O CIMENTO ECOLÓGICO: UTILIZAÇÃO DA CINZA DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR NA FABRICAÇÃO DE CIMENTO

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1 O CIMENTO ECOLÓGICO: UTILIZAÇÃO DA CINZA DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR NA FABRICAÇÃO DE CIMENTO ECOLOGICAL CEMENT: USE OF THE ASH OF SUGAR CANE BAGASSE IN CEMENTE PRODUCTION Jéssica Mendes¹ UNITOLEDO Kátia Menezes da Silva¹ UNITOLEDO Aline Botini Tavares Bertequini² UNITOLEDO RESUMO Baseado na busca constante por novas tecnologias visando à preservação do meio ambiente foi desenvolvido o presente trabalho com o intuito de levar ao conhecimento geral os estudos realizados com resíduos da cana-de-açúcar na fabricação do cimento verde em substituição total ao cimento Portland, bem como suas vantagens ambientais e socioeconômicas. Palavra-chave: cana-de-açúcar; sustentabilidade; cimento Portland. ABSTRACT Based on the constant search for new technologies to preserve the environment was developed this work in order to take the general knowledge the studies with residues of sugarcane in the production of "green cement" in total replacement of Portland cement as well as its environmental and socioeconomic benefits. Key-words: sugar cane; sustainability; Portland cement. 1 ¹Graduando em Engenharia Civil no Centro Universitário Toledo (2016). ²Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP Ilha Solteira (2008).

2 1. INTRODUÇÃO O cimento Portland (CP), denominação mundialmente convencionada para o material usualmente conhecido na construção civil como cimento, trata-se de um pó fino com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob ação da água e que, uma vez endurecido, mesmo que novamente submetido à ação da mesma, não se decompõe mais. Sua mistura com água e outros materiais de construção, como a areia, a pedra britada, o pó-de-pedra, a cal e outros, resulta nos concretos e argamassas utilizadas na construção de casas, edifícios, pontes, barragens etc. (ABCP, 2002). A qualidade e proporção dos materiais com que são compostos é que determinam as características e propriedades desses concretos e argamassas, sendo, no entanto, o cimento o mais ativo deles, do ponto de vista químico, uma vez que é ele o principal responsável pela transformação da mistura dos materiais componentes nos concretos e argamassas no produto final desejado (ABCP, 2002). Misturas contendo água, agregados e compostos aglomerantes têm sido empregadas na construção de estruturas desde a antiguidade e resistem às ações intempéricas mesmo após milhares de anos, razão pela qual o cimento Portland é o principal material de engenharia utilizado pelo homem e o segundo material mais utilizado no planeta, sendo o primeiro a água. Por ano, cerca de 1,7 bilhões de toneladas de CP são fabricados no mundo, uma quantidade que permite a produção de 6,0 km³ de concreto/ano (ou 1,0 m³ de concreto/pessoa) (MEHTA & MONTEIRO, 1994; GARTNER, 2004). No entanto, as indústrias de concreto vêm enfrentando nos dias atuais o desafio de conciliar o desenvolvimento tecnológico e a preservação do meio ambiente, principalmente em função dos problemas associados ao cimento Portland, especialmente devido ao dióxido de carbono (CO 2 ) emitido que é liberado durante a calcinação do calcário e queima de combustíveis fósseis utilizados durante o processo de fabricação do clínquer aproximadamente uma tonelada de CO 2 por tonelada de clínquer produzido, dentre outros gases intensificadores do efeito estufa em menores quantidades, dentre eles: monóxido de carbono (CO), metano (CH 4 ), óxido nítrico (NO 2 ) e dióxido de enxofre (SO 2 ) (MEHTA, 2002; CORDEIRO, 2009). 2

