Materiais cimentícios suplementares: Histórico e novas tendências

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ARTIGO DE REVISÃO

ROSA, Luis da Silva [1], SOUSA, Kaique Gomes de [2], FILHO, Ademar Roberto Gross [3], SOUSA, Fernando Henrique Fernandes [4]

ROSA, Luis da Silva. Et al. Materiais cimentícios suplementares: Histórico e novas tendências. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 04, Vol. 07, pp. 121-127. Abril de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/materiais-cimenticios

RESUMO

Dentre os materiais mais utilizados na construção civil se destaca o cimento Portland, sendo o aglomerante principal para a produção de concretos e de argamassas. Diante do aumento da preocupação com a saúde ambiental, busca-se, então, alternativas ao uso do cimento que possam sanar as necessidades do meio ambiente juntamente as necessidades econômicas e sociais. Propõe-se, então, a utilização de materiais que possam oferecer melhorias e apresentar alternativas ao uso do cimento, uma vez que a sua vantagem é a utilização de um co-produto em substituição à uma matéria prima. Os co-produtos utilizados em substituição parcial aos cimentos são os materiais cimentícios suplementares. Os materiais cimentícios suplementares podem atuar no endurecimento do concreto se estiver em condições ideais, auxiliando, dessa forma, o cimento. De modo paralelo, contribuem, ainda, com o uso de resíduos sólidos de outros setores industriais (co-produtos) que seriam descartados agravando problemas ambientais como acúmulo, disposição irregular e até mesmo descarte de um material de elevado potencial.

Palavras-chave: Materiais cimentícios suplementares, reutilização de resíduos, construção civil.

1. INTRODUÇÃO

De acordo com Maury e Blumenschein (2012), com os impactos do processo de industrialização se intensificando no século XIX, os problemas ambientais se tornaram presentes nas discussões sobre as condições sanitárias e de saúde e foi a partir dos anos 1970 que houve o aumento dos danos gerados pelos impactos ambientais causados pela produção industrial, seja por emissão de gases poluentes ou em razão do acúmulo de resíduos no meio ambiente. Na construção civil, o concreto é o material de construção mais consumido no mundo, sendo a produção destes materiais responsável por grande parte das poluições à nível global (CAMILO apud FREIRE, 2016).

Nesse contexto, cabe reiterar, de acordo com as contribuições de Martins e Medeiros (2018), que dentre os materiais utilizados no âmbito da construção, destaca-se, principalmente, o cimento denominado de Portland. Ele deve ser mencionado neste estudo pois atua como o principal aglomerante, e, portanto, é o mais utilizado para a produção de compósitos cimentícios no mundo. Diante desta situação, buscou-se, considerando o contexto apresentado, alternativas ao uso do cimento que pudessem sanar as necessidades ambientais juntamente as necessidades econômicas e sociais.

2. HISTÓRIA DO CIMENTO

O cimento Portland é o resultado de um processo de fusão parcial realizado a uma temperatura de 1500°C de uma mistura homogeneizada de calcário (carbonato de cálcio) e de uma quantidade adequada de argila ou xisto (OWENS, 2003). De acordo com Snic (2020, p. 1) “a palavra cimento vem do latim caementu que na antiga Roma significava uma pedra natural de rochedos não esquadrejada”. Os primeiros cimentos de silicato de cálcio foram produzidos pelos gregos e romanos. Esses povos são importantes pois foram os que descobriram que as cinzas vulcânicas, se moídas finamente e misturadas com cal e água, produziam uma argamassa endurecida, resistente às intempéries. A reação é conhecida como reação pozolânica (OWENS, 2003).

A utilização do cimento pode ser considerada como uma espécie de “marca” da civilização atual, pois desde o início do século XX tem sido a solução econômica e em grande escala tanto para o problema de moradia e assentamentos humanos, como para a construção de grandes obras da engenharia moderna (MAURY; BLUMENSCHEIN, 2020, p. 78).

