UTILIZAÇÃO DA CINZA DE CASCA DE ARROZ PARA A PRODUÇÃO DE CONCRETO

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1 1 UTILIZAÇÃO DA CINZA DE CASCA DE ARROZ PARA A PRODUÇÃO DE CONCRETO Joel Corrêa Silvino joel.silvino@gmail.com Gerenciamento de Obras, Tecnologia e Qualidade da Construção Instituto de Pós-Graduação - IPOG Joinville, SC, 20/07/2015 Resumo Atualmente, o consumidor vem despertando para a preservação do meio ambiente e, a construção civil tem um ótimo potencial para absorção de alguns resíduos. A cinza de casca de arroz obtida da queima da casca para a geração de energia no processo de parboilização é um exemplo disso. Este trabalho mostra-se relevante porque essa casca é um dos maiores resíduos agro-industriais, com destaque para o sul do país, permanecendo inalterada por longo tempo causando enorme dano ambiental. No entanto, após a queima controlada para obtenção de energia, obtém-se uma cinza com baixo teor de carbono que possui ótimas características pozolânicas. Então, o objetivo é mostrar se a substituição de cimento por cinza para produção de concretos é possível. O trabalho foi fundamentado em pesquisas e ensaios realizados por SANTOS, 1997 e SILVINO, 2006 onde foram produzidos concretos com diferentes teores de cinza, moldados os corpos-de-prova e rompidos a fim de se comparar a resistência à compressão. O trabalho indica que a cinza com baixo teor de carbono pode ser utilizada para produção de concretos, pois em relação à sílica ativa utilizada hoje comercialmente, os resultados foram melhore e os impactos causados por estes resíduos também seriam amenizados. Palavras-chave: Meio ambiente. Cinza. Concreto. 1. Introdução De uns tempos para cá, o mercado consumidor vem despertando para uma questão até então desprezada por muitos: a preservação do meio ambiente. Com a criação de novas regras, a disposição de resíduos gerados tanto na indústria como na agricultura está merecendo um tratamento mais consciente. O setor da construção civil vem apresentando um enorme potencial para absorção destes resíduos. Este potencial, associado com os estudos da área tecnológica em busca de novos materiais que apresentem características e desempenho semelhantes aos existentes no mercado, porém, produzidos com o mínimo consumo de energia e impacto ambiental, é uma ótima forma de reciclagem. Têm-se hoje diversos exemplos de aproveitamento de resíduos na construção civil, como as escórias de alto forno, provenientes da indústria de fundição do aço e do ferro gusa, a sílica ativa (SA), proveniente do processo de produção de ferro silício e, ocupando um lugar de destaque, as cinzas, que possuem, em sua maioria, boas características pozolânicas. Dentre elas estão as cinzas volantes (CV), geradas pela indústria termoelétrica no processo de produção de energia pela queima do carvão mineral e as cinzas de casca de arroz (CCA), obtidas com a queima da casca do arroz para a geração de energia calorífica no processo de parboilização do cereal e

2 2 em termoelétricas. O Brasil, com uma produção de milhões de toneladas do cereal ocupa uma posição considerável na produção mundial de arroz. No cenário nacional, destacam-se os estados do Rio Grande do Sul e o de Santa Catarina. Baseado nisso, a região sul do Brasil mostra-se potencialmente geradora deste resíduo e, conseqüentemente, uma destinação adequada para este material é o mínimo que se pode esperar em função dos problemas ambientais decorrentes, como por exemplo, o assoreamento de rios. Estas cinzas, que isoladamente não possuem características aglomerantes, quando finamente moídas e misturadas com água reagem com o hidróxido de cálcio proveniente da reação do cimento com a água formando silicato de cálcio hidratado (C-S-H), que tem função cimentante. São assim definidas como pozolanas (NBR 12653:1999). Durante o processo de queima da casca de arroz para produção de energia pelas beneficiadoras e pelas termoelétricas, o que menos importa é a qualidade da cinza resultante, já que o objetivo é o calor produzido. Isto significa que condições de temperatura e tempo de exposição não são rigorosamente controladas e monitoradas, resultando em cinzas com teores de carbono considerados altos, entre 18 e 23% (SANTOS, 1997). Devido a sua elevada superfície específica, altos teores de carbono costumam elevar a quantidade de água adicionada ao traço, aumentando conseqüentemente o consumo de cimento e/ou aditivos redutores de água. Além disso, mesmo adicionadas ao concreto em pequenas proporções produzem um concreto de cor escura, quase preta (CECCHINEL, 2004). Com a falta de conhecimento técnico por parte dos consumidores, este fator gera uma espécie de preconceito no mercado consumidor. Sabe-se que a qualidade do concreto em nada é influenciada pela sua cor e, ao contrário, concretos com CCA podem ter ainda uma qualidade superior ao concreto sem adição (cor clara). Todavia, isso continua sendo um entrave para que a CCA, a exemplo da SA, passe a ser regularmente utilizada como pozolana para adição em concretos. Este quadro pode ser revertido com a modernização do processo de queima da casca de arroz, tornando-o rigorosamente controlado e monitorado produzindo uma cinza com baixos teores de carbono, e de cor clara. Diante deste problema, Dafico (2001) e Weber (2001) (apud SANTOS 2006), desenvolveram metodologias de queima da casca de arroz, misturada à cinza de casca de arroz residual (gerada sem controle de temperatura do processo), a CCAR, capazes de gerar uma cinza de coloração cinza clara, ou seja, com teores de carbono reduzidos. Isso resolveria a princípio o problema do mercado com relação à cor do produto gerado com a adição da CCA ao concreto. Em paralelo a isso, desenvolver de um sistema industrial, com forno rotativo capaz de produzir, seja a partir da queima da casca ou da requeima da cinza, uma cinza de casca de arroz com baixo teor de carbono foi necessário (CCABTC) (SANTOS, 2006). A validação deste sistema se deu por meio do trabalho de Santos (2006) que indicou quais as temperaturas, tempos de queima e superfície específica que geram o material com melhores propriedades pozolânicas. 2. Objetivo Demonstrar se é possível a substituição de cimento por cinza de casca de arroz com baixo teor de carbono para a produção de concreto. 3. Justificativa Com o aumento do consumo de alimentos, transformar matérias-primas em produtos acabados vem se tornando cada vez mais necessário. Porém, tem-se como conseqüência a

