Escola Politécnica da USP Depto. Eng. Construção Civil Inovação em concreto e produtos a base de cimento: Tendências Vanderley M. John Escola Politécnica da USP Ken Olson, fundador da Digital (1977) There is no reason anyone would want a computer in their home! 1
Bill Gates (27), 1982 In five years the cost of computation will really be decreased. We will have changed the way people work. SUCESSO DEPENDE DA VISÃO CORRETA DO FUTURO. 2
FUTURO DO CONCRETO WBCSD Cement Sustainability Initiative 3
Futuro de produtos cimentícios Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report 2007 Futuro de produtos cimentícios Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report 2007 4
America Latina PRODUTOS CIMENTÍCIOS SERÃO O MATERIAL DO FUTURO 5
Futuro : Fatores Críticos Clima Combustíveis e matérias primas Saúde e segurança Redução de emissões Impactos Locais Reciclagem Principais influências Agenda ambiental Competitividade / Avanço científico 6
AGENDA AMBIENTAL 7
Consumo de recursos naturais Alimentos Cimento 365 441 Concreto 3.353 Água 54.750 0 2000 4000 6000 8000 10000 Kg/hab.ano Consumo de recursos naturais WRI 8
Cadeia produtiva do cimento 1 3 dos recursos naturais. Produtos cimentícios 9
CO 2 na atmosfera (ppm) 31/08/2010 Maior parte dos resíduos de construção são cimentícios 80m Picture: Marco Antonio Fialho Picture: Marco Antonio Fialho CO 2 na atmosfera 380 360 340 320 300 280 260 1750 240 8000 6000 4000 2000 0 2000 Ano IPCC - Climate Change2007: The Physical Science Basis - Summary for Policymakershttp://www.ipcc.ch/ 10
Cimento (% CO 2 total) 31/08/2010 Participação do Cimento e CO 2 10 8 6 Gobal 4 2 0 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Queima de Combustíveis Fósseis 11
CO2 (ton/ton) Brasil 31/08/2010 Decomposição do Calcário Emissões Médias de CO 2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 2010 2012 2015 2020 2025 2030 2050 12
kg CO2/t cimento 31/08/2010 Emissões Médias de CO 2 1000 Intensidade de CO 2 Cimentos Brasileiros 800 600 78% 400 200 0 CP I CP II E CP III CP IV Carvalho, 2001 13
Comparando (dados aproximados no Brasil) kg CO 2 /ton Min Max Aço 250 2.000 Alumínio 700 12.000 Cimento 270 800 Madeira ilegal 7.000 15.000 Evolução da produção Cimento (10 9 ton) WBCSD Sustainable Cement Initiative. Progress Report 2007 14
CO 2 do cimento (% total) 31/08/2010 Emissões de CO 2 A blueprint for a climate friendly cement industry. WWF-Lafarge 2008 CO 2 da produção de cimento 35 30 BAU (WWF-Lafarge) 25 20 15 10 Blue (WBCSD IEA) 5 0 2010 2020 2030 2050 WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 A blueprint for a climate friendly cement industry. WWF-Lafarge 2008 15
Contribuição para Mitigação de CO2 Eficiência energética 10% Seqüestro de Carbono 56% Biomassa & outros 24% Substituição do clinquer 10% WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 Investimento para Mitigação US $354 a 843 bilhões WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 16
Investimento para Mitigação US $354 a 843 bilhões WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 Captura e Seqüestro de Carbono USD $40 170/t CO 2 Impacto no custo poderá ser importante WBCSD & IEA Cement Technology Roadmap 2009 17
MUDANÇAS PROFUNDAS SÃO INEVITÁVEIS. Desafios Redução do CO 2 Desmaterialização : construir mais com menos Reciclagem Aumento da vida útil 18
CIÊNCIA PARA A INOVAÇÃO Inglaterra Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory 19
Temas críticos de pesquisa Compreensão e otimização do concreto Nanotecnologia Influencia do processamento Modelos para projeto do material Novas técnicas de processamento Gestão e redução de impactos ambientais Novos produtos Concreto Multifuncional Auto-reparadores (self-healing) Alta resistência... O novo ciclo da pesquisa Matérias primas Processamento Caracterização da Nanoestrutura Estado fluido Condições de uso Desempenho em uso Compreensão Simulação 20
