O uso da argila calcinada no concreto: Durabilidade e sustentabilidade

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ARTIGO DE REVISÃO

OLIVEIRA, Cecilia Prado De [1]

OLIVEIRA, Cecilia Prado De. O uso da argila calcinada no concreto: Durabilidade e sustentabilidade. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 10, Vol. 01, pp. 63-72. Outubro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/argila-calcinada

RESUMO

A adição de argila calcinada diminui a emissão de CO2 na produção de cimento, além de proporcionar aumento na durabilidade das estruturas. Este artigo trata-se de uma revisão sistemática sobre o uso da argila calcinada no concreto, considerando-se o grande potencial de impacto dessa alternativa em escala global. A partir das investigações, constata-se que essas adições proporcionam refinamento dos poros, resistência a ambientes agressivos, prolongamento da vida útil e aumento da resistência mecânica. Além disso, a argila calcinada pode ser usada como agregado leve, com desempenho semelhante à argila expandida, de modo a diminuir o impacto ambiental da exploração de seixo rolado em regiões com escassez de agregados. Por fim, corrobora-se a viabilidade econômica do uso da argila calcinada.

Palavras-chave: Argila calcinada, concreto, sustentabilidade, durabilidade.

1. INTRODUÇÃO

O cimento é responsável por cerca de 8% das emissões globais de CO2, de acordo com dados apresentados pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT). Por isso, reduções na emissão de carbono para sua produção têm grande impacto em escala mundial.

O processo de produção do clínquer é o responsável pelo significativo potencial poluidor, pois a calcinação libera CO2, e requer temperaturas de até 1450 °C e queima de combustíveis. Desse modo, a substituição de parte do clínquer por adições, como argilas calcinadas, é o meio mais eficiente de diminuir as emissões de gás carbônico na produção de cimento. (SCRIVENER et al., 2018).

Além disso, os concretos feitos com adição de argila calcinada têm excelente durabilidade, com considerável diminuição na difusão de cloretos. Segundo Saad, Andrade e Paulon (1982, apud SCRIVENER et al., 2018, p. 52), há registros de seu uso com objetivo de mitigar reações álcali-agregado em estruturas brasileiras na década de 1960. Nesse sentido, ressalta-se ainda o refinamento dos poros e aumento da resistência ao ataque por sulfatos.

Por fim, destaca-se o estudo das argilas calcinadas como agregados para concreto estrutural leve na Região Amazônica, onde há escassez de agregados comuns e altos custos de transporte. Nessas localidades, a opção tradicionalmente usada é o seixo rolado obtido no leito de rios, prática que gera grande impacto ambiental. (CABRAL et al., 2008).

Desse modo, percebe-se o grande potencial da argila calcinada para a construção civil, em termos de durabilidade e sustentabilidade. Diante disso, ao longo dos últimos anos, estudos dedicaram-se a analisar seu uso no concreto. Os resultados são promissores, e indicam a necessidade da realização de mais investigações, a fim de consolidar parâmetros para a sua utilização segura, com máximo aproveitamento dos benefícios obtidos.

Este trabalho propõe-se a realizar uma revisão sistemática sobre o uso da argila calcinada no concreto, de modo a avaliar criticamente as evidências, integrar informações e orientar futuras investigações sobre o tema.

2. METODOLOGIA

Este artigo baseia-se em uma revisão sistemática sobre o uso da argila calcinada no concreto, por meio da avaliação qualitativa de informações obtidas em livros e artigos. Para tanto, as palavras chave “argila calcinada”, “concreto”, “calcined clay” e “concrete” foram pesquisadas nos bancos de dados SciELO e SpringerLink, com auxílio do filtro “Engineering”.

Foram incluídos materiais diretamente relacionados ao tema, disponíveis na íntegra, nos idiomas português e inglês. Por outro lado, fontes que tratam de outros usos da argila calcinada foram excluídas, por extrapolar o escopo deste artigo. Realizou-se ainda uma análise qualitativa dos livros e artigos, de modo a selecionar os materiais a serem usados.

Em seguida, a extração de dados foi efetuada, com base na comparação e análise crítica das evidências. Por fim, realizou-se a síntese das informações obtidas, a fim de possibilitar a discussão apresentada nas seções subsequentes.

3. RESULTADOS

Foram obtidos 52 resultados para as buscas, dentre os quais destaca-se o compilado de estudos avançados sobre o tema, produzido pela RILEM – The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures. As análises e discussões, provenientes da extração e síntese de informações, são apresentadas a seguir.