Em meados do século XVIII, John Smeaton descobriu que certos calcários impuros (que continham níveis adequados de sílica e alumina) tinham propriedades cimentantes. Isto é, que poderiam reagir com a água para produzir hidratos duráveis (OWENS, 2003). Assim, “o resultado foi um pó que, por apresentar cor e características semelhantes a uma pedra abundante na Ilha de Portland, foi denominado cimento Portland” (SNIC, 2006, p. 1). O termo cimento Portland foi aplicado pela primeira vez por Joseph Aspdin em sua patente britânica no. 5022, em 1824. Os cimentos produzidos na primeira metade do século XIX não tinham a mesma composição composta que os cimentos Portland modernos. Foi com a introdução do forno rotativo, no final do século, que permitiu a fabricação de um produto homogêneo, devido as temperaturas mais altas durante o século XX (OWENS, 2003).

3. MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES

O cimento Portland tem sua eficácia comprovada em concretos e argamassas, tanto no estado fresco quanto endurecido, por este motivo buscou-se, então, materiais de ação semelhante que possam substituí-lo mesmo que parcialmente (MARTINS, 2018). As adições de Materiais Cimentícios Suplementares (MCS) incorporadas na produção do cimento podem aproveitar resíduos de outras indústrias que acarretariam danos ao meio ambiente, reduzindo à má destinação e possibilitando melhorias nas propriedades do concreto (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Esses materiais geralmente apresentam atividade pozolânica. Ocorre quando se tem em temperatura ambiente a presença de sílica vítrea em quantidade suficiente.

Na presença de água pode ser combinada com a portlandita e formar o Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H) que é similar ao formado pela hidratação do cimento Portland (MARTINS; MEDEIROS, 2018). Os materiais alternativos usados são, atualmente, classificados como Materiais Cimentícios Suplementares (MCS). Incluem pozolanas e materiais cimentantes (THOMAS, 2013) e podem ser encontrados em forma de resíduos de outras indústrias: cinza volante – resíduo das termoelétricas a carvão, a sílica ativa – resíduo da produção de ferro silício, o metacaulim – resíduo da produção de papel, cinza de casca de arroz – resíduo da queima da casca do arroz, entre outros (MARTINS apud DAL MOLIN, 2011; MEHTA; MONTEIRO, 2014; NEVILLE, 2016).

Alguns MCS’s, como a escória granulada do alto forno, mostram um comportamento cimentante na medida em que reagem diretamente à água para formar produtos de hidratação com propriedades cimentícias. Tais materiais não requerem que o cimento Portland endureça e ganhe força, mas as reações químicas são muito aceleradas pela presença de cimento Portland e, portanto, materiais como escória são mais frequentemente usados em combinação com o cimento Portland. Alguns materiais, como as cinzas volantes que contêm uma grande quantidade de cálcio (cinzas volantes classe c), reagirão pozolanicamente e hidraulicamente quando usados em concreto (THOMAS, 2013). De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 12653 (ABNT, 2014) uma pozolana é:

Um material silicioso e aluminoso que, por si só, possui pouco ou nenhum valor cimentício, mas que, na forma finamente dividida e na presença de umidade, reage quimicamente com o hidróxido de cálcio (um produto de hidratação do cimento Portland) em temperaturas comuns para formar compostos com propriedades cimentícias.

Os MCS’s sofrem reações químicas no concreto e os produtos da reação são cimentícios por natureza, ou seja, os produtos ajudam a unir os componentes do concreto da mesma maneira que os produtos da reação (ou hidratação) do cimento Portland. Consequentemente, os MCS’s são considerados parte do componente do material de cimentação do concreto e devem ser incluídos no cálculo da relação água / material de cimentação, do concreto. Como tal, os MCS’s devem ser diferenciados dos enchimentos minerais finamente divididos, como calcário moído ou quartzo, que, geralmente, são quimicamente inertes do concreto e não são considerados parte do material cimentado (THOMAS, 2013).

