Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de canade-açúcar

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1 Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de canade-açúcar para uso na construção Study of physical and chemical characteristics of sugar cane bagasse ash for use in the construction Igo Henrique Silva Nunes 1 ; Romel Dias Vanderlei 2 ; Maicon Secchi 3 ; Marcelo Akira Pietrobom Abe 4 1 Mestrando - Universidade Estadual de Maringá-UEM, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana PEU. igonunes@hotmail.com 2 Prof. Dr. - Universidade Estadual de Maringá-UEM, Departamento de Engenharia Civil DEC. rdvanderlei@uem.br 3 Aluno de Iniciação Científica - Universidade Estadual de Maringá-UEM. maiconsecchi@hotmail.com 4 Aluno de Iniciação Científica - Universidade Estadual de Maringá-UEM. marceloakira15@hotmail.com RESUMO O bagaço da cana-de-açúcar é um dos subprodutos da indústria da cana, assim como a sacarose e a palha. Atualmente o bagaço gerado da usina é consumido para produção de energia por meio da co-geração, tornando a usina auto-sustentável energeticamente e, em alguns casos, há venda do excedente de energia para distribuidoras. Durante o processo de queima do bagaço de cana-de-açúcar nas fornalhas das caldeiras, ocorre a geração de cinzas residuais. Pesquisas indicam que as cinzas do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) possuem predominantemente em sua composição sílica que, quando moída em granulometria muito fina, apresenta características químicas e físicas que podem proporcionar ao material, atividade pozolânica e efeito filler. Por apresentar as características já confirmadas, a CBC pode ser utilizada como matéria-prima na substituição parcial do cimento Portland para produção de argamassas e concretos. Este trabalho tem como objetivo apresentar as características físicas e químicas das cinzas do bagaço da cana-de-açúcar de quatro usinas localizadas na região de Maringá, visando sua aplicação na produção de concreto. Foram realizados ensaios para determinar: teor de umidade, matéria orgânica, granulometria, massa específica, área específica, composição química, atividade pozolânica e propriedades mecânicas do concreto feitos da cinza. Esta pesquisa vem a contribuir para a aplicação da CBC como material alternativo para aplicação na construção civil como exemplo para o estudo de concretos feitos com a cinza do bagaço da cana-de-açúcar em substituição parcial ao cimento Portland. Palavras-Chave: Cinza do bagaço da cana-de-açúcar. Pozolana. Atividade pozolânica. ABSTRACT The bagasse from sugar cane is one of the byproducts of sugar cane industry, as well as sucrose and straw. Currently the bagasse generated in the plant is consumed for energy production through co-generation, making the plant self-sustainable energy and in some cases, sale of spare energy to electricity. During the process of burning the bagasse of sugar cane in the furnaces of boilers, occurs the generation of residual ash. Polls indicate that the ashes of bagasse from sugar cane (CBC) have predominantly silica in its composition which, when ground into very fine particle size, has physical and chemical characteristics that can provide the material effect of filler and pozzolanic activity. By presenting the characteristics already confirmed, the CBC can be used as raw material in the partial replacement of Portland cement to produce mortars and concrete. This paper aims to present the physical and chemical characteristics of ash from bagasse from sugar cane in four plants located in the region of Maringá, to its application in the production of concrete. For this, first was a literature review for information on the experiences in Brazil, involving testing and benchmarking of ash. Then, the following tests were performed for characterization: moisture content, organic matter and organic carbon, particle size, density, specific surface, chemical composition, pozzolanic activity, rheology of cement and gray and mechanical properties of concrete made with gray. This research is to contribute to the implementation of the CBC as alternative material for application in construction as an example the study of concrete made with the ashes of bagasse of sugar cane to replace the part Portland cement. Keywords: Bagasse ash in the sugar cane. Pozzolan. Pozzolanic activity. Agro-industrial residue.

