Avaliação da profundidade de carbonatação em argamassas produzidas com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar

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1 Avaliação da profundidade de carbonatação em argamassas produzidas com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar Fernando do C. R. Almeida Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Construção Civil Brasil fernandocralmeida@gmail.com Sofia A. Lima Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana Brasil salbessa@gmail.com Almir Sales Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil Brasil almir@ufscar.br Juliana P. Moretti Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil Brasil juliana_pmoretti@yahoo.com.br Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar, de forma qualitativa, a profundidade de carbonatação (PC) de argamassas produzidas com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC), em substituição à areia natural. As amostras de CBC foram coletadas em usinas do estado de São Paulo, Brasil. Foram produzidas argamassas com cimento Portland composto, com teores de substituição de areia natural por CBC de 0%, 30% e 50%, em massa. Foram realizados ensaios mecânicos e de avaliação da PC natural, pelo método colorimétrico, nas idades de 60, 90 e 120 dias. Pode-se indicar que a adição da CBC não influenciou significativamente na durabilidade de matrizes cimentícias de argamassas. Palavras chave: cinza do bagaço da cana-de-açúcar, profundidade de carbonatação, durabilidade, argamassa. 1. INTRODUÇÃO O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e seus derivados (açúcar e etanol). Esse cenário apresenta uma tendência de contínuo crescimento devido, principalmente, ao incentivo à produção mundial de biocombustíveis como alternativa energética [1]. Na safra de 2011/12, o país foi responsável pelo processamento cerca de 590 milhões de toneladas de cana-de-açúcar. Deste total, 48,95% foram destinados à produção de açúcar e, 51,05%, para produção de etanol, representando um quantitativo de 37,1 milhões de toneladas de açúcar e 23,7 bilhões de litros de álcool. Para isto, a área destinada ao cultivo

2 da cana-de-açúcar foi de cerca de 8,43 milhões de hectares, respresentando menos de 1% de todo o território nacional [2]. Um dos resíduos gerados neste processo é a cinza do bagaço da cana-de-açúcar, gerada pela queima do bagaço nas caldeiras para produção de energia elétrica. Estimativas mostram que, para cada tonelada de cana-de-açúcar processada, são produzidos aproximadamente seis quilos de cinza [3]. Atualmente, um dos problemas enfrentados pelos administradores das usinas é quanto à disposição dessas cinzas residuais. Na maior parte dos casos, as cinzas são aproveitadas no campo como adubação orgânica nas lavouras de cana (apesar de ser um material com poucos nutrientes) ou descartadas na natureza sem um manejo eficiente [4]. Outros autores verificaram a presença de vários metais pesados em amostras de cinza do bagaço da cana-de-açúcar, indicando que o seu uso como fertilizante deve ser restrito [5]. A indústria da Construção Civil apresenta um elevado potencial para incorporação de resíduos desta natureza como matéria prima, colaborando para o desenvolvimento tecnológico, ambiental e econômico regional [6]. Alguns pesquisadores vêm estudando esta alternativa como adição mineral em materiais cimentícios, como argamassas e concretos. Souza e colaboradores [4] investigaram a substituição parcial do cimento Portland pela cinza do bagaço da cana-de-açúcar em argamassas e verificaram que, até um teor de 20%, a adição das cinzas residuais é tecnicamente viável sem perdas nas propriedades mecânicas. Cordeiro et al. [7] também estudaram a substituição das cinzas de cana por cimento Portland em argamassas, indicando que o efeito pozolânico do resíduo depende significativamente do tamanho e finura das partículas. Estas propriedades podem ser conseguidas por processos específicos de queima e moagem do material. Outros estudos também mostraram a viabilidade de substituição das cinzas do bagaço da cana-de-açúcar como agregado miúdo. Esta alternativa oferece uma vantagem na fase de preparo do resíduo, pois este pode ser usado na forma in natura como material inerte, o que não requer altos tempos de moagem e queima a elevadas temperaturas. Alguns autores [8, 9, 10] verificaram um aumento de resistência à compressão aos 28 dias em argamassas com substituição de até 50% da areia natural. Além disso, a aplicação da cinza do bagaço da cana-de-açúcar também pode ser estendida para concretos. Pesquisadores mostraram que a adição cinza como agregado miúdo não alterou as propriedades mecânicas dos concretos confeccionados com três tipos de cimento [5]. Altoé e outros não constataram perdas de resistência à compressão em concretos confeccionados com a cinza em substituição à areia natural [11]. Entretanto, o estudo da aplicação de materiais alternativos em concretos e argamassas demanda uma atenção especial em relação à sua durabilidade. Neste contexto, o efeito da carbonatação apresenta-se como um dos principais problemas de degradação de estruturas de concreto devido à sua ação na despassivação das armaduras. A incorporação de adições minerais em concretos tem um efeito benéfico sobre algumas de suas propriedades, fato esse que pode ser explicado devido à diminuição do tamanho dos poros, aumento da tortuosidade dos canais e a redução da interconectividade dos poros [12]. Em pesquisa feita com concretos utilizando resíduo da construção civil como agregado miúdo, a substituição total da areia provocou um aumento de 6% da profundidade de carbonatação aos 180 dias em ambiente com 20% de CO 2 [13]. Hoppe et al. [14] avaliaram o efeito da carbonatação em ensaio acelerado em concretos utilizando a cinza da casca do arroz como substituto do cimento. Os resultados indicaram

