestrutura”, são expostos os componentes da estrutura interna da pasta de cimento e sua influência na porosidade da mistura. Também são abordados os efeitos do uso das adições minerais na presença de íons em solução e na estrutura dos poros de pastas de cimento. O capítulo 5, “Materiais e métodos”, apresenta a metodologia aplicada nesta pesquisa e as particularidades dos materiais e ensaios utilizados. O capítulo 6, “Análise e discussão dos resultados”, expõe os resultados obtidos nos ensaios, bem como faz a análise e discussão dos mesmos, buscando estabelecer.

(36) 34. comparações com as bibliografias consultadas de maneira a atender os objetivos traçados. No capítulo 7, “Conclusões”, são apresentadas as conclusões baseadas nos resultados apresentados. O capítulo 8, “Referências” contém a relação de referências bibliográficas que serviram de fundamentação deste estudo e também como fonte de pesquisa teórica..

(37) 2 ADIÇÕES MINERAIS. 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS. A sustentabilidade pode ser definida como o uso mais consciente dos recursos naturais e controle do impacto das atividades humanas no meio ambiente. Um dos maiores desafios da indústria da construção civil consiste em se adaptar a esse novo conceito e manter a qualidade de seus produtos. Consequentemente, a indústria cimenteira mundial está buscando alternativas para reduzir gastos de energia e consumo de matérias-primas, bem como reduzir as suas emissões de CO2. Segundo Benhelal et al. (2013), a produção mundial de cimento está prevista para aumentar em taxas de 0,8 a 1,2% ao ano, podendo chegar a 4,4 bilhões de toneladas em 2050. Como consequência desse crescimento significativo, as emissões de CO2 podem também subir acentuadamente, a cerca de 2,34 bilhões de toneladas em 2050. No Brasil, segundo dados do Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC), só dos meses de janeiro a outubro de 2015 já foram produzidas 54,8 milhões de toneladas de cimento. No último relatório anual divulgado pelo órgão, em 2013, o consumo de cimento per capita estava em 353 kg/hab, colocando o País no lugar de quinto maior produtor e quarto maior consumidor de cimento do mundo. Ao mesmo tempo, a emissão específica de CO2 alcançou taxas em torno dos 600 Kg CO2/tonelada de cimento produzido que, apesar de inferiores à média mundial, podem ser reduzidas. As principais metas para os produtores de cimento são o aumento da eficiência energética e a utilização de materiais alternativos, seja como combustível ou matériaprima (substituindo o clínquer). No processo de manufatura do cimento, a energia térmica gerada pelo combustível (entre 100 kg e 350 kg de carvão mineral por tonelada de cimento), utilizado para secagem, aquecimento e calcinação das matérias-primas, constitui 90% do total de energia consumida. O consumo de energia elétrica responde pelos outros 10% do total (CNI, 2012). A maior parte da eletricidade é usada no processo de moagem do clínquer (40%), na moagem das matérias-primas (25%) e na operação do forno e do resfriador (20%). Usón et al. (2013) propõem, por exemplo, o uso de resíduos sólidos urbanos, restos de refeições de carne e ossos de.

