AVALIAÇÃO DO RESÍDUO DE CINZA DA MADEIRA DE EUCALIPTO COMO SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DA AREIA EM ARGAMASSAS DE CIMENTO PORTLAND

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1 AVALIAÇÃO DO RESÍDUO DE CINZA DA MADEIRA DE EUCALIPTO COMO SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DA AREIA EM ARGAMASSAS DE CIMENTO PORTLAND A. M. Pereira (1, 2 e 3) ; D. L. Chaves (1) ; P. V. Campos (1) ; J. P. Bittencourt (1) ; J. V. Fazzan (1) (1 e 2) ; J. L. Akasaki 1 Grupo de Pesquisa de Materiais Alternativos de Construção - MAC, Depto. de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista - UNESP 2 Depto. de Física e Química, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista UNESP 3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo - IFSP, Campus Avançado de Ilha Solteira Correspondência: Alameda Bahia, 550, Ilha Solteira/SP. jorge.akasaki@gmail.com Resumo Os resíduos industriais podem fazer o papel dos agregados nas argamassas convencionais. A cinza de madeira de eucalipto (CME) é um resíduo pertinente como substituto parcial do agregado miúdo em argamassas de cimento Portland. O diâmetro médio de suas partículas é de 45 µm e destaca-se a presença de SiO2 e CaO em sua composição. O Difratograma dos Raios-X evidenciou a presença de fase amorfa na cinza. Produziram-se corpos de prova com substituição de 0% (controle) até 50% em massa do agregado miúdo. Conforme há o aumento da porcentagem de cinza, observa-se uma menor fluidez nas amostras. A resistência à compressão axial (sete dias) aumenta à medida que se eleva a porcentagem de substituição em até 30%. A absorção de água (sete dias) diminui com o aumento de CME nas misturas. Conforme os resultados obtidos, o uso da CME, substituindo em até 30% a massa de agregado miúdo, é promissor. Palavras-chave: Cinza de madeira de eucalipto, Resíduos industriais, Agregado miúdo. 3086

2 1. INTRODUÇÃO O clínquer do cimento Portland é tradicionalmente conhecido como um dos principais aglomerantes utilizados. Porém em seu processo de fabricação, grande quantidade de dióxido de carbono é produzido, o que torna esse material um dos principais responsáveis por sua emissão global. Estima-se que para cada tonelada de cimento produzido, é emitida uma tonelada de dióxido de carbono (1). Dessa maneira é crescente a busca por materiais que possam substituir parcial ou totalmente o clínquer, como é o caso dos materiais suplementares. Esses materiais começaram a ser usados nas misturas de concretos e argamassas devido ao seu custo mais barato, a necessidade de dar-se um destino apropriado à resíduos de vários ramos industriais e também para diminuir a utilização de cimento Portland, devido ao seu potencial poluidor (2). Além desses benefícios, os materiais suplementares podem promover uma melhor hidratação do cimento aplicado, otimizando seu desempenho, e também contribuir para o aumento de resistência mecânica e da durabilidade de matrizes cimentantes, podendo reduzir assim, a quantidade de cimento aplicado para obter concretos e argamassas de boa qualidade. Os materiais suplementares também podem substituir os agregados em argamassas e concretos, uma vez que as questões ambientais também influenciam em sua utilização. A abertura de novas pedreiras e jazidas de exploração de agregados têm, atualmente, várias restrições, e aliado à problemas de disposição de alguns resíduos, tornam a substituição de agregados naturais por agregados residuais uma alternativa interessante (2). Ao longo de sua existência, a indústria de celulose e papel tem mostrado enorme vitalidade para crescer sua produção e aperfeiçoar suas tecnologias para atender as exigências das quantidades e qualidades requeridas em seus produtos pela sociedade (3). A ecoeficiência demanda a utilização eficiente dos recursos naturais que estão disponíveis (3). O Eucalipto é cultivado em inúmeros países, sendo atualmente o Brasil, a Índia e a China os líderes em produção, numa escala que ultrapassa os 20 milhões de hectares mundo afora (4). Embora o Eucalipto seja uma planta nativa da Austrália, trata-se de um dos cultivos florestais mais difundidos, especialmente por companhias de papel e celulose, justamente pela adaptabilidade à diferentes 3087

