O presente artigo aborda o desenvolvimento de uma nova família de materiais ligantes, obtidos a partir da activação de alumino-silicatos, que se caracterizam por uma elevada durabilidade e menores emissões de dióxido de carbono que o cimento Portland, constituindo-se como um sério contributo para uma construção mais sustentável

Jalali, Said

Pacheco-Torgal, F.

Universidade do Minho: RepositoriUM

RESUMOO presente artigo aborda o desenvolvimento de uma nova família de materiais ligantes, obtidos a partir da activação de alumino-silicatos, que se caracterizam por uma elevada durabilidade e menores emissões de dióxido de carbono que o cimento Portland, constituindo-se como um sério contributo para uma construção mais sustentável.1. INTRODUÇÃOA investigação sobre ligantes alternativos ao cimento Portland merece, desde há alguns anos a esta parte, uma particular atenção por parte da comunidade científica. Por um lado, tal deve-se ao reduzido desempenho am-biental daquele ligante, em termos de emis-sões de carbono, já que durante a sua pro-dução ocorrem emissões de CO2 através da descarbonização do calcário (CaCO3), de acordo com a reacção abaixo:3CaCO3 + SiO2  Ca3SiO5 + 3CO2Para cada tonelada de clinquer vão, assim, li-bertar-se para a atmosfera 579 kg de CO2, e isto independentemente da eficiência do pro-cesso utilizado. A este valor é ainda necessá-rio somar aproximadamente 390 kg de CO2, devidos à utilização de combustí-veis fósseis consumidos durante a produção do clinquer. Simplifica-damente, pode, por isso, afirmar- -se que durante a produção de uma tonelada de clinquer de cimento se produz quase uma tonelada de CO2. Como é público, as emis-sões de carbono constituem hoje motivo de grande preocupação, não só pelo facto de serem as pri-meiras responsáveis pelas altera-ções climáticas do nosso planeta, como também por poderem vir a implicar penalizações financeiras para os países onde são emitidas. Tenha-se presente, a este respeito, que a pro-dução de cimento Portland a nível mundial, embora somente de 1.200 milhões de tone-ladas anuais no início do séc. XX, é já de 2.600 milhões de toneladas/ano, sendo que as pro-jecções apontam para que este valor possa duplicar nos próximos 40 anos (Fig.1), facto que agravará de modo substancial os efeitos negativos das referidas emissões. Actualmente, a indústria cimenteira produz cimentos com substituição parcial por filler (pó de pedra) e subprodutos de características cimentícias (escórias) e pozolânicas (cinzas volantes), de forma a reduzir o seu nível de emissões e tam-bém o seu custo. Contudo, o potencial de re-dução de emissões obtido dessa forma é, no entanto, e segundo alguns investigadores, bas-tante limitado. Por outro lado, as investiga-ções sobre novos materiais ligantes ficam tam-bém a dever-se ao facto de bastantes estru-turas construídas com recurso ao cimento Portland (há apenas algumas décadas atrás) apresentarem já sinais de deterioração pre-coce. Na verdade, são inúmeros os casos de deterioração precoce de estruturas de betão armado. Mehta [2] refere um caso de dete-rioração de estacas 12 anos após a sua cons-trução e também um caso de um túnel no Dubai que, concluído em 1975, teve de ser completamente reparado em 1986. Gjorv [3] menciona um estudo sobre pontes construí-das na Noruega, em que 25% apresentavam, pouco tempo depois, deterioração por corro-são de armaduras. Outros autores [4] citam estudos que indicam que 40% das cerca de 600 mil pontes existentes nos Estados Uni-dos estariam afectadas pela corrosão, o que implicaria custos de reparação de aproxima-damente 50 mil milhões de dólares.De facto, as estruturas de betão armado construídas com cimento Portland têm na sua durabilidade o seu “calcanhar de Aqui-les”. A sua vida útil prevista era de 100 anos nos anos 50, 75 anos nos anos 70 e actual-mente é já (em grande parte dos casos) so-mente de 50 anos [5]. Como já reconhecia o Engenheiro Sousa Coutinho na sua medi-ática obra “...a sua elevada alcalinidade torna- -o um material instável... pelo que a sua du-ração não será muito longa...”