TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS PARA HABITAÇÃO:

O USO DE CINZAS RESIDUAIS PARA PRODUÇÃO DE NOVOS MATERIAIS E COMPONENTES CONSTRUTIVOS

CALDAS, Aluizio

Eng. Civil POLI/UPE. Mestrando em Enga. de Construção Civil e Urbana da Escola Politécnica da USP.

e-mail: alcaldas@pcc.usp.br

MELO NETO, Antônio Acácio

Eng. Civil POLI/UPE. Mestrando em Enga. de Construção Civil e Urbana da Escola Politécnica da USP.

e-mail: antonio.neto@pcc.usp.br

JOHN, Vanderley M.

Prof. Dr. do Departamento de Engenharia de Construção Civil e Urbana da Escola Politécnica da USP.

e-mail: vmjohn@pcc.usp.br

PIRES SOBRINHO, Carlos Welligton de A.

Prof. MSc. do Departamento de Engenharia Civil da Escola Politécnica da UPE.

e-mail: carlos@itep.br

Resumo

O objetivo do trabalho é avaliar a possibilidade de utilização de cinza proveniente da indústria da cana-de-açúcar (ICA) para emprego como material pozolânico, em adição ou substituição parcial ao cimento Portland, visando a produção de materiais e componentes alternativos para o sub-setor da construção civil, tendo como diretriz principal a necessidade da redução dos custos construtivos.

Foi realizado um levantamento sobre o nível de conhecimento nas pesquisas que abordam a reciclagem de resíduos industriais, concentrando-se na ICA, além dos fatores a serem considerados na introdução de uma nova tecnologia no mercado. A revisão da literatura enfoca também a avaliação da quantidade desse resíduo gerado nas diversas regiões brasileiras, sua caracterização e a importância e necessidade de reciclá-los; levou-se em conta suas possíveis aplicações e a viabilidade técnica e econômica desta reciclagem considerando fatores que dificultem ou facilitem sua aplicação.

Os experimentos, baseados na caracterização mineralógica e na avaliação comparativa de propriedades físicas e mecânicas do material, mostraram a viabilidade da utilização

da cinza de bagaço de cana-de-açúcar para os fins propostos. Os resultados obtidos mostraram-se compatíveis com os obtidos a partir da cinza de casca de arroz, material de reconhecida atividade pozolânica.

Abstract

This research analyses the possibility of utilisation of sugar cane bagasse ash on pozolanic materials, in addition or in partial replacement on Portland cement, to production of materials and alternative components to civil construction.

There were a revision about recycling of industrial wastes researches, centred in cane industries, and introduction of a new technology in the market. Besides, the revision discuss about quantity, characterisation and importance of recycling of this waste, focus on technical and economical viability.

The experiments based on mineralogical characterisation and comparative analysis of physical and mechanical properties. The viability of the utilisation of sugar cane bagasse ash is showed. The results indicate a pozolanic material, like rusk rice ash.

Introdução

Importância da reciclagem, aspectos e fatores a serem considerados

O déficit habitacional constitui-se atualmente em um dos principais problemas sociais do Brasil. Atualmente estimado em 20 milhões de habitações, ele tende a agravar-se em função do crescimento populacional e dos problemas econômicos vivenciados pelo País. O desenvolvimento de novas tecnologias, a partir de matérias primas alternativas e de processos simplificados, pode ser a solução para o aumento na oferta de habitações. CINCOTTO e KAUPATEZ (1988), avaliando o problema dos países subdesenvolvidos que não podem arcar com uma rápida industrialização, ressaltam a necessidade de uma maior valorização das culturas locais e a intensificação das pesquisas para desenvolvimento da reciclagem de materiais alternativos regionais visando sua utilização em outros setores.

Diversas atividades produtivas geram resíduos que poderiam ser potencialmente utilizados em outros setores industriais, devido à sua disponibilidade de oferta, seus potenciais técnicos e seus custos adequados que, algumas vezes, podem restringir-se apenas ao transporte do material até o local de sua utilização.

A gestão adequada desses resíduos implica na necessidade de se estudar mercados onde seu reaproveitamento seja possível e, por ser o setor industrial que mais consome matérias primas naturais, a construção civil é potencialmente uma grande opção para a utilização de produtos reciclados e sub-produtos industriais (JOHN, 1999). A construção civil é também um dos setores que mais consome energia. O ENBRI (European Network of Bulding Research Institute) referenciado por JOHN (1996) quantifica o valor de energia consumida pela construção civil em aproximadamente 4,5% do total mundial, sendo 84% dessa energia para a produção de materiais.

