Avaliação do uso do lodo de estação de tratamento de água (ETA) como material suplementar à produção de matrizes cimentícias de ultra-alto desempenho

 Autor: Lucas de Souza Santos, José Américo Alves Salvador Filho

 

O Concreto de Ultra Alto Desempenho (UHPC) é uma categoria de material cimentício, que apresenta alta resistência, durabilidade e ductilidade, devido à sua matriz cimentícia de baixa porosidade e a incorporação de fibras. O UHPC apresenta alto consumo de cimento, que é o principal material utilizado na construção civil, cuja extração da matéria prima está associada à alta poluição ambiental, liberação de elevados teores de CO2 na atmosfera e no grande consumo de energia. Para minimizar o elevado impacto ambiental deste novo tipo de material, resíduos de diversas naturezas podem ser utilizados como substitutos dos agregados ou até mesmo do material aglomerante. Dentre os resíduos que geram passíveis ambientais na região do Litoral Norte de São Paulo, pode-se citar o lodo de estações de tratamento de água (ETA).

1) Concreto de Ultra Alto Desempenho (UHPC)

De acordo com SANTOS (2018), nas últimas duas décadas, as comunidades científicas e industriais da construção civil visavam desenvolver novos materiais com alternativas mais eficientes e eficazes para aprimorar os processos construtivos, diminuindo o tempo, custo e recursos, além de uma maior contribuição para a flexibilização e viabilização de formas arquitetônicas arrojadas e desafiadoras 

De acordo com SHI et al (2015), em 1993 Richard e Cheyrezy utilizaram componentes com maior módulo de finura e reatividade para o desenvolvimento do Concreto de Pós Reativos (CPR). O CPR foi caracterizado pelo alto teor de aglutinantes, baixa relação água/cimento, uso da sílica ativa, pó de quartzo fino, fibras e superplastificantes. Este concreto apresentou elevadas propriedades mecânicas, como resistência à compressão superior a 150 MPa, alta tenacidade, alta ductilidade e de grande durabilidade, que mais tarde passou a ser denominado UHPC - Ultra High Performance Concrete.

 

O UHPC é uma categoria de material cimentício, que apresenta alta resistência, durabilidade, ductilidade e bom desempenho no estado fresco (RICHARD; CHEYREZY, 1995). MATOS et al (2019) ressalta que o uso do UHPC é vantajoso devido sua vida útil, pois pode proporcionar uma maior durabilidade, reduzindo a necessidade de reparos e postergando uma eventual manutenção.  

Segundo Graybeal (2005) e Tayeh et al (2013), as propriedades do UHPC são obtidas principalmente pela melhor homogeneidade da mistura, comparada ao concreto convencional, devido à eliminação dos agregados graúdos na confecção do concreto. 

SANTOS (2018), pontua que o UHPC consiste na mistura de cimento de alta reatividade, sílica ativa, pó de quartzo, agregado miúdo e em algumas aplicações a incorporação de microfibras de aço ou poliméricas (de 0,15mm a 0,20mm de diâmetro). Em trabalhos experimentais já realizados, foram desenvolvidos concretos capazes de resistir a compressões superiores à 800MPa, preparados com agregados metálicos, cura sob pressão e tratamento térmico 

Comercialmente, o UHPC mais popular mundialmente é o Ductal®, cuja utilização vem se expandindo ENAMI (2017). A figura 1 é uma fotografia do estádio de Jean-Bouin, em Paris, que foi construído utilizando-se do UHPC para garantir que a estrutura suportasse os traços arquitetônicos do projeto. 

Figura 1: Estádio Jean-Bouin, em Paris

FONTE: https://www.consolis.com/references/jean-bouin-stadium/

Outra obra emblemática com o uso do UHPC é a ponte Seonuy, representada na figura 2, uma passarela para pedestres em Seul, na Coréia do Sul, cuja possui um arco de 120m de vão e resistência de 500Mpa (PARK, 2013). 

 

Figura 2: Ponte Seonuy

FONTE: https://civilizacaoengenheira.wordpress.com/2012/11/21/concreto-de-ultra-alto-desempenho/

 

2 PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DO UHPC

De acordo com NEVILLE e AITCIN (1998), geralmente os concretos de alto desempenho apresentam alto consumo de cimento. JOKAR e MOKHTAR (2018), afirmam que o cimento é o principal material utilizado na construção civil, e a extração da matéria prima deste material está associada à alta poluição ambiental, liberação de elevados teores de CO2 na atmosfera e no grande consumo de energia. Dessa maneira, considerando as limitações dos recursos de combustíveis fósseis e as rigorosas regulamentações ambientais, alcançar uma produção sustentável é uma iniciativa fundamental a ser seguida 

O uso do MCS (materiais cimentícios suplementares) na produção do concreto vem crescendo devido a necessidade de diminuir o consumo do cimento Portland na confecção do concreto para mitigar os impactos ambientais da extração do calcário. 