3 que a adição do resíduo levou a um aumento da frente de carbonatação. Além disso, os concretos utilizando cinzas não moídas apresentaram valores de profundidade de carbonatação maiores do que aqueles que utilizaram as cinzas moídas previamente. A aplicação da cinza volante em concretos também foi verificada por Younsi e outros [15]. Independentemente do tipo de cura, os resultados mostraram que o concreto com adição do resíduo como substituto do cimento apresentou resistência à propagação da carbonatação tanto quanto o concreto referência. Sarmento e Vanderlei [16] apresentaram um estudo de durabilidade de concreto com adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar com base, dentre outras verificações, na profundidade da carbonatação em ensaio acelerado. Os resultados demonstraram que a substituição de até 30% da areia por cinza não diminuiu a capacidade do concreto de resistir à carbonatação. Em outro estudo, Lima et al. [17] concluiram que a frente de carbonatação natural de concretos produzidos com 30% e 50% de cinza da cana-de-açúcar é similar ao concreto sem adição das cinzas. Apesar da ação da carbonatação poder ser prejudicial em estruturas de concreto, em muitos casos, para uma análise comparativa, Kulakowski [18] afirma que a investigação em argamassas é mais vantajosa do que em amostras de concreto. Isso se justifica, pois as dimensões e consumo de materiais em corpos de prova de argamassa são bastante reduzidos e cuja leitura pode ser mais clara. O concreto pode apresentar uma profundidade de carbonatação inferior a da argamassa, pois a fração de agregado graúdo estabelece uma área menor sujeita a poros permeáveis, contribuindo como barreira para o avanço da frente de carbonatação. Além disso, dificuldade de realização de leituras durante o ensaio em concretos pode levar a maior variabilidade das medidas de profundidade de carbonatação, pois o agregado graúdo apresenta porosidade inferior a da matriz composta pela pasta de cimento. A forma do corpo de prova também influencia na propagação da carbonatação, sendo que nos corpos de prova prismáticos, esta frente pode ser menor do que aquela verificada em corpos de prova cilíndricos. Khunthongkeaw et al. [19] verificaram que a adição de cinza volante em corpos de prova de argamassa com até 30% de substituição ao cimento não provocou diferenças significativas de profundidade de carbonatação entre argamassas e concretos. Wolf [20] também utilizou corpos de prova de argamassas com cimento branco e diferentes teores de calcário para verificar o efeito da carbonatação. Considerando as mesmas condições para ambas as amostras, as argamassas com cimento branco apresentaram frente de carbonatação inferior às argamassas com cimento cinza. Além disso, para elevados teores de adição de calcário, pode-se perceber alguma interação química entre este material e a pasta, o que provocou o aumento da carbonatação nas argamassas com adição. Este trabalho, por sua vez, tem por objetivo propor uma verificação do comportamento quanto à profundidade de carbonatação de argamassas com adição de cinza do bagaço da cana-de-açúcar como agregado miúdo. Para isto, foi considerada uma análise qualitativa da carbonatação natural em diferentes idades e teores de substituição da areia. 2. METODOLOGIA A seguir são apresentados os materiais e métodos utilizados no estudo. 2.1 Materiais Para a produção das argamassas, foram utilizados os seguintes materiais: cimento Portland composto, areia natural, cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) e água.

