Tendências em materiais de construção
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Tendências em materiais de construção
Ciência e engenharia de materiais: tendências no desenvolvimento dos materiais de construção civil Prof. Maristela Gomes da Silva Departamento de Engenharia Civil Porque estudar materiais de construção? base da construção (técnica e disciplinas) seleção e especificação de materiais gestão de materiais em obra desconhecimento e suas conseqüências novos materiais Construção civil materiais execução •química •geologia •ciência dos materiais •administração •estatística •gestão de recursos humanos projeto •ciência da construção •hidráulica •mecânica •estabilidade Ciência x Eng. de Materiais A-D – Ciência dos materiais C-G – Eng. de materiais Como estudar os materiais? empírico + científico Histórico Industrialização Produção em massa Pré-fabricados Desempenho durabilidade Qualidade satisfação do usuário Construção sustentável energia reciclagem durabilidade Histórico Pedra Madeira Solo reforços… aditivos Cerâmica Gesso Cimento Romano cinzas vulcânicas cal Cal hidráulica Aço Cimento Portland Concreto armado/protendido Histórico 1900 - ~ ~ - 1900 plásticos rochas isolantes solos revestimentos selantes madeira reforçados com fibras aço Cimento Amianto cerâmica GRC tecidos concreto reforçado concretos especiais cimento, gesso, cal resíduos vidro outros metais aglomerados de madeira 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Bilhões de pessoas Andrea Larson, Darden Graduate School of Business Administration, University of Virginia, Framing Innovation for Sustainability, Greening of Industry Conference, October 12-15, 2003, San Francisco, CA Crescimento populacional Peste Negra 2-5 milhões de anos Caça e coleta 8000 6000 4000 Tempo Revolução agrícola 2000 2000 2100 A.C. D.C Revolução industrial Fonte: Living in the Environment, Tenth Edition, G. Tyler Miller, Jr., 1998 Sacred lotus or waterlily (Nelumbo nucifera) (Source: Department of Botany at Bonn University Self-cleaning facade painted with Lotusan (Source: Department of Botany at Bonn University) Biomimética Nanotecnologia Adesão Claude Ouimet Ouimet -- Interface Interface Claude Tendências e desafios Diminuição da massa específica Aumento da resistência mecânica Manutenção e durabilidade Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia Racionalização e Industrialização Materiais&Meio Ambiente Sustentabilidade (matériasprima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem) Capacidade de suportar temperaturas elevadas Especificação por desempenho flexibilidade + competição tecnológica customização Tendências e desafios Sustentabilidade Durabilidade e vida útil Declarada pelo Fabricante Comunidade Européia + competição reserva de mercado + assistência técnica aos consumidores pesquisa Preservação ambiental Manutenção < custos > planejamento Resíduo de construção e demolição Vanderley M. John - EPUSP (em massa) • Construção • Manutenção • Demolição •SP (1992-1997) = 1,16 (BRITO Fo. 1999) Consumo de recursos naturais renováveis Vanderley M. John - EPUSP 1999 1900 0 10 20 30 Renováveis (%) 40 (MATOS & WAGNER, 1999) Impacto Ambiental Todas as fases Matérias primas .. Descarte após o uso Recursos naturais Energia Poluição Saúde Saúde amianto metais pós alguns polímeros Produção linear Recursos Recursos Naturais naturais planejamento ilimitados projeto produção Vanderley M. John - EPUSP uso “extrativismo” custo-desempenho Lixo Lixo Produção Linear Recursos Naturais planejamento projeto produção Vanderley M. John - EPUSP uso “extrativismo” custo-desempenho Lixo Lixo Reinventar o desenvolvimento... Materiais x ambiente Consomem recursos naturais Produzem resíduos Produção matérias primas energia produção transporte Geram poluição do ar e água Produção, transporte, uso e operação, demolição utilização (desperdício) demolição Média - 6% é útil e 94%, resíduo reciclável? Desempenho do edifício energia durabilidade qualidade do ar interno Uso de materiais e sustentabilidade O que estamos usando? Toxicidade Uso de materiais e sustentabilidade Quão bem estamos usando? Gestão de recursos Toxicidade Uso de materiais e sustentabilidade Gestão de recursos Toxicidade Desempenho O que torna um produto “verde”? Baixo impacto ambiental ao longo do ciclo de vida Matérias primas