BETÕES ECO-EFICIENTES COM...

1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 171

BETÕES ECO-EFICIENTES COM RESÍDUOS

JOANA SOUSA COUTINHO

Prof. Associada Labest/SMC-FEUP

Porto - Portugal SUMÁRIO Como se tem vindo a compreender nestes últimos anos as alterações climáticas são uma realidade e a maioria das provas científicas relacionam o aumento da emissão dos gases com efeito de estufa (GEE) com o aquecimento do planeta. O principal GEE é, de facto o CO2. A produção de cimento é responsável por 5 a 8% das emissões de CO2 produzidas pelo Homem, no entanto é imprescindível para o desenvolvimento da Humanidade que o consumo dos ligantes continue a crescer sendo que presentemente o consumo de betão é cerca de 1m3 por pessoa por ano prevendo-se que cresça até um máximo de 16 a 18 bilhões de toneladas por ano em 2050 para uma população de cerca de 10 bilhões. Até lá e para que o desenvolvimento seja sustentável é imprescindível praticar a Ecologia Industrial que consiste em reciclar os resíduos produzidos por uma indústria, para que substituam matérias-primas necessárias a outras indústrias reduzindo, assim, o impacto ambiental de ambas. Assim para tornar a indústria de construção mais “verde” tem sido estudados resíduos e subprodutos com potencial aplicação sobretudo em betão, o material de construção mais usado no mundo. Em particular é importante estudar resíduos que possam substituir parcialmente o clínquer Portland, à semelhança do que já foi feito para outros resíduos como as cinza volante, escórias e sílica de fumo, largamente utilizados em todo o mundo e considerados na normalização internacional. Como exemplos destes resíduos estudados nos últimos anos na FEUP, tem-se o resíduo de vidro ou casco, moído (GP), as cinzas de fundo das centrais de biomassa (WA), as cinzas volantes de biomassa (BFA), as cinzas de casca de arroz (RHA-Rice Husk Ash), as cinzas de cama de frango de casca de arroz (BBA-Brolier Bed Ash), os grits da indústria de pasta de papel entre outros. Apresentam-se neste trabalho alguns programas experimentais relativos a 4 dos resíduos referidos começando pelo resíduo de vidro ou casco, moído, seguindo-se os resíduos agrícolas e as cinzas de fundo de biomassa, sendo que a maioria apresenta potencialidades para constituírem casos práticos de Ecologia Industrial.

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1. INTRODUÇÃO 1.1 Alterações climáticas, emissões GEE, cimento e sustentabilidade Como se tem vindo a compreender nestes últimos anos as alterações climáticas são uma realidade e maioria das provas científicas relacionam o aumento da emissão dos gases com efeito de estufa (GEE) com o aquecimento do planeta. O principal GEE é, de facto o CO2 . Na realidade a radiação solar aquece a superfície da Terra que por sua vez, reflecte energia de volta para o espaço. Parte dessa energia reflectida (quase toda no espectro de infra vermelhos) é aprisionada na atmosfera pelos GEE que possuem bandas de absorção elevada na gama de infravermelhos. A radiação absorvida aquece, então, a zona inferior da atmosfera e portanto aquece também a superfície da Terra ao contrário do que aconteceria sem a existência dos GEE. Existem diversos factos que sugerem que uma grande parte do aquecimento observado no último século é atribuída a actividades humanas tais como [1] (Figura 1):

• Concentrações de GEE: A concentração de CO2 tem evoluído desde a era pré-industrial

com um nível de 280ppm com um crescimento acelerado desde 1950 para um nível de 375 ppm em 2003 (+34%). Na ausência de implementação de medidas de política de controlo climático prevê-se um aumento para 650-1215 ppm de CO2 equivalente em 2100.

• Glaciares, neve e gelo: (Figura 2) De 1850 a 1980 os glaciares do Alpes perderam cerca de

um terço da sua superfície e metade da massa e esta tendência continua, prevendo-se que em 2050 dos glaciares nos Alpes Suíços tenham desaparecido. A extensão da cobertura de neve do hemisfério norte diminui cerca de 10% desde 1966 estimando-se que continue a diminuir no século XXI. A área total de gelo no mar Árctico reduziu em mais de 7% de 1978 a 2003 e estima-se que praticamente não tenha gelo no verão de 2100.

• Aumento do nível da água do mar: Estima-se que, actualmente a subida do nível da água do

mar seja 0.8-3.0 mm/ano e que continue a aumentar ao longo do século XXI até 2.2 a 4.4 vezes o valor actual.


Figura 1: Tendências históricas em termos de concentrações de dióxido de carbono e

temperatura numa escala geológica e tempos recentes [2].

Figura 2: Glaciar de Upsala, Argentina 1928 / 2004 [3].

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O principal GEE é, de facto o CO2 como se pode observar no diagrama apresentado na Figura 3 sendo que a grande parcela de CO2 emitida é consequência da produção de energia necessária sobretudo para aquecimento, electricidade e transportes.

Figura 3: Emissões de gases com efeito de estufa por sector, 2009 [4].

A produção de cimento é responsável por 5 a 8% das emissões de CO2 produzidas pelo Homem, [5]. De facto, na produção de cimento Portland é necessário utilizar combustível, em geral carvão, para se atingirem temperaturas de clinquerização de cerca de 1500ºC. Além disso, durante o processo, uma das matérias-primas, o calcário, decompõe-se quimicamente libertando CO2. Assim, à medida que o consumo de cimento cresce, Figura 4, para ser utilizado em infra-estruturas como sistemas de abastecimento de água e sistemas de esgotos, hospitais, escolas e outros edifícios tais como hotéis ou parques de estacionamento, então também aumentam as emissões de gases com efeito de estufa, dos quais, o principal é o CO2. Note-se que a emissão de CO2 representa presentemente uma das questões ambientais mais importantes sendo que o Protocolo de Kyoto, adoptado na Conferência Internacional para ao Prevenção do Aquecimento Global em 1997, exigia que o Japão, EUA e UE reduzissem até 2010 as suas emissões de gases que provocam efeito de estufa em 6, 7 e 8% respectivamente, comparadas com os níveis de emissões de 1990. Embora alguns países, como reflexo do Protocolo de Kyoto, tenham começado a implementar medidas legais, os objectivos propostos não estavam a ser cumpridos e as emissões de CO2 continuavam a crescer em 2004 [6]. Entretanto em Dezembro de 2009 na Cimeira de Copenhagen apenas se conseguiu um Acordo


e não um tratado legal pois não foi estabelecido um objectivo definido para limitar o aumento de temperatura global nem um ano objectivo de pico de emissões. De facto o Acordo de Copenhagen reconhece a preocupação científica de manter o aquecimento global limitado a 2°C, mas não contêm obrigações em termos de redução de emissões para se alcançar aquele objectivo. Embora o Acordo favoreça o pagamento de países desenvolvidos a países em desenvolvimento para reduzir emissões resultantes da desflorestação e degradação, as propostas anteriores, que visavam limitar o aquecimento global a 1,5ºC e cortar 80% das emissões de CO2 até 2050, foram abandonadas e eliminadas [7]. O betão é o material mais consumido no mundo a seguir à água sendo produzido anualmente cerca de 1 m3 de betão por pessoa [5,8]. Na realidade os betões à base de ligantes hidráulicos, a maioria constituídos por cimento Portland, por serem os materiais de construção mais utilizados a nível mundial em termos de volume têm um impacto gigantesco no ambiente e no desenvolvimento sustentável. O betão é produzido a partir de matérias-primas facilmente disponíveis, é um material de utilização simples que apresenta boas características de resistência e durabilidade tendo-se tornado um material indispensável para a realização de infra-estruturas necessárias à sociedade moderna [1]. Embora o cimento corresponda a apenas 10-15% do betão, em termos de massa, é, de facto, o ingrediente imprescindível como ligante e é determinante em termos de custo do betão e propriedades no estado fresco e endurecido. No entanto, é o constituinte do betão que causa maior carga ambiental. O cimento é produzido em quase todos os países pois a principal matéria-prima, o calcário é uma rocha abundante em praticamente todo o mundo. Os maiores produtores de cimento são os países grandes como a China e Índia e países com uma economia desenvolvida como a União Europeia, Estados Unidos, sendo que mais de 150 países produzem cimento e/ou clínquer [9]. Segundo Mehta e Monteiro [8], a indústria do betão consome anualmente, além do cimento, 9 bilhões de toneladas de areia e rocha e 1 bilhão de toneladas de água de amassadura. Essa indústria de cerca de 11,5 bilhões de toneladas ao ano é a maior consumidora de recursos naturais no mundo. A expectativa é de que o consumo de betão cresça para 16 a 18 bilhões de toneladas por ano em 2050. A exploração, o processamento e o transporte de uma imensa quantidade de agregado, acrescentada aos bilhões de toneladas de matéria-prima necessária para o fabrico do cimento, consumirão grande quantidade de energia e afectarão negativamente a ecologia da Terra. Tanto nos países desenvolvidos como nos países em desenvolvimento, estão a ser implementados gigantescos projectos de construção em áreas metropolitanas, não apenas para novos empreendimentos, mas também para a reabilitação e substituição de estruturas existentes por edifícios para uso residencial, comercial e industrial; sistemas viários (rodovias, ferrovias, pontes, portos, aeroportos, etc.), para transporte de pessoas e de mercadorias; infra-estruturas de saneamento básico, como sistemas de abastecimento de água e esgotos, reservatórios e estações de tratamento de efluentes. As estruturas actuais, destinadas ao uso de um crescente número de pessoas nas principais regiões metropolitanas do mundo, são cada vez maiores e mais complexas. Exigem portanto fundações, vigas, pilares e estacas de grandes volumes. Para esses elementos estruturais, normalmente o betão armado ou pré-esforçado oferece superioridade técnica e económica sobre o aço [8]. Em termos de energia necessária para a produção considera-se que o betão é um material de construção de baixo consumo comparado com outros materiais de construção como por exemplo o aço. A produção de aço exige 40GJ de energia por tonelada enquanto o valor equivalente para betão é de 1.5 GJ [10].