2 40 Nunes; Vanderlei; Secchi e Abe INTRODUÇÃO O concreto de cimento Portland é o principal material de engenharia utilizado pelo homem. Desde a antiguidade, misturas contendo água, agregados e compostos aglomerantes têm sido empregados na construção de estruturas, que resistem, mesmo após milhares de anos, a ações intempéricas diversas. A elevada resistência mecânica, aliada aos fatores como custo relativamente baixo, versatilidade de formas e rapidez na construção, garantem o uso do concreto em aplicações diversificadas, como edificações, pontes, viadutos, túneis, barragens e pavimentos. Estimativas atuais prevêem uma produção de cerca de 1,7 bilhões de toneladas de cimento Portland anualmente no mundo, quantidade suficiente para a produção de mais de 6 km³ de concreto por ano ou pelo menos 1 m³ de concreto por habitante (GARTNER, 2004 apud CORDEIRO, 2006). Assim sendo, teve-se também o crescimento da produção de cimento visando suprir o aumento da demanda de concreto, que resultou em alguns efeitos danosos, como o prejuízo ao meio ambiente, pelo aumento da extração de matéria-prima e da emissão de CO2 para produção do cimento. Essa emissão representa 7% da quantidade de dióxido de carbono presente na atmosfera, contribuindo assim com uma significativa parcela para o efeito estufa existente no planeta (MEHTA, 1999 apud CAMELO et al, 2005). Na indústria do concreto, 90% da emissão de carbono ocorre nos fornos que queimam o clínquer. É assim que Povindar Kumar Mehta, professor da Universidade de Berkeley (EUA), tenta convencer o setor da construção a repensar a fórmula e o próprio uso do concreto. Sua proposta inclui a atuação em três frentes, mas que têm uma palavra em comum: redução. Mehta defende que se consuma menos concreto nas novas estruturas, menos cimento nas misturas para concreto e pouco clínquer para produzir o cimento. Segundo Mehta, cerca de 50% a 70% da massa de clínquer presente no cimento Portland pode ser substituída por diversos materiais complementares. Entre os exemplos estão as cinzas volantes, pozolanas naturais e cinzas de casca de arroz. O especialista propõe que pelo menos dois desses materiais sejam utilizados de forma complementar ao clínquer, substituindo 40% em massa (FRANK, 2008). Esta alternativa aparece nos dias atuais como questão fundamental na preservação do meio ambiente, tanto em função da redução do consumo de recursos naturais, quanto na minimização dos impactos ambientais oriundos da disposição final dos resíduos. Segundo Cordeiro et al. (2005) atualmente, o Brasil é responsável pela produção de cerca de 60% do álcool etílico consumido no planeta e é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e açúcar. A cultura da cana-de-açúcar representa uma das principais atividades agrícolas e ocupa uma área plantada com aproximadamente 7 milhões de hectares para diversas finalidades, como indústria sucroalcooleira, produção de aguardente, forragem, etc. e está distribuída por grande parte do território nacional segundo levantamento da safra 2008 pela CONAB (Companhia Nacional de Abastecimento). A agroindústria sucroalcooleira é uma das mais antigas atividades econômicas do Brasil e está relacionada aos principais eventos históricos do país. Seus principais subprodutos são águas de lavagem, bagaço, folhas e pontas, vinhaça, torta de filtro e leveduras. Destes subprodutos, merece destaque a queima do bagaço para geração de energia elétrica. O emprego deste resíduo é atrativo devido, principalmente, a seu poder calorífico médio de 7,74 MJ/kg (1850 kcal/kg) com umidade de 50% e aos grandes montantes de cana-de-açúcar processados dentro do setor sucroalcooleira, tornando