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TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
QUÍMICA – BACHARELADO EM QUÍMICA TECNOLÓGICA
RAFAEL DE CARVALHO ELLER
ESTUDO DA APLICAÇÃO DE CINZAS DA CASCA DE ARROZ NA
OBTENÇÃO DE GEOPOLÍMEROS
CAMPO GRANDE – MS
2013
ii
RAFAEL DE CARVALHO ELLER
ESTUDO DA APLICAÇÃO DE CINZAS DA CASCA DE ARROZ NA
OBTENÇÃO DE GEOPOLÍMEROS
Trabalho de conclusão de Curso apresentada a
Fundação Universidade Federal de Mato Grosso
do Sul, como requisito parcial para a obtenção do
título de Química – Bacharelado em Química
Tecnológica.
ORIENTADOR PROF. DR. SÉRGIO CARVALHO DE ARAÚJO
CAMPO GRANDE – MS
2013
iii
iv
AGRADECIMENTO
Agradeço a Deus, primeiramente, por me dar força e coragem durante toda minha jornada na
universidade.
A minha mãe por me incentivar e me ajudar a crescer na vida, mesmo passando por
dificuldades (como a morte do pai quando só tinha 12 anos de idade). Eu agradeço a Deus por
tê-la como uma amiga, uma companheira na minha vida desde quando nasci, me cuidando nas
horas das doenças, das alegrias e tristezas. TE AMO MUITO MÃE!
A meu pai, que faleceu quando eu era novo, por me dar conselhos, me dar um abrigo, a
comida do dia a dia, e mesmo na vida, se esforçando para me fazer feliz. Te vejo como um
HERÓI pela suas batalhas e pelo exemplo de homem que o senhor era. OBRIGADO POR
TUDO PAI! Eu sou um homem muito realizado, por que hoje eu estou crescendo
profissionalmente por causa das ações feitas pelo senhor e pela mãe. AMO MUITO PAI!
Ao Prof. Dr. Sérgio Carvalho de Araújo pelo acompanhamento da minha monografia, dando a
rumo ou a orientação para que esse trabalho de conclusão de curso fosse realizado e pela
paciência.
Aos Professores (a) Odilar Costa Rondom e a Sandra Regina Bertocini por orientar e explicar
os procedimentos, além de se disponibiliza para ser banca da minha monografia.
Aos técnicos de laboratório do CCET, Israel e Sr. Ernesto
v
A Química da Fabrica de Cimento da CAUE Pamela Glajchman por realizar a análise de
fluorêcencia de raio-x da amostra da cinza da casca de arroz.
Aos amigos Marcus Vinicius, Daniel, Ivan, Marcus Oliveira, Priscila, Gabi, Talita, Jessica,
Miuki, Fugita por estar sempre presente nas brincadeiras e estudos de matérias na faculdade.
vi
“É muito melhor lançar-se em
buscas grandiosas, mesmo expondo-se
ao fracasso, do que alinhar-se com os
pobres de espírito, que nem gozam
muito e nem sofrem muito, por que
vivem numa penumbra cinzenta, onde
não conhecem nem a vitória, nem
derrota”
Theodore Roosevelt
vii
RESUMO
A policondensação de monômeros a partir dos materiais alumino-silicatos amorfos em razão
adequada, sintetizada a temperatura ambiente por meio de reações de um sólido a base de
sílica e alumínio e solução de base hidróxiladas são nomeados de geopolímeros. A partir da
reação alcançada, podem-se obter produtos com propriedades em termos de resistência
mecânica e durabilidade. No Brasil existem poucos trabalhos desenvolvidos utilizando
resíduos como fonte primaria para produção de materiais geopolímericos. O arroz, material
que possui proporção elevada de sílica na sua cinza da casca, é um dos cereais mais
consumidos no mundo e no Brasil é muito produzido no estado de Rio Grande do Sul. A
casca do arroz, no final do processo de produção, é descartada, pois o material não possui
nenhum valor econômico. A casca de arroz foi utilizada na produção de cinzas utilizadas na
produção de pasta monocomponente catalisada com solução de hidróxido de sódio nas
concentrações de 5 mol.L-1
e 10 mol.L-1
para formar um produto polimérico inorgânico.
Dois tipos de tratamento térmicos foram utilizados: queima em uma fornalha e queima em
uma fornalha seguida de calcinação em mufla a 6000C. As massas geopoliméricas produzidas
com as cinzas formadas foram colocadas em formas prismáticas e depois submetidas a testes
de resistências mecânicas. O resultado obtido foi um material sem nenhuma resistência,
porém com características de um material aderente e elastômero.
Palavras-chaves: geopolímero, resíduo, cinza de casca de arroz
viii
ABSTRACT
The polycondensation of monomers as materials for amorphous alumino-silicates
suitable ratio, temperature synthesized by the reaction of a solid silica-based and aluminum
hydroxylated base solution are named geopolymers. From the reaction reached, can be
obtained product with properties in terms of mechanical strength and durability. In Brazil
there are few studies developed using waste as a primary source for the production of
materials geopolymeric. Rice, material that has a high proportion of silica in its husk ash, is
one of the most consumed cereal in the world and Brazil is much produced in the state of Rio
Grande do Sul rice husk at the end of the production process, is discarded because the
material has no economic value. Rice husk was used to produce ashes used in the pulp
monolithic catalyzed with sodium hydroxide solution at concentrations of 5 mol.L-1
and 10
mol L-1
to form an inorganic polymer product. Two types of heat treatments were used:
burning in a furnace and burned in a furnace followed by calcination in an oven at 6000C. The
pasta produced geopoliméricas formed with the ashes were placed in prismatic shapes and
then tested for mechanical strength. The result was a material with no resistance, but with
characteristics of an adhesive material and elastomer.
