INFLUÊNCIA DE RESÍDUO GRITS DA FABRICAÇÃO DE CELULOSE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA ARGAMASSA

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1 INFLUÊNCIA DE RESÍDUO GRITS DA FABRICAÇÃO DE CELULOSE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA ARGAMASSA A.L. Oliveira Júnior a*, L.G. Pedroti a, W.E.H. Fernandes a, A.G. Fineza b a Universidade Federal de Viçosa (UFV) - Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, Campus Universitário, Viçosa, Minas Gerais, Brasil b União de Ensino Superior de Viçosa (UNIVIÇOSA) Avenida Maria de Paula Santana, 3815, Silvestre, Viçosa, Minas Gerais, Brasil. * oliveiraandre66@yahoo.com.br RESUMO O grande desenvolvimento tecnológico aumentou significativamente a produção de bens industrializados e o volume de recursos minerais explorados. Associado a essa grande expansão produtiva houve um enorme aumento na quantidade de resíduos produzidos, fazendo com que milhões de toneladas de resíduos sejam geradas a cada dia em todo mundo. Um resíduo produzido em grande quantidade oriundo da produção de celulose pelo processo Kraft é o grits, resíduo sólido industrial que não apresenta deposição adequada. Objetivou-se neste trabalho substituir parcialmente o agregado miúdo natural, em diferentes porcentagens, pelo resíduo grits a fim de avaliar a influência dessa substituição nas propriedades mecânicas de tração e flexão. O resíduo grits foi empregado em porcentagens de substituição ao agregado miúdo de 10, 15 e 20% em massa. Os resultados obtidos através dos ensaios foram submetidos às Análises de Variância (ANOVA), que demonstraram que para a resposta à flexão as substituições de agregado miúdo por grits se mostrou significativa, sendo possível selecionar a porcentagem de 15% como sendo o melhor tratamento através do Teste de Tukey. Estes resultados indicam o potencial de utilização deste resíduo como substituto parcial do agregado miúdo em argamassas de revestimento. Palavras-chave: argamassa, compressão, flexão, reciclagem 2780

2 1. INTRODUÇÃO Segundo a Indústria Brasileira de Celulose, o Brasil é o quarto maior produtor mundial de celulose, fabricando 9% de todo material produzido no mundo. Isso se deve ao clima tropical brasileiro que favorece o plantio de eucalipto além da utilização de biotecnologia e de engenharia genética, que favorecem a produtividade brasileira, já que a produção de 1,5 milhão de tonelada de celulose no Brasil requer 140 mil hectares de madeira, enquanto que na Escandinávia são necessários 720 mil hectares e na China, 300 mil (BNDES, 2014). No Brasil, o principal processo de obtenção de celulose é o Kraft. Segundo Gullichen e Fogelholn (2000), este processo é a evolução do processo Soda e teve a primeira planta industrial em 1885 na Suécia. Esse processo também é conhecido como sulfato, pois é utilizado o sulfato de sódio (Na2SO4) para reposição das perdas dos compostos químicos inorgânicos durante a recuperação química do licor negro no processo. Um resíduo produzido em grande quantidade oriundo da produção de celulose pelo processo Kraft é o grits, resíduo sólido industrial, Classe II A que não apresenta deposição adequada (SOUZA e CARDOSO, 2014). Para dar destinação correta a esses tipos de materiais descartados, desde o século XX materiais alternativos vêm sendo utilizados em uma grande variedade de produtos por causa de suas propriedades favoráveis, como durabilidade, baixa densidade, facilidade de fabricação e baixo custo (EUROPE, 2013). Aliado a isso, a necessidade de preservação de recursos naturais combinada com a necessidade de dispor os resíduos gerados nos processos industriais de maneira adequada, tornando as atividades humanas 2781

