Usos de Cinzas de Carvão na Construção Civil
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Usos de Cinzas de Carvão na Construção Civil
Associação Nacional de Tecnologia do Ambie1nte Construído GRUPO DE TRABALHO EM DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL I ENCONTRO NACIONAL SOBRE EDIFICAÇÕES COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS E Canela, RS, 18 a 21 de novembro de 1997 usos DE ClNZAS DE CARVÃO NA CONSTRUÇÃO CNIL Neli 1I0niWarpechowski da Silva, Eng' de Minas, MSc. Fradique Chies, Eng" Operacional Oleg Zwonok, Geólogo Fundação de Ciência e Tecnologia. CIENTEC Rua Washington Luiz, 675 - CEP 90010-460 Fax (051) 226.0207 • Fone 221.4688. Porto Alegre. RS RESUMO Este trabalho enfoca a importância de se reciclar os residuos da queima do carvão mineral, em suas diversas aplicações na indústria da construção e fabricação de artefatos. Mostra as várias propriedades, tecnologias de fabricação e a faixa de incorporação de cinzas de cada material produzido. São descritos os trabalhos desenvolvidos no Brasil voltados ao estudo do aproveitamento de cinzas de carvão como materiais de construção. ABSTRACT This work is focused on lhe importance of recycling lhe wastes from coai combustion, in lheir difJerent applications in lhe building industIy and ceramic artifacts manufacturing. Different properties, manufacturing technologies and lhe range of incorporation of ashes to cach product are shown. Previous works developed in Brazil referring to lhe study of the use of coai ashes as building materiais are also described. PALAVRAS-CHA VE Cinzas de carvão; reciclagem; artefatos; construção civil. INTRODUÇÃO As cinzas de carvão no Brasil são pouco conhecidas. Alguns trabalhos são apresentados em congressos e outros como teses de mestrado e doutorado. É um tema pouco divulgado. No mundo centenas e milhares de pesquisas e trabalhos são feitos anualmente em universidades, institutos de pesquisas, empresas geradoras, órgãos rodoviários e de energia. Os numerosos trabalhos no exterior devem-se: • a problemas ambientais de disposição, onde o grande consumo de carvão termelétrico trouxe a necessidade da utilização dos subprodutos (cinzas); • importância como material de construção devido as propriedades intrisecas dos mesmos, principalmente, a pozolanicidade com notáveis usos tecnológicos; • principalmente as extmordinárias quantidades produzidas. É um dos maiores recursos minerais produzidos no mundo. A continuidade depende da importância que vai ter carvão na geração de energia para as próximas décadas. A demanda, até no mínimo ao ano 2020 aponta para um crescimento expressivo. Estimativas de empresas consultoras, de conceito mundial, mostram que o uso de carvão energético deverá duplicar nos próximos anos. As razões são abundância e facilidade na extração do carvão, dominio de tecnologia de queima e não alternativas que superem em economia e tecnologia o carvão para as próximas 2 a 3 décadas. 15 o consumo de carvão ocorre na maioria dos países. Os Estados Unidos, China e Rússia consomem cerca de 60% (800 mil a I bilhão de loneladas/ano cada um) (Manz, 1995). No setor energético, o consumo mundial de carvão, atinge cerca de 4 bilhões de toneladas/ano, responsável por uma produção de cinzas de 450 a 500 milhões de toneladas/ano. Destas. cerca de 150 milhões de toneladas são utilizadas príncipalmente no címento (matéria-prima combinado ou substituição), blocos aerados, tijolos cerãmicos, agregados leves, filIer em asfalto, base ou subleito de pavimentos, aterros estruturais e outros (Manz. 1995). TIPOS E PRODUÇÃO DE CINZAS DE CARVÃO MINERAL O carvão mineral produzido e utilizado no Brasil como combustivel, em complexos energélicos e industriais, contém altos teores de matéria mineral (até 60%), responsável pela geração de resíduos. Em função das características de queima em fornalhas, estes são classificados como escórias, cinzas pesadas (ou de fundo), cinzas volantes (ou leves), bem como são lançados ao meio ambiente materiaís particulados e gases. As escórias são originadas da queima do carvão granulado em grelhas móveis e as cinzas ,'olantes e pesadas resultam da queíma do carvão pulverizado injetado na fornalha. As cinzas volantes são as colet:ldas pelo sislema de captação de particulado dos gases emitidos. As cinzas pesadas que caem no fundo da fornalha são transportadas hidraulicamente para tanques ou