3 O clínquer, juntamente com as adições, compõe o cimento Portland, sendo o primeiro seu principal componente, estando presente em todos os tipos de CP, e o segundo podendo variar e, desta forma, definir os diversos tipos de cimento (ABCP, 2002). Para Cordeiro (2009), com a redução da produção de clínquer haveria uma minimização dos impactos ambientais, da extração de matérias primas, da emissão de CO 2 na atmosfera e da energia de produção. A incorporação de resíduos agroindustriais pela indústria do concreto merece destaque no Brasil, principalmente levando-se em conta a grande quantidade de resíduos gerados anualmente, especialmente no que se refere à cinza do bagaço da cana-de-açúcar e sua composição química devido à presença preponderante de sílica. Estima-se que 0,7% de toda a massa de cana-de-açúcar produzida permaneçam, após os processos de combustão, sob a forma de cinza residual. Sendo assim, em um país cujo potencial em matéria-prima para a produção do aditivo mineral chega a ser de aproximadamente 3,6 milhões de toneladas ao ano, estudos relacionados com a utilização da CBC são de extrema importância por possibilitarem a produção de concretos com maiores resistência e durabilidade, reduzindo os custos e os impactos ambientais (CORDEIRO, 2006). 2. UTILIZAÇÃO DA CINZA DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR NA FABRICAÇÃO DE CIMENTO As atividades agropecuárias e industriais geram grandes quantidades de resíduos que, na maioria dos casos, não possuem ainda uma destinação final adequada. Dentre esses resíduos agroindustriais os que se destacam são as cinzas da casca de arroz e a cinza do bagaço da cana-de-açúcar, podendo ser reciclados, reutilizados e incorporados na produção de novos materiais (PAULA, 2006). O presente trabalho tem como objetivo fazer uma revisão bibliográfica para verificar a utilização da cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC) na produção de concreto a partir da substituição do cimento Portland pelo cimento alcalinamente ativado (nome dado ao novo material), que possui características similares às do cimento convencional gerando menor 3

4 impacto ambiental na sua fabricação. Para isto, estudos que visam avaliar as propriedades da CBC são relevantes, tornando possível a produção de concretos e argamassas, além de outros compostos cimentícios (JOHN, SJÖSTRÖM e AGOPYAN, 2002) JUSTIFICATIVA Por ser constituída basicamente de dióxido de silício (SiO 2 ) em altas porcentagens (cerca de 60% de sua massa) e outros óxidos, a CBC pode ser utilizada em substituição parcial ou total do cimento em argamassas e concretos, como adição mineral. A sílica é um mineral que pode ser encontrado em areias e na maioria das rochas, de forma cristalina ou amorfa, que vem sendo amplamente aproveitada como material pozolânico, quando em estado amorfo, ou seja, vítreo, pois sua reatividade quando na forma cristalina torna-se muito pequena. (NEVILLE, 1997; CORDEIRO et. Al., 2008; MANSANEIRA, 2010). O termo pozolana era, originalmente, atribuído às cinzas de origem vulcânica que reagem com a cal e na presença de água, em temperatura ambiente. Entretanto, esta definição acabou por ser estendida a outros materiais que apresentam comportamento semelhante, mesmo possuindo origens diversas. Desta forma, a definição atual entende como pozolânico todo material inorgânico, natural ou artificial, silicoso ou alumino-silicoso que isoladamente não apresenta propriedades hidráulicas, mas que, quando moído e na presença de água, reage com o hidróxido de cálcio (ACI, 2002). Qualquer tipo de cinza vegetal que possua predominância de sílica pode ser utilizado como aglomerante, desde que em estado amorfo e com finura adequada, sendo que sua reatividade dependerá de sua composição química, de acordo com o produto que gerou a cinza e seu processo de produção, além do tipo de solo (KAWABATA, 2008). Outro fator a ser levado em consideração são as condições da queima, responsáveis pela ocorrência das seguintes modificações: 100 C perda inicial de massa devido à perda de água; 350ºC início da queima da CBC; 4

