conceitos para formulação de concretos com baixo consumo de ...

BRUNO LUS DAMINELI

CONCEITOS PARA FORMULAO DE CONCRETOS COM BAIXO CONSUMO DE LIGANTES: CONTROLE REOLGICO, EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia.

So Paulo 2013

BRUNO LUS DAMINELI

CONCEITOS PARA FORMULAO DE CONCRETOS COM BAIXO CONSUMO DE LIGANTES: CONTROLE REOLGICO, EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia. rea de concentrao: Engenharia de Construo Civil e Urbana Orientador: Prof. Dr. Vanderley Moacyr John Co-orientador: Prof. Dr. Rafael Giuliano Pileggi

So Paulo 2013

Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, 28 de novembro de 2013. Assinatura do autor ______________________________ Assinatura do orientador __________________________

FICHA CATALOGRFICA

FICHA CATALOGRFICA

Damineli, Bruno Lus

Conceitos para formulao de concertos com baixo consumo de ligantes: controle reolgico, empacotamento e disperso de partculas / B.L. Damineli. ed.rev. -- So Paulo, 2013.

237 p.

Tese (Doutorado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia de Construo Civil.

1.Concreto 2.Reologia 3.Sustentabilidade 4.Cimento 5.Aque- cimento global I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Construo Civil II.t.

Dedico este trabalho inicialmente a Deus e sua rede de colaboradores, sem os quais nem aqui estaramos. Saibam que percebo seu auxlio mesmo nos momentos mais difceis. A minha esposa Milena, que divide comigo cada desafio desta caminhada, meu amor eterno. A meus pais, Mrio e Selene, pelos valores e ensinamentos que me deram, cujo valor incalculvel e inestimvel. Eliana, a quem estimo como a uma me, por todos os momentos dedicados. A meus irmos, Lgia, Guilherme e Beatriz.

AGRADECIMENTOS

Quando chegamos ao ponto de escrever os agradecimentos, nos damos conta de que o trabalho realizado teve muitos parceiros. Tentarei ser breve. Mas no ser muito possvel.

Agradeo inicialmente aos meus orientadores, Prof. Vanderley John e Prof. Rafael Pileggi. Cada um em sua rea de atuao foram imprescindveis para a formulao e finalizao deste trabalho. O aprendizado que recebi durante nossas conversas foi de valor inestimvel tanto para a minha formao pessoal como para o trabalho realizado.

Still talking about supervisors, of course I need to thanks Prof. Bjrn Lagerblad, from KTH, Sweden, where I developed a part of this thesis. Thanks for his help in the discussions and for receiving me (when I were just a stranger) so friendly in his home, it was an honor for me and I know that very few people in this world have the capability of doing things like this.

Agradeo a todos os colaboradores da pesquisa. Obrigado ao Sr. Marcos da PSI por me doar grande parte dos agregados utilizados. Obrigado ao Sr. Cludio Silva da ABCP por realizar os ensaios de caracterizao normativos dos materiais. Obrigado ao Sr. Alexandre Castro de FURNAS pela possibilidade de participao no convnio de pesquisa realizado entre a Poli e FURNAS Centrais Eltricas, desenvolvido no mesmo tema do meu Doutorado. De forma anloga, obrigado ao Sr. Jos Carlos Massucato e Sra. Rosiany Silva, ambos da Intercement, pela possibilidade de minha participao no convnio de pesquisa entre a Poli e a Intercement, tambm no mesmo tema de pesquisa. Os trabalhos desenvolvidos em ambos os convnios contriburam de forma muito importante a todas as etapas desta tese de Doutorado.

Obrigado aos outros professores da Poli que participaram de forma menos direta (mas no menos importante) do trabalho. Dentre estes, agradeo em especial ao Prof. Srgio Angulo, que teve participao direta na minha formao como pesquisador ainda durante o mestrado. Sua capacidade em discutir e revisar textos e resultados foram um guia para mim.

Obrigado a todos os colegas de trabalho do Laboratrio de Microestrutura e Eficincia (LME) pelas discusses realizadas durante algumas das etapas do trabalho. Obrigado tambm aos tcnicos do laboratrio por me auxiliarem na soluo de alguns problemas prticos ocorridos durante a fase experimental. Obrigado ao pessoal do LCT (Carina, Liz, Andr, Juliana) pelos ensaios de caracterizao realizados. Obrigado tambm Engrcia, por estar sempre me ajudando a resolver os problemas complicados de ordem prtica/ financeira. Ainda um obrigado especial ao Felipe Pires, aluno de graduao da Poli que me ajudou muito durante a fase experimental de moldagem dos primeiros concretos do trabalho.

Obrigado a todos os meus familiares (Milena, Mrio, Selene, Lgia, Eliana, Guilherme, v Maria) pela pacincia durante a realizao da pesquisa. Muitas vezes faltou ateno a eles devido ao acmulo de tarefas e preocupaes decorrentes da pesquisa, e compreender isto s vezes algo difcil para quem est de fora.

Agradeo a todos os membros da banca de qualificao e de defesa desta tese, por se disporem a discutir comigo o trabalho em profundidade, seu auxlio foi fundamental para que a tese ganhasse qualidade em alguns aspectos importantes.

Agradeo tambm aos financiadores da pesquisa. Este trabalho foi financiado pelo CNPq (bolsa de Doutorado no Brasil), pela CAPES (Programa de Doutorado no Pas com Estgio no Exterior PDEE, desenvolvido no Royal Institute of Technology Sucia) e pela FUSP.

I

RREESSUUMMOO Devido demanda dos pases em desenvolvimento, a produo de cimento e as

emisses de CO2 relacionadas aumenta progressivamente, colocando esta indstria sob presso

devido s preocupaes com o aquecimento global. Como diminuir a produo no uma opo

sustentvel do ponto de vista social, deve-se primar pela diminuio dos impactos ambientais

mantendo-se o aumento da produo. Porm, as principais estratgias de reduo das emisses

substituio de clnquer por adies, aumento da eficincia de fornos e uso de combustveis

alternativos no so capazes de uma reduo que compense o crescimento da produo, mesmo

com a disseminao dos maiores esforos industriais possveis, devido a limites tecnolgicos e de

disponibilidade de materiais. A captura e sequestro de carbono, por sua vez, pode vir a aumentar

significativamente o custo do cimento, prejudicando justamente os pases mais necessitados.

Novas alternativas so necessrias. Uma delas, ainda pouco desenvolvida, o aumento

da eficincia do uso dos ligantes em materiais cimentcios, como os concretos. Esta tese tem o

objetivo de explorar o potencial desta estratgia para contribuir mitigao das emisses de CO2

da cadeia concreto/cimento. O xito nesta tarefa tem relao direta com o uso de ferramentas de

empacotamento e disperso de partculas para permitir comportamento reolgico adequado

aplicao com uso de menor teor de gua na mistura.

O trabalho foi dividido em trs etapas: 1) levantamento de dados para criao de

benchmark da tecnologia atual de concretos com relao eficincia no uso dos ligantes atravs

de dois indicadores de eficincia ndice de Ligantes (IL) e ndice de CO2 (IC); 2) levantamento

da teoria de empacotamento e disperso de partculas; e 3) estudo experimental demonstrando

como a eficincia do uso dos ligantes pode ser aumentada atravs da aplicao dos conceitos da

etapa 2, do controle mais preciso do comportamento reolgico e do uso de finos inertes para

substituir clnquer para obteno de parmetros reolgicos. Concluiu-se que o potencial de

aumento da eficincia superior a 50%. Porm, sua implantao em escala comercial dependeria

de aumento do controle tecnolgico das dosagens de concreto e de profundas modificaes na

cadeia produtiva e na definio de agregados, fillers, cimento e ligantes.

Palavras-chave: eficincia, otimizao, concreto, cimento, ligantes, CO2, aquecimento global,

sustentabilidade, reologia, empacotamento de partculas, disperso de partculas, filler.

II

AABBSSTTRRAACCTT Due to the increasing demand of developing countries, cement production and related

CO2 emissions increases steadily, putting industry under pressure due to global warming

constraints. As decreasing production is not a sustainable option from social point of view,

environmental loads need to be decreased even maintaining the increase of production. However,

current strategies for reducing emissions clinker replacement by mineral additions, increase of

kiln efficiency and the use of alternative fuels are not capable of a reduction which could

compensate the increasing in production, even with the dissemination of highest industrial efforts

due to technological and materials availability limits. Carbon capture and storage, by the time,

could increase significantly cement cost, which could harm exactly the neediest countries.

