BOAS PRÁTICAS PARA APLICAÇÃO DE LIGNINA COMO AGREGADO DE ARGAMASSA CONVENCIONAL

 

 

Msc. Robson Fleming; Docente/Pesquisador: Departamento de Engenharia Civil, Universidade Uniderp, Rua Ceará, 333 - Bairro Miguel Couto, 79003-010, Campo Grande-MS, telefone: (067) 3211 3985, robsonfleming@gmail.com.

 

Eng. Civil Douglas Wesley da Silva; Departamento de Engenharia Civil, Universidade Uniderp, douglas.wesley.eng@gmail.com.

Eng. Ambiental Cristina A. Ferreira; Departamento de Engenharia Ambiental, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, cristina.aferreira@yahoo.com.br.

 

                                 

Resumo

 

O setor da indústria civil é responsável por um grande consumo de recursos naturais e como consequência também possui grande responsabilidade nos problemas ambientais. Assim sendo, a busca por métodos alternativos, sustentáveis ou por materiais que tem sido pouco explorado ou até mesmo descartado tem se tornado um grande alvo de recentes pesquisas. A lignina, macromolécula responsável pelo o aumento da rigidez da parede celular e da resistência mecânica das plantas, proveniente da indústria de papel e celulose, tem despertado interesse em varias áreas, devido principalmente à elevada produção como subproduto e baixa demanda de consumo. Atualmente no Brasil, existem poucos grupos efetivamente trabalhando com este material, que tem sido utilizado basicamente para a produção de energia nas próprias fábricas. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo abordar um estudo da influência da lignina como um agregado alternativo de argamassa típica de revestimento. Para a consistência das argamassas foram realizados ensaios de trabalhabilidade (flow table). Para verificar o comportamento mecânico foram realizados ensaios de resistência à compressão axial e resistência à tração por compressão diametral nos intervalos de 7, 14 e 28 dias. Além disso, foram realizados estudos de absorção de umidade no intervalo de 28 dias para verificar a influência da lignina nas características de permeabilidade da argamassa.

 

 

Palavra-Chave: lignina; argamassa com lignina; argamassa verde.

 

 

1.    Introdução

 

A construção civil, além de ser grande consumidora de recursos naturais, também tem grande responsabilidade no aquecimento global, uma vez que, a indústria cimenteira sozinha é responsável por cerca de 6 a 7% das emissões de carbono (CO₂) da atmosfera (MEHTA, 2006). Como o Brasil é um dos pioneiros quando o assunto se trata de concreto e argamassa, o país está sempre buscando novos métodos, materiais menos nocivos, que além de trazer benefícios para a sociedade também possam reduzir um pouco dos impactos ambientais.

Uma área que vem crescendo anualmente no Brasil, é a produção de papel e celulose. Segundo a Associação Brasileira de Celulose e Papel, nos dois primeiros meses de 2014, a produção brasileira de celulose cresceu por volta de 4,5% e a de papel 1,7% comparada com o mesmo período de 2013. Foram produzidas cerca de 2,5 milhões de ton. de celulose e 1,7 milhões de ton. de papel (BRACELPA, 2014).

Devido a esse crescimento é inevitável a produção do licor negro durante a polpação do processo Kraft, este subproduto apresenta certas preocupações caso não seja tratado devidamente, pois ele é considerado altamente tóxico e poluente. Porém, ele apresenta um alto poder calorífico e a presença de reagentes químicos faz com que ele comporte inúmeras vantagens em sua recuperação (CETESB, 2007, FORTUNATTO, 2014). Entretanto, se tratado corretamente seus danos podem ser reduzidos e atualmente, tem se tornado indispensável nas indústrias como fonte renovável de energia. Além disso, também estão presente em sua composição a lignina, que é a segunda fonte mais abundante de matéria-prima natural, atrás somente da celulose, e a maior fonte de polímeros aromáticos de natureza fenólica, sendo esta uma das responsáveis pela coloração marrom deste licor e pela futura pigmentação amarela do papel (CARROTT, 2007).

Essa mesma substancia nas plantas é de suma importância para sua sobrevivência, pois ela é responsável pela rigidez da parede celular e tem a capacidade de cimentar uma célula na outra, além de reduzir a permeabilidade da parede celular à água, proteger contra microrganismo e aumentar à resistência da planta a compressão para permitir seu aumento de comprimento (D’ALMEIDA, 1988).