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Em relação aos outros materiais de construção o cimento Portland é reconhecido como sendo um material verde (compatível com o meio ambiente). No entanto, muito precisa de ser feito para reduzir o impacto ambiental da indústria do cimento. O cimento Portland, o principal ligante hidráulico é produto de uma indústria não apenas correspondente a um elevado consumo de energia (4 GJ/t de cimento), mas também responsável por grandes emissões de CO2. 1.2 Ecologia industrial Para reduzir o impacto ambiental da indústria do betão, similar ao que se fez com a energia, a melhor abordagem de longo prazo é procurar a redução do seu consumo. No caso do cimento prevê-se que isto não possa ser uma realidade no futuro muito próximo, mas poderá ser possível no futuro, dentro de 50 anos. Entretanto, para ser adoptada uma abordagem holística para o desenvolvimento industrial sustentável, deve-se começar por praticar ecologia industrial. Simplificando, a prática de ecologia industrial implica reciclar os resíduos produzidos por uma indústria, para que substituam matérias-primas necessárias a outras indústrias reduzindo, assim, o impacto ambiental de ambas [8]. Correntemente, existem vários processos pelos quais resíduos de uma actividade são utilizados noutro processo de produção. Além disso, uma boa parte dos resíduos gerados possui valor comercial se forem adequadamente tratados e, portanto, eventualmente poder-se-á considerar o resíduo como uma matéria-prima potencial noutro processo de produção. Além disso uma grande parte dos resíduos gerados passam a ter valor comercial se forem tratados de forma adequada e portanto poderão ser considerados matéria-prima potencial noutros processos de produção, [11] isto é, subprodutos. O uso vantajoso de resíduos industriais valorizados, isto é, subprodutos, na indústria do betão depende dos requisitos em termos de propriedades do betão mas na realidade o que determina a sua utilização como potencial constituinte são os factores económicos. Estes factores técnicos e económicos são em geral influenciados pelo custo de aterro, custo de transporte e pelos requisitos ambientais existentes [12]. Nos EUA em 2004, foram gerados cerca de 4.2 bilhões de resíduos não perigosos provenientes da agricultura, uso doméstico e exploração mineral. Grande parte destes resíduos é colocada em aterro devido à inexistência de soluções economicamente viáveis. A reciclagem anula o enorme custo de deposição em aterro e também proporciona a conservação de recursos naturais e, nalguns casos, conduz a benefícios económicos e técnicos. Com base em resultados positivos, a indústria do cimento é um sector apto a consumir grandes quantidades de resíduos, desempenhando um papel central em termos de preocupações ambientais [13]. Na realidade já há anos se utilizam adições ou substitutos parciais do clínquer Portland que são resíduos de uma outra indústria e que são valorizados e utilizados no cimento. A utilização de adições com cimento Portland gera produtos de hidratação de elevada superfície específica que conduzem ao refinamento dos poros, reduzem a permeabilidade e portanto aumentam a durabilidade. No entanto, como se sabe, as reacções de hidratação destes materiais em geral são mais demoradas que no cimento Portland e portanto o refinamento dos poros verifica-se apenas se a cura do betão for suficientemente longa [14].


Das adições, as cinzas volantes, escórias de alto-forno, sílica de fumo são as mais bem documentadas, sendo consideradas na regulamentação actual. Mais recentemente tem-se considerado a cinza de casca de arroz e o metacaulino sendo que por exemplo o metacaulino também já é considerado na regulamentação europeia (NP EN 197-1). Adições como a cinza volante, pozolana natural, escória de alto-forno, sílica de fumo e xisto cozido são materiais que, segundo a normalização actual europeia (NP EN 197-1), são designadas por “constituintes principais” dos cimentos correntes, ao mesmo nível do clínquer. Em Portugal a cinza de casca de arroz assim como outros materiais pozolânicos já podem ser utilizados em betão com a publicação da nova versão da NP 4220, desde que sejam cumpridos os requisitos necessários. Os cimentos Portland compostos com adições, que contém um elevado volume de cinzas volantes provenientes de centrais termoeléctricas, ou de escória granulada de alto-forno da indústria do aço, correspondem a excelentes exemplos de ecologia industrial porque oferecem uma solução holística para reduzir o impacto ambiental de várias indústrias [8]. Uma vantagem importante do uso de adições é a relacionada com a durabilidade do betão armado ou pré-esforçado na medida em que algumas adições conferem maior resistência a certas agressões de natureza química pois ao hidratarem consomem hidróxido de cálcio diminuindo o risco de formação de etringite (resultante da combinação de sulfatos com a alumina do cimento ou do agregado na presença de hidróxido de cálcio e água) e diminuindo também o risco de ataque dos álcalis à sílica reactiva do agregado (que também se verifica na presença de hidróxido de cálcio). Também em termos de durabilidade e, concretamente relacionado com a corrosão das armaduras, é sabido que a presença destas adições minerais no betão conduz, em geral, a melhorias significativas da trabalhabilidade e durabilidade do betão armado ou pré-esforçado [15]. Na Europa, os ligantes com cimento Portland e 50% a 70% de escória de alto-forno são bem conhecidas pela durabilidade a longo prazo contra o ataque por sulfatos e ataque pela água do mar. Um estudo recente na América do Norte mostrou que, com materiais e tecnologia convencionais, é possível produzir betão de alto desempenho com cimento, contendo entre 50% a 60% (em massa) de cinza volante. Observe-se que a cinza volante está disponível em grandes quantidades em muitas regiões do mundo. Mais de 300 milhões de toneladas ano de cinza volante estão disponíveis apenas na China e na Índia, que são dois países em que se prevê um elevado consumo de cimento no futuro para atender às necessidades de construção de edificações e infra-estruturas [8]. São também bem conhecidas as propriedades de betão com sílica de fumo. A cinza de casca de arroz (RHA) é mais um exemplo de ecologia (agro) industrial. A RHA é um resíduo agrícola muito abundante na China e na Índia. Note-se que o arroz alimenta metade da população mundial. A RHA é uma pozolana de elevada reactividade produzida por queima controlada da casca de arroz e que pode apresentar diversas vantagens tais como aumento das resistências e da durabilidade, redução de custos nos materiais por economia do cimento e benefícios ambientais. A reactividade da RHA é atribuída ao elevado teor em sílica não cristalina e à elevada superfície específico fruto da estrutura celular das partículas [16]. As previsões para a evolução do consumo dos cimentos, indicam que de 2005 para 2015, haverá redução do consumo do cimento Portland, Figura 4, de 76 para 70%, mas verificar-se-á

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um aumento de 20 para 24% de cimentos contendo adições e também aumento de 4 para 6% do consumo de cimentos especiais como os geopolímeros, cimentos sulfoaluminosos, cimentos belíticos e cimentos de aluminatos de cálcio [17]. Assim a curto prazo, as duas melhores estratégias para se obter uma maior redução nas emissões de dióxido de carbono associada à produção de cimento são de reduzir a quantidade de clínquer no produto final, tanto quanto possível, por meio da maximização da proporção de adições minerais e aumentar o uso de cimentos compostos na construção, em geral. Entre as adições minerais disponíveis, técnica e economicamente aceitáveis, a cinza volante é a que oferece o melhor potencial para uma redução considerável na quantidade de emissões [8] no entanto há que explorar novas vias e investigar em termos de aplicabilidade de outro tipo de resíduos como o vidro moído para substituir parcialmente o clínquer Portland.