bacias de disposição provisória onde se juntam com as cinzas volanles não comercializadas. Em ternlelétricas, em média 80% dos resíduos são cinzas volantes e 20% cinzas pesadas. No Rio Grande do Sul. Santa Catarina e Paraná. cinco unidades se destacam pela quantidade de produção de cinzas (representam mais de 90%) e qualidade do produto (uniforrnidade das caracteristicas fisicas, quimicas e mineralógicas). São elas: Usina Tenllelélrica Presidente Médici (Candiola 11) da Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE). Usina TernIClétrica de Charqueadas da Centrais Elétricas do Sul (ELETROSUL). Central de Vapor da COPESUL, Central de Vapor da RIOCELL e Usina Termelétrica Jorge Lacerda I, 11e III da ELETROSUL. A produção e comercialização de cinzas, no ano de 1995. está mostrada na Tabela I. Tabela I. Produção e comercialização de resíduos (1995) Termelétricas/ Cinza \'oIante ccntrnis de ,-aDOr Presidente Médici (RS) Charoueadas (RS) São Gerônimo (RS) COPESUL (RS) RJOCELL (RS) Jorge Laccrda - I. II e III (SC) Figueira (PR) Produção 812.336 103.281 5.000 113.000 44.000 305.000 - Comercialização 88.517 49.514 Resíduos (1) Cinza DCsada Comercialização Produção 69.846 203.084 80.315 3.578 - - - 113.000 44.000 176.972 55.905 11.000 203.000 3.000 25.000 I 1.000 205.445 - - Escória Produção 29.790 - - Pela Tabela I, observa-se que cerca de 70% dos resíduos de carvão gerados consistem de cinzas volantes coletadas por dispositivos de controle de particulados. O restante são cinzas pesadas (29%) e uma pequena quantidade de escórias descarregadas das fornalhas (1,5%). USO DE CINZAS De uma maneira geral, os gruJX)s industriais que utilizam o subproduto cinza c escória de carvão podem ser dividas em trés categorias: conslrução, fabricação e estabilização de resíduos. 1. Grul)O Industrial da Construção A categoria construção é normalmente o maior usuário dos resíduos do carvão, com aplicação tanto para as cinzas volantes como para as cinzas pesadas e escórias. 1.1. Em concreto As cinzas volantes e pesadas podem ser utilizadas no concreto, de três formas: 16 • • . Constituinte do concreto, introduzidas no misturador na mesma fanua como o cimento Portland c o agregado . . Como componente do cimento, onde a cinza pode ser moida com O clinquer Portland ou misturada com o cimento . . Como matéria-prima na fabricação do cimcnto Portland no estágio de pré-queima. As cinzas são usadas nos mais diversos tipos de concretos incluindo o moldado no local, o concreto estrutural prémoldado, concreto injetado. concreto controlado de baixa resistência. concreto compactado rolado, blocos de concreto c uma variedade de concretos estruturais c não-estruturais. As cinzas volantes e as pesadas moidas se assemelham com o cimento Portland em muitos aspectos e por isto a sua combinação é altamente benéfica. Aproximadamente 30% dos residuos da combustão do carvão consumidos no mundo são aplicados em produtos de concreto e fabricação de cimento. Ela entra, em média, de 15 a 35% na massa do concreto melhorando a resistência à corrosão de armaduras e exigindo menor calor de hidratação. 1.2. Na fahricação de cimento Portland (Jozolânico A incorporação de cinzas e escórias da combustão de carvão para fabricação do cimento Portland pozolànico começou na França por volta do ano de 1952, resultando em 1957 no cimento contendo 20% em pesO de cinza volante. Mais tarde novas proporções foram estabelecidas por norma (18-40%). No Brasil a partir da década de setenta o cimento Portland pozolânico passou a ser produzido. I I 1.3. Em argamassa A adição de cinzas em argamassas, semelhante aos concretos, tem sido recomendada desde Ia década de quarenta. A percentagem de cinza volante utilizada em misturas de argamassa pode variar numa faixa muito larga dependendo do uso e das exigências da obra. As cinzas fomecem maior durabilidade e compactação e menor porosidade e permeabilidade. Essas argamassas podem ser empregadas para preenchimento de cavidades abandonadas, em fundaçõcs de residências, em encontro de pontes, em barragens, para assentamento de paredes de alvenaria, como material de reboco. Em geral. a mistura é da ordem de 20%. em peso. de cinzas. Na prática teores snperiores de cinzas também são empregados. I IA. Cinzas em processos L1e estahilização sob Ilrcssão Tratam-se de processos que envolvem injeções de misturas de suspensões. géis ou soluções químicas em vazios