MATERIAIS ALTERNATIVOS PARA ADIÇÃO AO CIMENTO PORTLAND DOSAGEM UTILIZANDO RESÍDUOS DA PALHA DA SOJA

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1 MATERIAIS ALTERNATIVOS PARA ADIÇÃO AO CIMENTO PORTLAND DOSAGEM UTILIZANDO RESÍDUOS DA PALHA DA SOJA J. K. L. Galvão 1 ; M. C. F. de Carvalho 2 ; J. A. M. de Souza 3 ; C.S Feitosa 4 ; A.S. Budellon 5 ; F. V.S dos Santos. R. da Silva 7 ; A. A. R. Parente 8 ; C. L. Ferreira 9 ; D. Trevisan Programa de pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Amazônas, Campus Manaus Amazônas, Brasil. 1,2,3 Universidade Candido Mendes Rio de Janeiro/RJ. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Universidade Luterana do Brasil Santarém/PA galvaojaine@gmail.com RESUMO O objetivo desta comunicação é analisar a substituição parcial do cimento pelo substrato da palha de soja na composição do concreto, mantendo suas características estruturais e melhorando os índices econômicos e sustentáveis. Foram moldados 3 traços para 30 corpos de prova, um traço referência (1) sem adição e os demais com adição de 5% (2) e 7% (3) do substrato, porcentagem relacionada ao total de cimento em gramas, que foi retirada da dosagem para que houvesse a substituição. Revisamos as propriedades da palha de soja através de ensaios de caracterização. Os protótipos foram testados na resistência a compressão após 7, 14 e 28 dias a partir da moldagem. Os primeiros resultados mostram que o protótipo com 5% de adição obteve 22,76 MPa e o traço referência 20,87 MPa. Nos ensaios de 14 e 28 dias o traço 1 obteve ganho de resistência, enquanto que os demais apresentaram pequeno acréscimo. Palavras chaves: Resíduos de soja. Reciclagem. Dosagem experimental. INTRODUÇÃO É inquestionável a importância do cimento na construção civil, desde a sua formulação, 1824, ele têm sido fundamental para o desenvolvimento e evolução das civilizações. Desse modo, o cimento Portland e o concreto armado são os materiais mais consumidos na indústria da construção civil(1). Segundo Federación Iberoamericana de Hormigón Premesclado, aproximadamente, o consumo médio de 2547

2 concreto por habitante por ano é de 1,9 tonelada, valor inferior apenas ao consumo de água(2). No Brasil, o concreto que sai de centrais dosadoras gira em torno de 30 milhões de metros cúbicos. Entretanto, a insdustria de fabricação do cimento é uma das principais emissoras de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera, responsável por desequilibrar o efeito estufa e alterar clinicamente a população com danos a respiratórios e cardiovasculares(3). Considerando seu alto consumo e as diretrizes envolvendo sustentabilidade são comuns pesquisas que buscam materiais alternativos na utilização do cimento, com diferentes misturas, condições e origem. Buscando parcialmente esses materiais sem afetar significativamente as características de resistência, obtida pelos testes de compressão. Nesta pesquisa, admitimos a resistência real, sem considerar as especificações para poros e/ou vazios. Além disso, utilizar resíduos descartados como substituição do cimento constitui transformação de uma fonte de despesa em outra para obtenção de novos materiais. Uma alternativa para tentar retirar do meio ambiente, os rejeitos e resíduos que diariamente são produzidos como subprodutos pela indústria e não utilizados na sua totalidade. Neste sentido, a busca por rotas viáveis do ponto de vista econômico, vem sendo estudada para a aplicação de novos materiais em diversos segmentos da sociedade. São diversos os exemplos de materiais testados junto no concreto, denominados de aditivos. Alguns exemplos envolvem os resíduos da sílica da casca de arroz, fibras de garrafas pets e pneus, polímeros de madeira e outros. Quando incorporadas ao concreto proporcionam benefícios de resistências físicas e mecânicas, diminuindo o preço final e solucionando o desperdício. O objetivo dessa comunicação é avaliar a utilização de resíduos da palha de soja na substituição parcial do cimento em uma dosagem comum de concreto. A região de estudo é o Município de Santarém, localizado no Oeste do Pará. No qual a produção de soja é uma das principais manufaturas da localidade, com indicadores de exportação para territórios nacionais e internacionais. O grão de soja é um produto muito funcional, utilizado na produção de produtos como chocolate, temperos prontos e massas, derivados de carne, bebidas, papinhas para bebês, proteína para animais e muito alimentos dietéticos. A produção mundial de soja aproxima-se de 336,699 milhões de toneladas, na qual o Brasil é o segundo maior produtor, totalizando 116,996 milhões de toneladas 2548