3 mais sustentáveis, tem sido objeto de estudos de construtoras e das instituições de pesquisa nos últimos anos. Estas necessidades se relacionam de maneira complexa, visto que a reciclagem e a utilização de materiais alternativos participam da solução destas necessidades (GU e OZBAKKALOGLU, 2016). Com o crescimento geral da construção civil, principalmente em obras de infraestrutura e habitação e a necessidade de deposição adequada de materiais alternativos, a utilização de sistemas construtivos ecológicos vem se tornando um popular campo de estudos para a reutilização de resíduos, realizados por empresas e instituições de pesquisa a fim de dar-lhes um tratamento mais aceitável, tanto no que diz respeito ao aspecto ambiental quanto ao econômico (ALVARES et al., 2013). Segundo Álvares et al. (2013), em um país como o Brasil onde o déficit habitacional é notório e as dimensões dos problemas urbanos são de grandes proporções, a utilização do resíduo grits vem se tornando um incentivo para que as indústrias de papel e celulose, geradoras do grits, possam financiar construções de habitações em parceria com a sociedade, que entraria com a mão de obra. Esta solução contribui para minimizar o problema habitacional e, ao mesmo tempo, o problema ambiental, evitando que este resíduo seja destinado a aterros. De característica arenosa, o grits apresenta segundo Machado et al. (2003): 20% de Ca (cálcio) sendo 42% deste, na forma de CaO (óxido de cálcio) e 79% de SiO2 (dióxido de silício). De acordo com as características apresentadas pelo resíduo grits, surge então a possibilidade do aproveitamento desse resíduo para a produção de argamassa, material utilizado em grande 2782

4 escala na construção civil. Este uso pode trazer bom desempenho aliados ao baixo custo, além de suprir as necessidades exigidas pelas técnicas construtivas. Além disso, a inserção do resíduo grits em argamassa contribui com a destinação ecológica correta de materiais que poderiam significar riscos para o meio ambiente (ABENGE, 2010). Visto o exposto, este trabalho objetivou avaliar a substituição do agregado miúdo por grits na produção de argamassa ecológica e estudar o efeito desta substituição nas propriedades mecânicas de flexão e compressão da argamassa ecológica em relação à argamassa tradicional. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Aparato Experimental Para a fabricação da argamassa foi necessário ensaiar os agregados (brita, areia e grits) e aglomerantes (cimento Portland e cal hidratada) a fim de se obter parâmetros ideais para o uso destes materiais em argamassa de assentamento. O aglomerante hidráulico utilizado foi o Cimento Portland Tipo II composto por escória com classe de resistência de 32MPa aos 28 dias (CP II E 32), massa específica de 3g cm -3 e massa unitária média de 0,961kg dm -3. Os ensaios de massa específica e massa unitária seguiram a NBR NM 23 e a NBR NM 45, respectivamente. O aglomerante aéreo utilizado foi a Cal Hidratada CH III que é uma cal dolomítica com grande ação aglomerante e plastificante. Os ensaios de massa específica e massa unitária seguiram a NBR NM 23 e a NBR NM 45, respectivamente e foram obtidos valores de massa específica de 2,28 g cm -3 e massa unitária de 0,528 kg dm

5 O agregado miúdo utilizado foi a areia natural quartzosa e através do ensaio de composição granulométrica explicitado na NBR NM 248, foram obtidos os valores de dimensão máxima característica de 4,8mm e módulo de finura de 2,66. No ensaio realizado seguindo a NBR NM 46 que trata do volume de material fino, foi obtido o resultado de 0,6% de material fino. Utilizando a NBR NM 45, que trata da massa unitária, foi obtido uma massa unitária de 1,50kg dm -3. O grits, material a ser substituído parcialmente pelo agregado miúdo, foi obtido através da fabricação da celulose pelo processo de kraft realizado pela CENIBRA Celulose Nipo-Brasileira S.A. (-19,3143; -42,3977). Para a determinação de suas propriedades foram realizados os ensaios de composição granulométrica explicitado na NBR NM 248 e massa unitária através da NBR NM 45. Os resultados obtidos foram de dimensão máxima característica de 3,2mm, módulo de finura de 2,61 e massa unitária de 1,327 kg dm -3. A Tabela 1 apresenta a composição química dos constituintes do grits expressa na forma de óxidos. Tabela 1 - Principais componentes químicos do grits expressa na forma de óxidos. Composição Química (%) Referência Ca Mg SiO2 P K Na S Al 1 20 ND ND 2 53,5* 0,6* - 0,26 0,12 0,7 0,18 0, ,38* 0,43* - 0,37 0,04 0,22 0,13 0, ,4-0,78-0,08* 0,76* - 0,1* Referência: 1 Machado et al. (2003); 2 e 3 Pereira et al. (2006); 4 Souza e Cardoso (2008). ND: abaixo do limite de detecção. * expresso em forma de óxido. 2784