. Para lá da-quilo que é a reduzida durabilidade dessas estruturas, em virtude de deficiente coloca-ção e cura do betão, na verdade, a durabili-dade fica a dever muito ao próprio material em si, que apresenta uma elevada quanti-dade de cal, que é facilmente susceptível de ataque químico e com uma permeabilidade relativamente elevada, que permite o ingres so de água, gases e substâncias agressivas, que provocam fenómenos de carbonatação e de corrosão das armaduras.2. LIGANTES GEOPOLIMÉRICOSOs ligantes geopoliméricos, tam-bém usualmente designados por ligantes obtidos por activação al-calina, remontam à década de 40, com os trabalhos de Purdon [6] na Bélgica, que utilizou escorias activadas alcalinamente com hi-dróxido de sódio. Contudo, foi Glukhovsky [7] o primeiro inves-tigador a analisar os ligantes uti-lizados em construções históricas, como nas pirâmides egípcias e nos 66 NOVEMBRO / DEZEMBRO 2009INGENIUMCOMUNICAÇÃO F. PachecO TOrgal, Eng. Civil Sénior, Doutor em Eng. Civil, Unidade de Investig. C-TAC, Univ. do MinhoSaid Jalali, Eng. Civil, Prof. Catedrático, Departamento de Eng. Civil, Univ. do MinhoENGENHARIA CIVILLigantes Geopoliméricos.Uma Alternativa ao Cimento Portland?19901000 Milhões de Toneladas1234562000 2010 2020 2030 2040 20500Países emdesenvolvimentoProjecçõesÍndiaChinaOCDEFig. 1 – Previsão do consumo de cimento Portland [1]templos romanos, concluindo serem os mes-mos compostos por aluminosilicatos cálcicos hidratados, à semelhança dos que ocorrem no cimento Portland e fases cristalinas do tipo analcite, uma rocha natural existente na crusta terrestre e que explicaria a durabili-dade daquele tipo de ligantes.Baseando-se nessas investigações, Glukhovsky desenvolve um novo tipo de ligantes a que chama de “solo-cimento”; a designação “solo” pelo facto de se assemelhar a uma rocha natural, e “cimento” pela sua capacidade ligante. Os “solo-cimen-tos” eram obtidos a partir de alumino-silicatos minerais moídos, misturados com resíduos industriais ricos em alcá-lis. As pesquisas no domínio dos ligan-tes obtidos por activação alcalina so-freram um incremento exponencial a partir das descobertas efectuadas pelo investigador francês Joseph Davidovits [8], que desenvolveu e patenteou li-gantes obtidos por activação alcalina de caulino e metacaulino, tendo criado em 1978 o termo “geopolimero”. Para Davi-dovits, os geopolimeros são uma adaptação moderna de processos utilizados pelos Roma-nos e Egípcios em termos de ligantes estru-turais. Este autor, após estudos sobre as pirâ-mides do Egipto, aventa mesmo a hipótese daquelas construções não utilizarem pedra natural mas antes ligantes produzidos pela mão humana. Baseando-se em estudos quí-micos e mineralógicos, constatou que os re-feridos blocos não são de pedra calcária na-tural, mas sim de um ligante feito a partir da mistura de calcário oriundo de Gizé com NaOH, produzido no local pela mistura de cal, carbonato de sódio e água. Segundo as análises efectuadas, enquanto as pedras na-turais são compostas por folhas fossilizadas dispostas paralelamente entre si em camadas sedimentares, nos blocos das pirâmides essas camadas são orientadas aleatoriamente, como aconteceria num ligante tradicional. Estudos mineralógicos por difracção de raios-X de amostras das várias pirâmides indicam que a calcite (CaCO3) é a fase cristalina predomi-nante, contudo detecta-se também na micro-estrutura um material amorfo composto por aluminosilicatos e um zeolito do tipo analcite (Na2O. Al2O3.4SiO2. 