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BRUNO LUS DAMINELI
CONCEITOS PARA FORMULAO DE CONCRETOS COM BAIXO CONSUMO DE LIGANTES: CONTROLE REOLGICO, EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS
Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia.
So Paulo 2013
BRUNO LUS DAMINELI
CONCEITOS PARA FORMULAO DE CONCRETOS COM BAIXO CONSUMO DE LIGANTES: CONTROLE REOLGICO, EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS
Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia. rea de concentrao: Engenharia de Construo Civil e Urbana Orientador: Prof. Dr. Vanderley Moacyr John Co-orientador: Prof. Dr. Rafael Giuliano Pileggi
So Paulo 2013
Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, 28 de novembro de 2013. Assinatura do autor ______________________________ Assinatura do orientador __________________________
FICHA CATALOGRFICA
FICHA CATALOGRFICA
Damineli, Bruno Lus
Conceitos para formulao de concertos com baixo consumo de ligantes: controle reolgico, empacotamento e disperso de partculas / B.L. Damineli. ed.rev. -- So Paulo, 2013.
237 p.
Tese (Doutorado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia de Construo Civil.
1.Concreto 2.Reologia 3.Sustentabilidade 4.Cimento 5.Aque- cimento global I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Construo Civil II.t.
Dedico este trabalho inicialmente a Deus e sua rede de colaboradores, sem os quais nem aqui estaramos. Saibam que percebo seu auxlio mesmo nos momentos mais difceis. A minha esposa Milena, que divide comigo cada desafio desta caminhada, meu amor eterno. A meus pais, Mrio e Selene, pelos valores e ensinamentos que me deram, cujo valor incalculvel e inestimvel. Eliana, a quem estimo como a uma me, por todos os momentos dedicados. A meus irmos, Lgia, Guilherme e Beatriz.
AGRADECIMENTOS
Quando chegamos ao ponto de escrever os agradecimentos, nos damos conta de que o trabalho realizado teve muitos parceiros. Tentarei ser breve. Mas no ser muito possvel.
Agradeo inicialmente aos meus orientadores, Prof. Vanderley John e Prof. Rafael Pileggi. Cada um em sua rea de atuao foram imprescindveis para a formulao e finalizao deste trabalho. O aprendizado que recebi durante nossas conversas foi de valor inestimvel tanto para a minha formao pessoal como para o trabalho realizado.
Still talking about supervisors, of course I need to thanks Prof. Bjrn Lagerblad, from KTH, Sweden, where I developed a part of this thesis. Thanks for his help in the discussions and for receiving me (when I were just a stranger) so friendly in his home, it was an honor for me and I know that very few people in this world have the capability of doing things like this.
Agradeo a todos os colaboradores da pesquisa. Obrigado ao Sr. Marcos da PSI por me doar grande parte dos agregados utilizados. Obrigado ao Sr. Cludio Silva da ABCP por realizar os ensaios de caracterizao normativos dos materiais. Obrigado ao Sr. Alexandre Castro de FURNAS pela possibilidade de participao no convnio de pesquisa realizado entre a Poli e FURNAS Centrais Eltricas, desenvolvido no mesmo tema do meu Doutorado. De forma anloga, obrigado ao Sr. Jos Carlos Massucato e Sra. Rosiany Silva, ambos da Intercement, pela possibilidade de minha participao no convnio de pesquisa entre a Poli e a Intercement, tambm no mesmo tema de pesquisa. Os trabalhos desenvolvidos em ambos os convnios contriburam de forma muito importante a todas as etapas desta tese de Doutorado.
Obrigado aos outros professores da Poli que participaram de forma menos direta (mas no menos importante) do trabalho. Dentre estes, agradeo em especial ao Prof. Srgio Angulo, que teve participao direta na minha formao como pesquisador ainda durante o mestrado. Sua capacidade em discutir e revisar textos e resultados foram um guia para mim.
Obrigado a todos os colegas de trabalho do Laboratrio de Microestrutura e Eficincia (LME) pelas discusses realizadas durante algumas das etapas do trabalho. Obrigado tambm aos tcnicos do laboratrio por me auxiliarem na soluo de alguns problemas prticos ocorridos durante a fase experimental. Obrigado ao pessoal do LCT (Carina, Liz, Andr, Juliana) pelos ensaios de caracterizao realizados. Obrigado tambm Engrcia, por estar sempre me ajudando a resolver os problemas complicados de ordem prtica/ financeira. Ainda um obrigado especial ao Felipe Pires, aluno de graduao da Poli que me ajudou muito durante a fase experimental de moldagem dos primeiros concretos do trabalho.
Obrigado a todos os meus familiares (Milena, Mrio, Selene, Lgia, Eliana, Guilherme, v Maria) pela pacincia durante a realizao da pesquisa. Muitas vezes faltou ateno a eles devido ao acmulo de tarefas e preocupaes decorrentes da pesquisa, e compreender isto s vezes algo difcil para quem est de fora.
Agradeo a todos os membros da banca de qualificao e de defesa desta tese, por se disporem a discutir comigo o trabalho em profundidade, seu auxlio foi fundamental para que a tese ganhasse qualidade em alguns aspectos importantes.
Agradeo tambm aos financiadores da pesquisa. Este trabalho foi financiado pelo CNPq (bolsa de Doutorado no Brasil), pela CAPES (Programa de Doutorado no Pas com Estgio no Exterior PDEE, desenvolvido no Royal Institute of Technology Sucia) e pela FUSP.
I
RREESSUUMMOO Devido demanda dos pases em desenvolvimento, a produo de cimento e as
emisses de CO2 relacionadas aumenta progressivamente, colocando esta indstria sob presso
devido s preocupaes com o aquecimento global. Como diminuir a produo no uma opo
sustentvel do ponto de vista social, deve-se primar pela diminuio dos impactos ambientais
mantendo-se o aumento da produo. Porm, as principais estratgias de reduo das emisses
substituio de clnquer por adies, aumento da eficincia de fornos e uso de combustveis
alternativos no so capazes de uma reduo que compense o crescimento da produo, mesmo
com a disseminao dos maiores esforos industriais possveis, devido a limites tecnolgicos e de
disponibilidade de materiais. A captura e sequestro de carbono, por sua vez, pode vir a aumentar
significativamente o custo do cimento, prejudicando justamente os pases mais necessitados.
Novas alternativas so necessrias. Uma delas, ainda pouco desenvolvida, o aumento
da eficincia do uso dos ligantes em materiais cimentcios, como os concretos. Esta tese tem o
objetivo de explorar o potencial desta estratgia para contribuir mitigao das emisses de CO2
da cadeia concreto/cimento. O xito nesta tarefa tem relao direta com o uso de ferramentas de
empacotamento e disperso de partculas para permitir comportamento reolgico adequado
aplicao com uso de menor teor de gua na mistura.
O trabalho foi dividido em trs etapas: 1) levantamento de dados para criao de
benchmark da tecnologia atual de concretos com relao eficincia no uso dos ligantes atravs
de dois indicadores de eficincia ndice de Ligantes (IL) e ndice de CO2 (IC); 2) levantamento
da teoria de empacotamento e disperso de partculas; e 3) estudo experimental demonstrando
como a eficincia do uso dos ligantes pode ser aumentada atravs da aplicao dos conceitos da
etapa 2, do controle mais preciso do comportamento reolgico e do uso de finos inertes para
substituir clnquer para obteno de parmetros reolgicos. Concluiu-se que o potencial de
aumento da eficincia superior a 50%. Porm, sua implantao em escala comercial dependeria
de aumento do controle tecnolgico das dosagens de concreto e de profundas modificaes na
cadeia produtiva e na definio de agregados, fillers, cimento e ligantes.
Palavras-chave: eficincia, otimizao, concreto, cimento, ligantes, CO2, aquecimento global,
sustentabilidade, reologia, empacotamento de partculas, disperso de partculas, filler.
II
AABBSSTTRRAACCTT Due to the increasing demand of developing countries, cement production and related
CO2 emissions increases steadily, putting industry under pressure due to global warming
constraints. As decreasing production is not a sustainable option from social point of view,
environmental loads need to be decreased even maintaining the increase of production. However,
current strategies for reducing emissions clinker replacement by mineral additions, increase of
kiln efficiency and the use of alternative fuels are not capable of a reduction which could
compensate the increasing in production, even with the dissemination of highest industrial efforts
due to technological and materials availability limits. Carbon capture and storage, by the time,
could increase significantly cement cost, which could harm exactly the neediest countries.
New alternatives are needed. One of them, few developed yet, is increasing the
efficiency of binder use on cementitious materials, such as concretes. This thesis has the aim of
exploring the potential of this strategy for contributing to the mitigation of CO2 emissions of
concrete/cement chain. The success in this task is directly related to the use of tools of packing
and dispersion of particles for allowing an adequate rheological behavior for the application but
with a lower water content in the mixture.