3 3 geração de maiores quantidades de resíduos, comprometendo o meio ambiente (DELLA, 2001). Este trabalho mostra-se relevante porque muitos destes resíduos são depositados clandestinamente em locais impróprios, causando impactos irreversíveis ao meio ambiente. Perante este fato, as regras para disposição dos resíduos estão cada vez mais rigorosas (CECCHINEL, 2004). O presente estudo também se justifica porque muitos destes resíduos podem ser incorporados na produção de novos materiais (DELLA, 2001). O setor da construção civil tem demonstrado um grande potencial de absorção destes resíduos, o que torna uma boa opção de reciclagem. Aos poucos, o mercando consumidor tem demonstrado que não bastam apenas produtos com bom desempenho sob o ponto de vista técnico e funcional, mas também apresente uma preocupação ambiental no seu processo produtivo e com o resíduo gerado (SANTOS, 1997). A importância do trabalho está em considerar que, a casca do arroz é um dos maiores resíduos agro-industriais e ganha destaque junto aos demais resíduos devido a sua lenta biodegradação, permanecendo inalterada por um longo tempo e assim, causando um enorme dano ao meio ambiente. No entanto, após a sua queima para obtenção de energia, obtém-se uma cinza que, na maioria dos casos, possui ótimas características pozolânicas (DELLA, 2001). Economicamente o estudo também se faz necessário, pois o uso da CCA destaca-se em relação a pozolana mais utilizada hoje, que é a Sílica Ativa, por ter um custo inferior. Com isso, a cinza pode gerar uma redução significativa no preço do produto final. Esta redução no preço pode ser ainda maior se a cinza apresentar um bom desempenho frente aos aditivos redutores de água, que devido ao seu custo elevado, influenciam significativamente no preço final do concreto (CECCHINEL, 2004). O fato de que a Fundação de Amparo e Tecnologia do Meio Ambiente de SC FATMA, exigir a instalação de um sistema constituído de silo separador e decantação para reter a cinza junto as beneficiadoras, evitando, assim, que esta seja lançada no meio ambiente, faz com que eleve o custo do processo de produção do arroz aumentando também o preço final do produto (SANTOS, 1997). Do ponto de vista técnico, o trabalho justifica-se pelo fato das pozolanas terem um papel fundamental quando se fala de durabilidade. Todavia, o alto teor de carbono presente na CCA tem impedido sua disseminação de uso na construção civil, uma vez que o concreto produzido com esta adição apresenta uma cor escura, quase preta, gerando um preconceito do mercado consumidor da construção. Sabe-se ainda que aumentando o percentual de adição aumenta também o consumo de aditivos, essenciais às misturas que contém pozolana (CECCHINEL, 2004). Com o desenvolvimento de novas tecnologias para a queima da casca do arroz, passou-se a produzir uma cinza com um baixo teor de carbono (CCABTC) e de cor clara (DAFICO 2001; WEBER 2001, SANTOS 2006). Muitos estudos já foram realizados com este novo material, porém, têm-se ainda muitos aspectos a serem avaliados (DAFICO 2001, apud CECCHINEL 2004). Este trabalho objetiva a investigação de mais um deles. 4. Fundamentação Teórica Pozolanas Adições Minerais são materiais que são adicionados a aglomerantes e/ou concretos e argamassas com eles confeccionadas, em quantidades variáveis, geralmente possuindo propriedades aglomerantes. Seu emprego se dá de duas maneiras: (i) como adição em teores

4 4 variáveis em relação à massa de cimento e (ii) como substituição de parte do cimento, visando a redução de custos (SILVEIRA, 1996). Segundo a NBR 12653:1999, o termo pozolana ou material pozolânico se aplica àqueles materiais com pouca ou nenhuma propriedade cimentante, mas que, quando finamente divididos e em presença de água, são capazes de reagir com o hidróxido de cálcio liberado durante o processo de hidratação dos minerais silicatos que compõem o cimento, combinando-se com ele e fixando-o a temperaturas ordinárias. A expressão atividade pozolânica ou pozolanicidade, diz respeito à capacidade de reação do material pozolânico, ou seja, está associada à fixação do hidróxido de cálcio, na forma de compostos hidratados mais ou menos definidos, os quais contribuem para as resistências mecânicas (CINCOTTO, 1998). Atualmente, a sílica ativa está entre as pozolanas mais estudadas e vem apresentando um papel importante no desenvolvimento da tecnologia do concreto (SANTOS, 1997). Segundo Gjorv (1992) (apud Santos, 1997), a adição de sílica ativa ao concreto de alto desempenho assegura um aumento da resistência à compressão em níveis bastante elevados do que aqueles sem adição. Outra pozolana que merece destaque é a cinza volante. Ela apresenta-se menos eficaz que a sílica ativa pelo fato de seus grãos serem maiores e por existir uma diversidade de composição entre um grão e outro, o que é função do modo de obtenção da cinza (SANTOS, 1997). Sílica Ativa Também conhecida por outros nomes como, fumos de sílica condensada, sílica volatilizada ou simplesmente fumos de sílica, é um subproduto de fornos a arco e de indução das indústrias de sílicio metálico e ligas de ferro-silício (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Quando comparada com o Cimento Portland comum e a cinzas volantes típicas, a SA apresenta distribuição granulométrica das partículas duas vezes mais finas e, por este motivo, é altamente reativa. Porém, por outro lado, cria problemas de manuseio e aumenta bastante o consumo de água do concreto, mas isso pode ser corrigido com a utilização de aditivos redutores de água (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Mehta e Monteiro (1994) citam também que os subprodutos das ligas com 75% ou mais de silício, quando possuem de 85 a 90% de sílica não cristalina, são mais pozolânicos do que os com 50% de silício. A sílica pode ter um baixo teor de carbono e cor clara ou ainda podem adquirir uma cor escura. Isso vai depender do sistema de recuperação de calor, onde a maior parte do carbono é queimada ou não (NEVILLE, 1997). Sua massa específica é geralmente em torno de 2,20 g/cm³, podendo ser maior com teores de sílica menores. A superfície específica das partículas pode alcançar cerca de m²/kg, ou seja, de 13 a 20 vezes maiores do que outros materiais pozolânicos (NEVILLE, 1997). Consta em AÏTCIN (2000) que a sílica ativa está disponível atualmente na forma bruta, como produzida, em nata de sílica ativa, na forma densificada e misturada com cimento Portland. Segundo Neville (1997), existe poucas normas para a SA ou para o seu uso em concreto. Todavia, como citado anteriormente por Santos (1997), ela está entre as pozolanas mais estudadas e vem apresentando um papel importante no desenvolvimento da tecnologia do concreto. Cinza de Casca de Arroz A casca do arroz é a carapaça extraída durante a operação de beneficiamento do arroz colhido, apresentando um sério problema de acúmulo para as centrais beneficiadoras de arroz