Figura 4: Previsões para o consumo de cimento Portland, com adições e especiais [17].

1.3 Durabilidade e Sustentabilidade do Betão – Passado e Futuro A prática da ecologia industrial, apenas oferece uma solução a curto prazo quanto ao desenvolvimento sustentável na indústria do betão. A longo prazo, o desenvolvimento sustentável ocorrerá apenas se houver melhorias profundas na produtividade do uso dos recursos disponíveis. Hawken et al. descrevem o movimento lançado em 1994, denominado “Factor Ten Club”, composto por um grupo de cientistas, economistas e empresários. A visão do “Factor Ten Club” afirma que apenas numa geração, é possível atingir um aumento de dez vezes na eficiência do uso de recursos naturais através da redução em 90% no uso de energia e de materiais. Por exemplo, o projecto e a construção de estruturas com uma vida útil de 250 anos, bem maior que os actuais 50 anos de norma, resultarão em grandes economias de recursos naturais e industriais [8]. Em relação ao estado da durabilidade das estruturas de betão modernas, construídas durante a segunda metade do século XX a situação não é satisfatória e poderão ser tomadas medidas para


melhorar a durabilidade das estruturas que estão a ser construídas hoje. A literatura técnica é pródiga em referências a diversos estudos que descrevem a deterioração prematura do betão, especialmente de estruturas expostas a ambiente industrial e urbano, a sais de degelo e à água do mar. Na grande maioria dos casos, a deterioração do betão foi associada à corrosão do aço da armadura e num número relativamente menor dos casos, a deterioração deveu-se à reacção expansiva álcalis-agregado ou, ainda, à expansão gerada pela acção dos sulfatos. Porque razão é que as estruturas de betão armado começam a deteriorar-se muito mais cedo do que a sua vida útil projectada? Muitos investigadores, incluindo Burrows referem que certas composições de betão de cimento Portland, que normalmente são projectados para se obter elevada resistência nas primeiras idades são muito propensos a fissurar. De acordo com o modelo holístico de deterioração do betão, as ligações entre as fissuras superficiais e as fissuras internas, micro fissuras e poros do betão constituem as rotas preferenciais de penetração de água e iões agressivos, que geram a grande maioria dos problemas de durabilidade. A partir de uma revisão abrangente sobre a durabilidade do betão em obra durante o século XX, Metha e Burrows concluíram que a prática reducionista da construção actual em betão, liderada unicamente por considerações de construção em alta velocidade, é a responsável pela fissuração excessiva e a epidemia relatada de problemas com a durabilidade de tabuleiros de ponte e estacionamentos construídos durante as décadas de 1980 e 1990 (EUA). Desde a década de 1930, o teor de C3S e a finura do cimento Portland puro tem vindo a aumentar gradualmente. As composições de betão actuais contêm um alto teor de cimento Portland que é mais reactivo que anteriormente desenvolvendo elevadas resistência às primeiras idades. Mas este tipo de betão fica, paralelamente, mais sujeito a fissurar por efeitos térmicos relacionados com o calor de hidratação mais elevado, pode apresentar retracção autógena e retracção por secagem. Consequentemente, ao fissurar perde impermeabilidade muito mais cedo do que as composições usadas nas décadas de 40, 50 e 60. O betão de elevado desempenho, com altos teores de cinza volante é um dos produtos das tecnologias emergentes do betão que resultam em produtos sem fissuração apreciável, com melhoria considerável em termos de durabilidade potencial [8] e há que investir na investigação de outros resíduos como por exemplo vidro de forma a praticar a ecologia industrial. Quanto tempo se dispõe para tornar a construção em betão numa indústria sustentável antes da situação global se tornar irreversível em relação às condições extremas de clima que estão a ser geradas pelo crescimento exponencial da taxa de emissões de dióxido de carbono? Uma discussão deste tema exigirá uma revisão do impacto futuro das mesmas três forças: crescimento populacional, urbanização e consumo irresponsável, esbanjador de recursos naturais, que nos levaram ao estado actual de desenvolvimento insustentável. De acordo com as últimas previsões de crescimento populacional, a população da Europa e da América do Norte estabilizou-se, enquanto na Ásia, África e na América do Sul a taxa de crescimento populacional tem vindo a diminuir. Especialistas estimam presentemente que, até 2050, a população do mundo crescerá até cerca de 9 a 10 bilhões antes de entrar numa fase mais estável. Devido à ligação directa entre crescimento populacional e urbanização, prevê-se que aproximadamente três quartos de 10 bilhões de pessoas habitarão em áreas urbanas em

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2050. O relatório mais recente sobre a situação futura das Cidades do Mundo (State of the World Cities – Tabela 14-1) aponta que, com excepção de Tóquio, Osaka, Nova Iorque e Los Angeles, todas as outras megacidades com populações de mais de 10 milhões de habitantes estão situadas em países em desenvolvimento. O crescimento das megacidades cria uma enorme pressão em termos de necessidade de novos edifícios e infra-estruturas nestes países em desenvolvimento [8]. Com a taxa actual de consumo, prevê-se que a necessidade de betão cresça até um máximo em 2050. A partir de então o consumo deve começar a decair, Figura 5, dependendo de quão cedo e seriamente se cumpra a tarefa de introduzir na prática diária de construção os princípios da ecologia industrial e a melhoria da durabilidade das estruturas que estão a ser projectadas e a ser construídas nos dias de hoje. Assim, poderemos ver a luz da sustentabilidade da indústria do betão ao fim de um túnel de 50 anos, desde que os diversos segmentos da indústria da construção superem as barreiras e se integrem rapidamente no movimento para cumprir a tarefa de tornar “verde” toda a indústria da construção [8].

Figura 5: Previsão do crescimento populacional e consumo de betão [8].

2. RESÍDUOS EM BETÃO Para tornar a indústria de construção mais “verde” é necessário praticar a ecologia industrial e investigar a aplicação de resíduos e subprodutos com potencial aplicação sobretudo em betão, o material de construção mais usado no mundo. Em particular é importante estudar resíduos que possam substituir parcialmente o clínquer Portland, à semelhança do que já foi feito para outros resíduos como as cinza volante, escórias e sílica de fumo largamente utilizados em todo o mundo e considerados na normalização internacional. Como exemplos destes resíduos com potencial em termos de ecologia industrial e que tem vindo a ser estudados nos últimos anos na FEUP tem-se os seguintes materiais:

• Resíduo de vidro ou casco, moído, • As cinzas de fundo das centrais de biomassa (WA),


• As cinzas volantes de biomassa (BFA) • As cinzas de casca de arroz (RHA-Rice Husk Ash) • As cinzas de cama de frango de casca de arroz (BBA) • Grits da indústria de pasta de papel

Apresentam-se seguidamente alguns programas experimentais relativos a 4 dos resíduos referidos começando pelo resíduo de vidro ou casco, moído, seguindo-se os resíduos agrícolas cinzas de casca de arroz (RHA-Rice Husk Ash) e cinzas de cama de frango de casca de arroz (BBA) e finalmente um programa experimental referente às cinzas de fundo das centrais de biomassa (WA), com o intuito de demonstrar que é possível praticar a ecologia industrial. 2.1 Resíduos de vidro, casco

2.1.1 O vidro O vidro resulta de uma mistura de diversos materiais inorgânicos naturais que depois de ser submetida a fusão é arrefecida de uma forma controlada obtendo-se num material duro, homogéneo, estável, inerte, amorfo e isotrópico [18]. As matérias-primas normalmente utilizadas na produção do vidro (sodo-cálcico) são sobretudo a areia, o calcário, a dolomite, o feldspato, a alumina calcinada, hidróxido de cálcio, e vidro reciclado (casco). A percentagem de casco usada, varia consoante o fabricante. Normalmente usa-se entre 25 e 30%, sendo objectivo de muitos fabricantes atingir os 50% [19].

Figura 6: Estrutura do vidro [20]. A variação na composição resulta numa enorme variedade de tipos de vidro, famílias ou grupos, e uma variedade de propriedades correspondentes. As propriedades do vidro dependem sempre da sua composição, permitindo a partir de um conjunto de requisitos exigidos por uma aplicação específica adaptar a composição correspondente. .

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Os vidros podem ser classificados de acordo com a sua composição, como se pode verificar na Tabela 1, sendo maioritariamente do tipo sodo-cálcico (80% em massa). Também os resíduos de vidro são maioritariamente do tipo sodo-cálcico [21].

Tabela 1: Composição química de vidros comercializados [22].