2H2O). Aliás, em 2004, o investigador belga G. Demortier publicou um estudo efectuado com recurso a resso-nância magnética nuclear (NMR) e levado a cabo no Laboratoire d´Analyses par Reactions Nuclaires (LARN), no qual são avançados ar-gumentos bastante sólidos em defesa da te- se do Professor Davidovits. A comparação dos espectros de ressonância para a sílica e a alumina, entre uma amostra da pirâmide de Kéops e uma amostra de ligante geopolimé-rico, revela que a primeira contém aproxima-damente 15% de ligante geopolimérico. Da-vidovits sugeriu para a designação química de geopolimeros o termo poli(sialatos), em que Sialato é uma abreviação para óxido alumi-nosilicato.A rede de sialatos é composta por aniões te-traédricos [SiO4]4- e [AlO4]5- compartilhando os oxigénios dos vértices. Havendo necessi-dade de iões positivos (Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) estarem presentes na estrutura para compensarem o défice de carga eléctrica do Al3+ em coordenação tetraédrica (após desidroxilação o alumínio passa de co-ordenação 6 (octaédrica) para 4 (tetraédrica), a qual é mais instável. De acordo com Davi-dovits, os geopolimeros são polímeros pelo facto de se transformarem, policondensarem, ganharem forma e endurecerem rapi-damente a baixa temperatura. Adicio-nalmente também são GEO-polime-ros, isto é, inorgânicos, duros, estáveis até temperaturas até 1250 ºC e não inflamáveis. Relativamente às emissões de dióxido de carbono dos ligantes geo-poliméricos, Davidovits refere um valor de 184 kg de CO2 por tonelada de li-gante; este valor deve, no entanto, ser encarado com algumas reservas, já que o mesmo não é confirmado por inves-tigações mais recentes [11], que refe-rem reduções relativamente às emis-sões do cimento Portland que ainda assim podem chegar a 100%. Outros autores [12] compararam a análise do ciclo de vida de betões geopoliméricos, relativamente a be-tões à base de cimento Portland, concluindo que os primeiros apresentam emissões que são quase 70% inferiores às dos últimos. Os ligantes geopoliméricos, podem utilizar como matéria-prima qualquer material inorgânico constituído por sílica e alumina [13], mas pre-ferencialmente que tenha sido sujeito a um tratamento térmico, que o torne um material amorfo (mais reactivo). Desta forma, podem ser utilizados como matérias-primas para os ligantes geopoliméricos, cinzas escórias ou até mesmo resíduos de minas e pedreiras, mesmo aqueles contendo metais alcalinos. A nível mundial, a investigação na área dos ligantes geopoliméricos centra-se hoje quase exclusi-vamente sobre as cinzas volantes, devido à 67NOVEMBRO / DEZEMBRO 2009 INGENIUMCOMUNICAÇÃOeNgeNharia ciVilOSiO4Poly(sialate)Si:AI=1 (-Si-O-AI-O-)Poly(sialate-siloxo)Si:AI=2 (-Si-O-AI-O-Si-O-)Poly(sialate-disiloxo)Si:AI=3 (-Si-O-AI-O-Si-O-Si-O-)Si:AI>3Sialate linkAiO4Si AIAIAISiK+SiSiSiSiSiOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOAIOOOOOO OOOSiOOOSiOOOO OSiSi SiOO OOOOOOOOOOFig.2 – Tipos de Pol (sialatos) [9]Fig. 3 – escombreiras das Minas da Panasqueira junto aos lagos de lamas residuais que foram objecto de investigaçãoelevada quantidade que é anualmente produ-zida, estimando-se que apenas 20% desse vo-lume seja reaproveitado. Em Portugal, no en-tanto, a escassez desse tipo de subprodutos (anualmente são produzidos apenas 0,4 mi-lhões de toneladas de cinzas e escórias), o que representa menos de 10% da produção nacio-nal de cimento Portland, leva a que a produ-ção de ligantes geopoliméricos só seja exequí-vel pelo recurso a precursores ricos em sílica e alumina de origem mineral. Relativamente a este contexto, Portugal possui, felizmente, uma tipologia de resíduos industriais onde pre-dominam os resíduos de minas e pedreiras (58%), com a particularidade desse volume