Inovação em concreto e produtos a base de cimento: Tendências

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Maria Vitória Fernandes Alencastre
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1 Escola Politécnica da USP Depto. Eng. Construção Civil Inovação em concreto e produtos a base de cimento: Tendências Vanderley M. John Escola Politécnica da USP Ken Olson, fundador da Digital (1977) There is no reason anyone would want a computer in their home! 1

2 Bill Gates (27), 1982 In five years the cost of computation will really be decreased. We will have changed the way people work. SUCESSO DEPENDE DA VISÃO CORRETA DO FUTURO. 2

3 FUTURO DO CONCRETO WBCSD Cement Sustainability Initiative 3

4 Futuro de produtos cimentícios Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report 2007 Futuro de produtos cimentícios Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report

Progress Report 2007 Progress Report 2007 4

5 America Latina PRODUTOS CIMENTÍCIOS SERÃO O MATERIAL DO FUTURO 5

6 Futuro : Fatores Críticos Clima Combustíveis e matérias primas Saúde e segurança Redução de emissões Impactos Locais Reciclagem Principais influências Agenda ambiental Competitividade / Avanço científico 6

7 AGENDA AMBIENTAL 7

8 Consumo de recursos naturais Alimentos Cimento Concreto Água Kg/hab.ano Consumo de recursos naturais WRI 8

9 Cadeia produtiva do cimento 1 3 dos recursos naturais. Produtos cimentícios 9

10 CO 2 na atmosfera (ppm) 31/08/2010 Maior parte dos resíduos de construção são cimentícios 80m Picture: Marco Antonio Fialho Picture: Marco Antonio Fialho CO 2 na atmosfera Ano IPCC - Climate Change2007: The Physical Science Basis - Summary for Policymakershttp:// 10

atmosfera 380 360 340 320 300 280 260 1750 240 8000 6000 4000 2000 0 2000 Ano IPCC -

11 Cimento (% CO 2 total) 31/08/2010 Participação do Cimento e CO Gobal Queima de Combustíveis Fósseis 11

12 CO2 (ton/ton) Brasil 31/08/2010 Decomposição do Calcário Emissões Médias de CO 2 1 0,8 0,6 0,4 0,

13 kg CO2/t cimento 31/08/2010 Emissões Médias de CO Intensidade de CO 2 Cimentos Brasileiros % CP I CP II E CP III CP IV Carvalho,

Cimentos Brasileiros 800 600 78% 400 200

14 Comparando (dados aproximados no Brasil) kg CO 2 /ton Min Max Aço Alumínio Cimento Madeira ilegal Evolução da produção Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report

000 Cimento 270 800 Madeira ilegal 7.000 15.

15 CO 2 do cimento (% total) 31/08/2010 Emissões de CO 2 A blueprint for a climate friendly cement industry. WWF-Lafarge 2008 CO 2 da produção de cimento BAU (WWF-Lafarge) Blue (WBCSD IEA) WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 A blueprint for a climate friendly cement industry. WWF-Lafarge

WWF-Lafarge 2008 CO 2 da produção de cimento 35 30 BAU (WWF-Lafarge) 25 20 15 10 Blue

16 Contribuição para Mitigação de CO2 Eficiência energética 10% Seqüestro de Carbono 56% Biomassa & outros 24% Substituição do clinquer 10% WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 Investimento para Mitigação US $354 a 843 bilhões WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap

clinquer 10% WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 Investimento

17 Investimento para Mitigação US $354 a 843 bilhões WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 Captura e Seqüestro de Carbono USD $40 170/t CO 2 Impacto no custo poderá ser importante WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap

de Carbono USD $40 170/t CO 2 Impacto no custo poderá

18 MUDANÇAS PROFUNDAS SÃO INEVITÁVEIS. Desafios Redução do CO 2 Desmaterialização : construir mais com menos Reciclagem Aumento da vida útil 18

19 CIÊNCIA PARA A INOVAÇÃO Inglaterra Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory 19

20 Temas críticos de pesquisa Compreensão e otimização do concreto Nanotecnologia Influencia do processamento Modelos para projeto do material Novas técnicas de processamento Gestão e redução de impactos ambientais Novos produtos Concreto Multifuncional Auto-reparadores (self-healing) Alta resistência... O novo ciclo da pesquisa Matérias primas Processamento Caracterização da Nanoestrutura Estado fluido Condições de uso Desempenho em uso Compreensão Simulação 20

Concreto Multifuncional Auto-reparadores (self-healing) Alta resistência.

21 Nanotecnologia & Concreto Ferramenta para compreender o concreto 1. Métodos de medida 2. Entendimento dos fenômenos 3. Modelagem 4. Otimização 5. Desenvolvimento de novos produtos Karen Scrivener (2008) pdf 21

22 Fluência em escala nano Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106: Fluência em escala nano Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106:

23 Controlando a fluência Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106: VECTOR MODELLING OF CEMENT HYDRATION 23

24 Virtual Cement and Concrete Testing Lab Prediction of Cement Physical Properties by Virtual Testing Predict the chloride ion diffusivity of a concrete based on mixture parameters Prediction and Optimization of Concrete Performance REDUÇÃO DO CO 2 24

25 Teor de Aglomerante (kg/m³) 31/08/2010 Quantidade de CO2 Teor de CO 2 no cimento (kg/kg) Clínquer Eficiência do processo CSC Consumo de aglomerante no concreto Agregados Técnica de dosagem Variabilidade do processo de produção Dados do Ibracon Resistencia a compressão (MPa, 28 dias) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p ,

26 IA (kg/m³.mpa) IA (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Ibracon + Internacional Brazil International Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p , 2010 Ibracon + Internacional Brazil International kg Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p ,