Vidro e utilizações SiO2 AL2O3 B2O3 Na2O K2O MgO CaO BaO PbO

Vidro sodo-cálcico

Recipientes 66-75 0,7-7 12-16 0,1-3 0,1-5 6-12

Folha 73-74 13,5-15 0,2 3,6-3,8 8,7-8,9

Chapa 71-73 0,5-1,5 12-15 1,5-3,5 8-10

Lâmpadas leves 73 1 17 4 5 Temperado resistente ao calor 75 1,5 14 9,5

Borosilicatado Equipamento químico 81 2 13 4

Farmacéutico 72 6 11 7 1 Selante de tungstênio 74 1 15 4

Vidro com chumbo

Funil de Tv a cores 54 2 4 9 23

Tubos de neon 63 1 8 6 22

Peças electrónicas 56 2 4 9 29 Equipamento óptico 32 1 2 65

Vidro com bário

Painel TV a cores 65 2 7 9 2 2 2 2 Equipamento óptico 36 4 10 41 Vidro com alumino-silicato Tubos de combustão 62 17 5 1 7 8

Fibra de vidro 64,5 24,5 0,5 10,5 Substrato para resistências eléctricas 57 16 4 7 10 6


2.1.2 Casco de vidro como agregado e como adição O vidro é, de uma maneira geral, composto sobretudo por sílica amorfa (cerca 70%) e quantidades inferiores de óxidos de sódio e cálcio apresentando uma composição favorável ao desenvolvimento da reacção pozolânica. Comparativamente com as cinzas volantes, o vidro tem mais SiO2, CaO e Na2O, mas menor quantidade de alumínio e ferro (Al2O3 e Fe2O3) [21]. De facto é o teor de Na2O que pode causar apreensão pois em qualquer cimento ou adição é importante controlar o teor deste composto (> 0,6% da massa do cimento) em virtude da possibilidade da reacção álcalis-silica, ASR. Os álcalis do cimento Portland e a sílica do vidro reagem na presença de humidade correspondendo a uma reacção química denominada álcalis-sílica (ASR). Por esta razão, estudos com o uso de vidro em betão para substituir parcialmente o agregado grosso nem sempre tiveram bons resultados devido à redução da resistência e à expansão excessiva [23]. A acumulação progressiva de resíduos de vidro e consequentes questões ambientais [24] tem incentivado vários estudos com o intuito de avaliar o uso de vidro como substituição parcial de cimento e substituição parcial de agregados finos. No caso de agregado fino, tem vindo a ser comprovado experimentalmente que a expansão do betão é tanto maior quanto menor o tamanho da partícula, até a um diâmetro aproximadamente de 75 µm, sendo que para valores inferiores a reacção desenvolve-se de forma mais dispersa e sem grandes expansões [25,26]. Segundo Taha e Nounu [27] no que se refere ao facto de apesar do conteúdo inicial em álcalis ser substancialmente maior quando se utiliza pó de vidro comparativamente com cimento e a expansão ASR resultante ser muito inferior, a explicação deste fenómeno reside no facto de que o consumo de álcalis para formar gel de silicatos de cálcio hidratados durante a reacção pozolânica ocorre mais cedo do que a ASR, e por isso, não existirá álcalis disponíveis para provocar ASR como representado na Figura 7.

Figura 7: Modelo ilustrativo do consumo de álcalis na reacção pozolânica durante as primeiras

4 semanas [27].

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Em relação às outras propriedades como a resistência tem-se observado de um modo geral que para taxas de substituição de 5 a 30% de cimento Portland por pó de vidro as resistências são inferiores à das argamassas ou betão de controlo, isto é, com 0% de substituição, como aliás se verifica com outras pozolanas. Também se tem observado que as resistências diminuem mais para taxas de substituição superiores, mas aproximam-se dos valores de controlo para idades avançadas [24, 28, 29, 30]. No que respeita à penetração de cloretos de uma maneira geral a resistência aos cloretos com pó de vidro é muito maior que o betão ou argamassa de controlo e aumenta com a finura e com a taxa de substituição sobretudo par idades mais avançadas em que a reacção pozolânica está mais completa [24, 29]. A maioria dos estudos existentes recomenda, portanto, a utilização de resíduo de vidro apenas como pó fino. As partículas muito finas de vidro geralmente apresentam actividade pozolânica benéfica para o betão, enquanto partículas grossas são geralmente nocivas devido à ASR. Embora o uso de vidro como pó fino seja uma solução eficaz em betão, para se obter uma finura adequada, o processo de moagem do vidro representa um custo significativo [23]. Nos pontos seguintes apresentam-se os resultados da primeira fase do trabalho experimental levado a cabo na FEUP: LABEST e LEMC de modo a definir o comportamento de pó de vidro processado em laboratório a partir de caco de vidro proveniente de uma indústria de reciclagem de caco de vidro dos arredores da cidade do Porto. 2.1.3 Trabalho Experimental 2.1.3.1 Introdução Os ensaios realizados com pó de resíduo de vidro moído consistiram no processamento mecânico do material por moagem seguido de caracterização através da determinação das seguintes características do material:

• Composição química • Análise granulométrica por difracção laser • Análise por difracção de raios X • Pozolanicidade • Tempos início e fim de presa • Expansibilidade

Para as argamassas produzidas com substituição parcial de cimento Portland (0%, 10% e 20%) por pó de resíduo de vidro assim como por 10% de sílica de fumo comercial foram avaliadas as seguintes propriedades:

• Trabalhabilidade • Resistência à flexão e compressão e índice de actividade pozolânica • Absorção de água por capilaridade • Coeficiente de difusão de cloretos • Profundidade de carbonatação acelerada


2.1.3.2 Materiais No trabalho presente foi utilizado pó de vidro obtido a partir de resíduos de vidro de uma indústria de reciclagem de caco de vidro (A. J. Oliveira) onde o caco é sobretudo proveniente de indústrias vidreiras que produzem produtos como folha de vidro para janelas, painéis, pavimentos e produtos de vidro para a indústria automóvel. O caco é processado mecanicamente por esmagamento, Figura 8, obtendo-se material granular um mais grosseiro e outro de mais finura. Tendo sido recolhidas amostras deste material mais fino foi então submetido a um processo de moagem em laboratório. Tomando-se uma massa constante de 1kg de cada vez, utilizou-se um moinho de bolas cerâmicas durante 48 horas tendo-se obtido um pó de vidro, GP, de composição química apresentada na Tabela 2, de granulometria obtida por difracção laser representada na Figura 9 e algumas características granulométricas na Tabela 3. O GP também foi analisado por difracção de raios X como se pode observar na Figura 11. A técnica de difracção de raios X baseia-se na identificação das fases cristalinas com base na sua estrutura cristalográfica. A análise do espectro permite constatar que o material é essencialmente amorfo, como seria de esperar tratando-se de vidro. Eventualmente é possível identificar vestígios da presença de quartzo e calcite. Foi também realizado o ensaio de pozolanicidade de acordo com a NP EN 196-5 em que se considerou uma mistura de 90% CEM I 42.5 R e 10% de GP que resultou positivo, Figura 12. O cimento Portland CEMI 42,4R (SECIL) utilizado apresenta composição de acordo com a Tabela 2, granulometria por difracção laser representada na Figura 10 e algumas características granulométricas na Tabela 3. A massa volúmica de 3.16 g/cm3 foi avaliada segundo a especificação do LNEC E64 (LNEC E64) de acordo com a norma europeia (NP EN 196-5). A sílica de fumo comercial utilizada, Sprayset da Fosroc, foi utilizada como adição padrão uma vez que é das adições pozolânicas com, em geral, melhor desempenho em betão. A massa volúmica avaliada segundo a especificação do LNEC E64 (LNEC E64) resultou num valor de 2.20 g/cm3

.

A areia utilizada foi areia normalizada CEN siliciosa de grão arredondado e com granulometria de acordo com a regulamentação (NP EN 196-1). O superplastificante utilizado foi Sika ViscoCrete 3008.

186 JMC’2011

Figura 8: Processamento mecânico de caco de vidro.

Tabela 2: Análise química de GP segundo a EN 196-2.

Composição CEM I 45.2R GP

Perda ao fogo 2,61 0,92

Resíduo insolúvel 1,33

SiO2 20,36 70

Al2O3 5,1 1,2

Fe2O3 3,12 0,65

CaO 62,72 8,7

MgO 1,81 3,7

Na2O 16

K2O 0,35

SO3 3,44 <0,05

Cl 0,012 <0,005

Óxido de cálcio livre 1,62


Figura 9: Granulometria laser do GP.

Figura 10: Granulometria laser do cimento CEMI 42,5.

Tabela 3: Parâmetros das granulometrias do cimento e do pó de vidro d(0.1) (µm) d(0.5) (µm) d(0.9) (µm) CEM I 42.5R 1,495 11,063 33,927 GP 1,776 10,186 34,108

Figura 11: Espectro de difracção de raios X de GP.