O presente artigo discute o uso da cinza residual gerada pela queima do bagaço e da palha de cana-de-açúcar (SCBA e SCSA) utilizando os conceitos propostos por SILVA

et al. (1996) que fundamenta o interesse na reciclagem com base em quatro aspectos: de

ordem econômica, através da redução dos custos para a produção de materiais e

componentes para a construção civil, agregação de valor ao resíduo e diminuição dos

gastos com a construção de aterros; de ordem técnica, a partir da melhoria dos

requisitos de desempenho; de proteção ao meio ambiente, propiciando uma redução na

poluição e uma diminuição na extração de matérias primas;e, por fim, de ordem sócio-

econômica, reduzindo os custos na construção civil, gerando novos empregos e

melhorando socio-economicamente a população envolvida no processo de reciclagem.

A utilização da SCBA e SCSA na construção tende a tornar-se interessante se vista sob a ótica dos aspectos propostos anteriormente. Além de reduzir o custo das argamassas ou concretos produzidos e conseqüentemente do seu componente final, através da adição ou substituição parcial ao cimento Portland, outras vantagens ainda podem contribuir a favor da viabilização de seus usos, a saber: melhoria das propriedades

físicas, mecânicas e microestruturais desses materiais; diminuição da extração de

CaCO3 para a produção de cimento e como conseqüência da emissão de CO2 ao meio

ambiente e redução do consumo de energia para a produção de materiais, dentre outros.

Apenas a título de exemplo, se considerarmos 40 milhões de toneladas como o consumo médio de cimento para os últimos anos no Brasil e sabendo que 60% do cimento é constituído por clinquer Portland que tem como matéria prima principal o CaO (63%), tem-se um valor de emissão de 15 milhões de toneladas de CO2 na atmosfera por ano de acordo com o balanço estequiométrico. O CDIAC referenciado por JOHN (2000) estima que, apesar ser de muito inferior que o volume de gerado pelos automóveis e caminhões, o volume de CO2 emitido pela indústria cimenteira é significativo. No Brasil essa indústria contribui atualmente com aproximadamente 7% das emissões totais.

Um exemplo de resíduo industrial que se firmou como boa opção a adição ou substituição do cimento Portland é a escória de alto forno, resíduo da produção do ferro gusa, de grande disponibilidade no Brasil e que atualmente é utilizada na produção dos cimentos nacionais CP-II E e CP-III, bem como estudos, já em estágios avançados, vêm sendo desenvolvidos objetivando a produção do cimento de escória, concebido sem a utilização de clínquer Portland.

Em um estudo no qual se pretende viabilizar a reciclagem de um sub-produto, alguns pontos importantes devem ser considerados. Desta forma o projeto de reciclagem adquire um atrativo tanto para o produtor, que resolveria seu problema com a disposição do resíduo tornando-o economicamente viável, quanto para a sociedade e o meio ambiente, que seriam assim, poupados dos problemas decorrentes de sua má disposição. Ainda sobre o assunto, THE ECONOMIST (1993) apud JOHN (1999) quantificou entre US$ 30 e US$ 60 por tonelada os custos dos países desenvolvidos com a deposição de resíduos de construção e demolição (C & D) em aterros controlados. No Brasil, considerando a cidade de São Paulo como exemplo, PINTO apud JOHN (2000) cita o valor para a deposição desses resíduos variando entre US$ 5,4/t e US$ 14,8/t em aterros legalizados. No entanto, para que a reciclagem se torne viável e atrativa, alguns parâmetros devem ser avaliados, os quais podem torná-la mais atrativa ou não, entre outros podemos citar: disponibilidade e tipos de resíduos na região, características

intrínsecas do resíduos, campos de aplicação de acordo com potencial técnico,

avaliação do mercado que poderá recebê-lo, economia de combustível para a

confecção de produto similar e necessidade de transporte do resíduo até o local de sua

aplicação. Cada um desses fatores poderá contribuir de forma positiva ou não para que a reciclagem se concretize e, portanto, deverão ser avaliados hierarquicamente para se tomar uma decisão embasada em critérios sólidos, a fim de que os argumentos defendendo uma política de reciclagem sejam convincentes e a idéia seja comercialmente atrativa. Outros fatores como a sazonalidade na produção do resíduo e um estudo de logística adequado para implementação do processo de reciclagem também são importantes.