3 e uma área de plantio estimada em 35,100 milhões de hectares(4). Santarém é responsável 200 toneladas na safra de 2017(5). Como sobras desta produção restam à palha produzida após a colheita de grãos e as sementes, que neste país sua maior parte é desperdiçada, sendo pequeno o seu uso na alimentação dos animais ou como adubo para plantações. Isso é explicado porque as palhas se caracterizam pela abundância e baixo custo relativo, porém apresentam baixo valor nutritivo, com teores de proteína, energia e minerais baixos. Além disso, possuem altos teores de fibra devido aos carboidratos estruturais e fração indigerível alta(6). Logo, o mecanismo proposto neste experimento formular um cimento ecológico, agregado valores de reciclagem, reutilização e diminuição de emissão de dióxido de carbono, resta saber se atenderá as necessidades estruturais do mesmo, sendo a principal problemática desse estudo. MATERIAIS E METÓDOS A metodologia de aquisição, preparo e testes é baseada nas normas brasileiras vigentes e na bibliografia existente. O principal material utilizado nesta pesquisa é os resíduos da palha de soja seca, cedidos pela propriedade particular Fazenda Três Meninas, localizada na região de Belterra, 96,6 km distante de Santarém (PA), visto na Imagem 1. Os pesquisadores proporcionaram os demais materiais utilizados na composição do concreto: cimento, agregado miúdo (areia) e agregado graúdo (brita). Os equipamentos utilizados são do Laboratório de solos de Engenharia civil do CEULS/ULBRA (LEC). Imagem 1 Localização da região de origem do material de estudo. 2549

4 Na posse da palha da soja, foram retiradas as impurezas sólidas através da limpeza manual, e totalmente secas em estufa por 24 horas para certificar a completa secagem da amostra. Os resíduos foram alcançados pela incineração do material, efetivado em latas de alumínio perfuradas para a entrada de oxigênio, bem como queima rápida e homogênea do material, totalizando a aquisição de 18 litros de resíduos. Nesse processo foi usado gasolina. A dosagem dos materiais para cada corpo de prova (CP S) foi calculada pela NBR 12655, de acordo com quatro parâmetros: 1. Caracterização do material. 2. Fixar a relação água/cimento. 3. Determinar o consumo de materiais água/cimento/agregados. 4. Apresentar o traço. O ensaio de caracterização granulometria foi feito no agregado graúdo, conforme NBR 7217/1987(7). No agregado miúdo foi feito o ensaio de massa especifica, de acordo com NBR 9776/1987(8). Foi obtida a determinação da massa especifica unitária do material, os resultados são mostrados na Tabela 1. Tabela 1 Testes de caracterização física dos materiais Agregado miúdo Agregado graúdo Módulo de Finura 1,9 Diâmetro Máximo 19 mm Massa Especifica 2615 kg/m³ Massa Especifica 2609 kg/m³ Densidade Aparente 1640 kg/m³ Densidade Aparente 1440 kg/m³ A fixação da relação água/cimento foi através do método da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), foi empregados o fck=25 MPa e desvio padrão médio de 5,5 Mpa 1 e usou-se cimento CP II E-32 (3100 kg/m³) devido o concreto ser elaborado para teste laboratorial, calculado pelas formulas (A) e (B). fc,j = fck + 1,65 x sd fc28 = ,65 x 5,5 = 34 MPa (A) fc,j= Resistência média do concreto prevista para a idade j em MPa. fck= Resistência a compressão característica do concreto em MPa. sd= Desvio padrão. 2550

