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Ambiente Construído

On-line version ISSN 1678-8621

Ambient. constr. vol.14 no.2 Porto Alegre Apr./June 2014

https://doi.org/10.1590/S1678-86212014000200011 

ARTIGOS

 

Estudo comparativo da análise de ciclo de vida de concretos geopoliméricos e de concretos à base de cimento Portland composto (CP II)

 

Comparative study of the Life Cycle Assessment of geopolymer concrete and CP-II Portland cement concrete

 

 

Paulo Henrique Ribeiro BorgesI; Thuany Marra de Figueiredo LourençoII; Ana Flávia Souza FoureauxIII; Luiza Soares PachecoIV

ICentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Belo Horizonte - MG - Brasil
IICentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Belo Horizonte - MG - Brasil
IIICentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Belo Horizonte - MG - Brasil
IVCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Belo Horizonte - MG - Brasil

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

A Análise de Ciclo de Vida (ACV) é um método que inclui a compilação e avaliação das entradas, saídas e dos impactos de um produto ao longo do seu ciclo de vida. Os resultados desta análise são utilizados para escolher alternativas favoráveis para uma aplicação específica. Este artigo utilizou as ferramentas de ACV, apoiada pelo software Umberto, para comparar o processo de obtenção de concretos de cimento Portland com o de concretos geopoliméricos, obtidos da ativação alcalina de aluminossilicatos. O impacto ambiental foi avaliado considerando 1 m3 de cada concreto, sendo (i) as emissões de CO2 (kg CO2/ m3) e (ii) a demanda energética (MJ/m³) as variáveis para determinar o potencial sustentável de ambos materiais. O objetivo principal foi avaliar se os concretos geopoliméricos são mais sustentáveis do que os concretos tradicionais. Os resultados obtidos mostraram que o consumo energético é reduzido em 45,8% na produção do concreto geopolimérico, quando comparado à produção do concreto de cimento Portland de desempenho mecânico equivalente. Com relação às emissões de CO2, o concreto geopolimérico reduz as emissões em 72,4%, em comparação ao concreto tradicional de cimento Portland CPII. Assim, o primeiro se mostra uma alternativa a ser considerada, na produção de materiais de construção de menor impacto ambiental.

Palavras-chave: Geopolímeros. Concreto. Cimento Portland. Sustentabilidade. Análise de Ciclo de Vida.


ABSTRACT

The Life Cycle Assessment (LCA) method comprises the compilation and evaluation of inputs, outputs and environmental impacts of a product during its life cycle. The results of this analysis are used to select alternative products or processes for a particular application. This paper compared the process of making Portland cement concrete and Geopolymer concrete, the latter obtained from the alkaline activation of aluminosilicates. The CO2 emissions (kg CO2 / m3) and energy demand (MJ / m³) for the production of 1 m3 of both concretes were used to determine the sustainable potential of these materials. The main objective was to assess whether geopolymer concrete is more sustainable than traditional Portland cement concrete. The results showed that geopolymer concrete reduces energy consumption by 45.8%, compared with Portland cement-based concrete, and has a similar mechanical performance. In addition, the use of geopolymer concrete reduces CO2 emissions by 72.4%, when compared with traditional CP-II Portland cement concrete. Hence, Geopolymer is an alternative material with lower environmental impact that should be considered in the production of sustainable building materials.

Keywords: Geopolymer. Concrete. Portland Cement. Sustainability. Life Cycle Assessment.


 

 

Introdução

Cimento Portland e a questão ambiental

O cimento Portland é o material de construção de maior utilização no mundo, utilizado na composição de concretos e argamassas, e confere a estes boa moldabilidade no estado fresco. No estado endurecido, o cimento Portland geralmente é responsável pelo desenvolvimento de resistência mecânica elevada e boa durabilidade de argamassas e concretos.

Em 2010 foram produzidos no mundo cerca de 3,3 bilhões de toneladas de cimento. No Brasil, em consequência do crescimento no setor da construção civil, o consumo aparente de cimento terminou o ano de 2011 com 65 milhões de toneladas e o consumo per capita alcançou 333 kg/hab.ano, a maior marca de toda a história (Figura 1) (SINDICATO..., 2011).

O grande consumo de cimento Portland tem gerado preocupações relacionadas a seu processo produtivo, dado que uma das etapas mais importantes, a clinquerização, requer a queima de matérias-primas (calcário e argilas) a uma temperatura de aproximadamente 1.500 ºC, com alta liberação de CO2. Pouco mais da metade das emissões de CO2 na indústria do cimento ocorre durante a transformação físico-química que dá origem ao clínquer. A outra parcela é resultante predominantemente da queima de combustíveis no forno de clinquerização, onde a chama atinge uma temperatura de até 2.000 ºC (SINDICATO..., 2011).