(38) 36. animais, lodo de esgoto, biomassa e pneus em fim de vida como combustíveis alternativos na indústria de cimento. Conforme relatado anteriormente, os fornos de via seca garantem maior eficiência energética. Praticamente todo o cimento no país (99%) é produzido por via seca, processo industrial que garante a diminuição do uso de combustíveis em até 50% em relação a outros processos (CNI, 2012). Jo, Chakraborty e Yoon (2014) oferecem uma ideia inovadora para sintetizar nanocimento (partículas de tamanho nanométrico, da ordem de 10-9m), utilizando o método hidrotérmico em vez do método tradicional de formação de clínquer de alta temperatura. Nesse estudo, a síntese hidrotérmica da nanocimento, nanosílica e de aluminato de sódio mostrou que os materiais sintetizados quimicamente não só melhoraram o desempenho físico e mecânico de argamassas e concretos, mas também podem trazer impactos encorajadores para a sociedade, incluindo a redução da emissão de CO2. Para Capmas (2014), a chave para o desenvolvimento sustentável é a durabilidade de uma obra. Quanto maior o ciclo de vida, que vai desde a concepção de uma unidade até seu desaparecimento, menor é o impacto ambiental global. Para garantir esse maior ciclo de vida, seria necessário investir em materiais mais duráveis, projetos mais detalhados e qualidade na execução. Visando tanto obter vantagens ambientais e econômicas assim como vantagens técnicas, especialmente no que diz respeito a maior durabilidade, materiais cimentícios suplementares (adições minerais) vêm sendo largamente utilizados em substituição ao clínquer nas fábricas de cimento ou mesmo misturados no concreto antes da execução. A produção de cimentos com adições ao clínquer, com materiais como escórias siderúrgicas, cinzas volantes, pozolanas artificiais e fíler calcário, além de diversificar as aplicações e características do cimento, propicia uma redução significativa das emissões de CO2. Os cimentos com adição representam, ainda, uma solução ambientalmente adequada para os subprodutos de outros processos produtivos, como escórias siderúrgicas e cinzas de termoelétricas. Além disso, a produção de cimentos com maiores teores de adições possibilita a preservação de jazidas minerais, pela redução da utilização de matérias-primas não renováveis (calcário e argila) e redução no consumo de combustível pelo menor consumo de clínquer. Apenas entre os anos de 1990 a 2010, o uso de adições na fabricação do cimento do Brasil subiu 252% (CNI, 2012)..

(39) 37. 2.2 ADIÇÕES MINERAIS. A ABNT (NBR 12653:2012) classifica as adições minerais em três classes de acordo com origem e parâmetros físicos e químicos, conforme ilustrado no Quadro 1. As pozolanas naturais são aquelas disponíveis na natureza. Seu processamento envolve apenas britagem, moagem e separação granulométrica e, em alguns casos, ativação térmica. Já as pozolanas artificiais não são os produtos primários das indústrias que os produzem, podendo exigir ou não algum tipo de processamento antes de serem utilizados como adição mineral. Os materiais pozolânicos da Classe N são as pozolanas naturais e artificiais que obedecem aos requisitos aplicáveis na NBR 12653:1992, como certos materiais vulcânicos de caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras diatomáceas e argilas calcinadas. Os da Classe C são as cinzas volantes produzidas pela queima de carvão mineral em usinas termoelétricas, que obedecem também aos requisitos aplicáveis nesta NBR. Por último o material da Classe E é qualquer pozolana cujos requisitos diferem das classes anteriores, conforme estabelecido na mesma NBR (NBR 12653:1992). Quadro 1 – Exigências da NBR 12653:2012. Exigências Químicas. Exigências Físicas. SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % mín. SO3, % máx. Teor de umidade, % máx. Perda ao fogo, % máx. Álcalis disponíveis em Na2O, % máx. Material Retido na peneira 45 µm %máx. Índice de atividade pozolânica - com o cimento aos 28 dias em relação ao controle %mín.. - com a cal a 7 dias MPa água requerida %máx. Fonte: adaptado de ABNT (2012).. Classe de Pozolana N C E 70 70 50 4 5 5 3 3 3 10 6 6 1,5. 1,5. 1,5. 34. 34. 34. 75. 75. 75. 6 115. 6 110. 6 110. As cinzas da combustão de carvão (cinza volante), cinzas de casca de arroz (CCA), sílica ativa (SA) e a escória granulada de alto-forno (EAF) fazem parte da vasta.