3 condições climáticas, pelo rápido crescimento observado e pelas excelentes propriedades da madeira do eucalipto. Seu impacto econômico em escala mundial é, portanto, significativo. Apesar das preocupações ambientais que cercam tal espécime, a alta incidência das florestas de Eucalipto contribui para diminuir as pressões sobre as indústrias, uma vez que esse cultivo substitui naturalmente as florestas tropicais, comprometendo a biodiversidade notória destas (5). As fábricas de celulose e papel são grandes geradoras de resíduos sólidos, quer seja de origem orgânica ou inorgânica (ou mineral). Essa geração tem sido proporcionalmente aumentada em função dos fechamentos de circuitos nas fábricas e a busca pela resolução dos problemas das poluições hídricas e aéreas do setor (6). Com essas medidas, uma grande parte da poluição que antes saia na forma de poluentes aéreos (poeiras e partículas) ou de poluentes hídricos (matéria orgânica dissolvida em efluentes e partículas/fibras suspensas) tem sido desviada para a forma de resíduos sólidos. Esses são mais fáceis de serem manuseados, dispostos e gerenciados, o que favorece a ecoeficiência nas operações (6). Alguns números são de grande valia para se compreender a magnitude da geração de resíduos pelas indústrias de papel e celulose. Um processo comumente utilizado nesse ramo ocorre a 150º C com adição de sulfato de sódio e soda cáustica, dissolvendo a lignina e liberando a celulose como polpa de papel de maior qualidade (7). Uma fábrica de celulose de grande porte com tratamento biológico a nível secundário para seus efluentes e com uma caldeira de biomassa em nível de caldeira auxiliar pode gerar entre 20 a 90 kg de resíduos minerais base seca por tonelada de celulose produzida e entre 10 a 30 kg de resíduos orgânicos base seca pela mesma tonelada de celulose (6). As mais modernas fábricas de celulose, com a última geração tecnológica, estão mostrando gerações totais de resíduos sólidos entre 40 a 70 kg secos/adt de celulose (adt = air dry ton tonelada seca ao ar). Isso corresponde, nessas modernas fábricas, a cerca de 70 a 120 kg nas umidades tais quais gerados por tonelada de celulose produzida (6). Todo resíduo industrial no Brasil precisa ter sua classificação estabelecida com base nas avaliações de composição, lixiviação, toxicologia e periculosidade. Existem diversas normas da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) para isso. Só a partir dessa classificação é que se podem estabelecer programas de disposição, compostagem, reutilização, aplicação em solos agrícolas ou florestais, etc (6). A maioria dos resíduos sólidos industriais gerados no processo de fabricação 3088