188 JMC’2011

Figura 12: Diagrama do ensaio de pozolanicidade de GP10. O ponto correspondente a um

ligante com 10% de GP e 90% de cimento CEMI 42,5R situa-se abaixo da curva de concentração de saturação em óxido de cálcio, pelo que o ligante é pozolânico.

2.1.3.3 Tempos de início e fim de presa e expansibilidade em pastas Os tempos de início e fim de presa e expansibilidade foram determinados para os três tipos de ligantes com 0, 10 e 20% de substituição de cimento Portland por GP (massa), designados aqui, respectivamente, por CTL, GP10 e GP20. Seguiu-se a regulamentação actual NP EN 196-3. Apresentando-se os resultados na Tabela 4 assim como os valores correspondentes aos requisitos regulamentares. Os tempos de presa das pastas com GP não diferem muito do controlo, apenas ocorrem 10 e 15 minutos mais cedo portanto em concordância com o limite imposto para este tipo de materiais segundo a regulamentação actual (NP 42209 que é o tempo do controlo mais 120 minutos.

Tabela 4: Tempos de início e fim de presa, expansibilidade e requisitos regulamentares.

Pastes w/c Consistência normal (mm)

Tempo de início de presa

Tempo de fim de presa

Expansibilidade mm

CTL 0,28 8 2h30m 3h35m 0,12

GP 10 0,29 7 2h20m 3h25m 0,03

GP 20 0,30 8 2h15m 3h35m 0,30

Requisito regulamentar <4h30m

Requisito regulamentar

<10mm

NP 4220 NP 4220 e

NP EN 197-1


2.1.3.4 Produção de argamassa e trabalhabilidade Confeccionaram-se quatro tipos de argamassas com composições equivalentes, uma de controlo (CTL), com 100% de cimento Portland, a segunda argamassa com 10% do cimento substituído por GP (GP10), a terceira argamassa em que 20% do cimento foi substituído por GP (GP20) e a quarta argamassa (SF) correspondeu à substituição de 10% do cimento Portland por sílica de fumo comercial. O traço em peso das argamassas foi 1:3:0.5, a areia utilizada foi areia normalizada CEN embalada em sacos selados de 1350 gr. A trabalhabilidade foi medida através do ensaio descrito em ASTM C 190/90e ASTM 230 tendo-se imposto limites dentro do intervalo do valor médio da argamassa CTL ± 10mm. Verificou-se que a trabalhabilidade aumentava com a substituição do cimento por GP mas a argamassa SF demonstrou perda de trabalhabilidade pelo que foi necessário, neste caso, adicionar superplastificante de modo a manter a trabalhabilidade dentro dos limites estabelecidos. Apresenta-se na Tabela 5 a composição e trabalhabilidade. Para cada tipo de argamassa foram confeccionados provetes prismáticos normalizados (40 × 40 × 160 mm) e cilíndricos de 100 mm diâmetro e 50 mm de altura de acordo com os ensaios a realizar. O procedimento de produção dos provetes foi baseado na norma NP EN 196-1. A amassadura foi realizada mecanicamente, num misturador com dimensões e características especificadas na norma e segundo o procedimento determinado, excepto no que concerne ao tempo de mistura das argamassas SF que totalizou 7 minutos em vez dos 4 normalizados, para garantir uma completa homogeneização e mistura do superplastificante aumentando os 60 segundos finais de movimento rápido em 180 segundos.

Tabela 5: Composição e trabalhabilidade das argamassas.

Materiais/Argamassas CTL SF10 GP10 GP20

Cimento C (g) 450 405 405 360

SF (g) 0 45 0 0

GP (g) 0 0 45 90

Areia (g) 1350 1350 1350 1350

Água W (ml) 225 225 225 225

SP/C (%) 0 0,34 0 0

W/C 0,5 0,5 0,5 0,5 Trabalhabilidade (mm) 200±0.6 197±0.6 205±1.0 205±0.6

2.1.3.5 Resistências mecânicas e Índice de Actividade As resistências mecânicas foram determinadas aos 7, 28 e 90 dias segundo o procedimento da norma NP EN 196-1 e os resultados encontram-se representados nas Figuras 13 e 14. O índice de actividade (IA), Figura 15, corresponde à comparação da resistência à compressão a uma dada idade, de uma argamassa produzida com uma percentagem substituição de cimento

190 JMC’2011

Portland por GP com a resistência à compressão de uma argamassa equivalente de cimento Portland, com a mesma idade neste caso aos 28 e 90 dias. Como se pode constatar as resistências das argamassas GP foram inferiores à de CTL nas idades mais jovens, 7 e 28 dias, tanto mais baixas quanto maior a taxa de substituição do cimento Portland por GP. No entanto para os 90 dias as argamassas GP apresentaram um grande aumento da resistência, tanto mais intenso quanto maior a percentagem de substituição de GP, tendo atingido os níveis das resistências de CTL a essa idade. Embora a argamassa contenha muito menos cimento Portland a evolução da resistência entre 1 e 2 meses é muito significativa em condições de cura à semelhança do que se verifica com outras adições pozolânicas.

Figura 13: Resistência à compressão aos 7, 28 e 90 dias.

Figura 14: Resistência à flexão aos 7, 28 e 90 dias.


Figura 15: Índice de actividade aos 28 e 90 dias.

2.1.3.6 Absorção por Capilaridade As características de transporte através da camada superficial do betão desempenham um papel fundamental na durabilidade do betão armado e são controladas por três mecanismos, absorção capilar, permeabilidade e difusão. Em geral o betão é tanto mais durável quanto maior resistência oferecer à penetração de agentes agressivos (água, cloretos, oxigénio e dióxido de carbono) [31]. Para avaliar a absorção por capilaridade foi adoptada, na parte aplicável, o procedimento descrito na recomendação RILEM TC116 – PCD [32] mas em provetes cilíndricos de 100 mm de diâmetro e 50 mm de altura em vez dos provetes cúbicos recomendados. Depois de curados em água a 20 ºC durante 2 meses (em vez de 28 dias), foram secos numa estufa a 40 ºC até massa constante. Depois de arrefecerem até 20 ºC, os provetes foram colocados em contacto com uma película de 3 mm de água como esquematizado na Figura 16. Realizaram-se então, pesagens sucessivas de cada provete até às 4 ½ horas. A absorção de água por capilaridade no betão é dependente da raiz quadrada do tempo e pode ser modelada pela seguinte equação:

A = a0 + S.t0.5 (1) Em que: A (mg/mm2) é a absorção da água por unidade de área da secção em contacto com a água, S é o coeficiente de absorção por capilaridade em mg/(mm2×min.0.5), t é o tempo passado desde o instante inicial (minutos) e a0 é a água inicialmente absorvida pelos poros superficiais (mg/mm2). Após o traçado das curvas de absorção (A versus t 0,5), Figura 17, determinaram-se por regressão linear, os coeficientes de absorção capilar, S, representados na Figura 18, tendo-se verificado no ajuste, uma correlação superior a 0,98.

192 JMC’2011

Reservatório da água

Torneira que regula a entrada de água no

reservatório

Tubo de entrada da água no reservatório dos provetes

Reservatório dos provetes

Tubo de saída da água do reservatório dos provetes

Figura 16: Ensaio de capilaridade para determinação dos coeficientes de permeabilidade.


Figura 17: Curvas de absorção capilar para 4 ½ horas.

Figura 1: Valores médios do coeficiente de absorção de cada tipo de argamassa.

Os resultados obtidos aos 2 meses indicam que as argamassas GP apresentam uma absorção capilar idêntica à de CTL e que a sílica de fumo apresenta um resultado um pouco melhor. 2.1.3.7 Determinação da permeabilidade aos cloretos A permeabilidade aos cloretos foi determinada através de um método de migração em estado não estacionário, desenvolvido por Luping e baseada numa relação teórica entre os fenómenos de difusão e migração. O coeficiente de difusão no estado não estacionário (Dns) é calculado

194 JMC’2011

segundo a E LNEC 462 [33] após um ensaio de migração em que se determina a profundidade de penetração de cloretos (xd) por titulação, com uma solução de nitrato de prata nas superfícies dos provetes abertos por compressão linear. A diferença de potencial utilizada no ensaio de migração foi de 30V e o tempo de ensaio foi de 24 horas para as argamassas de CTL e GP10 e 60V com duração de 48 horas para as argamassas de SF e GP20, valores de acordo com as intensidades de corrente lidas inicialmente e segundo a especificação do LNEC, tendo os provetes de argamassa sido previamente saturados. No ensaio de migração os iões cloretos são forçados a migrar de uma solução NaCl em contacto com uma das faces do provete e submetido a uma carga negativa, através da argamassa até à outra face onde se encontra uma solução NaOH carregada positivamente, Figura 19.