New alternatives are needed. One of them, few developed yet, is increasing the

efficiency of binder use on cementitious materials, such as concretes. This thesis has the aim of

exploring the potential of this strategy for contributing to the mitigation of CO2 emissions of

concrete/cement chain. The success in this task is directly related to the use of tools of packing

and dispersion of particles for allowing an adequate rheological behavior for the application but

with a lower water content in the mixture.

The thesis was divided in three main steps: 1) literature research for creating a

benchmark of current concrete technology in terms of binder efficiency by two efficiency indexes

Binder Intensity (BI) and CO2 Intensity (CI); 2) research of particles packing and dispersion

theory; and 3) experimental planning for demonstrating how the binder use efficiency can be

significantly increased by the use of concepts from step 2, a more precise rheological behavior

control and the use of inert fillers for replacing clinker to obtain rheological parameters. It could

be concluded that the potential of efficiency increase is higher than 50%. However, the

implantation in commercial scale would depend on the increase of technological control in

concrete designs, and also on deep changes in the productive chain and in the definitions of

aggregates, fillers, cement and binders.

Keywords: efficiency, optimization, concrete, cement, binder, CO2, global warming,

sustainability, rheology, particle packing, particle dispersion, filler.

III

SUMRIO RESUMO ............................................................................................................ I ABSTRACT ....................................................................................................... II SUMRIO ......................................................................................................... III LISTA DE TABELAS ........................................................................................ IX LISTA DE FIGURAS ........................................................................................ XII

1 INTRODUO ........................................................................................... 1

2 CONCRETO X AQUECIMENTO GLOBAL: IMPACTOS E POTENCIAL DE MITIGAO DE CO2 A PARTIR DA EFICINCIA DO USO DOS LIGANTES .... 04

2.1 Efeito estufa, ciclo carbonato-silicato e aquecimento global .............................................. 04

2.2 Concreto, cimento e aquecimento global ............................................................................. 05

2.3 Indstria do cimento e reduo de emisses ....................................................................... 08 2.3.1 Origem das emisses de CO2 do cimento ...................................................................... 08 2.3.2 Substituio de clnquer x disponibilidade de adies minerais .................................... 08

2.3.2.1 Escria de alto-forno (EAF) ................................................................................... 08 2.3.2.2 Slica ativa (SA) ..................................................................................................... 10 2.3.2.3 Cinzas volantes (CV) ............................................................................................. 11 2.3.2.4 Alocao de CO2 da escria e cinzas volantes ....................................................... 12 2.3.2.5 Resumo da disponibilidade de materiais suplementares para cimento ................... 13 2.3.2.6 Carter local do uso de EAF e CV ......................................................................... 14

2.3.3 Otimizao dos fornos: limites tecnolgicos .................................................................. 15 2.3.4 Substituio de combustveis tradicionais ...................................................................... 15 2.3.5 Sequestro e estocagem de carbono ................................................................................. 15 2.3.6 Resumo das redues possveis ..................................................................................... 16

2.4 Nova estratgia: aumento da eficincia do uso do cimento ................................................ 17

3 MEDINDO A ECO-EFICINCIA DO USO DO CIMENTO: BENCHMARK E POTENCIAL DE MITIGAO DE CO2 ................................................................................... 18

3.1 Indicadores de eficincia do uso do cimento ....................................................................... 18

3.2 Metodologia para levantamento dos dados do benchmark................................................ 22

3.3 Resultados e discusses benchmark .................................................................................. 23 3.3.1 Intensidade de ligantes (ILrc) .......................................................................................... 24 3.3.2 Intensidade de CO2 (ICrc) ............................................................................................... 28 3.3.3 Escria de alto-forno, cinzas volantes e coeficiente k de reatividade ............................ 30 3.3.4 Resduos de Construo e Demolio (RCD) ................................................................ 34

IV

3.3.5 Carter local dos indicadores ILrc e ICrc ......................................................................... 37

3.4 Implicaes para as metas de aquecimento global .............................................................. 38

3.5 Concluses do captulo .......................................................................................................... 39

4 TEORIA DO EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS APLICADA OTIMIZAO DO USO DE LIGANTES ......................................... 40

4.1 Estratgias para aumentar a eficincia do uso dos ligantes ............................................... 40 4.1.1 Empacotamento de partculas e o papel dos fillers ......................................................... 41 4.1.2 Disperso de partculas em sistemas cimentcios ........................................................... 50

4.1.2.1 A teoria DLVO e a disperso.................................................................................. 51 4.1.2.2 Dispersantes para compostos cimentcios ............................................................... 52 4.1.2.3 Estabilidade no tempo (perda da disperso) ........................................................... 55

4.1.3 Aumento da rea especfica do cimento ......................................................................... 55

4.2 Avaliao de parmetros convencionais de dosagem sob o enfoque da reologia ............. 57 4.2.1 Teor de argamassa, MPT e abatimento de cone ............................................................. 57 4.2.2 Relao a/c, porosidade e resistncia ............................................................................. 58 4.2.3 O slump como mtodo nico para medir a fluidez ......................................................... 58 4.2.3 O mdulo de finura ........................................................................................................ 60

4.3 Relaes entre reologia e ILrc ................................................................................................ 60

4.4 Concluses do captulo .......................................................................................................... 61

5 FORMULAO DE MATRIZ CIMENTCIA ............................................. 62

5.1 Consideraes sobre uma matriz adequada para concreto ................................................ 62 5.1.1 Teor de matriz x viscosidade da matriz .......................................................................... 63 5.1.2 Uso de fillers inertes ....................................................................................................... 64

5.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................... 65 5.2.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas ................................................................ 66

5.2.1.1 Distribuio granulomtrica ................................................................................... 66 5.2.1.2 Densidade real ........................................................................................................ 66 5.2.1.3 rea superficial ...................................................................................................... 67 5.2.1.4 Composio qumica e mineralgica ...................................................................... 69 5.2.1.5 Calor de hidratao ................................................................................................. 70 5.2.1.6 Anlise de Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) ....................................... 70

5.2.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................... 71 5.2.2.1 Determinao do teor inicial de gua ..................................................................... 71

V

5.2.2.2 Materiais ................................................................................................................. 72 5.2.2.3 Planejamento experimental .................................................................................... 73 5.2.2.4 Teste de reometria de fluxo contnuo ..................................................................... 74

5.2.3 Influncia da forma do filler na reologia ........................................................................ 75 5.2.3.1 Materiais ................................................................................................................. 76 5.2.3.2 Teor de dispersante e teor de gua ......................................................................... 76 5.2.3.3 Fator de Forma (FF) ............................................................................................... 76 5.2.3.4 Anlise de imagens atravs de MEV ...................................................................... 78

5.2.4 Determinao do teor mnimo de gua .......................................................................... 78 5.2.5 Planejamento estatstico de mistura de matrizes ............................................................ 78

5.2.5.1 Porosidade terica da composio granulomtrica no estado endurecido .............. 79 5.2.5.2 Indicadores de desempenho ambiental IL e IC.................................................... 79

5.3 Anlise dos resultados ........................................................................................................... 79 5.3.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas ................................................................ 79 5.3.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................... 82 5.3.3 Influncia da forma do filler na reologia ........................................................................ 90 5.3.4 Determinao do teor mnimo de gua .......................................................................... 96 5.3.5 Planejamento estatstico de mistura de matrizes ............................................................ 99

5.4 Concluses do captulo ........................................................................................................ 104

6 INFLUNCIA DO EMPACOTAMENTO DE AGREGADOS SOBRE O CONSUMO DE MATRIZ E A REOLOGIA .......................................................... 106

6.1 Importncia da porosidade intergranular dos agregados para o consumo de matriz ... 106

6.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 107 6.2.1 Materiais ...................................................................................................................... 107 6.2.2 Mtodos de caracterizao e seleo dos materiais ...................................................... 108

6.2.2.1 Quarteamento ....................................................................................................... 108 6.2.2.2 Determinao da granulometria ........................................................................... 108 6.2.2.3 Densidade real ...................................................................................................... 109 6.2.2.4 rea superficial .................................................................................................... 109 6.2.2.5 Ensaios de normas brasileiras ............................................................................... 109 6.2.2.6 Porosidade terica da composio granulomtrica ............................................... 110

6.2.3 Planejamento experimental composto (mistura + fatorial) .......................................... 110 6.2.3.1 Teor de matriz (componente 1 do planejamento de misturas) .............................. 110 6.2.3.2 Teor de agregados finos e grossos (componentes 2 e 3 do plan. misturas) .......... 111 6.2.3.3 Caracterstica da distribuio granulomtrica (varivel fatorial) ......................... 111

6.2.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio .................................................................... 111 6.2.5 Condies de experimento pr-fixadas ........................................................................ 113

VI

6.2.5.1 Composio da matriz .......................................................................................... 113 6.2.5.2 Teor de dispersante ............................................................................................... 113 6.2.5.3 Tenso de escoamento medida por abatimento do minitronco de cone ................ 113

