MATHEUS HILLESHEIN DOS SANTOS
ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DO USO DE CIMENTO
GEOPOLIMÉRICO NA REGIÃO DE SINOP-MT
Sinop
2015/1
MATHEUS HILLESHEIN DOS SANTOS
ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DO USO DE CIMENTO
GEOPOLIMÉRICO NA REGIÃO DE SINOP-MT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador:
Dr. André Luiz Nonato Ferraz
Sinop
2015/1
LISTA DE TABELAS
Tabela 1:Principais compostos presentes no cimento Portland ...8 Tabela 2: Abatimentos recomendados para diferentes tipos de obras...15 Tabela 3: Quantidade de materiais a serem utilizados na confecção do concreto de cimento Portland ...19 Tabela 4: Quantidade de materiais a serem utilizados na confecção do concreto de cimento Geopolimérico ...20 Tabela 5: Estimativa de custo para a execução dos ensaios ...21 Tabela 6: Cronograma de execução do estudo...22
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Etapas de execução do ensaio de abatimento...14 Figura 2: Aparelho de Vicat...16 Figura 3: Molde de corpo de prova cilindro de dimensão básica 150 mm...17 Figura 4: Influência do fator água/cimento na resistência à compressão do
LISTA DE ABREVIAÇÕES
ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland. CO2 – Dióxido de carbono.
CaCO3 – Calcário.
NaOH – Hidróxido de Sódio. KOH – Hidróxido de Potássio. MPa – Mega Pascal.
NEPAE – Núcleo de ensino da pesquisa da alvenaria estrutural. NM – Normas Mercosul.
NBR – Norma Brasileira.
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Estudo da viabilidade técnica do uso de cimento geopolimérico na região
de Sinop-MT
2. Tema: 3.01.00.00-3 – Engenharia Civil
3. Delimitação do Tema: 3.01.01.00-0 – Construção Civil 4. Proponente(s): Matheus Hilleshein dos Santos
5. Orientador(a): André Luiz Nonato Ferraz
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso 7. Público Alvo: Acadêmicos do Curso de Engenharia Civil
8. Localização: Avenida dos Ingás, 3001 Jardim Imperial, Sinop/MT – CEP:
78555-000.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... III LISTA DE FIGURAS ... IV LISTA DE ABREVIAÇÕES ... V DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... VI 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMÁTICA ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 11 4 OBJETIVOS ... 12 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13
5.1 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND ... 13
5.2 CONCRETO GEOPOLIMÉRICO ... 13
5.3 PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO ... 13
5.3.1 Trabalhabilidade e consistência ... 13
5.4 TEMPO DE PEGA... 15
5.5 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO... 16
5.6 FATOR ÁGUA/CIMENTO (A/C) ... 17
6 MATERIAIS E METODOS ... 19
6.1 ESTUDO EXPERIMENTAL ... 19
6.2 RECURSOS MATERIAIS ... 20
7 CRONOGRAMA ... 22
1 INTRODUÇÃO
O concreto é atualmente um dos produtos mais consumidos nacional e internacionalmente, somente a água potável é mais consumida. Segundo um estudo encomendado pela ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland) seu consumo no Brasil cresceu 180% entre 2005 e 2012, com cerca de 51 milhões de metros cúbicos de concreto sendo produzidos por concreteiras em 2012 (SANTOS, A. 2013). Porém, estes dados não levam em consideração concreto produzidos in loco o que aumentaria consideravelmente este número uma vez que segundo SNIC (Sindicato Nacional da Indústria do Cimento) de janeiro a setembro de 2014 foram utilizados mais de 10 milhões de toneladas de cimento em concreteiras, enquanto que no mesmo período foram distribuídos mais de 39 milhões de toneladas para revendedores e outras finalidades.
Porém esse consumo exacerbado tem levantado preocupações quanto a disponibilidade de cimento Portland no futuro e as implicações ao meio ambiente ocasionadas pela produção do mesmo. Segundo McLellan et al. (2011), cerca de 5-7% das emissões de CO2 mundiais são provenientes da fabricação de cimento. Estas emissões de gás carbônico (CO2) são da ordem de uma tonelada de CO2 emitida na obtenção de uma tonelada cimento (TORGAL; JALALI, 2010). A maior parte dessas emissões tem origem na produção do clínquer, onde calcário (CaCO3) e argila (a base de SiO2, Al2O3 e Fe2O3, em diferentes proporções, vide Tabela 1) são aquecidos a altas temperaturas (cerca de 1500ºC) liberando CO2 e formando o clínquer (DAFICO, D. A., 2012).