The thesis was divided in three main steps: 1) literature research for creating a
benchmark of current concrete technology in terms of binder efficiency by two efficiency indexes
Binder Intensity (BI) and CO2 Intensity (CI); 2) research of particles packing and dispersion
theory; and 3) experimental planning for demonstrating how the binder use efficiency can be
significantly increased by the use of concepts from step 2, a more precise rheological behavior
control and the use of inert fillers for replacing clinker to obtain rheological parameters. It could
be concluded that the potential of efficiency increase is higher than 50%. However, the
implantation in commercial scale would depend on the increase of technological control in
concrete designs, and also on deep changes in the productive chain and in the definitions of
aggregates, fillers, cement and binders.
Keywords: efficiency, optimization, concrete, cement, binder, CO2, global warming,
sustainability, rheology, particle packing, particle dispersion, filler.
III
SUMRIO RESUMO ............................................................................................................ I ABSTRACT ....................................................................................................... II SUMRIO ......................................................................................................... III LISTA DE TABELAS ........................................................................................ IX LISTA DE FIGURAS ........................................................................................ XII
1 INTRODUO ........................................................................................... 1
2 CONCRETO X AQUECIMENTO GLOBAL: IMPACTOS E POTENCIAL DE MITIGAO DE CO2 A PARTIR DA EFICINCIA DO USO DOS LIGANTES .... 04
2.1 Efeito estufa, ciclo carbonato-silicato e aquecimento global .............................................. 04
2.2 Concreto, cimento e aquecimento global ............................................................................. 05
2.3 Indstria do cimento e reduo de emisses ....................................................................... 08 2.3.1 Origem das emisses de CO2 do cimento ...................................................................... 08 2.3.2 Substituio de clnquer x disponibilidade de adies minerais .................................... 08
2.3.2.1 Escria de alto-forno (EAF) ................................................................................... 08 2.3.2.2 Slica ativa (SA) ..................................................................................................... 10 2.3.2.3 Cinzas volantes (CV) ............................................................................................. 11 2.3.2.4 Alocao de CO2 da escria e cinzas volantes ....................................................... 12 2.3.2.5 Resumo da disponibilidade de materiais suplementares para cimento ................... 13 2.3.2.6 Carter local do uso de EAF e CV ......................................................................... 14
2.3.3 Otimizao dos fornos: limites tecnolgicos .................................................................. 15 2.3.4 Substituio de combustveis tradicionais ...................................................................... 15 2.3.5 Sequestro e estocagem de carbono ................................................................................. 15 2.3.6 Resumo das redues possveis ..................................................................................... 16
2.4 Nova estratgia: aumento da eficincia do uso do cimento ................................................ 17
3 MEDINDO A ECO-EFICINCIA DO USO DO CIMENTO: BENCHMARK E POTENCIAL DE MITIGAO DE CO2 ................................................................................... 18
3.1 Indicadores de eficincia do uso do cimento ....................................................................... 18
3.2 Metodologia para levantamento dos dados do benchmark................................................ 22
3.3 Resultados e discusses benchmark .................................................................................. 23 3.3.1 Intensidade de ligantes (ILrc) .......................................................................................... 24 3.3.2 Intensidade de CO2 (ICrc) ............................................................................................... 28 3.3.3 Escria de alto-forno, cinzas volantes e coeficiente k de reatividade ............................ 30 3.3.4 Resduos de Construo e Demolio (RCD) ................................................................ 34
IV
3.3.5 Carter local dos indicadores ILrc e ICrc ......................................................................... 37
3.4 Implicaes para as metas de aquecimento global .............................................................. 38
3.5 Concluses do captulo .......................................................................................................... 39
4 TEORIA DO EMPACOTAMENTO E DISPERSO DE PARTCULAS APLICADA OTIMIZAO DO USO DE LIGANTES ......................................... 40
4.1 Estratgias para aumentar a eficincia do uso dos ligantes ............................................... 40 4.1.1 Empacotamento de partculas e o papel dos fillers ......................................................... 41 4.1.2 Disperso de partculas em sistemas cimentcios ........................................................... 50
4.1.2.1 A teoria DLVO e a disperso.................................................................................. 51 4.1.2.2 Dispersantes para compostos cimentcios ............................................................... 52 4.1.2.3 Estabilidade no tempo (perda da disperso) ........................................................... 55
4.1.3 Aumento da rea especfica do cimento ......................................................................... 55
4.2 Avaliao de parmetros convencionais de dosagem sob o enfoque da reologia ............. 57 4.2.1 Teor de argamassa, MPT e abatimento de cone ............................................................. 57 4.2.2 Relao a/c, porosidade e resistncia ............................................................................. 58 4.2.3 O slump como mtodo nico para medir a fluidez ......................................................... 58 4.2.3 O mdulo de finura ........................................................................................................ 60
4.3 Relaes entre reologia e ILrc ................................................................................................ 60
4.4 Concluses do captulo .......................................................................................................... 61
5 FORMULAO DE MATRIZ CIMENTCIA ............................................. 62
5.1 Consideraes sobre uma matriz adequada para concreto ................................................ 62 5.1.1 Teor de matriz x viscosidade da matriz .......................................................................... 63 5.1.2 Uso de fillers inertes ....................................................................................................... 64
5.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................... 65 5.2.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas ................................................................ 66
5.2.1.1 Distribuio granulomtrica ................................................................................... 66 5.2.1.2 Densidade real ........................................................................................................ 66 5.2.1.3 rea superficial ...................................................................................................... 67 5.2.1.4 Composio qumica e mineralgica ...................................................................... 69 5.2.1.5 Calor de hidratao ................................................................................................. 70 5.2.1.6 Anlise de Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) ....................................... 70
5.2.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................... 71 5.2.2.1 Determinao do teor inicial de gua ..................................................................... 71
V
5.2.2.2 Materiais ................................................................................................................. 72 5.2.2.3 Planejamento experimental .................................................................................... 73 5.2.2.4 Teste de reometria de fluxo contnuo ..................................................................... 74
5.2.3 Influncia da forma do filler na reologia ........................................................................ 75 5.2.3.1 Materiais ................................................................................................................. 76 5.2.3.2 Teor de dispersante e teor de gua ......................................................................... 76 5.2.3.3 Fator de Forma (FF) ............................................................................................... 76 5.2.3.4 Anlise de imagens atravs de MEV ...................................................................... 78
5.2.4 Determinao do teor mnimo de gua .......................................................................... 78 5.2.5 Planejamento estatstico de mistura de matrizes ............................................................ 78
5.2.5.1 Porosidade terica da composio granulomtrica no estado endurecido .............. 79 5.2.5.2 Indicadores de desempenho ambiental IL e IC.................................................... 79
5.3 Anlise dos resultados ........................................................................................................... 79 5.3.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas ................................................................ 79 5.3.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................... 82 5.3.3 Influncia da forma do filler na reologia ........................................................................ 90 5.3.4 Determinao do teor mnimo de gua .......................................................................... 96 5.3.5 Planejamento estatstico de mistura de matrizes ............................................................ 99
5.4 Concluses do captulo ........................................................................................................ 104
6 INFLUNCIA DO EMPACOTAMENTO DE AGREGADOS SOBRE O CONSUMO DE MATRIZ E A REOLOGIA .......................................................... 106
6.1 Importncia da porosidade intergranular dos agregados para o consumo de matriz ... 106
6.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 107 6.2.1 Materiais ...................................................................................................................... 107 6.2.2 Mtodos de caracterizao e seleo dos materiais ...................................................... 108