ou fissuras, com objetivo de redução da permeabilidade do terreno, melhoramento das propriedades mecânicas e preenchimento de vazios. A injeção de cimento também é usada para reparar estruturas de alvenaria e concreto. A percentagem de uso de cinzas pode variar de 20 a 90% em peso. 1.5. Aterros estruturais o objetivo de um aterro pode ser para servir como um dique de proteção para a rodovia, parp recuperação de áreas de terras, para desenvolvimento de bens imóveis, para a construção de barragens. para constituir camndas estruturais de pavimento de rodovias principais e vicinais, entre outrJS. Em cada caso. o aterro será testado como seria testado em solo natural. I 1.6. Em bases estabilizadas e solos modificados e estahilizados para rodoyias, pistas e edificações. I Cinzas volantes tem sido usadas como materiais de construção de estradas em aterros de corpos estmdais, sub-bases e bases de pavimentos. Escórias e cinzas pesadas. também. tem sido utilizadas como materiais de construção de estradas devido ao fácil manejo e compactação, a boa proteção aos sub-Ieitos contra tempos quentes e frios. a não suseetibilidade ao congelamento e as boas condiçõcs de drenagem. Tanto o cimento Portland, como a cal, tem sido cmpregados para estabilizar as cinzas e cscórias. 1.7. Como fillcr em misturas betuminosas Filler é usado para descrever o clcmcnto mineral mais fino adicionado à mistura betuminosa e reprcsenta somcnte uma peqnena proporção da mistura asfáltica. É de importãncia fundamental para a performance 'da superficie acabada. Os pavimentos devem resistir à densificação sob cargas pesadas e às altas pressões de contato. As vantagens das cinzas volantes, neste uso. incluem baixo custo, distribuição granulométrica apropriada e superior resistência à água. , 2. FABRICAÇÃO A categoria fabricação compõem os grupos industriais que tem provavelmente o maior potencial para desenvolver novas aplicaçõcs que irão aumcntar significativamente o emprcgo de resíduos de carvãos. 17 Destaca-se ai a fabricação de artefatos para a construção civil como blocos. tijolos. placas, lajotas c painéis, etc. 2.1. Aliefatos de concreto celular autoclav"do É uma aplicação em uso em grande parte da Europa c pouco difundida nos países da América. O concreto celular autoclavado é fomlado a partir de uma rcação qui mica entre cal, cimento, agregado silicioso e pó de aluminio que, após uma cura cm vapor a alta pressão c temperatura, dá origem a um silicato de cálcio, composto químico estável, resistente e com cxcelentes caractcristicas termo-acústicas. São materiais de baixa densidade que são leves e de fácil transportc. 2.2 - Aliefatos de cinz,,-eal (sílico-e"lcários) "utoc1''''"dos ou curados em meio "mbiente Cinzas volantes e pesadas em misturas com cal e água tem sido empregados, principalmente nos paises europeus para a confecção de blocos e tijolos autoclavados ou não. No inieio restringia-se a tijolos e blocos sem função estrutural. A partir da década de 30-40 desenvolveram-se processos que pemlÍtiam a fabricação de unidades com altas resistências á compressão. próprios para a alvenaria estrutural. A cura pode ser em autoclave (vapor e pressão controlados), ou pode ser em câmara de tCIllJXratura constante. 2.3 - Aliefatos de cimento Cinzas volantes e pesadas são usadas. comumente, em todo o mundo na fabricação de unidadcs de concreto ou de argamas>'1 como blocos, placas, tijolos para alvenaria. tubos, lavelas c outros. As cinzas devido a sua contribuição na resistência e durabilidade: são importantes ingredientes para a produção dcstes artefatos rigidos. A adição de cinzas. nas peças moldadas. substituindo 1/3 c 1/2 d1 areia. mclhora a resistência mecánica e a densidade. além de cOlúerir qualidades pozolânicas. 2.4 - Artefatos cerâmicos • de cinza - para obtenção de tijolos e blocos cerâmicos de cinzas volantes, pesadas e eseórias com aditivos qui micos, revelando resultados equivalentes ou superiores àqueles obtidos com tijolos cerâmicos convencionais . • de argila - com incorporação de cinzas c vicc-versa. Pode-se incorporar até ~O%de cinzas a argilas que possuem alta plasticidade para auxiliar e redução da contração de secagem dos artefatos. Misturas com altas percentagens de cinza podem ser utilizadas na prensagem semi-seca c queima. 2.5 - Artefatos sinteriz'Hlos Elementos constmtivos como tubos. blocos, tijolos placas. vigotas. podem scr obtidas diretamente do rcsfriamento da massa residual em moldes. resultando diversos materiais com excelentes propriedades. 