4 de celulose e papel são Classe IIA Não Perigosos - Não Inertes, logo não são considerados da classe dos perigosos (6). A cinza da madeira de eucalipto (CME) provém tanto do fundo (cinzas de fundo) como do precipitador de coleta de particulados dos gases de exaustão da caldeira de força alimentada em base de biomassa energética (madeira e/ou casca de árvores). Pode ter cor preta intensa (devido altos teores de carbono não queimado) ou ter coloração cinza clara (como sugere o nome). A consistência é muito variada, em função das diferentes tecnologias para as caldeiras de força a base de biomassa. Podemos ter cinzas bastante secas (entre 95 a quase 100% de consistência), como cinzas úmidas (cerca de 50-60% de consistência) recolhidas por ciclones e que são molhadas com água para resfriamento. Exatamente por essas diferenças tecnológicas, a geração de cinzas varia entre 5 a 40 kg de cinzas absolutamente secas/adt de celulose produzida (6). 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Agregado Miúdo O agregado miúdo utilizado na pesquisa desenvolvida foi a areia média natural provenientes, do Porto Nossa Senhora Aparecida e Pedreira Três Irmãos, de Andradina SP. Para a descrição de suas características, este material foi submetido aos seguintes ensaios de caracterização, conforme a ABNT, a saber: NBRNM 248 (ABNT, 2001)(8), NBRNM 52 (ABNT, 2009)(9), NBRNM 30 (ABNT, 2001)(10), NBRNM 45 (ABNT, 2006) (11) e NBRNM 53 (ABNT, 2009) (12) Cimento O aglomerante escolhido foi o cimento CPV-ARI-Plus - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial. Trata-se do cimento mais puro dentre as tipologias usadas no mercado brasileiro Cinza da madeira de eucalipto A CME foi fornecida pela Fibria (empresa de celulose; unidade de Três Lagoas SP). Seu emprego se dará em substituição parcial ao agregado miúdo. O material foi 3089

5 caracterizado, por meio da análise de sua composição química, por meio do método da fluorescência dos raios-x (FRX), e física, recorrendo à granulometria a laser e o difratograma dos raios-x (DRX) Métodos Preparação para manuseio do resíduo Fez-se necessário, inicialmente proceder com a secagem do resíduo. Após a secagem da cinza, a etapa de moagem vem para fornecer um redução do diâmetro. Utilizou-se o moinho de bolas, reservando um tempo para a moagem de 60 minutos para cada parcela de 15 kg de resíduo Fabricação das argamassas Inicia-se estabelecendo o traço que será instrumento de estudo das argamassas de CME. Definiu-se o traço 1:2 e uma relação água/cimento de 0,50 para cada amostra. O quantitativo de materiais utilizados para cada amostra está apresentado na tabela 1 abaixo: Tabela 1. Quantitativo de materiais utilizados para cada amostra % de areia substituída pela CME Cimento (kg) Areia (kg) Água (kg) CME (kg) Total (kg) CME 0% 1,00 2,00 0,50 0,00 3,50 CME 10% 1,00 1,80 0,50 0,20 3,50 CME 20% 1,00 1,60 0,50 0,40 3,50 CME 30% 1,00 1,40 0,50 0,60 3,50 CME 40% 1,00 1,20 0,50 0,80 3,50 CME 50% 1,00 1,00 0,50 1,00 3,50 De posse dos materiais dosados segundo as premissas iniciais (proporção entre aglomerante e agregados e relação água/cimento), inicia-se a fabricação dos corpo de prova. A mistura mecânica dos materiais definidos na tabela 1 se deu conforme o seguinte padrão: inicialmente, adcionam-se a água e o aglomerante e a argamassadeira é ligada à 124 rpm por 30 segundos e em seguida a 220 rpm por mais 30 segundos; posteriormente acrescenta-se, de maneira gradual, toda a areia/cme no tempo de 30 segundos, a 124 rpm; a argamassa resultante é misturada por mais 60 segundos a 220 rpm. Finalizada a mistura mecânica, dá-se continuidade ao procedimento 3090