Keywords: geopolymers, residue, rice husk ash
ix
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
TG – Termogravimétria
DTG – 10
Derivada Termogravimétrica
CCET – Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
CCA – Cinza de Casca de Arroz
CCAP – Cinza de Casca de Arroz Preto ou Cinza de Casca de Arroz não Queimado a 6000C
CCAB - Cinza de Casca de Arroz Branco ou Cinza de Casca de Arroz Queimado a 6000C
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classe N: Pozolânas naturais e artificiais (argilas calcinadas); Classe C: Cinzas
volantes e materiais resultantes da queima do carvão; Classe E: O que não se enquadra nas
classes N e C; 8
Tabela 2 - Exigências Físicas; 9
Tabela 3 - Atividade Pozolânica Chapelle modificado para metacaulim e sílica ativa; 12
Tabela 4 - Distribuição granulométrica da casca de arroz em massa de 100.03g total; 35
Tabela 5 - Teor em porcentagem de massa dos compostos na CCAB e CCAP; 38
Tabela 6 - Teor de porcentagem de massa dos compostos na escória; 39
Tabela 7 - Valores em gramas e mililitros utilizados no ensaio; 43
Tabela 8 - Valores médios em gramas e mililitros utilizados no ensaio; 44
Tabela 9 - Valor do Índice de Pozolânicidade das amostras CCAP e CCAB; 44
Tabela 10 - Massa Especifica do CCAP e CCAB; 45
Tabela 11 - Ensaio de Consistência do CCAB; 47
Tabela 12 - Ensaio de Consistência do CCAP ; 48
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Figura 1 – Fornalha com leito fixo e paredes feitas de tijolos refratados para
queima da CCA; 5
Figura 2 – Fluxograma da produção da casca de arroz; 6
Figura 3 - Montagem do sistema para ensaio de Chapelle modificado; 11
Figura 4 - Esquema da radiação da DRX em uma amostra; 13
Figura 5 - Esquema de caixas de um processo de reação de geopolimerização; 15
Figura 6 - Expressão empírica da matriz polimérica; 15
Figura 7 - Esqueleto tetraédrico do aluminosilicato; 16
Figura 8 – Fornalha experimental; 19
Figura 9 - CCA sem ser retirada da fornalha; 20
Figura 10 - CCA obtida pela queima no tonel e separada para melhor visualização da cinza;
20
Figura 11 - CCA queimada a 6000C; 21
Figura 12 – Introdução da CCA; 21
Figura 13 - Parte inferior do moinho de bolas; 22
Figura 14 - CCA calcinada a 6000C e moída durante 4 horas; 22
Figura 15 - CCA não calcinado a 6000C e moído durante 4 horas; 23
Figura 16 - Peneiras e equipamento de vibração; 24
Figura 17 - Esquema de montagem de um equipamento de fluorescência de raio-x; 25
Figura 18 - CCA sendo agitada com temperatura a 900C; 26
Figura 19 - Titulação da CCA já aquecida e agitada durante 16 horas; 26
Figura 20 - Frasco de Le Chatelier; 27
Figura 21 - Termômetro de agulha digital; 27
Figura 22 – Estufa; 29
Figura 23 - Misturador marca Eberle, modelo c3010; 30
xii
Figura 24 - Pasta monocomponete produzida do CCA queimado a 6000C; 31
Figura 25 - Pasta monocomponente produzida do CCA não queimado a 6000C; 31
Figura 26 - Mesa de Consistência; 32
Figura 27 - Corpo de prova do monocomponete não queimado a 6000C; 33
Figura 28 - Corpo de prova do monocomponente queimado a 6000C; 33
Figura 29 - Aparelho de análise de resistência; 34
Figura 30 - Curva Granulométrica; 36
Figura 31 - Espectro de Infravermelho da CCAB ou CCA queimado a 6000C; 37
Figura 32 - Espectro de Infravermelho da CCAP ou CCA não queimado a 6000C; 37
Figura 33 - 10 Derivada da Análise Termogravimétrica da CCAB; 40
Figura 34 - 10 Derivada da Análise Termogravimétrica da CCAP; 41
Figura 35 - Análise termogravimétrica da CCAB; 41
Figura 36 - Análise termogravimétrica da CCAP; 42
Figura 37 - Porcentages de perdas de água do CCAP; 45
Figura 38 - Poncentagens de perdas de água do CCAB; 46
Figura 39 - % de PF das Cinzas queimadas a 4500C; 46
Figura 40 - CCAP depois de ser aplicada força axialmente; 49
xiii
SUMÁRIO
RESUMO vii
ABSTRACT viii
LISTA DE ABREVIATURAS ix
LISTA DE TABELAS x
LISTA DE FIGURAS xi
1. INTRODUÇÃO 1
1.2 VALOR DA PESQUISA 1
1.3 OBJETIVO 2
1.3.1 Objetivo geral 2
1.3.2 Objetivo específico 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3
2.2 CINZA DE CASCA DE ARROZ 3
2.2.1 Características da Cinza da Casca de Arroz (CCA) 3
2.2.2 Produção da Cinza Casca de Arroz (CCA) 5
2.2.3 Aproveitando da CCA como Matéria-Prima 6
2.3 POZOLANA 7
2.3.1 Definição 7
2.3.2 Categorização 8
2.3.3 Técnicas de Determinação de Índice de Pozolânicidade 9
2.4 GEOPOLIMERIZAÇÃO 14
2.4.1 Definição 14
2.4.2 Vantagens da Geopolimerização 16
xiv
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL 18
3.2 MATERIAIS E REAGENTES 18
3.2.1 Casca de Arroz 18
3.2.2 Reagentes 18
3.3 MÉTODOS 19
3.3.1 Obtenção da Cinza da Casca do Arroz 19
3.3.2 Preparo da CCA 21
3.3.3 Análise Granulométrica 23
3.3.4 Análise de Infravermelho (FT-IR) 24
3.3.5 Análise de Fluorescência de Raio-X 24
3.3.6 Determinação do Índice de Pozolânicidade 25
3.3.7 Determinação da Massa Específica 26
3.3.8 Determinação de Umidade 28
3.3.9 Ensaio de Perda ao Fogo 29
3.3.10 Análise Termogravimétrica (TG) 29
3.3.11 Produção da Pasta Monocomponete 30
3.3.12 Análise de Consistência da Pasta Geopolimérica 32
3.3.13 Resistência à Flexão 32
3.3.14 Resistência à Compressão Axial 34
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 35
4.2 ANÁLISE GRANULOMÉTRICA 35
4.3 ANÁLISE DE INFRAVERMELHO 36
4.4 ANÁLISE DE FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X 38
4.5 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TG) 40
4.6 DETERMINAÇÃO DE ÍNDICE DE POZOLÂNICIDADE 43
4.7 DETERMINAÇÕES DE MASSA ESPECÍFICA 45
xv
4.8 DETERMINAÇÃO DE UMIDADE 45
4.9 ENSAIO DE PERDA AO FOGO 46
4.10 PRODUÇÃO DA PASTA MONOCOMPONENTE 47
4.11 ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DA PASTA GEOPOLIMÉRICA 47
4.12 RESISTÊNCIAS A FLEXÃO E A COMPRESSÃO AXIAL 48
5. CONCLUSÃO 50
6. REFERÊNCIAS 52
1
1. INTRODUÇÃO
1.2 VALOR DA PESQUISA
As atividades industriais geram inúmeros resíduos poluindo e contaminando o meio
ambiente, além de impactar a saúde pública da população, quando sofre efeitos de ações
inadequadas de gerenciamento.
Sob esse ponto de vista, as técnicas de processamento e beneficiamento de cada
localidade de interesse estão sendo estudas para melhor aperfeiçoamento, introduzindo novas
posturas frente ao uso dos recursos naturais, diminuindo consumo e adicionando tecnologia
limpa, assegurando a integridade do ambiente natural.
A adição de resíduos inorgânicos em matriz cimentícia, como cimento Portland, tem
gerado vários estudos. Esses materiais particulados, que possuem alumina-silicato, melhoram
a resistência mecânica de argamassas e concretos de cimento Portland, consequentemente,
atribuindo um tempo maior de desgaste desse material, ou seja, aumentando a durabilidade.
A queima da casca de arroz propicia na produção de cinza. Esse resíduo contém
silicatos em maior proporção, entre seus componentes, apresentando características
pozolânicas, isto é, sozinha não possui valor aglomerante, porém moído em presença de uma
base, forma um material polimérico, que são chamadas de reações de geopolimerização. Nem
todas as pozolanas formam materiais geopoliméricos, entretanto a cinza da casca de arroz tem
estrutura compatível para ser realizada a reação.
O termo geopolímero foi introduzido por Davidovits na década de 70 para mostrar a
ligação do oxigênio entre o silicato e alumínio em determinada condição físico-química de
uma reação de um material alumino-silicato amorfa (TEIXEIRA A. P., 2006).
Outra condição favorável à utilização de reação geopolimérica é a não liberação de gás
CO2 na atmosfera, pois todo material que contêm carbono, ao queimar, libera grandes
quantidades de CO2 para a atmosfera. O excesso dela causa o aumento do aquecimento
global, pela formação de efeito estufa (Word Business Council, 2002).
2
1.3 OBJETIVO
1.3.1 Objetivo geral
Esta pesquisa tem como finalidade investigar a aplicação da casca de arroz na
obtenção de materiais geopoliméricos para a aplicação na construção civil.