A indústria cimenteira é caracterizada por um alto consumo energético, tanto de energia térmica demandada na fabricação do clínquer quanto de energia elétrica utilizada por outros equipamentos, como, por exemplo, os moinhos de cimento. O consumo de energia térmica pode chegar a 3.300 MJ/t de clínquer produzido (SANTI, 19971 apud PAULA, 2009), enquanto o consumo de energia elétrica é estimado entre 90 e 120 kWh/t de cimento produzido (CEMBUREAU, 19992 apud PAULA, 2009).

A crescente preocupação com o meio ambiente tem gerado a busca por processos produtivos mais sustentáveis e estimulado pesquisas mundiais para a redução de emissão por parte da indústria cimenteira (VAN OSS; PADOVANI, 2003; HABERT et al., 2010; SCHNEIDER et al., 2011; BENHELAL et al., 2013).

Existem tecnologias amplamente difundidas que buscam a redução do consumo de energia e emissões durante o processo produtivo do cimento. A primeira delas é a utilização de equipamentos que demandam menos energia elétrica, tais como os moinhos verticais de cimento. Essa busca pela eficiência térmica e elétrica é comandada pela própria indústria de cimento, a partir da instalação das mais recentes tecnologias, que garantem vantagens de custo energético a novas fábricas, e do processo de modernização das antigas (IEA, 2009). No entanto, essa alternativa tecnológica possui limitações: a busca por eficiência térmica e elétrica, por exemplo, esbarra na necessidade da produção de cimentos de alto desempenho, os quais requerem uma moagem muito fina e, por isso, demandam mais energia do que os cimentos de menor desempenho. Além disso, a adição de alguns dos substitutos do clínquer (como as escórias de alto forno) reduz a emissão de CO2, mas isso necessita de mais energia para atingir a finura adequada para reatividade (INTERNATIONAL..., 2009).

A segunda alternativa, talvez a mais antiga, conhecida e difundida, é justamente o emprego de adições minerais na produção dos cimentos compostos. As diferentes matérias-primas adicionadas ao clínquer permitem a fabricação dos variados tipos de cimento Portland disponíveis no mercado, alguns contendo materiais reativos (pozolanas) e outros inertes (fíleres). Os mais comuns são os fíleres carbonáticos (CaCO3 pulverizado), materiais argilosos naturais ou calcinadas, bem como as escórias de alto forno. Adições reativas tais como a escória possuem maior possibilidade de emprego em substituição ao clínquer por suas vantagens técnicas, tais como elevação da resistência mecânica em longo prazo, redução do calor de hidratação e boa durabilidade em meios agressivos (LOTHENBACH; SCRIVENER; HOOTON, 2011). De modo geral, a substituição de parte do clínquer por adições ao cimento tem como consequências diretas:

(a) diminuição no consumo de recursos naturais – no caso do uso de resíduos industriais como adições minerais;

(b) menor emissão de CO2;

(c) menor quantidade de matéria-prima calcinada para a produção de uma tonelada de cimento Portland, diminuindo as emissões provenientes da calcinação e da queima de combustíveis fósseis, que ocorrerá em menor quantidade; e

(d) menor demanda de energia, caso haja reduções na moagem, processo de maior demanda energética na produção de cimento Portland.

Uma terceira tecnologia, denominada de coprocessamento em fornos de clínquer, utiliza resíduos para alimentar a chama do forno, substituindo uma parcela dos combustíveis convencionais (ASSOCIAÇÃO..., 2013). Dessa forma, os fornos de cimento possuem capacidade de incineração adequada para grandes volumes de resíduos, que de outra forma seriam destruídos sem a recuperação da energia, além de contribuir para a redução das emissões de CO2 devido ao menor consumo de combustíveis fósseis. Entre os resíduos mais comuns no coprocessamento encontram-se borrachas, solventes, tintas e óleos usados, pneus e borras de petróleo, bem como solos contaminados e lodos de centrais de tratamento de esgoto. Segundo a ABCP (ASSOCIAÇÃO..., 2013), um único forno com capacidade de produção diária de mil toneladas de clínquer pode consumir até cinco mil pneus por dia. Em 2011, cerca de 45 milhões de pneus foram coprocessados em fornos de cimento brasileiros (Figura 2). Esses materiais combustíveis são selecionados conforme sua disponibilidade no mercado, preço e propriedades, tais como poder calorífico e composição química. De acordo com a legislação brasileira, resíduos domiciliares brutos, hospitalares, radioativos, agrotóxicos e explosivos não podem ser queimados nos fornos de cimento (CONSELHO..., 2000).