Manufatura Embalagem, transporte Instalação Uso: energia, qualidade do ar interno Vida útil esperada Fim de vida (disposição pós-uso) bom senso! Alternativas tecnológicas Tijolos Tijolos cerâmicos cerâmicos maciços maciços Lenha Lenha considerada considerada como energia energia como neutra neutra Tijolos Tijolos prensadosde de prensados solo-cimento solo-cimento Tijolosprensados prensados Tijolos deco-produtos co-produtos de siderúrgicos siderúrgicos ?? dispensa dispensa queima, queima, material material natural natural Apresentação dos resultados: índice ambiental 0,388 Pt NOx 0,317 Pt Metano 2,01 Pt 0,22 Pt Apresentação dos resultados: índice ambiental Materiais e sustentabilidade Não existe material ideal Sempre existem impactos ambientais Empregar os materiais em funções onde ele é o mais eficiente! Custo deve ser considerado Item RESÍDUOS GERADOS 1 2 3 4 5 6 Areia de fundição Cal Dolomític a Fina Cal Calcitic a fina Pré c al Calcítica Calcareo calc itico Pré cal Dolomítica fina CALCINAÇÃO 520,00 Reutilização na Sinterização 7 Fino Calc ário Calcítico CALCINAÇÃO 2.900,00 Reciclagem Sinterização / ETB 8 Fino Calcário Dolomítico CALCINAÇÃO 1.140,00 Reciclagem Sinterização 9 10 11 12 13 Dolomita fina Esc ória de Dry-pit (Bruta) Escória Granulada (AF) Escória de Cobre Escória Aciaria(LD) CALCINAÇÃO 14 Escória Lixo(LX) ACIARIA 15 Esc. Res. Benefic Gusa LIMPEZA CARRO TORPEDO 250,00 CASP 16 Escória Residual Suc ata PLANTA BENEF. 250,00 Reutilização Sinterização / Briquetagem 17 18 Escória Skimmer Esc oria aciaria FINO PLANTA PÁTIO ESC. 250,00 Reutilização na Aciaria doação 19 Fino da esc ória da aciaria in natura CANTEIRO 8 ACIARIA 250,00 ACIARIA 250,00 ALTOS FORNOS 1 E 2 250,00 Reutilização na Sinterização Reutilização na Briquetagem Venda / CASP Reutilização Sinterização CASP Reutilização na Sinterização Reutilização no pátio de carvão CASP ORIGEM GERAÇÃO MÉDIA (t/m ês) FUNDIÇÃO 20.000,00 CALCINAÇÃO 720,00 CALCINAÇÃO 2.700,00 CALCINAÇÃO 1.700,00 DESTINO CLASSIFICAÇÃO CASP Reciclagem Sinterização Reciclagem Sinterização Reutilização na Sinterização Classe II Classe II Classe II Classe II Classe III Classe II CALCINAÇÃO ALTO FORNO 105.000,00 JATEAMENTO PEÇAS 250,00 ACIARIA 250,00 Reciclagem Sinterização CASP Venda Disposição Temporária Doação / Venda 250,00 Doação ALTO FORNO 435,00 Como transformar resíduos em produtos? 20 Lama de Ac iaria (Fina) 21 Lama de Aciaria (Grossa) 22 Lama de Alto Forno 23 Lama da ETB 24 Lama da ETA(Lodo) 25 Lama do Apag. Umido(CWQ) 26 Lama da bacia de dec . Pátio de carvão 27 Refratario (Lanç a de Argônio) Lama da limpeza decant do pátio de 28 esc ória 29 Lama da lavagem de c alc ario 30 Pó do Desp.Stoc k House 31 Pó Balão Altos Fornos 32 Pó Carbonoso Coqueria 33 Pó do Desp. Dessulfuraç ão 34 Pó do desp.Sec undário Aciaria 35 Pó do desp. Secund. Sinter 36 Pó de c arbureto 37 Res. Ind. Sinter 38 Refrátario (Fino e isolante) 39 Snorkel (Suc ata) ACIARIA EST. TRAT. BIOL 250,00 ETA 1.500,00 COQUERIA COQUERIA ACIARIA 10,00 PATIO DE ESCORIA Reutilização na Sinterização CALCINAÇÃO Reutilização na Sinterização ETL Reutilização na Sinterização Venda Reultilização na Sinterização Reultilização na Sinterização Reultilização na Sinterização Reultilização na Sinterização Reutilização na Sinterização CASP Reutilização na Aciaria ALTOS FORNOS ALTOS FORNOS 2.100,00 COQUERIA 750,00 ACIARIA 580,00 ACIARIA (?) SINTERIZAÇÃO ACIARIA SINTERIZAÇÃO 4.500,00 ACIARIA (?) ACIARIA 6,00 Classe III Classe II Classe II Classe II Classe II Classe II Classe Classe Classe Classe II II II II Classe III Classe II Classe II Classe II Classe III Classe II Classe II Classe II Escória de alto-forno produção nacional ≅ 6,4 milhões t/ano Escória de alto-forno Reciclagem no cimento Tipo Sigla Comum Composto CP I CP II E CP II Z CP II F CP III CP IV CPV ARI Alto Forno Pozolânico ARI Escória Pozolana 66-34 - 34 6-14 35 - 70 15-50 Pó Calcário 0-10 0-10 0-5 0-5 0-5 0-5 Poluição do ar 3,5 EFEITO ESTUFA % Total CO22 emission CO2 gerado pela indústria cimenteira 3,0 2,5 1000 kg CaCO33 560 kg CaO 440 kg CO22 2,0 1,5 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year 1,0 CO2 de diferentes cimentos 900 800 700 Total CO2 (kg/ton) 600 500 400 300 200 100 0 CPI CPIIE CPIV Brazilian cement types CPIII Estrutura tipo Bulky (MELBY et al., 1997) Ensaios Ensaios de difusão de