Em busca de um ambiente mais sustentável e métodos inovadores, institutos e pesquisadores tem estudado essa substancia e suas possíveis aplicações em várias áreas, agregando um valor ao subproduto que atualmente vem se tornando um passivo ambiental. Assim sendo, a adição de lignina em matriz cimentícia tem despertado interesse por apresentar todas estas características nas plantas, e por ser produzida em grande escala. Atualmente, ainda não há um mercado para explorar a grande quantidade de lignina produzida nas indústrias. Segundo NOGUEIRA (1995) são produzidas de 1,0 a 1,4 kg de licor negro concentrado por kg de celulose fabricada e de acordo com os últimos dados estatísticos fornecidos pela BRACELPA (2014) no ano de 2013, foram produzidos aproximadamente 14,9 milhões de ton. de celulose. Considerando que 1kg de celulose pode resultar em 1kg de licor negro, é possível estimar que, no ano de 2013 foram produzidos cerca de 14,9 ton. de licor negro. Considerando ainda que o teor da lignina nos licores negros de processo Kraft é de 45%, estimasse que a quantidade total de lignina no ano de 2013 seria de 6,7 ton. Porém, estimativas revelam que apenas 2% das ligninas disponíveis a partir da indústria de papel e celulose são comercializadas (GOSSELINK, 2004).

Sendo assim, o presente trabalho busca novos agregados que possam ser utilizados na construção civil e a lignina desperta um grande interesse, por ser uma substância gerada em grande escala e também por ser pouco explorada. Portanto, foram analisados alguns comportamentos mecânicos de uma argamassa com adição e substituição parcial de cimento por lignina, testando assim a sua viabilidade como um futuro agregado para a indústria da construção, além de reduzir a exploração de recursos não renováveis cada vez mais escassos.

 

 

2.    Materiais e Métodos

 

2.1 Materiais

 

No presente trabalho foram utilizados como o material aglomerante cimento Portland CP II-F32 produzido pela a indústria Votorantim para o estudo de adição de lignina em relação ao cimento. No estudo com substituição parcial de cimento por lignina o material aglomerante foi o CP II E. O CP II E já possui em sua constituição de 6 a 34% de escoria de alto forno moída, propiciando assim uma matriz com menor teor de hidróxido de cálcio, consequentemente uma diminuição de ataques alcalinos na lignina. Sendo que o mesmo lote dos cimentos foi mantido desde o inicio para manter homogeneização da argamassa produzida no experimento. O agregado utilizado foi areia fina de Campo Grande-MS. Todos os agregados foram secos em estufa para que fosse eliminada toda umidade contida no material, auxiliando no controle da relação água/cimento.

A lignina utilizada foi fornecida pela indústria de papel e celulose, com uma granulometria entre 300 a 600 µm, obtida a partir de uma precipitação ácida do licor negro da polpação Kraft de eucalipto. Essa lignina foi utilizada como recebida e somente para reduzir a granulometria e melhorar sua homogeneidade, foi utilizado um processo de moagem manual conforme mostra a Figura 1.

 

 

 

 

Figura 1. Processo de moagem manual da lignina, (a) material disponibilizado pela Fibria, (b) moagem da lignina e (c) material após moagem.

 

 

2.2 Formulação e preparação dos traços

 

O traço utilizado como referência foi um traço convencional utilizado para argamassas típicas de revestimento. A proporção em massa foi de 1:3 (cimento, areia) e a relação água/cimento foi de 0,54. A partir deste, foram formulados mais quatro traços, acrescentando 5, 7,5, 10 e 15% de lignina em relação à massa de cimento. Para o estudo de substituição do cimento, as frações de lignina foram de 2,5, 5, 7,5 e 10%. 

Para a obtenção dos traços de argamassa, primeiramente foram determinadas as massas específicas dos materiais. A massa específica do agregado miúdo (areia) foi determinada de acordo com a Norma NBR 9776 (1987) por meio do frasco Chapman. As massas específicas do cimento e da lignina foram empregadas a Norma NBR 23:2000 (2001), determinando assim pelo frasco Le Chatelier, conforme mostra a Figura 2.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Ensaio para determinar a massa específica da (a) areia, do (b) cimento e da (c) lignina.

 

 

Após a determinação das massas específicas dos materiais, foram adicionadas as diferentes porcentagens de lignina referente a cada traço. Os traços realizados no trabalho foram formulados e apresentados nas Tabelas 1 e 2.

 

 

Tabela 1. Traços obtidos com adição de lignina em relação ao cimento.

Traço	Cimento (g)	Areia (g)	Lignina (g)	Água (g)
Referência	2500	7500	0	1350
5% lignina	2500	7500	125	1350
7,5% lignina	2500	7500	187,5	1350
10% lignina	2500	7500	250	1350
15% lignina	2500	7500	375	1350

 

 

 

Tabela 2. Traços obtidos com substituição parcial do cimento pela lignina.