6 ensaiando a consistência do material. Após a mistura, determinou-se o Índice de Consistência, segundo a NBR ABNT, 2016 (13). Este estudo permitiu avaliar a consistência de todos os traços por meio da utilização da mesa flow table. Com os dados do ensaio de consistência em mãos, finaliza-se o manuseio da argamassa no estado fresco com a moldagem dos corpos de prova. É intrínseco um correto adensamento dos componentes para a obtenção de amostras satisfatórias no final. Uma mesa vibratória foi empregada na etapa de adensamento da mistura, com tempo de utilização de 60 segundos por molde. Utilizaram-se moldes metálicos cúbicos com 5 cm de lado. Os corpos de prova confeccionados para este trabalho permaneceram em câmara úmida para cura, mediante temperatura de 28 C e umidade relativa do ar de 100%, até a idade de ensaio correspondente Ensaios das argamassas no estado endurecido Após o tempo de cura de cada corpo de prova, realizou-se o ensaio de resistência à compressão axial, segundo a NBR ABNT, 2007 (14). A idade de ensaio foi estabelecida para 7 dias. O número de amostras foi definido em quatro por traço em estudo. Os dados de resistência à compressão foram calculados considerando a média das amostras e o seu respectivo desvio padrão. Em paralelo, reservou-se um número específico de corpos de prova para o ensaio de absorção de água, que foi realizado de acordo com a NBR ABNT, 2009 (15). Duas pesagens são marcadas para corpo de prova com o intuito de avaliar o teor de água absorvido: um pesagem seca (antes da imersão em água) e após 24 horas de imersão, procede-se com a segunda pesagem (corpo de prova com água incorporada). O ensaio foi conduzido na idade de 7 dias. Os dados foram calculados mediante duas amostras e o resultado final advém da média aritmética desses valores Ensaios das argamassas no estado endurecido Após o tempo de cura de cada corpo de prova, realizou-se o ensaio de resistência à compressão axial. A idade de ensaio foi estabelecida para 7 dias. O número de amostras foi definido em quatro por traço em estudo. Os dados de resistência à compressão foram calculados considerando a média das amostras e o seu respectivo desvio padrão. 3091

7 Em paralelo, reservou-se um número específico de corpos de prova para o ensaio de absorção de água. Duas pesagens são marcadas para corpo de prova com o intuito de avaliar o teor de água absorvido: um pesagem seca (antes da imersão em água) e após 24 horas de imersão, procede-se com a segunda pesagem (corpo de prova com água incorporada). O ensaio foi conduzido na idade de 7 dias. Os dados foram calculados mediante duas amostras e o resultado final advém da média aritmética desses valores. 3. RESULTADOS 3.1 Caracterização da cinza da madeira de eucalipto A composição química foi obtida através da espectroscopia por FRX, apresentada na tabela 2, e possibilitou a determinação da composição dos óxidos presentes na CME, assim como identificou a presença de carbono residual na amostra de cinza. Tabela 2. Composição química da CME (porcentagem do óxido indicado) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O SO3 Cl TiO2 Outros PF* 39,2 9,2 5,8 25,0 0,6 5,5 5,6 1,0 1,9 6,2 6,37 *PF Perda ao fogo O difratograma da cinza está definido na figura 1. De maneira geral, identifica-se com alta incidência o silício em seu formato cristalino (pico de quartzo). Tal composição pode ser avaliada nos diversos agregados miúdos que são utilizados no ramo da construção civil, característica interessante uma vez que a susbtituição em análise é justamente desse agregado. Figura 1. Difratograma da CME. 3092

8 A granulometria da cinza pode ser observada na figura 2 abaixo, com a indicação das curvas discreta e acumulada. Considerando o tempo de moagem de 60 minutos, o diâmetro médio das partículas foi determinado em 45 µm. VOLUME (%) 3.2 Caracterização da areia Figura 2. Granulometria da CME. A tabela 3 fornece os dados obtidos segundo os ensaios mencionados na descrição. TAMANHO DA PARTÍCULA (µm) Tabela 3. Propriedades físicas da areia Massa específica aparente seca do agregado 2,360 (g/cm³) Massa específica do agregado saturado 2,387 (g/cm³) Massa específica do agregado (g/cm³) 2,421 Absorção de água (%) 0, Ensaios de consistência, resistência à compressão e absorção O ensaio de consistência, apresentado na tabela 4, mostra que conforme acrescenta-se a CME, há uma diminuição da fluidez das argamassas, fato esta que já era esperado, uma vez que a inserção de um material fino tente decrementar as propriedades notórias das argamassas frescas, a exemplo da fluidez e da trabalhabilidade. Esta última foi observada durante a moldagem dos corpos-deprova, principalmente para os traços CME 40% e CME 50%, em que houve uma notória queda da plasticidade da mistura. 3093