a quantidade gerada de bagaço significativa (COELHO, 1999 apud SOUZA, 2007). Normalmente, este subproduto é empregado como combustível em processos de co-geração de energia. Após a queima, sobram cinzas residuais cuja composição química revela a presença predominante de dióxido de silício (SiO2). Para cada tonelada de cana-de-açúcar que alimenta o processo de moagem são gerados aproximadamente 26% de bagaço (umidade de 50%) e 0,62% de cinza residual (CORDEIRO, 2006). Com base nestes índices, na última safra, houve uma disponibilidade de cerca de 2,7 milhões de toneladas de cinza residual. Normalmente, apesar de ser um material de difícil degradação e que apresenta poucos nutrientes, as cinzas são descartadas na natureza de forma

3 Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de cana-de-açúcar para uso na construção 41 inadequada, utilizada como adubo nas lavouras de cana-de-açúcar. Por ser constituída predominantemente de dióxido de silício (SiO2), as cinzas podem ser utilizadas como matériaprima para a produção de materiais pozolânicos para concreto (SOUZA et al., 2007). MATERIAIS E MÉTODOS CINZAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Para este trabalho foram escolhidas as usinas sulcro-alcooleiras mais próximas ao município de Maringá, no Paraná. As cinzas do bagaço da cana-de-açúcar foram coletadas em quatro usinas de cana-de-açúcar descriminadas na Tabela 1. Tabela 1. Localização das usinas escolhidas Local Gleba Chapecó, Lote 246, Distrito Iguatemi Maringá PR 82, km Cidade Gaúcha PR 492, km 47 - Rondon PR 82, km 82 São Tomé Período da Coleta Agosto/2008 Novembro/2008 Novembro/2008 Novembro/2008 Após a coleta das amostras, estas foram encaminhadas ao laboratório de Materiais de Construção da UEM e secas a sombra durante 2 dias. Posteriormente cada amostra foi passada pela peneira com abertura de 0,595mm (malha 30 Mesh). O material retido foi levado a um almofariz e destorroado com um gral revestido com borracha em sua ponta, logo em seguida foi peneirado até que não houvesse material retido ou sobrasse apenas gravetos, folhas, pedras e outros resíduos que não passavam pela malha e considerados como impurezas. Após peneiramento de uma quantia suficiente para realização dos ensaios, as amostras foram armazenadas em recipientes plásticos hermeticamente vedados. A massa específica determinada pelo picnômetro conforme ABNT (1984a). A granulometria das cinzas foi obtida segundo o método da sedimentação ABNT (1984b). Teor de umidade e matéria orgânica foram realizados conforme Kiehl (1985). As áreas específicas das amostras foram obtidas pelo método de adsorção/dessorção de N2, em um equipamento Nova 1200 Series da QuantaChrome. A atividade pozolânica foi determinada pelo método de Chapelle Modificado (RAVERDY et al., 1980). A determinação mineralógica foi realizada pela análise de difração de raios X, através método do pó, realizada em um difratômetro da marca Shimadzu, modelo D6000, com fonte de Cu 40Kv e 30 ma, filtro de Níquel, num sistema completamente computadorizado, operando a 40 kv e 30 ma. PRODUÇÃO DO CONCRETO O estudo das propriedades mecânicas do concreto feito com CBC foi realizado com o desenvolvimento do projeto de Iniciação Científica intitulado Estudo das Propriedades Mecânicas do Concreto com Substituição da Cinza do Bagaço da Cana-de-Açúcar desenvolvido pelos acadêmicos de engenharia civil Maicon Secchi e Marcelo Akira Pietrobom Abe. Para avaliar as propriedades mecânicas do concreto feito com CBC, foi estabelecida a seguinte metodologia de trabalho: Seleção e caracterização dos materiais;

