AGLOMERANTE LIVRE DE CIMENTO ATIVADO POR DIÓXIDO DE CARBONO: POTENCIAL E DESAFIOS

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1 CLB-MCS º Congresso Luso-Brasileiro Materiais de Construção Sustentáveis Coimbra, de fevereiro de 2018 AGLOMERANTE LIVRE DE CIMENTO ATIVADO POR DIÓXIDO DE CARBONO: POTENCIAL E DESAFIOS PEDRO SILVA HUMBERT 1 *, JOÃO P. CASTRO GOMES 1 1: Universidade da Beira Interior, Centro de Materiais e Tecnologias de Construção Rua calçada da fonte do lameiro Pedro.humbert@ubi.pt Palavras-chave: Aglomerante Livre de Cimento, Resíduos Industriais, Ativação por Dióxido de Carbono Resumo O potencial e desafios do desenvolvimento e utilização de um aglomerante livre de cimento ativado por dióxido de carbono foi estudado. Este material de construção inovador tem grande potencial de incorporação de resíduos industriais e armazenamento de dióxido de carbono. Resíduos industriais, como escórias e cinzas, ricos em cálcio e magnésio tem grande capacidade de reação em concordância com as principais reações químicas ocorridas na ativação. Finura, mistura, temperatura, duração e outras condições de produção deste aglomerante foram explicadas. Resultados preliminares alcançaram até 74.3MPa de resistência a compressão o que demonstra um grande potencial do aglomerante livre de cimento para desenvolvimento de painéis e estruturas pré-fabricadas com funções estruturais. Os benefícios para o meio ambiente, desafios de aplicação e integração do produto no mercado, além de futuras pesquisas necessárias para estudar a viabilidade econômica de produção em escala industrial desta nova tecnologia foram discutidos. 1

2 1. INTRODUÇÃO O aquecimento global tem excedido sensivelmente os limites e alternativas eficientes de redução dos gases de efeito estufa (GEE) são necessárias. Em 2015, a anomalia da temperatura global foi recorde devido a combinação de um forte El Ninho e um alto teor de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera [1]. Os efeitos do aquecimento global podem ser prejudiciais, agravando ou originando doenças para todos os seres vivos. Entretanto, populações dos países em desenvolvimento que residem em áreas tropicais, como o Brasil, tem uma probabilidade maior de sofrer com as mudanças climáticas por conta da pobreza, falta de saneamento básico e outros fatores [2]. A indústria metalúrgica despeja grandes quantidades de resíduos sólidos anualmente, que não tem solução economicamente sustentável para reciclagem o que gera acúmulo deste material em aterros e barragens proporcionando elevado risco de desastres ambientais, a exemplo do ocorrido em Novembro de 2015, em Mariana, Minas Gerais [3]. Na Europa, a indústria do aço produz uma grande quantidade de resíduos, os quais também são armazenados constantemente em aterros criando um grande potencial de contaminação do solo e da água. Milhões de toneladas de poeira, lama e cinzas oriundos da produção de ferro, consumidores finais, usinas movidas a carvão e exploração de pedreiras não tem destinação eficiente no continente [4]. Pesquisas estão desenvolvendo excelentes trabalhos sobre a reutilização de cinzas volantes, escórias e rejeitos finos como matérias primas para substituição total ou parcial do cimento Portland e desenvolvimento de materiais de construção sustentáveis [5]. A reutilização de resíduos de minas de tungsténio, como material precursor para a obtenção de aglomerantes obtidos por ativação alcalina já evidencia potenciais benefícios no ponto de vista ambiental, técnico e económico [6]. Ligantes por ativação alcalina de lamas residuais de minas de tungsténio possuem propriedades mecânicas similares ou até superiores as dos ligantes tradicionais de cimento Portland, o que os caracteriza como potencial substituto dos materiais tradicionais [7]. Também é possível a sua utilização em materiais alternativos uma vez que é possível produzir estes ligantes com propriedades diferentes das convencionais [8]. Ligantes ativados com CO 2 a partir de misturas de resíduos de indústria siderúrgica também já demonstram propriedades muito eficientes quando comparados aos ligantes tradicionais [9]. Sua produção ocorre através da carbonatação, onde os resíduos metálicos, ricos em cálcio, magnésio e sílica, reagem num meio com CO 2 sobre condições controladas, de pressão e temperatura. Apesar de existirem poucos estudos sobre este assunto, já é possível identificar que os parâmetros de resistência mecânica são sensivelmente maiores comparados às argamassas tradicionais de cimento Portland e de ligantes de ativação alcalina. Além de permitir minimizar os efeitos da emissão de CO 2 gerados pela produção de cimento Portland através da sua substituição, há um enorme potencial de reciclagem de resíduos industriais e de captura do próprio CO 2 gerado pela indústria [10]. 2. EXPERIMENTO 2.1. Materiais e procedimentos Foi utilizada escória de forno elétrico da Siderurgia Nacional localizada em Maia e em Aldeia de Paio Pires, Seixal, Portugal para produção do aglomerante livre de cimento ativado por CO2. Ao ser recebida, a escória foi ao forno numa temperatura de 60oC ao longo de 24 horas com o objetivo de ficar seca. Após a secagem, a escória foi moída em partículas menores através de um moinho triturador e posteriormente pulverizada através de um moinho de bolas. Após a moagem foi utilizada apenas a fração que passava da peneira 45µm a qual apresentou uma densidade de g/cm3 e número Blaine de 529m2/kg. A composição química da escória foi determinada através da análise de espectroscopia de dispersão de energia, onde cálcio (CaO), ferro (Fe2O3) e sílica (SiO2) foram os óxidos predominantes no material. Três amostras foram compactadas em moldes de 20mm de diâmetro e 40mm de altura, com relação de água/escória de Após compactadas, as amostras foram submetidas a carbonatação por 72 horas a 40oC e 0.5 bar de pressão de CO2 em 100% de concentração dentro de uma célula de 2