Cabe ainda citar a tecnologia de Carbon Capture and Storage (CCS). Trata-se de uma nova tecnologia bastante promissora na redução da emissão de CO2, ainda que não tenha sido utilizada em escala de produção de cimentos. A CCS é, basicamente, a captura do CO2 antes que ele seja liberado para a atmosfera, comprimindo-o a um líquido e, em seguida, transportando-o por tubos subterrâneos, para permanecerem armazenados (VATOPOULOS; TZIMAS, 2012). As três etapas principais desse processo compreendem a captura, o transporte e o armazenamento do carbono. O transporte pode ser realizado através de dutos, caminhões ou navios, sendo o realizado por dutos (por meio de compressão) o mais econômico, carregando CO2 de alta pressão. Já o armazenamento pode ocorrer no subsolo ou em reservatórios degradados de gás e petróleo (FUNDAÇÃO..., 2009). Pode-se estimar que, se a implementação dessa tecnologia ocorrer com sucesso, as emissões de carbono a partir da fabricação de cimento podem reduzir-se em até 70%. No entanto, esta ainda é uma área pouco estudada e de alto custo de instalação, podendo não ser viável para uma grande quantidade de indústrias de cimento (STAVRINIDES, 2010).

Geopolímero como aglomerante alternativo ao cimento Portland

Estudos iniciados nas décadas de 1940-50 pelos pesquisadores ucranianos Glukhovsky e Krivenko deram início a pesquisas que seguem até hoje em torno da substituição do cimento Portland por materiais obtidos a partir da ativação alcalina de aluminossilicatos (por exemplo, escórias de alto forno) (KRIVENKO, 2008). Já na década de 90, o pesquisador francês Joseph Davidovits começou a publicar seus primeiros resultados com ativação de diferentes tipos aluminossilicatos em uma série de produtos que denominou de geopolímeros (DAVIDOVITS, 1994). Os cimentos geopoliméricos são aluminossilicatos álcalis-ativados, ou seja, consistem de um ou mais materiais constituídos por SiO2 e Al2O3 em proporções suficientes e em forma reativa (como cinzas, argilas ativas, pozolana e escórias), misturados a uma solução alcalina aquosa ativadora, contendo, por exemplo, hidróxido de potássio (KOH), hidróxido de sódio (NaOH), silicato de sódio ou potássio (BUCHWALD; ZELLMANN; KAPS, 2011).

Também chamados de polímeros inorgânicos, esses materiais possuem vantagens ecológicas e físico-químicas quando comparados ao cimento Portland. As vantagens ecológicas se tornaram evidentes com a possibilidade de ser produzidos à temperatura ambiente (ou até 80 ºC) sem aparente liberação de CO2 na atmosfera. As características físico-químicas garantem propriedades especiais, tais como rápido desenvolvimento de resistência mecânica e excelente durabilidade química. Segundo Davidovits (1994), o cimento geopolimérico com cura à temperatura ambiente pode adquirir resistência à compressão de 20 MPa em 4 h a 20 ºC. Dependendo ainda das condições de síntese e cura, esses materiais podem atingir valores de resistência à compressão de 70 a 100 MPa (TEIXEIRA PINTO, 2004). Ainda entre as propriedades dos geopolímeros destacam-se:

(a) a inércia química em relação a algumas patologias comuns aos produtos à base de cimento Portland, em outras palavras, não gera reação expansiva do tipo álcali-agregado, comum a concretos de cimento Portland confeccionados com agregados miúdos potencialmente reativos (DAVIDOVITS, 1994);

(b) baixos valores de permeabilidade, que favorecem sua aplicação na imobilização de resíduos tóxicos e radioativos (GIANNOPOULOU; PANIAS, 2007);

(c) resistência às altas temperaturas, o que permite desenvolvimento de estruturas mais resistentes à ação do fogo (KONG; SANJAYAN, 2010), e materiais refratários de baixo custo (SOUZA et al., 2011); e

(d) alta durabilidade química (BAKHAREV, 2005a, 2005b).

Portanto, é natural que uma de suas aplicações mais promissoras seja na substituição de cimentos em argamassas e concretos na construção civil, devido a seu grande potencial ecológico e alto desempenho físico-químico.