4 Foi utilizado cimento Portland composto com escória granulada de alto forno, CP II E 32. Este cimento apresenta um teor de 6 a 34% de adição de escória, em massa, conforme NBR [21]. A composição química e física deste cimento foi apresentada na Tabela 1. Tabela 1 Composição química e física do cimento Portland CP II E 32 Componentes (%) SiO 2 21,41 Al 2 O 3 5,88 Fe 2 O 3 3,68 CaO 58,44 MgO 2,04 K 2 O 0,73 CO 2 4,95 SO 3 1,26 Perda ao fogo C 5,92 Resíduo insolúvel 1,72 Propriedades Início de pega (min) 184 Finura Material retido na # 200 (%) 1,60 Blaine (cm 2 /g) 4000 Resistência à compressão (MPa) 7 dias 31,00 28 dias 40,00 Os ensaios de caracterização dos agregados foram realizados segundo as normalizações brasileiras: NBR 9776 [22]; NM 45 [23]; NM 53 [24], NM 248 [25]. A caracterização da areia natural utilizada como agregado miúdo apresentou os seguintes resultados: módulo de finura de 2,11; dimensão máxima característica de 2,40 mm; massa específica no valor de kg/m 3 ; massa unitária no estado seco e solto no valor de kg/m 3. As amostras de cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) foram coletas em usinas do Estado de São Paulo, Brasil, situadas em um raio máximo de 100 km do local de estudo. Após a coleta, a CBC foi secada em estufa a 100 ± 5 ºC, e moída durante 3 minutos em moinho tipo almofariz-pistilo para uniformização e padronização da granulometria das amostras. A caracterização da CBC preparada apresentou como resultados: massa específica, no valor de kg/m 3 ; massa unitária, no valor de kg/m 3 ; dimensão máxima característica no valor de 0,60 mm e módulo de finura no valor de 1,23. Os valores da análise química da CBC estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Análise química da cinza do bagaço da cana-de-açúcar utilizada Elementos Fe SiO 2 O 3 + K 2 O+ Perda (%) 2 CaO P Al 2 O 3 Na 2 O 2 O 5 MgO SO 3 ao fogo CBC 96,2 1,9 0,3 0,1 0,1 <0,1 0,1 1,04

5 2.2 Produção das argamassas Os traços utilizados para a produção das argamassas foram baseados em estudos realizados por [5]. Como o fenômeno da carbonatação ocorre na matriz da argamassa dos concretos, sendo este material o escopo efetivo dos estudos sobre o fenômeno da carbonatação, procurou-se manter o mesmo proporcionamento de argamassa utilizada pelos autores em estudos de dosagem do concreto. Esse teor de argamassa se deu em 51,3%, ou seja, um traço de 1 : 2,01 (cimento : agregado miúdo). Os teores de substituição da areia natural pela CBC foram de 0% (referência), 30% e 50%. Para determinação da relação água/aglomerante, considerou-se o aumento da demanda de água pelas argamassas e concretos devido à presença de material carbonoso na CBC (matéria orgânica em forma de carbono livre, extremamente fino), conforme verificado em outros estudos [8]. Desta forma, a relação água/cimento (a/c) foi obtida a partir da série com maior teor de cinza (com 50% de CBC), padronizando esse valor para os demais traços. Para essa série, a quantidade de água foi determinada pela consistência, visando à facilidade de moldagem dos corpos-de-prova das argamassas. Procurou-se alcançar a consistência padrão de 255 ± 10 mm, conforme especificado por NBR [26] e sugerido por BEZERRA [27] (Figura 1). Figura 1 Verificação da consistência das argamassas Os traços das argamassas produzidas podem ser verificados na Tabela 3, bem como a consistência alcançada em cada traço. Tabela 3 Composição dos traços das argamassas (em massa) Série Teor Relação Consistência Cimento Areia CBC CBC a/c (mm) C0 0% 1,00 2,010-0, ± 10 C30 30% 1,00 1,407 0,603 0, ± 10 C50 50% 1,00 1,005 1,005 0, ± 10 Foram moldados corpos de prova cilíndricos de argamassa, de dimensões 5x10 cm de cada traço, curados em câmara úmida durante 28 dias (Figura 2).