4 42 Nunes; Vanderlei; Secchi e Abe Definição do traço de referência em (1,000 : 2,060 : 2,940 : 0,555); Taxas de CBC de 3%, 5%, 7%, 10%, 13%, 15% e 20% em substituição a massa de cimento do traço de referência; Concretagem de corpos-de-prova cilíndrico de 10cm x 20cm; Cura dos corpos-de-prova; Ensaios à compressão axial dos corpos-de-prova nas idades: 3, 7, 14 e 28 dias; Foram preparados um total de 96 corpos de prova. A quantia máxima para substituição de cimento por CBC adotada foi de 20%, essa taxa foi escolhida por verificar que havia uma tendência na queda da resistência a partir de 15% de substituição e principalmente pelo tempo disponível para a pesquisa. Após a caracterização granulométrica dos agregados e da CBC, iniciou-se o processo de dosagem, realizando-se em um primeiro instante a dosagem do traço de referência. Pesou-se as massas de agregado miúdo e graúdo a serem utilizadas, em seguida, procedeuse da mesma maneira com relação à determinação da massa de cimento Portland. Providenciou-se a água necessária para a mistura dos materiais, através de uma proveta. Na seqüência, realizou-se a mistura dos componentes em uma betoneira de eixo inclinado com capacidade de 40,0 litros. Retirou-se o concreto da betoneira, sendo parte dele separado para a determinação da consistência do concreto pelo abatimento do tronco de cone (Slump Test), conforme prescreve a ABNT (1998). Em seguida transferiu-se esse concreto para um carro-de-mão para assim dar início à moldagem dos corpos-de-prova. A moldagem dos corpos-de-prova foi feita como proposto na ABNT (1994). Os modelos foram deixados em repouso no próprio local por 24 horas, sendo após retirado dos moldes e levados a câmara úmida para cura, onde permaneceram até o momento do ensaio de resistência à compressão simples. Os ensaios mecânicos foram realizados em uma prensa hidráulica de capacidade de carga de 100 toneladas. Esses ensaios foram realizados nas idades de 3, 7, 14 e 28 dias de cura do concreto. RESULTADOS A Figura 1 apresenta os resultados das análises granulométricas das cinzas de bagaço de cana-de-açúcar. As quatro amostras apresentaram mais de 50% de seu material com diâmetro entre 0,2 e 0,6 mm, segundo a classificação ABNT (1995) seria classificada como areia média, Tabela 2.

5 Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de cana-de-açúcar para uso na construção Porcentagem Passante (%) ,0001 0,0010 0,0100 0,1000 1, , ,0000 Diâmetro dos Graõs (mm) Iguatemi Cid. Gaúcha Rondon São Tomé 0,002 0,060 0,200 0,600 2,000 ARGILA Classificação granulométrica NBR-6502/95 SILTE Figura 1. Curvas granulométricas FINA MÉDIA GROSSA AREIA Tabela 2. Porcentagem retida - classificação granulométrica ABNT (1995) Classificação segundo a NBR 6502/1995 Iguatemi Cidade Gaúcha Amostras Rondon São Tomé 0,6 a 2 mm 0% 0% 0% 0% 0,2 a 0,6 mm 50% 60% 66% 77% 0,06 a 0,2 mm 46% 32% 30% 14% 0,002 a 0,06 mm 2% 5% 2% 7% 0,002 mm 2% 3% 2% 2% Os resultados do ensaio de difração de raios-x (DRX), Figura 2, apresentaram picos que evidenciam que as amostras possuem materiais cristalinos. Através do comparativo entre fichas cristalográficas de referência de materiais puros JCPDS-ICCD International Centre for Diffraction Data (1996), pode-se afirmar que a presença de mais de 98% de SiO2 cristalino (quartzo) e menos de 2% de tridimita e cristobalita. A atividade pozolânica é diretamente proporcional à área específica e depende da composição química do material. Desta forma, materiais com estrutura desordenada (amorfa) apresentam maior reatividade em comparação com materiais cristalinos. A Tabela 3 apresenta os resultados da atividade pozolânica das cinzas, os baixos resultados podem ser explicados pelo elevador teor de SiO2 cristalino na forma de quartzo.

