CINZA DA CASCA DE ARROZ COMO ADIÇÃO PARA ARGAMASSAS E CONCRETOS

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1 CINZA DA CASCA DE ARROZ COMO ADIÇÃO PARA ARGAMASSAS E CONCRETOS Jefferson Maia Lima 1 José Raimundo Serra Pacha 2 Paulo Davi El Hana Souza Lobato 3 Saever Baptista Pieroni 4 Leonardo Kalif Maia 5 RESUMO A casca de arroz é um dos resíduos agroindustriais mais abundantes, trata-se de um material fibroso composto principalmente por celulose, lignina e resíduo orgânico. Sua decomposição na natureza se dá de forma muito lenta, portanto, o acúmulo anual desse resíduo torna-se um grave problema de descarte e deposição. A casca representa cerca de 23,0% da massa do grão de arroz.. Em razão de seu alto poder calorífico e custo praticamente nulo, a casca de arroz vem cada vez mais substituindo a lenha empregada na geração de calor e vapor, gerando cinzas que também provoca impactos ambientais. O alto teor de sílica na cinza da casca de arroz a potencializa como matéria-prima na fabricação de diversos materiais (vidros, isolantes térmicos, tijolos prensados, materiais refratários). Diante desse contexto, esta pesquisa acadêmica bibliográfica que demonstra as principais alternativas para a reciclagem das cinzas de casca de arroz oriundas de indústrias de beneficiamento de arroz na produção de materiais alternativos a indústria de construção civil, destacando as características que influenciam em um possível acréscimo na reatividade pozolânica para argamassas e concretos de cimento Portland. O emprego dessas cinzas na produção de argamassa e concreto contribui para a sustentabilidade da construção civil, gerando grandes vantagens no campo técnico e no ambiental a partir da redução de emissão de CO 2 na atmosfera, durante a produção de cimento Portland e, pela destinação de maneira adequada desses grandes volumes de cinzas que antes seria considerado um resíduo poluente. PALAVRAS-CHAVE: Resíduo; pozolana; cimentos. 1 Professor de Engenharia Civil FACI DEVRY jlima20@faculdadeideal.edu.br 2 Professor de Engenharia Civil FACI DEVRY jpacha@faculdadeideal.edu.br 3 Aluno de Engenharia Civil FACI DEVRY paulolobato_msn@yahoo.com.br 4 Aluna de Engenharia Civil FACI DEVRY saever@asibar.com.br 5 Aluna de Engenharia Civil FACI DEVRY leonardo_9@hotmail.com

2 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. IMPORTÂNCIA Devido à crescente necessidade mundial em reduzir as cargas poluentes e a retirada de matéria-prima do ambiente, tem-se pesquisado em vários campos da construção civil formas de se manter o crescimento, porém diminuindo o custo ambiental. Essa busca de fontes alternativas de energia renovável estimulou o aproveitamento da Cinza da Casca de Arroz (CCA), que quando queimada produz cinzas em grande quantidade, nenhum outro resíduo da agricultura produz tantas cinzas após a queima. Essas cinzas vêm se mostrando uma matéria-prima de alto potencial, em estudos que buscam a reutilização de resíduos na construção civil. Algumas pesquisas laboratoriais já mostraram que o desempenho das CCA é comparável ao da sílica ativa, que é um componente comercial necessário na produção de concretos de alto desempenho. Esse tipo de concreto pode ser usado em pilares, vigas, lajes e outras estruturas sujeitas a ambientes agressivos, como atmosferas industriais e marítimas. O emprego de CCA na produção de argamassa e concreto visa contribuir para a sustentabilidade da construção civil, isso tem gerado grandes vantagens no campo técnico e no campo ambiental, pois dessa forma minimiza-se a emissão de CO2 na atmosfera, durante a produção de cimento Portland e destinando de maneira adequada esse grande volume de cinzas que antes seria considerado um resíduo poluente OBJETIVOS Diante desse contexto, apresenta-se uma pesquisa acadêmica bibliográfica que demonstra as principais alternativas para a reciclagem das cinzas de casca de arroz oriundas de indústrias de beneficiamento de arroz na produção de materiais alternativos a indústria de construção civil, destacando as características que influenciam em um possível acréscimo na reatividade pozolânica através de pesquisas bem sucedidas.