A ICA no Brasil, caracterização e quantificação dos resíduos gerados e suas aplicações potenciais

A ICA é, de acordo com dados obtidos junto ao IBGE, um dos setores da agricultura que mais se destaca em área de plantio e em produção. Estima-se que 14% dos solos cultivados no Brasil estejam ocupados com esta cultura.

As figuras seguintes apresentam dados destacando a produção nacional nos últimos anos, inclusive os da safra do ano corrente, ainda não fechada, e sua distribuição geográfica.

Figura 1 – Evolução da quantidade de cana-de-açúcar (x 106 ton.) plantada no Brasil na década de 90. (Fonte: IBGE)

Figura 2 – Distribuição da produção de cana-de-açúcar no Brasil por Estados (Fonte: IBGE)

Figura 3 – Distribuição da produção de cana-de-açúcar no Brasil por região (Fonte: IBGE)

O conhecimento do funcionamento do processo permite ao agente atuar na sua gestão, de forma a atingir os objetivos principais na hierarquia de um processo de reciclagem, ou seja, entendendo o processo, pode-se propor, nesta ordem, as seguintes opções: Reduzir, Reutilizar, Reciclar, Regulamentar ou Aterrar o resíduo, atendendo à alternativa mais viável técnica e economicamente. A figura a seguir apresenta um fluxograma simplificado da produção de açúcar e álcool a partir da cana-de-açúcar mostrando os resíduos gerados nas etapas dos processos.

Figura 4 – Fluxograma simplificado da produção de açúcar e álcool apresentando os resíduos gerados em seus respectivos processos.

No caso da cana-de-açúcar, providências podem ser tomadas visando uma diminuição na geração e uma reciclagem dos resíduos, através da otimização dos processos como o de colheita e de geração de energia através da queima do bagaço.

Ações simples como a adoção de colheitadeiras no processo, em substituição às queimadas atualmente praticadas e adaptação dos fornos de geração de energia a partir de bagaço, poderiam ser convertidas em resultados econômicos e ambientais satisfatórios.

Como pode ser observado, a ICA gera resíduos primários, caso da palha e do bagaço da cana e secundários, como as cinzas da sua queima. A palha da cana não tem aproveitamento, constituindo-se ainda em elemento indesejável no processo de colheita, pois suas características cortantes inviabilizam a colheita manual. Sendo assim, ela é queimada previamente, gerando uma cinza (SCSA), como resíduo secundário. O bagaço, após ser extraído todo o seu caldo, é utilizado para gerar vapor nas caldeiras das usinas. Dessa queima surge o outro resíduo secundário do processo, a SCBA.

Os processos de queima da lavoura da cana têm sido gradativamente substituídos devido aos seus impactos ambientais. No Estado de São Paulo este sistema já está praticamente abolido e novas utilizações devem ser pensadas para a palha, disponível em grande quantidade, visto que ela representa aproximadamente 5% da massa colhida de cana.

Proveniente da moagem da cana, o bagaço teve sua composição estimada por SALYER e USMANI (1982) em 40% de celulose, 30% de hemicelulose e 15% de lignina. Da massa inicial de cana, tem se um valor variando entre 25% e 3% de bagaço úmido em função da região de plantio (CINCOTTO e KAUPATEZ, 1988). Este bagaço é utilizado como combustível para as caldeiras geradoras de vapor. Sobre o assunto, matéria publicada no Jornal do Comércio (www.jc.com.br), assinada por PERES (1999) se refere ao bagaço como "um combustível não poluente, pois o volume de gás carbônico

produzido na sua combustão é o mesmo absorvido pela cana durante o seu

crescimento, que o transforma em oxigênio durante o processo de fotossíntese". Tal

processo, ainda segundo o autor, pode ser desenvolvido de duas maneiras: "através de

combustão subestequiométrica e por aquecimento indireto".