cloretos Mistura A (50% CP III – 32 RS + 50% bfs) Mistura D4 (4% Na2O sodium silicate) 1136 941 Baixo Muito baixo Avaliação do impacto da estrutura em meio marinho • monitoramento em laboratório - pH, - condutividade elétrica, - análise química da água; - oxigênio dissolvido. • sistema de simulação de maré (bombas de aguário) Criatividade na metodologia ! Revisão de literatura Metodologia Projeto de experimentos Caracterizaç Caracterização dos materiais Avaliaç Avaliação propriedades físicas e mecânicas Manual de transferência tecnoló tecnológica Dosagem e moldagem concretos Avaliaç Avaliação propriedade durabilidade Durabilidade x escória de altoforno Dosagem C20 C30 C35 C40 Propriedades Durabilidade CPII – 30% bfs CPIII – 66% bfs CPIII+E – 83% bfs Avaliação da durabilidade Ataque sulfá sulfático ASTM CC-1012 Variação dimensional Avaliação da durabilidade Difusão de íons cloreto ASTM 1202 Avaliação da durabilidade Carbonataç Carbonatação Medida da profundidade de carbonatação Carbonatação acelerada 100% CO2 10% CO2 Carbonatação em ambiente controlado de laboratório Avaliação da durabilidade Carbonataç Carbonatação Equipamento desenvolvido para realização dos ensaios Criatividade e tecnologia de controle ! Corrosão das armaduras Avaliação da durabilidade Corrosão das armaduras Eficiência do cobrimento 20 mm (NB1- 1978) 30 mm (NBR 6118 – 2003) Ensaio cíclico Névoa salina - Simulação – íons cloreto - carbonatação 7 dias 7 dias Criatividade na proposta de metodologia 7 dias Carbonataç Carbonatação Secagem ! Tijolos com co-produtos siderúrgicos Ensaios Resultados melhores que tijolos do mercado ! Caracterização ambiental Pesquisa CONMAT (EUA) Novos materiais para construção civil US$ 2,1 bi 10 anos SHRP (EUA) Strategic Highway Research Program rodovias 150 milhões Resultados 150 novas tecnologias EUREKA (Europa) C. Civil > 10% dos projetos Wood Initiative Tendências de materiais Concretos Resistência superou problemas Consumo energético resíduos Durabilidade projetada Pigmentados Texturas Plásticos possibilidade de variações Reforçados Novos polímeros Revestimentos durabilidade resist. Fogo resist. Mecânica uso generalizado Coberturas Estruturas Tendências de materiais Compósitos pequenas espessuras resist. Impactos Matrizes poliméricas frágeis gesso novos cimentos Fibras vidro polímeros metais Tendências de materiais sub-produtos industriais mercado verde imposição legal Holanda redução de custo alto custo de aterro materiais especiais cimento mistura no canteiro agregados alvenarias …. Novos materiais e componentes: Mecanismos de deterioração ataque químico das fibras densificação da interface Tendências Novos materiais Tendências Zona de transição x pesquisas em concreto Tendências Teflon + fibra de vidro The Dome - Londres 320 m de diâmetro, 8ha US$24 milhões vida útil = 25 anos Tendências Tendências Fachadas leves Cimento reforçado com fibras de vidro Painéis com 4,9 m sobre estrutura de aço (Chicago) Tendências Asfaltos coloridos Painéis Agriboard Reciclagem de palha Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003. Tendências Tinta de silicato Tendências sem solvente Durável (20 a 30 anos) Baixa manutenção Anti-fungo Kirsten Ritchie, Scientific Certification Systems (SCS), Showcase for Environmental Preferability, 2003. Tendências Placa modular carpete + 25% teor reciclado 5% energia alternativa (hidro, solar, vento) média 3% redução de consumo energético nos últimos 5 anos Em 14 meses reciclou >2000 t de carpete Tendências Geotêxtil de PET reforço com geotêxtil não tecido PET Reciclagem de PET Materiais renováveis com gestão sustentável Madeira de reflorestamento ou certificada Pinus Eucaliptos Cautela com tratamentos de madeira Aditivos Adesivos (VOC) Preservativos Pintura base solvente! Privilegiar detalhes de projeto para prevenir deterioração! Existem alternativas! Manual Madeira: Uso sustentável na construção civil (IPT, SVMA-SP, SindusCon-SP, 2003) Análise de ciclo de vida norma ISO Cradle-to-Grave limites Comparações reais Modelos econômicos Indices impacto ambiental pegada equivalente CO2 Cálculos Interpretações Ciência e engenharia Projeto para sustentabilidade Ralph Harris, Metals and Materials Engineering, McGill University, 14nov2003 Crescimento populacional Complexidade Padrão de vida Complexidade nt e st u S de a lid i ab Ciclo