5 5 (MEHTA e NONTEIRO, 1994). A CCA é resultado da combustão incompleta desta casca, utilizada pela indústria como fonte de energia calorífica (geração de calor), para o processo de parboilização do cereal e em termoelétricas (DELLA, 2001). A utilização da CCA como material pozolânico vem sendo intensamente investigada desde a década de 70 (Século XX), principalmente na Índia e nos EUA, mas só a partir da década de 80, com o desenvolvimento da tecnologia do concreto de alto desempenho, a preocupação em se obter um máximo de pozolanicidade do material se tornou presente. Santos (1997) comenta ainda que, no mundo das pozolanas, a CCA vem merecendo atenção especial. Segundo a opinião de autores como Metha e Monteiro (1994), Silveira (1996), Cincotto (1998), a sua reatividade é similar ou até superior a da sílica ativa. Cinza de Casca de Arros com Baixo Teor de Carbono Segundo Maeda et al (2001), a CCA com baixo teor de carbono é uma cinza obtida de um processo onde existem condições de queima com controle de temperatura, de taxa de combustão e do fluxo de ar para que boa parte do carbono existente seja queimado, originando uma cinza com teor de carbono residual inferior a 3%. Dafico (2001) descreve que o seu trabalho foi planejado de forma a realizar algumas tentativas de queima da casca de arroz em leito fixo, com o objetivo de produzir cinzas de casca de arroz com baixos teores de carbono (cinzas brancas) ou reduzir os teores de carbono de cinzas já existentes, obtendo-se cinzas com médios teores de carbono (material de cor cinza). Um outro objetivo complementar foi verificar as propriedades pozolânicas do material produzido, confirmando sua viabilidade para utilização no concreto. Segundo o autor, a queima da casca de arroz sempre se dá em duas etapas, mesmo quando o processo de queima é muito rápido e a distinção da existência entre as etapas não seja tão evidente. Na primeira etapa, há a volatização de vários compostos orgânicos, que entram rapidamente em combustão na presença de oxigênio, gerando muito calor. Numa segunda etapa, acontece a queima do carbono fixo deixado na primeira etapa. Para a queima do carbono fixo, há necessidade de difusão do oxigênio do ar para dentro das partículas e, por isso, as taxas de combustão são bem menores que as primeiras. Em um determinado momento, quando já há bem menos carbono para ser consumido, a difusão começa a se tornar cada vez mais difícil e, se não houver isolamento térmico suficiente, as perdas de calor se tornam muito altas, o material se esfria e a combustão cessa. Isso pode acontecer mesmo em fornalhas de leito fluidizado, em que as partículas mais leves, por terem menos carbono, passam a flutuar numa posição muito acima do centro do leito, com temperaturas insuficientes para manter a combustão e ainda pela pobreza em oxigênio do ar que antes passou pelo centro do leito. O autor conclui que é possível obter cinza de casca de arroz com reduzidos teores de carbono, produzindo-a com cor branca a partir da casca crua, ou com tom cinza a partir da mistura de cinzas provenientes de leito fluidizado com casca crua, pelo método inicialmente proposto de realização de pirólise seguida de combustão em leito fixo, confirmando as hipóteses formuladas. O método é simples e econômico, produzindo cinzas com baixos teores de carbono e a sílica permanecendo essencialmente vítrea. Desse modo, se convenientemente moídas, resultam em excelentes pozolanas. Weber (2001), baseada nos experimentos de Dafico (2001) construiu um forno para produzir CCABTC (segunda queima) a partir da CCAR (primeira queima feita na indústria de arroz), que possui três elementos distintos: depósito de cinzas, câmara de