Processo Produtivo do concreto geopolimérico

O processo de geopolimerização inicia-se pela etapa de dissolução, que ocorre quando a solução alcalina entra em contato com o aluminossilicato sólido. Essa etapa é caracterizada por alta alcalinidade. Com o decorrer da reação de dissolução, as concentrações de alumínio e silicato

aumentam até o ponto em que se inicia a condensação (BUCHWALD; ZELLMANN; KAPS, 2011). O processo pode ser descrito pela Equação 1, na qual "M" é o elemento alcalino; "–" representa as ligações; "z" pode ser 1, 2 ou 3; e "n" é o grau de polimerização.

O produto formado pode ser considerado uma rocha sintética cuja estrutura contém uma rede tridimensional amorfa de átomos de silício e alumínio, cujas propriedades são bastante influenciadas pela proporção Si/Al na microestrutura.

Diversos aluminossilicatos e resíduos ricos em sílica e alumina podem ser utilizados na produção de geopolímeros. Várias pesquisas, no entanto, têm utilizado como matérias-primas as cinzas volantes (CRIADO; POLOMO; FERNÁNDEZ-JOMENEZ, 2005) e diversos tipos de argilas calcinadas (BONDAR et al., 2011; RUIZ-SANTAQUITERIA et al., 2013), destacando-se os caulins calcinados, mais conhecidos como metacaulins. A metacaulinita é resultante do processo de calcinação da caulinita, um mineral cristalino de origem natural de granulometria fina, geralmente de cor branca e boa inércia química. A produção do metacaulim inicia-se com a avaliação de reservas e depósitos de argilas cauliníticas, etapa seguida da lavragem do material nas minas. Depois de ser lavrado, o caulim resultante do desmonte é coletado por gravidade e bombeado para a usina de beneficiamento, onde se deve garantir uma composição química favorável a sua aplicação (NETTO, 2006).

Após a secagem do material, parte-se para a etapa de calcinação. Nesse processo, caracterizado por maior consumo energético, normalmente se emprega uma temperatura entre 600 ºC e 900 ºC, dependendo da nat3ureza do material (MOTA et al., 20064apud NETTO, 2006). Durante esse processo ocorre a desidroxilação da caulinita (perda de íons OH- da estrutura cristalina original), o que dá origem a uma estrutura amorfa (Equação 2) (MOTHÉ, 2004 apud NETTO, 2006). Como pode ser observado na equação 2, um dos produtos da calcinação realizada para obtenção de metacaulim é a água, diferentemente da calcinação do clínquer, que tem como produto o CO2. Isso torna a metacaulim, em termos ambientais, uma matéria-prima de grande potencial.

Solução alcalina ativadora

Na maioria das pesquisas, o hidróxido de sódio (NaOH) tem sido utilizado como parte da solução ativadora, em vez do hidróxido de potássio (KOH). De fato, o primeiro tem um custo de produção bem mais baixo, o que praticamente define sua escolha. O NaOH é preparado principalmente por métodos eletrolíticos, usando-se solução aquosa de cloreto de sódio (SILVA, 2012).

A utilização de outro componente na solução ativadora é interessante para garantir a presença de SiO2 solúvel, para aumentar a velocidade de reação e garantir alta resistência mecânica nas primeiras horas. Para tal, têm-se utilizado soluções aquosas de silicato de sódio (Na2SiO3). Essa solução é obtida inicialmente pela dosagem e mistura mecânica de carbonato de sódio (Na2CO3) e sílica (SiO2). Em seguida, a mistura passa por uma fusão na faixa de temperatura entre 1.100 e 1.200 ºC, produzindo um sólido amorfo (TURNER, 2014). Essa fase é caracterizada por emissão de gases efeito estufa e alto consumo energético. O produto é então introduzido em autoclaves, submetido a alta pressão e, em contato com água, resulta em uma solução aquosa de silicato de sódio (FAWER; CONCANNON; RIEBER, 1999). O silicato de sódio utilizado em grande parte das pesquisas de geopolímeros é uma solução aquosa com 37% de sólidos e com razão em massa de 3,3 (SiO2/Na2O).

Impactos ambientais gerados na confecção do concreto geopolimérico

O geopolímero estudado neste trabalho é obtido a partir da mistura do metacaulim, hidróxido de sódio e silicato de sódio. Nesta etapa ocorre uma reação exotérmica, que resulta em um material aglomerante. A esta matriz podem ser misturados os mesmos tipos de agregados utilizados na produção de argamassas e concretos de cimento Portland. O produto resultante será uma argamassa geopolimérica ou concreto geopolimérico.

As emissões de CO2 no processo produtivo do concreto geopolimérico estão relacionadas à obtenção de suas matérias-primas: ocorrem emissões no processo produtivo do metacaulim e do silicato de sódio; em ambos o CO2 é proveniente da queima de combustíveis fósseis para fornecimento de calor.