estar distribuído, de forma mais ou menos ho-mogénea, por todo o território nacional, com excepção da região algarvia. A reutilização deste tipo de resíduos na produção de novos ligantes, trará assim vantagens ambientais acres-cidas, além daquelas que resultam de um ma-terial caracterizado pelo seu reduzido nível de emissões de dióxido de carbono.No âmbito dos seus trabalhos de Doutora-mento realizados entre 2004 e 2007 na Uni-versidade da Beira Interior, o primeiro autor do presente artigo estudou o desenvolvimento de ligantes geopoliméricos a partir de resíduos de minas (Fig. 3), tendo conseguido sinteti-zar um ligante caracterizado por elevadas re-sistências, tanto iniciais, como finais, baixa absorção e elevada durabilidade [14-17]. A título de exemplo, foram observadas resistên-cias à compressão de 30, 70 e 90 MPa, res-pectivamente ao fim de 1, 28 e 90 dias de cura. Os novos ligantes caracterizam-se tam-bém por apresentarem uma boa resistência ao desgaste por abrasão (perda de massa má-xima inferior a 25%), sendo que no mesmo ensaio os betões correntes à base de cimento Portland apresentaram perdas de massa entre 40 a 60%. Os referidos materiais apresenta-ram também uma resistência química relati-vamente elevada, sendo que a composição com o melhor desempenho apresenta perdas de massa após exposição aos ácidos (clorí-drico, nítrico e sulfúrico) de apenas 2,6%. Em termos de custos, importa, no entanto, res-salvar que o cimento Portland é substancial-mente mais económico que os ligantes geo-poliméricos. Todavia, se a comparação for feita em termos do rácio custo/resistência, os be-tões geopoliméricos já se tornam competiti-vos. Sabe-se, inclusive, que aqueles materiais se tornam mais económicos face aos betões correntes, para classes de resistência C50/60 ou superiores, pelo que, a curto prazo, a sua exploração deverá passar por nichos de mer-cado que façam uso de betões de elevado de-sempenho. Enquadram-se nesta situação, por exemplo, as travessas monobloco para tráfego ferroviário, as quais implicam o uso de betões com uma resistência à compressão aos 28 dias acima de 60MPa. Importa, aliás, ter presente a este respeito, que são bastante frequentes os casos de deterioração precoce de travessas monobloco executadas com betões à base de cimento Portland, seja devido a reacções do tipo alcáli-silica, seja por formação retardada de etringite [18]. Além disso, e como refe-rem alguns investigadores [19], um aumento de três vezes da capacidade resistente de um betão, implica reduções na ordem dos 50% no consumo de aço (em pilares) e de 33% no consumo do volume de betão, pela utilização de secções mais esbeltas. Por outro lado, como os geopolimeros apresentam resistências à tracção bastante elevadas de aproximadamente 10MPa, tal facto poderá permitir poupanças acrescidas no consumo de aço. A estas vanta-gens, acresce ainda que estes materiais apre-sentam uma vida útil superior ao cimento Portland (Fig. 4) e permitem a colocação de estruturas em serviço mais rapidamente (ao fim de apenas 24h os geopolimeros apresen-tam uma resistência mecânica bastante ele-vada, nalguns casos de quase 40MPa). A médio prazo, é previsível que o elevado nível de emis-sões de CO2, geradas na produção do clin-quer de cimento Portand, passe a ser consi-derado como um custo ambiental daquele li-gante, pelo que tal irá certamente reduzir de forma considerável a competitividade econó-mica do mesmo, face aos ligantes geopolimé-ricos, restando somente saber quando ocor-rerá essa situação.  68 NOVEMBRO / DEZEMBRO 2009INGENIUMCOMUNICAÇÃOeNgeNharia ciVil[1]  Taylor, M.; Gielen, D. 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Ligantes geopoliméricos: uma alternativa ao cimento Portland

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