6 6 combustão e chaminé. O depósito de cinzas foi feito utilizando-se blocos de alvenaria em concreto, possuindo internamente uma gaveta de aço para o armazenamento da cinza e sua vedação feita com borracha. A câmara de combustão foi feita em alvenaria de tijolos refratários, possuindo capacidade para um metro cúbico de material. Ao longo da câmara de combustão foram instalados 16 tubos de aço com furos de 2mm a cada 20mm, para permitir a entrada de ar comprimido. A chaminé foi feita de alvenaria estrutural de blocos de concreto. Para realizar a segunda queima da cinza de casca de arroz residual, foi necessário fazer uma mistura de casca de arroz com a cinza residual produzida na indústria, para que houvesse a combustão. Os experimentos de queima foram feitos variando o teor da mistura e controlando a entrada de ar e a temperatura máxima que ficou prevista em 700 o C. O trabalho apresenta resultados comparando a cinza in natura e a cinza modificada. A cinza in natura, que foi obtida sem controle de temperatura e tempo de exposição, apresentava uma coloração preta devido ao seu elevado teor de carbono. Esta cinza obtida possui características como um teor médio de perda ao fogo de 18%, o teor médio de sílica foi de 79,23%, abaixo dos valores mostrados na bibliografia, mas observou-se um valor médio, após a moagem, bastante elevado para a superfície específica Blaine, de 1970,00 m²/kg. Na cinza modificada, que apresentou coloração cinza claro, o teor médio de perda ao fogo foi de 2,5%. O valor médio de sílica foi de 95% e após a moagem, a cinza apresentou superfície específica Blaine bastante elevada, com valor médio de 1618,17 m²/kg. Para a produção de CCA com baixo teor de carbono, o sistema desenvolvido por Santos (2006) junto à Rischbieter Engenharia Indústria e Comércio Ltda é formado por um forno rotativo, contínuo, construído em aço 316 onde há controle de temperatura, tempo de retenção do material no forno e fluxo de ar. A energia utilizada no processo provém do reaproveitamento da energia utilizada na secagem de areia realizada pela empresa para a produção de argamassa industrializada. As condições de moagem são igualmente controladas. A moagem do material é feita em moinho giratório de aço, com carga também de aço, disponível na empresa, sendo a superfície específica determinada pelo tempo de moagem (SANTOS, 2006). Aditivos A NBR 11768:1992 define os aditivos como produtos que adicionados em pequena quantidade (menos que 5% da quantidade da massa de cimento) a concretos de cimento Portland, modificam algumas de suas propriedades, no sentido de melhor adequá-las a determinadas quantidades. Segundo SPONHOLZ (1998), a ASTM C 125 (ACI 212.3R, 1989) considera o aditivo como um material, além da água, agregados, cimentos hidráulicos e fibras, empregado como um constituinte do concreto ou argamassa e adicionado na betoneira imediatamente antes ou durante a mistura. 5. Metodologia

7 7 Perspectiva da Pesquisa A abordagem utilizada tratou-se de um estudo predominantemente de natureza quantitativa. O delineamento da pesquisa foi descritivo, exploratório, comparativo e de experimentação. O método da pesquisa foi experimental. Materiais Utilizados Cimento Foram utilizados na produção das argamassas e pastas para realização dos ensaios, três tipos de cimento de um único fornecedor. Os cimentos utilizados foram o CP II-F-32, cimento Portland composto com filler de classe 32; CP IV-32, cimento Portland pozolânico também de classe 32 e CP V-ARI, cimento Portland de alta resistência inicial. A escolha desses cimentos se deu pelo fato do primeiro não possuir adição ativa em sua composição, potencializando o efeito da adição pozolânica; já os demais são comumente utilizados em centrais dosadoras de concreto em Santa Catarina, possibilitando a avaliação de seu comportamento frente a adição pozolânica no caso da produção em escala comercial, da CCABTC. Agragado Miúdo O agregado miúdo utilizado na produção das argamassas foi a areia normal. Segundo a NBR 7214:1982, esta areia é um material natural quartzoso, extraído do Rio Tietê, na região do município de São Paulo, em direção à nascente, produzido e fornecido pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo. A areia foi recebida em quatro frações granulométricas, denominadas grossa, média grossa, média fina e fina também pela NBR 7214:1982 e, misturada posteriormente em partes iguais. Pozolanas As pozolanas utilizadas para a produção das pastas e argamassas foram a CCA, proveniente de uma única fonte da cidade de Rio do Sul SC, a CCABTC, fornecida pela Rischbieter Engenharia Indústria e Comércio Ltda, da cidade de Gaspar SC e a SA, utilizada comercialmente. Água A água utilizada na preparação das pastas e argamassas foi a disponibilizada na rede de distribuição de água da cidade de Itajaí SC. Aditivo Foi empregados nas misturas produzidas um aditivo redutor de água do tipo F (superplastificantes) (NBR 11768:1992) de base. Preparação das argamassas Para a determinação dos teores ideais de substituição de cimento Portland por CCABTC para a produção de concretos de elevada resistência mecânica e de resistência ordinária, foram produzidas argamassas com os três diferentes tipos de cimento, variando a adição de CCABTC de 0 a 30% (de 5 em 5%) em volume absoluto de cimento. Eram moldados três

8 8 corpos-de-prova de dimensões (5 x 10) cm para avaliação da resistência à compressão axial, aos 28 dias. Os mesmos eram moldados em quatro camadas de 25 golpes cada e a face superior rasada com lâmina de vidro molhada a fim de obter-se uma superfície lisa e plana. Os corpos-de-prova eram desmoldados no dia seguinte à moldagem e permaneceram submersos em solução saturada de hidróxido de cálcio até o dia do ensaio de resistência à compressão axial. Passados os 28 dias da moldagem dos corpos-de-prova, os mesmos foram retirados da cura, capeados com enxofre e ensaiados em prensa hidráulica. A determinação, para cada tipo de cimento, do teor considerado ideal para produção de CAD e do teor considerado ideal para concretos ordinários foi realizada comparando-se a média de resistência à compressão axial de cada teor, desconsiderando o menor valor, com a média de resistência à compressão axial da argamassa de referência. Tabela 1: Materiais para produção de argamassa CP II-F-32 % Substituição Cimento (g) 312,00 296,40 280,80 265,20 249,60 234,00 218,40 CCABTC (g) 0,00 11,65 23,30 34,94 46,59 58,24 69,89 Areia Normal (g) 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 Água (g) 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 Tabela 2: Materiais para produção de argamassa CP IV-32 % Substituição Cimento (g) 312,00 296,40 280,80 265,20 249,60 234,00 218,40 CCABTC (g) 0,00 12,39 24,78 37,17 49,57 61,96 74,35 Areia Normal (g) 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 Água (g) 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 Tabela 3: Materiais para produção de argamassa CP V-ARI % Substituição Cimento (g) 312,00 296,40 280,80 265,20 249,60 234,00 218,40 CCABTC (g) 0,00 11,20 22,40 33,60 44,80 56,00 67,20 Areia Normal (g) 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00 936,00