de materiais Ferramentas/Tecnologias Eliminação na fonte Redução na fonte Disposição resíduos tratamento resíduos Reciclagem Necessidades atuais Segurança estrutural Vida Útil Construtibilidade Economia Sustentabilidade Centro Empresarial Nações Unidas Torre Norte São Paulo 1998 Altura 179 m fck = 50MPa Vida útil=250 anos e-Tower e-Tower Building São Paulo HPC colorido record mundial 125 MPa Feb. 2002 Ensaios de laboratório Materiais Central de concreto Obra Obra Armadura Alta taxa de armadura Cobrimento de 3 cm Construtibilidade Produtividade 5.5 m lançamento nenhum defeito rapidez acabamento Pilares em concreto de alto desempenho Controle tecnológico Controle tecnológico Módulo de deformação Resistência à compressão Vida útil da e-tower estimada em 980 anos!!!! Exercício 1 (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico? Exercício 2 (entrega no dia 24/03, pesquisa individual) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico? Síntese da aula de 17/03 Ciência x Eng. de Materiais A-D – Ciência dos materiais C-G – Eng. de materiais Ciência dos Materiais Mecanismos de deterioração ataque químico das fibras densificação da interface Ciência dos Materiais Defeitos e interfaces Zona de transição x pesquisas em concreto Engenharia de Materiais Estudo de caso: e-Tower Building • fck=125 MPa • Concreto auto-adensável (altura de lançamento, densidade de armadura) • Concreto de alto desempenho (HPC colorido) • Construtibilidade e elevada produtividade • Vida útil de projeto=980 anos Tendências e desafios Diminuição da massa específica Aumento da resistência mecânica Manutenção e durabilidade Otimização da fontes atuais e desenvolvimento de novas fontes de energia Racionalização e Industrialização Materiais&Meio Ambiente Sustentabilidade (matériasprima renováveis, menor impacto ambiental, água/energia, reciclagem) Capacidade de suportar temperaturas elevadas Especificação por desempenho flexibilidade + competição tecnológica customização Sustentabilidade Tendências Vidros e cerâm icas Aços e metais outros materiais e s a t n i T s resina e o t n e m Ci creto con Conseqüências > Novos materiais novas possibilidades novos detalhes Projeto + informação + conhecimento seleção é crítica Gestão estoque modernização / adaptação > Riscos aprovação técnica certificação seguro Formação do Engenheiro ciências e engenharia de materiais continuada pós-graduação Classificação dos materiais Ciência dos Materiais metais (ferrosos e não ferrosos) cerâmica (vidro, concreto e cerâmica) polímeros compósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia) condutores e supercondutores biomateriais materiais especiais (alto desempenho) (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas) Classificação dos materiais do ambiente construído Ciência e Engenharia de Materiais 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Classificação dos sistemas do ambiente construído Engenharia de Materiais Sistemas de vedações verticais Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais ... Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção Sistemas de impermeabilização Exercício 3 (entrega e apresentação em 10 a 15 minutos no dia 07/04, 14:00-18:00, até 02 alunos) Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais Materiais para sorteio 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Grupo de materiais para sorteio 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) Materiais 2. aço para concreto Metálicos armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal Materiais Cerâmicos 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) Materiais Cerâmicos 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes Materiais Poliméricos 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica Materiais Compósitos 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Exercício 4 (aula do dia 07/04, individual, 60minutos) Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais Sistemas Sistemas de vedações verticais Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção Sistemas de impermeabilização Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais ... Leitura Individual ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5. Exercício 5 Entregar no início da aula (07/04) resumo (máximo 5 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.