Uso sustentável da Cinza de Bagaço de Cana-de-açúcar (CBC) em pavimentos inter-travados de concretoRESUMO
O uso de resíduos agroindustriais na construção civil tem aumentado nas últimas décadas, com destaque para o uso de cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC) na produção de concreto, substituindo parcialmente o aglomerante ou o agregado miúdo. Esta pesquisa investigou a viabilidade de substituição parcial do agregado miúdo por CBC (sem moagem) na substituição parcial do agregado miúdo em concretos destinados à produção de blocos de pavimentação intertravada, nos teores de 0%, 5%, 10%, 15% e 20% da areia por CBC. Os blocos foram moldados em fôrmas hexagonais e submetidos a ensaios de resistência à compressão e absorção de água. Os resultados dos traços com substituição foram comparado com o traço de referência (0% de CBC). Os resultados indicaram que os traços com 15 e 20% de CBC atingiram os níveis de resistência e absorção exigidos. O traço com 20% de CBC apresentou os melhores resultados de resistência quando comparados aos demais traços com substituição, sendo que sua resistência à compressão foi a mais próxima ao traço de referência. Do ponto de vista da resistência à compressão, essa proporção foi a mais adequada, entre as substituições realizadas para essa aplicação.
Palavras-chave
Sustentabilidade; Agroindústria; Materiais alternativos; Reciclagem industrial; Pavimentação
ABSTRACT
The use of agro-industrial waste in civil construction has increased in recent decades, mainly sugarcane bagasse ash (SBA) in concrete production, partially replacing the binder or fine aggregate. This study assessed the feasibility of using unground SBA as a partial substitute for fine aggregate in concrete designed for interlocking paving blocks. The research investigated replacing 5%, 10%, 15%, and 20% of sand with SBA. The blocks were cast in hexagonal molds and subjected to compressive strength and water absorption tests. The results were compared with concrete produced without SBA (reference). The results indicated that mixtures with higher CBC incorporation rates (15% and 20%) met the required levels of strength and absorption, demonstrating the feasibility of using CBC as a partial replacement for sand in interlocking pavements. The mixture with 20% CBC showed the best strength results compared to the other replacement mixtures, with its compressive strength being the closest to the reference mixture. From the perspective of compressive strength, this proportion was the most suitable among the substitutions carried out for this application, offering a sustainable and efficient solution for reusing agro-industrial waste in civil construction.
Keywords
Sustainability; Agribusiness; Alternative materials; Industrial recycling; Paving
1. INTRODUÇÃO
Os pavimentos intertravados, compostos de blocos pré-moldados de concreto, são amplamente utilizados no Brasil em ruas, calçadas e áreas urbanas, além de suportarem tráfego pesado em aeroportos e áreas industriais. Eles oferecem conforto térmico por dissiparem rapidamente o calor, sendo até 30% mais frescos que pavimentos escuros. Antiderrapantes, mesmo sob chuva, esses pavimentos facilitam o acesso a redes subterrâneas sem danos aos blocos. A utilização de cores distintas permite criar efeitos estéticos e marcar redes de serviço. Outras vantagens incluem fácil aplicação, maior permeabilidade, sinalização integrada e pouca manutenção [1].
Paralelamente ao desenvolvimento da pavimentação intertravada, surgem discussões sobre os problemas ambientais causados pelos resíduos agroindustriais e a sua possível utilização em materiais de construção civil, demandando-se novas pesquisas sobre o tema. Devido ao elevado consumo de matéria-prima, a construção civil é um dos setores que mais provoca impacto ambiental. Além disso, consome entre 14% e 50% dos recursos naturais extraídos do planeta [2]. Ademais, cerca de 70 a 80% do concreto é constituído de agregados, evidenciando-se a importância do uso de agregados com especificações técnicas adequadas e custo competitivo, que permitam a obtenção de um concreto a preço compatível com o uso a que se destina, com características técnicas de resistência e durabilidade, capaz de concorrer com os outros materiais de natureza estrutural utilizados na construção civil [3].