2.6 - Agregados Ic\'cs Os agregados leves podem ser produzidos por processos a quente e a frio. Apresentam perfeila gcometria das peças e ooa resistência mccànica. 2.7 - Concreto leve Utiliza-se agregados leves no produção de concretos leves, onde o peso será menor. permitindo economias na ferragem estmtural e na fundação dos prédios. Além disto as propriedades ténnicas e acústicas são superiorcs. 2.8 - Filler em plástico A indústria do plástico é potencialmente a de maior crescimento atual c para as próximas décadas. Nesta área a cinza volante compete com fillers mincrais naturaís como o calcário, talco, argila e com fillers fabricados com microcsferas de "idro. 3. ESTABILIZAÇÃO DE RESíDUOS Resíduos tóxicos tem sido imobilizados com sucesso, pela estabilização e solidificação usando cinzas volantes com água e produtos aglomerantcs como cal. cimento Portland c gipsita. A maior parte dos processos busca produzir uma massa endurecida com baixa capacidadc de produzir lixiviados. 18 I PRINCIPAIS ESTUDOS E EMPREGOS DE RESÍDUOS DA COMBUSTÃO DE CARVÃO NO BRASIL No Brasil a geração de cinzas iniciou-se na década de ~O, ocorrendo o maior uso em 1960 na construção da represa de Jupiá (Rio Paraná SPIMS). A partir de 1960 foi intensificado o uso em cimento, onde incorporava-se a cinza volante no clinquer para fabricação do cimento Portland pozolãnico. Apesar de esforços dedicados a intensificar a aplicação de cinzas, a partir de 1980, dcvido a pressões ambientais, polílica de incentivos ao carvão, a criação de um conselho para implantação do complexo carboquimico e pelo pólo carbo-cnergético foram desenvolvidas várias pesquisas voltadas a busca de aplicação para as cinzas, além do cimento e concreto, que contemplasse fundamentalmente os setores de uso de grandes volumes. Atualmente, no sul do Brasil, inúmeras empresas de artefatos de concreto para a construção civil e pré-moldados utilizando-se de resíduos incorporados. Também, são produzidos no Rio Grande do Sul e Santa Catarina somente cimentos Portland pozolãnicos. Quanto ao uso de cinzas volantes, cinzas pesadas e escórias para a formação de aterros, é uma prática que vem sendo adotada a muitos anos no Rio Grande do Sul e Santa Catarina. Esta ati,idade, nonnalmente não tem obedecido as corretas técnicas constmlivas e nem recomendações ambicntais. A grande parte desses aterros preenchem cavas de minas abandonadas, lagoas de disposição final ou recobrem terrenos naturais. A partir da década de 80, visando o desenvolvimento de técnicas constmtivas apropriadas para aterros, alguns estudos laboratoriais e de campo passaram a ser realizados por algumas instituições do sul do Brasi!. I Foram realizados estudos gcotécnicos em aterros de escória e mapeamentos em aterros de cinzas c escórias na zona urbana e rural nos municipios de São Jerônimo e Charqueadas. A partir deste estudo algumas obras passaram a ser construídas de acordo com procedimentos técnicos recomendáveis. como os aterros nos encontros da ponte sobre o rio Jacui e da estrada de acesso a ponte a partir da cidade de São Jerônimo. Nestas obras foram utilizadas cerca de HO.OOO m' de escórias. Durante a construção do atcrro foi obscrvado o ótimo desempenho das escórias utilizadas sob o aspecto rodo,iário: facilidade de manejo, rápida compactação e excclente comportamento cstrutura!. No que se refere a pavimentação é enorme a potencialidade de uso de cinza volante-eal, cinza pesada-eal e cinza volante-solo-ea!. Apesar da potencialidade, são materiais raramente empregados no Brasil, em obras viárias. Como experiências práticas conhecidas, tem-se um trecho experimental de 1000m com base de cinza volante, areia e cal na BR 101 (ImbitubalSC) e vários quilômetros com base CICASOL na área do Pólo PetroquimicolRS. O projcto CICASOL - Pavimcntos de Solos Estabilizados com Cinza Volantc e Cal foi deseJvolvidO pela CIENTEC em colaboraç.'io com o DAER (Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem do Rio Grande do Sul). Foi comprovada a viabilidade técnica e econômica e a elaboração do método de projeto de pavimento semi-rigido (aplicação para o caso de base pozolãnica, estabelecimento de especificação de serviço para a construção de camada de base de material pozolãnico e outros). A lecnologia CICASOL foi transferida