6 44 Nunes; Vanderlei; Secchi e Abe Intensidade da Fase ø (graus) Iguatemi Cidade Gaúcha Rondon São Tomé Figura 2. Difração de raios-x A atividade pozolânica é diretamente proporcional à área específica e depende da composição química do material. Desta forma, materiais com estrutura desordenada (amorfa) apresentam maior reatividade em comparação com materiais cristalinos. A Tabela 3 apresenta os resultados da atividade pozolânica das cinzas, os baixos resultados podem ser explicados pelo elevador teor de SiO2 cristalino na forma de quartzo. Tabela 3. Índice de atividade pozolânica Amostra Iguatemi Cidade Gaúcha Rondon São Tomé Matéria Orgânica (%) 3,55 5,30 1,36 1,35 Umidade (%) 0,95 1,33 0,17 0,15 Massa específica (kg/m 3 ) mg CaO/g material Área específica m 2 /Kg Os traços utilizados para o estudo da resistência à compressão dos concretos feitos com adição de CBC estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4. Características dos traços de concreto com CBC Massa Consumo Traço Espec. cimento Slump a/c kg/m 3 kg/m 3 Teste (cm) Padrão 2194,3 0,52 366,25 7 3% 2171,1 0,52 366,25 10,5 5% 2188,5 0,62 353,35 7,5 7% ,6 356,07 6,5 10% 2182,7 0,62 353,65 8,5 13% 2153,6 0,62 353, % 2176,9 0,67 347,74 5,5

7 Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de cana-de-açúcar para uso na construção 45 20% 2171,1 0,65 349,49 5 Os valores experimentais obtidos nos ensaios de resistência à compressão simples estão apresentados na Tabelas 5. Tabela 5. Resistência a compressão simples CBC Iguatemi f c (MPa) % de CBC Idade dos CP s 3 dias 7 dias 14 dias 28 dias 0% (Referência) 17,2 21,9 29,9 32,8 3% 24,0 27,6 32,1 33,0. 5% 25,3 28,5 35,3 33,6 7% 20,3 24,6 28,0 35,4 10% 22,0 28,8 30,5 34,6 13% 21,6 26,4 29,6 34,8 15% 24,2 24,2 24,3 27,6 20% 18,3 24,2 23,4 23,5 A Figura 3 mostra a representação gráfica indicando a evolução da resistência à compressão ao longo do tempo, para cada teor de CBC adicionados Resistência à compressão (MPa) Idade (dias) 0% de CBC 3% de CBC 5% de CBC 7% de CBC 10% de CBC 13% de CBC 15% de CBC 20% de CBC Figura 3. Comportamento das resistências nas dosagens propostas ao longo do tempo

8 46 Nunes; Vanderlei; Secchi e Abe Na Figura 4 mostra a variação da resistência à compressão em função do teor de CBC adicionada, para as idades de 3, 7, 14 e 28 dias Resistência à compressão (MPa) % 5% 10% 15% 20% Teor de CBC (%) 3 dias 7 dias 14 dias 28 dias Figura 4. Comportamento das resistências para 3, 7 e 28 dias em função dos teores de CBC A Tabela 6 apresenta um comparativo percentual das resistências entre os corpos-de-prova ensaiados com adição de CBC, em relação aos valores alcançados pelo traço de referência. Idade (dias) f c Referência Tabela 6. Variação da resistência em relação ao traço de referência CBC Iguatemi 3% CBC 5% CBC 7% CBC 10%CBC 13%CBC 15%CBC 20%CBC 3 17,20 39,53 47,09 18,02 27,91 25,58 40,70 6, ,90 26,03 30,14 12,33 31,51 20,55 10,50 10, ,90 7,36 18,06-6,35 2,01-1,00-18,73-21, ,80 0,61 2,44 7,93 5,49 6,10-15,85-28,35 De acordo com os resultados experimentais, observa-se que aos 28 dias de cura do concreto, a CBC promove um acréscimo de 0,6% a 8% na sua resistência à compressão quando substitui até 7% da massa de cimento por CBC. Perceber-se também que os maiores acréscimos na resistência à compressão ocorreram após 3 dias de cura para a substituição de 5% e 15% da massa de cimento por CBC, a partir da substituição de 15% ocorreu um decréscimo na resistência, após os 14 dias de cura, comparada com o traço de referência. Esses resultados traduzem de forma bastante clara a afirmação de Freitas (2005), de que a velocidade de reação pozolânica a partir da utilização de cinzas advindas da queima do bagaço da cana-de-açúcar é extremamente lenta, sobretudo quando não se promove uma moagem eficiente.