Ao mesmo tempo, a previsão de produção de cana-de-açúcar na safra de 2023/24 foi de 713,2 milhões de toneladas [4], apresentando um recorde de produção na série história da CONAB. Atualmente, a previsão do total de cana-de-açúcar que será produzida na safra 2024/2025 será de 689,8 milhões de toneladas [5], redução de 3,3% ao se comparar com a safra passada, mas com projeção mais otimista que à divulgada no primeiro levantamento, realizado em abril deste ano, que era de 685,86 milhões de toneladas [6]. Dos seus subprodutos, o bagaço é um dos mais atrativos e, para cada tonelada de cana processada para produção de açúcar e etanol, estima-se a geração de aproximadamente 250 a 300 kg de bagaço que poderia ser aproveitado como biomassa no processo de queima para o aquecimento de caldeiras, geração de energia elétrica e vapor. Estudos afirmam que cada tonelada de cana-de-açúcar gera aproximadamente 6 kg de cinzas. Considerando-se a previsão para a safra de 2024/25, estimasse que serão geradas aproximadamente 4,2 mil toneladas de cinzas no país.
A construção civil é, por sua própria natureza, o segmento que apresenta maior capacidade de absorver novas tecnologias e novos materiais, produzidos e desenvolvidos a partir da utilização de resíduos [7]. Tradicionalmente, uma parte das cinzas é devolvida ao solo de plantio da cana na forma de fertilizante e outra parte descartada em aterros, não tendo outra finalidade na cadeia produtiva [8]. Dessa forma, a utilização de resíduos agroindustriais como matéria-prima na construção civil pode reduzir a quantidade de recursos naturais retirados do meio ambiente, produzindo-se materiais alternativos de menor custo, substituindo na maioria os agregados naturais empregados em concretos, argamassas, blocos, barreiras de contenção, bases para pavimentação, etc.
Recentemente, vários estudos foram realizados para analisar o comportamento do concreto convencional, concreto leve [9], concreto de ultra-alto desempenho [10,11,12,13], concreto autoadensável [14,15,16], concreto permeável [17] e argamassas [18] com adição de cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC). A CBC pode ser usada para substituir o cimento ou o agregado miúdo no concreto devido à sua estrutura cristalina. Ela também possui alto teor de silício cujas propriedades físicas são semelhantes às da areia natural [19].
Em sua maioria, as pesquisas utilizam a CBC para substituição do cimento nas misturas. Alguns autores avaliaram a substituição do cimento por CBC para estudar propriedades físicas, tais como o calor de hidratação [20], fissuras de retração [21], a resistividade elétrica [22], volume de água necessária para boa trabalhabilidade [23] e abatimento [24]. As propriedades elásticas e mecânicas também foram avaliadas em relação à resistência à compressão [11, 12, 24, 25], resistência à tração por ensaio de compressão diametral [11, 12, 24], resistência à flexão [11, 12, 24, 25], módulo de elasticidade [11, 12], porosidade [26] e aderência [27]. Além disso, também foi avaliada sua durabilidade quanto à penetração e difusão por cloretos [28,29,30], penetração de oxigênio [22], absorção de água [24, 25], resistência a sulfatos [31] e a altas temperaturas [32].
A CBC também foi utilizada para a substituição de areia em concretos e argamassas [33], avaliando-se sua influência nas propriedades elásticas, físicas e mecânicas tais como o módulo de elasticidade [34], a trabalhabilidade (abatimento) [35], absorção de água [34, 35], condutividade térmica [36], índice de vazios [34], carbonatação [34] e resistência à compressão [34,35,36] e tração [35].
Apesar da literatura disponível referente à substituição da areia por CBC, há poucas informações sobre a substituição de CBC à areia para produção de concreto usados na moldagem de blocos pré-moldados de concreto, especialmente com o uso de cimento de alta resistência inicial, necessitando-se de maior pesquisa e entendimento a respeito do assunto. Além disso, as referências disponíveis para esse tipo de aplicação são referentes à substituição de cimento por CBC [25, 37], não sendo encontrada informações a respeito da substituição da areia.
Deste modo, este trabalho propõe o estudo de concreto produzidos com substituição parcial de agregado miúdo por CBC para aplicação em blocos de pavimentação intertravados, em teores de 5%, 10%, 15% e 20%, para avaliar a resistência à compressão e o índice absorção de água, verificando-se sua adequabilidade aos limites estabelecidos pela norma NBR 9781 [38].
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados no trabalho foram: cimento de alta resistência inicial (CP V-ARI), brita 1 de origem basáltica (agregado graúdo), areia natural (agregado miúdo) classificada como areia média e água proveniente da rede de abastecimento público da cidade de Ilha Solteira–SP.
O cimento estava conforme as especificações da norma NBR 16697:2018 [39], e os agregados graúdo e miúdo foram caracterizados conforme a NBR 16916:2021 [40] e a NBR 16917:2021 [41], respectivamente. A caracterização química do cimento está fornecida na Tabela 1. O cimento ARI (Alta Resistência Inicial) foi escolhido neste trabalho porque ele não contém adições significativas, permitindo uma melhor análise da reatividade da adição mineral estudada, no caso, a substituição parcial de areia por CBC. Além disso, o CPV-ARI, embora com baixo teor de adições, é mais facilmente encontrado no mercado do que o CPI, o qual é um cimento totalmente sem adições.