para empresas de projeto e construtores, sendo hoje de domínio público. Quanto aos estudos e aplicações voltados ao aproveitamento de misturas e einza-eai e cinza-solo-eal para a fabricação de artefatos para a constmção civil como blocos e tijolos, são poucos e recentes. I • Estudos de solos residuais de granito com misturas cinza volante e cal para a fabricação de tijolos. As resislências mecãnicas foram aceitáveis porém com alta capacidade de absorção (Silva, 1982): • Investigações sobre o comportamento de tijolos feitos a partir de misturas de cinzas volantes e cal h.idratada. A partir da análise dos resultados de resistência à compressão simples, durabilidade e absorção de água conclui ser viávcl a utilização de tijolos de cinza se adotados 15% de cal (Andrade, 1995); • A CIENTEC concluiu o Projeto CINCAL, voltado ao Desenvol,imento de Tijolo Maciço partir de Cinza Volante e Cal Hidratada. Foram obtidos tijolos que atendem às especificaçõcs técnicas e dc baixo custo (ZWONOK, 1995). J Foi pesquisada a possivel utilização de cinzas ,'olantes de Candiota na formação de agregados leves pelo processo de pelotização em escala de laboratório. O agregado leve obtido atendeu às exigências fisicas e químicas (Souza, 1986). Foram desenvolvidos estudos sobre a utilização das cinzas para a produção de blocos maciços de concreto celular. Pelos rcsnltados dos ensaios e desempenh.o de protótipos habitacionais foi demonstra<i1 a viabilidade técnica do material (Caixa Econômica Federa!' 1987). I Foram estudadas misturas de cinzas volantes com resinas tipo policster para a fabricação de dormentes ferroviários com resultados técnicos positivos (Mazoni, 199~). 19 Uma empresa do Rio Grande do Sul passou a produzir cales pozolãnicas. resultante da mistura de cales hidratadas com cinzas de carvão de Candiota. CONSIDERAÇÕES FINAIS São muitas as possibilidades de uso para os residuos da combustão de carvão em setores iudustriais que utilizam baixas e médias tecuologias. Os usos possiveis de praticar-se aiuda são maiores se consideradas também as alternativas de uso que adotam altas tccnologias, correlamente direcionadas para a extração de minerais de valor ou para a separação de fraçõcs especiais das cinzas. Uma das utilizaçõcs mais extensivas c difundidas em todo o mundo é em cimentos e concretos de cimento Portland. sendo a aplicação mais desejãveis e simples para os residuos de carvão. Apesar dos esforços da CIENTEC e outras instituiçõcs dedicadas ao problema da utilização mais intensiva das cinzas tem sido impedida ou relardada pela deficiência da disseminação do efetivo conhccimento, para os usuários e pelas óbvias diferenças dos produtos. Observa-se uma insuficiente troca de informação. Não obstante as aplicações já desenvolvidas no Brasil, novas investigações que buscam áreas emergentes como concretos celulares. agregados leves. blocos sílico..çalcários. argamassas pozolânicas. cerjmica. devem ser incentivadas. É importante salientar que as cinzas de carvão geradas nas usinas e centrais de vapor que queimam carvão pulverizado no Brasil são de alta qualidade e de alto interesse comercial, podendo ser aproveitadas em aplicaçõcs mais exigentes. REFERÉNCIAS I. ANDRADE, A. C. F. Tij%s de Cinza I'olante e Col- Estudo do Desempenho qllQlIto a Resistência, Absorção. Durabilidade Aderência. Porto Alegre, 1991. 157f., il. Dissertação (Mestre em Engenharia) - Engenharia CiviVUFRGS. e 2. CAIXA ECONÔMICA FEDERAL. IÀ--partamcntoCentral de Pesquisa e Extensão Tl-~nológica Estudo de Utilizaçâo de Cinza de Car ...ão para Produção de Blocos Alaciços de Concreto Celular. Rio de Janeiro, 1987. 60p., il. Este documento foi preparado pelo DEPEA, consolidando os relatórios da fase I c n da pesquisa "Estudo de utilização da cinza de carvão para produção de materiais construtivos" claborada por: Fundação Univcrsidade de Caxias do Sul. instituto de Administração c Tecnologia. 3. MANZ, O. E. Worldwick Produclion 01' CoaI Ash and Utilization in Concrete and Olhcr Products. In: 1995 lNTERNATlONAL ASII UflLlZATIONS SYMPOSIUM, Lcxington, Nov., 1985. Anais ... Lexington, University ofKentucky Center for Applied Energy Research and lhe Joumal FUEL. Iv., 51'. 4. MAZONl. S. A Projeto CONCREPLAST - Desen ...olrimemo de Alateriais Altemativos para uso em Donllentes rerrol'iários. Porto Alegre, CIENTEC, Mar. 1994. 21f 5. 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