5 a/c = 1,11 x log 92,8 fc,j a/c = 1,11 x log 92,8 34 = 0,475 (B) a/c= Fator água/cimento. Os materiais consumidos são: água, areia, brita e cimento, a determinação desses segue as formulações da ABCB. O consumo de água é apurado pela tabela 2, que utiliza o módulo de finura do agregado miúdo e o diâmetro máximo do agregado graúdo (Tabela 2), sendo assim o consumo de água para um abatimento tronco de cone no Slump Test 2 de 90 mm (±10) mais indicado para concreto de teste é de 205 litros. Abatimento (mm) Tabela 2 Consumo de água pelo método ABCP. Diâmetro máximo agregado graúdo (mm) 9, a a a Através do consumo de água é calculado o consomo de cimento, e posteriormente o valor de adição de palha de soja na mistura, pela substituição das porcentagens pré-determinadas. Consumo de água (Ca) Consumo de Cimento (Cc) = (C) a/c 205 Cc = = 432 kg/m³ 0,475 O consumo de agregado graúdo foi determinado pela formula abaixo, considerando a Tabela 3. Consumo de brita (Cb) = (Volume de brita(vb) x Massa unitária (Mu) Cb = 0,770 x 1440 = 1108,8 kg/m³ (D) 2551

6 Tabela 3 Para determinação do volume de agregado graúdo. Diâmetro Máximo Agregado Graúdo (mm) MF 9, ,9 0,645 0,77 0,795 0,82 0, ,625 0,75 0,775 0,8 0,825 2,2 0,605 0,73 0,755 0,78 0,805 2,4 0,585 0,71 0,735 0,76 0,785 2,6 0,565 0,69 0,715 0,74 0,765 2,8 0,545 0,67 0,695 0,72 0, ,525 0,65 0,675 0,7 0,725 O consumo de agregado miúdo é de acordo com a fórmula abaixo: Volume de agregado miúdo (Vm) = 1 - Cc γc + Cb γb + Ca γa Vm = , = 0,24 mm³ 1000 Consumo de areia (Ca)=Vm x (Massa especifica) Mes Ca=0,24 x 2615 = 627,6 kg/m³ (E) Com essas informações obtidas pelas características dos materiais é apresentado o traço formal de composição de concreto, sem a substituição de adição. Os materiais utilizados são representados na Imagem 2.. Cimento Areia Brita Água ,6 1108, ,5 2,6 0,47 Imagem 2 Matérias usados na composição. A) Areia Lavada. B) Brita. C) Palha de Soja 2552

7 A moldagem dos CP S foi segundo a NBR 5738/2003(9), observando o tempo determinado para desmoldagem e cura dos protótipos. O rompimento por força de compressão ocorreu após 7, 14 e 28 dias. O procedimento é visto nas sequencia da Imagem 3. Imagem 3 Processo de A) preparação, B) moldagem, C)cura e D) testes dos protótipos Através da formula de tensão, são calculados os valores resistentes dos protótipos, em MPa. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na tabela 4, são apresentados os resultados da análise de resistência a compressão do material sem adição dos resíduos da palha de soja, após 7 dias do processo de cura do concreto. Observa-se que os material teve ganho de residência inicial previsto para o período, mas ainda não atingindo os 25 Mpa calculados. A resistência apresentada nesse período com o traço padrão certifica que o 2553

