Pesquisadores da USP desenvolvem cimento ecoeficiente

6 de agosto de 2013

Nova formulação do produto permite redução de emissões de dióxido de carbono, aumenta a eficiência e diminui a concentração do produto na composição de concreto e argamassa

Agência Fapesp |

Tecnologia desenvolvida por pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) pode auxiliar a indústria cimenteira a atingir dois objetivos: dobrar a produção de cimento para atender a demanda mundial e diminuir a pegada de carbono, uma vez que o setor é um dos que mais emitem dióxido de carbono (CO 2 ) na atmosfera.

Os pesquisadores criaram uma formulação que substitui grande parte do material responsável pela emissão de CO 2 na fabricação do produto, diminuindo a concentração de material reativo produzido a altas temperaturas na composição de cimentos e, consequentemente, na de concretos e argamassas de revestimento, mantendo a resistência dos materiais.

A tecnologia foi testada em laboratório e despertou o interesse de empresas, que analisam a viabilidade do uso em escala na fabricação do material – o segundo mais produzido e consumido no mundo, atrás apenas dos alimentos.



“Em alguns experimentos em laboratório conseguimos reduzir em mais de 70% a quantidade de ligante [fração do cimento com capacidade de reagir com água] em concretos de alta resistência com um produto feito com a formulação”, disse Vanderley Moacyr John, professor do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP e um dos coordenadores do projeto. “Recentemente, conseguimos adaptar a formulação para concretos de mais baixa resistência com metade do ligante usado em um produto convencional.”

De acordo com o pesquisador, que conduziu um projeto com apoio da FAPESP, o cimento tradicional – chamado Portland – é composto basicamente por argila e calcário – materiais extraídos de jazidas, posteriormente moídos e que, quando fundidos em fornos a 1,5 mil graus Celsius, se transformam em pequenas bolotas de clínquer. Esses grãos de clínquer são misturados e moídos com gipsita – a matéria-prima do gesso – até virarem cimento.

Para produzir uma tonelada de clínquer, no entanto, a indústria cimenteira emite entre 800 e mil quilos de dióxido de carbono, incluindo aí o CO 2 gerado pela decomposição do calcário e pela queima do combustível fóssil para manter os fornos em funcionamento.

A fim de diminuir as emissões de CO 2 na produção de clínquer, nas últimas décadas as indústrias cimenteiras começaram a substituir parte do material por escória de alto-forno – um resíduo da siderurgia – e, mais recentemente, por cinza volante – resíduo de termelétricas a carvão.

O problema dessas duas soluções, contudo, é que a indústria do aço – também altamente emissora de CO 2 – e a geração de cinza volante não crescem na mesma velocidade das cimenteiras, inviabilizando as estratégias no longo prazo. “As estratégias utilizadas hoje para mitigar as emissões de CO 2 pela indústria cimenteira são insuficientes”, avaliou John.

“Como a escala de produção de cimento é de 3,5 bilhões de toneladas por ano e estima-se que a produção global desse material chegará a 5,5 bilhões anuais até 2050, as indústrias cimenteiras poderão ser responsáveis por até 30% do total das emissões mundiais de CO 2 , superando muitos países isoladamente”, disse.

Pó de calcário
Segundo o professor da Poli-USP, por causa dessas limitações, a indústria cimenteira também usa desde a década de 1970 outro material candidato a substituir parcialmente o clínquer na formulação de cimento: o filler de calcário cru (pó de calcário).

O filler é uma matéria-prima que dispensa tratamento térmico (calcinação) – processo que, na fabricação de cimento, é responsável por mais de 80% do consumo energético e 90% das emissões de CO 2 .

A quantidade de filler na fórmula do cimento, contudo, era limitada a, no máximo, 10% no Brasil e em até 30%, em algumas situações, na Europa. Isso porque o calcário é moído junto com o cimento e, como não há controle do tamanho das partículas do material, seu limite de adição é baixo.