Traço Substituição	Cimento (g)	Areia (g)	Lignina (g)	Água (g)
Referência	2500	7500	0	1350
2,5% lignina	2437,5	7500	62,5	1350
5% lignina	2375	7500	125	1350
7,5% lignina	2312,5	7500	187,5	1350
10% lignina	2250	7500	250	1350

 

 

 

 

 

 

2.3 Índice de consistência

 

O índice de consistência da argamassa (flow table) foi analisado conforme a norma NBR 13276 (ABNT, 2005). Foi verificada uma variação de consistência à medida que se aumentava as frações de lignina na argamassa. Essa variação foi de 25 ± 10 mm (traço referência), Figura 3 (A), para uma consistência de 21± 10 mm (traço com fração de 15% de lignina), Figura 3 (B). A relação água/cimento foi mantida constante em todos os traços para um maior controle das propriedades mecânicas das argamassas.

 

Figura 3. Índice de consistência: (A) traço referência e (B) traço 15% lignina.

 

 

2.4 Caracterização

 

2.4.1      Ensaio mecânico

 

Os ensaios de resistência à compressão axial e de resistência à compressão diametral foram realizados de acordo com as normas NBR 5739 (2007) e NBR 7222 (2011), respectivamente. As amostras para a realização de todos os ensaios mecânicos foram obtidas pelo mesmo procedimento, conforme a norma NBR 5738 (2003). Os corpos de prova foram desmoldados após 24 h e mantidos submersos em água com temperatura ambiente, para serem rompidos aos 7, 14 e 28 dias. Antes do rompimento, as amostras foram retiradas da água e secas por uma hora em temperatura ambiente (~ 27 ºC). Para cada idade foram rompidos 3 corpos de prova.

 

 

2.4.2      Ensaio de absorção de umidade por capilaridade

 

O grau de absorção de umidade dos corpos de prova foi obtido por capilaridade de acordo com a Norma NBR 15259 (ABNT, 2005). Para realização deste ensaio foram utilizados 3 corpos de prova de cada traço na idade de 28 dias. As superfícies dos corpos de prova foram lixadas e limpas. Após 24h na estufa foram determinadas as massas secas das amostras. Posteriormente, os corpos de prova cilíndricos foram posicionados em um recipiente com água, evitando a molhagem das outras superfícies, conforme Figura 4. O nível de água dever ser mantido constante (5±1 mm) acima da face inferior em contato com a água. Logo após inserir os corpos de prova em contato com a água, foram determinadas as massas de cada um deles nos intervalos de 3, 6, 24, 48, 72 h.

 

Figura 4. Corpos de prova submersos, com o nível de água de 5±1 mm acima da face inferior.

 

 

3.    Resultados e Discussão

 

3.1 Análise visual

 

A Figura 5 mostra as diferentes amostras de argamassa, cada qual com sua devida fração de lignina referente ao cimento. Observa-se que as amostras apresentam uma mudança na coloração à medida que se aumenta a fração de lignina. É possível observar também, que não houve uma homogeneidade total nas argamassas com adição de lignina, surgindo partículas mais escuras. É notável que quanto maior a fração de lignina, maior a quantidade dessas partículas no corpo de prova.

 

 

Figura 5. Imagens das amostras de argamassa com lignina nas proporções (a) 0%, (b) 5%, (c) 7,5%, (d) 10% e (e) 15%.

 

 

3.2 Resistência à compressão axial

 

A Figura 6 mostra os resultados obtidos de resistência à compressão axial das argamassas misturadas com adição de lignina. Observa-se que ocorrem reduções nos valores da resistência à compressão axial nas amostras, conforme aumenta a fração de lignina na argamassa. A argamassa referência apresenta os melhores resultados, com valores de 15,3, 16,8 e 17,4 MPa, nas idades de 7, 14 e 28, respectivamente.

É importante observar que os traços com adição de 10 e 15% de lignina foram os que apresentaram os menores valores de resistência à compressão axial, devido ao fato dessas amostras não apresentarem consistência adequada durante a confecção dos corpos de prova. Ressaltando, segundo o ensaio de índice de consistência, onde essas amostras apresentaram os menores valores (21 ± 10 mm), mostrando que um alto teor de lignina na composição da argamassa provavelmente reduz as ligações físicas entre os componentes.

Por outro lado, no estudo com substituição parcial do cimento por lignina os resultados foram mais positivos, como mostra a Figura 7. Verifica-se que o traço com fração de 2,5% de lignina atingiu uma resistência 25,1 MPa aos 28 dias, enquanto que o traço referência atingiu uma resistência de 20,1 MPa. Isso representa um aumento de 25% na resistência à compressão. Além disso, pode ser observado que os demais traços também atingiram resistências consideráveis. O traço com a maior fração de substituição de cimento por lignina (10%) obteve uma resistência de 16,1 MPa aos 28 dias, sendo este 20% menor em relação ao traço referência.

