TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE CONCRETO COM FIBRA E SÍLICA GEL DA CASCA DO ARROZ: ASPECTOS PRODUTIVOS E ANÁLISE DE DESEMPENHO

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1 TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE CONCRETO COM FIBRA E SÍLICA GEL DA CASCA DO ARROZ: ASPECTOS PRODUTIVOS E ANÁLISE DE DESEMPENHO CATEGORIA: CONCLUÍDO ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA SUBÁREA: ENGENHARIAS INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE DO SAGRADO CORAÇÃO AUTOR(ES): ANGÉLICA PREARO MILLAN ORIENTADOR(ES): RICARDO RAMOS DA ROCHA COLABORADOR(ES): MÁRCIA CHAVES

2 1. RESUMO Artefatos de concreto com incorporação de fibras, para o seu reforço estrutural, é um segmento antigo e variado que em virtude de novas tendências ambientais vem se remodelando para a incorporação de resíduos agrícolas de difícil descarte em sua produção. A produção de concreto com a incorporação de fibras naturais, também chamado de concreto ecológico, cresce gradativamente com grande aceitação de mercado. Outro fator a se considerar é o uso de nano compósito como reforço na composição de novos materiais visando à melhoria de certas propriedades físicas e mecânicas. A Nano sílica ou Sílica Gel, retirados da casca de arroz, produz de forma limpa e econômica um produto reforçado e sem agressão a saúde humana, além de ser um destino adequado a um resíduo poluente. A produção do concreto ecológico pode contribuir com o crescimento da infraestrutura do Brasil, porém, com um custo ambiental menor pelo objetivo do produto, redução do consumo e reaproveitamento de matéria prima, entretanto com um melhor desempenho e durabilidade. Pretende-se neste presente trabalho pesquisar e avaliar o desempenho da introdução de complementos ecológicos, fibras da casca de arroz e sílica gel, no concreto. Desta análise obter parâmetros e gerar um produto com propriedades físicas e mecânicas aprimoradas como uma resposta alternativa às construções. 2. INTRODUÇÃO A construção civil, em toda sua complexidade, é uma das maiores consumidoras de matérias primas naturais (PIRES; LOPES; LACERDA, 21). Esta e a manutenção da infraestrutura, no Brasil, consomem até 75% dos recursos naturais extraídos. (TRINDADE, 211). O concreto é o material estrutural mais utilizado nas construções civis. Indispensável para a sociedade, em 26, seu consumo mundial estimado alcançou valores entre 21 e 31 bilhões de toneladas, assim, aproximadamente 2,55bilhões de toneladas de cimento. (TRINDADE, 211 De acordo com Trindade (211, p. 27): Devido à crescente necessidade mundial em reduzir as cargas poluentes e a retirada de matérias primas do ambiente, tem-se pesquisado em vários campos da construção civil formas de se manter o crescimento, porém, diminuindo o custo ambiental.

3 É imprescindível a busca por materiais alternativos que apresentem melhor desempenho, durabilidade e sustentabilidade. Fibra é um material fino, fibrilado e alongando. São materiais que já vem sendo utilizados durante muitos anos na construção civil. Entretanto a falta de informação no mercado atual ainda é abrangente. (DOBBIN JUNIOR; ROCHA, 211). Compósitos convencionais, concretos sem fibras, rompem com fragilidade quando a deformação corresponde à resistência à tração na flexão for superada. Assim o papel das fibras nesta adição é resistir a cargas consideráveis. Fibras de polpa celulósica são não tóxicas, renováveis e com disponibilidade de baixo custo em comparação com os produtos do atual mercado. A construção civil é responsável hoje por 47% das emissões do planeta, 8% do uso dos recursos naturais e dois terços do consumo de energia. Assim as fibras vegetais apresentam uma resposta ecológica com uma fabricação mais limpa e com economia de energia. O fato de o Brasil ser um dos maiores produtores de fibras naturais implica em alta expectativa de adaptação dos produtos ao comércio da construção civil. (TONOLI, 26). Os estudos de materiais fibrosos originam produtos reforçados, esbeltos e podem ser moldados em vários painéis. Pode significar uma contribuição rápida para o crescimento de infraestrutura desse país. (SAVASTANO JUNIOR, 2). Segundo Mehta e Monteiro (28), a massa de clínquer, presente no cimento Portland, tem uma porcentagem de 5 a 7 para substituição por materiais complementares que podem prover de rejeitos industriais e agroindustriais. Dentre eles a sílica ativa e a cinza de casca de arroz. Segundo TARDIO (28), a ABETRE publicou que as indústrias brasileiras gastam por ano mais de R$ 4 milhões em correções de passivos ambientais, sem contar os custos com indenizações e despesas judiciais. A rigorosa fiscalização da destinação dos resíduos industriais é motivo de grande preocupação das empresas, obrigando-as a tornar mais minucioso o tratamento destes com coleta, transporte e destino adequado. Dentre os resíduos gerados pelo beneficiamento do arroz destaca-se a casca, que representa 22% do peso do grão. A destinação inadequada deste resíduo pode causar grandes passivos ambientais para as indústrias. Com a queima da casca de arroz obtém a cinza residual. Esta, aplicada ao método sol-gel, remove inicialmente o silicato de sódio e posteriormente tratada com

