Cimento Portland versus
Ligantes Geopoliméricos
Considerações econômicas sobre as implicações do
mercado de carbono no custo dos concretos
Sumário
Com a entrada em vigor do Protocolo de Kyoto, teve início um novo paradigma de crescimento econômico que se consubstancia na promoção de um conjunto de mecanismos
penalizadores das atividades econômicas com maiores emissões de carbono, como é o
caso da indústria cimenteira. Com este artigo, pretende-se avaliar as consequências do
comércio de emissões de carbono, na viabilidade do desenvolvimento de ligantes do tipo
geopolimérico, alternativos ao cimento Portland e caracterizados por baixas emissões.
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Cimento Geopolimérico
1. Introdução
O comércio de emissões de carbono em janeiro de 2005, veio contribuir para que se
iniciasse uma nova forma de contabilização dos custos dos materiais, imputando-lhes
o seu custo ambiental beneficiando os materiais considerados “ecologicamente amigáveis” e penalizando os materiais responsáveis por elevados níveis de emissões como é
o caso do cimento Portland.
A ameaça da alteração do clima na Terra, responsável nas últimas décadas por inúmeras
catástrofes naturais que resultaram em perdas de milhares de vidas e vultuosos prejuízos econômicos, é um dos grandes desafios ambientais a que a sociedade atual tem
que fazer face. Para essa ameaça muito contribuem as emissões de gases, responsáveis
pelo aumento do efeito estufa, sendo o dióxido de carbono um dos gases que mais contribuem para esse aquecimento com 60% do total.
Gases provenientes fundamentalmente do uso intensivo de combustíveis fósseis, da
deflorestação e da indústria do cimento, que é o responsável por 5% das emissões mundiais de CO2. A produção de cimento não é possível sem a emissão de CO2, através da
descarbonização do calcário (CaCO3), quando incinerado conjuntamente com argilas,
aproximadamente a 1450 ºC, para a produção do clínquer de acordo com a seguinte
reação:
3CaCO3 + SiO2 ==> Ca3SiO5 + 3CO2
de acordo com a qual, a produção de 1 tonelada de cimento, gera 0,55 tonelada de CO2
de origem química, a que acrescem 0,39 tonelada de CO2 por tonelada de cimento devido ao uso de combustíveis fósseis para a produção de energia necessária a fabricação
deste material, o que equivale a afirmar simplificadamente que durante a produção de
1 tonelada de cimento, se produz igualmente 1 tonelada de CO2 (o que constitui 7 vezes
mais que o nível de emissão na produção dos ligantes geopoliméricos).
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Cimento Geopolimérico
Atualmente, a indústria cimenteira produz cimentos com substituição parcial por
subprodutos de características pozolânicas, como as escórias e as cinzas volantes, de
modo a reduzir o seu nível de emissão e o seu custo. O potencial de redução de emissão
obtido dessa forma é, no entanto, segundo alguns investigadores, bastante limitado.
Neste contexto, a comunidade científica não tem poupado esforços no sentido de tentar
desenvolver ligantes alternativos ao cimento Portland capazes de um melhor desempenho, quer em termos ambientais ou mesmo em durabilidade, mas que não conseguiram
até agora afirmar-se como substitutos efetivos, devido em parte mas fundamentalmente
ao baixo custo do cimento Portland.
Em 9 de março de 2005 as licenças de emissão de CO2, estavam sendo negociadas em
10,7 euros por tonelada métrica. Contudo é previsível que esse valor tenha tendência de
elevação no futuro, havendo inclusive alguns cenários que apontam para valores entre
23 a 38 euros por tonelada de CO2, o que constitui 27% a 45% do custo do cimento
Portland, o que torna necessário analisar de que forma este aumento previsível de custo
para este tipo de ligante, em virtude da sua carga poluente, reduz a sua competitividade
comparativamente a ligantes do tipo geopolimérico responsáveis por uma emissão em
menor nível.
Fig. 1 - Evolução do aumento de temperatura global média com o nível de concentração de CO2 atmosférico
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Cimento Geopolimérico
2. Análise de custo dos concretos
A tabela I apresenta a composição e a resistência à compressão de quatro tipos de
concretos. Dois são do tipo geopolimérico (GA e M9), e os dois restantes são concretos
à base de cimento Portland; um deles tem na sua composição cimento tipo I da classe
42,5 com substituição de 60% de cimento por cinzas volantes (CV60), e o outro é um
concreto corrente da classe C20/25, à base de cimento tipo II da classe 32,5 (PPC).