O consumo energético na produção de concreto geopolimérico também está relacionado à obtenção de suas matérias-primas, principalmente o silicato de sódio. Isso será discutido adiante, durante a ACV realizada neste trabalho.

Análise de Ciclo de Vida (ACV)

Todo produto, independentemente de sua composição, provoca impacto no meio ambiente, seja em função de seu processo produtivo, das matérias-primas consumidas ou devido à utilização e disposição final. A ACV é uma técnica para avaliação dos aspectos ambientais e dos potenciais impactos associados ao produto, compreendendo etapas que vão desde as retiradas das matérias-primas da natureza até a disposição final. Desse modo, a ACV é de suma importância, pois permite uma visão mais ampla do processo de produção (CHEHEBE, 1997). Os resultados desse tipo de análise podem ser utilizados de diversas formas, a saber:

(a) fornece uma ampla base de informações sobre necessidades totais de recursos, emissões e consumo energético;

(b) identifica pontos de possíveis reduções nas necessidades de recursos e emissões;

(c) compara entradas e saídas do sistema associadas com produtos alternativos; e

(d) auxilia no desenvolvimento de novos produtos, processos ou atividades, visando a uma redução das necessidades de recursos e emissões.

Existem normas que orientam as organizações no sentido de adequações ao contexto de melhoria dos aspectos ambientais relacionados a suas atividades. As normas ISO 14000 – Gestão Ambiental (INTERNATIONAL..., 2006) – tratam sobre o que a organização deve realizar para minimizar os efeitos nocivos ao ambiente causados por suas atividades. A série ISO 14040 (INTERNATIONAL..., 2006) trata da ACV, especificando sua estrutura geral e orientando a elaboração das quatro fases comuns a todo estudo dessa natureza:

(a) fase de definição do objetivo e escopo: inclui os limites do sistema e o nível de detalhamento da ACV, que dependem do motivo e da utilização do estudo;

(b) fase de análise de inventário: levantamento dos dados de entrada e saída no que diz respeito ao sistema a ser estudado;

(c) fase de avaliação de impacto: fornece informações adicionais para ajudar a avaliar os resultados de modo a melhor compreender o seu significado ambiental; e

(d) fase de interpretação: os resultados são resumidos e discutidos como base para conclusões, recomendações e tomada de decisões, de acordo com o objetivo estabelecido.

Este artigo avaliou o impacto ambiental de dois tipos distintos de concreto estrutural: um tradicional à base de cimento Portland e outro geopolimérico. As emissões de CO2 e demanda de energia foram computadas, a fim de determinar o potencial sustentável desses dois tipos distintos de ligantes. Para tal avaliação foram utilizadas ferramentas de Análise do Ciclo de Vida apoiadas pelo software Umberto 5.5. Este software foi desenvolvido pelo Instituto de Pesquisa Ambiental e Enérgica da Universidade de Heidelberg (IfEU) em parceria com o Instituto de Informática Ambiental da Universidade de Hamburgo (IfU). Além de seu caráter cientifico, o Umberto possui uma grande flexibilidade, possibilitando o desenvolvimento de cálculos específicos definidos pelo usuário para que o sistema seja fiel ao ambiente a que pertence (DELGADO et al., 2007). O software permite, ainda, uma análise de fluxo de materiais e energia, através de suas redes de fluxo, tornando possível uma análise tanto de aspectos ambientais quanto de aspectos financeiros de todas as atividades componentes do sistema.

 

Metodologia

Definição do objetivo e escopo

O objetivo da ACV apresentada neste trabalho foi avaliar o impacto ambiental dos dois tipos de concreto, considerando as emissões de CO2 e demanda energética, esperando concluir se os concretos geopoliméricos são mesmo mais atrativos em termos ambientais do que os concretos confeccionados com o cimento Portland.

Determinação da unidade funcional e fronteiras

A unidade funcional, base para comparação, é uma unidade de volume de concreto produzido no Sistema Internacional de Unidades (1 m³ de concreto). Essa unidade funcional foi adotada já que os concretos analisados têm a mesma resistência à compressão axial e a mesma idade de controle. Para os dois principais parâmetros analisados, as unidades são demanda de energia (KJ/m3 de concreto) e emissão de CO2 (kg/m3 de concreto).