6.3 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 114 6.3.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas .............................................................. 114 6.3.2 Planejamento fatorial composto ................................................................................... 117


7 EMPACOTAMENTO DE AGREGADOS E OTIMIZAO DE MATRIZ APLICADOS A CONCRETOS ............................................................................ 128

7.1 Aspectos para formulao de concretos eficientes ............................................................ 128

7.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................. 129 7.2.1 Materiais ....................................................................................................................... 129 7.2.2 Mtodos de caracterizao e seleo de materiais ........................................................ 129 7.2.3 Planejamento experimental .......................................................................................... 129 7.2.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado fluido ........................................... 131

7.2.4.1 Mistura .................................................................................................................. 131 7.2.4.2 Teor de ar e densidade .......................................................................................... 133 7.2.4.3 Abatimento de cone (slump) e espalhamento ....................................................... 133 7.2.4.4 Reometria rotacional ............................................................................................. 133 7.2.4.5 Moldagem dos corpos-de-prova ........................................................................... 133

7.2.5 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado endurecido ................................... 133 7.2.5.1 Cura mida ........................................................................................................... 133 7.2.5.2 Resistncia compresso ..................................................................................... 134 7.2.5.3 Absoro de gua e porosidade ............................................................................ 134

7.2.6 Condies de dosagem pr-fixadas .............................................................................. 134 7.2.7 Parmetros de anlise calculados a partir da composio ............................................ 135

7.2.7.1 Teor de dispersante ............................................................................................... 135 7.2.7.2 Teor de gua ......................................................................................................... 135 7.2.7.3 Porosidade terica do sistema granulomtrico sem adio de gua ..................... 135 7.2.7.4 Distncia entre partculas IPS e MPT ................................................................ 135 7.2.7.5 Densidade da pasta, dos agregados e do concreto ................................................ 135 7.2.7.6 Porosidade no estado endurecido .......................................................................... 136 7.2.7.7 Indicadores ambientais ILrc e ICrc ......................................................................... 136

7.3 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 136


VII

8 COMPORTAMENTO REOLGICO NO TEMPO DE CONCRETOS DE ALTO EMPACOTAMENTO ................................................................................ 155

8.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 155 8.1.1 Materiais ...................................................................................................................... 155 8.1.2 Planejamento experimental .......................................................................................... 155

8.1.2.1 Variveis experimentais ....................................................................................... 155 8.1.2.1.1 Tipo de cimento ................................................................................................ 155 8.1.2.1.2 Tipo de dispersante ........................................................................................... 156 8.1.2.1.3 Distribuio da curva granulomtrica e porosidade intergranular .................... 156

8.1.3 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado fluido ........................................... 157 8.1.3.1 Mistura ................................................................................................................. 157 8.1.3.2 Teor de ar e densidade .......................................................................................... 157 8.1.3.3 Abatimento de cone (slump) e abertura diametral ................................................ 157 8.1.3.4 Reometria rotacional e no tempo .......................................................................... 157 8.1.3.5 Moldagem dos corpos-de-prova ........................................................................... 158

8.1.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado endurecido ................................... 158 8.1.5 Condies de dosagem pr-fixadas .............................................................................. 159 8.1.6 Parmetros de anlise calculados a partir da composio ............................................ 159



9 COMPARAO ENTRE ESTRATGIAS DE CONTROLE REOLGICO DE CONCRETOS E SUA INFLUNCIA NO TEOR DE LIGANTES ................... 167

9.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 167 9.1.1 Levantamento e anlise de dados de duas centrais de concreto ................................... 167 9.1.2 Execuo de concretos de IL fixo variando empacotamento ....................................... 167



10 INFLUNCIA DAS PROPRIEDADES DE FINOS INERTES SOBRE A REOLOGIA E A EFICINCIA DO USO DOS LIGANTES .................................. 181

10.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 181 10.1.1 Caracterizao e seleo dos materiais ........................................................................ 181 10.1.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................. 182

10.1.2.1 Procedimentos de mistura .................................................................................... 182 10.1.2.2 Ensaio de reometria de fluxo contnuo ................................................................. 182

VIII

10.1.3 Determinao das caractersticas reolgicas e mecnicas de pastas de cimento e fillers183

10.1.3.1 Composies ......................................................................................................... 183 10.1.3.2 Mistura .................................................................................................................. 184 10.1.3.3 Ensaio de reometria rotacional ............................................................................. 184 10.1.3.4 Ensaio de resistncia compresso ...................................................................... 185

10.1.4 Influncia da forma dos fillers no comportamento reolgico ....................................... 185 10.1.5 Mistura de concreto eco-eficiente ................................................................................ 185

10.2 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 186 10.2.1 Caracterizao e seleo dos materiais ......................................................................... 186 10.2.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................. 188 10.2.3 Determinao das caractersticas reolgicas e mecnicas de pastas dispersas de cimento e

fillers...................... .................................................................................................................................... 189

10.2.4 Mistura de concreto eco-eficiente ................................................................................ 204


11 CONCLUSES ...................................................................................... 209

12 REFERNCIAS ...................................................................................... 214

ANEXO A REFERNCIAS DO BENCHMARK .......................... CD ROM

ANEXO B ENSAIOS REOLGICOS DO CAPTULO 5 ............ CD ROM

ANEXO C ENSAIOR REOLGICOS, CURVAS GRANULOMTRICAS E FOTOGRAFIAS DOS ENSAIOS DO CAPTULO 6 ................................... CD ROM

ANEXO D ENSAIOS REOLGICOS DO CAPTULO 8 ............ CD ROM

IX

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Variao das emisses de CO2 relacionadas produo de clnquer. ............. 06

Tabela 2.2 Clculo das emisses de CO2 por tonelada de clnquer a partir dos dados de

WBCSD/IEA (2009). ..................................................................................................... 07

Tabela 2.3 Quantidade de EAF disponvel para a indstria do cimento encontrada em

literatura. ......................................................................................................................... 10

Tabela 2.4 Disponibilidade e potencial de uso das principais adies minerais utilizadas

para substituir clnquer (WBCSD/IEA, 2009). ............................................................... 13

Tabela 5.1 Composio das misturas para determinao do teor timo de dispersante.

a/s a relao gua/slidos. ............................................................................................ 74

Tabela 5.2 Densidade real e rea superficial das matrias-primas disponveis,

indicando: a) ligantes (cimentos); b) inertes mais finos; c) inertes de granulometria

semelhante; e d) inertes mais grossos do que os ligantes disponveis. ........................... 80

Tabela 5.3 Caracterizao qumica dos materiais por fluorescncia de Raios X. ............. 81

Tabela 5.4 Caracterizao mineralgica dos materiais por difrao de Raios X mtodo

quantitativo de Rietveld. ................................................................................................. 81

Tabela 5.5 Caracterizao dos cimentos utilizados de acordo com as normas

relacionadas gua de consistncia normal (NM 43), tempo de incio e fim de pega

(NM 65), rea especfica por Blaine (NM 76) e massa especfica (ME) (NM 23). ....... 81

Tabela 5.6 Caracterizao dos dispersantes utilizados parmetros fornecidos pelo

fabricante ou ensaiados em laboratrio. ......................................................................... 82

Tabela 5.7 Determinao do erro experimental. A viscosidade aparente foi medida no

ponto de taxa de cisalhamento de 400 RPM. ................................................................. 83

Tabela 5.8 Teor timo de dispersante (TOD), consumo especfico de dispersante (CED)

e pH medidos experimentalmente para as misturas "a" a "j". ...................................... 86

Tabela 5.9 Teor timo de dispersante medidos (dados experimentais) ou calculados

pelo modelo de Herschel-Bulkley. Legenda: Vap = Viscosidade aparente sob taxa de

cisalhamento 400 RPM; Te1 = Tenso de escoamento na curva de acelerao; Te2 =

Tenso de escoamento na curva de desacelerao; Vpl1 = Viscosidade plstica na

curva de acelerao; Vpl2 = Viscosidade plstica na curva de desacelerao. ................ 89

X

Tabela 5.10 Consumo de gua, teor timo de dispersante (TOD), rea superficial

(SSA), consumo especfico de dispersante (CED), fator de forma (FF) e dimetros

d10, d50 e d90 dos materiais estudados. ........................................................................ 91

Tabela 5.11 Variao da viscosidade aparente e IPS das pastas a a j de acordo com

a alterao da relao a/s. ............................................................................................... 97

Tabela 5.12 Planejamento de misturas para os componentes: 1) CPV1; 2) Filler Ca1

(F1); 3) Filler Ca5 (F5). ................................................................................................. 99