9 9 Água (g) 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 Avaliação dos diferentes terores de substituição Conforme preconiza a NBR 7215:1997, imediatamente após a preparação de cada mistura, as argamassas eram submetidas ao ensaio de determinação do índice de consistência. A mesa de consistência era ligeiramente lubrificada e colocada sobre ela, a forma tronco-cônica, bem centrada, com sua base maior apoiada na mesa. A argamassa era acomodada na forma em três camadas da mesma altura e, com auxílio do soquete, eram conferidos 15, 10 e 5 golpes moderados e distribuídos uniformemente, respectivamente, nas 1 a, 2 a e 3 a camadas. Após esta operação, o excesso de material que ultrapassava o bordo superior do molde era removido e o topo alisado com régua. Terminado o enchimento, a fôrma era retirada com cuidado, verticalmente, e em seguida, a manivela do aparelho era movida para que a mesa caísse 30 vezes em aproximadamente 30 segundos, provocando o abatimento do tronco de cone de argamassa. Com auxílio de um paquímetro era feita a medida do diâmetro da base do tronco de cone de argamassa, em dois pontos, após a deformação. A média aritmética desses dois diâmetros ortogonais representa o índice de consistência da argamassa, expressa em milímetros. Preparação das pastas As pastas foram produzidas com os teores de substituição de cimento Portland por CCABTC identificados como ideais para a produção de CAD para cada tipo de cimento e comparadas com pastas produzidas com CCA, utilizando o mesmo teor e com pastas produzidas com SA, utilizando um teor de substituição de 8 %. Foram utilizados dois aditivos de diferentes fabricantes e utilizou-se o teor mínimo e máximo indicado para cada um deles. Ambos os aditivos são de base policarboxilato. A relação água/cimento foi fixada em 0,30, como recomendado por Santos (2006). As pastas foram produzidas conforme recomendado por Sponholz (1998). Inicialmente foi colocado o cimento e a CCABTC (previamente misturados) junto com toda a água na cuba. A mistura desses materiais foi feita com o misturador na velocidade 1, durante 30 segundos. Após esse tempo, a velocidade do misturador foi mudada para o estágio 2 durante mais 30 segundos. Terminado esse processo, o misturador permaneceu desligado por 60 segundos, sendo a argamassa aderida nas paredes da cuba e na pá, retiradas com o auxílio de uma espátula. Após esse intervalo, o misturador foi ligado na velocidade 2, durante 2 minutos, sendo que aos 60 segundos o misturador foi momentaneamente parado apenas para o aditivo ser adicionado. Tabela 4: Materiais para a produção de pasta CP II-F-32 Mistura Teor de Aditivo Cimento (g) Pozolana (g) ADITIVO 1 ADITIVO 2 Água (g) Aditivo (g) Água (g) Aditivo (g) Referência Mínimo 707,60 0,00 209,58 3,85 210,80 2,28 Referência Máximo 707,60 0,00 206,89 7,70 208,32 6,09 CCA Mínimo 601,46 75,71 209,58 3,85 210,80 2,28

10 10 CCA Máximo 601,46 75,71 206,89 7,70 208,32 6,09 CCABTC Mínimo 601,46 79,96 209,58 3,85 210,80 2,28 CCABTC Máximo 601,46 79,96 206,89 7,70 208,32 6,09 SA Mínimo 650,99 41,88 209,58 3,85 210,80 2,28 SA Máximo 650,99 41,88 206,89 7,70 208,32 6,09 Tabela 5: Materiais para a produção de pasta CP IV-32 Mistura Teor de Aditivo Cimento (g) Pozolana (g) ADITIVO 1 ADITIVO 2 Água (g) Aditivo (g) Água (g) Aditivo (g) Referência Mínimo 707,60 0,00 209,58 3,85 210,80 2,28 Referência Máximo 707,60 0,00 206,89 7,70 208,32 6,09 CCA Mínimo 566,08 107,39 209,58 3,85 210,80 2,28 CCA Máximo 566,08 107,39 206,89 7,70 208,32 6,09 CCABTC Mínimo 566,08 113,42 209,58 3,85 210,80 2,28 CCABTC Máximo 566,08 113,42 206,89 7,70 208,32 6,09 SA Mínimo 650,99 44,56 209,58 3,85 210,80 2,28 SA Máximo 650,99 44,56 206,89 7,70 208,32 6,09 Tabela 6: Materiais para a produção de pasta CP V-ARI Mistura Teor de Aditivo Cimento (g) Pozolana (g) ADITIVO 1 ADITIVO 2 Água (g) Aditivo (g) Água (g) Aditivo (g) Referência Mínimo 707,60 0,00 209,58 3,85 210,80 2,28 Referência Máximo 707,60 0,00 206,89 7,70 208,32 6,09 CCA Mínimo 566,08 72,80 209,58 3,85 210,80 2,28 CCA Máximo 566,08 72,80 206,89 7,70 208,32 6,09 CCABTC Mínimo 566,08 76,88 209,58 3,85 210,80 2,28 CCABTC Máximo 566,08 76,88 206,89 7,70 208,32 6,09 SA Mínimo 650,99 40,28 209,58 3,85 210,80 2,28