3 2 2. CADEIA DO ARROZ Ocupando o segundo lugar em produção de arroz em casca e terceiro em consumo, atrás somente da Ásia, está a América Latina, o Brasil se destaca como o maior produtor de fora do continente asiático. A nossa produção representa cerca de 2,0% do total mundial, e cerca de 42,0% da América Latina. O Rio Grande do Sul é o maior produtor nacional de arroz em casca, responsável por 68,1% do total produzido no país, que atingiu 9,17milhões de toneladas em 2013 e, é previsto um crescimento de 3,5% na produção em 2014 (IBGE, 2014). A casca representa aproximadamente 20,0% em peso do arroz e a cinza representa aproximadamente 20,0% em peso da casca de arroz CASCA DE ARROZ A casca de arroz é um dos resíduos agroindustriais mais abundantes, trata-se de um material fibroso composto principalmente por celulose, lignina e resíduo orgânico. Sua decomposição na natureza se dá de forma muito lenta (cerca de 5 anos)(zucco, 1990), portanto, o acúmulo anual desse resíduo torna-se um grave problema de descarte e deposição. A casca representa cerca de 23,0% da massa do grão de arroz (DELLA et al., 2001). Figura 1 Representação de um grão de arroz. Em razão de seu alto poder calorífico (cerca de kj/kg) e custo praticamente nulo, a casca de arroz vem cada vez mais substituindo a lenha empregada na geração de calor e vapor, necessários para os processos de secagem e parbolização dos grãos de arroz(della et al., 2001).As beneficiadoras de arroz são as principais consumidoras da casca, empregando-a como combustível na própria indústria. Devido a sua alta dureza, fibrosidade, e natureza abrasiva, dela são obtidos produtos pouco nutritivo, de boa resistência ao desgaste e que geram muita cinza após a sua queima (DELLA et al., 2001).

4 CINZA DA CASCA DE ARROZ A cinza da casca do arroz é um subproduto de grande abundância gerado por processos agroindustriais (LIMA et al., 2007). Essa cinza se origina pelo processo de combustão do resíduo da casca de arroz, com objetivo de se gerar calor e que pela qual não se tem o controle de temperatura e tempo durante a queima, resultando CCAs residuais que não apresentam uniformidade em suas características (POUEY et al., 2007). A presença da sílica na casca do arroz é uma importante fonte renovável, pois contém aproximadamente 95% de sílica, com pequenos percentuais de álcalis e outros elementos, é um material leve, volumoso e altamente poroso. Devido ao seu alto teor sílica, a CCA é utilizada na fabricação de vidros, isolantes térmicos, tijolos prensados, materiais refratários, bem como naprodução de cimento Portland e na forma de agregado em argamassas e concretos. Em 1924 a CCA foi pela primeira vez estudada em concretopor Beagle na Alemanha, e em 1973 o assunto foi patenteado pelo belga Metha. Após Metha muitos pesquisadores se concentraram na utilização da CCA derivada de queima não controlada. E desde então, diversas pesquisas têm sido realizadas com o uso da CCA como adições cimentícias, tanto aquela produzida com queima controlada quanto aquela à base de cinza de casca de arroz residual, obtida nos processos de beneficiamento de arroz. Tabela 1 Porcentagem de cinza e sílica gerada da queima da casca de arroz. Cereal Parte da planta Cinza (% em peso) Sílica (%) Milho Folha Arroz Casca Arroz Palha Cana de açúcar Bagaço Girassol Folhas e talos Trigo Folha Fonte: Metha (1992); Cook (1986) e; Tiboni (2007). Podemos observar no esquema abaixo a grande gama de produtos que podem ser obtidos com a utilização da CCA.

5 4 Figura 2 Fluxograma da aplicação da Cinza da Casca do Arroz 3. CLASSIFICAÇÃO A cinza da casca de arroz é um material com alto potencial pozolânico. Segundo a NBR (Materiais Pozolânicos), pozolana é um material que por si só possui pouca ou nenhuma atividade cimentícia, mas que quando finamente moída e na presença de água, reage com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente para formar compostos com propriedades cimentantes. Para a classificação da sílica obtida da CCA consiste primeiramente naaplicação do ciclo de tratamento térmico (TT) em várias amostras de CCA, com o objetivo de aumentar o percentual de óxido de silício existente através da redução do percentual de matéria orgânica (carbono), bem como de outras impurezas presentes (K2O, Na2O, etc). Metha e Monteiro (1994) classificaram a CCA em duas categorias de pozolanas: a altamente reativa quando queimada em processo controlado (com temperaturas inferiores a 600 C) e constituída de essencialmente de sílica pura, na forma amorfa, e apouco reativa quando queimada em campo, sem o controle de temperatura e tempo, constituída essencialmente de