6 Para a mistura da argamassa foi utilizado o conjunto de argamassadeira de movimento planetário, com cuba de 5 litros da SOLOTEST e para a moldagem dos corpos de prova foram utilizadas formas prismáticas metálica com três compartimentos de 4x4x16cm da SOLOTEST. Para realizar os ensaios de compressão e tração na flexão foi utilizada a Prensa Eletrohidráulica com Indicador Digital Gráfico, da SOLOTEST, com capacidade para 100 a 200 toneladas força e bomba eletro-hidráulica que permite controle manual do avanço na velocidade de ensaio Procedimento Experimental Foram necessários moldar 12 corpos-de-prova sendo 3 corpos-deprova para os ensaios de flexão e compressão da argamassa de referência, 3 para a porcentagem de 10%, 3 para para a porcentagem de 15% e 3 para a porcentagem de 20%. A argamassa referência foi dosada (em volume) numa proporção de cimento: cal: areia de 1:2:9. Para o restante das misturas foram dosadas na proporção de cimento: cal: areia: grits de 1 :2: 8,1: 0,9 para 10% de substituição, 1 :2: 7,65: 1,35 para 15% de substituição e 1 :2: 7,2: 1,8 para 20% de substituição. Para transformar o traço em volume para traço em massa, foi necessário realizar um cálculo experimental levando em conta a massa unitária de cada material em questão. A Tabela 2 apresenta a massa unitária de cada material utilizado. Tabela 2 Massa unitária dos materiais utilizados nos ensaios mecânicos com argamassa. Material Massa Unitária (kg dm - Cimento Portland Tipo II 0,961 Cal Hidratada CH III 0,528 Areia Natural Quartzosa 1,50 Grits 1,327 3) 2785

7 Para a transformação do traço em volume para traço em massa, primeiramente a proporção cimento :cal : areia: grits precisou ser multiplicada pela massa unitária de cada material utilizado (Tabela 2) de acordo com a Equação 1. Os resultados do novo traço foram apresentados na Tabela 3. TT mm = mmmm cc xx pp cc mmmm cccccc xx pp cccccc : mmmm aaaaaaaaaa xx pp aaaaaaaaaa mmmm gggggggggg xx pp gggggggggg Equação (1) Em que: TT mm : Traço em massa; mmmm cc : massa unitária do cimento (kg dm -3 ); mmmm cccccc : massa unitária da cal hidratada (kg dm -3 ); mmmm aaaaaaaaaa : massa da areia (kg dm -3 ); mmmm gggggggggg : massa unitária do grits (kg dm -3 ); pp cc : proporção do cimento na mistura; pp cccccc : proporção da cal hidratada na mistura; pp aaaaaaaaaa : proporção da areia na mistura; pp gggggggggg : proporção do grits na mistura. Tabela 3 Novo traço da argamassa após multiplicar pela proporção em cada porcentagem de mistura. Cimento Cal Areia Grits 0,0% 0,961 : 1,056 : 13,5 : * 10,0% 0,961 : 1,056 : 12,15 : 1,195 15,0% 0,961 : 1,056 : 11,475 : 1,791 20,0% 0,961 : 1,056 : 10,8 : 2,39 Para ser transformado em traço em massa, o novo traço apresentado pela Tabela 3 precisou ser divido pela massa unitária do cimento (Tabela 2), obtendo o traço final em massa, apresentado pela Tabela 4. Tabela 4 Traço em massa com a proporção de todos os materiais. Cimento Cal Areia Grits 0,0% 1 : 1,099 : : 14,047 : : * 10,0% 1 : 1,099 : : 12,64 : : 1,244 15,0% 1 : 1,099 : : 11,94 : : 1,87 20,0% 1 : 1,099 : : 11,24 : : 2,