3.1 O USO DOS MCS’S

Para substituir o clínquer de forma eficaz na mitigação dos impactos ambientais, os materiais cimentícios suplementares precisam atender alguns requisitos: apresentar grande disponibilidade na natureza, ser viáveis economicamente e ter viabilidade técnica (química, mineralógica e demanda de hidratação). A adição material cimentício suplementar ao cimento Portland pode afetar sua eficiência em termos de reatividade e demanda de água (ABRÃO, 2018). De acordo com Martins e Medeiros (2018), os MSCs influenciam nas propriedades no estado fresco, como trabalhabilidade, podendo, então, atuar de forma positiva quando comparados a concretos e argamassas constituídos apenas por cimento Portland.

Abrão (2018) ainda destaca que a adição dos MSC’s por sí só não irá alterar os impactos ambientais e explica que a adição de pozolanas altera a reatividade do cimento, a mudança da granulometria, a área superficial, a morfologia e a reatividade. Afirma que esses elementos podem alterar a demanda de água e reitera, também, que essas transformações são capazes de gerar uma mudança positiva no que tange a eficiência do ligante no produto final (concreto e argamassas).

3.2 DISPONIBILIDADE X BENEFÍCIO

A solução do problema ambiental, de acordo com Camilo (2018 apud ISAIA et al, 2017) tem sido a substituição parcial do clínquer por pozolanas de origem industrial como cinza volante, sílica ativa ou metacaulim ou resíduos agrícolas como cinza de casca de arroz, entre outros. Por serem subprodutos de outras indústrias, o tipo e qualidade do MCS utilizados podem variar quando levados em consideração distintos locais, devido à disponibilidade local. (MARTINS; MEDEIROS, 2018). Dentre os materiais destacados estão as cinzas volantes que são minerais produzidos a partir da queima de carvão mineral. As cinzas volantes não comercializadas são transferidas para as minas de carvão desativadas (SILVA et al, 1999). Casagrande et al (2019) avaliaram concretos autoadensáveis de alto desempenho com substituição parcial de cimento por cinza volante e constataram que houve uma melhora nas propriedades mecânicas e de durabilidade das amostras.

Aumentou-se a resistência à compressão em todas as substituições em comparação com a referência. Atendendo aos requisitos mostrados anteriormente, também temos a (CCA) cinza de casca de arroz, pois o arroz sendo um dos alimentos mais consumidos no mundo, a sua combustão correta remove a matéria orgânica de sua composição, resultando, assim, em uma cinza que apresenta teor elevado de sílica vítrea microporosa (MARTINS; MEDEIROS, 2018 apud RIGHI, 2015). Camilo (2018) explica que a cinza de casca de arroz é um material de difícil descarte, sendo usada como adubo nas próprias plantações de arroz, mas isso não é o suficiente para descartar toda a quantidade produzida. Somente 30% da CCA é usada como adubo nas plantações, sendo que o restante fica estocado durante vários meses até que tenha um destino.

O destino da cinza não utilizada, geralmente, é um aterro, este, por sua vez, agride o meio ambiente e cria um impacto ambiental indesejado. A CCA produzida é rica em sílica, e, dessa forma, utilizar a CCA na composição de argamassas é uma alternativa completamente viável pois reduz os danos ambientais, possui grandes quantidades geradas pela produção do arroz e possuem, ainda, um custo baixo para ser produzida. Atendendo aos requisitos de oferta local podemos citar as cinzas do bagaço de cana-de-açúcar. No Brasil, por exemplo, de acordo com Soares et al (2012) as cinzas volantes são escassas, e, dessa forma, as cinzas de bagaço de cana-de-açúcar, com teores de sílica da ordem de 70%, tornam-se atrativas como fonte de sílica vítrea.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Diante do estudo apresentado, pode-se concluir que a utilização dos materiais cimentícios atua de forma suplementar, uma vez que ao substituir o clínquer no cimento é capaz de reduzir parte dos impactos ambientais causados pelo mesmo. Além dos benefícios ambientais, o uso dos MSCs, se trabalhado da forma correta, trará, também, melhorias na qualidade final das propriedades físicas e econômicas do concreto. Diante do cenário atual de crises ambientais graves, pesquisas que estimulam e incentivam a proteção do meio ambiente tende a se manter na crescente e quando aliada à responsabilidade ambiental com fatores técnicos e econômicos consegue-se uma cadeia de produção sustentável que atende de forma completa todas as necessidades.