1.3.2 Objetivo específico
As principais metas para a pesquisa serão:
I. Analisar comportamento físico-químico das CCA proveniente das variações de
temperatura de queima aplicada e ao se adicionar diferentes concentrações de bases;
II. Produzir um aglomerante totalmente feito de cinca de casca de arroz (CCA);
III. Moldagem em prismas para posterior rompimento;
3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.2 CINZA DE CASCA DE ARROZ
Um dos resíduos mais abundantes do setor agrícola, possuí um alto poder calorífico e
regularidade térmica, sendo empregada nos processos termoelétricos com a vantagem de
poluir menos do que o carvão.
No Brasil são produzidos arroz, com 11.541.520,00 toneladas em 2012 (IBGE, 2012).
Os outros componentes do arroz como casca, caule e raiz são considerados como materiais
que não possuem nenhuma finalidade econômica, e por seu volume, ajudam a aumentar os
problemas ambientais.
Rio Grande do Sul é um dos maiores produtores de arroz no Brasil, em 2012 colheu
quase nove milhões de toneladas na última safra. Desse total, 20% correspondem à casca
(MALHOTRA; MEHTA, 1996).
Esse resíduo não é inerte e não perigoso à saúde e ao meio ambiente, porém sua lenta
degradação contribui para que fiquem longos períodos de tempo inalterados (REGO, 2004).
Na geração de energia pela combustão da casca de arroz, produz uma cinza residual
quando obtida sem nenhum controle de temperatura (DELLA et al., 2001). Esse resíduo
possui alto teor de sílica e com alta superfície específica (FERREIRA, 1999).
A utilização desse material fecharia o ciclo da industrialização do arroz, gerando uma
produção ideal, que é aquele que não há resíduos, aumentando a lucratividade e diminuindo
poluição ao meio ambiente.
2.2.1 Características da Cinza da Casca de Arroz (CCA)
A cinza da casca de arroz é um material que constitui em sua maioria sílica pura,
quando tratada adequadamente com elevação temperatura, ela se torna um material com
diâmetro médio de partículas inferior a 0.1 μm e amorfo, isto é, altamente reativa segundo a
classificação proposta por Metha (1990).
4
A casca de arroz é composta por um manto lenhosa, resistente e altamente silicosa.
Apresenta 50% de celulose, 30% de lignina e 20% de sílica em base anidra (HUSTON, 1972;
BARTHA e HUPPERTZ, 1974; METHA, 1992).
A variação de cor da cinza da casca de arroz é altamente dependente do teor de
carbono e, consequentemente, com o grau de temperatura aplicada na queima. Quanto mais
escuro maior será o teor de carbono, indicando a presença de matéria orgânica. A cor clara,
por sua vez, indica completa oxidação do material, isto é, não há sinais de resíduos orgânicos
na cinza.
Fator importante para a reatividade desse resíduo é o tempo de queima e aumento de
temperatura do mesmo.
Com o aumento de temperatura, em pressão atmosférica, segundo Subbarao et al
(1973) a cristalinidade da sílica mostra varias formas, ou seja, poliformismo até apresentar a
sílica fundida. As fases são:
I. Quartzo-α;
É considerada a configuração mais estável da cinza a temperatura ambiente. Com
avanço da queima, em 5730C, o Quartzo-α modifica para o Quartzo-β.
II. Quartzo-β;
Ainda nessa forma, o CCA é um material amorfo chegando ao patamar de 8700C.
III. Tridimita;
Nesse ponto o material particulado começa a chegar ao estado cristalino, mudando de
fase para o cristobalita.
IV. Cristobalita;
O resíduo já se torna um material totalmente cristalizado, não reagindo com nenhuma
base para que possa ocorrer polimerização.
Segundo Sugita et al (1992) a melhor temperatura de queima para obter material
amorfo está entre 400 a 6600C. Algumas literaturas dizem que a 700
0C consegue produzir
CCA amorfo, acima desse valor consegue observar pontos cristalinos na amostra.
Outro fator a ser discutido é o tempo de moagem influenciando nas propriedades do
CCA. Ao aplicar o fator moagem, ele provocará diretamente na deformação dos fragmentos
impondo maior compacidade a mistura.
5
Pesquisadores como Prudêncio Jr (2003) constatou que quando maior o tempo de
moagem, maior será o aumento de índice de pozolânicidade. Todavia, em moagens maiores
que quatro horas esse efeito decresce.
2.2.2 Produção da Cinza Casca de Arroz (CCA)
Pesquisadores como Dafico (2001) vêm procurando estudar e realizar a produção de
cinzas com baixo teor de carbono livre, pois os mesmos causam degradação excessiva de
concretos (DAFICO, 2001; WEBER, 2001, SANTOS, 2003). Com isso foram sendo
estudadas novas maquinas com diferentes processos de queima, que a partir dele possa obter
um material de cor mais clara.
Então o autor desenvolveu uma fornalha de leito fixo, apresentando duas chapas de
aço, feita de tijolos refratários com duas câmaras separadas.
Figura 1 - Figura 1 – Fornalha com leito fixo e paredes feitas de tijolos refratados para queima da
CCA;
Fonte: Dafico, 2011
A fornalha funciona da seguinte maneira:
I. Ar é inserido no resíduo de cima para baixo e a ignição da queima é feita por baixo
da casca de arroz.
II. Com o aquecimento e o ar entrando na parte superior do equipamento, os
compostos conseguem calor suficiente para volatilizar, não deixando rastros de
carbono na superfície da cinza.
6
2.2.3 Aproveitando da CCA como Matéria-Prima
No processo industrial do arroz, seja ele para produção de arroz parbolizado e/ou arroz
branco, a casca do arroz é retirada e não utilizada, pois não apresenta valores nutritivos, sendo
inúteis para alimentação humana ou animal.
Figura 2 – Fluxograma da produção da casca de arroz;
Fonte: DARABAS A. M., COOPERJA
Recebimento da Matéria Prima
Limpeza Primária
Secadores
Armazenagem em Silos
Limpeza Secundária
Descascador
Brunidor
Resfriador
Selecionador de Grãos
Brilhador
Empacotamento
Selecionador de Grãos
Carregamento
7
Essa casca de arroz retirada é queimada em termoelétricas gerando uma cinza.
Dependendo da temperatura utilizada, pode-se tornar amorfa ou cristalina.
Em várias literaturas observasse a utilização do CCA. Eles são:
I. Na substituição do cimento e uso em concreto e argamassas (FERREIRA, 1999 e
CASSAL, 2000);
II. Produção de sílica pura (KALAPATHY ET AL, 2000);
III. Adsorventes (MALEK; MAHVI, 2006);
IV. Carga em concreto polimérico (FOLLETO ET AL, 2005);
2.3 POZOLANA
A descrição de várias marcas históricas acerca de construções expõe que os egípcios
foram os pioneiros a utilizarem materiais ligantes. A pirâmide Giza foi feita por ligantes
alcalina a base de alumina-silicato, que ao passar do tempo, pode observar uma reação
polimérica, chamado de geopolimerização. Posteriormente, a cal tornou-se o aglomerante que
difundiu ao longo da historia das civilizações (ALVES, 2002; BARSOUM e GANGULY,
2006).