A Tabela 2 apresenta a composição do agregado graúdo, enquanto a Figura 1 exibe sua curva granulométrica. O agregado graúdo utilizado teve um módulo de finura de 6,92. As massas específicas saturada em superfície seca, seca e aparente foram de 2,947 g/cm3, 2,911 g/cm3 e 3,019 g/cm3, respectivamente. A massa unitária foi de 1,618 g/cm3, a absorção de 1,24% e o teor de material pulverulento de 0,68%.
A Tabela 3 apresenta a composição do agregado miúdo, enquanto a Figura 2 exibe sua curva granulométrica. O agregado miúdo utilizado teve um módulo de finura de 2,07. As massas específicas saturada em superfície seca, seca e aparente foram de 2,639 g/cm3, 2,651 g/cm3 e 2,631 g/cm3, respectivamente. A massa unitária, seca e com 4% de umidade, foi de 1,543 g/cm3 e 1,218 g/cm3, respectivamente. A absorção foi de 0,28% e o teor de material pulverulento de 0,86%.
Além desses materiais, foram utilizadas cinzas de bagaço de cana-de-açúcar, conforme mostrado na Figura 3, provenientes da Destilaria Generalco S/A, em General Salgado–SP. A caracterização química da CBC está apresentada na Tabela 4, enquanto sua granulometria é ilustrada na Figura 4. A cinza utilizada foi a representada na linha sem moagem.
O aditivo utilizado foi o Sika ViscoCrete®5800 FTN, um aditivo líquido redutor de água Tipo 2, com alto poder de redução de água, desenvolvido para uso em concretos que requerem elevada trabalhabilidade e resistências elevadas [42]. As características do aditivo estão apresentadas na Tabela 5.
No total, foram produzidos cinco traços diferentes de concreto, os quais são dados na Tabela 6, com 16 corpos-de-prova por traço. O traço de referência utilizado foi de 1:2:3, com substituição em massa, conforme o utilizado por FERNANDES et al. [43]. O traço de referência foi definido com base na resistência mínima à compressão de 35 MPa. Devido à adição de CBC, esperava-se uma possível alteração na resistência, então o traço foi ajustado para uma resistência mínima estimada de 40 MPa. O aditivo superplastificante foi adicionado aos traços com incorporação de CBC, para manter a trabalhabilidade em todos os traços, sem modificar a relação água/cimento.
-
1º)
Brita e CBC (in natura), que foram homogeneizadas durante 5 minutos;
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2º)
Areia e metade da água, homogeneizadas por mais 1 minuto;
-
3º)
Cimento e o restante da água, homogeneizados por mais 3 minutos;
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4º)
Por fim adicionou-se o aditivo. Após a adição do aditivo com a água, a mistura permaneceu na betoneira por mais 10 minutos, finalizando o ciclo de amassamento.
Em seguida, foi realizado o slump test, apresentado na Figura 5, conforme os métodos indicados pela NBR 16889 [45], para verificar a trabalhabilidade do concreto. Após essa etapa, o concreto foi adensando manualmente em fôrmas hexagonais de 14 centímetros de lado e 7 centímetros de altura, em mesa vibratória, como ilustrado na Figura 6, por aproximadamente 60 segundos.
Após o endurecimento do concreto, foram realizados dois outros ensaios: resistência à compressão, ilustrado na Figura 7, e absorção de água, conforme a norma NBR 9781 [38]. Para cada um dos ensaios, foram utilizados seis corpos de prova por traço em cada idade, com rupturas aos 7 e 28 dias.
3. RESULTADOS
A Tabela 7 apresenta os resultados obtidos por meio do ensaio de abatimento do tronco de cone. Já, as Tabelas 8 e 9, apresentam, respectivamente, as resistências à compressão médias, em MPa, e os índices de absorção de água em %, com os valores seguidos pelo coeficiente de variação, também em %, entre parênteses, para os ensaios realizados aos 7 e 28 dias.
As resistências médias à compressão e os índices de absorção de água aos 7 e aos 28 dias, em função do teor de adição de CBC, estão apresentadas nas Figuras 8 e 9.
A evolução da resistência média à compressão e dos índices de absorção de água, ao longo do período de 7 a 28 dias, são representados nas Figuras 10 e 11, respectivamente.