3.1 POZOLANAS E ARGILA CALCINADA

As pozolanas são materiais silicosos, frequentemente usados como adições minerais no cimento, pois reagem com o hidróxido de cálcio e diminuem sua concentração, refinando a microestrutura do concreto. Por conseguinte, tem-se uma diminuição na porosidade, ganho de resistência mecânica e durabilidade em meios agressivos. (MEHTA; MONTEIRO, 2006).

A reação pozolânica é lenta e, por isso, outra importante vantagem associada ao uso dessas adições é o baixo calor de hidratação, especialmente importante para evitar fissuras de origem térmica no caso de concreto massa. Porém, Thomaz (2001) alerta sobre a importância da cura adequada, ao pontuar que as reações pozolânicas só ocorrem na presença de água.

A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), por meio da norma NBR 16697:2018, classifica como CP II – Z o cimento Portland composto com adição de 6 a 14% de pozolanas. Já o cimento Portland pozolânico, CP IV, contém entre 15 e 50% da adição em sua composição.

Mehta e Monteiro (2006) definem as argilas calcinadas como fontes naturais de pozolana. Porém, esse material só apresentará atividade pozolânica se as estruturas cristalinas de seus minerais forem destruídas através de tratamento térmico, em temperaturas entre 600 e 900 ºC. Assim, obtêm-se aluminossilicatos de estrutura amorfa, responsáveis pelas propriedades pozolânicas.

3.2 DURABILIDADE

De acordo com Pillai et al. (2019), a vida útil dos concretos produzidos com adição de argila calcinada é consideravelmente superior, em relação aos concretos feitos com cimento Portland comum. Os estudos de caso com seções de pontes apontaram ganhos de até 50 anos na vida útil dos elementos estruturais.

O refinamento dos poros é um dos fatores que explicam o aumento da durabilidade. Sabir; Wild e Bai (2001) afirmam que se pode obter uma significativa diminuição no tamanho dos vazios, a partir de 20% de substituição do cimento comum por argila calcinada. Ademais, tem-se o decréscimo do volume de poros capilares entre 0,05 e 10 µm, associados à permeabilidade.

A microestrutura menos porosa ocasiona diminuição da difusão de cloretos, agentes causadores da despassivação das armaduras em estruturas de concreto armado. Scrivener et al. (2018) pontua que a adição da argila calcinada reduz em dez vezes o coeficiente de difusão de cloretos, observação corroborada por Pillai et al. (2019).

Além disso, essas adições diminuem a concentração de hidróxido de cálcio, o que previne a formação do gel expansivo associado à reação álcali-agregado. Nesse sentido, Saad, Andrade e Paulon (1982, apud SCRIVENER et al., 2018, p. 52) registram o uso da argila calcinada para prevenção da reação álcali-agregado em estruturas brasileiras na região amazônica, na década de 1960.

De maneira análoga, em razão da diminuição da porosidade e concentração de hidróxido de cálcio, os concretos com adição de pelo menos 25% de argila calcinada são usados no combate a ataque por sulfatos, além de apresentarem excelente resistência a ácidos. (MEHTA; MONTEIRO, 2006).

Por outro lado, Bucher; Cyr e Escadeillas (2015) notam que há um aumento na carbonatação dos concretos diante da adição de argila calcinada. Porém, a profundidade de carbonatação encontra-se na mesma ordem de magnitude dos cimentos comuns, e mantém-se em patamares aceitáveis após 50 anos de exposição, sem prejudicar a proteção das armaduras.

3.3 EMISSÃO DE CO2

De acordo com Logan (2020), a liberação de dióxido de carbono (CO2) na reação de calcinação do clínquer e sua queima em temperaturas de aproximadamente 1450 ºC são as razões pelas quais o cimento contribui com 8% das emissões globais de CO2. Portanto, percebe-se que o cimento é o constituinte do concreto com maior impacto ambiental, em termos de emissão de dióxido de carbono.

Desse modo, a substituição de parte do clínquer por adições é uma maneira eficiente de reduzir sua pegada de carbono. Porém, há uma quantidade limitada de algumas dessas adições, como cinzas volantes e escória de alto forno. Além disso, apenas um terço das cinzas volantes são apropriadas para o concreto, e a queima de carvão envolvida em sua obtenção está sendo questionada. (SCRIVENER; FAVIER, 2015).

Por outro lado, a argila calcinada é amplamente disponível em várias partes do mundo. A sua queima acontece em temperaturas entre 600 e 900 ºC, consideravelmente mais baixas que o clínquer. Além disso, a durabilidade proporcionada por essas adições diminui o consumo de recursos naturais requeridos para reparos e manutenções.