6.2.2.1 Quarteamento ....................................................................................................... 108 6.2.2.2 Determinao da granulometria ........................................................................... 108 6.2.2.3 Densidade real ...................................................................................................... 109 6.2.2.4 rea superficial .................................................................................................... 109 6.2.2.5 Ensaios de normas brasileiras ............................................................................... 109 6.2.2.6 Porosidade terica da composio granulomtrica ............................................... 110
6.2.3 Planejamento experimental composto (mistura + fatorial) .......................................... 110 6.2.3.1 Teor de matriz (componente 1 do planejamento de misturas) .............................. 110 6.2.3.2 Teor de agregados finos e grossos (componentes 2 e 3 do plan. misturas) .......... 111 6.2.3.3 Caracterstica da distribuio granulomtrica (varivel fatorial) ......................... 111
6.2.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio .................................................................... 111 6.2.5 Condies de experimento pr-fixadas ........................................................................ 113
VI
6.2.5.1 Composio da matriz .......................................................................................... 113 6.2.5.2 Teor de dispersante ............................................................................................... 113 6.2.5.3 Tenso de escoamento medida por abatimento do minitronco de cone ................ 113
6.3 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 114 6.3.1 Caracterizao e seleo das matrias-primas .............................................................. 114 6.3.2 Planejamento fatorial composto ................................................................................... 117
6.4 Concluses do captulo ........................................................................................................ 127
7 EMPACOTAMENTO DE AGREGADOS E OTIMIZAO DE MATRIZ APLICADOS A CONCRETOS ............................................................................ 128
7.1 Aspectos para formulao de concretos eficientes ............................................................ 128
7.2 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................. 129 7.2.1 Materiais ....................................................................................................................... 129 7.2.2 Mtodos de caracterizao e seleo de materiais ........................................................ 129 7.2.3 Planejamento experimental .......................................................................................... 129 7.2.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado fluido ........................................... 131
7.2.4.1 Mistura .................................................................................................................. 131 7.2.4.2 Teor de ar e densidade .......................................................................................... 133 7.2.4.3 Abatimento de cone (slump) e espalhamento ....................................................... 133 7.2.4.4 Reometria rotacional ............................................................................................. 133 7.2.4.5 Moldagem dos corpos-de-prova ........................................................................... 133
7.2.5 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado endurecido ................................... 133 7.2.5.1 Cura mida ........................................................................................................... 133 7.2.5.2 Resistncia compresso ..................................................................................... 134 7.2.5.3 Absoro de gua e porosidade ............................................................................ 134
7.2.6 Condies de dosagem pr-fixadas .............................................................................. 134 7.2.7 Parmetros de anlise calculados a partir da composio ............................................ 135
7.2.7.1 Teor de dispersante ............................................................................................... 135 7.2.7.2 Teor de gua ......................................................................................................... 135 7.2.7.3 Porosidade terica do sistema granulomtrico sem adio de gua ..................... 135 7.2.7.4 Distncia entre partculas IPS e MPT ................................................................ 135 7.2.7.5 Densidade da pasta, dos agregados e do concreto ................................................ 135 7.2.7.6 Porosidade no estado endurecido .......................................................................... 136 7.2.7.7 Indicadores ambientais ILrc e ICrc ......................................................................... 136
7.3 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 136
7.4 Concluses do captulo ........................................................................................................ 154
VII
8 COMPORTAMENTO REOLGICO NO TEMPO DE CONCRETOS DE ALTO EMPACOTAMENTO ................................................................................ 155
8.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 155 8.1.1 Materiais ...................................................................................................................... 155 8.1.2 Planejamento experimental .......................................................................................... 155
8.1.2.1 Variveis experimentais ....................................................................................... 155 8.1.2.1.1 Tipo de cimento ................................................................................................ 155 8.1.2.1.2 Tipo de dispersante ........................................................................................... 156 8.1.2.1.3 Distribuio da curva granulomtrica e porosidade intergranular .................... 156
8.1.3 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado fluido ........................................... 157 8.1.3.1 Mistura ................................................................................................................. 157 8.1.3.2 Teor de ar e densidade .......................................................................................... 157 8.1.3.3 Abatimento de cone (slump) e abertura diametral ................................................ 157 8.1.3.4 Reometria rotacional e no tempo .......................................................................... 157 8.1.3.5 Moldagem dos corpos-de-prova ........................................................................... 158
8.1.4 Equipamentos e procedimentos de ensaio estado endurecido ................................... 158 8.1.5 Condies de dosagem pr-fixadas .............................................................................. 159 8.1.6 Parmetros de anlise calculados a partir da composio ............................................ 159
8.2 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 159
8.3 Concluses do captulo ........................................................................................................ 166
9 COMPARAO ENTRE ESTRATGIAS DE CONTROLE REOLGICO DE CONCRETOS E SUA INFLUNCIA NO TEOR DE LIGANTES ................... 167
9.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 167 9.1.1 Levantamento e anlise de dados de duas centrais de concreto ................................... 167 9.1.2 Execuo de concretos de IL fixo variando empacotamento ....................................... 167
9.2 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 169
8.3 Concluses do captulo ........................................................................................................ 179
10 INFLUNCIA DAS PROPRIEDADES DE FINOS INERTES SOBRE A REOLOGIA E A EFICINCIA DO USO DOS LIGANTES .................................. 181
10.1 Planejamento experimental, materiais e mtodos ............................................................ 181 10.1.1 Caracterizao e seleo dos materiais ........................................................................ 181 10.1.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................. 182
10.1.2.1 Procedimentos de mistura .................................................................................... 182 10.1.2.2 Ensaio de reometria de fluxo contnuo ................................................................. 182
VIII
10.1.3 Determinao das caractersticas reolgicas e mecnicas de pastas de cimento e fillers183
10.1.3.1 Composies ......................................................................................................... 183 10.1.3.2 Mistura .................................................................................................................. 184 10.1.3.3 Ensaio de reometria rotacional ............................................................................. 184 10.1.3.4 Ensaio de resistncia compresso ...................................................................... 185
10.1.4 Influncia da forma dos fillers no comportamento reolgico ....................................... 185 10.1.5 Mistura de concreto eco-eficiente ................................................................................ 185
10.2 Anlise dos resultados ......................................................................................................... 186 10.2.1 Caracterizao e seleo dos materiais ......................................................................... 186 10.2.2 Determinao do teor timo de dispersante ................................................................. 188 10.2.3 Determinao das caractersticas reolgicas e mecnicas de pastas dispersas de cimento e
fillers...................... .................................................................................................................................... 189
10.2.4 Mistura de concreto eco-eficiente ................................................................................ 204
10.3 Concluses do captulo ........................................................................................................ 207
11 CONCLUSES ...................................................................................... 209
12 REFERNCIAS ...................................................................................... 214
ANEXO A REFERNCIAS DO BENCHMARK .......................... CD ROM
ANEXO B ENSAIOS REOLGICOS DO CAPTULO 5 ............ CD ROM
ANEXO C ENSAIOR REOLGICOS, CURVAS GRANULOMTRICAS E FOTOGRAFIAS DOS ENSAIOS DO CAPTULO 6 ................................... CD ROM
ANEXO D ENSAIOS REOLGICOS DO CAPTULO 8 ............ CD ROM
IX
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Variao das emisses de CO2 relacionadas produo de clnquer. ............. 06
Tabela 2.2 Clculo das emisses de CO2 por tonelada de clnquer a partir dos dados de
WBCSD/IEA (2009). ..................................................................................................... 07
Tabela 2.3 Quantidade de EAF disponvel para a indstria do cimento encontrada em
literatura. ......................................................................................................................... 10
