Avaliação da profundidade de carbonatação em argamassas
produzidas com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar
Fernando do C. R. Almeida
Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Construção Civil
Brasil
[email protected]
Sofia A. Lima
Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana
Brasil
[email protected]
Almir Sales
Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil
Brasil
[email protected]
Juliana P. Moretti
Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil
Brasil
[email protected]
Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar, de forma qualitativa, a profundidade de
carbonatação (PC) de argamassas produzidas com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar
(CBC), em substituição à areia natural. As amostras de CBC foram coletadas em usinas do
estado de São Paulo, Brasil. Foram produzidas argamassas com cimento Portland
composto, com teores de substituição de areia natural por CBC de 0%, 30% e 50%, em
massa. Foram realizados ensaios mecânicos e de avaliação da PC natural, pelo método
colorimétrico, nas idades de 60, 90 e 120 dias. Pode-se indicar que a adição da CBC não
influenciou significativamente na durabilidade de matrizes cimentícias de argamassas.
Palavras–chave: cinza do bagaço da cana-de-açúcar, profundidade de carbonatação,
durabilidade, argamassa.
1. INTRODUÇÃO
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e seus derivados (açúcar e etanol).
Esse cenário apresenta uma tendência de contínuo crescimento devido, principalmente, ao
incentivo à produção mundial de biocombustíveis como alternativa energética [1].
Na safra de 2011/12, o país foi responsável pelo processamento cerca de 590 milhões de
toneladas de cana-de-açúcar. Deste total, 48,95% foram destinados à produção de açúcar
e, 51,05%, para produção de etanol, representando um quantitativo de 37,1 milhões de
toneladas de açúcar e 23,7 bilhões de litros de álcool. Para isto, a área destinada ao cultivo
da cana-de-açúcar foi de cerca de 8,43 milhões de hectares, respresentando menos de 1%
de todo o território nacional [2].
Um dos resíduos gerados neste processo é a cinza do bagaço da cana-de-açúcar, gerada
pela queima do bagaço nas caldeiras para produção de energia elétrica. Estimativas
mostram que, para cada tonelada de cana-de-açúcar processada, são produzidos
aproximadamente seis quilos de cinza [3].
Atualmente, um dos problemas enfrentados pelos administradores das usinas é quanto à
disposição dessas cinzas residuais. Na maior parte dos casos, as cinzas são aproveitadas
no campo como adubação orgânica nas lavouras de cana (apesar de ser um material com
poucos nutrientes) ou descartadas na natureza sem um manejo eficiente [4]. Outros
autores verificaram a presença de vários metais pesados em amostras de cinza do bagaço
da cana-de-açúcar, indicando que o seu uso como fertilizante deve ser restrito [5].
A indústria da Construção Civil apresenta um elevado potencial para incorporação de
resíduos desta natureza como matéria prima, colaborando para o desenvolvimento
tecnológico, ambiental e econômico regional [6].
Alguns pesquisadores vêm estudando esta alternativa como adição mineral em materiais
cimentícios, como argamassas e concretos.
Souza e colaboradores [4] investigaram a substituição parcial do cimento Portland pela
cinza do bagaço da cana-de-açúcar em argamassas e verificaram que, até um teor de 20%,
a adição das cinzas residuais é tecnicamente viável sem perdas nas propriedades
mecânicas.
Cordeiro et al. [7] também estudaram a substituição das cinzas de cana por cimento
Portland em argamassas, indicando que o efeito pozolânico do resíduo depende
significativamente do tamanho e finura das partículas. Estas propriedades podem ser
conseguidas por processos específicos de queima e moagem do material.
Outros estudos também mostraram a viabilidade de substituição das cinzas do bagaço da
cana-de-açúcar como agregado miúdo. Esta alternativa oferece uma vantagem na fase de
preparo do resíduo, pois este pode ser usado na forma in natura como material inerte, o
que não requer altos tempos de moagem e queima a elevadas temperaturas. Alguns
autores [8, 9, 10] verificaram um aumento de resistência à compressão aos 28 dias em
argamassas com substituição de até 50% da areia natural.
Além disso, a aplicação da cinza do bagaço da cana-de-açúcar também pode ser estendida
para concretos. Pesquisadores mostraram que a adição cinza como agregado miúdo não
alterou as propriedades mecânicas dos concretos confeccionados com três tipos de
cimento [5]. Altoé e outros não constataram perdas de resistência à compressão em
concretos confeccionados com a cinza em substituição à areia natural [11].
Entretanto, o estudo da aplicação de materiais alternativos em concretos e argamassas
demanda uma atenção especial em relação à sua durabilidade. Neste contexto, o efeito da
carbonatação apresenta-se como um dos principais problemas de degradação de estruturas
de concreto devido à sua ação na despassivação das armaduras.