SARMIENTO apud VALENCIANO (1999) estudou o aproveitamento do bagaço da cana como reforço fibroso para a produção de um material de construção alternativo, esbarrou porém, na já conhecida incompatibilidade entre as fibras vegetais e o meio alcalino das pastas de cimento Portland hidratado que provoca, entre outras coisas, a perda de resistência das fibras. Soluções alternativas, como o uso de cimentos de baixa alcalinidade vem sendo propostas e já apresentam bons resultados publicados recentemente (AGOPYAN e JOHN, 1997; SAVASTANO Jr, 2000).

A SCBA foi quantificada como sendo da ordem de 0,5% em relação à massa inicial do bagaço. Esta cinza, assim como a da palha não tem utilização definida e é usada sem parâmetro algum como corretivo de solo (CINCOTTO, 1988).

JOHN (1997) afirma que, apesar de apontadas como reativas pelo trabalho de CINCOTTO e KAUPATEZ (1988), as cinzas de turfa e de bagaço de cana ainda permanecem praticamente inexploradas.

O estudo de HERNANDEZ et al. (1998) foi talvez o primeiro a avaliar as cinzas sob o ponto de vista científico, a partir de análise química, mineralógica e termogravimetria, além da hidratação de misturas cinza-cal e cinza-cimento. Os resultados da análise química apresentaram teores de sílica da ordem de 70% para as SCBA e RHA e 60% para as SCSA. Esses valores são compatíveis com os encontrados na literatura. Entretanto, os valores achados para o CaO estão acima dos descritos em trabalhos anteriores Concluiu-se então que estas cinzas podem ser adequadas à produção de aglomerantes alternativos. Deve-se atentar também para os valores preocupantes encontrados para os álcalis solúveis, entre 4% e 5%, que podem limitar o emprego dessas cinzas. Os ensaios do autor também apresentaram altos valores de carbono residual, indicando uma queima deficiente do material.

Os resultados dos ensaios mineralógicos, apresentados a seguir, sugerem a presença de produto hidratado estável (C-S-H) em pastas de cinza-cal, comprovando a atividade pozolânica da cinza.

Material Idade Fases detectadas SCBA SCSA

Cinza original ---- Quartzo, cristobalita e calcita Quartzo, cristobalita e calcita Pasta hidratada 7 dias Quartzo, cristobalita, calcita, C-S-H e

portlandita Quartzo, cristobalita, calcita, C-S-H e portlandita

Pasta hidratada 28 dias Quartzo, cristobalita, calcita, C-S-H e portlandita

Quartzo, cristobalita, calcita e C-S-H

Pasta hidratada 43 dias Quartzo, cristobalita, calcita, C-S-H e portlandita

Quartzo, cristobalita, calcita e C-S-H

Figura 5 – Resultados da caracterização das SCBA e da SCSA e de pastas hidratadas de cinza-cal a diversas idades determinada por DRX (HERNÁNDEZ et al., 1998)

Programa experimental

O programa experimental foi concebido de forma reduzida, em virtude do caráter do trabalho, e objetivando desenvolver estudos comparativos entre argamassas produzidas a partir das SCBA e as RHA, material de reconhecida atividade pozolânica.

O traço utilizado foi o 1:3 em massa, proporção cimento:areia, com consistência fixada em 250 ± 10mm através do ensaio na mesa de consistência (NBR 13276, 1995). O cimento utilizado foi o CP-II F32 e a areia lavada de rio, com módulo de finura 1,76 de acordo com a NBR 7217 (1987).

Corpos de prova de formato prismáticos de dimensões 4cmx4cmx4cm foram utilizados para os ensaios mecânicos de resistência à compressão. Foi realizada cura úmida por 7 dias seguida de cura em ambiente de laboratório a 27ºC de temperatura média e umidade relativa em torno de 80%. Após isso, os corpos de prova foram rompidos aos de 28dias, 56dias e 112dias. Para os ensaios físicos de absorção utilizou-se placas com dimensões 12cmx12cmx1,5cm. Os Resultados dos ensaios de absorção foram obtidos por diferença de massa entre os CPs secos ao ar e após imersão completa por 24 horas em água.

As SCBA foram coletadas dos fornos das usinas e não sofreram qualquer tratamento prévio, a exceção de peneiramento. A cinza de casca de arroz foi produzida através da queima da casca em mufla a 600ºC e posterior moagem em moinhos de bolas seguido de peneiramento. As frações utilizadas em ambas as cinzas foi a passante na peneira de nº 200, de abertura de malha igual a 0.075mm.