6 5 silicatos cristalinos e somente uma pequena quantidade de matéria não cristalina, devendo ainda ser moído, reduzido a um pó muito fino, para poder desenvolver certa atividade pozolânica. Para a obtenção de CCAs reativas, Mehta e Monteiro (1994) recomendaram que a temperatura de calcinação variasse entre 500ºC e 700ºC, com duração necessária para que ocorresse a remoção completa do material orgânico. Após a queima da casca de arroz, a dimensão da cinza é praticamente a mesma da casca, e por conta disso ela precisa passar por um processo de moagem de forma que atenda a finura apropriada, isso irá aumentar o índice de atividade pozolânica da cinza, tornando próprio para o uso como adição. É importante lembrar que se deve realizar um peneiramento antes da moagem, para se eliminar todo e qualquer resíduo que não tiver sido bem queimado. O tempo de moagem leva a diferentes superfícies específicas, que influenciam na pozolanicidade do material. Conclui-se que existe um tempo de moagem ótimo para que a CCA atinja a pozolanicidade máxima. A partir deste tempo ótimo, há um aumento excessivo da área específica, dificultando a dispersão da pozolana aplicada na argamassa, prejudicando o resultado final. 4. CARACATERÍSTICAS As características físicas usualmente determinadas para a CCA são: massa específica, tamanho das partículas, área superficial, distribuição granulométrica, umidade e perda ao fogo. Apresenta-se abaixo as características físicas da pesquisa realizada por Bezerra et al., (2010), e obteve os seguintes resultados apresentados logo abaixo na tabela e curva granulométrica, para a cinza de casca de arroz queimada a céu aberto, sem o controle de temperatura. Observando-se o baixo valor para massa unitária(0,40 g/cm³), isso indica que a cinza possui baixa densidade e é considerada material poroso, A superfície específica é superior ao estabelecido por norma, fato que se justifica em virtude da CCA estudada não ter passado por nenhum tratamento, razão porque é considerada residual. Analisando o conjunto de resultados conclui-se que a cinza pode ser usada como substituto parcial do cimento em argamassas, pois a área específica obtida é superior à do cimento.

7 6 Tabela 2 Características Físicas da CCA. Ensaio Resultado Obtido Massa Unitária (g/cm³) 0,40 Superfície específica (método de Blaine) (cm²/g) 10197,38 Massa Específica (g/cm³) 2,16 Índice de Atividade Pozolânica (%) 77,80 Demanda de Água (%) 115,00 D10 10 % do volume com partículas de diâmetro abaixo de: (µm) * 3,52 D50 50 % do volume com partículas de diâmetro abaixo de: (µm) * 16,62 D90 90 % do volume com partículas de diâmetro abaixo de: (µm) * 49,93 Fonte: Bezerra (2010) *Granulometria por Difração à Laser As propriedades químicas para a caracterização de atividade pozolânica apresentado na tabela abaixo apresentam valores que caracterizam como material pozolânico e com características aglomerantes. O elevado teor de perda ao fogo pode ser um fator atenuante da quantidade de sílica. Tabela 3 Propriedades químicas e índices pozolânicos. Os resultados das análises químicas, expressos em óxidos, da cinza da casca de arroz foram obtidos por EDX e apresentadas na tabela abaixo, pode-se observar que a cinza da casca de arroz é composta por um alto teor de sílica (83,41%), além disso, observam-se teores de outros óxidos, que podem ser considerados como impurezas (DELLA et al., 2001). No Difratograma da cinza da casca de arroz apresentado na figura abaixo é possível observar que a cinza da casca de arroz apresenta-se como um material amorfo, que é relativo à sílica obtida após o processo de combustão. Observa-se um pico centrado em 2θ= 21,36 que pode

8 7 ser atribuído à cristobalita desordenada, embora não há formação de outras fases, indicando a ausência de fases cristalinas (OLIVEIRA, et al. 2007). Figura 3 Difratograma de Raio-x da CAA Na análise térmica gravimétrica de CCA, pode-se verificar a perda de massa que a cinza sofre em relação ao aumento da temperatura em que é submetida. Observa-se na figura a seguir, que o resultadoapresenta perda de massa total de 13,7%, entre 0 C e 200 C verifica-se uma perda de cerca de 3,0 % da massa devido à eliminação de água e, para as temperaturas superiores a 200 até 1000 C corresponde à perda de massas de matéria orgânica. Figura 4 Análise Térmica Gravimétrica da CCA.