Tabela I - Concretos: Composição e resistência à compressão
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Cimento Geopolimérico
A tabela II apresenta o custo dos concretos, aos quais se quantificou somente os materiais com IVA já incluso, a 19%. Portanto, o custo da mão de obra representa apenas
uma pequena parte do custo global do concreto e que se pode considerar invariável nos
diferentes tipos de concretos apresentados, já que se considerou, simplificadamente,
que todos teriam a mesma trabalhabilidade, o que não sucede. O custo é apresentado
por metro cúbico e também em termos de razão custo/resistência.
Tabela II - Custo dos concretos (só materiais)
Pode constatar-se da análise da tabela II, que em termos do custo por m3, os concretos de
base geopolimérica são mais caros que os concretos à base de cimento Portland. O concreto
geopolimérico M9 de menor custo é 74% mais caro que o concreto tradicional CV 60 de
maior custo. A explicação, reside fundamentalmente no custo dos ativadores alcalinos,
que representa em relação ao custo global, 83% no concreto GA e 71% para o concreto
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Cimento Geopolimérico
M9, o que quer dizer que o custo dos precursores é quase irrelevante, não sendo possível
conseguir reduções no custo final através de reduções neste material.
Uma solução mais correta será a de se atuar ao nível da quantidade do ativador e da
concentração da molaridade do hidróxido de sódio, como aconteceu entre os concretos
GA e M9, em que essa alteração originou uma redução de 62% no custo por metro cúbico.
Aliás, as investigações atuais no domínio dos ligantes geopoliméricos incidem bastante
sobre a questão dos ativadores, procurando melhorar o desempenho dos existentes, quer
em termos das suas propriedades quer em termos do seu custo, através de melhorias
na economia de sua produção.
Em termos de custo por MPa no entanto, as diferenças já são menos expressivas. Nesse
caso o concreto de base geopolimérica M9 com o custo menor, tem um custo somente
8% acima do custo do concreto tradicional PPC de menor custo. Contudo o concreto
tradicional CV60 de custo mais elevado apresenta um custo 28% superior ao do concreto
geopolimérico M9 de menor custo.
As figuras 2 e 3 mostram de que forma um aumento do custo do cimento Portland pode
influenciar na competitividade dos concretos executados com este ligante face aos seus
equivalentes de matriz geopolimérica, já que, em virtude do contexto da economia do
carbono, as empresas terão que começar a imputar ao custo dos materiais que produzem, o custo da sua poluição.
Em termos de custo por metro cúbico o panorama, só começa a se alterar a partir de
um aumento do custo do cimento acima dos 100%, o que quer dizer que tão cedo dificilmente o cimento Portland perderá a sua competitividade.
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Cimento Geopolimérico
No entanto se a análise for feita em termos de razão custo/resistência, para um aumento
do custo do cimento de aproximadamente 50%, os ligantes geopoliméricos já se tornam
uma alternativa efetiva.
Além disso deve ser também levado em conta que a utilização de concretos com resistências superiores às convencionais, permitem consideráveis reduções do consumo de
aço e do próprio consumo de concreto, por redução da seção. Mencionam reduções na
ordem de 50% no consumo de aço em pilares e de 33% no consumo de concreto, para
um aumento de 3 vezes da capacidade resistente do concreto. O mercado de concreto
pronto é caracterizado pelo uso generalizado de baixas classes de resistência, o que
constitui um obstáculo aos ligantes de alto desempenho (sendo respectivamente 35% no
intervalo (15-25 MPa), 55% no intervalo (25-35 MPa) e somente 10% acima dos 35 MPa).
É importante frisar que, não foram objeto de contabilização a favor dos ligantes geopoliméricos, o fato destes terem uma vida útil muito mais longa, de permitirem a colocação
das estruturas em serviço muito mais cedo, reduzindo de forma substancial o prazo de
conclusão das obras e também ao fato de por serem constituídos por resíduos, permitindo
economias em termos de taxas de deposição, cujo custo é tendenciosamente crescente.
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Cimento Geopolimérico
Fig. 2 – Evolução do custo do concreto por metro cúbico com o aumento do custo do cimento Portland
Fig. 3 – Evolução da razão custo do concreto/resistência com o aumento do custo do cimento Portland
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Cimento Geopolimérico
Cimento Portland versus ligantes geopoliméricos
3. O cimento Portland
Patenteado em 1824 por Joseph Aspdin, o cimento Portland deve o seu nome às suas
semelhanças com um calcário extraído na região de Dorset (Inglaterra) e designado de
Portland. Embora tenha sido o ligante por excelência do século 20, devido em grande
parte à sua versatilidade, à abundância de recursos naturais para a sua fabricação, e ao
seu relativo baixo custo, o cimento Portland padece no entanto de alguns inconvenientes
em termos de durabilidade.