Tabela 2.4 Disponibilidade e potencial de uso das principais adies minerais utilizadas
para substituir clnquer (WBCSD/IEA, 2009). ............................................................... 13
Tabela 5.1 Composio das misturas para determinao do teor timo de dispersante.
a/s a relao gua/slidos. ............................................................................................ 74
Tabela 5.2 Densidade real e rea superficial das matrias-primas disponveis,
indicando: a) ligantes (cimentos); b) inertes mais finos; c) inertes de granulometria
semelhante; e d) inertes mais grossos do que os ligantes disponveis. ........................... 80
Tabela 5.3 Caracterizao qumica dos materiais por fluorescncia de Raios X. ............. 81
Tabela 5.4 Caracterizao mineralgica dos materiais por difrao de Raios X mtodo
quantitativo de Rietveld. ................................................................................................. 81
Tabela 5.5 Caracterizao dos cimentos utilizados de acordo com as normas
relacionadas gua de consistncia normal (NM 43), tempo de incio e fim de pega
(NM 65), rea especfica por Blaine (NM 76) e massa especfica (ME) (NM 23). ....... 81
Tabela 5.6 Caracterizao dos dispersantes utilizados parmetros fornecidos pelo
fabricante ou ensaiados em laboratrio. ......................................................................... 82
Tabela 5.7 Determinao do erro experimental. A viscosidade aparente foi medida no
ponto de taxa de cisalhamento de 400 RPM. ................................................................. 83
Tabela 5.8 Teor timo de dispersante (TOD), consumo especfico de dispersante (CED)
e pH medidos experimentalmente para as misturas "a" a "j". ...................................... 86
Tabela 5.9 Teor timo de dispersante medidos (dados experimentais) ou calculados
pelo modelo de Herschel-Bulkley. Legenda: Vap = Viscosidade aparente sob taxa de
cisalhamento 400 RPM; Te1 = Tenso de escoamento na curva de acelerao; Te2 =
Tenso de escoamento na curva de desacelerao; Vpl1 = Viscosidade plstica na
curva de acelerao; Vpl2 = Viscosidade plstica na curva de desacelerao. ................ 89
X
Tabela 5.10 Consumo de gua, teor timo de dispersante (TOD), rea superficial
(SSA), consumo especfico de dispersante (CED), fator de forma (FF) e dimetros
d10, d50 e d90 dos materiais estudados. ........................................................................ 91
Tabela 5.11 Variao da viscosidade aparente e IPS das pastas a a j de acordo com
a alterao da relao a/s. ............................................................................................... 97
Tabela 5.12 Planejamento de misturas para os componentes: 1) CPV1; 2) Filler Ca1
(F1); 3) Filler Ca5 (F5). ................................................................................................. 99
Tabela 6.1 Densidade real, rea superficial e d10, d50e d90 dos agregados disponveis.116
Tabela 6.2 Caracterizao dos agregados utilizados de acordo com as normas
relacionadas massa unitria (UM) (NM 45), massa especfica (ME), massa
especfica aparente (MEA) (NM 52 midos ou NM 53 grados), absoro de gua
(NM 30 midos ou NM 53 grados) e teor de pulverulentos (NM 46). ................ 117
Tabela 6.3 Planejamento composto para estudo da relao entre a porosidade
intergranular dos agregados e a reologia. ..................................................................... 118
Tabela 7.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio. As siglas
dos materiais seguem as nomenclaturas dos Captulos 5 e 6. ...................................... 130
Tabela 7.2 Dados calculados sobre os parmetros de dosagem dos concretos
executados. ................................................................................................................... 138
Tabela 7.3 Resultados de: a) incorporao de ar; b) abatimento de cone; c)
espalhamento para concretos auto-adensveis. ............................................................ 138
Tabela 7.4 Resultados experimentais de reometria rotacional dos concretos executados.139
Tabela 7.5 Resultados de resistncia compresso, absoro de gua e porosidade no
estado endurecido dos concretos. ................................................................................. 140
Tabela 8.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio. .............. 156
Tabela 8.2 Teores timos de dispersante encontrados para cada material, para os 3
diferentes dispersantes. ................................................................................................ 160
Tabela 8.3 Dados calculados sobre os parmetros de dosagem dos concretos
executados. ................................................................................................................... 160
Tabela 8.4 Resultados experimentais de: a) incorporao de ar; b) abatimento de cone 1
e 2; c) abertura diametral para concretos auto-adensveis 1 e 2. Os indicadores 1 e 2
indicam, respectivamente, a realizao do ensaio: 1) logo aps a mistura do concreto;
e 2) depois de 2 horas da mistura, aps a realizao do ensaio de reometria no tempo.161
Tabela 8.5 Resultados de resistncia compresso, absoro de gua, porosidade no
estado endurecido e IL e IC. ........................................................................................ 165
XI
Tabela 9.1 Dados de dosagem dos concretos confeccionados em laboratrio.. As siglas
dos materiais seguem as nomenclaturas dos Captulos 5 a 7. ...................................... 168
Tabela 9.2 Dados calculados sobre os parmetros de dosagem dos concretos
executados. ................................................................................................................... 173
Tabela 9.3 Resultados de reologia, resistncia mecnica e desempenho ambiental para
os concretos realizados. ................................................................................................ 174
Tabela 10.1 Densidade real e rea superficial das matrias-primas disponveis ............. 186
Tabela 10.2 Caracterizao qumica dos materiais por fluorescncia de Raios X. ......... 187
Tabela 10.3 Caracterizao mineralgica dos materiais por difrao de Raios X
mtodo quantitativo de Rietveld ................................................................................... 187
Tabela 10.4 ANOVA das composies, 6 amostras por grupo, nvel de confiana 95%,
mtodo de agrupamento de Fisher ................................................................................ 192
Tabela 10.5 Porosidade intergranular e IPS das misturas estudadas ............................... 194
Tabela 10.6 Composio do concreto executado ............................................................ 205
Tabela 10.7 Caractersticas de empacotamento do concreto executado .......................... 205
XII
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Ciclo do carbonato-silicato simplificao. .................................................... 04
Figura 2.2 a) evoluo histrica da concentrao de gases do efeito estufa; b)
aquecimento global ocorrido no ltimo sculo e 3 diferentes estimativas para a sua
evoluo no sculo XXI cenrios A2, A1B e B1 (IPCC, 2007). ................................. 05
Figura 2.3 Media de emisses de CO2 / ton clnquer: a) divididas por tipo de forno e
ano (WBCSD/CSI, 2009); b) mdia mundial (WBCSD/GNR, 2011). ........................... 06
Figura 2.4 a) histrico da produo de cimento mundial (US GEOLOGICAL
SURVEY, 2006) e estimativa da sua evoluo at 2050 (WBCSD/CSI, 2007); e b)
estimativa das emisses de GHG provenientes da produo de cimento, perodo de
1990 a 2050 (WBCSD/CSI, 2007). ................................................................................. 07
Figura 2.5 Previso global do uso de escrias ferrosas, 2008-2020 (SMITHERS APEX,
2011). .............................................................................................................................. 09
Figura 2.6 Previso da produo mundial de carvo dividida por regies, de 1980 a
2100 (HOK et al, 2008). ............................................................................................... 12
Figura 2.7 Estudo sobre disponibilidade mundial apresentado durante o curso The use
of ecomaterials as supplementary cementitious materials (ICCC, 2011). .................... 13
Figura 3.1 Intensidade de ligantes (ILrc) versus resistncia compresso aos 28 dias
para: (a) dados internacionais; (b) dados brasileiros (literatura e mercado). As linhas
representam concretos com o mesmo teor total de ligantes, em kg.m-3. ......................... 24
Figura 3.2 Intensidade de CO2 (ICrc) estimada versus resistncia compresso aos 28
dias. As linhas representam concretos com o mesmo teor total de CO2, em kg.m-3. ...... 28
Figura 3.3 a) Intensidade de Ligantes (ILrc) versus Intensidade de CO2 (ICrc); b) Fator
de clnquer versus ICrc. ................................................................................................... 29
Figura 3.4 Influncia do teor de EAF sobre o ICrc, para: a) dados brasileiros; b) dados
internacionais. ................................................................................................................. 31
Figura 3.5 Influncia do teor de CV sobre o ICrc, para: a) dados brasileiros; b) dados
internacionais. ................................................................................................................. 31
Figura 3.6 Influncia do teor de EAF sobre o ILrc, para: a) dados brasileiros; b) dados
internacionais. ................................................................................................................. 31
Figura 3.7 Influncia do teor de CV sobre o ILrc, para: a) dados brasileiros; b) dados
internacionais. ................................................................................................................. 32
XIII
Figura 3.8 Benchmark da literatura alterado pela correo do ILrc a partir do fator k de
reatividade das adies minerais. ................................................................................... 33
Figura 3.9 Influencia da densidade dos agregados grados utilizados na mistura de
concreto: a) no indicador ILrc (esquerda; b) no indicador ICrc (direita) (Angulo et al,
2010). .............................................................................................................................. 34
Figura 3.10 a) Impacto da substituio de cimento por escria granulada de fundio no
IL e IC (Reschke et al, 2005); b) Impacto do uso de fibras de borracha no IL e IC
(Mosca; Lintz; Carnio, 2005; Penha et al, 2006). ........................................................... 35
Figura 3.11 a) Impacto da substituio de areia natural por areia de PET no IL e IC
(Almeida et al, 2004); b) Impacto da substituio de cimento por outros ligantes ou
filler calcrio no IL (Isaia; Gastaldini; Moraes, 2003). .................................................. 36
Figura 4.1 Mnima porosidade calculada pelo modelo de Andreassen modificado em
funo do mdulo de distribuio, gro mnimo de 0,17m e gro mximo de 16mm
(FUNK; DINGER, 1992). .............................................................................................. 42
Figura 4.2 a) distribuio bimodal, com mais e maiores vazios; b) distribuio
polimodal, com menos e menores vazios. ...................................................................... 46
Figura 4.3 Relao empacotamento de agregados x composio da pasta em projetos
granulomtricos de alta compacidade: a) baixo MPT, diminuindo a quantidade de