A incorporação de adições minerais em concretos tem um efeito benéfico sobre algumas
de suas propriedades, fato esse que pode ser explicado devido à diminuição do tamanho
dos poros, aumento da tortuosidade dos canais e a redução da interconectividade dos
poros [12].
Em pesquisa feita com concretos utilizando resíduo da construção civil como agregado
miúdo, a substituição total da areia provocou um aumento de 6% da profundidade de
carbonatação aos 180 dias em ambiente com 20% de CO2 [13].
Hoppe et al. [14] avaliaram o efeito da carbonatação em ensaio acelerado em concretos
utilizando a cinza da casca do arroz como substituto do cimento. Os resultados indicaram
que a adição do resíduo levou a um aumento da frente de carbonatação. Além disso, os
concretos utilizando cinzas não moídas apresentaram valores de profundidade de
carbonatação maiores do que aqueles que utilizaram as cinzas moídas previamente.
A aplicação da cinza volante em concretos também foi verificada por Younsi e outros
[15]. Independentemente do tipo de cura, os resultados mostraram que o concreto com
adição do resíduo como substituto do cimento apresentou resistência à propagação da
carbonatação tanto quanto o concreto referência.
Sarmento e Vanderlei [16] apresentaram um estudo de durabilidade de concreto com
adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar com base, dentre outras verificações, na
profundidade da carbonatação em ensaio acelerado. Os resultados demonstraram que a
substituição de até 30% da areia por cinza não diminuiu a capacidade do concreto de
resistir à carbonatação. Em outro estudo, Lima et al. [17] concluiram que a frente de
carbonatação natural de concretos produzidos com 30% e 50% de cinza da cana-de-açúcar
é similar ao concreto sem adição das cinzas.
Apesar da ação da carbonatação poder ser prejudicial em estruturas de concreto, em
muitos casos, para uma análise comparativa, Kulakowski [18] afirma que a investigação
em argamassas é mais vantajosa do que em amostras de concreto. Isso se justifica, pois as
dimensões e consumo de materiais em corpos de prova de argamassa são bastante
reduzidos e cuja leitura pode ser mais clara. O concreto pode apresentar uma profundidade
de carbonatação inferior a da argamassa, pois a fração de agregado graúdo estabelece uma
área menor sujeita a poros permeáveis, contribuindo como barreira para o avanço da
frente de carbonatação. Além disso, dificuldade de realização de leituras durante o ensaio
em concretos pode levar a maior variabilidade das medidas de profundidade de
carbonatação, pois o agregado graúdo apresenta porosidade inferior a da matriz composta
pela pasta de cimento. A forma do corpo de prova também influencia na propagação da
carbonatação, sendo que nos corpos de prova prismáticos, esta frente pode ser menor do
que aquela verificada em corpos de prova cilíndricos.
Khunthongkeaw et al. [19] verificaram que a adição de cinza volante em corpos de prova
de argamassa com até 30% de substituição ao cimento não provocou diferenças
significativas de profundidade de carbonatação entre argamassas e concretos.
Wolf [20] também utilizou corpos de prova de argamassas com cimento branco e
diferentes teores de calcário para verificar o efeito da carbonatação. Considerando as
mesmas condições para ambas as amostras, as argamassas com cimento branco
apresentaram frente de carbonatação inferior às argamassas com cimento cinza. Além
disso, para elevados teores de adição de calcário, pode-se perceber alguma interação
química entre este material e a pasta, o que provocou o aumento da carbonatação nas
argamassas com adição.
Este trabalho, por sua vez, tem por objetivo propor uma verificação do comportamento
quanto à profundidade de carbonatação de argamassas com adição de cinza do bagaço da
cana-de-açúcar como agregado miúdo. Para isto, foi considerada uma análise qualitativa
da carbonatação natural em diferentes idades e teores de substituição da areia.
2. METODOLOGIA
A seguir são apresentados os materiais e métodos utilizados no estudo.
2.1 Materiais
Para a produção das argamassas, foram utilizados os seguintes materiais: cimento Portland
composto, areia natural, cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) e água.
Foi utilizado cimento Portland composto com escória granulada de alto forno, CP II E 32.
Este cimento apresenta um teor de 6 a 34% de adição de escória, em massa, conforme
NBR 11578 [21]. A composição química e física deste cimento foi apresentada na Tabela
1.
Tabela 1 – Composição química e física do cimento Portland CP II E 32
Componentes (%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
CO2
SO3
Perda ao fogo - 1000°C
Resíduo insolúvel
Propriedades
Início de pega (min)
Finura
Material retido na # 200 (%)
Blaine (cm2/g)
Resistência à compressão (MPa)
7 dias
28 dias
21,41
5,88
3,68
58,44
2,04
0,73
4,95
1,26
5,92
1,72
184
1,60
4000
31,00
40,00
Os ensaios de caracterização dos agregados foram realizados segundo as normalizações
brasileiras: NBR 9776 [22]; NM 45 [23]; NM 53 [24], NM 248 [25].