Esta análise do ciclo de vida ignora o transporte e a extração de matérias-primas comum, bem como as etapas de aplicação do concreto (transporte, lançamento, compactação e cura), uma vez que elas ocorrem para ambos os tipos de concreto, não sendo, portanto, relevantes para a comparação. Esse tipo de limitação na fronteira da ACV é bastante comum, chamado internacionalmente de análise cradle-to-gate (analisa das matérias-primas até a produção do material, ignorando sua vida útil e reciclabilidade). No caso de concretos diferentes como os estudados neste trabalho, a análise também assume que ambos os concretos possuem a durabilidade ao longo dos anos, o que também não é necessariamente verdadeiro. Em outras palavras, em uma análise de ciclo de vida completa, conhecida por cradle-to-tomb,considera-se que a microestrutura dos dois concretos não será mais a mesma, e seu desempenho em longo prazo poderá variar de acordo com os microclimas aos quais estarão submetidos durante sua vida útil. Devido à dificuldade de realização dessa análise, muitas pesquisas (HABERT; D'ESPINOSE DE LACAILLERIE; ROUSSEL, 2011) têm realizado o ciclo simplificado cradle-to-gate, o que também foi adotado neste trabalho. Os limites considerados para a análise do ciclo cradle-to-gate são, portanto, a produção de cimento, a operação da fábrica, a moagem da escória de alto forno para produção de um cimento composto com escória, a produção de agregados e sua mistura para a produção de concreto de cimento Portland. Por outro lado, é necessária a produção de metacaulim, silicato de sódio e hidróxido de sódio, e beneficiamento de agregados, para a obtenção de 1 m³ de concreto de cimento geopolimérico.

Escolhas dos concretos comparados

Decidiu-se estudar um concreto à base de cimento Portland do tipo CPII-E, que contem até 34% de escória de alto forno em sua composição. Esse tipo de cimento foi escolhido como referência, pois é amplamente utilizado em concretos na região metropolitana de Belo Horizonte (MG), área para a qual o estudo foi realizado. Assumiu-se que o cimento é produzido com o limite máximo de escória permitida por norma, ou seja, 34%. O concreto com cimento CPII E-40 foi idealizado contendo agregados naturais (areia natural e brita calcária). A formulação para os traços 1 m³ de concreto, representada na Tabela 1, mostra a formulação fornecida por uma concreteira da região metropolitana de Belo Horizonte, para a produção de um concreto de 40 MPa a 28 dias.

O concreto geopolimérico escolhido para análise é constituído por metacaulim com agregados naturais (os mesmos utilizados no concreto com CPII). A solução ativadora é composta de silicato de sódio (Na2SiO3) e hidróxido de sódio (NaOH). Esse tipo de concreto foi escolhido devido aos bons resultados obtidos em laboratório com matrizes geopoliméricas em outros projetos. Para a formulação do concreto geopolimérico, a relação entre os materiais secos foi mantida idêntica ao traço do concreto tradicional. Em outras palavras, a relação cimento Portland:areia:brita é idêntica à relação metacaulim:areia:brita. Porém, a quantidade de solução empregada no concreto geopolimérico é igual a 1,3 vez a quantidade de metacaulim. Essa relação de 1,3 entre solução e metacaulim foi obtida também em ensaios laboratoriais, visando garantir boa trabalhabilidade e resistência mecânica adequada. A quantidade de material necessária para a produção de 1 m3 de concreto geopolimérico foi calculada a partir da densidade desse tipo de concreto quando fresco, ou seja, 2.300 kg/m3 (Tabela 2).

Análise do inventário de dados

A montagem das redes é uma etapa trabalhosa e demorada, haja vista que é necessário conhecer todos os processos de obtenção das matérias-primas e fabricação tanto do concreto de cimento Portland quando de concretos geopoliméricos. A montagem correta da rede é também fundamental para o sucesso da ACV. Todo o levantamento de dados foi realizado para alimentar as necessidades do software e gerar um balanço coerente. Os dados de consumo de matéria-prima, emissões de CO2 e demanda de energia para produção de 1 m³ de concreto, obtidos na literatura, estão dispostos na Tabela 3.

Após as devidas conversões, os dados foram inseridos no software Umberto, obedecendo a fatores lineares, responsáveis pelo balanço de massa e energia ao longo do ciclo de vida de cada concreto. Assim, o software disponibiliza resultados para a avaliação de todo o processo produtivo, o que permite avaliar os impactos gerados e identificar pontos passíveis de otimização, além de comparar os processos produtivos de ambos os concretos quanto às emissões e demanda de energia.

Os cálculos das emissões de CO2 na produção de cimento Portland foram realizados separadamente, conforme o seguinte método: as emissões provenientes da calcinação foram calculadas a partir do fator de emissão de CO2 na produção de clínquer. Segundo o IPCC (INTERGOVERNMENTAL..., 2006), esse fator é FE (clínquer) = 0,5071 t CO2/t clínquer. Já as emissões de CO2 oriundas da combustão foram calculadas a partir da equação 3 (UNITED..., 2008):

Onde:

Comb.= massa ou volume de combustível;

PC = poder calorífico;

C1 = quantidade de carbono contido no combustível (massa C/energia);

FO = fração oxidada do combustível; e

CO2/C = peso molecular CO2/peso molecular C.