Os teores de cinza empregados foram 0%, 1%, 3%, 5%, 10% em adição ao cimento.

Ensaios de DRX, utilizando radiação de CuKα foram realizados para caracterização dos compostos presentes nas cinzas estudadas.

Resultados e discussões

Nos dois difratogramas observa-se o halo amorfo devido à fase vítrea da cinza com máximo em 23ºθ e um pico acentuado em 27ºθ devido à presença de uma espécie cristalina, provavelmente o quartzo. Os resultados são similares ao apresentados por HERNANDEZ et al.(1998).

Figura 6 – Difração de raio-X da RHA

Figura 7 – Difração de raio-X da SCBA

As figuras 8 e 9 que mostram a variação da resistência à compressão em função do aumento do teor de cinza (SCBA e RHA). Houve uma necessidade de se aumentar a relação a/c para que a consistência fosse mantida constante. Isto ocorreu devido a alta finura das cinzas, que requereu um aumento na água de molhagem dos grãos.

Figura 8 – Variação da RC em função do aumento do teor de RHA

Para valores de até 5%, a presença da cinza mostrou-se eficiente no aumento da resistência à compressão. Isto pode ser explicado pelo efeito filler. Acima dos 5% o aumento na a/c sobressaiu-se frente ao efeito filler, fazendo com que a RC caísse. As SCBA e RHA tiveram comportamento semelhante tanto nos ensaios de RC, quanto nos de absorção.

Figura 9 – Variação da RC em função do aumento do teor de SCBA

Os resultados apresentados nas figuras 10 e 11 expressam uma queda na absorção em função do aumento do teor de cinza, que pode ser explicada pela queda na porosidade do sistema, também devido ao efeito filler.

Figura 10 – Variação da absorção em função do aumento do teor de SCBA

A incorporação da cinza aumentou a compacidade da argamassa para todas idades e teores de cinza. O acréscimo foi mais perceptivo para as idades de 56 dias e 112 dias, sendo um indício de que pode ter havido reação pozolâncica entre a portlandita presente e a cinza. Esta diminuição na absorção foi mais acentuada para a SCBA.

Figura 11 – Variação da absorção em função do aumento do teor de RHA

Conclusões

Os resultados obtidos nos experimentos, aliados às referências encontradas na bibliografia disponível, mostram a viabilidade do emprego da SCBA como adição ao cimento devido à sua atividade pozolânica. Os ensaios de DRX da SCBA mostraram a presença de sílica amorfa, confirmando essa viabilidade e mostrando a semelhança de resultados entre as SCBA e as RHA. Ensaios quantitativos dever ser levados a efeito.

A semelhança entre os resultados alcançados pelas SCBA e RHA nos ensaios de RC e absorção indicam que a SCBA pode ter atividade pozolânica similar a da RHA.

Deve ser dado prosseguimento ao estudo objetivando a realização de ensaios químicos para confirmação da composição da cinza e quantificação dos seus compostos. Atenção especial deve ser dada ao percentual de álcalis sóluveis, como K2O, Na2O encontrados nas cinzas, que podem inviabilizar seu emprego. A influência do solo nesta composição deve ser investigada. O teor de cálcio também deve ser quantificado visto que o valor sugerido por HERNANDEZ et al. (1998) está bem acima dos encontrados para as SCBA nacionais (CINCOTTO, 1988).

Ensaios mais refinados para determinação da superfície específica e porosidade superficial da SCBA devem ser realizados. Os resultados auxiliarão na escolha de uma área específica adequada ao emprego da cinza. Outros ensaios físicos e mecânicos, avaliando propriedades como a massa específica e a porosidade das argamassas devem ser feitos. Ensaios substituindo um percentual de cimento por cinza e fixando-se a relação a/agl também são recomendados.

Os processos de queima na colheita e obtenção de energia a partir do bagaço devem ser revistos. A adoção de colheitadeiras poderá contribuir para o aumento na produtividade da e viabilização da reciclagem da palha da cana. A queima da palha e do bagaço conjuntamente para a geração de vapor pode ser otimizada. O emprego de fornos de leito fluidizado com tempo de residência do material e temperatura controlada do forno pode melhorar o processo e ao mesmo tempo, possibilitar a extração de uma cinza de boas características.

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