Tabela 6.1 Densidade real, rea superficial e d10, d50e d90 dos agregados disponveis.116

Tabela 6.2 Caracterizao dos agregados utilizados de acordo com as normas

relacionadas massa unitria (UM) (NM 45), massa especfica (ME), massa

especfica aparente (MEA) (NM 52 midos ou NM 53 grados), absoro de gua

(NM 30 midos ou NM 53 grados) e teor de pulverulentos (NM 46). ................ 117

Tabela 6.3 Planejamento composto para estudo da relao entre a porosidade

intergranular dos agregados e a reologia. ..................................................................... 118

Tabela 7.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio. As siglas

dos materiais seguem as nomenclaturas dos Captulos 5 e 6. ...................................... 130

Tabela 7.2 Dados calculados sobre os parmetros de dosagem dos concretos

executados. ................................................................................................................... 138

Tabela 7.3 Resultados de: a) incorporao de ar; b) abatimento de cone; c)

espalhamento para concretos auto-adensveis. ............................................................ 138

Tabela 7.4 Resultados experimentais de reometria rotacional dos concretos executados.139

Tabela 7.5 Resultados de resistncia compresso, absoro de gua e porosidade no

estado endurecido dos concretos. ................................................................................. 140

Tabela 8.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio. .............. 156

Tabela 8.2 Teores timos de dispersante encontrados para cada material, para os 3

diferentes dispersantes. ................................................................................................ 160


executados. ................................................................................................................... 160

Tabela 8.4 Resultados experimentais de: a) incorporao de ar; b) abatimento de cone 1

e 2; c) abertura diametral para concretos auto-adensveis 1 e 2. Os indicadores 1 e 2

indicam, respectivamente, a realizao do ensaio: 1) logo aps a mistura do concreto;

e 2) depois de 2 horas da mistura, aps a realizao do ensaio de reometria no tempo.161

Tabela 8.5 Resultados de resistncia compresso, absoro de gua, porosidade no

estado endurecido e IL e IC. ........................................................................................ 165

XI

Tabela 9.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio.. As siglas

dos materiais seguem as nomenclaturas dos Captulos 5 a 7. ...................................... 168


executados. ................................................................................................................... 173

Tabela 9.3 Resultados de reologia, resistncia mecnica e desempenho ambiental para

os concretos realizados. ................................................................................................ 174

Tabela 10.1 Densidade real e rea superficial das matrias-primas disponveis ............. 186

Tabela 10.2 Caracterizao qumica dos materiais por fluorescncia de Raios X. ......... 187

Tabela 10.3 Caracterizao mineralgica dos materiais por difrao de Raios X

mtodo quantitativo de Rietveld ................................................................................... 187

Tabela 10.4 ANOVA das composies, 6 amostras por grupo, nvel de confiana 95%,

mtodo de agrupamento de Fisher ................................................................................ 192

Tabela 10.5 Porosidade intergranular e IPS das misturas estudadas ............................... 194

Tabela 10.6 Composio do concreto executado ............................................................ 205

Tabela 10.7 Caractersticas de empacotamento do concreto executado .......................... 205

XII

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Ciclo do carbonato-silicato simplificao. .................................................... 04

Figura 2.2 a) evoluo histrica da concentrao de gases do efeito estufa; b)

aquecimento global ocorrido no ltimo sculo e 3 diferentes estimativas para a sua

evoluo no sculo XXI cenrios A2, A1B e B1 (IPCC, 2007). ................................. 05

Figura 2.3 Media de emisses de CO2 / ton clnquer: a) divididas por tipo de forno e

ano (WBCSD/CSI, 2009); b) mdia mundial (WBCSD/GNR, 2011). ........................... 06

Figura 2.4 a) histrico da produo de cimento mundial (US GEOLOGICAL

SURVEY, 2006) e estimativa da sua evoluo at 2050 (WBCSD/CSI, 2007); e b)

estimativa das emisses de GHG provenientes da produo de cimento, perodo de

1990 a 2050 (WBCSD/CSI, 2007). ................................................................................. 07

Figura 2.5 Previso global do uso de escrias ferrosas, 2008-2020 (SMITHERS APEX,

2011). .............................................................................................................................. 09

Figura 2.6 Previso da produo mundial de carvo dividida por regies, de 1980 a

2100 (HOK et al, 2008). ............................................................................................... 12

Figura 2.7 Estudo sobre disponibilidade mundial apresentado durante o curso The use

of ecomaterials as supplementary cementitious materials (ICCC, 2011). .................... 13

Figura 3.1 Intensidade de ligantes (ILrc) versus resistncia compresso aos 28 dias

para: (a) dados internacionais; (b) dados brasileiros (literatura e mercado). As linhas

representam concretos com o mesmo teor total de ligantes, em kg.m-3. ......................... 24

Figura 3.2 Intensidade de CO2 (ICrc) estimada versus resistncia compresso aos 28

dias. As linhas representam concretos com o mesmo teor total de CO2, em kg.m-3. ...... 28

Figura 3.3 a) Intensidade de Ligantes (ILrc) versus Intensidade de CO2 (ICrc); b) Fator

de clnquer versus ICrc. ................................................................................................... 29

Figura 3.4 Influncia do teor de EAF sobre o ICrc, para: a) dados brasileiros; b) dados

internacionais. ................................................................................................................. 31

Figura 3.5 Influncia do teor de CV sobre o ICrc, para: a) dados brasileiros; b) dados

internacionais. ................................................................................................................. 31

Figura 3.6 Influncia do teor de EAF sobre o ILrc, para: a) dados brasileiros; b) dados

internacionais. ................................................................................................................. 31

Figura 3.7 Influncia do teor de CV sobre o ILrc, para: a) dados brasileiros; b) dados

internacionais. ................................................................................................................. 32

XIII

Figura 3.8 Benchmark da literatura alterado pela correo do ILrc a partir do fator k de

reatividade das adies minerais. ................................................................................... 33

Figura 3.9 Influencia da densidade dos agregados grados utilizados na mistura de

concreto: a) no indicador ILrc (esquerda; b) no indicador ICrc (direita) (Angulo et al,

2010). .............................................................................................................................. 34

Figura 3.10 a) Impacto da substituio de cimento por escria granulada de fundio no

IL e IC (Reschke et al, 2005); b) Impacto do uso de fibras de borracha no IL e IC

(Mosca; Lintz; Carnio, 2005; Penha et al, 2006). ........................................................... 35

Figura 3.11 a) Impacto da substituio de areia natural por areia de PET no IL e IC

(Almeida et al, 2004); b) Impacto da substituio de cimento por outros ligantes ou

filler calcrio no IL (Isaia; Gastaldini; Moraes, 2003). .................................................. 36

Figura 4.1 Mnima porosidade calculada pelo modelo de Andreassen modificado em

funo do mdulo de distribuio, gro mnimo de 0,17m e gro mximo de 16mm

(FUNK; DINGER, 1992). .............................................................................................. 42

Figura 4.2 a) distribuio bimodal, com mais e maiores vazios; b) distribuio

polimodal, com menos e menores vazios. ...................................................................... 46

Figura 4.3 Relao empacotamento de agregados x composio da pasta em projetos

granulomtricos de alta compacidade: a) baixo MPT, diminuindo a quantidade de

matriz; b) aumento do MPT, aumentando a quantidade de matriz. ................................ 47

Figura 4.4 a) relao dl/ds alta, com baixa porosidade; b) diminuio da relao dl/ds,

com aumento da porosidade. .......................................................................................... 47

Figura 4.5 a) relao entre dimetros de partculas e densidade volumtrica; b) esquema

do efeito parede (PILEGGI, 2001). ................................................................................ 48

Figura 4.6 efeito parede em: a) relao dl/ds =3,5 (pequena), gerando poros maiores na

interface (em azul); b) relao dl/ds =10 (grande), diminuindo porosidade na interface

(em azul). ........................................................................................................................ 48

Figura 4.7 aumento da porosidade devido geometria irregular de partculas. ................ 50

Figura 4.8 segregao de granulometrias, criando porosidade de distribuio

monomodal. .................................................................................................................... 50

Figura 4.9 a) partculas aglomeradas, com capacidade de ligar a suspenso diminuda e

obstruo ao fluxo; b) partculas desaglomeradas com baixo IPS; c) partculas

desaglomeradas com alto IPS. ........................................................................................ 51

Figura 4.10 Distribuio das cargas de superfcie em partculas (RAHHAL et al, 2012). 51

XIV

Figura 4.11 evoluo da hidratao gerao de ons que destroem gradativamente a

repulso eletrosttica. ...................................................................................................... 53