27 IA (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Ibracon + Internacional literature+ preliminarymarket data (Brazil) + BAT Brazil International site concreteira Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p , X Concreto dosado em Central Muito mais ecoeficiente que o misturado em obra. Brasil: <20% do cimento Países desenvolvidos: > 80% Sustentabiliade exige a substituição do concreto misturado sem controle. 27

28 Minimizando o Consumo de ligante Teor de ligante não influencia a durabilidade Wassermann, Katz and Bentur, Minimum cement content requirements: a must or a myth?, Mater Struct 42 (7) (2009), pp Dhir, McCarthy, Zhou and Tittle, Role of cement content in specifications for concrete durability: cement type influences, Proc ICE Struct Build 157 (2) (2004), pp Minimizando o Consumo de Ligante Mínimo possível atual: ~5kg /m - ³.MPa -1 fck: 50MPa já é possivel e praticado fcj < 50MPa Não é atingido na pratica Existe necessidade de finos 28

29 Concretos < 50MPa Novos Cimentos Teor de filler f(aplicação e fcj) Garantia da hidratação dos ligantes Produtos pré-misturados Argamassas industrializadas Substituição do concreto dosado em obra Dispersantes de alta eficiência Novos paradigmas de dosagem Empacotamento de agregados Redução da variabilidade (água/cimento) Minimizando o Consumo de Aglomerante Mínimo futuro : <5kg /m - ³.MPa -1 Controle granulométrico: Garantir reação completa dos aglomerantes Minimizar a água para trabalhabilidade Empacotamento Dispersantes adicionados no cimento Novos aglomerantes c/ maior água combinada Melhoria de processamento 29

30 Ci (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Intensidade de CO 2 Ci literaturedata (estimative) Brazil International Compressive Strength (MPa) Mitigação do CO 2 Redução do consumo de ligante Substituição do clínquer p Reatividade é importante Pozolanas artificiais Vidros... Novos ligantes, sem clínquer (nichos...) 30

31 PROCESSAMENTO Betoneiras: uma idéia de 120 anos 31

32 Tendências em Processamento Mistura em dois estágios Dispersão da pasta, com alta energia Homogeneização com os agregados, em betoneira convencional Ganho: 10-15% na resistência Dispersor de Pasta 32

33 Projeto da Trabalhabilidade Projeto da Reologia 33

34 EXEMPLOS DE PRODUTOS INOVADORES 34

35 Reciclagem dos resíduos de Construção ceramics Natural rock mortar concrete Santo André-SP Recycling plant 12 days x 4 samples/day Agregados 35

36 Specific gravity (kg/dm³) above below 1.7 Specific gravity (kg/dm³) lower than 1.7 up to to to to /08/2010 Separação por Densidade de Agregados Reciclados D < 1.9g/cm³ 1.9<D <2.2 g/cm³ 2.2 <D <2.5 g/cm³ D >2.5 g/cm³ Distribuição de massa específica coarse grey coarse red fine grey fine red 0% 10% 20% 30% 40% 50% 10% 20% 30% 40% 50% Weight fraction Weight fraction ANGULO, S. C. ; JOHN, V. M. ; ULSEN, C. ; KAHN, H. ; CINCOTTO, M. A.. Chemical mineralogical characterization of C&D waste recycled aggregates from São Paulo, Brazil. Waste Management (Elmsford), v. 29, p ,

37 Compressive strength (N/mm²) 31/08/2010 Efeito da densidade na resistência mecânica cement (kg/m³) w/c w/c 0.5 w/c % replacement Natural aggregate 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 Envelope density (kg/dm³) ANGULO, S. C. ; CARRIJO, P. M. ; FIGUEIREDO, A. D. ; CHAVES, A. P. ; JOHN, V. M.. On the classification of mixed construction and demolition waste aggregate by porosity and its impact on the mechanical performance of concrete. Materials and Structures, v. 43, p , 2010 Agregados Reciclados: aplicação potencial 37

38 Reciclagem: outras tendências Novos tratamentos Liberação por tratamento térmico & descarga elétrica Novos processos de britagem e separação Reciclagem dos finos como aglomerante Concreto reciclavel : redução da ligação pastaagregado Concreto fotocatalítico autolimpante Auto-limpante. Limpa o ar. Dives in Misericordia Tese Flávio Leal Maranhão, Poli USP

39 Natureza: Componentes com Propriedades Variáveis Materiais cimentícios com propriedades graduadas 39

40 Flexural stress (MPa) 31/08/2010 Materiais cimentícios com propriedades graduadas Graduado 1.07% fibras Homogêo: 1.8% fibras Deflection (mm) Dias, C.M.R. ; SAVASTANO JR, H. ; John, V.M.. Exploring the potential of functionally graded materials concept for the development of fiber cement. Construction & Building Materials, v. 24, p , Concreto C/Resistência Graduada 20MPa 40 MPa 20 MPa 40 MPa 40 MPa 20 MPa 40 MPa IC Rafael Kurusu (a ser publicado) 40

41 Resistência à Flexão 4 pontos ,00 2,00 4,00 6,00 8,00 Intensidade de CO CO2 (kg/m -3.MPa -1 ) 41

42 Componentes extrudados Imprimindo o Concreto 42

43 10-meter-tall structure 43

44 44

45 Elevando a resistência do concreto 45

46 Materiais de Mudança de Fase MMF encapsulados Controle do calor de hidratação Controle da inércia térmica 46

47 Conclusões Produtos cimentícios: ganho de mercado Inovação: Ecoeficiência Aplicação da ciência Agregação de valor Ganho de competitividade Poli USP: parceira da indústria 47

48 Escola Politécnica da USP Depto. Eng. Construção Civil 48

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