Com a evolução dos conhecimentos e aprimoramento de alguns materiais foram sendo
descobertos novos aglomerantes, como o cimento Portland, que nos dias atuais, esta sendo
substituído pelas pozolanas novamente, pois o mercado consumidor está exigindo materiais
sustentáveis (COOK, 1986; SANTOS, 2008)
2.3.1 Definição
Historicamente todo material que reagia com a cal na presença de água, a temperatura
ambiente era considerado um material pozolânico. A definição atual foi estendida para todos
os materiais, de diversas origens, que apresentam composição e reatividade semelhante
(MASSAZZA, 1998)
Todo material inorgânico, natural ou artificial, silicoso ou alumino-silicoso que
apresenta forma reativa, ou seja, não apresentando formas cristalinas, finamente moídas e em
8
presença de água, reage com uma base formando um produto resistente (ACI 116-R-00,
2002).
2.3.2 Categorização
A NRB 12653 (1992) classificou em três classes os materiais pozolânicos, apresentado
na tabela 1.
Tabela 1 - Classe N: Pozolânas naturais e artificiais (argilas calcinadas); Classe C: Cinzas volantes e
materiais resultantes da queima do carvão; Classe E: O que não se enquadra nas classes N e C;
Fonte : NBR 12653:1992 – Materiais Pozolânicos
Recomendações Classe N Classe C Classe E
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 %min 70 70 50
SO3 % Max 4 5 5
Teor de Umidade % máx 3 3 3
Perda ao fogo % Max 10 6 6
Alcális disponíveis em Na2O, % máx 1,5 1,5 1,5
9
Tabela 2 - Exigências Físicas;
Fonte : NBR 12653:1992 – Materiais Pozolânicos
Propriedade Classe do Material Pozolânico
N C E
Material retido na peneira 45 μm,
%máx
34 34 34
Índice de atividade pozolânica;
- com cimento aos 28 dias, em
relação ao controle, % min
75 75 75
- com cal aos 7 dias, em MPa 6,0 6,0 6,0
- Água retida, % Max 115 110 110
Um elemento que se pode debater é a classificação dos materiais em função
exclusivamente da origem. Ele não classifica, particularmente, as pozolânas altamente
reativas, como a cinca de casca de arroz (CCA), sílica ativa e a metacaulim.
A pesquisadora Gava (1999) considera que os dados postos pela NBR 12653 (ABNT,
1992) não está relacionada com a propriedade dos materiais. Ela cita que a atividade
pozolânica é influenciada pela quantidade de SiO2 e/ ou Al2O3 amorfos na estrutura e não pelo
limite mínimo de 70% da soma de SiO2 + Al2O3 + Fe2O3. Portanto, é necessário aprimorar as
normas em relação às características químicas, físicas e mineralógicas das adições minerais.
2.3.3 Técnicas de Determinação de Índice de Pozolânicidade
Para ver se há atributos pozolânicos no material, é necessário aplicar métodos capazes
de combinar fatores que não podem ser totalmente controladas.
Existem várias normas aplicando métodos variados para avaliação de pozolânicidade
no Brasil. Eles são diferenciados pela medida direta na variação do teor de hidróxido de cálcio
10
e pela medida indireta que não possui distinção ao ganho de resistência devido ao efeito
químico ou físico.
2.3.3.1 AVALIAÇÃO DIRETA
2.3.3.1.1 MÉTODO CHAPELLE MODIFICADO
Esse método é um dos modelos de avaliação quantitativa de materiais pozolanicos
(RAVERDY et al, 1980). Ele avalia a quantidade de cal adsorvida pela pozolana. Foi
descoberta em 1959 por Chapelle com diferencial de obter resultados em menor tempo, em
relação aos outros métodos. O experimento é feito pela adição de 1g de óxido de cálcio
(CaO), juntamente com 1g de pozolana e 250ml de água deionizada. O sistema é colocada em
aquecimento, a 900C, em agitação mecânica durante 16 horas. Após resfriamento da solução,
em temperatura ambiente, o material é filtrado e depois titulado por uma solução de HCl 0.1
N, calculando no final do ensaio a variação de consumo de óxido de cálcio presente na
amostra, mostrado na equação 1
mg de CaO / g de material = [28.(V3 . m3 – V2 . m4) / m4 . m3 . m2] . Fc (Equação 1)
m2 – massa de material pozolânico em g.
m3– massa de CaO empregado no ensaio com a amostra.
m4 – massa de CaO empregado no ensaio em branco.
V2 – volume de HCl 0,1N consumido no ensaio com amostra em ml.
V3 – volume de HCl 0,1N consumido no ensaio em branco.
Fc – fator de correção do HCl para uma concentração de 0,1N
11
Figura 3 - Montagem do sistema para ensaio de Chapelle modificado;
Fonte: Universidade de Aveiro, departamento de engenharia civil
Os fatores grau de pureza, amorfização e finura implicam diretamente no ensaio,
variando o consumo de hidróxido de cálcio (JOHN et al, 2003).
Os resultados da Tabela 3 exibem valores das atividades pozolânica para os
metacaulim e a sílica ativa. E nela mostra que a metacaulim possui um poder mais reativo do
que a própria sílica ativa.
12
Tabela 3 - Atividade Pozolânica Chapelle modificado para metacaulim e sílica ativa;
Fonte: SOMMERFELD, H. S.
Pozolana Atividade Chapelle Referência
Metacaulim
795 mg CaO/g de material ASBRIDGE et al, 1994 apud
SABIR et al, 2001
833 mg CaO/g de material SALVADOR, 1995
719 mg CaO/g de material KOSTUCH et al, 1993 apud
McCARTER e TRAN, 1996
533-617 mg CaO/g de material KAKALI et al, 2001
Sílica Ativa
323 mg CaO/g de material KOSTUCH et al, 1993 apud
McCARTER e TRAN, 1996
616-665 mg CaO/g de material
442 mg CaO/g de material
BONNEAU et al, 2000
2.3.3.1.2 DIFRAÇÃO DE RAIO-X
A técnica de difração de raio-x é apontado como o fenômeno de radiação
eletromagnética por um arranjo ordenado com a mesma magnitude do comprimento da
radiação incidente. O feixe difratado é analisado manifestando o arranjo atômico e geométrico
cristalino.
13
Figura 4 - Esquema da radiação da DRX em uma amostra;
Fonte: Webmaster – Luis Pandel – Bacharel em Física / U.E.P.G
O cálculo é feito pela equação de Bragg (equação 2), que defini a relação entre o
ângulo de difração e o comprimento entre os planos.
N.λ = 2.d.senθ (Equação 2)
N = número inteiro;
λ = comprimento da onde dos raios que incidem;
d = distância entre os planos;
θ = ângulo de difração;
2.3.3.1.3 TERMOGRAVIMETRIA (TG)
É a técnica que estabelece a variação de perda de massa de uma amostra em função da
elevação de temperatura e de tempo no experimento, submetido a programa controlado,
Permitindo distinguir os componentes devido aos eventos sofridos pela alteração térmica na
amostra, por meio da curva termogravimétrica TG e termogravimétrica derivada DTG.
14
2.3.3.2 AVALIAÇÃO INDIRETA
2.3.3.2.1 MÉTODO APONTADO PELAS NORMAS NBR 5751:1992 E NBR
5752:2012
Trata-se de métodos que medem o índice de pozolânicidade através do ganho de
resistência mecânica dos corpos de prova.
Eles são feitos de proporções de misturas volumétricas determinadas de pozolânas
com cal ou cimento, areia normal e água.
Um dos fatores que influenciam nesse método é a o tempo de cura. Pois há riscos do
hidróxido de sódio ser consumido pela reação de carbonatação. Para que não haja esse
processo, é devidamente colocado o corpo de prova com a mistura dentro da água saturada até
a época de ensaio.