Figura 2: Ensaio da resistência à penetração de cloretos.

O cálculo do coeficiente de difusão aparente (Dns) (equação 2) é determinado a partir da profundidade de penetração de cloretos (xd), apresentando-se os resultados aos 2 meses na Figura 20.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+

−−

+=

2UT)Lx(273

0.0238x2)t(U

T)L0.0239(273D ddns

(2)

Onde, Dns é o coeficiente de difusão no estado não estacionário (10-12 m2/s), U é o valor absoluto da voltagem aplicada (V), T é o valor médio das temperaturas inicial e final na solução anódica (ºC); L é a espessura do provete (mm), xd é o valor médio da profundidade de penetração (mm) e t é a duração do ensaio (horas).


Figura 3: Coeficientes de difusão de cloretos, Dns.

Os resultados obtidos revelam que GP tem um efeito importante na resistência à penetração de cloretos equivalente à sílica de fumo.

2.1.3.8 Carbonatação acelerada O ensaio de carbonatação acelerada foi realizado segundo os procedimentos descritos na especificação do LNEC E 391 [34], na parte aplicável. Três provetes (40 × 40 × 160 mm) de cada tipo de argamassa após cura 2 meses em água na câmara húmida, foram transferidos para uma câmara de carbonatação mais quatro meses, à temperatura de aproximadamente 23 ± 30C, humidade relativa de 60 ± 5% e com uma concentração de CO2 de 5%. Terminado esse período, foi cortada uma fatia de 0,5 cm do topo de cada provete, e pulverizada com uma solução de fenolftaleína e medidas as profundidades de carbonatação, Figura 21, onde se apresentam os valores médios obtidos para cada tipo de argamassa. Como se pode verificar a carbonatação é maior para ar argamassas com adições.

Figura 4: Profundidade de carbonatação ao fim de 2 e 4 meses na câmara de carbonatação

acelerada após 2 meses de cura.

196 JMC’2011

2.1.3.9 Resistência à reacção álcalis-sílica Para avaliar a resistência à reacção álcalis-sílica, ASR, foi realizado o ensaio acelerado da barra de argamassa segundo a norma ASTM C 1260, em 2 provetes de 2.5×2.5×250 mm para cada tipo de argamassa. Este método pode de facto ser utilizado para avaliar o efeito de adições na redução da expansão causada por ASR [35]. Porém foram realizadas algumas alterações que deverão ter tido uma influência desprezável nos resultados, nomeadamente na proporção de materiais secos a usar na amassadura, onde o traço em massa deveria ser 1:2,25: 0,47 mas foi preferido o traço referido na NP EN 196-1. A areia utilizada (CEN) apresenta uma granulometria diferente da preconizada na ASTM 1260. O procedimento de amassadura foi realizado também de acordo com a NP EN 196-1. Após medição da trabalhabilidade os moldes forma cheios com duas camadas compactadas e no dia seguinte desmoldaram-se os provetes e colocaram-se em banho de água a 80±2.00C durante 24h tendo então sido feitas as primeiras leituras. Os provetes foram, de seguida, colocados em solução de hidróxido de sódio a 800C e realizadas leituras (Li) diárias, Figura 22, durante 14 dias nas 4 faces de cada provete, permitindo determinar o comprimento real Lx de cada provete. A expansão, e, de cada provete corresponde à diferença entre o comprimento médio em cada dia e a leitura zero, L0, em percentagem.

(3)

(4) Os resultados das expansões ASR ao longo do tempo apresentam-se na Figura 23 e as expansões finais na Figura 24. Com a realização deste ensaio em que a temperatura (80ºC) e a alcalinidade elevada (1 N NaOH) aceleram a reacção, pretende-se avaliar o efeito da adição GP na redução da expansão causada por ASR.

Figura 22: Ensaio de resistência a reacção álcalis-sílica, ASR.


Figura 5: Expansões causadas pelo ensaio acelerado ASR.

Figura 6: Expansões causadas pelo ensaio acelerado ASR.

Com a realização deste ensaio em que a temperatura (80ºC) e a alcalinidade elevada (1 N NaOH) aceleram a reacção, pretende-se avaliar o efeito da adição GP na redução da expansão causada por ASR. De facto foi possível compreender que a areia CEN utilizada é reactiva da classe II (agregado potencialmente reactivo) segundo a especificação E-461-3 do LNEC e que GP reduz a expansão tanto mais quanto maior a percentagem de substituição atingindo quase o nível da SF para GP20.

Classe I

Classe II

198 JMC’2011

2.1.4 Discussão e Conclusões De acordo com a norma portuguesa NP 4220, para que um material como o pó de vidro seja considerado uma adição do Tipo II no fabrico de betão estrutural, de argamassas e caldas que obedeça a uma série de requisitos químicos e físicos referidos na Tabela 6.

Tabela 6: Requisitos químicos e físicos para uma adição do Tipo II e valores encontrados para o pó de vidro

Propriedade

NP 4220 GP Comentários

Cl ≤ 0,10 % <0,005 SO3 ≤ 3,0 % <0,05 CaO livre ≤2,5%

CaO reactivo ≤10% 8,70%

Só é conhecido o teor total.

SiO2 - 70% SiO2+Al2O3+Fe2O3 - 71,82%

NaO2eq (1) ≤5% 17% Embora ultrapassado o limite, GP mitiga

ASR Perda ao fogo

≤ 9 % 0,92%

Requisitos químicos

Pozolanicidade Positiva Positiva

Finura ≤ 40% retido peneiro 0,045mm ok Por laser

d(50)=0,01mm

Índice de actividade

≥% do cimento de referencia ko

Muito perto do limite aos 28d e acima aos 90d

Tempo de início de presa

lower than 120min+setting

time of reference paste

ok Lower than max

limit in NP EN 450-1 and NP4220

Requisitos físicos

expansibilidade ≤10mm ok A principal preocupação a nível químico reside no facto do teor de álcalis ser muito elevado. No entanto como verificado o GP mitiga a reacção ASR como alias já referenciado por diversos autores. A questão do óxido de cálcio livre cujo teor é desconhecido, também não parece ser problema uma vez que a expansibilidade é muito abaixo do limite de 10mm, como verificado. O Índice de actividade resultou um pouco abaixo do desejado. De facto para os 28 dias e considerando as classes de pozolanicidade da NP 4220, a classe POZ 90/10, o Índice de actividade resultaram em 88%, não atingindo marginalmente os 90% regulamentares. O mesmo se verificou para o GP20 em que considerando a classe POZ 80/20, o Índice de


actividade resultou em 78% e não nos 80% regulamentares. Supõe-se que esta questão poderá ser ultrapassada com uma moagem ligeiramente mais prolongada de modo a aumentar a finura. Encontra-se em desenvolvimento mais programas de ensaios. Note-se que os resultados dos vários ensaios descrito no trabalho presente estão, de um modo geral, de acordo com os de outros autores que tem vindo a estudar o pó de vidro como adição, como se pode verificar em [37]. Em termos de resistência e durabilidade apresentam-se os resultados comparando o efeito de 10 e 20% de GP e também SF com a argamassa de controlo, CTL, segundo cada propriedade analisada, na Tabela 7 e Figura 25.

Tabela 7: Desempenho (%) das argamassas com adição SF, GP10 e GP20 comparando cada propriedade analisada com a propriedade da argamassa de CTL.

Propriedade CTL SF GP10 GP20 R7 (MPa) 44,75 39,58 36,35 29,79 Desempenho - -12% -19% -33% R28 (MPa) 53,29 52,50 47,05 41,73 Desempenho - -1% -12% -22% R90 (MPa) 53,63 60,58 50,82 54,27 Desempenho - 13% -5% 1% Carbonatação (mm) 2m 1,30 3,29 3,20 3,32 4m 3,01 7,25 4,91 7,94

- -153% -146% -155% Desempenho - -141% -63% -164%

Dns (x10-12 m2/s) 16,17 9,01 9,52 7,81 Desempenho - 44% 41% 52% ASR (%) 0,1771 0,0344 0,13045 0,041 Desempenho - 81% 26% 77% S (mg/(mm2.min1/2)) 0,0477 0,0395 0,0471 0,048 Desempenho - 17% 1% -1%