Tabela 1 – Principais compostos presentes no cimento Portland
ABREVIAÇÃO FÓRMULA/DENOMINAÇÃO PROPORÇÃO (%)
C3S 3CaO.SiO2 - Silicato Tricálcico 55 - 60
C2S 2CaO.SiO2 - Silicato Dicálcico 15 - 10
C3A 3CaO.Al2O3 – Aluminato Tricálcico 10 - 12 C4AF 4CaO.Al2O3.FeO3 – Aluminato Tetracálcico 8 - 7
Para tentar reduzir essas emissões e o consumo das reservas de calcário foram criados diversos tipos de cimento em que são adicionados outros materiais finos, como escórias de alto forno e argilas pozolânicas, com a finalidade de reduzir a substituir parte do cimento e conferir diversas características ao mesmo. Outra solução são os cimentos álcali-ativados, também conhecidos como cimentos geopoliméricos, que é um tipo de aglomerante estudado desde a década de 50 criado pela polimerização de matérias primas naturais, como caulinita ou feldspato, e resíduos industriais, como cinzas de carvão queimado em termoelétricas, escória de alto forno e resíduos de mineração, que são ricos em aluminosilicatos (SINGH et al, 2015).
Também segundo Singh et al (2015), essa polimerização é obtida misturando ativadores alcalinos, como hidróxido de sódio (NaOH) ou hidróxido de potássio (KOH), a pós de matérias primas ricas em aluminosilicatos, liberando e ligando diversas moléculas de monômero de silicato (SiAlO2) que quando ligadas começam o processo de cura semelhante ao do cimento Portland, obtendo suas características mecânicas.
O cimento geopolimérico tem sido estudado internacionalmente por teoricamente possuir diversas características que o tornam capaz de produzir um concreto até melhor que o concreto produzido com cimento Portland, como alta resistência inicial, contrafogo e abrasão, ser imune a reações álcali-agregado e ganho de resistência de acordo com a temperatura de cura, entre outras (TORGAL; JALALI, 2010). Neste contexto, esta pesquisa visa avaliar algumas destas características comparando-as com o concreto de cimento Portland.
2 PROBLEMÁTICA
Sabendo que o consumo de cimento Portland tem crescido ao longo dos anos e com isso aumentando as emissões de CO2 e consumindo as reservas de calcário se torna necessário o estudo de um aglomerante mais “amigo do ambiente” e que utilize outra fonte de matéria prima. O cimento geopolimérico e se mostra um candidato promissor, com suas características mecânicas sendo teorizadas como tão boas ou melhores que a do cimento Portland, as matérias primas utilizadas são naturais ou resíduos industriais e as emissões de carbono na sua produção são baixas.
Entretanto, por desconfiança em um produto ou muita confiança em um produto antigo, além de outros motivos, este cimento ainda não é muito utilizado no Brasil nem internacionalmente, mesmo com diversos estudos comprovando sua capacidade.
Este projeto de pesquisa pretende buscar informações relevantes na bibliografia existente sobre o tema com o fim de servir de estudo teórico e fundamentar os experimentos necessários para concluir tal pesquisa.
3 JUSTIFICATIVA
Com as crescentes preocupações com questões ambientais nos últimos anos têm se tornado importante o estudo de materiais alternativos que sejam menos poluentes desde a fabricação até a sua utilização e que executem suas funções de forma adequada quando comparado com os materiais já existentes.
O cimento geopolimérico tem sido citado como um dos potenciais substitutos para o cimento Portland, tento em vista sua capacidade mecânica e o fato de sua produção, que pode utilizar até resíduos industriais, segundo McLellan et al (2011), produzir de 5 a 6 vezes menos gases do efeito estufa.
No entanto, este material ainda é utilizado em pequenas quantidades não sendo o suficiente para que seus benefícios ecológicos causem algum impacto significativo. Neste contexto, justifica-se um estudo que avalie suas propriedades mecânicas e para que profissionais da construção civil possam conhecer, confiar e utilizar o cimento geopolimérico.
4 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo estudar um ou mais traços de concreto produzido com cimento geopolimérico com a intenção de executar, a partir de amostras, ensaios de compressão axial, Slump Test para determinar sua trabalhabilidade, taxa de retração com a cura do concreto, comparando os dados obtidos com os dados obtidos em ensaios similares executados com amostras de concreto de cimento Portland.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O concreto é um material bem difundido no ramo da construção civil, fazendo com que fosse foco de um grande número de estudos, de instituições nacionais e internacionais, ao longo dos anos. O concreto geopolimérico por outro lado é mais recente, mas têm sido objeto de diversos estudos.