Nanotecnologia & Concreto Ferramenta para compreender o concreto 1. Métodos de medida 2. Entendimento dos fenômenos 3. Modelagem 4. Otimização 5. Desenvolvimento de novos produtos Karen Scrivener (2008) http://www.rsc.org/images/construction_tcm 18-114530.pdf 21
Fluência em escala nano Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106:10552-10557 Fluência em escala nano Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106:10552-10557 22
Controlando a fluência Vandamme M, Ulm F PNAS 2009;106:10552-10557 VECTOR MODELLING OF CEMENT HYDRATION 23
Virtual Cement and Concrete Testing Lab Prediction of Cement Physical Properties by Virtual Testing Predict the chloride ion diffusivity of a concrete based on mixture parameters Prediction and Optimization of Concrete Performance REDUÇÃO DO CO 2 24
Teor de Aglomerante (kg/m³) 31/08/2010 Quantidade de CO2 Teor de CO 2 no cimento (kg/kg) Clínquer Eficiência do processo CSC Consumo de aglomerante no concreto Agregados Técnica de dosagem Variabilidade do processo de produção Dados do Ibracon 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 Resistencia a compressão (MPa, 28 dias) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p. 555-562, 2010 25
IA (kg/m³.mpa) IA (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Ibracon + Internacional 30 25 Brazil International 20 15 10 05 00 00 20 40 60 80 100 120 Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p. 555-562, 2010 Ibracon + Internacional 30 25 Brazil International 20 15 10 260kg 05 00 00 20 40 60 80 100 120 Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p. 555-562, 2010 26
IA (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Ibracon + Internacional literature+ preliminarymarket data (Brazil) + BAT 30 25 Brazil International 20 15 10 site concreteira 05 00 00 20 40 60 80 100 120 Compressive Strength (MPa) Damineli, Kemeid, Aguiar; John Measuring the eco-efficiency of cement use. Cement & Concrete Composites, p. 555-562, 2010 2X Concreto dosado em Central Muito mais ecoeficiente que o misturado em obra. Brasil: <20% do cimento Países desenvolvidos: > 80% Sustentabiliade exige a substituição do concreto misturado sem controle. 27
Minimizando o Consumo de ligante Teor de ligante não influencia a durabilidade Wassermann, Katz and Bentur, Minimum cement content requirements: a must or a myth?, Mater Struct 42 (7) (2009), pp. 973 982 Dhir, McCarthy, Zhou and Tittle, Role of cement content in specifications for concrete durability: cement type influences, Proc ICE Struct Build 157 (2) (2004), pp. 113 127. Minimizando o Consumo de Ligante Mínimo possível atual: ~5kg /m - ³.MPa -1 fck: 50MPa já é possivel e praticado fcj < 50MPa Não é atingido na pratica Existe necessidade de finos 28
Concretos < 50MPa Novos Cimentos Teor de filler f(aplicação e fcj) Garantia da hidratação dos ligantes Produtos pré-misturados Argamassas industrializadas Substituição do concreto dosado em obra Dispersantes de alta eficiência Novos paradigmas de dosagem Empacotamento de agregados Redução da variabilidade (água/cimento) Minimizando o Consumo de Aglomerante Mínimo futuro : <5kg /m - ³.MPa -1 Controle granulométrico: Garantir reação completa dos aglomerantes Minimizar a água para trabalhabilidade Empacotamento Dispersantes adicionados no cimento Novos aglomerantes c/ maior água combinada Melhoria de processamento 29