200 JMC’2011

Figura 25: Desempenho (%) das argamassas com adição SF, GP10 e GP20 comparando cada

propriedade analisada com a propriedade da argamassa de CTL. Os resultados indicam portanto, que o pó de vidro embora possa causar problemas em termos de carbonatação à semelhança de outras pozolanas, é uma adição altamente eficaz no que respeita sobretudo à resistência à penetração de cloretos e também à prevenção da reacção álcalis-sílica. 2.2 Resíduos agrícolas: RHA, Cinza de Casca de Arroz e BBA, Cinza de Cama de Frango A casca de arroz é um dos resíduos agrícolas mais abundantes a nível mundial que não possui aplicação directa, porém pode ser utilizada sob a forma de cinza, com características pozolânicas, como substituto parcial de cimento Portland [38-42]. A cinza de casca de arroz, RHA, produzida por queima controlada apresenta diversas vantagens tais como aumento da resistência e durabilidade, redução de custo dos materiais devido ao menor consumo de cimento Portland e benefícios ambientais. A reactividade de RHA é atribuída ao elevado teor de sílica amorfa e também à elevada superfície específica consequência da estrutura celular das suas partículas, [43-46], Figura 26. Quando se adicionam materiais pozolânicos ao cimento Portland, a sílica presente reage com o hidróxido de cálcio libertado durante a hidratação do cimento e formam-se mais silicatos cálcicos hidratados que são novos produtos de hidratação e que melhoram as propriedades do betão [47]. A casca de arroz é um resíduo agrícola que corresponde a cerca de 1/5 de 300 milhões de toneladas de arroz produzidas anualmente em todo mundo [38, 39]. Tendo em conta as suas características físicas e químicas, tais como baixa densidade, carácter abrasivo, valor nutritivo reduzido, alto teor em sílica, apenas um volume reduzido da casca produzida pela orizicultura é aproveitado, criando problemas consideráveis a nível de depósito destes detritos [39]. Cerca de 2.0*106J/kg de energia calorífica é produzida no processo de combustão da casca de arroz resultando em até cerca de 20% de cinza, com elevado teor em sílica. Dependendo da eficiência da combustão, a cinza pode conter até 95% de sílica [38,40].


Figura 26: Cinza de casca de arroz - RHA. Fotografias em microscópio electrónico. Observa-se

a estrutura celular, causa de elevada superfície específica da cinza [48]. Diversas alternativas de utilização da cinza da casca de arroz têm sido sugeridas, sendo a mais promissora a sua utilização na indústria cimenteira como constituinte principal juntamente com o clínquer moído, devido ao elevado teor de sílica que as cascas possuem [39]. Sendo certo que no futuro a médio prazo nunca poderá ser prescindido o uso de cimento, substitutos como a CCA constituirão um recurso útil em países produtores deste alimento, mas com poucas capacidades económicas para o fabrico ou mesmo importação de cimento. Neste caso este constituinte do betão tem a vantagem de poder ser produzido quase artesanalmente [42]. A CCA apresenta potencial na indústria cimenteira, não só como uma forma de solucionar o problema a nível de depósito destes detritos da orizicultura mas também como criação de novos empregos, reduções de custos económicos e energéticos [38, 39, 41, 42] e sobretudo ambientais, constituindo mais um exemplo de ecologia industrial. Note-se que já foram desenvolvidos diversos trabalhos na FEUP com utilização deste resíduo agrícola [16, 49-58] tendo sido o Ilustre Mestre desta casa e grande impulsionador do estudo dos Materiais de Construção, Professor Joaquim da Conceição Sampaio que iniciou em Portugal, o estudo deste material como substituto parcial do cimento. A cama de frango (BB, Broiler Bed) é o produto resultante da mistura dos excrementos das aves e restos de alimentos com fragmentos de material sólido e orgânicos utilizados sobre o pavimento dos aviários de criação. Além desses constituintes, normalmente, são encontrados penas e resquícios epidérmicos. Na Figura 27 apresenta-se uma foto de cama de frango de casca de arroz e cinza de cama de frango de casca de arroz, BBA [59].

202 JMC’2011

Figure 27: Cama de frango de casca de arroz, à esquerda e cinza de cama de frango de casca de arroz, BBA, à direita [59].

2.2.1 Trabalho Experimental Embora tenha sido realizado, como referido, um conjunto de programas experimentais referentes a argamassas e betões contendo RHA [16, 49-58] apenas se apresentam resultados referentes a um dos estudos, em betão leve com cinza de casca de arroz, RHA e cinza de cama de frango de casca de arroz, BBA, como substituto parcial de cimento Portland (0% e 10%). Apresentam-se a análise química na Tabela 8 e as curvas granulométricas a laser nas Figuras 28 e 29 de RHA e BBA.

Tabela 8: Análise química por fluorescência de raios X [59] RHA BBA % % SiO2 91,8 37,7 Al2O3 0,06 1,3 Fe2O3 0,09 0,67 CaO 1,02 15,4 Na2O 0,06 2,79 K2O 1,73 6,64 MnO 0,31 0,16 TiO2 - 0,06 MgO 0,42 4,23 P2O5 0,94 13,9 SrO 0.01 0,11 Perda ao fogo 2,86 11,7


Figure 28: Granulometria laser da RHA [59].

Figure 29: Granulometria laser da BBA [59].

Nestes ensaios manteve-se a trabalhabilidade do betão, ajustando a quantidade de superplastificante e as propriedades analisadas no betão foram as seguintes:

• Resistência à flexão e compressão e índice de actividade • Absorção de água por capilaridade • Coeficiente de difusão de cloretos • Resistividade • Profundidade de carbonatação acelerada

Note-se que a resistividade, ainda não referida anteriormente, é um parâmetro que contribui para a caracterização da durabilidade do betão. Quando a rede porosa do betão se encontra totalmente saturada, a corrente eléctrica flui com maior ou menor facilidade de acordo com a natureza e conectividade dos poros. Como nos ensaios de permeabilidade aos cloretos os provetes se encontram em condições de saturação total, a partir do conhecimento do valor da intensidade de corrente, dos parâmetros geométricos e da diferença de potencial é possível determinar a resistividade, pela equação 5:

ILAV

LAR

××

=×=ρ (5)

Onde, ρ é a resistividade eléctrica (Ω.m), R é a resistência eléctrica, (Ω - Ohm),

204 JMC’2011

I é a corrente, (Amperes), V é a diferença de potencial, (Volts), L é o comprimento do provete (m) e A é a área transversal do provete atravessado pela corrente em (m²). Apresentam-se na Tabela 9 os resultados dos ensaios em betão leve com substituição do cimento Portland por 10% de RHA e 10% de BBA. Na Tabela 10 apresentam-se dos resultados correspondentes ao desempenho do betão leve com RHA e BBA comparando os valores das suas propriedades com os valores das respectivas propriedades do betão leve CTL.

Tabela 9: Resultados dos ensaios em betão leve com substituição do cimento Portland por 10%

de RHA e 10% de BBA Propriedade (na número de provetes) CTL RHA BBA

Espalhamento (n=6) mm 200.8±0.8 191.2±0.3 194.5±0.6

σfl 3d (n=3) MPa 6.1±0.0 6.5±0.1 5.9±0.2

σfl 7d (n=3) MPa 6.4±0.3 7.1±0.3 6.1±0.2

σfl 28d (n=3) MPa 7.2±0.4 8.2±0.9 6.3±0.2

σfl 90d (n=3) MPa 7.1±0.6 7.1±0.3 6.1±0.1

σc 3d (n=4) MPa 39.2±1.8 43.1±2.3 37.3±1.4

σc 7d (n=6) MPa 42.4±1.5 46.7±1.3 38.0±1.6

σc 28d (n=6) MPa 49.1±2.6 50.7±3.5 46.1±3.9

σc 90d (n=6) MPa 49.8±3.2 52.3±3.3 50.6±3.1

Índice de Actividade, 28d (n=6) % 103 94

Índice de Actividade, 90d (n=6) % 105 102 Coeficiente de Absorção, 63d (n=3) Desvio padrão

mg/(mm2×min0,5) 0.065

0.003

0.066

0.000

0.119

0.004 Dns, 63d (n=3), ×10 -12 m2/s 8.8 ± 0.3 4.3 ± 0.1 13.2 ± 0.7 Resistividade, 63 d (n=3) Ohm.m 84.9±0.8 147.9±0.3 45.5±2.0 Carbonatação (n=1) mm 5 0 6


Tabela 10: Desempenho (%) dos betões leves com substituição de cimento por 10% RHA e 10% BBA comparando cada propriedade analisada com a propriedade do betão leve CTL.

melhoria (+); redução (-) Propriedade

Desempenho de

RHA versus CTLDesempenho de

BBA versus CTL % % σfl 3d 7 -3 σfl 7d 11 -5 σfl 28d 14 -13 σfl 90d 0 -14 σc 3d 10 -5 σc 7d 10 -10 σc 28d 3 -6 σc 90d 5 -3 Coeficiente de Absorção -1 -83 Dns 51 -50 Resistividade 74 -46 Carbonatação 100 -20

Desempenho =

CTL

CTLRHA

XXX −

= CTL

CTLBBA

XXX −

XRHA - resultado de betão leve com RHA XBBA - resultado de betão leve com BBA XCTL - resultado de betão leve CTL

2.2.2 Conclusões O estudo efectuado permitiu concluir que BBA é um resíduo inadequado para substituição parcial do cimento Portland em betão leve mas RHA demonstrou além de propriedades químicas adequadas um desempenho favorável em termos de resistência e durabilidade confirmando a aplicabilidade deste resíduo agrícola contribuindo para a sustentabilidade na construção.