A caracterização da areia natural utilizada como agregado miúdo apresentou os seguintes
resultados: módulo de finura de 2,11; dimensão máxima característica de 2,40 mm; massa
específica no valor de 2.450 kg/m3; massa unitária no estado seco e solto no valor de
2.040 kg/m3.
As amostras de cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) foram coletas em usinas do
Estado de São Paulo, Brasil, situadas em um raio máximo de 100 km do local de estudo.
Após a coleta, a CBC foi secada em estufa a 100 ± 5 ºC, e moída durante 3 minutos em
moinho tipo almofariz-pistilo para uniformização e padronização da granulometria das
amostras. A caracterização da CBC preparada apresentou como resultados: massa
específica, no valor de 2.650 kg/m3; massa unitária, no valor de 1.390 kg/m3; dimensão
máxima característica no valor de 0,60 mm e módulo de finura no valor de 1,23. Os
valores da análise química da CBC estão apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 – Análise química da cinza do bagaço da cana-de-açúcar utilizada
Elementos
(%)
CBC
SiO2
96,2
Fe2O3+
Al2O3
1,9
K2O+
Na2O
0,3
CaO
P2O5
MgO
SO3
0,1
0,1
<0,1
0,1
Perda
ao fogo
1,04
2.2 Produção das argamassas
Os traços utilizados para a produção das argamassas foram baseados em estudos
realizados por [5]. Como o fenômeno da carbonatação ocorre na matriz da argamassa dos
concretos, sendo este material o escopo efetivo dos estudos sobre o fenômeno da
carbonatação, procurou-se manter o mesmo proporcionamento de argamassa utilizada
pelos autores em estudos de dosagem do concreto. Esse teor de argamassa se deu em
51,3%, ou seja, um traço de 1 : 2,01 (cimento : agregado miúdo).
Os teores de substituição da areia natural pela CBC foram de 0% (referência), 30% e 50%.
Para determinação da relação água/aglomerante, considerou-se o aumento da demanda de
água pelas argamassas e concretos devido à presença de material carbonoso na CBC
(matéria orgânica em forma de carbono livre, extremamente fino), conforme verificado
em outros estudos [8]. Desta forma, a relação água/cimento (a/c) foi obtida a partir da
série com maior teor de cinza (com 50% de CBC), padronizando esse valor para os
demais traços. Para essa série, a quantidade de água foi determinada pela consistência,
visando à facilidade de moldagem dos corpos-de-prova das argamassas. Procurou-se
alcançar a consistência padrão de 255 ± 10 mm, conforme especificado por NBR 13276
[26] e sugerido por BEZERRA [27] (Figura 1).
Figura 1 – Verificação da consistência das argamassas
Os traços das argamassas produzidas podem ser verificados na Tabela 3, bem como a
consistência alcançada em cada traço.
Tabela 3 – Composição dos traços das argamassas (em massa)
Série
C0
C30
C50
Teor
CBC
0%
30%
50%
Cimento
Areia
CBC
1,00
1,00
1,00
2,010
1,407
1,005
0,603
1,005
Relação
a/c
0,42
0,42
0,42
Consistência
(mm)
275 ± 10
265 ± 10
250 ± 10
Foram moldados corpos de prova cilíndricos de argamassa, de dimensões 5x10 cm de
cada traço, curados em câmara úmida durante 28 dias (Figura 2).
Figura 2 – Moldagem dos corpos de prova cilíndricos
2.3 Análise das argamassas
As argamassas foram submetidas a ensaios de resistência à compressão aos 28 dias [28] e
de profundidade de carbonatação natural pelo método colorimétrico, nas idades de 60, 90
e 120 dias.
Para o ensaio de carbonatação natural, os corpos de prova de argamassa foram deixados
em ambiente de laboratório. Nas respectivas datas de ensaio, os corpos de prova
cilíndricos foram rompidos diametralmente, seguidos pelo tratamento da superfície
rompida com solução de fenolftaleína diluiída em álcool [29].
As medidas da frente de carbonatação foram feitas com auxílio de um paquímetro digital.