Figura 6. Resistência à compressão axial das amostras com diferentes frações de lignina em relação ao cimento.

Figura 7. Resistência à compressão axial das amostras com diferentes porcentagens de cimento substituído por lignina.

 

 

 

3.3 Resistência à tração por compressão diametral

 

O ensaio de resistência à tração por compressão diametral é uma técnica que complementa o ensaio de compressão axial, pois apesar de ser um ensaio de compressão, o material sofre esforços de tração. A Figura 8 mostra os resultados das argamassas com adição de lignina. Verifica-se que o traço com uma fração de 10% de lignina foi o único que apresentou comportamento adequado com relação aos valores de resistências conforme o aumento das idades. Por outro lado, os traços com as frações de 5% e 15% de lignina desenvolveram uma queda de resistência nas idades de 14 para 28 dias. Estes valores foram de 0,5 e 0,38 MPa para 0,39 e 0,32 MPa, respectivamente.

Os valores da resistência à tração por compressão diametral no estudo de substituição parcial de cimento pela lignina estão mostrados na Figura 9. Observa-se que com exceção à amostra de 2,5% de cimento por lignina, as resistências por compressão diametral, aos 28 dias, apresentaram os maiores valores. O traço com 5% de substituição de cimento por lignina apresentou resistência de 0,74 MPa, valor este que foi o mais próximo ao traço referência (0,79 MPa).

 

Figura 8. Resistência à compressão diametral das amostras com diferentes frações de lignina em relação ao cimento.

 

 

 

 

Figura 9. Resistência à tração por compressão diametral das amostras com diferentes porcentagens de cimento substituído por lignina.

 

 

3.4 Absorção de umidade por capilaridade

 

A Figura 10 mostra os ensaios de absorção de umidade por capilaridade na amostra referência e nas amostras com adição de lignina referente à massa de cimento. Observa-se que os traços com adição de lignina absorvem menos umidade que o traço referência e que todos os ensaios apresentam comportamento similar. Os ensaios realizados em 3 h e 6 h não apresentam variações expressivas nos valores de absorção de umidade, enquanto que acima de 24 h, as variações de absorção de umidade são mais significativas. O traço com 5% de lignina foi o que menos absorveu água, com um valor de aproximadamente 0,22 g/cm², em 72 h de ensaio. Este traço (5% lignina) além de apresentar uma absorção de 72,4% menor que o traço referência, também foi o que apresentou a resistência axial próxima à da argamassa com 0% de lignina.

A Figura 11 mostra os ensaios de absorção de umidade por capilaridade na amostra referência e nas amostras com substituição de cimento por lignina. Também pode ser verificado que as argamassas com lignina absorvem menos umidade, nos ensaios acima de 24h, do que a referência. Porém, o comportamento das amostras é decrescente, ou seja, quanto maior é a quantidade de lignina na argamassa, menor é a absorção de umidade.

 

 

Figura 10. Absorção de umidade por capilaridade das amostras com diferentes frações de lignina referente ao cimento.

 

 

Figura 11. Absorção de umidade por capilaridade das amostras com diferentes substituições de cimento por lignina.

 

 

 

 

 

 

 

 

4.    Conclusão

 

As amostras de argamassa com adição de lignina foram confeccionadas e analisadas conforme as normas. Quanto ao comportamento das argamassas no estado fresco, como a relação água/cimento foi mantida constante, os resultados mostraram que as amostras com maiores frações de lignina obtiveram um índice de consistência menor.

  Os ensaios de compressão axial e de compressão diametral mostraram que as argamassas sofreram redução de resistência ao adicionar a lignina. Entretanto, o traço com adição de 5% apresentou um desempenho considerável com relação à resistência à compressão axial, atingindo uma resistência de 16,8 MPa, aos 28 dias. Este valor foi de 3,4% inferior ao traço referência.

Já no estudo por substituição de cimento por lignina, onde houve uma alteração no material aglomerante, os resultados foram mais positivos. No ensaio de compressão axial, o traço com substituição de 2,5% de cimento por lignina obteve uma resistência de 20% maior que o traço referência. Embora, as argamassas com lignina apresentaram valores inferiores às convencionais, exceto a com substituição de 2,5% de cimento por lignina, a utilização da lignina se tornou uma alternativa interessante de agregado, pois é um material pouco explorado e com potencial para ser utilizado como uma matéria-prima renovável.

 

 

 

Referências

 

ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR- 9776: Agregados - Determinação da massa especifica Chapman. Rio de Janeiro 1987.

 

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ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 23 – 2000 – Cimento portland e outros materiais em pó – Determinação da massa especifica.

 

                                                                                                 

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