206 JMC’2011

2.3 Resíduos da queima de detritos florestais, WA As implementações de centrais de produção de energia alimentadas por resíduos florestais, centrais de biomassa, encontram-se em franco crescimento, perspectivando-se para Portugal a construção de mais 15 novas unidades. A biomassa florestal é constituída essencialmente por resíduos provenientes da limpeza de florestas, e o seu aproveitamento contribui para a conservação da própria floresta, reduzindo as cargas combustíveis que agravam a propagação de incêndios. A laboração de uma Central deste tipo, Figura 30, produz resíduos constituídos essencialmente por cinzas de fundo (WA-Wood Bottom Ash) resultantes da incineração da biomassa florestal, resíduos que presentemente não tem aplicação.

Figura 30: Central de biomassa de Mortágua. Resíduos florestais, em cima e cinzas de fundo, em baixo.

2.3.1 Trabalho experimental Numa primeira fase do estudo de WA verificou-se que WA embora contenha cerca de 70% de sílica, como se pode verificar pela análise química apresentada na Tabela 11, no ensaio de Difracção de raio-X (XRD) não foi detectada a presença de sílica amorfa e o ensaio de pozolanicidade deu negativo, comprometendo a reactividade potencial do material.


Tabela 11: Análise química das cinzas de fundo (WA) pela norma EN 196-2 e por Fluorescência de raio-X (XRF) [60].

EN 196-2 XRF Perda o fogo (%) 3.59±0.42 4,4

Resíduo Insolúvel (%) 66.2±3.8 SO3 (%) <0.1 Cl (%) 0.013±0.003

SiO2 (%) 69.5±4.0 70,5 Al2O3 (%) 4.18±0.52 8,3 Fe2O3 (%) 1.99±0.24 3,6 CaO (%) 5.88±0.68 7,3 MgO (%) 1.24±0.14 1,3 K2O (%) 3,2 NaO2 (%) 0,4 MnO (%) 0,1 TiO2 (%) 0,4

Na realidade depois de se ter utilizado WA em 10% e 20% de substituição de cimento Portland em argamassas, o seu desempenho ficou aquém do esperado quer em termos de resistência quer em termos de durabilidade. Supondo-se que uma maior finura possibilite o uso deste material como substituto parcial do cimento (fíler), prosseguiu-se, então, com o estudo deste resíduo utilizando-o em argamassas depois de um processamento prévio por moagem (GWA). O GWA encontra-se caracterizado seguidamente pela granulometria laser, Figura 31, apresentando-se paralelamente a granulometria laser para o cimento CEM I 42,5 R utilizado, Figura 32 e fotos em microscopia electrónica de varrimento na Figura 33.

Figura 31: Granulometria laser de GWA.

208 JMC’2011

Figura 32: Granulometria laser do cimento CEMI 42,5.

Figura 33: GWA ×200 e ×1500 em MEV.

Neste programa de ensaios produziram-se argamassas com 5% e 10% de substituição de cimento por GWA, em que foi mantida a trabalhabilidade sem necessidade de superplastificante e as propriedades analisadas no betão foram as seguintes:

• Resistência à flexão e compressão e índice de actividade • Absorção de água por capilaridade • Coeficiente de difusão de cloretos • Resistividade • Profundidade de carbonatação acelerada

Apresentam-se na Tabela 12 os resultados dos ensaios e o desempenho versus CTL das argamassas com substituição do cimento Portland por 5% e 10% de GWA.


Tabela 12: Resultados dos ensaios e desempenho versus CTL das argamassas com substituição do cimento Portland por 5% e 10% de GWA.

Argamassa Idade CTL GWA05 GWA10

Desempenho de

GWA05 versus CTL

Desempenho de GWA10 versus CTL

Trabalhabilidade Espalhamento, mm 211,1±0,8 216,7±0,7 216,5±0,4 3% 3%

Resistência e Índice de Actividade (IA) σfl Mpa (n=3) 3 8±0,4 8,1±0,5 8,7±0,4 1% 8% σfl Mpa (n=3) 7 10,1±0,6 9,3±0,5 8,9±0,4 -9% -13% σfl Mpa (n=3) 28 11,1±1,3 10,4±0,4 10,1±1,0 -7% -10% σfl Mpa (n=3) 90 11,1±0,2 11,1±1,1 10,4±1,0 0% -7% σfl Mpa (n=6) 365 8,0±0,4 9,4±1,2 8,9±0,8 18% 11% σc Mpa (n=6) 3 32,2±1,3 34,8±2,5 36,7±2,2 7% 9% σc Mpa (n=6) 7 42,9±2,0 39,1±0,6 36,5±0,8 -9% -18%

σc Mpa (n=6) 28 49,5±1,8 47,5±1,3 44,3±2,1 -4% (AI=91%)

-11% (AI=89%)

σc Mpa (n=6) 90 52,3±1,7 56,8±1,0 50,7±2,4 8% (AI=109%)

-2% (AI=97%)

σc Mpa (n=12) 365 53,4±3,1 62,4±7,3 57,4±6,6 17% (AI=117%)

8% (AI=107%)

Durabilidade Dns, ×10 -12 m2/s 78 15,5 ± 1,9 17,9 ± 1,6 16,9 ± 1,4 -15% -10%

Resistividade, Ohm.m 78 50,0 ± 4.3 50,1 ± 4,4 53,1 ± 5,6 0% 6%

Coeficiente de absorçao, mg/ (mm2×min0,5)

81 0,049± 0,009

0,053± 0,011

0,075± 0,004 -8% -53%

Carbonatação, mm 245* 7,0 ± 1,6 4,3 ± 1,5 8,3 ± 2,8 39% -19%

Desempenho=CTL

CTLGWA

XXX −

XGWA – resultado da argamassa GWA

XCTL – resultado da argamassa CTL

210 JMC’2011

2.3.2 Conclusões Analisando os resultados poder-se-á concluir que as resistências diminuem com o aumento da percentagem de substituição por GWA e que são inferiores à de CTL até à idade de cerca de 90 dias mas com a idade de um ano estão 17% (5%GWA) e 7% (10%GWA) acima das de CTL. Excluindo a carbonatação (apenas 1 provete) a durabilidade das argamassas GWA avaliada numa idade inferior aos 90 dias deu resultados ligeiramente inferiores aos de CTL. Embora GWA seja não pozolânico sabe-se que outros materiais como a cinza de casca de arroz, se cristalinos, poderão apresentar um comportamento reactivo quando moídos finamente. Além disso é provável que controlando as condições de queima seja possível obter um resíduo com sílica no estado amorfo e portanto pozolânico. De qualquer modo GWA poderá ser utilizado em percentagens reduzidas para substituir parcialmente o cimento Portland e assim constituir mais um caso de ecologia industrial.

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Foram apresentados alguns casos de resíduos agrícolas e de indústrias que poderão eventualmente ser utilizados como substitutos parciais do cimento Portland em betão:

• Resíduo de vidro ou casco, moído, • As cinzas de casca de arroz (RHA-Rice Husk Ash) • As cinzas de cama de frango de casca de arroz (Broiler Bed Ash) • As cinzas de fundo das centrais de biomassa (WA),

Como actualmente a produção mundial de betão cifra-se em cerca de 1m3 por pessoa por ano, a utilização eficiente destes resíduos valorizados por tratamentos economicamente viáveis, como substitutos parciais do cimento Portland, isto é, como adições, tornarão a indústria de construção mais “verde” consistindo numa boa prática de Ecologia Industrial e uma contribuição para a Sustentabilidade na construção. AGRADECIMENTOS Agradece-se à Secil, Sika, Fosroc, Maxit, e ao Snr. A. J. Oliveira pelo fornecimentos de materiais, ao Lemc e Labest por apoio nos ensaios e à FCT pelo financiamento do trabalho presente através do projecto PTDC/ECM/098117/2008, Adições provenientes de resíduos para betão estrutural sustentável e ainda o apoio do Dr. Celso Kawabata, Eng. Susana Sousa, Prof. Luz Garcia, Eng. Tiago Duarte e principalmente à Eng. Ana Mafalda Matos cujo trabalho de dissertação de MIEC “ESTUDO DE ARGAMASSAS COM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DE CIMENTO POR RESÍDUOS DE VIDRO MOÍDOS”, concluída em Julho de 2010 com classificação de 18 valores, constitui a base de uma fracção substancial da parte experimental do presente artigo.


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