4 ácidos e a temperatura ambiente a sílica gel: um material de elevada pureza e homogeneidade. (LIMA, 211). O método sol-gel envolve a síntese de uma rede de polímeros inorgânicos por reações químicas. A suspensão coloidal ou solução é transformada em gel através da criação de ligações entre as partículas ou entre as amostras moleculares. Sua química é baseada na hidrólise e condensação de percursores moleculares. (LIMA, 211). A sílica gel é um polímero inorgânico e amorfo formado pela condensação de tetraedros de silicato usando oxigênio como sítio de ligação. Origina-se a ligação de siloxano (Si-O-Si) e partículas de tamanhos nanométricos. Os grupos siloxona estão no interior das partículas e sua superfície é composta de grupos silanol (Si-OH). Sabe-se que a sílica amorfa (SiO2) tem maior solubilidade em valores com PH superiores a 1, assim solubiliza-se em quando tratada em solução de hidróxido de sódio formando o ácido silícico - Si (OH)4 (LIMA, 211). A sílica gel é formada durante a gelificação de uma solução de ácido silicico por meio da polimerização em três fase. A primeira consiste na polimerização do monómero para formar partículas, há o crescimento destas e no final à união em cadeias ramificadas que se estendem em toda a solução. O resultado é o aumento da viscosidade pela formação do gel. (LIMA, 211). A utilização das particulas nanométricas no cimento Portland afeta suas microestruturas e propriedades pois são responsáveis pelo aumento da viscosidade da fase líquida, redução da segregação, efeito de enchimento nos espaços vazios entre os grãos de cimento e aceleração as reações de hidratação. (LIMA, 211). Tanto o emprego da fibra da casca do arroz quanto da sílica, extraída da cinza da casca do arroz, no concreto contribuem para a sustentabilidade e o aprimorar da construção civil, além de um destino adequado a um material agrícola que antes seria considerado um resíduo poluente. (TRINDADE, 211). O concreto sustentável é mais do que uma simples substituição de parte do cimento ou agregados por materiais residuais, é um símbolo de atitude com o objetivo de redução do consumo e reaproveitamento da matéria-prima. (TRINDADE, 211). 3. OBJETIVO O objetivo desta presente pesquisa é avaliar os aspectos produtivos e análise de desempenho da introdução de produtos ecológicos no concreto utilizando como

5 matéria-prima as fibras e a Sílica Gel da casca de arroz: material presente no descarte de resíduos agroindustriais brasileiros. Pretende-se obter do concreto com material agrícola, a melhoria das propriedades físicas e mecânicas, principalmente nas condições de compressão e tração, suficientes como resposta alternativa às construções civis tornando-as mais seguras e sustentáveis. 4. METODOLOGIA Para a produção de argamassa à utilização de: cimento Portland comum (CP- II), areia com granulação grossa, água, plastificante, fibra natural proveniente da casca de arroz seca e casca de arroz pulverizada de sílica gel. O traço do cimento adotado foi a proporção de 1 de cimento (adotamos 3g) para 3 de areia grossa (na proporção 9g), além de 17g de água e 2,7g de plastificante. As dosagens de fibra são de 2%, 4% e 6% em relação à massa do cimento, assim 6g, 12g e 18g de fibra natural respectivamente. Img. 1: Cimento Img. 2: Areia grossa Img.3: Água e plastificante Img. 4: Casca de arroz Fonte: Elaborado pela autora Os equipamentos utilizados para a obtenção dos resultados foram: balança para tirar a tara dos componentes do concreto, máquina de teste de compressão e Slump para teste de plasticidade. Os equipamentos utilizados foram disponibilizados pelo laboratório de materiais da Universidade Sagrado Coração. 5. DESENVOLVIMENTO O passo inicial para o desenvolvimento da pesquisa é a obtenção dos materiais. O cimento Portland e a areia grossa foram comprados nos distribuidores de materiais de construção da cidade de Bauru - SP. A palha de arroz foi adquirida de uma fazenda da região de Ourinhos - SP, em quantidade suficiente para a realização das dosagens. A obtenção da Sílica Gel foi realizada no Laboratório de Resíduos e Compósitos da Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP, de Botucatu - SP.