Por meio de tecnologias de controle de granulometria de partículas, já usadas em indústrias como a alimentícia e farmacêutica, os pesquisadores da Poli demonstraram em laboratório que combinando granulometrias de pó de calcário é possível aumentar para 70% a proporção do material e diminuir para 30% a quantidade de clínquer na composição do cimento.

“Atualmente, o teor de filler no cimento comercializado no mundo é de 6% e, no Brasil chega, no máximo, a 10%. Já na Europa, em algumas situações, uma tonelada de cimento tem 700 quilos de clínquer e 300 quilos de filler [incluindo outros tipos de filler, além do de calcário cru]”, comparou Bruno Damineli, um dos autores da pesquisa e que realiza pós-doutorado na Poli no âmbito do projeto.

“Demonstramos que é possível inverter essa composição e produzir uma tonelada de cimento com 300 quilos de clínquer e 700 quilos de pó de calcário”, disse.

Além de um padrão controlado do tamanho de grãos, segundo o pesquisador, as partículas de fillerde pó de calcário e clínquer precisam receber aditivos químicos dispersantes, como policarboxilatos, que impedem que elas se aglomerem e formem grumos na água.

Como consequência disso, o dispersante reduz a quantidade de água e de cimento necessário para misturar à areia e pedra para produzir e desempenhar o papel de “cola” no concreto usado na indústria da construção civil.

“Os cimentos menos eficientes de modo geral apresentam grumos. Por causa disso são menos reativos e eficientes e requerem uma quantidade muito maior de água para fluir, porque são mais porosos”, explicou Rafael Pileggi, professor da Poli e um dos autores do projeto.

“Como o cimento com mais filler moído precisa de pouca água para fluir, é possível fazer um concreto pouco poroso e mais resistente do que o convencional”, disse Pileggi.

Os pesquisadores também obtiveram resultados semelhantes com outros produtos à base de cimento. Por meio do projeto realizado atualmente com apoio da FAPESP, o grupo de pesquisadores da Poli observou que também se pode reduzir o teor de cimento em argamassa de revestimento (reboco), mantendo a resistência de aderência do material.

“Constatamos que é possível reduzir a quantidade de cimento de argamassa pelo cimento com maior teor de filler moído e que a resistência do material não cai. Estamos demonstrando que a resistência não depende do cimento”, disse John.

Viabilidade técnica
A nova formulação de filler com granulometria controlada, combinada com o uso de dispersantes, abre a janela para produção de cimento com até 70% do material em sua composição, sem perder e até mesmo aumentar a confiabilidade do produto. Dessa forma, a tecnologia permitiria à indústria dobrar a produção de cimento, sem a necessidade de construir mais fornos ou produzir mais clínquer.

O grande desafio, no entanto, é viabilizar a tecnologia na escala da indústria cimenteira e de forma competitiva. “A tecnologia para moer partículas com granulometria controlada já existe, mas nunca ninguém a operou na escala da indústria cimenteira”, afirmou John.

“Será preciso produzir entre 2 e 3 bilhões de toneladas de filler com partículas com tamanho controlado e mais finas do que talco”, comparou.

Segundo os pesquisadores, vários materiais podem ser usados para produzir filler. O pó de calcário, no entanto, atualmente é o melhor candidato para substituir parcialmente o clínquer na formulação de cimento porque oferece menores riscos à saúde do que outros fillersbiopersistentes.

Há outros grupos tentando utilizar quartzo finamente moído para essa finalidade. Entretanto, se usado de forma descontrolada, o material pode ser aspirado e causar silicose.

“Não é qualquer material finamente moído que pode ser utilizado para esse fim. É preciso levar em conta questões como a segurança do trabalhador da indústria da construção”, disse Damineli.

A tecnologia desenvolvida pelos pesquisadores da USP despertou o interesse de empresas como a InterCement, a holding para negócios de cimento do grupo Camargo Corrêa. A empresa financia a reforma de um prédio no Departamento de Construção Civil da Poli para sediar um centro de pesquisa em construção sustentável. Coordenado pelos professores John e Pileggi, o centro de pesquisa deverá iniciar suas atividades ainda este ano e, entre outras atividades, deverá avançar no desenvolvimento do cimento ecoeficiente.
 
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