Como já reconhecia Sousa Coutinho, “..a sua elevada alcalinidade torna-o um material
instável...pelo que a sua duração não será muito longa..”. Apresenta-se uma descrição sucinta
das desvantagens dos ligantes de cimento Portland:
• Elevado grau de emissões de CO2 ( 1 tonelada por cada tonelada de cimento)
• Elevado consumo energético na fase de fabricação, com temperaturas de clinquerização da ordem dos 1450º C
• Concretos com vida útil que correntemente não ultrapassa os 60 anos
• Concretos sem qualquer resistência ao ataque de ácidos
• Concretos com resistência ao fogo quase nula
• Concretos com elevada condutibilidade térmica
• Concretos com considerável permeabilidade à penetração de agentes agressivos
• Concretos sensíveis à ação da carbonatação
• Concretos sensíveis ao ataque de cloretos
• Concretos sensíveis à ocorrência de reações expansivas do tipo álcali-agregado
• Necessidade de utilização de agregados com granulometrias bem graduadas.
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Cimento Geopolimérico
4. Ligantes geopoliméricos
Embora usualmente designados como ligantes geopoliméricos, são também designados
como ligantes obtidos por álcali-ativação, ou cimentos alcalinos. Em termos históricos
este tipo de ligante, foi objeto de intensas análises por parte de investigadores do Leste
da Europa. Contudo, somente em 1978 foi quando Joseph Davidovits introduziu o termo
“geopolímero”, tendo patenteado o produto das suas investigações sobre a polimerização
do metacaulim, é que a temática dos ligantes alcalinos sofreu uma inflexão, quer em
termos da qualidade da investigação produzida, quer em termos de divulgação midiática,
o que justifica a vulgarização do termo “geopolímero”, à semelhança do que aconteceu
com o termo “cimento Portland” nos cimentos tradicionais.
Em termos físicos, os ligantes obtidos por álcali-ativação, compreendem fundamentalmente duas etapas, uma de dissolução da sílica e alumina da matéria-prima, quando
misturada com uma solução alcalina (ativador) e outra de policondensação e endurecimento dos produtos de reação numa estrutura polimérica.
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Cimento Geopolimérico
Tabela III – Resenha histórica sobre alguns acontecimentos importantes acerca de cimentos obtidos por álcaliativação e cimentos alcalinos
Autor
Ano
Descrição
Feret
1939
Cimentos com escórias
Purdon
1940
Combinações álcalis-escórias
Glukhovsky
1959
Bases teóricas e desenvolvimento de cimentos alcalinos
Glukhovsky
1965
Primeiros cimentos alcalinos
Davidovits
1979
Termo “ Geopolímero”
Malinowski
1979
Caracterização de aquedutos milenares
Forss
1983
Cimento tipo F (escórias – álcalis – superplastificante)
Langton e Roy
1984
Caracterização de materiais em edifícios milenares
Davidovits e Sawyer
1985
Patente do cimento “ Pyrament “
Krivenko
1986
Sistemas R2O – RO - SiO2 - H2O
Malolepsy e Petri
1986
Ativação de escórias sintéticas
Malek. et al.
1986
Cimentos de escórias com resíduos radioativos
Davidovits
1987
Comparação entre concretos correntes e concretos milenares
Deja e Malolepsy
1989
Resistência ao ataque de cloretos
Kaushal et al.
1989
Cura adiabática de ligantes alcalinos com resíduos nucleares
Roy e Langton
1989
Analogias dos concretos milenares
Majundar et al.
1989
Ativação de escórias – C12A7
Talling e Brandster
1989
Álcali-ativação de escórias
Wu et al.
1990
Ativação de cimento de escórias
Roy et al.
1991
Pega rápida de cimentos ativados alcalinamente
Roy e Silsbee
1992
Revisão sobre cimentos ativados alcalinamente
Palomo e Glasser
1992
Metacaulim com CBC
Roy e Malek
1993
Cimento de escórias
Glukhovsky
1994
Concretos milenares, modernos e futuros
Krivenko
1994
Cimentos alcalinos
Wang e Scrivener
1995
Microestrutura de escórias ativadas alcalinamente
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Cimento Geopolimérico
Ao nível fenomenológico, alguns investigadores afirmam que existem dois modelos
distintos de álcali-ativação:
• No primeiro modelo, um bom exemplo é o da ativação de escórias de alto-forno, um
material com uma elevada percentagem de óxido de cálcio, que ao ser ativado com
soluções alcalinas de baixa ou média concentração, origina produtos de reação do
tipo silicato de cálcio hidratado (C-S–H).
• No segundo modelo, o material composto quase exclusivamente por sílica e alumina,
é ativado por soluções alcalinas bastante concentradas originando-se uma reação de
polimerização que foi patenteada por Davidovits.