3 carbonatação. O gás com 99.9% de pureza era reabastecido na célula a medida que consumido pelas amostras. Após as 72 horas de carbonatação as amostras foram colocadas em forno a 40oC para secagem e então testadas a resistência a compressão numa taxa de carga de 0.5kN/segundo. Composição química, densidade e número Blaine podem ser vistos através da Tabela 1. Tabela 1. Composição química, densidade e número Blaine da escória. Escória Óxidos Composto % CaO SiO Al2O MgO 5.58 Fe2O Densidade (g/cm3) Número Blaine (m2/kg) Reação de ativação As principais reações ocorrem através do consumo do cálcio, que aparece em grande maioria como silicatos de cálcio (C2S e C3S). Os silicatos de cálcio ao reagirem com o CO2 produzem carbonatos de cálcio (CaCO3) e silicatos de cálcio hidratados (CSH). Foi feita uma análise de difração de raio x, onde as fases mineralógicas são analisadas antes e depois da carbonatação podendo-se verificar o que foi consumido e produzido após a ativação, para confirmar a ocorrência das reações químicas. A carbonatação do óxido de cálcio em meio aquoso é representado pela Equação 1 [11]: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O (1) As Equações 2 e 3 representam a reação do C2S e C3S na presença do CO2 [12]: 2(2CaO x SiO2) + CO2 + 3H2O 3CaO x 2SiO2 x 3H2O + CaCO3 (2) 2(3CaO x SiO2) + 3CO2 + 3H2O 3CaO x 2SiO2 x 3H2O + 3CaCO3 (3) Os resíduos oriundos de processos industriais que envolvem altas temperaturas, como escórias e cinzas, são ricos em óxido de cálcio nas fases mineralógicas C2S e C3S o que caracterizam estes resíduos como potenciais insumos na produção destes aglomerantes ativados por CO2. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Resistência a compressão O aglomerante ativado, obteve resultados de resistência a compressão de 69.8MPa, 71.1MPa e 74.3MPa, atingindo uma média de 71.73MPa o que possibilita caracterizar este material como potencial substituto ao cimento Portland para finalidade estrutural seja ele para peças e painéis de cimento, como para estruturas de concreto convencional ou de alta resistência. Entretanto, devido aos procedimentos de produção deste material, as aplicações devem ser para elementos préfabricados, onde a empresa deve ser especializada para esta função e possuir máquinas e equipamentos específicos Ativação A análise de difração de raio x possibilitou identificar as fases mineralógicas previstas, como C2S e C3S antes e CaCO3 e CSH após a carbonatação, entretanto outras fases também foram identificadas conforme indicado na Figura 1. Algumas dessas outras fases são o Gehlenite e a Wusite, compostas em sua maioria por óxido de ferro (Fe2O3), que não reagiram e mantiveram as respetivas fases constantes após a carbonatação, indicando que resíduos com um alto teor de ferro, como a escória de forno elétrico utilizada, não são os melhores tipos de resíduos para serem utilizados como insumos no processo de produção do aglomerante ativado por CO2. Entretanto, a resistência a compressão apresentou um resultado muito satisfatório. 3