9 Estudo das características físicas e químicas da cinza do bagaço de cana-de-açúcar para uso na construção 47 CONCLUSÕES A cinza do bagaço da cana-de-açúcar apresenta alta concentração de materiais cristalinos na forma de quartzo e possui baixa área superficial. Desta forma a baixa atividade pozolanica da CBC no estado natural permite o seu emprego apenas como enchimento em compósitos a base de cimento Portland curados ao ar. A substituição de até 13% de cimento pelas cinzas produziu um ganho considerável na resistência, onde a taxa de 7% produziu a maior resistência. Acima desses valores houve uma queda na resistência do concreto após 28 dias. O ganho de resistência nas primeiras idades também foi relevante, pode ser explicado devido ao preenchimento do espaço entre as partículas grossas por partículas finas. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Moldagem e cura de corpos-de-prova de concreto cilíndricos ou prismáticos - procedimento. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Rochas e Solos. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6508: massa específica dos solos. Rio de Janeiro, 1984a. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: análise granulométrica. Rio de Janeiro, 1984b. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 67. Concreto Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone métodos de ensaio. Rio de Janeiro, CAMELO, D.; SILVA, G. N.; et al. Contribuição ao estudo de aproveitamento da cinza da casca da castanha-do-pará como material pozolânico In: 47 Congresso Brasileiro do Concreto IBRACON. Anais... Olinda, Brasil : IBRACON. CD-ROM. CORDEIRO, G. C.. Utilização de cinzas ultrafinas do bagaço de cana-de-açúcar e da casca de arroz como aditivos minerais em concreto. Tese de Doutorado. COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, CORDEIRO, G. C.; TOLEDO FILHO, R. D.; FAIRBAIRN, E. M. Avaliação da reatividade da cinza residual do bagaço de cana de açúcar com cimento Portland e cal In: 47 Congresso Brasileiro do Concreto IBRACON. Anais... Olinda, Brasil: IBRACON. CD- ROM. DIAS, R. V.; SECCHI, M.; ABE, M. A. P. Estudo das Propriedades Mecânicas do Concreto com Adição da Cinza do Bagaço da Cana-de-Açúcar Projeto de Iniciação Científica. Universidade Estadual de Maringá UEM. Departamento de Engenharia Civil. FREITAS, E. de S. Caracterização da cinza do bagaço da cana-de-açúcar do município de campos dos Goytacazes para uso na construção civil. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, UENF, Rio de Janeiro, JCPDS-ICDD International Centre for Diffraction Data (1996). FRANK, R.. Entrevista Concreto Sustentável. Téchne. Pág Edição 129 Outubro KIEHL, J. E. Fertilizantes orgânicos. 1 ed. Piracicaba: Editora Agronômica Ceres Ltda, 492p RAVERDY, M., BRIVOT, F., PAILLÈRE, A. M., DRON, R. Appréciation de l activité pouzzolanique des constituants secondaires - 7e. Congrés International de la Chimie des Ciments Volume III, 36. Paris 1980.

10 48 Nunes; Vanderlei; Secchi e Abe 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: 49 Congresso Brasileiro do Concreto IBRACON. Anais... Bento Gonçalves, Brasil: IBRACON. CD- ROM.