5 400 a 500 C perda de massa substancial, onde todo o carbono é o material tornase rico em sílica amorfa; 700 C formação de quartzo e outras formas cristalinas; Acima de 800 C predominância de sílica cristalina. A utilização das cinzas residuais na construção civil assim como de resíduos gerados em outros setores também é vantajosa não apenas pelo aumento da atividade industrial, mas, principalmente, devido à redução de matérias-primas convencionais não renováveis disponíveis e necessárias. Desta forma, atende-se à crescente necessidade por tecnologias alternativas, que visam construções mais eficazes, com economia e sustentabilidade (SAVASTANO, 2003). A principal diferença em relação ao cimento Portland está no fato de que sua fabricação pode liberar até 80% menos dióxido de carbono na atmosfera, já considerando a queima dos canaviais e a incineração do bagaço. Isso se deve ao fato de que a produção do CP exige a queima do calcário e, para isto, são necessárias temperaturas de até 1400 graus Celsius, liberando enormes quantidades de CO 2 durante o processo, para formar o chamado clínquer (CASTRO, 2014; MORENO, 2014). O CP possui ainda argila e gesso em sua mistura, enquanto que o cimento álcaliativado necessita, basicamente, de CBC e escórias de alto-forno (obtidas durante a produção de ferro-gusa em siderúrgicas), os quais são moídos e misturados com um ativador alcalino, composto por hidróxido de sódio, silicato de sódio e água, permitindo que o produto reaja, garantindo assim características similares ao produto original, melhor desempenho, redução do custo de produção, resistências mecânicas finais elevadas, maior resistência aos agentes agressivos, etc. (ABCP, 2014; CASTRO, 2014; MORENO, 2014). Testes químicos comprovaram que o cimento ecológico sofre menor desgaste a agentes corrosivos, apresentando uma eficiência superior a 90% e, dependendo da combinação, consegue atingir uma resistência parecida com a do cimento tradicional, chegando a atingir até 60 MPa (unidade de medida para pressão), contra 50 MPa do cimento Portland (MORENO, 2014). 5

6 2.2. RESÍDUOS DA CANA-DE-AÇÚCAR Pelas seguintes etapas dá-se o processo de transformação da cana em açúcar e álcool: lavagem, moagem, extração do caldo, clarificação, concentração e centrifugação do caldo para a obtenção do açúcar comercial e do mel, este passando por uma etapa de cozimento a vácuo a fim de se obter o açúcar restante resultando no mel final ou melaço. Seu mosto segue para a fermentação nas dornas formando o vinho, que é centrifugado para recuperação das leveduras e enviado às colunas de destilação para produção do etanol. (SANTOS, 2013). Durante as etapas do processamento da cana, são geradas grandes quantidades de resíduos ou subprodutos, dos quais os principais são: a água de lavagem obtida na etapa de lavagem dos colmos de cana, o bagaço obtido durante a extração do caldo na moagem da cana-de-açúcar, a torta de filtro resultante da etapa de clarificação do caldo, as leveduras utilizadas na fermentação do caldo e a vinhaça (caldo fermentado) obtida no processo de destilação do vinho (SANTOS, 2013). Segundo Santos (2013), a maioria desses resíduos são novamente empregados dentro do processo produtivo, como subprodutos. Reutiliza-se a água de lavagem na fertirrigação de lavouras e para a produção de biogás. A torta de filtro pode ser reaproveitada como fertilizante. Recupera-se a levedura para ser novamente utilizada no processo de fermentação ou pode ser utilizada como ração animal. A vinhaça é utilizada como fertilizante na adubação de canaviais e o bagaço pode ser empregado na produção de energia (vapor/eletricidade), combustível (natural, briquetado, peletizado, enfardado), hidrólise (rações, furfural, lignina), polpa de papel, celulose e aglomerados CINZAS DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR Atualmente, o bagaço da cana-de-açúcar (Figura 1) é o subproduto de maior valor agregado, podendo ser totalmente reaproveitado em diversas atividades, sendo sua maior parte utilizada para a produção de energia elétrica pelas usinas. Cerca de 90% de todo o bagaço gerado no Brasil é utilizado como combustível nas caldeiras para a geração de energia, 6

7 respondendo pelas necessidades energéticas do setor sucroalcooleiro e ainda gerando um excedente passível para comercialização às concessionárias de energia e outros setores (MANSANEIRA, 2010). Figura 1 Bagaço da cana-de-açúcar Fonte: Pini Web (2010). De acordo com Sessa (2013), com a queima do bagaço da cana há o surgimento de outro subproduto, as chamadas cinzas residuais (Figura 2) sendo que, para cada tonelada de bagaço utilizado na geração de energia são produzidos cerca de 25 kg de cinza residual. A queima do bagaço é realizada em fornalhas, com temperaturas que variam de 400ºC a 900ºC (GANESAN, RAJAGOPAL e THANGAVEL, 2007). 7