9 Identificação das argamassas Tabela 4. Consistência das argamassas CME 0% CME 10% CME 20% CME 30% CME 40% CME 50% Abertura média (cm) 31,17± 0,29 29,17± 0,29 27,17± 0,76 25,17± 0,29 24,33± 0,58 21,67± 0,29 A tabela 5 fornece os dados das rupturas das argamassas, aos sete dias, ensaiadas à compressão axial. Identificação das argamassas Resistência à Compressão (MPa) Tabela 5. Resistência à compressão aos 7 dias CME 0% CME 10% CME 20% CME 30% CME 40% CME 50% 39,38± 1,54 44,14± 1,51 43,78± 1,48 46,41± 1,55 40,66± 2,44 39,52± 1,42 A tabela 6 fornece os dados das rupturas das argamassas, aos sete dias, solicitadas à compressão axial. Identificação das argamassas Absorção de água (%) Tabela 6. Absorção de água aos 7 dias CME 0% CME 10% CME 20% CME 30% CME 40% CME 50% 0,18± 0,11 0,38± 0,20 0,22± 0,07 0,05± 0,12 0,11± 0,02 0,12± 0,00 Em termos gerais, a aplicação da cinza como substituição parcial ao agregado miúdo trouxe resultados favoráveis. Observa-se que para todas as substituições que foram instrumento de estudo, houve incremento na resistência. A leitura dos desvios confirma que existe uma amplitude notória das médias de resistência, apesar de mesmo considerando esse intervalo de valores, os resultados permanecem favoráveis. Por exemplo, tomando-se como referência o traço CME 30%, a resistência de 46,41 MPa com o desvio de ± 1,55 resulta nos extremos de 44,86 MPa e 47,96 MPa, ou seja, valores acima do que foi obtido no CME 0%. A absorção de água foi um parâmetro mais aberto nos resultados, visto que o dado que apresentou melhor teor de absorção foi o CME 30% (0,05% de água absorvida), incluindo o traço controle CME 0%. Entretanto, os traços com menor desvio padrão foram o CME 40% e o CME 50%, definidos em 0,02 e 0,00 respectivamente. Os menores teores foram garantidos a partir de substituições acima de 30%, com destaque para 40% e 50%. 3094

10 De certa forma, os resultados das tabelas 5 e 6 solidificam a viabilidade da CME aplicada as argamassas de cimento. Inclusive, existe a possibilidade de substituir a areia da mistura em porcentagens maiores que 50% e verificar as dados apresentados. Portanto, considerando a disponibilidade da areia, um novo agregado plausível pode ser estudado com mais ênfase, não somente nas argamassas, mas em todas as matrizes cimentícias. Considerando a sistemática do manuseio de resíduos, é possível utilizar os descartes das indústrias de papel e celulose dentro da construção civil. 4. CONCLUSÕES É notório afirmar que: - a caracterização química da CME trouxe grande incidência do óxido de silício; o difratograma confirmou a presença do silício, porém, no formato de picos de quartzo, não sendo interessante no quesito de pozonalicidade - substituindo 30% da areia por CME, obteve-se resultados satisfatórios quanto a resistência à compressão das argamassas, nos traços acima deste teor de substituição a resistência começa a diminuir - em relação ao ensaio de consistência conforme aumenta-se o teor de CME, há uma notória queda na fluidez e trabalhabilidade das argamassas - para o traço com 10% de CME, conseguiu-se uma maior plasticidade nas argamassas, em relação as outras amostras utilizando CME - utilizando o traço com 40 e 50% de CME, houve uma queda considerável na consistência, tornando-se a argamassa menos fluida e plástica - na questão da absorção de água, os maiores teores de absorção de água foram estabelecidos aos traços com porcentagens acima de 30% de CME - a viabilidade da aplicação do CME em argamassas de cimento é evidenciada. Inclusive, existe a possibilidade de substituir a areia da mistura em porcentagens maiores que 50% e verificar os dados apresentados - portanto, considerando a disponibilidade da areia, um novo agregado plausível pode ser estudado com mais ênfase, não somente nas argamassas, mas em todas as matrizes cimentícias - e há, de forma consistente, a utilização de um resíduo de uma atividade industrial recorrente. 3095