2.4 GEOPOLIMERIZAÇÃO
2.4.1 Definição
Os poli-silico-aluminatos ou geopolímeros são materiais que possuem
microestrutura amorfa, sintetizados em temperatura ambiente e raramente levemente
elevadas, através de reações químicas em meio altamente alcalinos onde certos minerais
como alumínio e sílica irão reagir gerando um processo de polimerização. Devido a esse
método de obtenção, os polissialatos são recursos úteis para transformar resíduos em fontes
ligantes que possuem excelentes propriedades em termos de resistência mecânica e
durabilidade.
15
Figura 5 - Esquema de caixas de um processo de reação de geopolimerização;
A fórmula empírica da matriz polimérica (SOARES, 2008) é constituída pela
repetitividade das unidades de sílica e alumínio (figura 6), formando um arranjo molecular
tetraédrico (figura 7).
Figura 6 - Expressão empírica da matriz polimérica;
16
Figura 7 - Esqueleto tetraédrico do aluminosilicato;
Fonte: DAVIDOVITS, 2002
Os geopolímeros podem ser empregados em vários campos. Esses setores são
originados em função da composição química do material de origem e do tipo de ativador a
ser utilizado.
2.4.2 Vantagens da Geopolimerização
As vantagens de usar produtos geopolimericos são:
I. Uso de matéria prima abundante: é possível criar um geopolímero através do
uso de uma vulgar pozolana ou através de produtos cuja composição contenha
quantidades de sílica e alumina;
II. Processo de produção simples: basta realizar uma mistura da pozolana com o
17
fluido alcalino. O processo de mistura assemelha-se à produção do vulgar
betão que utiliza como ligante o cimento Portland;
III. Ganhos rápidos de resistência: estudos indicam que os geopolímeros adquirem
cerca de 70% da resistência à compressão em 4 horas;
IV. Excelentes propriedades de Durabilidade: possuem uma resistência a ataques
de ácidos significativamente superiores à resistência de betões convencionais;
V. Não dá origem à formação de reações alcali-agregado;
VI. Elevada resistência ao fogo: conseguem resistir a temperaturas de 1000º C a
1200º C sem perder características funcionais;
VII. Boa estabilidade volumétrica do geopolímero;
Por apresentar teores elevados de sílica na sua cinza, com baixa densidade e peso
especifico, a casca de arroz foi escolhida para ser a matéria-prima para a reação
geopolímerica, além de ser um resíduo que, em meio ambiente, cria problemas estéticos, o
processo de combustão dessa palha gera partículas de cinzas que contêm carbono,
chamados fuligem, que causam doenças que podem levar a morte se for inalado em alto
excesso (SOUZA, F. X.; 2006).
Em resumo, a geopolimerização da casca de arroz produz economia de energia,
pois não requer grandes quantidades de energia para a sua produção e melhora a qualidade
de vida da população criando materiais cimentícios para construção de casas.
18
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL
Neste tópico será abordada a produção da pasta geopolimérica além de todos os
ensaios e análises realizadas na cinza da casca de arroz (CCA).
O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Tecnologia Química
(EPIAGRO) e no Laboratório de Materiais de Construção no Centro de Ciências Exatas e
Tecnologicas (CCET) da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS). As
normas da ABNT utilizadas foram às desenvolvidas para o cimento Portland para a
confecção do aglomerante polimérico.
3.2 MATERIAIS E REAGENTES
3.2.1 Casca de Arroz
A casca de arroz utilizada nesse trabalho foi obtida pela Indústria e Comercio de
Arroz Castelo Ltda,
3.2.2 Reagentes
I. Hidróxido de Sódio (NaOH) da marca MERCK adquirida por empresa local;
II. Oxido de Cálcio (CaO) da marca MERCK fornecida pela UFMS da sala dos
técnicos da química da marca REAGEN;
III. Água destilada produzida pela UFMS nos laboratórios de pesquisas da química;
IV. Querosene oriundo do DEC da marca GOL;
V. Fenolftaleína adquirida pela UFMS nos laboratórios de química;
IV. Ácido Cloridrico (HCl) 0.1N padronizada e adquirida nos técnicos da UFMS.
19
3.3 MÉTODOS
3.3.1 Obtenção da Cinza da Casca do Arroz
Para a produção da cinza da casca de arroz foi produzida uma fornalha utilizando
um tambor metálico cuja tampa foi removida e o fundo foi cortado na forma de uma
grelha.
Com o objetivo de obter um material amorfo e com baixo teor de carbono a cinza
da casca de arroz foi produzida através da queima controlada utilizando como fonte de
calor a própria energia contida nas casca. Visando reduzir a temperatura de queima e
fornecer excesso de ar para garantir uma combustão completa foi utilizado um ventilador.
A ignição do processo de combustão foi realizada pelo fundo da fornalha e a
injeção de ar pela parte superior da fornalha como pode ser observada na figura 8.
Figura 8 – Fornalha experimental;
20
Figura 9 - CCA sem ser retirada da fornalha;
Figura 10 - CCA obtida pela queima no tonel e separada para melhor visualização da cinza;
Com objetivo de obter o mínimo de teor de carbono na sílica, parte da CCA produzida
pela fornalha foi tratada na mufla a uma temperatura de 6000C por 5 horas.
21
Figura 11 - CCA queimada a 6000C;
3.3.2 Preparo da CCA
As cinzas foram moídas em moinho de bolas para uniformização de sua granulométria
e obter um maior índice de pozolânicidade.
Figura 12 – Introdução da CCA;
22
Figura 13 - Parte inferior do moinho de bolas;
Figura 14 - CCA calcinada a 6000C e moída durante 4 horas;
23
Figura 15 - CCA não calcinado a 6000C e moído durante 4 horas;
3.3.3 Análise Granulométrica
O estudo da dispersão granulométrica tem como objetivo avaliar a dimensão das
partículas que constitui a amostra.
A CCA calcinado e não calcinado foi passado por uma peneira com abertura de
malhas a partir a 4,75mm até 0,037, utilizando um equipamento de vibração da marca
ViaTeste e modelo 76773 Kuhardt – Germany
A distribuição granulométrica do material é dado pelas fórmulas da equação 3,
expondo as informações sobre uniformidade e graduação do material estudado.
Cu = D60% / D10% e Cc = (D30%)2 / (D60% x D10%) (Equação 3)
Cu ˂ 5 = muito uniforme;
5 ˂ Cu ˂ 15 = moderadamente uniforme
Cu ˃ 15 = não uniforme
Cc ˂ 1 e Cc ˃ 3 = mal graduado
1 ˂ Cc ˂ 3 = bem graduado
24
Figura 16 - Peneiras e equipamento de vibração;
3.3.4 Análise de Infravermelho (FT-IR)
Espectros de infravermelho das cinzas foram obtidos em um espectrômetro de
infravermelho da BOMEM modelo 100 na região de 4000 a 400 cm-1
em pastilhas de KBr
3.3.5 Análise de Fluorescência de Raio-X
Essa técnica tem com o principal objetivo analisar qualitativamente (identificação dos
elementos presentes em uma amostra) e quantitativamente a amostra, sem destruí-la,
permitindo estabelecer a proporção de cada elemento que se encontra presente.
Usa-se fonte de radiação X de elevada energia para provocar excitação dos átomos na
substância que pretende analisar. Quando o átomo deixa de estar no estado excitado, pode-se
observar fótons X correspondentes as transições eletrônicas L K M K ou M L
25
Figura 17 - Esquema de montagem de um equipamento de fluorescência de raio-x;
A determinação mássica dos constituintes das cinzas foi realizada por fluorescência de
raio x em um equipamento de marca Bruker AXS e modelo S4 Pioneer na Fabrica de
Cimento da CAUE.