As redes elaboradas no software Umberto para os dois tipos de concreto estão representadas pelas Figuras 3 e 4. As transições dos diagramas indicam a presença de um processo e estão representadas por retângulos azuis. Essas transições foram alimentadas com os dados de entrada e saída, representados por círculos verdes e vermelhos, respectivamente. Entre as transições existe uma etapa intermediária que é resultado do processo anterior e matéria-prima para etapa seguinte. Esta etapa é então representada pelas conexões simbolizadas por círculos duplos de cor marrom. Por fim, as setas são responsáveis pela indicação do sentido do fluxo de materiais. A seta que fecha o processo produtivo recebe cor destacada (rosa), pois é o local onde está definido o produto final, que conforme a unidade funcional adotada neste estudo será de 1m³ de concreto. O software então avalia o fluxo de materiais e energia para esta quantidade de produto final. Neste estudo, o ajuste da rede para 1m³ de concreto, nos permite realizar um comparativo entre o concreto geopolimérico e o concreto tradicional com cimento Portland.

 

Resultados e discussão

As Figuras 5 e 6 representam, respectivamente, a demanda de energia para a produção de 1 m³ de concreto com cimento Portland e concreto geopolimérico, a partir da ACV realizada. Pode-se observar que, na produção do concreto tradicional, o maior consumo de energia ocorre durante a produção de cimento Portland; cerca de 1.550 MJ de um total de 1.794 MJ são consumidos nesse processo, sendo grande parte dessa energia destinada à demanda térmica no processo de clinquerização. No caso da produção do concreto geopolimérico, o maior responsável pelo consumo energético é a produção de silicato de sódio, que representa 616 MJ dos 971 MJ totais. Neste processo a maior demanda energética está relacionada às etapas de fusão e dissolução (FAWER; CONCANNON; RIEBER, 1999).

As emissões de CO2 também foram avaliadas para 1 m³ de concreto produzido (Figuras 7 e 8). No concreto tradicional, mesmo utilizando técnicas de coprocessamento e substituição parcial do clínquer por escória, há altas taxas de emissão de CO2 durante a produção do ligante, e as emissões oriundas da calcinação e da queima de combustíveis fósseis nos fornos têm contribuição similar nas emissões.

Para a produção do concreto geopolimérico, o ligante em si não emite CO2, mas suas matérias-primas o fazem, sendo a matéria-prima de maior significância nas emissões novamente o silicato de sódio. Para a avaliação de 1 m³ de concreto, verificou-se que o concreto de cimento Portland do tipo CPII, mesmo com técnicas para redução de emissões, ainda é responsável por 271,9 kg de CO2 /m³ de concreto, enquanto o concreto geopolimérico emite 3,6 vezes menos CO2, sendo um total de 75,1 kg de CO2/m³ de concreto.

Diante desses resultados, pode-se especular que os concretos geopoliméricos seriam possíveis candidatos a substitutos dos concretos convencionais de cimento Portland. Da mesma forma, pode-se ainda perguntar por que esses materiais, ainda que pesquisados há quase 30 anos, não estão presentes no mercado de construção no planeta. No entanto, há alguns obstáculos para a produção e comercialização dos concretos geopoliméricos.

Primeiramente, por se tratar de um processo de ativação alcalina de aluminossilicatos, várias matérias-primas podem ser utilizadas no processo de fabricação (tanto como fonte de SiO2 e Al2O3 quanto como ativadores). Diversos centros de pesquisa têm desenvolvido produtos geopoliméricos, mas cada um deles trabalha com matérias-primas locais. Isso limita o intercâmbio de informações e, portanto, a consolidação da ciência de ativação alcalina. Cabe ressaltar que o cimento Portland possui matérias-primas que estão disponíveis mundialmente (calcário e argila). Portanto, espera-se que qualquer alteração de processo de produção do cimento Portland que ocorra poderá ser seguida por qualquer fábrica mundial.

Outro fator que não deve ser ignorado é a aparente falta de pesquisa em geopolímeros pela indústria cimenteira. É perceptível que essa indústria não vê o geopolímero como ameaça eminente, mas assiste ao desenvolvimento de perto, sem tomar a frente e sem investir em pesquisas, ainda percebendo que o cimento Portland é a melhor opção de ligante para a construção civil no futuro (GARTNER; MACPHEE, 2011).