REFERÊNCIAS

ABRÃO, P. C. R. A. O uso de pozolanas como materiais cimentícios suplementares: disponibilidade, reatividade, demanda de água e indicadores ambientais. 2019. 143 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2019.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12653: Materiais pozolânicos. Rio de Janeiro: ABNT, 2014.

CAMILO, M. G.; MEDEIROS, R. Estudo do uso de cinza de casca de arroz como material cimentício suplementar para produção de concreto. In: RIUNI, Repositório Institucional, 2018.

CASAGRANDE, C. A. et al. Efeito da substituição do cimento por cinza volante em concretos autoadensáveis de alto desempenho. Revista Técnico-Científica, n. 21, p. 1-10, 2019.

DAL MOLIN, D. C. C. Adições minerais. In: ISAIA, G. C. Concreto: Ciência e tecnologia. São Paulo: IBRACON, 2011.

IPCC. Summary for Policymakers. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Reino Unido: Cambridge University Press, 2013.

ISAIA, G. C.; GASTALDINI, A. L. G.; CERVO, T. C. Estudo sobre o uso de cinza de casca de arroz natural em concreto estrutural. In: 56º Congresso Brasileiro do Concreto, 2014.

MAURY, M. B.; BLUMENSCHEIN, R. N. Produção de cimento: impactos à saúde e ao meio ambiente. Sustentabilidade em Debate, v. 3, n. 1, p. 75-96, jan/jun 2012.

MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: microestrutura, propriedades e materiais. 2ª. ed. São Paulo: IBRACON, 2014.

MARTINS, M. M.; MEDEIROS, R. Investigação da influência do uso de Materiais Cimenticios Suplementares em substituição parcial ao Cimento Portland. In: RIUNI, Repositório Institucional, 2018.

NANOCEM. Cement, concrete and emissions: The need for research. 2016. Disponível em: http://www.nanocem.org/uploads/Modules/Resources/nanocem—factsheet-1—a4.pdf. Acesso em: 10 mar. 2020.

NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. 5ª. ed. São Paulo: Bookman, 2016.

OWENS, P. L.; NEWMAN, J. B. Lightweight aggregate. Advanced Concrete Technology. Oxford, Reino Unido: Elsevier, 2003.

SILVA, N. I. et al. Caracterização de cinzas volantes para aproveitamento cerâmico. Cerâmica, v. 45, n. 296, p. 184-187, 1999.

SINDICATO NACIONAL DA INDÚSTRIA DO CIMENTO (SNIC). SNIC 50 Anos. 2020. Disponível em: www.snic.org.br. Acesso em 20 fev. 2020.

SOARES, M. M. N. de S. et al. Caracterização da cinza de bagaço de cana-de-açúcar contaminada com quartzo proveniente da lavoura. In: 20º CBECIMAT – Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2012.

THOMAS, M. Supplementary cementing materials in concrete. Nova Iorque: CRC Press, 2013.

WRI Brasil. Os países que mais emitiram gases de efeito estufa nos últimos 165 anos. 2019. Disponível em: https://wribrasil.org.br/pt/blog/2019/04/ranking-paises-que-mais-emitem-carbono-gases-de-efeito-estufa-aquecimento-global. Acesso em: 20 mar. 2020.

[1] Acadêmico de Engenharia Civil da Universidade de Gurupi.

[2] Acadêmico de Engenharia Civil da Universidade de Gurupi.

[3] Acadêmico de Engenharia Civil da Universidade de Gurupi.

[4] Professor Mestre do curso de Engenharia Civil da Universidade de Gurupi.

Enviado: Março, 2020.

Aprovado: Abril, 2020.

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