De acordo com AITCIN (2009), os materiais cimentícios suplementares (MCS), são, em sua maioria, materiais com características em comum, alguma forma de sílica vítrea reativa que, ao contato de água e a temperatura ambiente podem combinar com o hidróxido de cálcio, formando o silicato de cálcio hidratado (C-S-H), durante a fase de hidratação do cimento Portland. 

Atualmente, existem diversas possibilidades da substituição parcial do cimento Portland na confecção do concreto por materiais que apresentem atividade pozolânica, como: Cinzas Volantes, metacalium, escória de alto-forno, resíduo de cerâmica calcinada, entre outros. METHA e MALHOTRA (1996) complementam, ainda, que a utilização de MCS conferem benefícios: Ambientais, Econômicos e Tecnológicos. 

HAGEMANN (2018), a partir de processos experimentais ressaltou a viabilidade do aproveitamento do lodo de ETA como adição mineral ao concreto devido ao aumento da resistência à compressão aos 7 dias. 

Ademais, ADORNA (2016), constatou que em amostras com teores de 15% a 20% de CLETA (cinza de lodo de estação de tratamento de água) promoveram uma diminuição dos poros maiores (>50nm) e um aumento no volume dos poros menores (<50nm), indicando uma grande influência do teor de CLETA sobre a porosidade do material, também ressaltando no aumento da resistência à compressão do mesmo. 

Desse modo, considerando a atividade pozolânica do lodo de ETA supracitadas, o intuito da pesquisa dá-se pela utilização da cinza do lodo das ETAs como material cimentício suplementar na fabricação do Concreto de Ultra Alto Desempenho. 

 

3)LODO DE ETA 

Em 28 de Julho de 2010 a Assembleia Geral das Nações Unidas (AGNU) declarou através da Resolução A/RES/64/292 que a água limpa e segura e o saneamento básico são um direito humano essencial para a vida. Dessa maneira, para a garantia da qualidade das águas as Estações de Tratamento de Água (ETAs) são de extrema importância.  

Na cidade de Santa Maria (RS), são tratados em média 70.000m³ de água por dia, o que resulta em uma produção estimada de lodo de 70 a 2.100m³ (HAGEMANN, 2018). 

Conforme a norma ABNT NBR 10.004 (2004), o lodo gerado no tratamento de água é classificado como resíduo sólido, a qual apresenta a seguinte definição: 

Resíduos nos estados sólido e semissólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível. (ABNT, 2004).  

O volume de lodo gerado diariamente nas ETAs do país se torna cada vez maior, à medida que a população passa a receber água tratada para seu abastecimento (BOULOMYTIS, 2007). Desse modo, as empresas de estações de tratamento de água vêm buscando soluções de reciclagem para os resíduos gerados no processo de tratamento de água (CASTRO, 2014). 

Segundo ALEXANDRE (2018), o lodo gerado nas estações de tratamento de água é classificado como resíduo não inerte, em virtude da biodegradabilidade e solubilidade em água, necessitando de tratamento especial. O lodo das ETAs tem origem nos decantadores, e podem ter suas características bastante variadas dependendo de aspectos como a dosagem de produtos químicos utilizados e do método de limpeza dos mesmos (REALI, 1999) 

De acordo com ANDREOLI (2001), os rejeitos de ETAs são compostos basicamente de partículas do solo, material orgânico carregado para água bruta, subprodutos gerados da adição de produtos químicos e água. O sistema de remoção dos lodos dos decantadores ou flotadores é responsável por parte das características finais dos mesmos, principalmente no que se refere à concentração de partículas 

Os lodos gerados nas ETAs se caracterizam por apresentarem umidade superior a 95%, estando quase sempre sob forma de fluido. A redução do volume, é uma das finalidades de se trabalhar com este material, objetivando dispor de forma adequada, reduzindo os custos de transporte e disposição final, bem como os impactos ambientais causados pela disposição irregular (CORDEIRO, 2001). 

No Brasil, o lançamento de resíduos nos corpos de água é regulado pela Resolução CONAMA 357, de março de 2005 (CASTRO, 2014), e considerando a NBR 10.004 de 2004, os lodos gerados nas ETAs são classificados como resíduos sólidos, dessa maneira, devem ser tratados e dispostos sem que provoque danos ao meio ambiente. 