3.3.6 Determinação do Índice de Pozolânicidade
A determinação do índice de pozolonoicidade das cinzas foi realizada pelo método de
Chapelle Modificado.
Um grama (1 g) de pozolana, um grama (1 g) de óxido de cálcio e 250 ml de água
destilada são misturados com agitação mecânica e temperatura a 900C durante 16 horas. A
solução obtida após atingir a temperatura ambiente é filtrada e titulada com ácido clorídrico
0,1 N com indicador fenolftaleína.
O agitador utilizado foi da marca Fisatom, modelo 752A
Detector
de raios X AMPLIADOR Multicanal
FONTE Am-241
Amostra
26
Figura 18 - CCA sendo agitada com temperatura a 900C;
Figura 19 - Titulação da CCA já aquecida e agitada durante 16 horas;
3.3.7 Determinação da Massa Específica
A massa específica das cinzas foram determinadas segundo a norma NBR 6474:1984
(Cimento Portland e outros materiais em pó – Determinação da massa específica).
No ensaio foram utilizados: utilizado o frasco de Le Chatelier, querosene, balança da
marca TECNAL, funil, termômetro de agulha digital da marca Instrutherm e banho
termorregulador.
27
Figura 20 - Frasco de Le Chatelier;
Figura 21 - Termômetro de agulha digital;
28
A norma segue o procedimento a seguir:
I. Adicionar querosene no frasco nas marcas correspondente a zero.
II. Para que não haja o contato do material acima do nível, é necessário que tenha
uma limpeza do mesmo.
III. Colocar o frasco no banho termorregulador para que possa igualar a temperatura
dentro e fora, medindo com termômetro e depois marcar a primeira leitura do
volume (V1).
IV. Acrescentar massa conhecida do material no frasco ate que o líquido desloque-se
nas marcas entre 18 cm3 a 24 cm
3, marcando o volume final (V2)
A fórmula para o calculo da massa espécifica é:
ρ = m/V (Equação 4)
ρ = massa específica do material
m = massa do material
V = Volume deslocado ( V2 – V1)
3.3.8 Determinação de Umidade
O teor de umidade das cinzas foi determinado de acordo com o seguinte
procedimento:
Os materiais utilizados foram recipiente, CCA e estufa dotada de termômetro. O
procedimento foi realizado com adição do CCA no recipiente e depois colocado em estufa a
1050C. Isso faz com que o CCA perca água no seu interior, pois a temperatura de ebulição da
água é de 1000C.
A estufa utilizada no ensaio citado foi da marca MedClave, modelo 3.
%U = [(Ms-Mu) x 100] / Mu (Equação 5)
Ms = Massa Seca em 1050C
Mu = Massa Umida
29
Figura 22 – Estufa;
3.3.9 Ensaio de Perda ao Fogo
Esse ensaio tem como finalidade de determinar a perda de massa do material durante a
queima em mufla. Ela seguiu a norma NBR 5743:1989. Para o estudo a seguir, foi utilizada a
queima de 4500C. O cálculo do ensaio foi feita pela equação 5.
%PF = [(Mq-Ms) x 100] / Ms (Equação 6)
Ms: massa seca a 1000C.
Mq: massa queimada a 4500C.
3.3.10 Análise Termogravimétrica (TG)
Foram feitas análises das amostras CCAP e CCAB no equipamento de marca TGA 50
série V20.10 Build 36, no departamento de Química da UFMS. As condições de análise foram
Atmosfera de Ar, em rampa de aquecimento de 100 C/min.
30
3.3.11 Produção da Pasta Monocomponete
Para produção da pasta monocomponete foi utilizada a NBR 7215 (ABNT, 1996) para
cimento Portland com concentrações de 5 e 10 mol.L-1
.
O aglomerante polimérico foi preparada da seguinte maneira:
I. Acrescentou-se a solução no recipiente;
II. Acrescentou a CCA;
III. Agitou-se na velocidade 1 durante 1 min e depois na velocidade 2 durante 30s;
IV. Removeu-se o conteúdo da borda do recipiente no tempo de 15s;
V. Deixou-se a massa descansar 1 min e 15s;
VI. Agitou-se na velocidade 2 durante 1 min;
Figura 23 - Misturador marca Eberle, modelo c3010;
31
Figura 24 - Pasta monocomponete produzida do CCA queimado a 6000C;
Figura 25 - Pasta monocomponente produzida do CCA não queimado a 6000C;
32
3.3.12 Análise de Consistência da Pasta Geopolimérica
Este ensaio foi realizado segundo a norma NBR 13276, onde se verifica a consistência
da massa, pelo espaçamento do mesmo sobre a plataforma da mesa (figura 26). O
procedimento consiste na produção da pasta monocomponente e rapidamente moldado na
plataforma da mesa. Em seguida, aplica-se 30 batidas no intervalo de 30 segundos, movendo
rotacionalmente a manivela do aparelho. Posteriormente mede-se o diâmetro da pasta, não
podendo ultrapassar o espaçamento de 255 ± 10 mm (Flow Table).
Figura 26 - Mesa de Consistência;
3.3.13 Resistência à Flexão
O método mecânico de verificar a resistência a flexão do material consiste em preparar
corpos de prova e rompe-los.
Foram utilizados moldes prismáticos com 4 cm x 4 cm x 16 cm, sendo que para cada
idade (3, 7 e 28 dias, seguida pela norma NBR 13279), concentrações distintas de solução de
hidróxido de sódio e materiais diferenciados de teor de carbono foram feito em triplicata.
Após à analise de flexão, as partes restantes da ruptura serviram para a análise de
compressão axial.
33
Figura 27 - Corpo de prova do monocomponete não queimado a 6000C;
Figura 28 - Corpo de prova do monocomponente queimado a 6000C;
34
3.3.14 Resistência à Compressão Axial
O ensaio de compressão axial foi realizado de acordo com a NBR 13279 (ABNT,
2005). O equipamento de aplicação de força era da marca FORNEY com capacidade de 120
toneladas.
Figura 29 - Aparelho de análise de resistência;
35
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.2 ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
A determinação da granulométria da cinza da casca de arroz (CCA) moída está
representada na tabela 4.
Tabela 4 - Distribuição granulométrica da casca de arroz em massa de 100.03g total;
Peneira (mm) Peso amostra (g)
Retido Passado % do Passado
0,3 0 100,3 100
0,15 22,21 78,09 77,86
0,075 30,45 47,64 47,50
0,053 45,68 1,96 1,95
0,045 1,23 0,73 0,73
0,037 0,42 0,31 0,31
Fundo 0,31 0 0
36
Figura 30 - Curva Granulométrica;
Pode-se observar que as malhas utilizadas para a realização do experimento foi a de
peneiramento fino, ou seja, todos os grãos da CCA ficaram retidos em peneiras com
dimensões de um material fino.
Por apresentar uma granulométrica muito fina, a cinza de casca de arroz retém muita
água, pois sua superfície específica é alta. Então pode ser observado que quanto maior a
superfície da cinza, maior será a adsorção da água (DUFF A ABRAMS, 1922)
A distribuição granulométrica do material estudado foi de Cu = 1.54 e Cc = 0.77, isto
é, a CCA é um material muito uniforme e mal graduado.
4.3 ANÁLISE DE INFRAVERMELHO
Os espectros de infravermelho das cinzas da casca de arroz branco (CCAB) e cinza de
casca de arroz preto (CCAP) tiveram os resultados em função da transmitância % pelo
número de onda / cm-1
. As figuras abaixo mostram qualitativamente as regiões de absorção
dos óxidos presentes e dos outros constituintes CCAB e CCAP.