8 Figura 2 Cinzas do bagaço da cana-de-açúcar Fonte: Revista Unesp Ciência (2014) APLICAÇÕES Existem vários estudos que visam à utilização destas cinzas residuais. Algumas de suas inúmeras aplicações são citadas a seguir: Agregado miúdo em concreto autoadensável (CAA); Concreto para artefatos de infraestrutura urbana; Concreto de construções residenciais de menor impacto; Matéria-prima na substituição de fundentes para aplicações em porcelanatos esmaltados (em substituição ao filito e/ou ao feldspato); Filler em compostos de fibrocimento; Pozolana em concretos de alto desempenho; Adubação química para produção de alimentos; 8

9 Aglomerante para produção de matrizes cimentantes que, em conjunto a resíduos de pneus inservíveis, permitem a confecção de blocos de concreto e pavers para pavimentação; e Substituto parcial ou total do cimento Portland na fabricação de concretos e argamassas PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO CIMENTO ALCALINAMENTE ATIVADO Primeiramente, a cinza passa por um processo de moagem até tornar-se um pó escuro e fino que posteriomente será misturado com a escória de alto forno (Figura 3). A moagem tem por finalidade promover o aumento da superfície específica de materiais sólidos particulados, aumentando assim sua superfície de reação, além de conferir maior compacidade à mistura. (ZARDO et. al., 2004; CASTRO, 2014). Figura 3 Pó escuro formado após a mistura com as escórias de alto forno. Fonte: Revista Unesp Ciência (2014). 9

10 No caso de cinzas geradas pela queima não controlada, as mesmas podem apresentar grandes proporções de minerais de sílica não reativos e, por este motivo, devem ser moídos a tamanhos inferiores a 0,15mm de apresentarem atividades pozolânicas (ISAIA, 1995). Para o processo de moagem são utilizados moinhos de bolas, de barras, de disco, de martelo, atritor, vibratório, planetário e autógeno, sendo que o tipo adotado irá depender das características do material e do tempo de moagem, que determinarão a granulometria (Figuras 4 e 5) (CORDEIRO, 2009). Figura 4 Detalhes morfológicos das cinzas após os seguintes tempos de moagem: 8min, 15min, 30min, 60min, 120min e 240 min, respectivamente. Fonte: Cordeiro (2006). 10

11 Figura 5 Curva granulométrica das amostras para diferentes tempos de moagem. Fonte: Cordeiro (2006). Quando homogênea, a mistura é levada a uma máquina argamassadeira (Figura 6), similar a uma batedeira. É adicionada uma solução com efeito ativador e, após cerca de dez minutos, a massa ganha consistência homogênea, concluindo a etapa de preparação do material com a adição de areia (CASTRO, 2014). Figura 6 Máquina argamassadeira Fonte: Revista Unesp Ciência (2014). 11

12 São então confecionados os corpos-de-prova, que deverão ser submetidos a ensaios a fim de definir as propriedades do material e, nesta etapa, a mistura é despejada em moldes de formatos cilíndricos ou prismáticos (Figura 7), que ficam sobre uma mesa vibratória. Esta vibração tem por finalidade expulsar o ar da mistura, de forma a torná-la mais compacta (CASTRO, 2014). Figura 7 Formas que produzem os corpos-de-prova Fonte: Revista Unesp Ciência (2014). Posteriormente, o molde segue para uma câmara úmida (Figura 8) com ambiente totalmente controlado, onde o material deve ficar por tempo previamente determinado e, após seu endurecimento total, o corpo-de-prova ficará armazenado até o dia dos ensaios (CASTRO, 2014). 12

13 Figura 8 Câmara úmida Fonte: Revista Unesp Ciência (2014). O corpo de prova deve ser submetido a ensaios, desde o mais usual, de resistência à compressão simples, até outros mais específicos que possuem a finalidade de determinar o seu grau de porosidade e se o mesmo poderá suportar ataques de agentes químicos (CASTRO, 2014). 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Apesar das vantagens da utilização do cimento álcali-ativado, este novo material dificilmente conseguirá competir de forma direta com o mercado de cimento Portland por se tratar de uma indústria tão bem estabelecida, sendo seu desempenho no mercado usualmente adotado como um indicador de crescimento econômico. No entanto, em virtude de certas exigências ambientais cada vez mais cobradas é plausível que o cimento ecológico comece a garantir também o seu espaço, principalmente devido à eficiência demonstrada quando utilizado em pavimentação, blocos pré-moldados e estruturas armadas. 13