Figura 4.12 relao entre tamanho das molculas da disperso estrica e porosidade: a)

molculas menores, gerando IPS menor; b) molculas maiores, afastando mais as

partculas (maior IPS). .................................................................................................... 54

Figura 4.13 a) gro original; b) aumento da finura do gro, com maior rea reativa

superficial. ....................................................................................................................... 56

Figura 4.14 Teor de argamassa () e a medio indireta da distncia entre agregados

(MPT): a) menor , resultando em menor MPT; b) maior , com maior MPT. ............. 57

Figura 4.15 Grfico taxa x tenso cisalhamento terico para 3 misturas de concretos. .... 59

Figura 5.1 Equipamento para medio de granulometria a laser, marca Malvern

Mastersizer. ..................................................................................................................... 66

Figura 5.2 Equipamento para medio da densidade real por picnometria de He,

Quantachrome MVP 5DC. .............................................................................................. 67

Figura 5.3 Equipamento para medio da rea superficial especfica por BET, modelo

Gemini 2375, Micromeritics. .......................................................................................... 68

Figura 5.4 Equipamentos para medio de: a) composio qumica por fluorescncia de

Raios X; b) composio mineralgica e cristalogrfica por difrao de Raios X

quantificado pelo mtodo de Rietveld. ........................................................................... 69

Figura 5.5 Equipamento para medio do calor de hidratao de finos ligantes, marca

TAMAir. ......................................................................................................................... 70

Figura 5.6 Equipamento para aquisio de imagens por MEV, marca Quanta 600 FEG. . 71

Figura 5.7 Fluxograma do planejamento experimental. .................................................... 73

Figura 5.8 Fluxograma dos passos do teste de reometria de fluxo contnuo. .................... 74

Figura 5.9 a) equipamento para mistura de pasta, hlice modelo R1303 Dissolver

Stirrer, IKA; b) equipamento para medio de reometria de pasta, modelo AR-550,

TA Instruments ............................................................................................................... 74

Figura 5.10 Curvas granulomtricas discretas de finos inertes

XV

Figura 5.12 Taxa de cisalhamento versus tenso de cisalhamento, pasta "a" (100%

CPV1), relao a/s=0,35. Os dados da legenda indicam a relao a/s e o teor de

dispersante. ..................................................................................................................... 82

Figura 5.13 Teor de dispersante versus viscosidade aparente, pasta "a" (100% CPV1),

a/s=0,35. As linhas tracejadas indicam o erro experimental. ......................................... 84

Figura 5.14 Calor de hidratao da pasta "a" (100% CPV1), a/s=0,35; a) sem

dispersante; b) com dispersante (teor ideal). .................................................................. 85

Figura 5.15 Comparao entre os teores timos de dispersante obtidos por resultados

experimentais e previstos................................................................................................ 88

Figura 5.16 Fator de forma (FF) calculado das matrias-primas disponveis, divididos

em: a) ligantes (cinza); b) mais finos (azul); c) granulometria semelhante (laranja); e

d) mais grossos (vermelho) do que os ligantes disponveis. .......................................... 90

Figura 5.17 a) Curvas granulomtricas discretas das matrias-primas selecionadas para

o estudo do FF; b) reas superficiais terica (calculada) e real (medida por BET) e

respectivo Fator de Forma (FF) de cada material. .......................................................... 90

Figura 5.18 Teor de dispersante versus viscosidade aparente das pastas de CPV1, Filler

Ca1, Filler Ca5 e Microfiller Si. ..................................................................................... 91

Figura 5.19 Quatro Imagens do CPV1 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio e a

escala esto nas legendas. ............................................................................................... 92

Figura 5.20 Trs imagens do FillerCa1 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio esto

nas legendas. ................................................................................................................... 93

Figura 5.21 Quatro imagens do FillerCa5 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio

esto nas legendas. .......................................................................................................... 94

Figura 5.22 Quatro imagens do MicrofillerSi atravs de MEV. Os parmetros do ensaio

esto nas legendas. .......................................................................................................... 94

Figura 5.23 Teor de gua versus viscosidade das pastas de CPV1, F_Ca1 e F_Ca5

puros, com teor timo de dispersante. A legenda indica a relao a/s e o teor de

dispersante. ..................................................................................................................... 96

Figura 5.24 Teor de gua versus viscosidade para misturas de: a) CPV1 + F1; b) CPV1

+ F5; e c) CPV1 + F1 + F5. ............................................................................................ 98

Figura 5.25 Superfcie de resposta de: a) resistncia compresso aos 7 dias (RC7); b)

aos 28 dias (RC28). ........................................................................................................ 99

Figura 5.26 Superfcie de resposta de porosidade no estado endurecido (calculada). .... 100

XVI

Figura 5.27 a) Resistncia compresso 28 dias versus porosidade da matriz no estado

endurecido; b) resistncia compresso versus relao a/s. ......................................... 100

Figura 5.28 Superfcie de resposta de ndice de Ligantes (ILrc): a) 7 dias (ILrc7); b) 28

dias (ILrc28) .................................................................................................................. 101

Figura 5.29 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de

porosidade terica calculada. ........................................................................................ 101

Figura 5.30 a) Superfcie de resposta do planejamento de misturas para resposta de

viscosidade; b) taxa de cisalhamento versus tenso de cisalhamento das matrizes

(vide Tabela 5.12). ........................................................................................................ 102

Figura 5.31 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para o parmetro

calculado de Fator de Forma. ........................................................................................ 103

Figura 5.32 Fator de Forma versus tenso de escoamento das matrizes estudadas. ........ 103

Figura 6.1 Procedimentos para quarteamento: a) execuo de pilha; b) retirada de

alquotas; c) quarteamento Jones.. ................................................................................ 108

Figura 6.2 Equipamento para ensaio de medio de granulometria: a) peneiramento; b)

laser, marca Malvern Mastersizer.. ............................................................................... 108

Figura 6.3 Remetro Poli-USP a) cuba e raquete; b) ensaio em execuo. .................. 112

Figura 6.4 Curvas granulomtricas discretas dos agregados disponveis. ....................... 114

Figura 6.5 Diferena observada entre resultados de granulometria considerando-se

maior ou menor distncia entre os intervalos de tamanhos medidos (mesmo ensaio).115

Figura 6.6 Diferena observada entre ensaio de granulometria a laser e por

peneiramento. ................................................................................................................ 115

Figura 6.7 Ensaio 1 (matriz=8%, areia=52%, brita=40%, distribuio granulomtrica

descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de execuo: 7. ... 118


descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral. Teor de

gua = 20%; abertura = 130mm; segregao = no ...................................................... 119



gua = 29,46%; abertura = 130mm; segregao = sim. ................................................ 119

Figura 6.10 Ensaio 3 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio

granulomtrica descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de

execuo: 4. ................................................................................................................. 119

XVII


granulomtrica descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem

lateral. Teor de gua = 20%; abertura = 130mm; segregao = no ............................ 120


granulomtrica descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem

lateral. Teor de gua = 23,53%; abertura = 240mm; segregao = sim. ...................... 120


granulomtrica contnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de

execuo: 5. ................................................................................................................. 120


granulomtrica contnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral.

Teor de gua = 20%; abertura = 200mm; segregao = pouco. ................................... 121


granulomtrica contnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral.

Teor de gua = 22,86%; abertura = 255mm; segregao = pouco. .............................. 121


descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de execuo: 10. 121



gua = 20%; abertura = 240mm; segregao = no. .................................................... 122

Figura 6.18 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de gua

requerida para abertura 240+-20mm: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria

descontnua (+1). .......................................................................................................... 124

Figura 6.19 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para a relao

matriz/porosidade: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1).125

Figura 6.20 a) relao matriz/porosidade versus teor de gua (%); b) relao segregao

versus relao matriz/porosidade.................................................................................. 125


viscosidade (Pa.s): a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1).126


abertura, em mm: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1) 126

Figura 7.1 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C01 a C05 (esquerda);

b) C06 a C10 (direita).. ................................................................................................. 136

XVIII

Figura 7.2 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C11 a C13 (esquerda); b)

C14 e C16 (direita). ....................................................................................................... 137

Figura 7.3 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C17 a C21 (esquerda); b)

C02 (direita). ................................................................................................................. 137

Figura 7.4 Curvas granulomtricas acumuladas de todos os concretos executados ........ 137

Figura 7.5 Curvas reolgicas dos concretos executados: a) C10 a C17; b) C18 a C21 e

IPT. Os resultados foram divididos em dois grficos separados com mesma escala

para uma melhor visualizao. ...................................................................................... 139

Figura 7.6 Relao entre a/c e resistncia compresso dos concretos executados: a)

concretos de alto empacotamento granulomtrico e uso de fillers de baixo fator de

forma (crculos vermelhos); b) concretos de alto empacotamento e uso de fillers de

alto fator de forma (quadrados azuis); e c) concretos dosados pelo mtodo IPT

(tringulos verdes)......................................................................................................... 153