37
4000 3000 2000 1000 0
20
30
40
50
60
70
80
90
Tran
smitâ
ncia
%
Número de onda / cm-1
Figura 31 - Espectro de Infravermelho da CCAB ou CCA queimado a 6000C;
A absorção próxima de 3500 cm-1
é proveniente do estiramento da molécula O-H da
água adsorvida na amostra. As bandas em 1000 cm-1
e 650 cm-1
são as mais importantes no
espectro, pois são atribuídas a ligação de Si-O de silicatos presentes na amostra do CCAB, ou
seja, mostra a presença de sílica na CCAB.
4000 3000 2000 1000 0
40
50
60
70
80
90
100
Tran
smitâ
ncia
%
Número de onda / cm-1
Figura 32 - Espectro de Infravermelho da CCAP ou CCA não queimado a 6000C;
A banda próxima de 3500 cm-1 é caracterizada pelo estiramento de O-H da água
adsorvida na amostra. A banca em 2400 cm-1 é devido ao estiramento de C-O do CO2
38
presente no meio da analise. As bandas em 1000 cm-1 e 650 cm-1 são atribuídas ao
estiramento de Si-O de silicatos presentes na amostra de CCAP, isto é, há sílica na amostra de
CCAP.
4.4 ANÁLISE DE FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X
As amostras foram avaliadas em uma curva semiquantitativa própria do equipamento
que visualiza e registra todos os elementos em termos de óxidos.
A tabela 5 mostra a composição da cinza da casca de arroz queimada a 6000C ou
CCAB e a cinza da casca de arroz não queimada a 6000C ou CCAP.
Tabela 5 - Teor em porcentagem de massa dos compostos na CCAB e CCAP;
CCAB CCAP
Composição Teor % Massa Composição Teor % Massa
SiO2 75,4 SiO2 70,6
K2O 1,44 K2O 1,28
CaO 0,883 CaO 0,699
P2O5 0,476 P2O5 0,340
MgO 0,231 MgO 0,219
Fe2O3 0,979
MnO 0,140
39
Tabela 6 - Teor de porcentagem de massa dos compostos na escória;
Compostos Teor % Massa Compostos Teor % Massa
CaO
SiO2
Fe2O3
Al2O3
K2O
MgO
CaCO3
P2O5
59,3 ± 0,4
18,9 ± 0,2
7,9 ± 0,4
6,8 ± 0,3
3,0 ± 0,1
1,2 ± 0,1
1,7 ± 0,1
0,57 ± 0,03
SrO
MnO
Cr2O3
SO3
Cl
ZrO2
Y2O3
ZnO
0,41 ± 0,02
0,37 ± 0,02
0,20 ± 0,01
0,15 ± 0,01
0,04 ± 0,01
0,03 ± 0,01
0,02 ± 0,01
0,02 ± 0,01
A partir dos resultados obtidos dos teores de massa avaliada pela fluorescência de
raio-x, além dos outros resultados dos ensaios como perda ao fogo e de umidade não foi
possível classificar a CCA segundo a NBR 12635 (ABNT, 1992) como apresentado na tabela
1 e 2. Segundo Gava (1999) os resultados normalizados pela NBR 12635 (ABNT, 1992) não
estão relacionados com as propriedades do material, pois a atividade pozolânica da cinza da
casca de arroz (CCA) é influenciada pelo teor de SiO2 amorfo e não pela soma de SiO2 +
Al2O3 + Fe2O3 conforme discutido na pagina 4.
40
No tratamento térmico a 6000C da CCA, pode-se observar a perda de Fe2O3 e MnO na
sua composição, pois esses materiais não suportam temperaturas elevadas, resultando na
volatilização dos mesmos.
Em relação a outros materiais geopolímericos, como a escoria de alto-forno, a
composição da CCA é diferenciada pelo alto teor de SiO2 e por não apresentar na sua
composição: Al2O3, CaCO3, SrO, Cr2O3, SO3, Cl, ZrO2, Y2O3 e ZnO como apresentado na
tabela 6.
4.5 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TG)
As figuras 33, 34, 35 e 36 mostram, respectivamente, as análises termogravimétricas
derivadas e não derivadas da CCAB e CCAP, possibilitando verificar o decréscimo da massa
em função do aumento de temperatura.
Figura 33 - 10 Derivada da Análise Termogravimétrica da CCAB;
41
Figura 34 - 10 Derivada da Análise Termogravimétrica da CCAP;
Figura 35 - Análise termogravimétrica da CCAB;
42
Figura 36 - Análise termogravimétrica da CCAP;
A varredura começou em 33.60C e 32.6
0C e terminou em 895.7
0C e 895.8
0C para
CCAB e CCAP, respectivamente, conseguindo obter uma variação de massa de 1.31372 mg
de CCAB, enquanto no CCAP teve diferença de massa igual a 9.46669 mg.
A variação de massa de 1,31372 mg de CCAB é devido a perda de materiais
inorgânicos como SiO2, no patamar de 5020C até 760
0C, e outros componentes volatilizados
na região de 7600C até 900
0C. Enquanto a perda de massa igual a 9.46669 é devido as perdas
de Fe2O3, MnO, CO2, SiO2 e outros compostos volatilizados no equipamento de
termogravimétrica, que estão nas regiões de início de 4200C até 502
0C, 350
0C até 420
0C,
1400C até 350
0C, 502
0C até 742
0C e bandas de 742
0C até 890
0C respectivamente.
43
4.6 DETERMINAÇÃO DE ÍNDICE DE POZOLÂNICIDADE
As tabelas 7, 8 e 9 mostram os resultados adquiridos em triplicada para as amostras
padrão e com a CCAP e CCAB, além dos valores de índice de pozolânicidade.
Tabela 7 - Valores em gramas e mililitros utilizados no ensaio;
Amostra
Massa (g) de
CaO
Massa (g) de
Cinza
Volume (ml)
Gasto de HCL
0.1 N
Padrão
1,008 64,1
1,004 62,2
1,002 61,5
CCAP
1,000 1,003 20,3
1,007 1,002 16,2
1,008 0,999 14,5
CCAB
1,006 1,005 22,4
1,002 1,007 25,3
1,003 1,001 21,7
44
Tabela 8 - Valores médios em gramas e mililitros utilizados no ensaio;
Tabela 9 - Valor do Índice de Pozolânicidade das amostras CCAP e CCAB;
Amostra Valor do índice de Pozolânicidade em
(g de Cao / g de material)
CCAP 1269,223
CCAB 1094,702
Sabendo que a pozolânicidade está associada à quantidade de hidróxido de cálcio que
pode reagir com a pozolana, com os resultados observados, pode-se concluir que os dois
materiais tem índice de pozolânicidade alto, comparando com a tabela 2. Porém o que
apresenta maior atividade pozolânica é a cinza de casca de arroz não queimada a 6000C ou
CCAP.
Um dos possíveis fatores que pode ter influenciado na atividade pozolânica
diferenciada entre as duas amostras é a composição distintas dos mesmos, sendo que o CCAP
possui óxidos, que são o Fe2O3 e o MnO, a mais do que o CCAB, devido a diferença de
tratamento térmico aplicada nas amostras.
Outro fator que pode ser proposto é a cristalografia das amostras. O material não
queimado a 6000C pode ter quantidades de SiO amorfos a mais do que o queimado a 600
0C,
afetando o consumo de oxido de cálcio.