8 Após a obtenção do traço em massa (Tabela 4), a areia e o grits foram homogeneizados para a adição de 3% de umidade (água destilada) em relação ao peso da mistura. Com isso, os materiais foram inseridos na argamassadeira de movimento planetário e com adições constantes de água destilada para adquirir o índice de consistência requerido de 260 ± 5 mm, estabelecido pela NBR A moldagem dos corpos de prova prismáticos para a realização dos ensaios de tração na flexão e compressão foi estabelecida pela NBR Logo após a moldagem, os corpos-de-prova foram identificados e deixados em uma superfície plana para que fosse adquirido o estado endurecido do concreto e tal procedimento levou 48 horas. Após esse procedimento, os corpos-de-prova foram desformados e submetidos ao processo de cura por 28 dias. O método de cura utilizado foi o método de exposição ao ar com temperatura média de (23 ± 2) ºC e umidade do ar de (60 ± 5)%. Após os 28 dias, os 12 corpos-de-prova foram retirados do processo de cura e através de suas identificações foram tomadas medidas de comprimento e largura, bem como foi realizado o peso dos corpos de prova para o cálculo da Densidade de massa. Após isso os corpos-de-prova foram introduzidos na Prensa Eletrohidráulica para determinação dos valores de resistência a flexão e compressão. As análises de estatística descritiva e análises de variância (ANOVA) foram realizadas utilizando o programa MINITAB RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Resultado dos ensaios de flexão e compressão. Na Tabela 5 e na Figura 1 estão apresentados os valores de resistência que caracterizam a resistência à flexão e a compressão das argamassas com adição de grits e da argamassa de referência. 2787

9 Tabela 5 Valores de resistência encontrados como resposta para os testes de flexão (F n ) e compressão (C n ) Substituiçã o Dias de Moldagem F n (MPa) C n (MPa) 0% 3º 0,329 0,674 7º 0,461 1,314 28º 0,497 1,375 10% 3º 0,265 0,423 7º 0,393 0,995 28º 0,494 1,453 15% 3º 0,314 0,509 7º 0,455 0,948 28º 0,589 1,778as 20% 3º 0,286 0,499 7º 0,454 1,075 28º 0,532 1,224 0,8 2 0,6 0,4 0,2 0 3º 7º 28º 1,5 1 0,5 0 3º 7º 28º 0% 10% 15% 20% 0% 10% 15% 20% (a) Figura 1 - Evolução das resistências médias de acordo com as idades de rompimento dos corpos de prova. (a) ensaio de flexão; (b) ensaio de compressão. Analisando os resultados referentes à Fn e Cn apresentados na Tabela 5 e Figura 1 é possível perceber que a substituição parcial do agregado miúdo por grits produz efeitos positivos ou negativos na argamassa ao serem comparadas com a argamassa de referência. De acordo com Aciu et al. (2018) estudos demonstram a possibilidade de desenvolver novos materiais de construção ecológicos que não envolvem alto consumo de energia podendo então as substituições de matérias-primas em argamassas poderem modificar positivamente ou negativamente a resistência mecânica de argamassas. (b) 2788

10 De acordo com a Tabela 5 e a Figura 1a, para a resposta Fn é possível inferir que a argamassa de referência obtém resistência superiores às argamassas com substituição de grits nas duas primeiras datas de ensaio (3º e 7º dias). Entretanto, ao comparar a resistência à flexão no 28º dia de moldagem, é possível inferir que as substituições de 15 e 20% superam às resistências da argamassa de referência. Para a resposta à compressão, a Tabela 5 e a Figura 1 demonstra o mesmo comportamento da resposta à tração. Entretanto, as porcentagens de 10 e 15% são superiores à resistência à compressão no 28º dia de moldagem. Para investigação da influência da substituição parcial de grits pelo agregado miúdo (Tabela 5) no aumento da capacidade da argamassa ecológica em resistir às tensões de flexão (Fn) e compressão (Tn), os resultados foram submetidos à análise de variância e os resultados estão apresentados na Tabela 6. A análise de variância para as variáveis respostas Fn e Cn do concreto ecológico (Tabela 6) demonstra qual fator apresentou diferença estatística significativa ao nível de 5% (p<0,05). Tabela 6 - Análise de variância (ANOVA) realizada com os resultados da Tabela 5. Análise de Variância para a resposta de flexão (F n ) Fatores GL SQ QM Valor F p-value %SUBS. 3 0, , ,07 0,002* Erro 8 0, , Total 11 0, Análise de Variância para a resposta de compressão (C n ) Fatores GL SQ QM Valor F p-value %SUBS. 3 0,2476 0, ,97 0,097 Erro 8 0,2221 0,02776 Total 11 0,4697 SQ: soma de quadrados; GL: graus de liberdade; QM: quadrado médio; valor F: f calculado; Total: soma de quadrados totais. * estatisticamente significativo ao nível de 5% (p<0,05). Para a variável resposta Fn, a análise de variância demonstra que o fator porcentagem de substituição parcial de agregado miúdo por grits possui influência estatisticamente significativa ao nível de 5% (p>0,05) nesta variável resposta. Logo, o aumento ou diminuição da porcentagem de substituição do 2789