5.1 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND
É o material resultando da mistura de agregados (areia e brita), água e aglomerante, neste caso o cimento Portland. Segundo Yazigi (2007, p. 214) este material, quando recém misturado, deve possuir propriedades plásticas suficientes para possibilitar seu transporte, lançamento e adensamento. E após o endurecimento deve possuir propriedades mecânicas adequadas as especificações de projeto, entre elas a resistência à compressão, tração e baixa deformação.
5.2 CONCRETO GEOPOLIMÉRICO
De modo semelhante, o concreto geopolimérico também é obtido pela mistura de agregados e aglomerante em um meio aquoso, porém enquanto os agregados permanecem os mesmos o aglomerante passa a ser material em pó rico em aluminosilicatos, como exemplificado anteriormente, e a água é em sua maior parte substituída por uma solução aquosa alcalina, hidróxido de sódio (NaOH) ou hidróxido de potássio (KOH), para ativar a liberação e polimerização do monômero de silicato causando o endurecimento da mistura, as caracteristicas plásticas e mecânicas do concreto GP podem ser obtidas pelos mesmos ensaios usados para o concreto de cimento Portland (SINGH et al, 2015).
5.3 PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO
5.3.1 Trabalhabilidade e consistência
Petrucci (2005, p. 82) e Bauer (2000, p. 270) consideram a consistência como um dos fatores que mais influencia a trabalhabilidade, mas que não deve ser confundido com ela. Petrucci define a trabalhabilidade como a propriedade do concreto fresco que identifica a aptidão para este material ser empregado com determinada finalidade, sem perda da homogeneidade”.
Segundo Bauer (2005, p. 276) diversos fatores podem influenciar a consistência do concreto, desde a granulometria e forma dos agregados, a temperatura do local, a adição ou não de aditivos e o teor água/cimento utilizado.
A consistência do concreto pode ser determinada por vários métodos, como por exemplo, ensaios de penetração, de compactação, de remoldagem e de escorregamento. Porém o mais difundido e prático é o ensaio de abatimento do tronco de cone, também conhecido como Slump Test. (BAUER, 2005, p. 277)
Este ensaio é aplicável a concretos plásticos coesivos que apresentem abatimento igual ou superior a 10 mm. O ensaio consiste em preencher com concreto um tronco de cone com diâmetro de 20 cm na base, 10 cm no topo e 30 cm de altura, em 3 camadas iguais. Essas camadas são adensadas com 25 golpes distribuídos uniformemente utilizando uma haste de 60 cm de comprimento e 16 mm de diâmetro. Quando o molde é preenchido e adensado ele deve ser retirado cuidadosamente na vertical, tomando cuidado para não perturbar o concreto. Após a retirada é medido o abatimento, determinado pela diferença entre a altura do molde e da amostra deformada. (NBR NM 67, 1998, p. 3)
Figura 1: Etapas de execução do ensaio de abatimento Fonte: (Mehta e Monteiro, 2010).
O resultado obtido neste ensaio pode ser comparado com os abatimentos recomendados, na Tabela 2, para verificar a qual tipo de obra este concreto é mais adequado. Pois de acordo com Bauer (2005, p. 270) a trabalhabilidade do concreto envolve fatores relacionados ao tipo da obra e métodos de execução, exigindo abatimentos específicos para cada obra.
Tabela 2: Abatimentos recomendados para diferentes tipos de obras.
Tipo de obra
Abatimento (cm) Máximo Mínimo
Paredes de fundação e sapatas armadas 8 2
Sapatas planas (corridas) e paredes de infra-estrutura 8 2
Lajes, vigas e paredes armadas 10 1
Pilares de edifícios 10 2
Pavimentos 8 2
Fonte: Yazigi, 2009
5.4 TEMPO DE PEGA
A pega é compreendida como a evolução das propriedades mecânicas da pasta de concreto, que se inicia quando a água da mistura inicia sua reação com os compostos do cimento. Esse fenômeno pode ser notado por alterações físicas na pasta, como o aumento da temperatura e aumento da viscosidade. O fim da pega ocorre quando a pasta se torna completamente rígida, deixando de sofrer deformações para pequenas cargas. (Petrucci, 2005)
Conforme Bauer (2005, p. 42) o início e o fim da pega são determinados através do ensaio de penetração utilizand o aparelho Vicat, ilustrado na figura 2. Onde uma amostra da pasta de cimento é penetrada verticalmente por uma sonda com 1 mm² de seção com um peso total de 300 g. Este ensaio deve ser realizado periodicamente para se determinar o início da pega, quando a agulha não ultrapassa o ultimo milímetro até o fundo da amostra, e o fim da pega que ocorre quando a agulha não consegue penetrar a amostra.