Amostra Média dos valores
da Massa (g) de
CaO
Média dos Valores
da Massa (g) de
Cinza
Média dos Valores
para Volume (ml)
Gasto de HCl 0.1N
Padrão 1,005 62,6
CCAP 1,005 1,001 17
CCAB 1,004 1,004 23,13
45
4.7 DETERMINAÇÕES DE MASSA ESPECÍFICA
Os valores obtidos pela determinação da massa específica dos materiais moídos estão
citados na tabela 10.
Tabela 10 - Massa Especifica do CCAP e CCAB;
Amostra Massa Específica (g/cm3)
CCAP 1,90
CCAB 2,04
Pode-se entender que os grãos do CCAP é um pouco maior do que as partículas da
CCAB, pois precisou de menos material para preencher o espaço vazio de 1 cm3.
4.8 DETERMINAÇÃO DE UMIDADE
A figura 37 e 38 mostram as porcentagens de perda de água das CCAP e CCAB
moídas.
Figura 37 - Porcentages de perdas de água do CCAP;
46
Figura 38 - Poncentagens de perdas de água do CCAB;
Ao fato de possuir uma massa espécifica maior e, conseqüentemente, uma área
específica de contato menor, as cinzas da casca de arroz branco reteve mais água do que a
cinza de casca de arroz não queimada a 6000C.
4.9 ENSAIO DE PERDA AO FOGO
Neste ensaio foram feitas testes em triplicata para uma padronização mostrado na
figura 39.
Figura 39 - % de PF das Cinzas queimadas a 4500C;
47
A presença de maior perda ao fogo do CCAP é devido a elevada constituição de
carbonos em sua estrutura, enquanto a tratada a 6000C indico a ausência de material
carbonáceo
4.10 PRODUÇÃO DA PASTA MONOCOMPONENTE
A pasta monocomponente foi ativada com uma solução de base hidratada de hidroxido
de sódio seguindo a norma NBR 7215 (ABNT, 1996). O traço realizado foi de 0.85:1 de
massa, em gramas, de cinza de casca de arroz por volume, ml, de solução de base hidratada
para as ambas concentrações de 5 mol. L-1 e 10 mol. L-1 e para as duas cinzas em questão.
4.11 ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DA PASTA GEOPOLIMÉRICA
O método de ensaio seguiu a NBR 13276 (ABNT, 2005) com os mesmo traços
realizados na produção da pasta monocomponente (0.85:1). A temperatura do ambiente estava
a 250C e a umidade relativa do ar era de 44%. Os resultados do ensaio está mencionado na
tabela 11 e 12.
Tabela 11 - Ensaio de Consistência do CCAB;
Pasta (NaOH) do CCAB Flow table (mm)
5 mol. L-1 255
10 mol. L-1
246
48
Tabela 12 - Ensaio de Consistência do CCAP ;
Pasta (NaOH) do CCAP Flow table (mm)
5 mol. L-1
245
10 mol. L-1
251
A partir dos valores descobertos, pode-se concluir que ao reagir hidroxido de sodio, 5
mol. L-1
e 10 mol. L-1
, com as cinzas CCAB e CCAP, elas sofrem váriações de consistência.
Isto deve-se ao fato da atividade quimica em relação ao teor de alcalinidade no meio e
também em relação a composição dos materiais.
Outro fator importante foi a observação da pasta de CCAP. Ela obteve uma reação de
polimerização mais rápida com coloração mais escura do que a pasta CCAB. Possivelmente
essa observação esta relacionada com a maior presença de componentes capazes de reagir em
passo acelerado com a hidratação dos óxidos, ajudando a formar e enrijecer as ligações do
esqueleto e pela presença de carbono, dando a cor característica a pasta CCAP.
4.12 RESISTÊNCIAS A FLEXÃO E A COMPRESSÃO AXIAL
Os ensaios de tração a flexão e compressão axial foram feitas na pasta
monocomponente. Não foram encontrados resultados de resistência do corpo-de-prova a
aplicação de força pelo equipamento nas diferentes idades, concentrações e diferenças de
cinzas, pois o material apresentou comportamento totalmente diferente a de um material
cimentício.
Os corpos-de-prova de 10 mol. L-1
e 5 mol. L-1
de CCAP e de CCAB, por análise
visual, obteve comportamento de um elastômero, ou seja, exibiu propriedades iguais a de um
material emborrachado, porém com qualidades inferiores a de uma borracha sintética
comercial. Isso, possivelmente, se deve ao fato de apresentar alto teor de oxido de silício na
estrutura da CCA, fazendo uma ligação diferenciada a de outras pastas monocomponetes
poliméricas, como a escória de alto-forno (SOMMERFELD H. S., 2011).
49
Outra diferença entre eles foram o tempo de endurecerem até apresentar características
emborrachadas. A possível falta dos componentes Fe2O3 e MnO podem ter sido o motivo do
material CCAB de ambas as concentrações demorar a exibir características elastômeras do
que o CCAP.
A cinza de arroz não queimada a 6000C com concentração de 5 mol. L
-1 mostrou
características endurecidas, porém sem ganho de resistência.
Figura 40 - CCAP depois de ser aplicada força axialmente;
50
5. CONCLUSÃO
A intenção de melhorar a qualidade de vida da população e do meio ambiente com o
aproveitamento dos resíduos tem sido cada vez maior nas indústrias modernas. Embora haja
muitas pesquisas desenvolvidas a partir desses materiais, ainda há uma barreira do uso da
casca de arroz em produção de algum material comercial.
Neste presente trabalho, foram empregadas técnicas normalizadas pelas NBRs e
literaturas para produção e caracterização da geopolimerização da cinza da casca de arroz, já
que esse material preciso se adéqua em alguma determinada condição, para que possa ser
comparada com materiais já existentes.
O resultado do estudo da cinza da casca de arroz, como aglomerante único, para
formação da geopolimerização teve êxito, todavia o material não apresentou comportamento
endurecido, ganhando resistência igual ao material cimentício. No entanto, com qualidades
inferiores a uma borracha, o corpo de prova proporcionou características iguais a de um
elastômero, mostrando pouca flexibilidade e muita deformação.
A fornalha feita para proporcionar cinzas que não oferecessem queima maior a 6000C
mostrou resultado esperado, pois conseguiu fazer um material capaz de polimerizar, com
característica flexível. Porém, com o posterior tratamento térmico em mufla, o resultado não
obteve êxito, pois o material perdeu algumas moléculas e diminuiu a velocidade de
polimerização.
O material apresentou característica pozolânica, ou seja, o material consumiu oxido de
cálcio. Isso se deve ao fato de estar presentes silicatos na composição da cinza da casca de
arroz. O CCAP mostrou maior índice pozolânico do que o CCAB, por que o CCAP
possivelmente exibiu maior quantidade de componentes e SiO amorfo do que o CCAB.
Pela análise termogravimétrica pode-se notar que a CCAB obteve maior estabilidade
termica, ou seja, a cinza manteve suas propriedades inalteradas sob aquecimento. Isso pode
ser observado pelo único e pequeno patamar formado em ±5500C. Enquanto o CCAP teve
várias perdas de massa em relação ao aumento da temperatura, consequentemente, existindo
mais patamares analisados pela técnica termogravimétrica.
51
Com perspectivas de trabalhos futuros, o material será estudado com objetivo de obter
outras aplicabilidades e, talvez, possa novamente ser avaliado como material cimentício
adicionando algum reagente que possa ganhar características resistivas à aplicação de forças.
52
6. REFERÊNCIAS
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53
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assentamento e revestimento de paredes e tetos: NBR 13279, Rio de Janeiro, 2005;
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