(40) 38. variedade de pozolanas artificiais que podem ser utilizadas como adições minerais no concreto de cimento Portland (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Recentemente, outros resíduos vêm sendo estudados como opções viáveis de adições ao concreto, como cinzas do bagaço de cana-de-açúcar (NAGANO et al., 2014), cinzas do caroço do açaí (TAPAJÓS et al., 2014), cinzas de capim elefante (CORDEIRO; SALES; ANDREÃO, 2013), e até mesmo cinzas do lodo de tratamento de ETA (GASTALDINI et al., 2015). A incorporação de adições minerais ao concreto exerce dois efeitos sobre este. O primeiro, denominado efeito químico, é resultado da reação pozolânica, que diz respeito à capacidade das adições minerais de reagirem com o hidróxido de cálcio (CH), um dos produtos da hidratação do cimento com água, formando silicato de cálcio hidratado secundário (C-S-Hsecundário). O segundo efeito, denominado efeito físico, resulta em alterações na microestrutura da pasta de cimento, como o aumento da compacidade da mistura, em função do preenchimento dos vazios pelas partículas sólidas das adições ou pelo refinamento da estrutura dos poros e dos produtos de hidratação devido à formação de pontos de nucleação a partir das partículas da adição. Além disso, a incorporação de adições minerais interfere na movimentação das partículas de água, reduzindo ou eliminando o acúmulo de água sobre a superfície do agregado, alterando, assim, a microestrutura da zona de transição pasta/agregado. (DAL MOLIN, 2011). A ação conjunta destes dois efeitos, gerados pelas combinações de cimento Portland com materiais pozolânicos, influencia várias propriedades do concreto, tanto no estado fresco quanto endurecido.. 2.2.1 Trabalhabilidade. Enquanto as partículas de cinza volante e escória de alto-forno melhoram a trabalhabilidade e coesão do concreto fresco pela redução do tamanho e volume de vazios, o uso de materiais com alta superfície específica, como pedra pomes, cinza de casca de arroz (CCA) e sílica ativa (SA), aumentam a demanda de água nas misturas (MEHTA; MONTEIRO, 2014). O problema do aumento do consumo de água pode ser resolvido com a utilização de aditivos plastificantes e superplastificantes (DAL MOLIN, 2011)..

(41) 39. 2.2.2 Durabilidade. Um dos responsáveis pela fissuração de estruturas macivas de concreto, permitindo a entrada de agentes agressivos no seu interior, é a retração térmica. Admitindo-se que a temperatura máxima no concreto, devido ao calor de hidratação do cimento, é atingida normalmente 3 dias após a mistura, o uso de adições minerais oferece ainda a possibilidade de diminuir esse aumento de temperatura quase em proporção direta ao teor de substituição de cimento pela adição (MEHTA; MONTEIRO, 2014). O calor vai diminuir, já que a quantidade de clínquer vai ser menor. Como a reação pozolânica é lenta e só ocorre depois da formação de CH, a partir da hidratação do cimento, o calor gerado pela reação da pozolana só será liberado após o pico de calor de hidratação do cimento, não se somando a este. Pode-se considerar que o calor de hidratação total produzido pelas reações pozolânicas é metade do calor produzido pela hidratação do cimento Portland (DAL MOLIN, 2011). A. permeabilidade. do. concreto. desempenha. papel. fundamental. na. determinação da taxa de deterioração do mesmo, devido às ações químicas destrutivas, como expansão pela reação álcali-agregado (RAA), carbonatação e ataque de ácidos e sulfatos que geram deterioração da pasta e corrosão das armaduras. A reação pozolânica envolvendo adições causa um refinamento dos poros e um aumento da compacidade da matriz da pasta, reduzindo essa permeabilidade (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Essa característica permite a produção de concretos de alto desempenho. Da Silva (2012) avaliou a penetração de cloretos de concretos com CCA de diferentes teores de carbono grafítico. Ao utilizar sílica ativa (SA) como substituição (teor de 10%) em uma das misturas, observou que o coeficiente de penetração k foi menor nas três relações a/agl (0,35; 0,50 e 0,65) e nos dois períodos de cura (3 e 7 dias) quando comparados ao concreto de referência (100% CP V-ARI), indicando o benefício desta adição mineral no fenômeno da prevenção de penetração de íons cloreto. O refinamento das redes de poros proporcionado pelas reações pozolânicas da sílica ativa, devido a maior área específica e maior teor de sílica amorfa (SiO2), pode ser a causa do bom desempenho dessas misturas. Isaia e Gastaldini (2005) estudaram os efeitos de níveis muito altos de adições minerais na durabilidade de concretos de alto desempenho. Foram usados teores de substituição de cimento por cinzas volantes (50%), cinzas de casca de arroz (50%),.