4. DISCUSSÕES
Durante a preparação do concreto para fabricação das amostras, observou-se que a adição de CBC influenciou na cor e no abatimento do concreto. Os traços com substituição apresentaram uma coloração mais escura e menor trabalhabilidade.
Esse comportamento foi reportado por MODANI e VYAWAHARE [35], FERNANDES et al. [43], MORETTI et al. [34] e KHAWAJA et al. [36]. MODANI e VYAWAHARE [35] investigaram a substituição de areia por CBC em teores de 0%, 10%, 20%, 30% e 40%. Eles observaram uma redução de 93% no abatimento, de 110 mm no traço de referência para 7 mm com 40% de CBC. FERNANDES et al. [43] estudaram adições de CBC em 5%, 10%, 15% e 20% em relação à areia. A redução no abatimento foi de 46,15%, 38,46%, 30,77% e 15,38%, respectivamente, em comparação ao traço de referência. MORETTI et al. [34] analisaram a substituição de agregado miúdo por 30% de CBC e agregado graúdo por resíduos de construção em 30% e 50%. Todos os concretos com substituição apresentaram menor abatimento. KHAWAJA et al. [36] estudaram concretos espumosos com substituição de areia por CBC em 0%, 10%, 15%, 20% e 25%, utilizando o ensaio de slump flow, em vez do slump test. A trabalhabilidade reduziu em torno de 40% no traço com maior adição de CBC, atribuído à maior área de superfície e à morfologia irregular das partículas de CBC, que geraram mais atrito entre elas. Por outro lado, SALES e LIMA [33] observaram comportamento diferente ao substituir a areia por CBC em 0%, 30% e 50% e utilizando três tipos de cimento (CP V ARI RS, CP III 40 RS e CP II E 32). Nos traços com CP V ARI RS, o abatimento aumentou com maiores teores de CBC; com CP III 40 RS, o abatimento diminuiu; e com CP II E 32, houve aumento no abatimento com 30% de CBC e redução com 50%, mas o valor ainda foi maior que o de referência. Além do concreto, SALES e LIMA [33] estudaram o comportamento de argamassas com teores de 0, 10, 15, 20, 30, 50, 100% de CBC. Para as argamassas, a trabalhabilidade manteve-se muito semelhante em todas as amostras, exceto nas argamassas contendo 100% de substituição de areia por cinza.
Em relação à resistência à compressão, todos os traços atingiram o valor mínimo de 35 MPa exigido pela norma ABNT NBR 9781 [38], para vias com tráfego de pedestres, veículos leves e comerciais. Aos 7 dias, os traços com 5% e 15% de substituição por CBC mostraram resistência maior do que o traço de referência (0% CBC). Mesmo com o uso de cimento de alta resistência inicial (ARI), nenhum traço atingiu os 35 MPa aos 7 dias, como esperado. O traço com maior resistência foi o de 5% de CBC (30,43 MPa) e o com menor resistência também foi o de 5% de CBC (23,96 MPa). O traço com maior substituição de areia por CBC (20%) foi o que apresentou maior aumento de resistência do 7° para o 28° dia, conforme Tabela 8, devido à ação pozolânica da CBC e devido à sua granulometria.
Aos 28 dias, o traço com 20% de CBC (42,5 MPa) foi o mais próximo do de referência (43,95 MPa), atingindo 97% da resistência do traço de referência. Nesse período, a substituição da areia por CBC teve um efeito positivo na resistência à compressão, com uma leve redução até o teor de 10%, seguida por um aumento nos traços com 15% e 20% de substituição. Esse comportamento foi semelhante ao observado por FERNANDES et al. [43], onde houve uma ligeira queda com 10% e 15% de substituição, mas o traço com 20% de CBC apresentou resistência superior ao traço de referência.
Por outro lado, nos trabalhos de MODANI e VYAWAHARE [35] e KHAWAJA et al. [36], a substituição de 10% por CBC resultou em resistência à compressão maior que a do traço de referência, mas, ao aumentar a substituição para mais de 10%, houve uma queda na resistência. O aumento da resistência em idades mais avançadas foi atribuído às propriedades pozolânicas do CBC [35] e à formação de gel de silicato de cálcio hidratado (C-S-H), que reage com o hidróxido de cálcio liberado na hidratação do cimento, gerando mais C-S-H e aumentando a resistência ao longo do tempo [36].