11 agregado miúdo influencia na otimização e no processo de obtenção de argamassas ecológicas resistentes a flexão (Fn). Para a variável resposta Cn, a análise de variância mostra que o fator porcentagem de substituição parcial de agregado miúdo por grits não possui influência estatisticamente significativa ao nível de 5% (p>0,05) nesta variável resposta. Isso indica que o fator em questão não influência na otimização e no processo de obtenção de argamassas ecológicas resistentes a compressão (Cn). Para analisar o efeito da porcentagem de substituição parcial de agregado miúdo por grits nas condições quadrática e linear no aumento da eficiência de flexão e compressão de argamassas ecológicas, os resultados foram submetidos ao Teste de Tukey para comparações de médias, apresentados na Tabela 7. Tabela 7 Teste de Tukey para as médias das respostas flexão e compressão Teste de Tukey para as médias de Flexão (F n ) Tratamento N Média Agrupamento 15,00% 3 0,58900 A 20,00% 3 0,53233 A 0,00% 3 0,4967 B 10,00% 3 0,4937 B Teste de Tukey para as médias de Compressão (C n ) Tratamento N Média Agrupamento 15,00% 3 1,777 A 0,00% 3 1,503 A 10,00% 3 1,4533 A 20,00% 3 1,4067 A Médias que não compartilham uma letra são significativamente diferentes. De acordo com o teste de Tukey para a comparação de médias para o ensaio de flexão, é possível inferir que a substituição de 15% do agregado miúdo por grits representa o melhor tratamento para a resposta Fn, sendo representado pela letra A. Já para o ensaio de compressão é possível inferir que todos os tratamentos têm a mesma média, já que são representados pela mesma letra. 4. CONCLUSÃO 2790

12 A capacidade de carga de uma argamassa com adição de grits é maior do que a capacidade de carga de uma argamassa convencional. Isso porque a inserção de grits em argamassa melhorou as suas propriedades mecânicas em termos de compressão e flexão; A adição de grits na mistura para a preparação de uma argamassa não aumentou a resistência à compressão da argamassa, já não foi significativa ao nível de 5%, ou seja, as proporções adicionadas apresentam médias iguais; A adição de grits na mistura para a preparação de uma argamassa aumentou a resistência à flexão da argamassa, e foi significativa ao nível de 5%, sendo 15% a proporção ideal de substituição. Os resultados obtidos nesta pesquisa podem ser utilizados para previsão de valores de eficiência de compressão e flexão em função do parâmetro operacional porcentagem de grits. 5. REFERÊNCIAS ÁLVARES, A. N. O. et al. Estudo e avaliação da adição de grits em argamassa. Encontro Latinoamericano De Edificações E Comunidades Sustentáveis, Curitiba, PR. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos - Preparo da mistura e determinação do índice de consistência. Rio de Janeiro, NBR NM 23/01: Cimento Portland e outros materiais em pó Determinação da massa específica. Rio de Janeiro, NBR NM 45/06: Agregados Determinação da massa unitária e volume de vazios. Rio de Janeiro, NBR NM 46/03: Agregados - Determinação do material fino que passa através da peneira 75 µm, por lavagem. Rio de Janeiro, NBR NM 248/03: Agregados Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro, GU, L.; OZBAKKALOGLU, T. Use of recycled plastics in concrete: A critical review. Waste Management, v.51, p,

13 GULLICHEN, J.; FOGELHOLN, C-J. Chemical pulping (book 6) in Papermaking science and technology. 693 p. Helsinki: Fapet, MACHADO, C. C.; PEREIRA, R. S.; PIRES, J. M. M. Influência do tratamento térmico do resíduo sólido industrial (Grits) na resistência mecânica de um latossolo para pavimentos de estradas florestais. Revista Árvore, vol. 27, n. 4, Viçosa, jul./ago SOUZA, T. I, CARDOSO, A.V, UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE KRAFT NA FABRICAÇÃO DE CIMENTO: CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA, 18º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 24 a 28 de Novembro de 2014, Porto de Galinhas, PE, Brasil. PlasticsEurope, E., Plastics-the Facts An Analysis of European Latest Plastics Production, Demand and Waste Data. 2792