Figura 7.7 Benchmark de concretos da literatura (Captulo 3) com insero dos

concretos realizados neste captulo.. ............................................................................. 154

Figura 8.1 Curva granulomtrica dos concretos: a) de alto empacotamento, com CPV1

(linha cheia vermelha); b) de alto empacotamento, com CPV2 (linha tracejada azul);

c) IPT, com CPV1. ........................................................................................................ 160

Figura 8.2 Resultados dos testes de reologia no tempo dos concretos planejados

tempo mximo de 2 horas. As medies de torque foram realizadas sempre sob

rotao constante de 50 RPM. ....................................................................................... 161

Figura 8.3 Curvas reolgicas de: a) concretos com CPV1 e variao do dispersante; b)

concretos com CPV2 e variao do dispersante. A sigla c1 indica que o ensaio foi

realizado 15 minutos aps o incio da mistura; c2 indica que o ensaio foi realizado

aps o ensaio de reometria no tempo, cuja durao foi de 2 horas (Figura ). ............... 164

Figura 9.1 Probabilidade acumulada do ILrc dos dados da Intercement, divididos por

faixas de fck. ................................................................................................................. 170

Figura 9.2 a) probabilidade acumulada do ILrc, divididos por faixas de slump; b) curvas

de correlao do ILrc 10, 50 e 90% com o slump. Os dados analisados foram

coletados em 8 centrais de produo de concreto da empresa Intercement. ................. 171

Figura 9.3 Demonstrao da influncia do slump na determinao do teor de cimento

no mtodo de dosagem IPT. .......................................................................................... 171

XIX

Figura 9.4 a) probabilidade acumulada do ILrc, divididos por faixas de slump; b) curvas

de correlao do ILrc 10, 50 e 90% com o slump. Os dados analisados foram

coletados da empresa FURNAS.. ................................................................................. 172

Figura 9.5 Curva granulomtrica dos concretos 12_1 a 12_5. ........................................ 174

Figura 9.6 Curva granulomtrica dos concretos: a) 11_1 a 11_3 (esquerda); b) 14_1 e

14_2 (direita). ............................................................................................................... 174

Figura 9.7 Curvas reolgicas dos concretos executados: a) C10 a C17; b) C18 a C21 e

IPT. Os resultados foram divididos em dois grficos separados com mesma escala

para uma melhor visualizao ...................................................................................... 175

Figura 9.8 Comparao entre as curvas de correlao do ILrc 50% com o slump das

empresas avaliadas com os dados experimentais obtidos. Para os dados

experimentais, so apresentados o consumo de gua, em l/m3, e a porosidade

intergranular, para a linha dos concretos de 120 l/m3 de gua. .................................... 178

Figura 9.9 Benchmark de concretos da literatura (Captulo 3) com insero dos

concretos levantados e realizados em laboratrio neste Captulo. ............................... 179

Figura 10.1 a) equipamento para peneiramento das amostras at obteno de material

XX

Figura 10.10 Correlao da resistncia compresso de misturas de pasta + areia 1:3

(padro da norma) e misturas somente de pasta, relao a/c=0,50 ............................... 189

Figura 10.11 Curvas reolgicas da misturas compostas por 50% de Cimento 1 + 50%

do filler indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante timo calculado a partir dos

dados do item anterior. A seta tracejada indica que as curvas apresentadas so as de

desacelerao ................................................................................................................ 190

Figura 10.12 Parmetros reolgicos de viscosidade aparente e tenso de escoamento

das misturas. Os dados foram obtidos a partir da Figura anterior. 50% de Cim1 + 50%

do filler indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante otimizado .............................. 191

Figura 10.13 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, sobre: a)

argamassas (proporo pasta/areia 1:3); b) pastas puras. 50% de Cim1 + 50% do filler

indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante otimizado ........................................... 191

Figura 10.14 a) resistncia compresso das misturas aos 28 dias, com informaes da

variao dos resultados utilizada na comparao das mdias atravs da ANOVA; b e

c) plotagem da probabilidade normal dos residuais da ANOVA .................................. 192

Figura 10.15 Viscosidade aparente versus tenso de escoamento das misturas estudadas194

Figura 10.16 IPS versus: a) viscosidade aparente; e b) tenso de escoamento das

misturas estudadas......................................................................................................... 195

Figura 10.17 Fator de forma dos materiais ...................................................................... 195

Figura 10.18 Imagens de MEV do filler C1. FF calculado = 5,06 m2/g / m2/g ............... 196




Figura 10.22 Imagens de MEV do filler Q1. FF calculado = 3,96 m2/g / m2/g ............... 197

Figura 10.23 Imagens de MEV do filler Q2. FF calculado = 6,51 m2/g / m2/g ............... 197

Figura 10.24 Imagens de MEV do filler D1. FF calculado = 5,90 m2/g / m2/g ............... 198

Figura 10.25 Imagens de MEV do filler D2. FF calculado = 4,06 m2/g / m2/g ............... 198

Figura 10.26 Imagens de MEV do filler D3. FF calculado = 10,75 m2/g / m2/g ............. 198

Figura 10.27 Imagens de MEV do filler NS1. FF calculado = 5,56 m2/g / m2/g ............. 199

Figura 10.28 Imagens de MEV do filler G1. FF calculado = 6,65 m2/g / m2/g ............... 199


Figura 10.30 Imagens de MEV do filler G3. FF calculado = 11,54 m2/g / m2/g ............. 200


Figura 10.32 Imagens de MEV do filler Cim1. FF calculado = 2,60 m2/g / m2/g ........... 200

XXI

Figura 10.33 Imagens de MEV do filler Cim2. FF calculado = 3,18 m2/g / m2/g ........... 201

Figura 10.34 Curvas reolgicas da misturas compostas por 50% de Cimento 1 + 50%

do filler indicado, relao a/c variando de 0,50 a 0,30 (indicada), teor de dispersante

timo calculado a partir dos dados do item anterior ..................................................... 203

Figura 10.35 Parmetros reolgicos de viscosidade aparente e tenso de escoamento

das misturas em funo da relao a/c. 50% de Cim1 + 50% do filler indicado, teor de

dispersante otimizado ................................................................................................... 203

Figura 10.36 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, em funo da

relao a/c. 50% de Cim1 + 50% do filler indicado, teor de dispersante otimizado .... 203

Figura 10.37 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, ensaios sobre

pastas puras. Teor dos materiais variando conforme indicado, relao a/c=indicada,

teor de dispersante otimizado. As linhas de tendncia so ilustrativas ........................ 204

Figura 10.38 Curva granulomtrica do concreto desenvolvido a partir dos conceitos de

formulao de pastas do item 10.2.3 e empacotamento de agregados ......................... 205

Figura 10.39 Benchmark final da tese dados de literatura, de centrais de concreto e de

resultados experimentais obtidos em laboratrio durante a execuo da pesquisa ...... 207

Figura 11.1 Benchmark de concretos levantados em literatura (bege claro), em centrais

de concreto (bege escuro) e realizados em laboratrio (vermelho) nos diversos

Captulos desta tese ...................................................................................................... 209

1

11 IINNTTRROODDUUOO

A Revoluo Industrial trouxe aumento da qualidade de vida, da expectativa de vida

e da populao mundial. Porm, estes aspectos foram obtidos atravs de aumento do consumo

de materiais per capita, o que, aliado ao aumento populacional, criou o cenrio para que os

problemas ambientais surgissem. Dentre estes problemas, um dos mais discutidos o

aquecimento global causado pelo aumento do efeito estufa, que por sua vez depende do

aumento das emisses de CO2 e gases equivalentes na atmosfera, por ao antrpica.

A cadeia da construo civil consome mais de 50% dos recursos naturais mundiais, o

que faz com que contribua de forma significativa para o agravamento deste impacto. O

cimento, matria-prima fundamental do concreto, emite atualmente mais de 5% das emisses

de CO2 mundiais, valor que dever ser aumentado para 30% at 2050, se nenhuma

providncia for tomada. E, mesmo que as principais aes para diminuio das emisses

(eficincia dos fornos, modificao dos combustveis e substituio de clnquer por cinzas

volantes e escria de alto-forno) fossem levadas ao extremo em esforo mundial, isto no

seria suficiente, o que deve aumentar muito a presso sobre as indstrias de cimento nos

prximos anos. Uma das alternativas para minimizar este panorama o sequestro e estocagem

de carbono poderia dobrar o preo do cimento, com prejuzo de ordem social para muitos

pases que ainda necessitam de grande volume de infra-estrutura bsica e moradias.