6 Para o preparo da massa de concreto mistura-se em um recipiente o cimento e a areia grossa com um misturador, em seguida acrescenta-se a água com plastificante e a fibra mexendo com uma espátula. Todas as amostras devem respeitar a dosagem correta e serem homogenias. Após preparo do material e lubrificado com detergente os corpos de prova de argamassa, com espessura de 1,cm, e logo em seguida moldam-se as amostras. Para o condicionamento da massa e retirada dos gases da mistura usou-se um pilão. A superfície deve ser alisada com a espátula e posteriormente com uma placa de vidro. O rompimento é realizado respeitando o tempo de cada amostra e quando necessário é realizado o capeamento e nivelamento para posterior realizar os testes. O passo seguinte foi realizar os ensaios de compressão e slump para a avaliação da qualidade dos concretos. Img. 5: Cimento e areia grossa Img.6: Água com plastificante Img. 7: Palha de arroz seca Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora Img. 8: Lubrificação Img. 9: Moldagem Img. 1: Alisamento da superfície Fonte: Elaborado pela autora. Fonte: Elaborado pela autora. Fonte: Elaborado pela autora. Img. 11: Alisamento da superfície Img. 12: Moldagem dos grupos Img. 13: Moldagem Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora

7 Megapascal Megapascal Megapascal Img. 14: Rompimento Img. 15: Teste a compressão Img. 16: Teste de slump Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora Fonte: Elaborado pela autora 6. RESULTADOS 6.1. Testes a compressão Rompimento dos corpos de provas no primeiro dia 2 17,42 14,14 17,63 15,63 14,81 15,52 16,7 14,71 16,32 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Concreto com casca de arroz Gráfico 1: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 2% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora. 13,6 12,1 15, ,51 11, ,7 14,71 16,32 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Cimento com casca de arroz Gráfico 2: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 4% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora. 2 1,48 12,77 13,79 12, ,85 16,7 14,71 16,32 Amostra 13 Amostra 14 Amostra 15 Concreto com casca de arroz Gráfico 3: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 6% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora. apresentou uma pequena média superior aos demais na porcentagem de 2% da massa, porém nas misturas com porcentagem de 4% e 6% esse resultado decaiu sendo superado pelos resultados do concreto branco Rompimento dos corpos de provas no sétimo dia

8 kn kn Megapascal Megapascal Megapascal 5 1,54 21,54 18,9 13,53 15,53 12,84 2,1 16,31 17,9 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Concreto com casca de arroz Gráfico 4: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 2% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. 5 15,66 18,9 2,42 18, ,2 2,1 16,31 17,9 Amostra 1 Amostra 11 Amostra 12 Concreto com casca de arroz Gráfico 5: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 4% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. Gráfico 6: Comparativo de testes de compressão em concreto com agregados em porcentagem a 6% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. O concreto com porcentagem de 4% de sua massa, tanto com casca de arroz como com casca de arroz e sílica, resultados superiores ao concreto simples e o segundo apresentou melhor resultado. 5 26,9 18,2 15,2 11,5 2,1 16,31 17,9 Amostra 16 Amostra 17 Amostra Carga máxima obtida no ensaio: 14,61 16,49 concreto com sílica Rompimento dos corpos de provas no primeiro dia 34,1 27,73 34, ,6 32,81 28,83 32 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Gráfico 7: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 2% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora. 5 26,7 23,7 29,6 22,6 21,91 23,5 32,81 28,83 32 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Gráfico 8: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 4% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora.