6 Figura 2 Moldagem dos corpos de prova cilíndricos 2.3 Análise das argamassas As argamassas foram submetidas a ensaios de resistência à compressão aos 28 dias [28] e de profundidade de carbonatação natural pelo método colorimétrico, nas idades de 60, 90 e 120 dias. Para o ensaio de carbonatação natural, os corpos de prova de argamassa foram deixados em ambiente de laboratório. Nas respectivas datas de ensaio, os corpos de prova cilíndricos foram rompidos diametralmente, seguidos pelo tratamento da superfície rompida com solução de fenolftaleína diluiída em álcool [29]. As medidas da frente de carbonatação foram feitas com auxílio de um paquímetro digital. Essa frente pode ser percebida pela diferenciação de cor da superfície tratada proporcionada pelo método qualitativo. O hidróxido de cálcio (CH) adquire uma tonalidade rosada, enquanto a parte carbonatada permanece inalterada. A cor rosa pode indicar a presença de CH, mas não a ausência total de carbonatação, considerando esta frente de forma gradual [30] (Figura 3). frente de carbonatação Figura 3 Ruptura diametral dos corpos de prova e verificação da profundidade de carbonatação, respectivamente É relevante destacar que esta análise tem caráter qualitativo-comparativo entre amostras de argamassa com diferentes teores de CBC. Isso pode indicar uma profundidade de carbonatação maior do que efetivamente ocorre em uma estrutura usual de concreto, o que

7 favorece a análise empregada, conforme estudos realizados por Kulakowski [18]. Segundo a autora, esta diferença de valores de profundidade de carbonatação entre concreto e argamassa passa a ser menor em relações água/cimento inferiores a 0,50, a qual é verificada nos traços utilizados neste trabalho (a/c=0,42). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados do ensaio de resistência à compressão das argamassas estão verificados na Tabela 4, bem como a análise estatística dos mesmos. Tabela 4 Resultados do ensaio de resistência à compressão Série Resistência à Desvio padrão Coeficiente de compressão (MPa) (MPa) variação (%) C0 36,12 0,87 2,40 C30 34,46 0,60 1,74 C50 39,56 1,11 2,81 Os resultados mostrados na Tabela 4 podem ser melhor vizualizados na Figura 4. Resistência à compressão (MPa) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 C0 C30 C50 Série de argamassas Figura 4 Resultados do ensaio de resistência à compressão Mesmo com a manutenção da relação água/aglomerante e a variação do teor de CBC nos traços, as argamassas apresentaram pequena variação de resistência à compressão, visto que as diferenças de resistência mecânica entre elas foram inferiores a 10%. Mesmo assim, a argamassa com 50% de teor de CBC apresentou o maior valor de resistência à compressão. A Tabela 5 apresenta os resultados da profundidade de carbonatação natural medidas nas argamassas nas idades de 60, 90 e 120 dias.