14 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Cement and concrete terminology. ACI Manual of Concrete Practice, part 1, Detroit: American Concrete Institute, p.73, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. BT 106: guia básico de utilização do cimento Portland. São Paulo: ABCP, CASTRO, F. O cimento ecológico. Unesp Ciência, São Paulo, ano 5, n. 54, p , jul CORDEIRO, G.C. Utilização de cinzas ultrafinas do bagaço de cana-de-açúcar e da casca de arroz como aditivos minerais em concreto. Tese (Pós-graduação) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, CORDEIRO, G.C. Caracterização de cinza do bagaço de cana-de-açúcar para emprego de pozolana em materiais cimentícios. Química. Nova, Vol. 32, No. 1, 1-5, CORDEIRO, G.C.; TOLEDO FILHO, R.D.; FAIRBAIRN, E.M.R.; TAVARES, L.M.M. Pozzolanic activity and filler effect of sugar cane bagasse ash in Portland cement and lime mortars. Cement & Concrete Composities, v.30, p , GANESAN, K.; RAJAGOPAL, K.; THANGAVEL, K. Evaluation of bagasse ash as supplementary cementitious material. Cement & Concrete Composities, v. 29, n. 6, p , GARTNER, E.M. Industrially interesting approaches to low-co2 cements, Cement and Concrete Research, v. 34, n. 9, pp , ISAIA, G.C. Efeitos de misturas binárias e ternárias de pozolanas em concreto de elevado desempenho: um estudo de durabilidade com vistas à corrosão da armadura. Tese (Doutorado) Universidade de São Paulo, São Paulo,

15 JOHN, V.M.; SJÖSTRÖM, C.; AGOPYAN, V. Durability in the built environment and sustainability in developing countries. In: International Conference on Durability of Building Materials and Components, 9, KAWABATA, C.Y. Aproveitamento de cinzas da queima de resíduos agroindustriais na produção de compósitos fibrosos e concreto leve para a construção rural. Tese (Doutorado) Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo, Universidade de São Paulo, São Paulo, p.44, MANSANEIRA, E.C. Verificação da potencialidade do uso da cinza do bagaço da canade-açúcar em substituição parcial do cimento Portland. Dissertação (Mestrado) Pós- Graduação em Engenharia de Edificações e Saneamento, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, MEHTA, P.K. Greening of the concrete industry for sustainable development. Concrete International, v.24, n.7, p.23-28, MEHTA, P; MONTEIRO, J.P. Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais, 2ª Ed., São Paulo, Editora Pini, MORENO, L. Cinza de cana é testada para produção de cimento ecológico. Folha da Região, Araçatuba, p. B5, 17 ago NEVILLE, A.M. Propriedades do concreto, 2ª Ed., São Paulo, Editora Pini, p.23-24, PAULA, O.M. Potencial da cinza do bagaço da cana de açúcar como material de substituição parcial do cimento Portland Dissertação (Mestrado). Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG. P. 20. PINI WEB. Tecnologia e materiais: Pesquisadores da UFSCar substituem areia por cinza da cana-de-açúcar na produção de concreto Disponível em: acesso em: out

16 SANTOS, F.A. Utilização das cinzas de cana-de-açúcar como material pozolânico na produção de concreto. Monografia Curso de tecnologia em biocombustíveis, Faculdade de Tecnologia FATEC, Araçatuba, SAVASTANO JR, H., WARDEN, P.G. Special theme issue: Natural fibre reinforced cement composites. Cement & Concrete Composites, v.25, n.5, p , SESSA, T.C. Avaliação da utilização da cinza do bagaço da cana-de-açúcar em concreto usando construções residenciais de menor impacto. Monografia Engenharia Civil, Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, ZARDO, A.M., BEZERRA, E.M., MARTELLO, L.S., SAVASTANO JR, H. Utilização da cinza de bagaço da cana-de-açúcar como filler em compostos de fibrocimento. I Conferência latino-americana de construção sustentável x encontro nacional de tecnologia do ambiente construído, São Paulo,