Essa frente pode ser percebida pela diferenciação de cor da superfície tratada
proporcionada pelo método qualitativo. O hidróxido de cálcio (CH) adquire uma
tonalidade rosada, enquanto a parte carbonatada permanece inalterada. A cor rosa pode
indicar a presença de CH, mas não a ausência total de carbonatação, considerando esta
frente de forma gradual [30] (Figura 3).
frente de
carbonatação
Figura 3 – Ruptura diametral dos corpos de prova e verificação da profundidade de
carbonatação, respectivamente
É relevante destacar que esta análise tem caráter qualitativo-comparativo entre amostras
de argamassa com diferentes teores de CBC. Isso pode indicar uma profundidade de
carbonatação maior do que efetivamente ocorre em uma estrutura usual de concreto, o que
favorece a análise empregada, conforme estudos realizados por Kulakowski [18]. Segundo
a autora, esta diferença de valores de profundidade de carbonatação entre concreto e
argamassa passa a ser menor em relações água/cimento inferiores a 0,50, a qual é
verificada nos traços utilizados neste trabalho (a/c=0,42).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados do ensaio de resistência à compressão das argamassas estão verificados na
Tabela 4, bem como a análise estatística dos mesmos.
Tabela 4 – Resultados do ensaio de resistência à compressão
Resistência à
compressão (MPa)
36,12
34,46
39,56
Série
C0
C30
C50
Desvio padrão
(MPa)
0,87
0,60
1,11
Coeficiente de
variação (%)
2,40
1,74
2,81
Resistência à compressão
(MPa)
Os resultados mostrados na Tabela 4 podem ser melhor vizualizados na Figura 4.
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
C0
C30
C50
Série de argamassas
Figura 4 – Resultados do ensaio de resistência à compressão
Mesmo com a manutenção da relação água/aglomerante e a variação do teor de CBC nos
traços, as argamassas apresentaram pequena variação de resistência à compressão, visto
que as diferenças de resistência mecânica entre elas foram inferiores a 10%. Mesmo
assim, a argamassa com 50% de teor de CBC apresentou o maior valor de resistência à
compressão.
A Tabela 5 apresenta os resultados da profundidade de carbonatação natural medidas nas
argamassas nas idades de 60, 90 e 120 dias.
Tabela 5 – Resultados do ensaio de profundidade de carbonatação
Idade
(dias)
Série
C0
C30
C50
C0
C30
C50
C0
C30
C50
60
90
120
Profundidade de
carbonatação (mm)
0,63
0,45
0,63
1,14
1,20
1,26
2,00
1,86
1,68
Desvio padrão
(mm)
0,07
0,05
0,08
0,12
0,18
0,11
0,29
0,26
0,13
Coeficiente de
variação (%)
11,07
11,49
12,94
10,93
14,67
8,61
14,42
13,90
8,18
Os resultados da frente de carbonatação também podem ser verificados na Figura 5.
Profundidade de
carbonatação (mm)
3,00
C0
C30
C50
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
60
90
Idade (dias)
120
Figura 5 – Evolução da profundidade de carbonatação nas argamassas
Nas primeiras idades (60 dias), as argamassas apresentaram profundidades de
carbonatação não superiores a 0,65mm. Com idades mais avançadas (120 dias), essa
frente não ultrapassou os 2,00mm.
Dentre as argamassas verificadas, percebeu-se uma redução da frente de carbonatação
daquela com 50% de adição de CBC (série C50) na última idade do ensaio.
Apesar da série C30 não apresentar o maior valor de resistência à compressão, ainda
assim houve uma diminuição da profundidade de carbonatação, indicando que a CBC
provocou uma influência positiva na redução da frente de carbonatação nas argamassas.
Conforme apontado por Kulakowski [18], esta análise pode indicar uma frente de
carbonatação maior do que aquela efetivamente ocorre em uma estrutura usual de
concreto, não sendo recomendável a sua extrapolação para concretos com vistas à
previsão de vida útil. Além disso, para maiores conclusões, pode ser necessária a medição
desta profundidade de carbonatação em idades mais avançadas e análise de ensaios
acelerados. Entretanto, esse estudo foi de grande valia para uma caracterização preliminar
da matriz de argamassa com adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar como agregado
miúdo.
4. CONCLUSÕES
Com base nos estudos desenvolvidos, a adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar
(CBC) se mostrou uma alternativa viável na sua aplicação em matrizes cimentícias, não
causando influência significativa na perda das propriedades de durabilidade de
argamassas, verificada por meio da avaliação da profundidade de carbonatação natural.
Mesmo assim, foi possível verificar uma redução da frente de carbonatação na idade de
120 dias para a argamassa com teor de substituição de 50% do agregado míudo pela cinza.
Deste modo, foi possível caracterizar a matriz de argamassa com CBC encapsulado
indicando uma possível similaridade da durabilidade de concretos produzidos com o
mesmo teor de argamassa utilizando o resíduo. Entretanto, se faz necessário a
continuidade dos estudos em idades mais avançadas.
4. REFERÊNCIAS
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