De acordo com Pillai et al. (2019), as emissões de CO2 são ainda menores ao considerar-se emissões anuais, ao longo da vida útil dos elementos estruturais. Os estudos de caso com seções de pontes sugerem que as misturas com argila calcinada alcançam emissões anuais entre 1,6 e 5 kg CO2 eq./m3 de concreto, valores similares aos obtidos por misturas com cinza volante, e significativamente menores que os cimentos comuns.

Por fim, ressalta-se que o uso de adições com objetivo de diminuir as emissões de CO2 deve sempre considerar a disponibilidade dos materiais na região da construção, pois o transporte de matéria-prima a longa distância tem grande impacto sobre a liberação de dióxido de carbono. (PILLAI et al., 2019).

3.4 PROPRIEDADES DO CONCRETO COM ADIÇÃO DE ARGILA CALCINADA

As adições modificam as propriedades do concreto nos estados fresco e endurecido. Por isso, é imprescindível estudar o comportamento das misturas da forma mais abrangente possível, de modo a assegurar eficiência e segurança.

Shui et al. (2015) afirma que o elevado teor de finos das argilas calcinadas acarreta perda na trabalhabilidade do concreto. Porém, Sabir; Wild e Bai (2001) ressaltam que a diminuição da trabalhabilidade não é significativa, e as misturas requerem menos aditivos plastificantes que concretos de consistência semelhante produzidos com sílica ativa. Além disso, o uso da cal é uma alternativa eficiente para mitigar os problemas de trabalhabilidade.

Sabe-se ainda que as reações pozolânicas são mais lentas e, portanto, há o retardamento da pega nos concretos com esse tipo de adição. (MEHTA; MONTEIRO, 2006). Nesse sentido, Scrivener et al. (2018) nota que a de pega das misturas com argila calcinada acontece em intervalos semelhantes aos cimentos pozolânicos comerciais, e pode ser controlada pelos aditivos disponíveis no mercado.

Além disso, Wild et al. (1998, apud SABIR; WILD; BAI, 2001, p. 446) afirma que a retração dos concretos decresce a partir de 15% de substituição do clínquer por argila calcinada, fato atribuído ao maior volume dos produtos de hidratação, como consequência do aumento da quantidade de compostos C2ASH8, paralelamente à diminuição de C4AH13.

Por outro lado, sabe-se que a resistência à compressão é um dos parâmetros mais importantes para os projetos de estruturas de concreto. No que concerne a esse aspecto, Sabir, Wild e Bai (2001) ressaltam que o efeito fíler e as reações pozolânicas aumentam a resistência à compressão de concretos com pelo menos 15% de adição de argila calcinada.

Em relação à saúde e segurança do trabalho, Scrivener et al. (2018) declara que não há problemas específicos relacionados ao uso da argila calcinada. Porém, deve-se limitar a quantidade de quartzo presente como material secundário, de modo a evitar níveis elevados de sílica cristalina a serem inalados pelos trabalhados.

Por fim, diante dos aspectos apresentados, destaca-se a importância do estudo e determinação da porcentagem ideal de substituição do clínquer, bem como ponderações sobre o uso da cal e dosagem dos componentes, de modo a conseguir o aproveitamento máximo dos benefícios da adição de argila calcinada.

3.5 ARGILA CALCINADA COMO AGREGADO

Além das vantagens do uso da argila calcinada como adição mineral para substituição de parte do clínquer, estudos recentes analisam o potencial do material como agregado leve no concreto. De acordo com Santis e Rossignolo (2014), a alternativa é viável tecnicamente, com desempenho semelhante à argila expandida.

As investigações sobre o tema são especialmente relevantes para a Região Amazônica, onde há escassez de agregados comuns e altos custos de transporte. Nessas localidades, o uso dos agregados sintéticos de argila calcinada diminui o impacto da extração do seixo rolado no leito de rios. (CABRAL et al., 2008).

Por conseguinte, Cabral e Vieira (2005) ressaltam que esses agregados surgem como uma alternativa vantajosa para melhorar a infraestrutura viária na Região Amazônica, pois a escassez de agregados apropriados diminui a vida útil das estradas e aumenta os custos de manutenção e operação.

Os agregados sintéticos de argila calcinada apresentam massa específica intermediária entre o basalto e a argila expandida, boa aderência com a pasta de cimento, baixa expansão por umidade e alta absorção de água, entre 16,34 e 24,18%. Além disso, têm retração linear semelhante à argila expandida. (SANTIS; ROSSIGNOLO, 2014).