Fusco (2008) relaciona que caso o início de pega se dê em menos de 30 minutos a pega é considerada rápida, é considera semirrápida se o tempo for entre 30 e 60 minutos e normal se o tempo exceder 60 minutos. Enquanto o final da pega pode ficar entre 5 a 10 horas.
Figura 2: Aparelho de Vicat. Fonte: (Fusco, 2008)
5.5 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO
Neville e Brooks (2013) consideram a resistência à compressão como a propriedade mais valorizada do concreto, acima de sua durabilidade, impermeabilidade e estabilidade, por essa resistência estar diretamente ligada a qualidade do material.
Araújo (2010, p. 1) lista alguns fatores que influenciam a resistência do concreto, como o consumo de cimento e água na mistura, o grau de adensamento e tipos de agregados e aditivos empregados. Ele ainda expande o tema indicando que a relação água-cimento é responsável pela porosidade do concreto endurecido, influenciando suas propriedades mecânicas, e que concretos que utilizam agregados arredondados ou lisos possuem menor resistência quando comparados com agregados britados.
A resistência a compressão do concreto é determinada através do rompimento de corpos de provas cilíndricos por compressão axial. A idade padrão
dos corpos de prova utilizados neste ensaio dever ser de 28 dias. No Brasil a NBR 5738 normatiza os procedimentos de moldagem e cura destes corpos de prova e a NBR 5739 normatiza o processo de rompimento e aferimento da resistência destes corpos.
Na NBR 5738 de 2003 é normatizado que os corpos de prova devem apresentar altura igual ao dobro do diâmetro, como ilustrado na figura abaixo:
Figura 3: Molde de corpo de prova cilindro de dimensão básica 150 mm. Fonte: (ABNT, 1994)
5.6 FATOR ÁGUA/CIMENTO (A/C)
O fator água/cimento é a relação entre as massas de água e cimento utilizadas no traço do concreto. Segundo Petrucci (2005) é possível reduzir este fator e aprimorar as propriedades do concreto endurecido, de que seja mantida a plasticidade da massa.
Helene e Andrade (2010, p. 923) confirma esse conceito citando concretos de alta resistência à compressão, ultrapassando 40 Mpa, utilizando fatores a/c na faixa de 0,20 ou menores. Estes mesmos pesquisadores citam o trabalho de Treval Powers (1966) onde foi constatado que a resistência a compressão do concreto depende do fator a/c e do grau de hidratação do cimento, porém que o cimento não hidratado, que pode ocorrer da utilização de valores pequenos de fator a/c, não afetam negativamente o desempenho do concreto.
Figura 4: Influência do fator água/cimento na resistência à compressão do concreto. Fonte: (Carvalho et al, 2011)
6 MATERIAIS E METODOS
6.1 ESTUDO EXPERIMENTAL
Todo estudo experimental será realizado nas dependências do laboratório de concreto e solos da UNEMAT, campus de Sinop – MT, sendo dividido nas seguintes fases:
- Fase 01: Preparo do concreto de cimento Portland, com traço de resistência igual à 25 MPa, abatimento de 12 cm e fator a/c 0,40. A determinação das quantidades dos materiais empregados no traço foi calculada com base no método do NEPAE. Os materiais necessários e suas respectivas quantidades se encontram na tabela 3:
Tabela 3: Quantidade de materiais a serem utilizados na confecção do concreto de cimento Portland
Material Quantidade (kg)
Cimento CP II Z32 34,53
Areia Lavada Média 42,13
Pedra Brita Nº 1 76,66
Água 13,81
Fonte: Acervo pessoal.
Deste traço serão retiradas amostras para executar o Slump Test imediatamente após o preparo (tempo 0 min) e posteriormente em intervalos de 30 minutos até atingir duas horas e meia após a mistura, afim de aferir a perda de trabalhabilidade do concreto.