9 8 5. APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL O trabalho de Bezerra et al (2011) objetivou verificar a viabilidade da utilização da cinza da casca do arroz (CCA) em argamassas de assentamento. Para o desenvolvimento da pesquisa utilizou-se a cinza da casca do arroz proveniente da queima da casca do arroz sem controle de temperatura e a céu aberto. Após a caracterização da cinza e da determinação do índice de consistência, foram moldados corpos de prova referentes às argamassas de assentamento no traço 1:2:9 (cimento:cal:areia), em massa, e as argamassas alternativas com CCA nas proporções de 6, 9, 15, 20 e 30%, como substituto parcial do cimento. Os corpos de prova foram confeccionadas em moldes cilíndricos com dimensões de 5 cm de diâmetro e 10 cm de altura, de acordo com os procedimentos estabelecidos pela NBR 7215 (ABNT, 1996) A cura dessas argamassas foi realizada em câmara úmida saturada com cal para evitar carbonatação, em períodos de 28, 63 e 91 dias. Figura 5 Resistência a compressão simples das argamassas incorporadas com CCA. Observa-se, aumento na resistência a compressão para todos os períodos de cura em que os corpos de prova contendo CCA, apresentaram valores superiores ao da argamassa de referência, exceto com 6%; este aumento pode ser atribuído, provavelmente, à reação da CCA com o hidróxido de cálcio formando o C-S-H, material resistente e estável, que favorece o aumento da resistência e diminuição da permeabilidade devido ao processo de refinamento dos poros (reação pozolânica).

10 9 Em relação aos 28 dias, o material apresentou reação pozolânica pois os corpos de prova das argamassas contendo CCA apresentaram valores de resistência superiores aos dos corpos de prova da argamassa de referência. Neste caso, pode-se considerar que a reação pozolânica não foi tão lenta quanto se espera de uma reação pozolânica comum. O bom desempenho das argamassas com 9, 15, 20 e 30% pode ser justificado pelo fato de haver preenchimento dos vazios da argamassa, denominado efeito filler, quando há incorporação de resíduos, aumentando o empacotamento das partículas e diminuindo, consequentemente, os vazios, favorecendo positivamente a resistência a compressão simples. Dentre as argamassas estudadas a que apresentou melhor comportamento mecânico foi a com 15% de CCA em substituição ao cimento, após os períodos de cura de 63 e 91 dias. 6. CONCLUSÃO A cinza da casca de arroz é uma matéria-prima de alto potencial, mostrando que o desempenho é comparável ao da sílica ativa, que é um componente comercial necessário na produção de concretos de alto desempenho. Esse tipo de material contribui para a confecção de materiais de construção sujeitas a ambientes agressivos, como atmosferas industriais e marítimas. O emprego de CCA na produção de argamassa e concreto visa contribuir para a sustentabilidade da construção civil, isso tem gerado grandes vantagens no campo técnico e no campo ambiental, pois dessa forma minimiza-se a emissão de CO 2 na atmosfera, durante a produção de cimento Portland e destinando de maneira adequada esse grande volume de cinzas que antes seria considerado um resíduo poluente. 7. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12653/92. Materiais Pozolânicos Especificação. Rio de Janeiro, BEZERRA, Izabelle M. T.; SOUZA, Jozilene; CARVALHO, João B. Q. de; NEVES, Gelmires A - Aplicação da cinza da casca do arroz em argamassas de assentamento - UAEA/UFCG, Campina Grande, PB, DELLA, V. P. et al. Estudo comparativo entre sílica obtida por lixívia ácida da casca de arroz e sílica obtida por tratamento térmico da cinza de casca de arroz. Química Nova, DELLA, V.P.; KÜHN,I.; HOTZA, D. Caracterização de cinza de casca de arroz para uso como matéria prima na fabricação de refratários de sílica. Química Nova, São Paulo, 2001.

11 INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE. Produção agrícola nacional. Disponível em <http: // Acesso em: novembro de LIMA, S.A.; ROSSIGNOLO, J.A; CAMPOS, M.F. Influência do tempo de moagem na pozolanicidade da cinza da casca da castanha de caju. In: 49 Congresso Brasileiro do Concreto CBC 2007, Bento Gonçalves, Anais... Bento Gonçalves: CBC LUXÁN, M.P.; MADRUGA, F.; SAAVEDRA, J. Rapid evaluation of pozzolanic activity of natural products by conductivity measurement. Cement and Concrete Research, MEHTA, P.K; MONTEIRO, P.J.M. Concreto, estruturas, propriedades e materiais. 1ª. Ed., São Paulo, POUEY, M.T.; DAL MOLIN, D.C.C.; BERGMANN, C.P. Avaliação de diferentes processos de moagem de cinzas de casca de arroz residuais com diferentes características mineralógicas através do Índice de Atividade Pozolânica. In: 49 Congresso Brasileiro do Concreto CBC 2007, Bento Gonçalves ZUCCO, Lóris Lodir. Estudo da viabilidade de fabricação de placas de compósitos à base de cimento e casca de arroz. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, São Paulo,