9 kn kn kn kn 5 2,57 25,7 27,7 24,11 21,61 19,3 32,81 28,83 32 Amostra 13 Amostra 14 Amostra 15 Gráfico 9: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 6% com rompimento de um dia. Fonte: Elaborado pela autora. Em relação à força, apenas o concreto com casca de arroz e sílica apresentou melhor resultado nas porcentagens de 2% e 4% de agregado a massa do concreto, em que o segundo sobressaiu ao primeiro Rompimento dos corpos de provas no sétimo dia 5 42,16 37,13 2,76 26,57 3,5 25,23 39,46 32,2 33,55 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Gráfico 1: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 2% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. 39,74 37,11 4, ,6 35,7 39,46 32,2 33,55 Amostra 1 Amostra 11 Amostra 12 Gráfico 11: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 4% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. 5 31,59 28,68 32,37 35,31 29,8 22,7 39,46 32,2 33,55 Amostra 16 Amostra 17 Amostra 18 Gráfico 12: Carga máxima obtida no ensaio do concreto com agregados em porcentagem a 6% com rompimento após sete dias. Fonte: Elaborado pela autora. Tanto o concreto com casca de arroz e concreto com casca de arroz e sílica apresentaram resultados superiores ao concreto simples na porcentagem de 4%. Sendo que o segundo apresentou melhores resultados do que o primeiro.

10 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Após análise total dos dados, tem-se como conclusão que os seguintes grupos apresentaram resultados compressão e carga máxima superiores ao concreto branco em ordem crescente de valores: Concreto com 2% de sua massa de casca de arroz com sílica e rompimento de um dia Concreto com 4% de sua massa com casca de arroz com rompimento de sete dias Concreto com 4% de sua massa de casca de arroz com sílica e rompimento de sete dias Em suma o concreto estrutural elaborado possui elevada qualidade física e mecânica além de responsabilidade ambiental, pois diminui a exploração dos recursos planetários de forma a prejudicar de menor maneira o equilíbrio do meio ambiente e atendendo a alta demanda do mercado de trabalho. Através do conhecimento científico da pesquisa o produto final pode evoluir a infraestrutura do Brasil, que está atualmente atrasada em relação aos países desenvolvidos, porém possui o índice de maior produtor de fibras naturais do mundo. Conclui-se que o concreto com material agrícola é uma alternativa para tornar a construção civil mais segura e sustentável além de ser uma opção para diminuir a descarte de resíduos agrícolas dos aterros sanitários que estão próximos ao limite de suas capacidades. 8. FONTES CONSULTADAS DOBBIN JUNIOR, E. S.; ROCHA, L. F. S. Estudo do concreto com adição de fibras de polipropileno para controle da fissuração f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Civil) Universidade da Amazônia, Belém, 211. Disponível em: < nts/article/129/estudo%2de%2concreto%2com%2adicao%2de%2 FIBRA.pdf>. Acesso em: 15 jan LIMA, S. P. B. et al. Production of silica gel from residual rice husk ash. Química Nova, São Paulo. v. 34, n. 1, s.1, 211. p Disponível em: < Acesso em: 18 jan MAYER, F. D.; HOFFMANN, R.; RUPPENTHAL, J. E. Gestão Energética, Econômica e Ambiental do Resíduo Casca de Arroz em Pequenas e Médias

11 Agroindústrias de Arroz. In: SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, 13, 26, Bauru, SP. p Disponível em:< Acesso em: 2 abr MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: microestrutura, propriedades e materiais. São Paulo, SP: IBRACON, 28. PIRES, A.; LOPES, D.; LACERDA, E. Concreto sustentável. Arquitetura e Urbanismo UFSC, 21. Disponível em: < Acesso em: 15 jan SAVASTANO JUNIOR, H. Materiais à base de cimento reforçado com fibras vegetais: reciclagem de resíduos para a construção de baixo custo f. Tese (Doutorado em Engenharia de Construção Civil) - Escola de Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2. Disponível em: < Acesso em: 15 jan TARDIO, O. L. H. A questão dos resíduos industriais. CENED Centro Nacional de Ensino a Distancia, 28. Disponível em: < Acesso em: 8 nov TONOLI, G. H. D. Aspectos produtivos e análise do desempenho do fibrocimento sem amianto no desenvolvimento de tecnologia para telhas onduladas f. Dissertação (Mestrado em Zootecnia) - Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos. Universidade de São Paulo, São Paulo, 26. Disponível em: < Acesso em: 18 jan TRINDADE, G. H. Durabilidade do concreto com cinza de casca de arroz natural sem moagem: mitigação da reação álcali-sílica e penetração de cloretos f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 211. Disponível em: < ta%c3%a7%c3%a3o.pdf>. Acesso em: 18 jan. 213.