Assim, novas alternativas devem ser desenvolvidas, e uma promissora o aumento

da eficincia no uso dos ligantes materiais que sofreram processo trmico na produo, com

emisso de CO2, e auxiliam na formao de resistncia mecnica por processos de hidratao

ou reaes pozolnicas, como o clnquer, a escria de alto-forno, as cinzas volantes e outros.

Fazer mais concreto com menos ligantes, de forma que a produo no precise aumentar para

atender demanda crescente. O aumento da eficincia do uso dos ligantes , em parte, um

problema reolgico, pois depende, entre outros fatores, da maximizao da mobilidade das

partculas com minimizao do teor de gua o que possibilita obter desempenho mecnico

mais elevado com reduzido teor de ligantes , com manuteno da mobilidade no tempo de

aplicao. Para que isso seja atingido, faz-se necessrio um reestudo dos fundamentos de

reologia sobre as dosagens, atravs de: 1) controle mais rigoroso das caractersticas das

matrias-primas; 2) projeto granulomtrico mais elaborado para diminuio dos vazios; 3)

disperso das partculas para aumento da fluidez com menor teor de gua; e 4) adoo de

2

tcnicas de medio reolgica adequadas utilizao destinada, j que, em misturas

otimizadas, o comportamento reolgico muito mais complexo.

No caso da cadeia do concreto, isto implica em aumento da complexidade da

dosagem. Por isso, a indstria tem papel fundamental como a estrutura organizada com

capacidade para a realizao desta tarefa, seja na dosagem em centrais de concreto, seja na

criao de concretos ou cimentos ensacados de alto desempenho com menor teor de ligantes

para uso in loco. Porm, isto historicamente tem sido relegado a segundo plano, devido a trs

fatores: 1) falta de compreenso de que este controle poderia trazer benefcios econmicos; 2)

baixa interao entre as solues prticas de dosagem e as teorias cientficas que permitiriam

a otimizao; e 3) o fato de que a tecnologia atual de dosagem funcionou at hoje da forma

como conhecida porque tem como pr-requisito o uso de ligantes em quantidades no

limitadas. Atualmente, porm, as questes da sustentabilidade requisitam uma racionalizao

do consumo. Kumar Mehta, um dos mestres contemporneos do concreto, cita em suas

palestras que o concreto possui trs fases em sua histria: 1) busca por resistncia mecnica;

2) busca por durabilidade; e 3) busca por sustentabilidade, sendo que a ltima recente, est

em pleno desenvolvimento, implica em repensar as duas primeiras e depende do uso de

cimentos com menor teor de clnquer e concretos com menor teor de ligantes.

Esta tese tem o objetivo de investigar o potencial de aumento da eficincia do uso

dos ligantes em formulaes de concretos, visando a mitigao dos gases do efeito estufa da

sua produo. Para isso, ser dividida em quatro etapas: 1) estimativa da eficincia do uso dos

ligantes em concretos no panorama atual do conhecimento; 2) compreenso dos requisitos

cientficos e tecnolgicos para processos de dosagem de misturas de concreto que prezem por

eficincia mais alta no uso dos ligantes; 3) desenvolvimento de planejamentos laboratoriais

que busquem otimizar o uso dos ligantes em concretos a partir das ferramentas aprendidas nas

etapas anteriores; e 4) estimativa do potencial de otimizao do uso dos ligantes, atravs da

comparao entre o benchmark produzido na etapa 1 e dados de concretos laboratoriais

produzidos na etapa 3. Esta estimativa, contudo, no poder ser considerada um veredicto

final, pois para isso dependeria de um trabalho mais amplo de determinao de eficincia do

uso dos ligantes em escala comercial e mundial, o que envolveria esforos maiores e uma rede

interligada de pesquisa que inclusse a participao expressiva de fabricantes de concretos.

Mesmo assim, ela permite mostrar que a otimizao do uso de ligantes tem um grande

potencial para minimizao dos impactos discutidos.

O trabalho est dividido em 11 captulos, sendo o primeiro esta introduo.

3

O Captulo 2 apresenta um panorama mundial sobre os impactos do aquecimento

global e o posicionamento da contribuio cadeia do cimento e concreto neste panorama.

O Captulo 3 apresenta um benchmark para analisar a eficincia do uso do cimento

em concretos produzidos na literatura nos ltimos 20 anos. Para isso proposta a criao de

indicadores ambientais que sero a base de comparao para os concretos analisados.

O Captulo 4 apresenta as ferramentas de empacotamento e disperso de partculas e

sua influncia no comportamento reolgico de concretos, o que tem importncia fundamental

para o aumento da eficincia do uso dos ligantes. Tambm analisa parmetros de dosagem

atuais com enfoque nestes conhecimentos.

O Captulo 5 o primeiro experimental. Busca aplicar os conhecimentos discutidos

no Captulo 4 para a formulao de matrizes de alta eficincia para concreto, com foco na

disperso de partculas e na importncia da morfologia das partculas.

O Captulo 6 o segundo experimental, e busca compreender qual a importncia do

empacotamento de agregados sobre a eficincia do uso dos ligantes. Aplica conceitos

discutidos no Captulo 4, com foco em anlises pautadas em parmetros reolgicos.

O Captulo 7 une os conceitos e resultados experimentais dos Captulos 4, 5 e 6 para

demonstrar como formular concretos de alta eficincia no uso dos ligantes. Fenmenos

reolgicos originados na interao entre a matriz e agregados passam a ocorrer.

O Captulo 8 estuda o comportamento reolgico de concretos eficientes no tempo,

para averiguar se eles iro funcionar em um contexto de utilizao real, onde, em algumas

situaes, podem se passar mais de 2 horas entre o momento da mistura e o da aplicao.

O Captulo 9 apresenta um estudo que compara as diferentes rotas possveis de

controle da reologia e sua influncia direta na eficincia do uso dos ligantes.

O Captulo 10 apresenta um estudo de comparativo de fillers inertes visando a

formulao de matrizes de alto desempenho, realizado em estgio de Doutorado no exterior,

no Royal Institute of Technology (KTH), Estocolmo, Sucia, sob a superviso do prof. Bjrn

Lagerblad. O conceito de matriz desenvolvido aplicado na formulao de um concreto que

venceu um concurso internacional de concretos eco-eficientes.

O Captulo 11 a concluso.

4

22 CCOONNCCRREETTOO XX AAQQUUEECCIIMMEENNTTOO GGLLOOBBAALL:: IIMMPPAACCTTOOSS

Este captulo tem como objetivo discutir os impactos ambientais do concreto sobre o

aquecimento global. Apresenta: 1) o mecanismo do efeito estufa da Terra e projees do

aquecimento global; 2) a contribuio da produo de cimento para as emisses de CO2, e

tendncias para os prximos 40 anos; 3) os meios convencionais de mitigao de emisses do

cimento; 4) discusso do potencial das medidas de mitigao; e 5) novos meios de mitigao

das emisses, focados na otimizao do uso dos ligantes, com enfoque sobre o concreto.

2.1 EFEITO ESTUFA, CICLO CARBONATO-SILICATO E AQUECIMENTO GLOBAL

O efeito estufa regula a temperatura da atmosfera. As molculas de CO2, CH4, NxO e

CFCs absorvem parte da radiao infravermelha emitida pela Terra, fazendo com que o calor

fique retido (KASTING; CASTLING, 2003; SCHNEIDER, 1989). Dentre estes o CO2 o

mais abundante, respondendo por mais de 2/3 do efeito estufa da atmosfera terrestre.

Sem o efeito estufa, a temperatura da Terra seria de -18C, 33C abaixo da mdia

atual (15C). Isto impossibilitaria a vida, na forma em que conhecida. O planeta realiza

processos que equilibram o CO2 da atmosfera e o fixado na crosta terrestre (reservas de

carbono), dentre eles: 1) a absoro de CO2 pelos oceanos atravs de processos fsico-

qumicos e biolgicos; 2) a fotossntese realizada pelas plantas; e 3) o ciclo carbonato-silicato

(Figura 2.1) (KASTING; WHITMIRE; REYNOLDS, 1993; KASTING; CATLING, 2003).

Figura 2.1 Ciclo do carbonato-silicato simplificao.

Se a quantidade de radiao infravermelha emitida pelo Sol constante sua

variao s sentida em milhares de anos (KASTING; CATLING, 2003) , o aumento do

nmero de molculas destes gases na atmosfera aumenta a absoro da radiao, gerando

aumento da temperatura. E isto vem acontecendo, contrariando o ciclo natural. O grande

5

crescimento populacional observado na Histria da humanidade e o aumento das necessidades

do homem na vida moderna acarretaram em um modelo de desenvolvimento tecnolgico que

tem trazido aumento sem precedentes dos problemas ambientais. O IPCC (2007) mostra que,

aps a Revoluo Industrial, o aumento das emisses de gases do efeito estufa passou a

ocorrer de forma acentuada, conforme a Figura 2.2.a. Portanto, um grave problema que tem se

verificado o excesso de emisso dos gases do efeito estufa por ao antrpica.