matriz; b) aumento do MPT, aumentando a quantidade de matriz. ................................ 47
Figura 4.4 a) relao dl/ds alta, com baixa porosidade; b) diminuio da relao dl/ds,
com aumento da porosidade. .......................................................................................... 47
Figura 4.5 a) relao entre dimetros de partculas e densidade volumtrica; b) esquema
do efeito parede (PILEGGI, 2001). ................................................................................ 48
Figura 4.6 efeito parede em: a) relao dl/ds =3,5 (pequena), gerando poros maiores na
interface (em azul); b) relao dl/ds =10 (grande), diminuindo porosidade na interface
(em azul). ........................................................................................................................ 48
Figura 4.7 aumento da porosidade devido geometria irregular de partculas. ................ 50
Figura 4.8 segregao de granulometrias, criando porosidade de distribuio
monomodal. .................................................................................................................... 50
Figura 4.9 a) partculas aglomeradas, com capacidade de ligar a suspenso diminuda e
obstruo ao fluxo; b) partculas desaglomeradas com baixo IPS; c) partculas
desaglomeradas com alto IPS. ........................................................................................ 51
Figura 4.10 Distribuio das cargas de superfcie em partculas (RAHHAL et al, 2012). 51
XIV
Figura 4.11 evoluo da hidratao gerao de ons que destroem gradativamente a
repulso eletrosttica. ...................................................................................................... 53
Figura 4.12 relao entre tamanho das molculas da disperso estrica e porosidade: a)
molculas menores, gerando IPS menor; b) molculas maiores, afastando mais as
partculas (maior IPS). .................................................................................................... 54
Figura 4.13 a) gro original; b) aumento da finura do gro, com maior rea reativa
superficial. ....................................................................................................................... 56
Figura 4.14 Teor de argamassa () e a medio indireta da distncia entre agregados
(MPT): a) menor , resultando em menor MPT; b) maior , com maior MPT. ............. 57
Figura 4.15 Grfico taxa x tenso cisalhamento terico para 3 misturas de concretos. .... 59
Figura 5.1 Equipamento para medio de granulometria a laser, marca Malvern
Mastersizer. ..................................................................................................................... 66
Figura 5.2 Equipamento para medio da densidade real por picnometria de He,
Quantachrome MVP 5DC. .............................................................................................. 67
Figura 5.3 Equipamento para medio da rea superficial especfica por BET, modelo
Gemini 2375, Micromeritics. .......................................................................................... 68
Figura 5.4 Equipamentos para medio de: a) composio qumica por fluorescncia de
Raios X; b) composio mineralgica e cristalogrfica por difrao de Raios X
quantificado pelo mtodo de Rietveld. ........................................................................... 69
Figura 5.5 Equipamento para medio do calor de hidratao de finos ligantes, marca
TAMAir. ......................................................................................................................... 70
Figura 5.6 Equipamento para aquisio de imagens por MEV, marca Quanta 600 FEG. . 71
Figura 5.7 Fluxograma do planejamento experimental. .................................................... 73
Figura 5.8 Fluxograma dos passos do teste de reometria de fluxo contnuo. .................... 74
Figura 5.9 a) equipamento para mistura de pasta, hlice modelo R1303 Dissolver
Stirrer, IKA; b) equipamento para medio de reometria de pasta, modelo AR-550,
TA Instruments ............................................................................................................... 74
Figura 5.10 Curvas granulomtricas discretas de finos inertes
XV
Figura 5.12 Taxa de cisalhamento versus tenso de cisalhamento, pasta "a" (100%
CPV1), relao a/s=0,35. Os dados da legenda indicam a relao a/s e o teor de
dispersante. ..................................................................................................................... 82
Figura 5.13 Teor de dispersante versus viscosidade aparente, pasta "a" (100% CPV1),
a/s=0,35. As linhas tracejadas indicam o erro experimental. ......................................... 84
Figura 5.14 Calor de hidratao da pasta "a" (100% CPV1), a/s=0,35; a) sem
dispersante; b) com dispersante (teor ideal). .................................................................. 85
Figura 5.15 Comparao entre os teores timos de dispersante obtidos por resultados
experimentais e previstos................................................................................................ 88
Figura 5.16 Fator de forma (FF) calculado das matrias-primas disponveis, divididos
em: a) ligantes (cinza); b) mais finos (azul); c) granulometria semelhante (laranja); e
d) mais grossos (vermelho) do que os ligantes disponveis. .......................................... 90
Figura 5.17 a) Curvas granulomtricas discretas das matrias-primas selecionadas para
o estudo do FF; b) reas superficiais terica (calculada) e real (medida por BET) e
respectivo Fator de Forma (FF) de cada material. .......................................................... 90
Figura 5.18 Teor de dispersante versus viscosidade aparente das pastas de CPV1, Filler
Ca1, Filler Ca5 e Microfiller Si. ..................................................................................... 91
Figura 5.19 Quatro Imagens do CPV1 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio e a
escala esto nas legendas. ............................................................................................... 92
Figura 5.20 Trs imagens do FillerCa1 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio esto
nas legendas. ................................................................................................................... 93
Figura 5.21 Quatro imagens do FillerCa5 atravs de MEV. Os parmetros do ensaio
esto nas legendas. .......................................................................................................... 94
Figura 5.22 Quatro imagens do MicrofillerSi atravs de MEV. Os parmetros do ensaio
esto nas legendas. .......................................................................................................... 94
Figura 5.23 Teor de gua versus viscosidade das pastas de CPV1, F_Ca1 e F_Ca5
puros, com teor timo de dispersante. A legenda indica a relao a/s e o teor de
dispersante. ..................................................................................................................... 96
Figura 5.24 Teor de gua versus viscosidade para misturas de: a) CPV1 + F1; b) CPV1
+ F5; e c) CPV1 + F1 + F5. ............................................................................................ 98
Figura 5.25 Superfcie de resposta de: a) resistncia compresso aos 7 dias (RC7); b)
aos 28 dias (RC28). ........................................................................................................ 99
Figura 5.26 Superfcie de resposta de porosidade no estado endurecido (calculada). .... 100
XVI
Figura 5.27 a) Resistncia compresso 28 dias versus porosidade da matriz no estado
endurecido; b) resistncia compresso versus relao a/s. ......................................... 100
Figura 5.28 Superfcie de resposta de ndice de Ligantes (ILrc): a) 7 dias (ILrc7); b) 28
dias (ILrc28) .................................................................................................................. 101
Figura 5.29 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de
porosidade terica calculada. ........................................................................................ 101
Figura 5.30 a) Superfcie de resposta do planejamento de misturas para resposta de
viscosidade; b) taxa de cisalhamento versus tenso de cisalhamento das matrizes
(vide Tabela 5.12). ........................................................................................................ 102
Figura 5.31 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para o parmetro
calculado de Fator de Forma. ........................................................................................ 103
Figura 5.32 Fator de Forma versus tenso de escoamento das matrizes estudadas. ........ 103
Figura 6.1 Procedimentos para quarteamento: a) execuo de pilha; b) retirada de
alquotas; c) quarteamento Jones.. ................................................................................ 108
Figura 6.2 Equipamento para ensaio de medio de granulometria: a) peneiramento; b)
laser, marca Malvern Mastersizer.. ............................................................................... 108
Figura 6.3 Remetro Poli-USP a) cuba e raquete; b) ensaio em execuo. .................. 112
Figura 6.4 Curvas granulomtricas discretas dos agregados disponveis. ....................... 114
Figura 6.5 Diferena observada entre resultados de granulometria considerando-se
maior ou menor distncia entre os intervalos de tamanhos medidos (mesmo ensaio).115
Figura 6.6 Diferena observada entre ensaio de granulometria a laser e por
peneiramento. ................................................................................................................ 115
Figura 6.7 Ensaio 1 (matriz=8%, areia=52%, brita=40%, distribuio granulomtrica
descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de execuo: 7. ... 118
Figura 6.8 Ensaio 1 (matriz=8%, areia=52%, brita=40%, distribuio granulomtrica
descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral. Teor de
gua = 20%; abertura = 130mm; segregao = no ...................................................... 119
Figura 6.9 Ensaio 1 (matriz=8%, areia=52%, brita=40%, distribuio granulomtrica
descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral. Teor de
gua = 29,46%; abertura = 130mm; segregao = sim. ................................................ 119
Figura 6.10 Ensaio 3 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de
execuo: 4. ................................................................................................................. 119
XVII
Figura 6.11 Ensaio 3 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem
lateral. Teor de gua = 20%; abertura = 130mm; segregao = no ............................ 120
Figura 6.12 Ensaio 3 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem
lateral. Teor de gua = 23,53%; abertura = 240mm; segregao = sim. ...................... 120
Figura 6.13 Ensaio 11 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica contnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de
execuo: 5. ................................................................................................................. 120
Figura 6.14 Ensaio 11 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica contnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral.
Teor de gua = 20%; abertura = 200mm; segregao = pouco. ................................... 121
Figura 6.15 Ensaio 11 (matriz=17,2%, areia=51,8%, brita=31%, distribuio
granulomtrica contnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral.