Talvez o que limite consideravelmente sua utilização seja também a falta de normalização, que garante a aplicação correta para garantia da resistência mecânica e durabilidade dos geopolímeros. Isso é importante até mesmo para garantir a segurança dos envolvidos no processo, haja vista que as soluções empregadas na produção do geopolímero são alcalinas e, portanto, podem provocar queimaduras na pele dos operários, enquanto o concreto se encontra no estado fresco

(mistura, lançamento do concreto). Portanto, luvas e óculos de segurança são equipamentos de proteção essenciais na produção do concreto. Por isso, é de se esperar que o maior controle na produção de geopolímeros limitará seu uso à pré-fabricação (BORGES et al., 2012), já que no ambiente fabril podem-se tomar mais cuidados no preparo e moldagem dos elementos de concreto, o que, às vezes, foge do controle nos canteiros de obra.

Além disso, enquanto não houver normas de utilização, o mercado se negará a utilizar o produto, ainda que as pesquisas demonstrem que ele é tecnicamente viável. Portanto, ainda há muito caminho a ser percorrido para que estes novos ligantes possam substituir, em parte, o cimento Portland na produção de concretos, ainda que os estudos de análise de ciclo de vida indiquem o grande potencial deles para a redução do impacto ambiental como materiais de construção civil.

 

Conclusões

A utilização de técnicas de ACV auxiliada pelo software Umberto, realizada nesta pesquisa, permitiu a comparação do consumo total de energia e emissões de CO2 na produção de 1 m³ de concreto (tradicional e geopolimérico). Os dados obtidos permitem inferir que o consumo energético é reduzido em 45,8% (971,4 contra 1.794,1 MJ/m3) quando se produz um concreto geopolimérico. Ao comparar as emissões de CO2, pode-se concluir que o concreto geopolimérico reduz a emissão de CO2 em 72,4% (271,9 contra 75,1 kg/CO2/m3) quando comparado ao concreto tradicional de cimento Portland. Cabe lembrar que a análise termina na produção do material e não leva em consideração as etapas após a mistura do material. Da mesma forma, a análise não leva em consideração a questão do custo dos dois concretos (a chamada CCV, ou custo do ciclo de vida), que é também crucial para uma definição do potencial ambiental de produtos e processos. Ainda assim, esse estudo parcial comparativo mostra que os concretos geopoliméricos são mais atrativos que os concretos confeccionados com o cimento Portland, tanto em termos de consumo energético quanto em emissões de CO2.

Ao realizar o estudo de impacto ambiental do concreto geopolimérico, identificou-se que o maior contribuinte para as emissões de CO2 e consumo energético durante o processo produtivo é a produção do silicato de sódio, o que já havia sido mostrado por Habert; D'Espinose de Lacaillerie e Roussel (2011). A utilização de materiais alternativos nesse tipo de concreto pode reduzir os impactos ambientais do concreto geopolimérico. Uma possibilidade é o emprego de escória de alto forno em substituição ao metacaulim na produção de concretos geopoliméricos. A escória de alto forno pode (i) ajudar a garantir resistência mecânica nas primeiras idades dos concretos geopoliméricos e (ii) reduzir o consumo de solução ativadora (e, consequentemente, de silicato de sódio), haja vista que é menos fina que o metacaulim e, portanto, requer menos solução para a mesma trabalhabilidade. Trabalhos futuros poderão avaliar o efeito da escória de alto forno nas propriedades mecânicas do concreto geopolimérico, bem como a diminuição de silicato para a manutenção da resistência mecânica e trabalhabilidade, garantindo, assim, redução ainda maior de impactos ambientais.

 

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Endereço para correspondência
Paulo Henrique Ribeiro Borges

Departamento de Engenharia Civil | Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais | Av. Amazonas, 5253, Nova Suiça | Belo Horizonte - MG - Brasil | CEP: 30421-169 | Tel.: (31) 3319-6826 | E-mail: pborges@civil.cefetmg.br

Thuany Marra de Figueiredo Lourenço
Departamento de Engenharia Civil | Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais | Tel.: (31) 3047-1709 | E-mail: thuany_marra@hotmail.com

Ana Flávia Souza Foureaux
Departamento de Engenharia Civil | Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais | Tel.: (31) 3444-9492 | E-mail: anaflavia_foureaux@hotmail.com

Luiza Soares Pacheco
Departamento de Engenharia Civil | Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais | Tel.: (31) 8863-2460 | E-mail: luizasoarespacheco@yahoo.com.br

 

 

Recebido em 15/05/13
Aceito em 19/04/14

 

 

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