4 O produto final, apresentando as novas fases mineralógicas, além de comprovar as reações previstas, demonstra que esta tecnologia satisfaz o objetivo de incorporação de resíduos industriais e dióxido de carbono através de um material de construção livre de cimento. Sendo uma alternativa potencial para destinar grande parte dos resíduos industriais, além de reduzir a utilização de cimento Portland que apresenta processo produtivo altamente poluente. Figura 1. Fases mineralógicas através da difração de raio x: (A) antes da carbonatação, e (B) após carbonatação. 4

5 3.3. Desafios O aglomerante livre de cimento ativado por CO2 encontra-se em fase de estudos preliminares, antes deste produto ir ao mercado, alguns avanços são necessários. Para o produto ter um custo competitivo junto aos materiais de construção tradicionais, é preciso adequar os processos de produção numa linha industrial de larga escala de modo a que o volume de produção reduza o custo final do material. Outro importante fator para a comercialização do aglomerante é a normatização deste tipo de material, uma vez que sejam feitos estudos técnicos para estabelecer os padrões dos processos de produção e propriedades do produto final será viável a realização de utilização de peças pré-fabricadas compostas do aglomerante livre de cimento ativado por CO2. 4. CONCLUSÕES Neste trabalho foi apresentado o potencial e desafios do aglomerante livre de cimento ativado por CO2. Sobre o tema é interessante enfatizar: - O aglomerante estudado é um material de construção alternativo ao cimento Portland e ao concreto tradicional em aplicações pré-fabricadas, apresentando propriedades mecânicas promissoras. - O material pesquisado demonstrou grande potencial para armazenar resíduos industriais e CO2 através de um material de construção sustentável. - Pesquisas complementares são necessárias para o desenvolvimento de normas técnicas, análise de custo e fluxo de produção em escala industrial. AGRADECIMENTOS Este estudo foi parcialmente financiado pela Comissão Europeia Horizonte 2020 Marie Skłodowska- CURIE Pesquisa e Inovação Regime de Intercâmbio de Pessoal (Número do Acordo de Concessão ). Este trabalho é financiado por fundos nacionais através da FCT Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P., no âmbito do projeto UID/ECI/04082/2013. REFERÊNCIAS [1] J. E. Szulejko, P. Kumar, A. Deep, and K. H. Kim, Global Warming Projections to 2100 Using Simple CO2 Greenhouse Gas Modeling and Comments on CO2 Climate Sensitivity Factor, Atmos. Pollut. Res., pp. 1 5, [2] C. Rylander, J. øyvind Odland, and T. M. Sandanger, Climate change and the potential effects on maternal and pregnancy outcomes: An assessment of the most vulnerable - the mother, fetus, and newborn child, Glob. Health Action, vol. 6, no. 1, [3] F. R. Segura et al., Potential risks of the residue from Samarco s mine dam burst (Bento Rodrigues, Brazil), Environ. Pollut., vol. 218, pp , [4] European Commission, 2030 climate and energy goals for a competitive, secure and lowcarbon EU economy, Press Release, no. January, [5] F. Pacheco-Torgal, S. Jalali, and J. P. Castro Gomes, Geopolymers structure, processing, properties and industrial applications, in Geopolymers Structure, Processing, Properties and Industrial Applications, 2009, pp [6] F. Pacheco-torgal, Alkali-activated binders : A review Part 1. Historical background, terminology, reaction mechanisms and hydration products, Constr. Build. Mater., vol. 22, no. 7, pp , [7] G. Kastiukas, X. Zhou, and J. Castro-Gomes, Development and optimisation of phase change material-impregnated lightweight aggregates for geopolymer composites made from aluminosilicate rich mud and milled glass powder, Constr. Build. Mater., vol. 110, pp , 5

6 2016. [8] P. S. Humbert, J. P. Castro-Gomes, L. F. A. Bernardo, C. M. Pinto, and N. Paszek, Elastic Modulus and Stress-Strain Curve Analysis of a Tungsten Mine Waste Alkali-Activated Concrete, in REMINE International Conference, 2017, p. in press. [9] P. S. Humbert, J. P. Castro-gomes, and M. B. S. Saafi, Effect of water-binder ratio and Blaine fineness on the carbon dioxide activation of a cement-free binder, in 5th International Conference on Civil and Urban Engineering, 2018, p. in press. [10] P. S. Humbert, J. P. Castro-Gomes, and M. B. S. Saafi, A Review on Industrial Waste-Based Binders Activated by Carbonation, unpublished, [11] J. G. Jang, G. M. Kim, H. J. Kim, and H. K. Lee, Review on recent advances in CO2 utilization and sequestration technologies in cement-based materials, Constr. Build. Mater., vol. 127, pp , [12] J. M. Bukowski and R. L. Berger, Reactivity and strength development of CO2 activated nonhydraulic calcium silicates, Cem. Concr. Res., vol. 9, no. 1, pp , Jan