11 11 SA Máximo 650,99 40,28 206,89 7,70 208,32 6,09 Avaliação do comportamento entre as pastas O ensaio de Cone de Kantro, utilizado para avaliar a diferença de comportamento entre elas, consiste em preencher o cone com a pasta produzida, levantar o cone verticalmente, aguardar que o espalhamento estabilize e ler, no papel milimetrado, o raio de espalhamento nas quatro direções. Este procedimento era feito imediatamente após a mistura da pasta (tempo 0 minutos), e repetido após 5, 15, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos, em duas leituras simultâneas, ou seja, duas leituras para cada intervalo de tempo. Estes tempos foram os mesmos fixados por Santos (2006). Para cada uma das leituras, leitura 1 e leitura 2, haviam dois pares de raios (R1/R3 e R2/R4) que geravam dois diâmetros (D1 e D2) e, conseqüentemente, duas áreas de espalhamento (A1 e A2). Entre a média das áreas da leitura 1 e das áreas da leitura 2 era calculada a média de espalhamento final. Durante os intervalos de leitura, as misturas permaneciam dentro de sacos plásticos fechados. A avaliação do comportamento entre os diferentes aditivos foi realizada comparando os resultados dos ensaios de Cone de Kantro realizados nas pastas. 6. Apresentação dos dados e discussão dos resultados Determinação dos teores ideiais de substituição Os resultados de resistência à compressão axial das argamassas produzidas com o cimento CP II-F-32 encontram-se na Tabela 7. Tabela 7: Resistência à compressão axial (MPa) CP II-F-32 Teor de Substituição (%) CP 01 27,23* 28,82 27,92 33,18* 26,26* 28,04 28,49* CP 02 27,61 29,64 27,02* 34,90 30,11 27,04* 31,46 CP 03 27,66 27,40* 27,20 35,70 28,71 29,13 29,97 Média 27,64 29,23 27,56 35,30 29,41 28,59 30,72 *Valores desconsiderados para cálculo da média Diante disso, para o cimento CP II-F-32, foi considerado como o teor ideal de substituição de cimento Portland por CCABTC para a produção de CAD 15%. Para este teor, obteve-se uma média de resistência à compressão axial de 35,30 MPa. Já para a produção de concretos com resistência ordinária, o teor de 10%, com uma média de 27,56 MPa, mais se aproximou ao valor de referência, que foi de 27,64 MPa.

12 12 Os resultados de resistência à compressão axial das argamassas produzidas com o cimento CP IV-32 encontram-se na Tabela 8. Tabela 8: Resistência à compressão axial (MPa) CP IV-32 Teor de Substituição (%) CP 01 30,45 32,21 29,97* 29,87 32,07 29,94 28,44 CP 02 31,52 30,49* 30,64 30,56 31,15* 30,24 27,46* CP 03 29,89* 31,02 30,34 29,54* 33,25 29,61* 28,19 Média 30,99 31,62 30,49 30,22 32,66 30,09 28,32 *Valores desconsiderados para cálculo da média Neste caso, o teor de substituição de cimento Portland por CCABTC que apresentou maior resistência à compressão axial foi o de 20%, com uma média de 32,66 MPa. Este teor, por apresentar este resultado, foi o indicado para a produção de CAD. Os resultados de resistência à compressão axial das argamassas produzidas com o cimento CP V-ARI encontram-se na Tabela 9. Tabela 9: Resistência à compressão axial (MPa) CP V-ARI Teor de Substituição (%) CP 01 43,25 37,28 37,75* 39,57 37,62 34,46 38,18 CP 02 42,31 37,13 37,98 33,61* 31,18* 34,23* 33,37* CP 03 37,97* 37,11* 38,26 38,95 33,63 35,64 35,19 Média 42,78 37,21 38,12 39,26 35,63 35,05 36,69 *Valores desconsiderados para cálculo da média Com o cimento CP V-ARI não se obteve um teor ideal de substituição para a produção de CAD, pois para todos os teores, a resistência à compressão axial se manteve inferior à da argamassa de referência, que alcançou uma média de 42,78 MPa para a idade de ensaio avaliada (28 dias). Isso pode ter ocorrido devido à elevada superfície específica do cimento CP V-ARI. Por ser um material muito fino, em misturas sem pozolana, é capaz de desenvolver altos níveis de resistência mesmo em baixas idades. A adição da pozolana, neste caso, não foi capaz de superar a resistência obtida na mistura de referência, possivelmente por

13 13 sua superfície especifica não ser da mesma ordem de grandeza do cimento. Além disso, a reação pozolânica é mais lenta que a reação dos produtos de hidratação do cimento. Talvez, em idades mais avançadas (63 ou 91 dias) alguma das misturas com CCABTC fosse capaz de superar a mistura de referência. Dentre todos os teores de substituição, o de 15 % obteve a maior resistência à compressão axial, a exemplo do cimento CP II-F-32, com uma média de 39,26 MPa aos 28 dias de idade. Assim sendo, este foi o teor selecionado para a continuidade do trabalho e para a produção de CAD. Todavia, em análise estatística realizada (Anexo 4), também com 95% de confiança, observou-se que as médias de resistência à compressão axial em teores maiores de substituição (20, 25, 30, 35 e 40 %), não apresentaram diferença significativa em relação ao teor de 15 %. Sendo assim, a exemplo do teor de 15 %, esses teores também poderiam ser selecionados para a continuidade do trabalho. A Tabela 10 resume os resultados obtidos com relação à substituição de cimento por CCABTC. Tabela 10: Teores ideais de substituição de cimento por CCABTC Teor de Substituição (%) Cimentos Resistência Ordinária CAD* CP II-F CP IV CP V-ARI * Teores utilizados na continuidade do trabalho Avaliação do comportamento entre as pastas Os resultados do ensaio de Cone de Kantro, realizado nas pastas produzidas com cimento CP II-F-32, encontram-se na Tabela 11. Tabela 11: Área de espalhamento (cm 2 ) CP II-F-32 Tempo (minutos) Mistura Teor Referência Mínimo 371,54 459,96 448,63 449,57 430,05 414,57 407,39 380,13 Referência Máximo 431,89 464,72 483,05 470,47 449,57 434,66 420,00 386,20 CCA Mínimo 300,95 311,03 286,52 273,18 274,65 250,95 219,04 194,21 CCA Máximo 409,18 437,44 398,49 407,39 393,20 393,20 372,40 355,49 CCABTC Mínimo 434,66 430,97 433,74 415,48 396,72 384,46 368,98 344,71 CCABTC Máximo 481,11 492,84 481,11 474,33 465,68 445,82 425,47 416,38 SA Mínimo 254,47 244,67 237,10 225,65 206,12 186,27 157,25 139,98 SA Máximo 272,45 261,59 260,87 250,95 236,42 224,32 199,81 195,45