Teor de gua = 22,86%; abertura = 255mm; segregao = pouco. .............................. 121
Figura 6.16 Ensaio 6 (matriz=20%, areia=40%, brita=40%, distribuio granulomtrica
descontnua): a) curva granulomtrica; b) curva reolgica. Ordem de execuo: 10. 121
Figura 6.17 Ensaio 6 (matriz=20%, areia=40%, brita=40%, distribuio granulomtrica
descontnua): a) imagem superior com escala em mm; b) imagem lateral. Teor de
gua = 20%; abertura = 240mm; segregao = no. .................................................... 122
Figura 6.18 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de gua
requerida para abertura 240+-20mm: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria
descontnua (+1). .......................................................................................................... 124
Figura 6.19 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para a relao
matriz/porosidade: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1).125
Figura 6.20 a) relao matriz/porosidade versus teor de gua (%); b) relao segregao
versus relao matriz/porosidade.................................................................................. 125
Figura 6.21 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de
viscosidade (Pa.s): a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1).126
Figura 6.22 Superfcie de resposta do planejamento de misturas, para resposta de
abertura, em mm: a) granulometria contnua (-1); b) granulometria descontnua (+1) 126
Figura 7.1 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C01 a C05 (esquerda);
b) C06 a C10 (direita).. ................................................................................................. 136
XVIII
Figura 7.2 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C11 a C13 (esquerda); b)
C14 e C16 (direita). ....................................................................................................... 137
Figura 7.3 Curvas granulomtricas discretas dos concretos: a) C17 a C21 (esquerda); b)
C02 (direita). ................................................................................................................. 137
Figura 7.4 Curvas granulomtricas acumuladas de todos os concretos executados ........ 137
Figura 7.5 Curvas reolgicas dos concretos executados: a) C10 a C17; b) C18 a C21 e
IPT. Os resultados foram divididos em dois grficos separados com mesma escala
para uma melhor visualizao. ...................................................................................... 139
Figura 7.6 Relao entre a/c e resistncia compresso dos concretos executados: a)
concretos de alto empacotamento granulomtrico e uso de fillers de baixo fator de
forma (crculos vermelhos); b) concretos de alto empacotamento e uso de fillers de
alto fator de forma (quadrados azuis); e c) concretos dosados pelo mtodo IPT
(tringulos verdes)......................................................................................................... 153
Figura 7.7 Benchmark de concretos da literatura (Captulo 3) com insero dos
concretos realizados neste captulo.. ............................................................................. 154
Figura 8.1 Curva granulomtrica dos concretos: a) de alto empacotamento, com CPV1
(linha cheia vermelha); b) de alto empacotamento, com CPV2 (linha tracejada azul);
c) IPT, com CPV1. ........................................................................................................ 160
Figura 8.2 Resultados dos testes de reologia no tempo dos concretos planejados
tempo mximo de 2 horas. As medies de torque foram realizadas sempre sob
rotao constante de 50 RPM. ....................................................................................... 161
Figura 8.3 Curvas reolgicas de: a) concretos com CPV1 e variao do dispersante; b)
concretos com CPV2 e variao do dispersante. A sigla c1 indica que o ensaio foi
realizado 15 minutos aps o incio da mistura; c2 indica que o ensaio foi realizado
aps o ensaio de reometria no tempo, cuja durao foi de 2 horas (Figura ). ............... 164
Figura 9.1 Probabilidade acumulada do ILrc dos dados da Intercement, divididos por
faixas de fck. ................................................................................................................. 170
Figura 9.2 a) probabilidade acumulada do ILrc, divididos por faixas de slump; b) curvas
de correlao do ILrc 10, 50 e 90% com o slump. Os dados analisados foram
coletados em 8 centrais de produo de concreto da empresa Intercement. ................. 171
Figura 9.3 Demonstrao da influncia do slump na determinao do teor de cimento
no mtodo de dosagem IPT. .......................................................................................... 171
XIX
Figura 9.4 a) probabilidade acumulada do ILrc, divididos por faixas de slump; b) curvas
de correlao do ILrc 10, 50 e 90% com o slump. Os dados analisados foram
coletados da empresa FURNAS.. ................................................................................. 172
Figura 9.5 Curva granulomtrica dos concretos 12_1 a 12_5. ........................................ 174
Figura 9.6 Curva granulomtrica dos concretos: a) 11_1 a 11_3 (esquerda); b) 14_1 e
14_2 (direita). ............................................................................................................... 174
Figura 9.7 Curvas reolgicas dos concretos executados: a) C10 a C17; b) C18 a C21 e
IPT. Os resultados foram divididos em dois grficos separados com mesma escala
para uma melhor visualizao ...................................................................................... 175
Figura 9.8 Comparao entre as curvas de correlao do ILrc 50% com o slump das
empresas avaliadas com os dados experimentais obtidos. Para os dados
experimentais, so apresentados o consumo de gua, em l/m3, e a porosidade
intergranular, para a linha dos concretos de 120 l/m3 de gua. .................................... 178
Figura 9.9 Benchmark de concretos da literatura (Captulo 3) com insero dos
concretos levantados e realizados em laboratrio neste Captulo. ............................... 179
Figura 10.1 a) equipamento para peneiramento das amostras at obteno de material
XX
Figura 10.10 Correlao da resistncia compresso de misturas de pasta + areia 1:3
(padro da norma) e misturas somente de pasta, relao a/c=0,50 ............................... 189
Figura 10.11 Curvas reolgicas da misturas compostas por 50% de Cimento 1 + 50%
do filler indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante timo calculado a partir dos
dados do item anterior. A seta tracejada indica que as curvas apresentadas so as de
desacelerao ................................................................................................................ 190
Figura 10.12 Parmetros reolgicos de viscosidade aparente e tenso de escoamento
das misturas. Os dados foram obtidos a partir da Figura anterior. 50% de Cim1 + 50%
do filler indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante otimizado .............................. 191
Figura 10.13 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, sobre: a)
argamassas (proporo pasta/areia 1:3); b) pastas puras. 50% de Cim1 + 50% do filler
indicado, relao a/c=0,50, teor de dispersante otimizado ........................................... 191
Figura 10.14 a) resistncia compresso das misturas aos 28 dias, com informaes da
variao dos resultados utilizada na comparao das mdias atravs da ANOVA; b e
c) plotagem da probabilidade normal dos residuais da ANOVA .................................. 192
Figura 10.15 Viscosidade aparente versus tenso de escoamento das misturas estudadas194
Figura 10.16 IPS versus: a) viscosidade aparente; e b) tenso de escoamento das
misturas estudadas......................................................................................................... 195
Figura 10.17 Fator de forma dos materiais ...................................................................... 195
Figura 10.18 Imagens de MEV do filler C1. FF calculado = 5,06 m2/g / m2/g ............... 196
Figura 10.19 Imagens de MEV do filler C2. FF calculado = 2,16 m2/g / m2/g ............... 196
Figura 10.20 Imagens de MEV do filler C3. FF calculado = 3,43 m2/g / m2/g ............... 196
Figura 10.21 Imagens de MEV do filler C4. FF calculado = 8,10 m2/g / m2/g ............... 197
Figura 10.22 Imagens de MEV do filler Q1. FF calculado = 3,96 m2/g / m2/g ............... 197
Figura 10.23 Imagens de MEV do filler Q2. FF calculado = 6,51 m2/g / m2/g ............... 197
Figura 10.24 Imagens de MEV do filler D1. FF calculado = 5,90 m2/g / m2/g ............... 198
Figura 10.25 Imagens de MEV do filler D2. FF calculado = 4,06 m2/g / m2/g ............... 198
Figura 10.26 Imagens de MEV do filler D3. FF calculado = 10,75 m2/g / m2/g ............. 198
Figura 10.27 Imagens de MEV do filler NS1. FF calculado = 5,56 m2/g / m2/g ............. 199
Figura 10.28 Imagens de MEV do filler G1. FF calculado = 6,65 m2/g / m2/g ............... 199
Figura 10.29 Imagens de MEV do filler G2. FF calculado = 8,43 m2/g / m2/g ............... 199
Figura 10.30 Imagens de MEV do filler G3. FF calculado = 11,54 m2/g / m2/g ............. 200
Figura 10.31 Imagens de MEV do filler G4. FF calculado = 8,77 m2/g / m2/g ............... 200
Figura 10.32 Imagens de MEV do filler Cim1. FF calculado = 2,60 m2/g / m2/g ........... 200
XXI
Figura 10.33 Imagens de MEV do filler Cim2. FF calculado = 3,18 m2/g / m2/g ........... 201
Figura 10.34 Curvas reolgicas da misturas compostas por 50% de Cimento 1 + 50%
do filler indicado, relao a/c variando de 0,50 a 0,30 (indicada), teor de dispersante
timo calculado a partir dos dados do item anterior ..................................................... 203
Figura 10.35 Parmetros reolgicos de viscosidade aparente e tenso de escoamento
das misturas em funo da relao a/c. 50% de Cim1 + 50% do filler indicado, teor de
dispersante otimizado ................................................................................................... 203
Figura 10.36 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, em funo da
relao a/c. 50% de Cim1 + 50% do filler indicado, teor de dispersante otimizado .... 203
Figura 10.37 Resistncia compresso das misturas aos 7 e 28 dias, ensaios sobre
pastas puras. Teor dos materiais variando conforme indicado, relao a/c=indicada,
teor de dispersante otimizado. As linhas de tendncia so ilustrativas ........................ 204
Figura 10.38 Curva granulomtrica do concreto desenvolvido a partir dos conceitos de
formulao de pastas do item 10.2.3 e empacotamento de agregados ......................... 205
Figura 10.39 Benchmark final da tese dados de literatura, de centrais de concreto e de
resultados experimentais obtidos em laboratrio durante a execuo da pesquisa ...... 207
Figura 11.1 Benchmark de concretos levantados em literatura (bege claro), em centrais
de concreto (bege escuro) e realizados em laboratrio (vermelho) nos diversos
Captulos desta tese ...................................................................................................... 209
1
11 IINNTTRROODDUUOO
A Revoluo Industrial trouxe aumento da qualidade de vida, da expectativa de vida
e da populao mundial. Porm, estes aspectos foram obtidos atravs de aumento do consumo
de materiais per capita, o que, aliado ao aumento populacional, criou o cenrio para que os
problemas ambientais surgissem. Dentre estes problemas, um dos mais discutidos o
aquecimento global causado pelo aumento do efeito estufa, que por sua vez depende do
aumento das emisses de CO2 e gases equivalentes na atmosfera, por ao antrpica.