8 Idade (dias) Tabela 5 Resultados do ensaio de profundidade de carbonatação Série Profundidade de Desvio padrão Coeficiente de carbonatação (mm) (mm) variação (%) C0 0,63 0,07 11,07 C30 0,45 0,05 11,49 C50 0,63 0,08 12,94 C0 1,14 0,12 10,93 C30 1,20 0,18 14,67 C50 1,26 0,11 8,61 C0 2,00 0,29 14,42 C30 1,86 0,26 13,90 C50 1,68 0,13 8,18 Os resultados da frente de carbonatação também podem ser verificados na Figura 5. Profundidade de carbonatação (mm) 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 C0 C30 C Idade (dias) Figura 5 Evolução da profundidade de carbonatação nas argamassas Nas primeiras idades (60 dias), as argamassas apresentaram profundidades de carbonatação não superiores a 0,65mm. Com idades mais avançadas (120 dias), essa frente não ultrapassou os 2,00mm. Dentre as argamassas verificadas, percebeu-se uma redução da frente de carbonatação daquela com 50% de adição de CBC (série C50) na última idade do ensaio. Apesar da série C30 não apresentar o maior valor de resistência à compressão, ainda assim houve uma diminuição da profundidade de carbonatação, indicando que a CBC provocou uma influência positiva na redução da frente de carbonatação nas argamassas. Conforme apontado por Kulakowski [18], esta análise pode indicar uma frente de carbonatação maior do que aquela efetivamente ocorre em uma estrutura usual de concreto, não sendo recomendável a sua extrapolação para concretos com vistas à previsão de vida útil. Além disso, para maiores conclusões, pode ser necessária a medição desta profundidade de carbonatação em idades mais avançadas e análise de ensaios

9 acelerados. Entretanto, esse estudo foi de grande valia para uma caracterização preliminar da matriz de argamassa com adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar como agregado miúdo. 4. CONCLUSÕES Com base nos estudos desenvolvidos, a adição da cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) se mostrou uma alternativa viável na sua aplicação em matrizes cimentícias, não causando influência significativa na perda das propriedades de durabilidade de argamassas, verificada por meio da avaliação da profundidade de carbonatação natural. Mesmo assim, foi possível verificar uma redução da frente de carbonatação na idade de 120 dias para a argamassa com teor de substituição de 50% do agregado míudo pela cinza. Deste modo, foi possível caracterizar a matriz de argamassa com CBC encapsulado indicando uma possível similaridade da durabilidade de concretos produzidos com o mesmo teor de argamassa utilizando o resíduo. Entretanto, se faz necessário a continuidade dos estudos em idades mais avançadas. 4. REFERÊNCIAS [1] OECD-FAO. Agricultural Outlook Organization for Economic Cooperation and Development & Food and Agriculture Organization of The United Nations, Disponível em: < Acesso em: 15 jan [2] CONAB, COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO. Acompanhamento da safra brasileira de cana-de-açúcar. Segundo levantamento da safra 2011/2012. Ago/2011. Disponível em: < 11_01_06_09_14_50_boletim_cana_3o_lev_safra_2010_2011..pdf>. Acesso em: 20 nov [3] FIESP/CIESP. Ampliação da oferta de energia através da biomassa (bagaço da canade-açúcar), São Paulo: FIESP/CIESP, 2001, 90 p. [4] SOUZA G. N.; FORMAGINI, S.; CUSTÓDIO, F. O.; SILVEIRA, M. M. Desenvolvimento de argamassas com substituição parcial do cimento portland por cinzas residuais do bagaço de cana-de-açúcar. In: 49o Congresso Brasileiro do Concreto, 2007, Bento Gonçalves. Anais do 49o. CBC. São Paulo, SP: IBRACON, [5] SALES, A.; LIMA, S. A. Use of Brazilian sugarcane bagasse ash in concrete as sand replacement. Waste Management, v.30, n.6, p , [6] ROCHA, J. C.; CHERIAF, M. Aproveitamento de resíduos na construção. In: Utilização de Resíduos na Construção Habitacional / Editores Janaíde Cavalcante Rocha e Vanderley Moacyr John. - Porto Alegre: ANTAC, (Coleção Habitare, v.4). [7] CORDEIRO, G. C.; TOLEDO FILHO, R. D.; TAVARES, L. M.; FAIRBAIRN, E. R. M. Pozzolanic activity and filler effect of sugar cane bagasse ash in Portland cement and lime mortars. Cement & Concrete Composites, n. 30, p , [8] MACEDO, P. C. Avaliação do desempenho de argamassas com adição de cinza do bagaço de cana-de-açúcar f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, [9] MARTINS, C. H.; MACHADO, P. H. T. Uso da cinza do bagaço de cana-de-açúcar como agregado miúdo em argamassas. In: 7º Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura. Anais do 7º ENTECA. Maringá: UEM, 2009.

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