De acordo com os trabalhos deste investigador, os ligantes geopoliméricos a partir do
precursor metacaulim, apresentam uma série de vantagens sobre o cimento Portland:
• Redução de emissão de CO2 até 6 vezes menos que o cimento Portland
• Concretos com resistências mecânicas relativamente elevadas e obtidas em poucas
horas
• Concretos com baixa condutibilidade térmica
• Concretos com capacidade de imobilização de metais pesados
• Concretos com resistência a altas temperaturas (Fig. 4)
• Concretos resistentes ao ataque químico (Fig. 5)
• Concretos imunes à reação alcáli-sílica (Fig. 5)
Os ligantes geopoliméricos podem utilizar como matéria-prima qualquer material
inorgânico constituído por sílica e alumina e que tenha sido sujeito a um tratamento
térmico que torne o material amorfo (mais reativo). As investigações de Davidovits recomendam no entanto que se respeitem determinadas razões atômicas, para se obterem
resultados ótimos quer ao nível mecânico quer ao nível da durabilidade.
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Cimento Geopolimérico
Fig. 4 – Perda de resistência com o aumento de temperatura em concretos à base de cimento Portland e de cimento
geopolimérico
Fig. 5 – Perda de peso após ataque ácido, em concretos à base de cimento Portland e de cimento geopolimérico
Fig. 6 – Reação álcali-sílica. Medição da expansão em argamassas à base de cimento Portland e de cimento
geopolimérico
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Cimento Geopolimérico
Desta forma podem ser utilizadas como matérias-primas para os ligantes geopoliméricos, cinzas, escórias, ou até mesmo resíduos de minas e pedreiras, mesmo contendo
metais alcalinos.
Apesar das inúmeras vantagens descritas, os concretos à base de ligantes geopoliméricos apresentam no entanto alguns inconvenientes tecnológicos comparativamente aos
concretos tradicionais, que a investigação atualmente procura solucionar como:
• Um nível de retração ligeiramente superior
• Uma trabalhabilidade bastante baixa, originada pela elevada viscosidade das soluções
alcalinas com baixos teores de água, que os superplastificantes usuais não conseguem
resolver;
• Uma elevada dependência das condições de cura, seja em termos da necessidade
de impedimento da evaporação, quer em termos de se obterem resultados físicos
melhorados com curas a temperatura elevadas.
A nível mundial, a investigação na área dos ligantes geopoliméricos, centra-se hoje quase
exclusivamente sobre as cinzas volantes (ver Fig. 7), devido à elevada quantidade que é
produzida anualmente (600 milhões de toneladas), estimando-se que apenas 14% desse
volume seja reaproveitado. Havendo inclusive resultados muito promissores em termos
do desenvolvimento de dormentes pré-fabricados para linhas ferroviárias.
Fig. 7 – Concretagem de pilar com concreto geopolimérico à base de cinzas volantes
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Cimento Geopolimérico
5. Conclusões
A indústria cimenteira mundial é um dos grandes responsáveis pela emissão de elevadas quantidades de dióxido de carbono. Por outro lado, o cimento apresenta sérias
deficiências em termos de durabilidade. Desta forma assumem-se como alternativas a
este material, aqueles que sejam menos poluentes e mais duráveis. Os ligantes geopoliméricos constituem-se como um produto inovador alternativo ao cimento Portland,
quer em termos ambientais, devido às suas baixas emissões, quer ao fato de poderem
ser produzidos a partir de resíduos, quer mesmo em termos da sua inequívoca superior
durabilidade.
A maior desvantagem dos concretos à base de ligantes obtidos por álcali-ativação, reside
no fato de apresentarem um custo substancialmente superior aos concretos correntes à
base de cimento Portland. Não existem, no entanto estudos que permitam quantificar
quais as variáveis que expliquem as diferenças entre os dois tipos de ligantes e onde
futuras investigações, possam alcançar reduções significativas.
Os concretos correntes são atualmente materiais com custos extremamente competitivos,
devido ao baixo custo do cimento Portland. Contudo os elevados níveis de emissão de
CO2, gerados na produção deste ligante e também o fato de recentemente ter entrado
em vigor o mercado de emissões de carbono, fará com que o custo deste material venha,
em médio prazo, a englobar o seu custo ambiental. Este fato reduzirá consideravelmente
sua competitividade face ao aparecimento de ligantes mais “ecologicamente amigáveis”,
como são os ligantes geopoliméricos.
Em curto prazo é possível antecipar cenários em que se efetivem penalizações crescentes
às empresas que emitam elevadas quantidades de CO2, o que levará inevitavelmente a
um aumento da competitividade dos ligantes geopoliméricos.
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