8 procedimento de calculo e dosagem foi bem efeituado, não prejudicando os demais protótipos com adição de palha de soja. Tabela 4 Resultados do ensaio de compressão no traço referencia, após 7 dias de moldagem Traço Referencia (7º dia) 15/05/2017 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 MÉDIA Área 79,80 cm² 79,72 cm² 79,73 Força 18,50 T 15,05 T 16,4 20,88 Resistência 23,18 Mpa 18,88 Mpa 20,57 Aos 14 e 28 dias após a moldagem, a resistência obtida foi de 23,66 MPa e 32,20 MPa, respectivamente. Com o passar do tempo, o concreto continua ganhando resistência a compressão, isso é explicado pelo engenheiro Mishra ( que não se sabe quanto o concreto ganha em força em 1 ou 2 anos, mas assume-se que o concreto pode ganhar sua força final após 1 ano. Sendo assim, normalmente após os 28 dias obrigatórios pelas normas brasileiras, o concreto apresenta resistência superior ao valor que foi calculado para dosagem, como um fator de segurança do procedimento. É observado na Tabela 5 os resultados do ensaio de compressão dos CP S com 5% de resíduos de Palha de Soja na substituição do cimento após 28 dias da moldagem. A resistência é superior os valores do 7 e 14 dias, que apresentaram valores de 22,76 MPa e 24,16 MPa, respectivamente. Tabela 5 - Resultados do ensaio de compressão no traço de adição de 5%, após 28 dias de moldagem Traço com 5% de adição (28 dia) 08/06/2017 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 MÉDIA Área 79,75 cm 2 79,70 cm 2 79,80 cm 2 Força 19,36 T 21,56 T 22,55 T 26,53 Mpa Resistência 24,48 Mpa 27,05 Mpa 28,26 Mpa É nesse momento desta pesquisa que a adição da Palha de Soja proporciona ganhos de resistência inicias maiores que o traço de referencia. Com 7 dias 2554

9 apresenta 9% a mais de resistência. E aos 14 dias, configura 2% superior. O resultado fica negativo aos 28 dias. Quando aumentado à quantidade de substrato de palha de soja na mistura, os resultados, desde o principio (7 dia) são negativos. Uma quantidade superior do material resulta na perda de resistência. Explicado por utilizar um material com características totalmente secas, absorvendo muita água e prejudicando diretamente a resistência, conforme monstra diversos estudos (10); (11); (12) afirmam que os agregados reciclados utilizados no estado seco absorvem uma parte considerável da água da mistura, podendo influenciar negativamente na trabalhabilidade e resistência. A resistência a compressão obtida ao 7 dias foi de 18,61 MPa, bem como ao 14 dia foi 19,18 MPa, após o limite de 28 dias de teste o resultado encontrado é apresentado na Tabela 6. Tabela 6 - Resultados do ensaio de compressão no traço de adição de 7%, após 28 dias de moldagem Traço com 7% de adição (28 dia) 08/06/2017 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 MÉDIA Área 74,15 cm 2 80,54 cm 2 79,64 cm 2 Força 17,48 T 18,66 T 17,52 T 22,26 Mpa Resistência 21,62 Mpa 23,17 Mpa 22,00 Mpa Os dados apresentados detalhadamente acima podem ser simplificados pelas curvas do gráfico: 2555

10 Resistência (MPa) Variação de Resistência 7 Dia 14 Dia 28 Dia Traço de Referência Traço 7% de Adição Traço 5% de Adição Imagem 4 Gráfico da variação de resistência dos protótipos Embora o desempenho inicial dos resíduos de palha de soja seja comprovado, os dados não acompanham o ganho de resistência do concreto ao longo do tempo, chegando a instabilidade mais rapidamente e comprometendo a estrutura do conjunto na qual é usado, sendo mais arriscado e não valendo a reutilização do material adicionado. CONCLUSÃO O aumento de resíduos de soja na composição do concreto causa uma redução temporal na resistência quando comparado ao crescimento linear natural da mistura. No entanto, a resistência do concreto depende de vários fatores, dentre os quais, pode ser destacado a qualidade dos materiais agregados (miúdo e graúdo), o tratamento na aquisição da palha de soja, o estudo apropriado do traço, a correta moldagem dos protótipos, o transporte e os tipos de cura. Os resíduos foram obtidos de forma manual, através da queima do material já seco, a possível utilização do substrato apenas com secagem natural e trituração pode ser uma alternativa viável para essa linha de comunicação. Bem como, outros experimentos de misturas são responsáveis por resultados expressivos positivos. AGRADECIMENTOS Á Deus, pela vida. Aos familiares, pelo apoio. Aos professores, pelo incentivo. 2556