11 5. REFERÊNCIAS (1) FAIRBAIRN, E. M.R. et al. Cement replacement by sugar cane bagasse ash: CO2 emissions reduction and potential for carbon credits. Journal Of Environmental Management, [s.l.], v. 91, n. 9, p , set (2) NEVILLE. A.M. Propriedades do concreto. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, (3) FOELKEL, C. Resíduos Sólidos Industriais do Processo de Fabricação de Celulose Kraft de Eucalipto: Resíduos Minerais. Eucalyptus Online Book. São Paulo, v. 25, n. 5, out Disponível em: Acesso em 12 set (4) ROSSI, T. et al. Waste from eucalyptus wood steaming as a natural dye source for textile fibers. Journal of Cleaner Production, [s.l.], v. 143, p , fev (5) SANTOS, S. A. P. et al. Secondary metabolites from Eucalyptus grandis wood cultivated in Portugal, Brazil and South Africa. Industrial Crops and Products, (s.l.), v. 95, p , jan (6) FOELKEL, C. Resíduos Sólidos Industriais do Processo de Fabricação de Celulose Kraft de Eucalipto: Resíduos Minerais. Eucalyptus Online Book. São Paulo, v. 25, n. 5, out Disponível em: Acesso em 12 set (7) CMPC Celulose Riograndense Disponível em: Acesso em 12 set (8) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBRNM 248: agregados determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro, p. (9) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBRNM 52: agregado miúdo determinação de massa específica e massa específica aparente. Rio de Janeiro, p. (10) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBRNM 30: agregado miúdo determinação da absorção de água. Rio de Janeiro, p. (11) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBRNM 45: 3096

12 agregados - determinação da massa unitária, massa unitária compactada e seca e do volume de vazios. Rio de Janeiro, p. (12) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBRNM 53: agregado graúdo - determinação de massa específica, massa específica aparente e absorção de água. Rio de Janeiro, p. (13) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 13276: Argamassa para Assentamento e Revestimento de Paredes e Tetos Preparo da mistura e determinação do índice de consistência. Rio de Janeiro: ABNT, (14) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 5739: concreto - ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos concreto. Rio de Janeiro, p. (15) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 9778: argamassa e concreto endurecidos - determinação da absorção de água, índice de vazios e massa específica. Rio de Janeiro, p. EVALUATION OF RESIDUE ASH EUCALYPTUS WOOD AS PARTIAL SUBSTITUTION OF FINE AGGREGATE OF THE IN PORTLAND CEMENT MORTARS Abstract Industrial waste can play the role of aggregates in conventional mortars. Eucalyptus wood ash (EWA) is a pertinent residue as a partial substitute for the fine aggregate in Portland cement mortars. The average diameter of its particles is 45 μm and it is highlighted the presence of SiO2 and CaO in its composition. The X-ray diffraction showed the presence of amorphous phase in the ash. Mortars were produced with substitution of 0% (control) up to 50% by mass of the fine aggregate. As the percentage of ash increases, there is less fluidity in the samples. The axial compressive strength (seven days of curing) increases as the percentage of replacement increases by up to 30%. The water absorption (seven days of curing) decreases with the increase of EWA E in the mixtures. According to the results obtained, the use of EWA, replacing up to 30% of the aggregate mass, is promising. Key words: Eucalyptus wood ash, Industrial waste, Fine aggregate. 3097