Figura 2.2 a) evoluo histrica da concentrao de gases do efeito estufa; b) aquecimento global ocorrido no ltimo sculo

e 3 diferentes estimativas para a sua evoluo no sculo XXI cenrios A2, A1B e B1 (IPCC, 2007).

A Figura 2.2.b apresenta um estudo de trs possveis cenrios de tendncias de aumento da

temperatura mdia da atmosfera terrestre para os prximos anos, determinadas pelo aumento

da concentrao de gases do efeito estufa (IPCC, 2007). O homem est agindo negativamente

sobre o equilbrio natural de CO2 entre atmosfera e crosta terrestre.

2.2 CONCRETO, CIMENTO E AQUECIMENTO GLOBAL

A construo civil a cadeia de maior consumo de matrias-primas no mundo.

Estima-se que seja responsvel pelo consumo de 50% de todos os recursos naturais (UNEP,

2003; SOUZA, 2005). Dentro dela, o concreto o material mais utilizado (JOHN, 2003;

WBCSD, 2007), o que o torna o material mais consumido no mundo. Isto se deve ao fato de

que este: 1) fabricado a partir de matrias-primas abundantes na crosta terrestre; 2) tem

baixo custo; 3) resistente e durvel; e 4) de fcil manuseio e adaptvel a distintas

condies e escalas de aplicao, sendo indispensvel no atual estgio de desenvolvimento.

Os agregados formam, geralmente, mais de 80% da massa total do concreto, restando

ao cimento e outros ligantes participao entre 8 e 20%. Mesmo assim, o grande impacto

ambiental do concreto est relacionado ao clnquer incorporado, pois este responde sozinho

por mais de 70% das emisses de NOx e 80% das emisses de CO2. Se o concreto no for

Ano Ano

Sculo XX

Compromisso de reduo

Dixido de carbono (CO2)

Metano (CH4)

xido ntrico (N2O)

Aqu

ecim

ento

glob

alda

supe

rfc

ie(C

)

6

armado, estes impactos aumentam para 75 e 85% (Vares; Hakkinen, 1998). Kjellsen;

Guimaraes; Nilsson (2005), por sua vez, concluem que o clnquer responsvel por mais de

91% das emisses de CO2 do concreto, dados que no so referncias absolutas j que

dependem do modo como a alocao do CO2 das matrias-primas feita na ACV do material.

Este cenrio deve-se ao fato de que a produo de uma tonelada de clnquer emite

entre 825 e 1150 kg de CO2, conforme apresentado na Tabela 2.1. Tabela 2.1 Variao das emisses de CO2 relacionadas produo de clnquer.

Autor kg CO2 por ton de clnquer produzida Yamamoto et al (1997) 824,25 a 1151,7 Humphreys; Mahasenan (2002) 870 Gartner (2004) 859 Josa et al (2004) 821,1 a 900 USGS (2005) 960 IEA (2006) 913 a 1125 Damtoft et al (2008) 840 a 1150 John (2011) 855,07 WBCSD/CSI (2009) 842 a 1043

A Figura 2.3 apresenta as emisses de CO2 / ton clnquer divididas por tipo de forno

e por ano (WBCSD/CSI, 2009; WBCSD/GNR, 2011).

Figura 2.3 Media de emisses de CO2 / ton clnquer: a) divididas por tipo de forno e ano (WBCSD/CSI, 2009); b) mdia

mundial (WBCSD/GNR, 2011).

Conforme a Figura 2.3, a variao depende principalmente da modificao do tipo de

forno. Como a maior parte da produo j migrou para os sistemas mais eficientes em 2011,

mais de 68% j ocorria por via seca com pr-aquecimento e pr-calcinao (WBCSD/GNR,

2011), o potencial de reduo deve ser cada vez menor com o passar do tempo. Porm,

contrariando esta previso, a Tabela 2.2 apresenta o cenrio do WBCSD/IEA (2009) para a

evoluo do teor de clnquer mdio no cimento e emisses de CO2 do cimento, de 2012 a

2050, baseado em dados industriais dos participantes. A partir dos dados, possvel calcular

as emisses de CO2 / ton de clnquer (mesma Tabela). A previso apresentada a diminuio

das emisses at 2050 em quase 40% com relao s emisses de 2012.

842861

955

896

1043

800

850

900

950

1000

1050

1100

Via seca + pr-aquecimento + pr-calcinao

Via seca + pr-aquecimento

Via seca Semi-mido / semi-seco

Via mida

kg C

O2

/ t c

lnqu

er

Tipo de forno

1990200020052006

865862854856852

800

850

900

950

1000

1050

1100

Mdia mundial

kg C

O2

/ t c

lnqu

er

199020002005200620072008200920102011

7

Tabela 2.2 Clculo das emisses de CO2 por tonelada de clnquer a partir dos dados de WBCSD/IEA (2009).

Ano 2012 2015 2020 2025 2030 2050 Teor de clnquer 0,77 0,76 0,74 0,735 0,73 0,71 kg CO2 / t cimento 750 660 620 590 560 420 kg CO2 / t clnquer 974,03 868,42 837,84 802,72 767,12 591,55

Porm, mesmo que as emisses especficas do clnquer diminuam conforme a Tabela

2.2, isto ser compensado pelo aumento estimado da produo de cimento. A Figura 2.4.a

apresenta: 1) a evoluo histrica do crescimento da produo de cimento entre 1926 e 2006

(US GEOLOGICAL SURVEY, 2006); e 2) a previso de evoluo desta produo entre 2005

e 2050 pressupondo-se poucas modificaes tecnolgicas, criada pelo WBCSD/CSI (2007),

chegando a mais de 5,4x109 toneladas at 2050. Isto ampliaria as emisses de CO2 para mais

de 5x109 toneladas (Figura 2.4.b). Assim, at 2050 o cimento seria responsvel por mais de

30% das emisses mundiais de CO2, previso que est sujeita a grande variabilidade.

Figura 2.4 a) histrico da produo de cimento mundial (US GEOLOGICAL SURVEY, 2006) e estimativa de evoluo at

2050 (WBCSD/CSI, 2007); b) estimativa de emisses de GHG da produo de cimento 1990 a 2050 (WBCSD/CSI, 2007).

H, por outro lado, estudos que apresentam um cenrio menos agressivo. De acordo

com o WBCSD/IEA (2009), a produo de cimento foi de 2,55x109 ton em 2005, e atingir

entre 3,66x109 e 4,40x109 em 2050 (demanda baixa ou alta), com emisses de CO2 entre 2,05

e 2,52x109 ton/ano, o que se deve diminuio das emisses especficas (Tabela 2.2). Porm,

em 2011 a produo anual mundial real de cimento j atingiu 3,31x109 ton/ano (SNIC, 2012),

o que demonstra que ambos os cenrios estavam subestimados para os dias atuais e, portanto,

provavelmente tambm o esto para suas previses futuras.

A equidade social, aspecto fundamental da sustentabilidade, exige que a produo de

cimento cresa para satisfazer s demandas dos pases em desenvolvimento. Apenas no Brasil

estimou-se um dficit de 7,935 milhes de novas habitaes em 2006 (Brasil Ministrio das

Cidades, 2008). Mas como diminuir o impacto aumentando a produo?

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050

Prod

uo

cim

ento

(x10

6 to

n)

Ano

Projeo para a produo cimento - 2010 a 2050Produo real de cimento -1926 a 2006

0

1

2

3

4

5

6

1990 2000 2010 2020 2050

Emis

ses

de

CO

2(x

109

ton)

Ano

Emisses do processoEmisses dos combustveis e eletricidadeEmisses de transporte

8

2.3 INDSTRIA DO CIMENTO E REDUO DE EMISSES

2.3.1 ORIGEM DAS EMISSES DE CO2 DO CIMENTO

Devido ao cenrio apresentado, a indstria do cimento encontra-se sob presso para

diminuir as emisses de CO2. Estas ocorrem na produo do clnquer, provenientes de duas

fontes: 1) calcinao da rocha calcria; e 2) queima de combustveis, responsveis,

respectivamente, por 50% e 40% das emisses (WBCSD, 2002; WWF, 2008). Os 10%

restantes so do transporte, com pouca possibilidade de diminuio.

Durante a etapa de calcinao, h a emisso de 440 kg de CO2 para cada 1000 kg de

calcrio utilizado (clculos estequiom

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