Ci (kg/m³.mpa) 31/08/2010 Intensidade de CO 2 Ci literaturedata (estimative) 30 25 Brazil International 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Compressive Strength (MPa) Mitigação do CO 2 Redução do consumo de ligante Substituição do clínquer p Reatividade é importante Pozolanas artificiais Vidros... Novos ligantes, sem clínquer (nichos...) 30
PROCESSAMENTO Betoneiras: uma idéia de 120 anos 31
Tendências em Processamento Mistura em dois estágios Dispersão da pasta, com alta energia Homogeneização com os agregados, em betoneira convencional Ganho: 10-15% na resistência Dispersor de Pasta 32
Projeto da Trabalhabilidade Projeto da Reologia 33
EXEMPLOS DE PRODUTOS INOVADORES 34
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Reciclagem dos resíduos de Construção ceramics Natural rock mortar concrete Santo André-SP Recycling plant 12 days x 4 samples/day Agregados 35
Specific gravity (kg/dm³) above 2.5 2.2-2.5 1.9-2.2 1.7-1.9 below 1.7 Specific gravity (kg/dm³) lower than 1.7 up to 2.5 2.2 to 2.5 1.9 to 2.2 1.7 to 1.9 31/08/2010 Separação por Densidade de Agregados Reciclados D < 1.9g/cm³ 1.9<D <2.2 g/cm³ 2.2 <D <2.5 g/cm³ D >2.5 g/cm³ Distribuição de massa específica coarse grey coarse red fine grey fine red 0% 10% 20% 30% 40% 50% 10% 20% 30% 40% 50% Weight fraction Weight fraction ANGULO, S. C. ; JOHN, V. M. ; ULSEN, C. ; KAHN, H. ; CINCOTTO, M. A.. Chemical mineralogical characterization of C&D waste recycled aggregates from São Paulo, Brazil. Waste Management (Elmsford), v. 29, p. 721-730, 2009. 36
Compressive strength (N/mm²) 31/08/2010 Efeito da densidade na resistência mecânica 50 40 30 cement (kg/m³) w/c 0.4 500 400 300 w/c 0.5 w/c 0.67 20 10 0 100% replacement Natural aggregate 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 Envelope density (kg/dm³) ANGULO, S. C. ; CARRIJO, P. M. ; FIGUEIREDO, A. D. ; CHAVES, A. P. ; JOHN, V. M.. On the classification of mixed construction and demolition waste aggregate by porosity and its impact on the mechanical performance of concrete. Materials and Structures, v. 43, p. 519-528, 2010 Agregados Reciclados: aplicação potencial 37
Reciclagem: outras tendências Novos tratamentos Liberação por tratamento térmico & descarga elétrica Novos processos de britagem e separação Reciclagem dos finos como aglomerante Concreto reciclavel : redução da ligação pastaagregado Concreto fotocatalítico autolimpante Auto-limpante. Limpa o ar. Dives in Misericordia Tese Flávio Leal Maranhão, Poli USP 2009 38
Natureza: Componentes com Propriedades Variáveis Materiais cimentícios com propriedades graduadas 39
Flexural stress (MPa) 31/08/2010 Materiais cimentícios com propriedades graduadas 16 14 12 Graduado 1.07% fibras 10 8 6 4 2 Homogêo: 1.8% fibras 0 0 2 4 6 8 10 Deflection (mm) Dias, C.M.R. ; SAVASTANO JR, H. ; John, V.M.. Exploring the potential of functionally graded materials concept for the development of fiber cement. Construction & Building Materials, v. 24, p. 140-146, 2010. Concreto C/Resistência Graduada 20MPa 40 MPa 20 MPa 40 MPa 40 MPa 20 MPa 40 MPa 20 40 40-20 40-20-40 IC Rafael Kurusu (a ser publicado) 40
Resistência à Flexão 4 pontos 40-20-40 40-20 40 20 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 Intensidade de CO 2 40-20-40 40-20 40 20 0 10 20 30 40 50 60 CO2 (kg/m -3.MPa -1 ) 41
Componentes extrudados Imprimindo o Concreto 42
10-meter-tall structure http://press.dshape.com/index.php?flag=2.1&id=81 43
http://www.contourcrafting.org/ 44
Elevando a resistência do concreto http://www.imagineductal.com 45
Materiais de Mudança de Fase MMF encapsulados Controle do calor de hidratação Controle da inércia térmica 46
Conclusões Produtos cimentícios: ganho de mercado Inovação: Ecoeficiência Aplicação da ciência Agregação de valor Ganho de competitividade Poli USP: parceira da indústria 47
Escola Politécnica da USP Depto. Eng. Construção Civil john@poli.usp.br 48