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.
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CIENTEC, 1996. 180f., i1.
Porto Alegre, 1986. 133f., il. Dissertação
de Tijolos Alaciços a Partir de Cinzas de Can'ào e Cal- Projeto CINCAL. Porto Alegre,
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