Por causa da porosidade, os concretos produzidos com esses agregados têm resistência mecânica inferior aos produzidos com agregados comuns, mas apresentam cura interna mais eficiente e, consequentemente, redução na fissuração. Além disso, Cabral et al. (2008) relata menor consumo de cimento, que não impede que o concreto alcance valores de resistência superiores a 27 MPa aos 28 dias.

Santis e Rossignolo (2014) afirmam que, em geral, os concretos produzidos com agregado de argila calcinada obtiveram características compatíveis com o uso em concreto estrutural, com módulos de deformação inferiores ao basalto e semelhantes à argila expandida. Ademais, a relação entre resistência à tração e resistência à compressão permaneceu em cerca de 10%, proporção observada nos concretos comuns.

3.6 ASPECTOS ECONÔMICOS

Os custos do uso da argila calcinada no concreto dependerão de sua disponibilidade em cada localidade. No que concerne a esse aspecto, Scrivener et al. (2018) destaca que esse material está disponível em grandes quantidades em países com ampla demanda por cimento, sendo essa uma vantagem em relação a outras adições.

Silva e Frota (2013) afirmam ainda que a argila calcinada pode “garantir seu fornecimento em quantidade, com estabilidade de preço”. Porém, a produção do clínquer em larga escala causa decréscimo em seus custos, o que não ocorre com a argila calcinada, produzida em proporções significativamente menores. (SCRIVENER et al., 2018).

Porém, Sabir; Wild e Bai (2001) acreditam que o aumento da demanda ao longo do tempo acarretará diminuição dos custos. Além disso, a elevada durabilidade dos concretos feitos com adição de argila calcinada diminui os gastos com reparos, manutenção e operação das estruturas. Desse modo, tem-se uma vantagem econômica a longo prazo.

Scrivener et al. (2018) declaram que, de modo geral, as argilas calcinadas cumprem os requisitos necessários para a viabilidade econômica de uma solução construtiva, a saber: viabilidade técnica, disponibilidade de material e baixo investimento de capital. Ademais, em algumas localidades, as argilas calcinadas são mais baratas que outras opções de adições.

Em relação aos agregados sintéticos de argila calcinada, destaca-se a grande quantidade de produtoras de cerâmica vermelha no Brasil, que poderiam produzi-los com apenas algumas modificações em suas fábricas. Entretanto, ressalta-se que a análise da eficiência energética dos fornos é essencial para garantir-se a viabilidade econômica na produção de argila calcinada. (SANTIS; ROSSIGNOLO, 2014).

Além disso, considerando-se a produção para a aplicação direta em obras na Região Amazônica, Silva e Frota (2013) determinaram que os agregados de argila calcinada representam custos 34,51% menores em relação ao seixo rolado. Quando se avalia o transporte dos agregados, a diferença aumenta para 56% para distâncias de transporte de 100 km, e cresce linearmente para distâncias superiores.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O uso da argila calcinada como adição pozolânica no concreto causa refinamento dos poros e diminuição da concentração de hidróxido de cálcio, o que aumenta sua resistência a agentes deletérios. Desse modo, há um ganho considerável de durabilidade. Além disso, essas adições substituem parte do clínquer usado no cimento, contribuindo para a redução das emissões de CO2 provenientes de sua produção.

As principais propriedades dos concretos com adição de argila calcinada são: menor porosidade; menor difusão de cloretos; alta resistência a sulfatos; perda na trabalhabilidade; retardamento da pega; menor retração; maior resistência mecânica. Portanto, em geral, essas adições são altamente benéficas para o concreto, especialmente no que concerne à sua vida útil e impacto ambiental, além de serem economicamente viáveis.

Além disso, a argila calcinada pode ser usada como agregado leve, com desempenho semelhante à argila expandida. Esse uso destaca-se por diminuir o impacto ambiental da exploração do seixo rolado na Amazônia, região com escassez de agregados rochosos. Dessa forma, reitera-se o grande potencial desse material em relação à sustentabilidade, além da importância de contínuas investigações sobre o tema.

5. REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 16697: Cimento Porland – Requisitos. Rio de Janeiro. 2018.

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THOMAZ, E. Tecnologia, gerenciamento e qualidade na construção, 1 ed. São Paulo: Editora Pini, 2001.

[1] MBA Em Gestão De Projetos; Pós-Graduanda Em Engenharia De Estruturas De Concreto Armado; Pós-Graduanda Em Engenharia De Segurança Do Trabalho; Graduação Em Engenharia Civil.

Enviado: Setembro, 2020.

Aprovado: Outubro, 2020.

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