Também serão retirados 3 corpos de prova cilíndricos para serem desmoldados e rompidos com as seguintes idades: 4 horas, 7 dias, 14 dias e 28 dias, totalizando 48 corpos de prova. Estes corpos de prova serão de dimensão 10 x 20 cm (diâmetro x altura) e sua execução seguirá as recomendações da NBR 5738/1994 – Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto, sendo desmoldados 1 dia após a moldagem e submetidos à cura submersa em água, apenas os corpos de prova para a idade de 4 horas serão desmoldados antes do período de um dia para se verificar se o concreto de cimento Portland ganha resistência em tão pouco tempo, tendo em vista que um dos principais pontos positivos do cimento geopolimérico é seu rápido ganho de resistência.
- Fase 02: será prepara o concreto geopolimérico em betoneira, com traço a determinado abaixo, sendo visado usar um traço com proporções semelhantes ao
traço do concreto de cimento Portland a fim de supor que as diferenças em suas características plásticas e mecânicas sejam devidas os diferentes tipos de cimento utilizados e não a traços diferentes.
Tabela 4: Quantidade de materiais a serem utilizados na confecção do concreto de cimento geopolimérico
Material Quantidade (kg)
Precursor 21,13
Ativador alcalino 24,15
Pedra Brita Nº 1 76,66
Areia Lavada Média 42,13
Água 3,04
Fonte: Acervo pessoal.
Para esta fase também serão executados Slump Tests e ensaios de compressão de corpos de prova, seguindo o mesmo padrão utilizado para o concreto de cimento Portland.
- Fase 03: após coletados os dados através dos ensaios realizados, estes serão analisados e comparados através da elaboração de gráficos que relacionem a perda de trabalhabilidade e o ganho de resistência ao longo do tempo para cada tipo de concreto.
6.2 RECURSOS MATERIAIS
Os seguintes itens são necessários para o pleno desenvolvimento deste estudo:
Betoneira;
Conjunto Slump Test;
Moldes para corpos de prova; Prensa hidráulica;
Os equipamentos citados serão disponibilizados pela UNEMAT campus de Sinop, e os matérias utilizados na execução dos ensaios serão custeados pelo autor da pesquisa. O custo estimado para conclusão do estudo está ilustrado na Tabela 4, sendo os preços dos insumos retirados da tabela SINAPI de Mato Grosso de Abril de 2015, exceto o cimento geopolimérico que é vendido por apenas uma empresa no Brasil sendo vendido em conjuntos de precursor em pó (saco de 25 kg) e o ativador em solução (balde de 28,58 kg).
Tabela 5: Estimativa de custo para a execução dos ensaios
Material Consumo Preço unitário (R$) Preço total (R$)
Cimento CP II Z32 34,53 kg 0,51 17,61
Cimento Geopolimérico 3 un. 277,80 833,40
Areia média lavada 84,26 kg 0,02 1,69
Brita nº1 153,32 kg 0,04 6,13
Água 16,85 kg 0,04 0,67
Custo Total (R$) 859,50 Fonte: Acervo Pessoal
7 CRONOGRAMA
A Tabela 6 sintetiza o cronograma definido para a execução das atividades a serem desenvolvidas e seu tempo estimado de conclusão.
A: Estudo teórico de fundamentação e levantamento de materiais e traços. B: Preparo do concreto e retirada dos corpos de prova.
C: Realização do rompimento dos corpos de prova.
D: Analise dos dados obtidos e conclusões sobre o estudo. E: Revisão e entrega da versão final do trabalho.
F: Banca de avaliação do Trabalho de conclusão de curso. Tabela 6: Cronograma de execução do estudo. Atividade a ser
desenvolvida
PERÍODO DE EXECUÇÃO
Jul. 2015 Ago. 2015 Set. 2015 Out. 2015 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 A B C D E F
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5738: Moldagem e
cura dos corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto. Rio de
Janeiro, 1994, 9p.
____. NBR 5738: Concreto - procedimento para moldagem e cura de corpos de
prova. Rio de Janeiro, 2003, 6p.
____. NBR 5739: Concreto - ensaio de compressão de corpos-de-prova
cilíndricos. Rio de Janeiro, 1994, 4p.
____. NBR NM 67: Concreto - determinação da consistência pelo abatimento do
tronco do Cone. Rio de Janeiro, 1996, 11p.
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BAUER, L. A. F. Materiais de Construção: 5 ed. Revisada. Rio de Janeiro: LTC, v.1, 2005. 471p.
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