Outros estudos, como o de MORETTI et al. [34], mostraram uma queda na resistência à medida que o teor de CBC aumentava. Nesse estudo, os traços com CBC apresentaram maior resistência que aqueles com substituição também de agregados graúdos reciclados. Em contrapartida, SALES e LIMA [33] encontraram maior resistência nas argamassas com substituição de CBC, exceto no caso de 100% de substituição. Os traços com 20% e 30% apresentaram a maior resistência aos 28 dias, 25% superior ao traço de referência, devido ao empacotamento físico das partículas de cinza. No concreto, o melhor desempenho foi observado com 50% de substituição da areia por CBC.
A variação dos resultados foi de aproximadamente 5%, conforme Tabela 5, indicando homogeneidade do lote ensaiado. O traço de referência apresentou a menor variação entre os resultados, enquanto a variação aumentou conforme a porcentagem de substituição de areia por CBC.
Conforme a curva resistência x tempo (Figura 8a), a substituição de 20% por CBC foi a que mais se assemelhou à linha do traço de referência, embora tenha se tornado interessante apenas a longo prazo, já que aos 7 dias não apresentou uma resistência tão elevada quanto os outros traços. Entretanto, entre os 7 e 28 dias, apresentou o maior aumento de resistência, quase atingindo o mesmo valor que o traço de referência (sem substituição).
Quanto aos ensaios de absorção de água, apenas os traços com maiores teores de incorporação de CBC (15 e 20%) apresentaram resultados satisfatórios, obedecendo aos requisitos previstos em norma, cujo valor máximo aceitável é de 6%, conforme Tabela 6. No traço com 5% de CBC, houve um aumento de 0,30% na absorção de água, indicando pouca alteração nos valores. A partir do traço com 5% de substituição, ocorreu uma diminuição na absorção de água conforme o aumento da substituição por CBC. No traço com 20% de substituição, houve uma redução de 0,80% em relação ao concreto de referência, devido ao fato de a CBC ser um material muito fino e preencher os vazios no concreto.
A absorção de água para os traços com substituição de areia por CBC aumentou ao longo do período de cura, ou seja, dos 7 para os 28 dias, enquanto a absorção de água do traço de referência diminuiu, ao longo do mesmo período. No geral, esse trabalho não seguiu a tendência de outras pesquisas. No trabalho desenvolvido por KHAWAJA et al. [36], a absorção de água nas misturas de concreto espumoso aumentou com o teor de cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC) incorporada, o que foi atribuído à sua natureza higroscópica e adsorvente. No entanto, ela diminuiu com o tempo de cura devido ao entupimento dos poros na matriz do concreto espumoso, causado pela geração de produtos de hidratação e da reação pozolânica. A redução nos valores de absorção de água entre os 7 e 90 dias de cura observada nas misturas com 0, 5, 10, 15, 20, 25% de CBC foi de 56,13%, 42,41%, 57,64%, 37,31%, 37,60% e 36,41%, respectivamente. Enquanto no trabalho desenvolvido por MORETTI et al. [34], a absorção de água dos traços de referência e com substituição de 30% de areia por CBC foi igual.
Desse modo, conclui-se que o comportamento de concretos com adições e/ou substituições de areia é bastante complexo, apresentando diferentes respostas em função do teor de CBC, a qual também é dependente de diversos fatores, como, por exemplo, o tipo de cimento utilizado e a composição química da CBC. Assim sendo, evidencia-se a importância do estudo a respeito do tema como também a necessidade de realizar mais ensaios a respeito, principalmente aqueles relacionados às questões de durabilidade, tais como abrasão, expansão e absorção por capilaridade.
5. CONCLUSÕES
Houve redução do abatimento do concreto com a adição da CBC;
Todos os traços atingiram a resistência mínima prevista em norma (35 MPa);
O concreto produzido com 20% de CBC obteve valores de resistência à compressão semelhantes aos do traço de referência;
O processo de evolução da resistência mecânica em relação ao aumento do teor de substituição da cinza foi comprovado, inicialmente ocorreu uma redução na resistência mecânica, mas a partir do teor de 10% de CBC, a resistência começou a aumentar;
Apenas os traços com maiores teores de incorporação de CBC (15 e 20%) respeitaram o limite máximo de absorção de água previsto em norma (6%);
A substituição mostrou-se interessante, uma vez que devido à finura da CBC, quanto o maior o teor de substituição de cinza, mais impermeável o concreto se torna, aumentando sua durabilidade, devido ao efeito fíler.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores são gratos ao grupo de pesquisa MAC–Materiais Alternativos de Construção do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da UNESP/FEIS–Ilha Solteira por toda contribuição dada ao trabalho.
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