11 REFERÊNCIAS 1. GAMBHIR, M. L. Concrete Technology. Theory and Practice. U.K, PEDROSO, Fábio Luís. Concreto: as origens e a evolução do material construtivo mais usado pelo homem. Concreto e Construção. IBRACON. São Paulo, [Link] 3. LEAL, Ricardo Aguirre et al. Ciclos Econômicos e Emissão de CO2 no Brasil: Uma Análise Dinâmica para Políticas Ambientais Ótimas. Rev. Bras. Econ., Rio de Janeiro, v. 69, n. 1, p , Mar Acesso em: [Link] 4. EMBRAPA. Soja em números (safra 2017/2018). Acesso em: [Link] 5. GLOBO. Safra da soja deve movimentar cerca de 300 milhões na economia de Santarém. Acesso em: [Link] 6. MARTIN, L.C.T. Confinamento de bovinos de corte. Moder-nas técnicas. 2 ed. São Paulo : Livraria Nobel, p. 7. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7217/1987 Agregados - Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro. 8.. NBR 9776/1987 Agregados - Determinação da massa específica de agregados miúdos por meio do frasco Chapman. Rio de Janeiro, NBR 5738/2003 Concreto Procedimento de moldagem e cura dos corpos de prova. Rio de janeiro, ANGULO, Sérgio Cirelli. Variabilidade de agregados graúdos de resíduos de construção e demolição reciclados Dissertação (Mestrado em Engenharia de Construção Civil e Urbana) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, doi: /d tde Acesso em: [Link] 11. TENÓRIO, J. J. L. Avaliação de propriedades do concreto produzido com agregados reciclados de resíduos de construção e demolição visando aplicações estruturais. Maceió, RODRIGUES, C. R. S. Avaliação de Propriedades Mecânicas de Concretos Produzidos Com Agregado Miúdo Reciclado de Resíduo da Construção Civil. Recife, f. 13. MISHRA, Gopal. Why We Test Concrete Compressive Strength after 28 Days?. The Constructor, [Link] 2557

12 ABSTRACT The objective of this paper is to analyze the cement partial replacement by soybean substrate on the concrete composition, maintaining structural characteristics and improving the economic and sustainable indices. Three concrete recipes were applied to 30 specimens: the first as a reference (1) without addition and the others with addition of 5% (2) and 7% (3) of the substrate, percentage values related to the total cement mass (grams), which was removed for the replacement. We reviewed the soybean straw properties through characterization tests. The prototypes were submitted to compressive strength test after 7, 14 and 28 days from the molding day. The initial results show that the prototype with 5% addition obtained MPa and the reference recipe, MPa. On the fourteenth and twenty-eighth trial days, dosage 1 obtained resistance gain, at the same time, the others presented small increase. Keywords: Soya waste. Recycling. Experimental dosage. 1 Controle médio, Condição para cimento, dosado em massa, agregados dosados em massa combinada com volume, a umidade de agregado miúdo é determinada e o volume do agregado miúdo é corrigido através da curva de inchamento Classe C10 a C25. 2 Usado para determinar a consistência do concreto. Neste ensaio, a massa de concreto é colocada dentro de uma forma tronco-cônica, em três camadas igualmente adensadas, cada uma com 25 golpes. 2558