A cadeia da construo civil consome mais de 50% dos recursos naturais mundiais, o
que faz com que contribua de forma significativa para o agravamento deste impacto. O
cimento, matria-prima fundamental do concreto, emite atualmente mais de 5% das emisses
de CO2 mundiais, valor que dever ser aumentado para 30% at 2050, se nenhuma
providncia for tomada. E, mesmo que as principais aes para diminuio das emisses
(eficincia dos fornos, modificao dos combustveis e substituio de clnquer por cinzas
volantes e escria de alto-forno) fossem levadas ao extremo em esforo mundial, isto no
seria suficiente, o que deve aumentar muito a presso sobre as indstrias de cimento nos
prximos anos. Uma das alternativas para minimizar este panorama o sequestro e estocagem
de carbono poderia dobrar o preo do cimento, com prejuzo de ordem social para muitos
pases que ainda necessitam de grande volume de infra-estrutura bsica e moradias.
Assim, novas alternativas devem ser desenvolvidas, e uma promissora o aumento
da eficincia no uso dos ligantes materiais que sofreram processo trmico na produo, com
emisso de CO2, e auxiliam na formao de resistncia mecnica por processos de hidratao
ou reaes pozolnicas, como o clnquer, a escria de alto-forno, as cinzas volantes e outros.
Fazer mais concreto com menos ligantes, de forma que a produo no precise aumentar para
atender demanda crescente. O aumento da eficincia do uso dos ligantes , em parte, um
problema reolgico, pois depende, entre outros fatores, da maximizao da mobilidade das
partculas com minimizao do teor de gua o que possibilita obter desempenho mecnico
mais elevado com reduzido teor de ligantes , com manuteno da mobilidade no tempo de
aplicao. Para que isso seja atingido, faz-se necessrio um reestudo dos fundamentos de
reologia sobre as dosagens, atravs de: 1) controle mais rigoroso das caractersticas das
matrias-primas; 2) projeto granulomtrico mais elaborado para diminuio dos vazios; 3)
disperso das partculas para aumento da fluidez com menor teor de gua; e 4) adoo de
2
tcnicas de medio reolgica adequadas utilizao destinada, j que, em misturas
otimizadas, o comportamento reolgico muito mais complexo.
No caso da cadeia do concreto, isto implica em aumento da complexidade da
dosagem. Por isso, a indstria tem papel fundamental como a estrutura organizada com
capacidade para a realizao desta tarefa, seja na dosagem em centrais de concreto, seja na
criao de concretos ou cimentos ensacados de alto desempenho com menor teor de ligantes
para uso in loco. Porm, isto historicamente tem sido relegado a segundo plano, devido a trs
fatores: 1) falta de compreenso de que este controle poderia trazer benefcios econmicos; 2)
baixa interao entre as solues prticas de dosagem e as teorias cientficas que permitiriam
a otimizao; e 3) o fato de que a tecnologia atual de dosagem funcionou at hoje da forma
como conhecida porque tem como pr-requisito o uso de ligantes em quantidades no
limitadas. Atualmente, porm, as questes da sustentabilidade requisitam uma racionalizao
do consumo. Kumar Mehta, um dos mestres contemporneos do concreto, cita em suas
palestras que o concreto possui trs fases em sua histria: 1) busca por resistncia mecnica;
2) busca por durabilidade; e 3) busca por sustentabilidade, sendo que a ltima recente, est
em pleno desenvolvimento, implica em repensar as duas primeiras e depende do uso de
cimentos com menor teor de clnquer e concretos com menor teor de ligantes.
Esta tese tem o objetivo de investigar o potencial de aumento da eficincia do uso
dos ligantes em formulaes de concretos, visando a mitigao dos gases do efeito estufa da
sua produo. Para isso, ser dividida em quatro etapas: 1) estimativa da eficincia do uso dos
ligantes em concretos no panorama atual do conhecimento; 2) compreenso dos requisitos
cientficos e tecnolgicos para processos de dosagem de misturas de concreto que prezem por
eficincia mais alta no uso dos ligantes; 3) desenvolvimento de planejamentos laboratoriais
que busquem otimizar o uso dos ligantes em concretos a partir das ferramentas aprendidas nas
etapas anteriores; e 4) estimativa do potencial de otimizao do uso dos ligantes, atravs da
comparao entre o benchmark produzido na etapa 1 e dados de concretos laboratoriais
produzidos na etapa 3. Esta estimativa, contudo, no poder ser considerada um veredicto
final, pois para isso dependeria de um trabalho mais amplo de determinao de eficincia do
uso dos ligantes em escala comercial e mundial, o que envolveria esforos maiores e uma rede
interligada de pesquisa que inclusse a participao expressiva de fabricantes de concretos.
Mesmo assim, ela permite mostrar que a otimizao do uso de ligantes tem um grande
potencial para minimizao dos impactos discutidos.
O trabalho est dividido em 11 captulos, sendo o primeiro esta introduo.
3
O Captulo 2 apresenta um panorama mundial sobre os impactos do aquecimento
global e o posicionamento da contribuio cadeia do cimento e concreto neste panorama.
O Captulo 3 apresenta um benchmark para analisar a eficincia do uso do cimento
em concretos produzidos na literatura nos ltimos 20 anos. Para isso proposta a criao de
indicadores ambientais que sero a base de comparao para os concretos analisados.
O Captulo 4 apresenta as ferramentas de empacotamento e disperso de partculas e
sua influncia no comportamento reolgico de concretos, o que tem importncia fundamental
para o aumento da eficincia do uso dos ligantes. Tambm analisa parmetros de dosagem
atuais com enfoque nestes conhecimentos.
O Captulo 5 o primeiro experimental. Busca aplicar os conhecimentos discutidos
no Captulo 4 para a formulao de matrizes de alta eficincia para concreto, com foco na
disperso de partculas e na importncia da morfologia das partculas.
O Captulo 6 o segundo experimental, e busca compreender qual a importncia do
empacotamento de agregados sobre a eficincia do uso dos ligantes. Aplica conceitos
discutidos no Captulo 4, com foco em anlises pautadas em parmetros reolgicos.
O Captulo 7 une os conceitos e resultados experimentais dos Captulos 4, 5 e 6 para
demonstrar como formular concretos de alta eficincia no uso dos ligantes. Fenmenos
reolgicos originados na interao entre a matriz e agregados passam a ocorrer.
O Captulo 8 estuda o comportamento reolgico de concretos eficientes no tempo,
para averiguar se eles iro funcionar em um contexto de utilizao real, onde, em algumas
situaes, podem se passar mais de 2 horas entre o momento da mistura e o da aplicao.
O Captulo 9 apresenta um estudo que compara as diferentes rotas possveis de
controle da reologia e sua influncia direta na eficincia do uso dos ligantes.
O Captulo 10 apresenta um estudo de comparativo de fillers inertes visando a
formulao de matrizes de alto desempenho, realizado em estgio de Doutorado no exterior,
no Royal Institute of Technology (KTH), Estocolmo, Sucia, sob a superviso do prof. Bjrn
Lagerblad. O conceito de matriz desenvolvido aplicado na formulao de um concreto que
venceu um concurso internacional de concretos eco-eficientes.
O Captulo 11 a concluso.
4
22 CCOONNCCRREETTOO XX AAQQUUEECCIIMMEENNTTOO GGLLOOBBAALL:: IIMMPPAACCTTOOSS
Este captulo tem como objetivo discutir os impactos ambientais do concreto sobre o
aquecimento global. Apresenta: 1) o mecanismo do efeito estufa da Terra e projees do
aquecimento global; 2) a contribuio da produo de cimento para as emisses de CO2, e
tendncias para os prximos 40 anos; 3) os meios convencionais de mitigao de emisses do
cimento; 4) discusso do potencial das medidas de mitigao; e 5) novos meios de mitigao
das emisses, focados na otimizao do uso dos ligantes, com enfoque sobre o concreto.
2.1 EFEITO ESTUFA, CICLO CARBONATO-SILICATO E AQUECIMENTO GLOBAL
O efeito estufa regula a temperatura da atmosfera. As molculas de CO2, CH4, NxO e
CFCs absorvem parte da radiao infravermelha emitida pela Terra, fazendo com que o calor
fique retido (KASTING; CASTLING, 2003; SCHNEIDER, 1989). Dentre estes o CO2 o
mais abundante, respondendo por mais de 2/3 do efeito estufa da atmosfera terrestre.
Sem o efeito estufa, a temperatura da Terra seria de -18C, 33C abaixo da mdia
atual (15C). Isto impossibilitaria a vida, na forma em que conhecida. O planeta realiza
processos que equilibram o CO2 da atmosfera e o fixado na crosta terrestre (reservas de
carbono), dentre eles: 1) a absoro de CO2 pelos oceanos atravs de processos fsico-
qumicos e biolgicos; 2) a fotossntese realizada pelas plantas; e 3) o ciclo carbonato-silicato
(Figura 2.1) (KASTING; WHITMIRE; REYNOLDS, 1993; KASTING; CATLING, 2003).
Figura 2.1 Ciclo do carbonato-silicato simplificao.