Apesar de grande parte dos países desenvolvidos possuírem sistemas adequados de gerenciamento desses resíduos, muitas ETAs, principalmente em países em processo de desenvolvimento, ainda fazem o descarte desse material em cursos d’água (OLIVEIRA, 2017). 

Ademais, segundo CASTRO (2014), a alta taxa de lançamentos dos resíduos em cursos d’água diminui a luminosidade do meio, provocando a diminuição da produtividade do fitoplâncton nos locais próximos aos pontos de descarga, além de serem potencialmente tóxicos para as comunidades bentônicas e influenciando na alimentação de peixes. 

De acordo com Di Bernardo et. al (2011) em todos os casos em que não houverem tratamento adequado para os resíduos das ETAs, os leitos receptivos serão diretamente afetados, além de passarem a apresentar visualmente aspectos deploráveis. Vale salientar, também, que Januário e Filho (2007) afirmaram que a disposição final inadequada desses resíduos pode provocar um aumento dos assoreamentos dos rios e a quantidade de sólidos em suspensão na água. 

A definição do destino final para o lodo de uma ETA é uma das tarefas mais difíceis para o administrador do serviço de água (RICHTER, 2001) Tartari (2008) afirma que a disposição do lodo de ETAs em aterros sanitários é uma alternativa viável e segura para a saúde pública e ambiental, desde que seja corretamente projetada e operada, contudo, implica em altos custos como: implantação, operação e transporte.  Tsutiya e Hirata (2001) apontam que existem benefícios relacionados ao uso do lodo de ETA no solo, como o aumento da capacidade de retenção de água, o ajuste do PH e a maior aeração do solo. 

Também existem alternativas para disposição final dos resíduos, como a inserção em componentes cerâmicos (TEIXEIRA et al, 2006) e o uso na construção civil, devido à atividade pozolanica do material. 

4)UTILIZAÇÃO DO LODO DE ETA EM SUBSTITUIÇÃO AO CIMENTO PORTLAND 

A norma brasileira NBR 12653 (ABNT, 2014a) define materiais pozolânicos como materiais siliciosos ou silício-aluminosos, que por si só possuem capacidade cimentante nula ou ínfima, mas na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio em temperatura ambiente, produzindo compostos com propriedades ligantes (BASTO, 2018) 

Alexandre et al (2018), a partir de análises da composição química do lodo de ETA e de informações do fabricante do cimento Portland CPV-ARI traçaram características comuns entre os dois materiais, segundo a tabela: 

 

Tabela 1: Composição química e parâmetros físicos do lodo de ETA e do cimento CPV-ARI

FONTE: ALEXANDRE et al (2018).

Nota-se que os principais compostos químicos do cimento Portland também são encontrados no lodo de ETA. O teor de SiO2 é semelhante em ambos materiais, já o Al2O3 e o Fe2O3 aparecem em maior concentração no lodo (ALEXANDRE et al, 2018). 

RICHTER (2001) ressalta que os principais componentes do cimento são CaO, SiO2, Al2O3 e Fe2O3; encontrados também nos lodos de ETAs sendo possível a substituição no processo de fabricação do concreto. 

Segundo TANTAWY (2014), no processo de calcinação do lodo de ETA o ambiente altamente alcalino produzido pela cal faz com que as partículas de sílica e alumina sejam dissolvidas na estrutura do lodo e combinadas com o cálcio para produzir compostos cimentícios: Silicato de cálcio hidratado (C-S-H), Aluminato de cálcio hidratado (C-A-H) e Alumino Silicato de Cálcio Hidratado (CA-SH). 

FRÍAS et al (2013) analisando a composição mineralógica do lodo de ETA obtida por análise DRX (Difração de raio X) expressa na figura 3, quantificou a fixação da cal após a calcinação do lodo e expressou sua atividade pozolânica a partir da concentração de cal retraída no processo de calcinação (600°C por 2h), comparando com outros resíduos, comprovando a viabilidade do aproveitamento do lodo de ETA como substituição parcial ao Cimento Portland 

 

 

 

 

 

Figura 3: Atividade pozolânica, Lodo de ETA (AW), Lodo da fabricação do papel (APS), Resíduos de mineração do carbono (CMW) e Cinzas Volantes (FA)

FONTE: FRÍAS et al (2013)

 

 

5.DISCUSSÃO

A partir das informações apresentadas sobre o concreto de alto desempenho reforçado com fibras, o artigo visa a expansão de pesquisas na temática, buscando reduzir a princípio o impacto ambiental gerado por este tipo de material devido ao alto teor de cimento necessário para sua produção, através do uso de um resíduo de outra indústria na sua composição.

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