(42) 40. escória de alto forno (70%), cinzas volantes e cinzas de casca de arroz (50 + 20)% e escórias e cinzas volantes (70 + 20)%. As relações a/ag adotadas foram de 0,35; 0,45 e 0,55, com e sem adição de CH (15 e 18%). Ensaios de resistência à compressão, carbonatação acelerada, permeabilidade ao oxigênio, absorção de água e penetração de íons cloreto foram realizados. Os resultados mostram que quase todas as misturas com elevados níveis de adições minerais, com ou sem adição de CH, apresentaram melhor desempenho do que os de referência (100% cimento), com a mesma resistência à compressão (35 e 55 MPa). A mistura ternária com a proporção de apenas 10% de cimento e 90% de adições minerais apresentou o melhor desempenho, revelando um efeito sinérgico, em que a combinação de duas pozolanas tem efeito mais benéfico do que usar apenas uma.. 2.2.3 Resistência à compressão. A adição de superpozolanas (sílica ativa, metacaulim e cinza de casca de arroz) ao concreto causa melhoras notáveis na sua resistência à compressão, especialmente em longo prazo. A sílica ativa é capaz de contribuir para a resistência do concreto mesmo em idades iniciais (1 a 3 dias), mas sua contribuição mais significativa é após 28 dias. No caso da cinza de casca de arroz, o comportamento é muito dependente da finura e morfologia dos grãos, variando caso a caso. Para construções convencionais, a dosagem ótima de substituição dessas superpozolanas varia, geralmente, entre 5% a 12% da massa de cimento Portland (DAL MOLIN, 2011). Como a velocidade da reação da maioria das pozolanas é menor, a resistência pode ficar prejudicada nas primeiras idades. A fim de reverter isso, várias técnicas são citadas em diferentes literaturas, adotando medidas que vão desde aumento da temperatura de cura até a utilização de ativadores químicos ou maior moagem dos materiais. Chahal, Siddique e Rajor (2012) estudaram, inclusive, o uso de bactérias (Sporoscarcina pasteurii) para induzir a precipitação de calcita (CaCO3), reduzir a permeabilidade da estrutura e aumentar a resistência inicial das argamassas de cimento com cinza volante..

(43) 41. 2.3 CINZA DE CASCA DE ARROZ. Cascas de arroz são as carapaças produzidas durante a operação de beneficiamento do arroz colhido e representam um grande problema de armazenamento para os moinhos de arroz, pelo seu alto volume. Cada tonelada de arroz colhido produz cerca de 200 kg de casca que, após queimada, produz aproximadamente 40 kg de cinza (MEHTA; MONTEIRO, 2014). A casca de arroz possui um alto teor de sílica que, quando queimado lentamente em temperaturas entre 500ºC e 700ºC, resulta em material amorfo com uma estrutura porosa e elevada área de superfície específica (NEVILLE; BROOKS, 2013). Na Figura 1 observa-se a estrutura porosa da CCA, semelhante a uma esponja. Esta característica da CCA é importante, pois é responsável pela absorção da água de amassamento (menor trabalhabilidade) e também implica em maior porosidade.. Figura 1 - MEV da microestrutura de uma CCA. Fonte: DAFICO (2001).. A cinza normalmente formada durante a queima a céu-aberto ou não controlada em fornos contém uma proporção de sílica reativa mais cristalina, como cristobalita e tridimita, e tem que ser moída em partículas muito finas para desenvolver relevante atividade pozolânica. Por outro lado, uma cinza altamente reativa pode ser produzida por combustão controlada, na qual a sílica se mantem amorfa (não-cristalina).