Se a quantidade de radiao infravermelha emitida pelo Sol constante sua
variao s sentida em milhares de anos (KASTING; CATLING, 2003) , o aumento do
nmero de molculas destes gases na atmosfera aumenta a absoro da radiao, gerando
aumento da temperatura. E isto vem acontecendo, contrariando o ciclo natural. O grande
5
crescimento populacional observado na Histria da humanidade e o aumento das necessidades
do homem na vida moderna acarretaram em um modelo de desenvolvimento tecnolgico que
tem trazido aumento sem precedentes dos problemas ambientais. O IPCC (2007) mostra que,
aps a Revoluo Industrial, o aumento das emisses de gases do efeito estufa passou a
ocorrer de forma acentuada, conforme a Figura 2.2.a. Portanto, um grave problema que tem se
verificado o excesso de emisso dos gases do efeito estufa por ao antrpica.
Figura 2.2 a) evoluo histrica da concentrao de gases do efeito estufa; b) aquecimento global ocorrido no ltimo sculo
e 3 diferentes estimativas para a sua evoluo no sculo XXI cenrios A2, A1B e B1 (IPCC, 2007).
A Figura 2.2.b apresenta um estudo de trs possveis cenrios de tendncias de aumento da
temperatura mdia da atmosfera terrestre para os prximos anos, determinadas pelo aumento
da concentrao de gases do efeito estufa (IPCC, 2007). O homem est agindo negativamente
sobre o equilbrio natural de CO2 entre atmosfera e crosta terrestre.
2.2 CONCRETO, CIMENTO E AQUECIMENTO GLOBAL
A construo civil a cadeia de maior consumo de matrias-primas no mundo.
Estima-se que seja responsvel pelo consumo de 50% de todos os recursos naturais (UNEP,
2003; SOUZA, 2005). Dentro dela, o concreto o material mais utilizado (JOHN, 2003;
WBCSD, 2007), o que o torna o material mais consumido no mundo. Isto se deve ao fato de
que este: 1) fabricado a partir de matrias-primas abundantes na crosta terrestre; 2) tem
baixo custo; 3) resistente e durvel; e 4) de fcil manuseio e adaptvel a distintas
condies e escalas de aplicao, sendo indispensvel no atual estgio de desenvolvimento.
Os agregados formam, geralmente, mais de 80% da massa total do concreto, restando
ao cimento e outros ligantes participao entre 8 e 20%. Mesmo assim, o grande impacto
ambiental do concreto est relacionado ao clnquer incorporado, pois este responde sozinho
por mais de 70% das emisses de NOx e 80% das emisses de CO2. Se o concreto no for
Ano Ano
Sculo XX
Compromisso de reduo
Dixido de carbono (CO2)
Metano (CH4)
xido ntrico (N2O)
Aqu
ecim
ento
glob
alda
supe
rfc
ie(C
)
6
armado, estes impactos aumentam para 75 e 85% (Vares; Hakkinen, 1998). Kjellsen;
Guimaraes; Nilsson (2005), por sua vez, concluem que o clnquer responsvel por mais de
91% das emisses de CO2 do concreto, dados que no so referncias absolutas j que
dependem do modo como a alocao do CO2 das matrias-primas feita na ACV do material.
Este cenrio deve-se ao fato de que a produo de uma tonelada de clnquer emite
entre 825 e 1150 kg de CO2, conforme apresentado na Tabela 2.1. Tabela 2.1 Variao das emisses de CO2 relacionadas produo de clnquer.
Autor kg CO2 por ton de clnquer produzida Yamamoto et al (1997) 824,25 a 1151,7 Humphreys; Mahasenan (2002) 870 Gartner (2004) 859 Josa et al (2004) 821,1 a 900 USGS (2005) 960 IEA (2006) 913 a 1125 Damtoft et al (2008) 840 a 1150 John (2011) 855,07 WBCSD/CSI (2009) 842 a 1043
A Figura 2.3 apresenta as emisses de CO2 / ton clnquer divididas por tipo de forno
e por ano (WBCSD/CSI, 2009; WBCSD/GNR, 2011).
Figura 2.3 Media de emisses de CO2 / ton clnquer: a) divididas por tipo de forno e ano (WBCSD/CSI, 2009); b) mdia
mundial (WBCSD/GNR, 2011).
Conforme a Figura 2.3, a variao depende principalmente da modificao do tipo de
forno. Como a maior parte da produo j migrou para os sistemas mais eficientes em 2011,
mais de 68% j ocorria por via seca com pr-aquecimento e pr-calcinao (WBCSD/GNR,
2011), o potencial de reduo deve ser cada vez menor com o passar do tempo. Porm,
contrariando esta previso, a Tabela 2.2 apresenta o cenrio do WBCSD/IEA (2009) para a
evoluo do teor de clnquer mdio no cimento e emisses de CO2 do cimento, de 2012 a
2050, baseado em dados industriais dos participantes. A partir dos dados, possvel calcular
as emisses de CO2 / ton de clnquer (mesma Tabela). A previso apresentada a diminuio
das emisses at 2050 em quase 40% com relao s emisses de 2012.
842861
955
896
1043
800
850
900
950
1000
1050
1100
Via seca + pr-aquecimento + pr-calcinao
Via seca + pr-aquecimento
Via seca Semi-mido / semi-seco
Via mida
kg C
O2
/ t c
lnqu
er
Tipo de forno
1990200020052006
865862854856852
800
850
900
950
1000
1050
1100
Mdia mundial
kg C
O2
/ t c
lnqu
er
199020002005200620072008200920102011
7
Tabela 2.2 Clculo das emisses de CO2 por tonelada de clnquer a partir dos dados de WBCSD/IEA (2009).
Ano 2012 2015 2020 2025 2030 2050 Teor de clnquer 0,77 0,76 0,74 0,735 0,73 0,71 kg CO2 / t cimento 750 660 620 590 560 420 kg CO2 / t clnquer 974,03 868,42 837,84 802,72 767,12 591,55
Porm, mesmo que as emisses especficas do clnquer diminuam conforme a Tabela
2.2, isto ser compensado pelo aumento estimado da produo de cimento. A Figura 2.4.a
apresenta: 1) a evoluo histrica do crescimento da produo de cimento entre 1926 e 2006
(US GEOLOGICAL SURVEY, 2006); e 2) a previso de evoluo desta produo entre 2005
e 2050 pressupondo-se poucas modificaes tecnolgicas, criada pelo WBCSD/CSI (2007),
chegando a mais de 5,4x109 toneladas at 2050. Isto ampliaria as emisses de CO2 para mais
de 5x109 toneladas (Figura 2.4.b). Assim, at 2050 o cimento seria responsvel por mais de
30% das emisses mundiais de CO2, previso que est sujeita a grande variabilidade.
Figura 2.4 a) histrico da produo de cimento mundial (US GEOLOGICAL SURVEY, 2006) e estimativa de evoluo at
2050 (WBCSD/CSI, 2007); b) estimativa de emisses de GHG da produo de cimento 1990 a 2050 (WBCSD/CSI, 2007).
H, por outro lado, estudos que apresentam um cenrio menos agressivo. De acordo
com o WBCSD/IEA (2009), a produo de cimento foi de 2,55x109 ton em 2005, e atingir
entre 3,66x109 e 4,40x109 em 2050 (demanda baixa ou alta), com emisses de CO2 entre 2,05
e 2,52x109 ton/ano, o que se deve diminuio das emisses especficas (Tabela 2.2). Porm,
em 2011 a produo anual mundial real de cimento j atingiu 3,31x109 ton/ano (SNIC, 2012),
o que demonstra que ambos os cenrios estavam subestimados para os dias atuais e, portanto,
provavelmente tambm o esto para suas previses futuras.
A equidade social, aspecto fundamental da sustentabilidade, exige que a produo de
cimento cresa para satisfazer s demandas dos pases em desenvolvimento. Apenas no Brasil
estimou-se um dficit de 7,935 milhes de novas habitaes em 2006 (Brasil Ministrio das
Cidades, 2008). Mas como diminuir o impacto aumentando a produo?
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050
Prod
uo
cim
ento
(x10
6 to
n)
Ano
Projeo para a produo cimento - 2010 a 2050Produo real de cimento -1926 a 2006
0
1
2
3
4
5
6
1990 2000 2010 2020 2050
Emis
ses
de
CO
2(x
109
ton)
Ano
Emisses do processoEmisses dos combustveis e eletricidadeEmisses de transporte
8
2.3 INDSTRIA DO CIMENTO E REDUO DE EMISSES
2.3.1 ORIGEM DAS EMISSES DE CO2 DO CIMENTO
Devido ao cenrio apresentado, a indstria do cimento encontra-se sob presso para
diminuir as emisses de CO2. Estas ocorrem na produo do clnquer, provenientes de duas
fontes: 1) calcinao da rocha calcria; e 2) queima de combustveis, responsveis,
respectivamente, por 50% e 40% das emisses (WBCSD, 2002; WWF, 2008). Os 10%
restantes so do transporte, com pouca possibilidade de diminuio.
Durante a etapa de calcinao, h a emisso de 440 kg de CO2 para cada 1000 kg de
calcrio utilizado (clculos estequiom