14 14 Analisando os dados, nota-se que a pasta de referência teve comportamento semelhante para o teor mínimo e para o teor máximo do aditivo, apresentando maiores áreas de espalhamento para este último, como já era esperado. Ambas iniciaram com uma área de espalhamento menor no tempo 0 minutos sofrendo um acréscimo após 5 minutos. Isso pode ter ocorrido devido ao tempo de mistura não ter sido suficiente para ação otimizada do aditivo. Como em todos os tempos, antes da medição, a mistura era homogeneizada manualmente, a ação do aditivo pode ter sido completada posteriormente. Para o teor máximo, a área de espalhamento aumentou um pouco mais após 15 minutos, já para o teor mínimo manteve-se praticamente constante. Depois dos 15 minutos, as duas curvas sofreram um decréscimo gradativo com o passar do tempo. As pastas produzidas com CCA, também tiveram comportamento similar. Porém, numericamente, conforme mostra a Tabela 11, observa-se que a diferença entre a área de espalhamento inicial (tempo 0 minutos) e final (tempo 120 minutos), é superior para o teor mínimo de aditivo, chegando a 54,96 %, enquanto que para o teor máximo é de apenas 15,10 %. Já as pastas com CCABTC apresentaram um comportamento bastante linear, tendo um decréscimo mais acentuado no teor mínimo. Numericamente, os valores aproximaram-se bastante dos da pasta de referência a partir dos 5 minutos. Com a SA, as pastas tiveram as menores áreas de espalhamento. O comportamento foi linear, apresentando um decréscimo maior para o teor mínimo de aditivo ao longo do tempo. Analisando as curvas das pastas com CCA e CCABTC, observa-se que tanto para o teor mínimo como para o teor máximo, as áreas de espalhamento das pastas com CCA são inferiores as das com CCABTC, como pode ser comprovado numericamente na Tabela 11. Essa diferença aumenta ainda mais para o teor mínimo de aditivo. Comparando com a SA, tanto as pastas com CCA como as com CCABTC apresentaram áreas de espalhamento superiores. Essa superioridade é mais representativa para as pastas com CCABTC e teor máximo de aditivo, onde a diferença entre elas inicia com 60 % no tempo 0 minutos, aumenta gradativamente ao longo do tempo e termina com 113 % no tempo 120 minutos. Esse comportamento pode ser atribuído à elevada superfície especifica da SA, que para atingir certo nível de trabalhabilidade demanda maiores consumos de aditivo. Os resultados do ensaio de Cone de Kantro, realizado nas pastas produzidas com cimento CP IV-32, encontram-se na Tabela 12. Tabela 12: Área de espalhamento (cm 2 ) CP IV-32 Tempo (minutos) Mistura Teor Referência Mínimo 268,08 315,73 334,10 310,25 322,86 307,14 288,22 265,91 Referência Máximo 449,87 463,80 468,70 434,67 449,74 437,77 413,68 436,53 CCA Mínimo 223,01 271,73 279,81 274,65 265,29 244,02 221,69 178,50 CCA Máximo 389,71 387,64 409,18 410,08 400,27 387,08 369,20 375,91 CCABTC Mínimo 258,19 302,60 304,90 315,73 306,45 305,58 247,45 271,73 CCABTC Máximo 377,60 409,19 399,38 401,28 399,54 377,56 368,98 355,50

15 15 SA Mínimo 261,64 242,60 227,73 207,40 197,31 169,75 134,29 102,10 SA Máximo 353,83 349,79 333,29 334,11 326,86 322,86 288,03 272,45 O que se observa é que, com exceção das misturas produzidas com SA, todas as outras apresentaram comportamento semelhante. Tanto nas misturas com o teor mínimo de aditivo, como nas com teor máximo, as áreas de espalhamento iniciais (tempo 0 minutos) e finais (tempo de 120 minutos) apresentaram valores muito próximos. Nos intervalos intermediários houve um acréscimo dos valores até o tempo de 15 minutos e um posterior decréscimo, o que pode novamente ser atribuído a homogeneização do aditivo. Já as misturas com SA apresentaram um comportamento mais linear, reduzindo a área de espalhamento ao passar do tempo. A diferença entre o tempo inicial e final é mais visível na mistura com teor mínimo de aditivo, chegando a 156 %. Comparando as misturas produzidas com CCA e CCABTC, se observa que as duas apresentaram comportamentos bastante similares. Para o teor mínimo de aditivo, a CCABT se apresentou melhor que a CCA, obtendo áreas de espalhamento maiores. Já para o teor máximo, a CCA levou pequena vantagem sobre a CCABTC na maioria dos intervalos de leitura, comprovado numericamente na Tabela 12. Os resultados do ensaio de Cone de Kantro, realizado nas pastas produzidas com cimento CP V-ARI, encontram-se na Tabela 13. Tabela 13: Área de espalhamento (cm 2 ) CP V-ARI Tempo (minutos) Mistura Teor Referência Mínimo 315,74 289,54 285,07 263,03 239,84 232,35 183,26 165,14 Referência Máximo 444,25 502,73 501,74 502,77 495,82 479,17 439,31 419,11 CCA Mínimo 291,81 285,02 288,05 286,52 243,36 231,03 193,60 166,85 CCA Máximo 270,27 418,23 472,61 481,12 502,77 437,59 407,39 412,03 CCABTC Mínimo 285,04 288,80 279,09 282,82 260,88 253,09 216,44 187,48 CCABTC Máximo 387,95 463,78 479,17 443,02 423,65 415,48 398,49 360,63 SA Mínimo 209,99 183,28 194,23 172,63 150,13 140,50 103,42 72,77 SA Máximo 378,41 366,44 377,55 348,88 341,44 322,08 284,28 265,94 Todas as misturas com teor mínimo de aditivo apresentaram um decréscimo linear ao passar do tempo. Inclusive, as misturas de referência, se comparadas com as misturas com CCA e CCABTC apresentaram valores numéricos semelhantes. Já as pastas com teor máximo de aditivo sem adição de pozolana (referência), com CCA e CCABTC, iniciaram com áreas de espalhamento menores, tiveram um posterior acréscimo e depois voltaram a diminuir os valores obtidos. Esse comportamento também pode ter ocorrido devido ao tempo de mistura, insuficiente para que o aditivo agisse completamente. Já as pastas com SA, se comportaram

16 16 de forma semelhante em ambos os teores de aditivo, apresentando apenas valores de área de espalhamento superiores para o teor máximo como já era esperado. 6. Conclusão e recomendação Na determinação do teor ideal de substituição de cimento por CCABTC para a produção de CAD, os cimentos apresentaram comportamentos diferentes. No cimento CP II-F-32 (cimento sem pozolana) a atuação da CCABTC como pozolana foi mais expressiva, pois a diferença de resistência à compressão axial entre a mistura de referência e a mistura com teor de 15 %, indicada para a produção de CAD, foi de 27,7 %. Para os cimentos CP IV-32 e CP V-ARI a ação pozolânica foi menos evidente. Isso porque o cimento CP IV-32 já apresenta na sua formulação um alto teor de pozolana (Cinza Volante) e, o cimento CP V-ARI possui uma elvada superfície específica. No caso dos teores para a produção de concretos com resistências ordinárias, concluiu-se que, os cimentos CP II-F-32 e CP IV-32 admitem maiores teores de substituição, respectivamente 45 e 40 %. Assim, as misturas produzidas com estes cimentos poderão ser (i) mais econômicas pela redução do consumo de cimento; (ii) mais duráveis, pela ação pozolânica do CCABTC; e (iii) mais ecológicas pela maior quantidade de resíduo incorporado. Conforme esperado, no ensaio para a determinação do índice de consistência das argamassas, à medida que se aumentou o teor de substituição de cimento por CCABTC, as mesmas se tornaram menos trabalháveis. Isso certamente ocorreu devido à maior exigência de água na mistura provocada pela presença, cada vez maior, da CCABTC. Entre os cimentos, observou-se que o CP IV-32 foi o que apresentou os menores valores. Isso porque, a pozolana já existente neste cimento (Cinza Volante), somada com a CCABTC, exige ainda mais água na mistura que os outros cimentos. Falando-se em comportamento, em muitos dos casos as pozolanas se apresentaram similarares quando utilizado o mesmo tipo de cimento, fabricante de aditivo e teor de aditivo. No caso das áreas de espalhamento, a mistura de referência apresentou, na maioria dos casos, os maiores valores. Na segunda posição, vêm as pastas com CCABTC, seguidas das pastas com CCA e, como última colocada, apresentando em todos os casos, as piores áreas de espalhamento, as pastas com SA. Conclui-se então que, a CCABTC é uma ótima alternativa de utilização, pois a SA, pozolana mais usada hoje, além de mais cara, demandaria maior consumo de água, prejudicando seu desempenho final, ou exigiria maior consumo de aditivo, encarecendo ainda mais o produto final obtido. Com mais este trabalho, fica evidenciado que existe a possibilidade da CCABTC passar a ser utilizada comercialmente como pozolana para a produção de concretos de alto desempenho. Isso porque a mesma apresentou resultados superiores ao da CCA, provando que a retirada dos altos teores de carbono diminuem o consumo de água e/ou aditivo. Além disso, o concreto passaria a apresentar uma coloração mais clara que, conforme comentado anteriormente, causa certo conforto ao mercado consumidor. Com relação à SA, pozolana que já é utilizada hoje comercialmente, os resultados foram sempre melhores, independente do aditivo utilizado. Economicamente, isso representa uma grande vantagem, pois isso reduziria o consumo de aditivos redutores de água, que são relativamente caros e conseqüentemente aumentam o preço final do concreto. Com a utilização comercial da CCABTC, os impactos causados pela disposição destes resíduos em locais impróprios também seriam amenizados e, conseqüentemente, também os danos ao

17 17 meio ambiente, demonstrando uma maior preocupação da população. Como recomendação para trabalhos futuros fica uma análise financeira para a inserção da CCABTC como pozolana no mercado, já que, tecnicamente, a mesma mostrou-se viável. Outro aspecto importante a ser estudado seria a produção de concretos com os teores indicados neste trabalho, pois, todas as avaliações foram feitas em pastas e argamassas. A avaliação da durabilidade de concretos produzidos com altos teores de CCABTC também se faz necessário. 7. Referências bibliográficas SILVINO, J. C. Avaliação do comportamento da cinza de casca de arros com baixo teor de carbono frente a diferentes tipos de cimentos e aditivos redutores de água. Itajaí: UNIVALI, Trabalho de Conclusão de Curso. 2006, 78 p. SANTOS, S. Estudo da viabilidade de utilização de cinza de casca de arroz residual em argamassas e concretos. Florianópolis: UFSC, Dissertação de Mestrado. 1997, 111 p. CECCHINEL, A. C. Avaliação do desempenho de argamassas produzidas com cinza de casca de arroz com baixo teor de carbono visando à produção de concreto de alto desempenho. Itajaí: UNIVALI, Curso de Engenharia Civil, Trabalho Integrado de Conclusão de Curso. 2004, 54p. DAFICO, D. A. Estudo da dosagem de concreto de alto desempenho utilizando pozolanas provenientes da cinza da casca de arroz. Florianópolis: UFSC, Tese de Doutorado. 2001, 191p. DELLA, V. P. Processamento e caracterização de sílica ativa obtida a partir de cinza de casca de arroz. Florianópolis: UFSC, Dissertação de Mestrado. 2001, 69 p. MAEDA, N., WADA, I., KAWAKAMI, M., UEDA, T. Development of a new furnace for the production of rice husk ash. In: MALHOTRA, V.M. (ed) 7th International Conference on fly ash, silica fume, slag and natural pozzolans. Proceedings. American Concrete Institute. Detroit, 2001, V. 2, p