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Cimento Portland versus Ligantes Geopoliméricos

Considerações econômicas sobre as implicações do mercado de carbono no custo dos concretos

Sumário

Com a entrada em vigor do Protocolo de Kyoto, teve início um novo paradigma de cres-

cimento econômico que se consubstancia na promoção de um conjunto de mecanismos

penalizadores das atividades econômicas com maiores emissões de carbono, como é o

caso da indústria cimenteira. Com este artigo, pretende-se avaliar as consequências do

comércio de emissões de carbono, na viabilidade do desenvolvimento de ligantes do tipo

geopolimérico, alternativos ao cimento Portland e caracterizados por baixas emissões.

Cimento Geopolimérico

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1. Introdução

O comércio de emissões de carbono em janeiro de 2005, veio contribuir para que se

iniciasse uma nova forma de contabilização dos custos dos materiais, imputando-lhes

o seu custo ambiental beneficiando os materiais considerados “ecologicamente amigá-

veis” e penalizando os materiais responsáveis por elevados níveis de emissões como é

o caso do cimento Portland.

A ameaça da alteração do clima na Terra, responsável nas últimas décadas por inúmeras

catástrofes naturais que resultaram em perdas de milhares de vidas e vultuosos pre-

juízos econômicos, é um dos grandes desafios ambientais a que a sociedade atual tem

que fazer face. Para essa ameaça muito contribuem as emissões de gases, responsáveis

pelo aumento do efeito estufa, sendo o dióxido de carbono um dos gases que mais con-

tribuem para esse aquecimento com 60% do total.

Gases provenientes fundamentalmente do uso intensivo de combustíveis fósseis, da

deflorestação e da indústria do cimento, que é o responsável por 5% das emissões mun-

diais de CO2. A produção de cimento não é possível sem a emissão de CO2, através da

descarbonização do calcário (CaCO3), quando incinerado conjuntamente com argilas,

aproximadamente a 1450 ºC, para a produção do clínquer de acordo com a seguinte

reação:

3CaCO3 + SiO2 ==> Ca3SiO5 + 3CO2

de acordo com a qual, a produção de 1 tonelada de cimento, gera 0,55 tonelada de CO2

de origem química, a que acrescem 0,39 tonelada de CO2 por tonelada de cimento de-

vido ao uso de combustíveis fósseis para a produção de energia necessária a fabricação

deste material, o que equivale a afirmar simplificadamente que durante a produção de

1 tonelada de cimento, se produz igualmente 1 tonelada de CO2 (o que constitui 7 vezes

mais que o nível de emissão na produção dos ligantes geopoliméricos).



Atualmente, a indústria cimenteira produz cimentos com substituição parcial por

subprodutos de características pozolânicas, como as escórias e as cinzas volantes, de

modo a reduzir o seu nível de emissão e o seu custo. O potencial de redução de emissão

obtido dessa forma é, no entanto, segundo alguns investigadores, bastante limitado.

Neste contexto, a comunidade científica não tem poupado esforços no sentido de tentar

desenvolver ligantes alternativos ao cimento Portland capazes de um melhor desempe-

nho, quer em termos ambientais ou mesmo em durabilidade, mas que não conseguiram

até agora afirmar-se como substitutos efetivos, devido em parte mas fundamentalmente

ao baixo custo do cimento Portland.

Em 9 de março de 2005 as licenças de emissão de CO2, estavam sendo negociadas em

10,7 euros por tonelada métrica. Contudo é previsível que esse valor tenha tendência de

elevação no futuro, havendo inclusive alguns cenários que apontam para valores entre

23 a 38 euros por tonelada de CO2, o que constitui 27% a 45% do custo do cimento

Portland, o que torna necessário analisar de que forma este aumento previsível de custo

para este tipo de ligante, em virtude da sua carga poluente, reduz a sua competitividade

comparativamente a ligantes do tipo geopolimérico responsáveis por uma emissão em

menor nível.

Fig. 1 - Evolução do aumento de temperatura global média com o nível de concentração de CO2 atmosférico



Tabela I - Concretos: Composição e resistência à compressão

2. Análise de custo dos concretos

A tabela I apresenta a composição e a resistência à compressão de quatro tipos de

concretos. Dois são do tipo geopolimérico (GA e M9), e os dois restantes são concretos

à base de cimento Portland; um deles tem na sua composição cimento tipo I da classe

42,5 com substituição de 60% de cimento por cinzas volantes (CV60), e o outro é um

concreto corrente da classe C20/25, à base de cimento tipo II da classe 32,5 (PPC).



Pode constatar-se da análise da tabela II, que em termos do custo por m3, os concretos de

base geopolimérica são mais caros que os concretos à base de cimento Portland. O concreto

geopolimérico M9 de menor custo é 74% mais caro que o concreto tradicional CV 60 de

maior custo. A explicação, reside fundamentalmente no custo dos ativadores alcalinos,

que representa em relação ao custo global, 83% no concreto GA e 71% para o concreto

Tabela II - Custo dos concretos (só materiais)

A tabela II apresenta o custo dos concretos, aos quais se quantificou somente os mate-

riais com IVA já incluso, a 19%. Portanto, o custo da mão de obra representa apenas

uma pequena parte do custo global do concreto e que se pode considerar invariável nos

diferentes tipos de concretos apresentados, já que se considerou, simplificadamente,

que todos teriam a mesma trabalhabilidade, o que não sucede. O custo é apresentado

por metro cúbico e também em termos de razão custo/resistência.



M9, o que quer dizer que o custo dos precursores é quase irrelevante, não sendo possível

conseguir reduções no custo final através de reduções neste material.

Uma solução mais correta será a de se atuar ao nível da quantidade do ativador e da

concentração da molaridade do hidróxido de sódio, como aconteceu entre os concretos

GA e M9, em que essa alteração originou uma redução de 62% no custo por metro cúbico.

Aliás, as investigações atuais no domínio dos ligantes geopoliméricos incidem bastante

sobre a questão dos ativadores, procurando melhorar o desempenho dos existentes, quer

em termos das suas propriedades quer em termos do seu custo, através de melhorias

na economia de sua produção.

Em termos de custo por MPa no entanto, as diferenças já são menos expressivas. Nesse

caso o concreto de base geopolimérica M9 com o custo menor, tem um custo somente

8% acima do custo do concreto tradicional PPC de menor custo. Contudo o concreto

tradicional CV60 de custo mais elevado apresenta um custo 28% superior ao do concreto

geopolimérico M9 de menor custo.

As figuras 2 e 3 mostram de que forma um aumento do custo do cimento Portland pode

influenciar na competitividade dos concretos executados com este ligante face aos seus

equivalentes de matriz geopolimérica, já que, em virtude do contexto da economia do

carbono, as empresas terão que começar a imputar ao custo dos materiais que produ-

zem, o custo da sua poluição.

Em termos de custo por metro cúbico o panorama, só começa a se alterar a partir de

um aumento do custo do cimento acima dos 100%, o que quer dizer que tão cedo difi-

cilmente o cimento Portland perderá a sua competitividade.



No entanto se a análise for feita em termos de razão custo/resistência, para um aumento

do custo do cimento de aproximadamente 50%, os ligantes geopoliméricos já se tornam

uma alternativa efetiva.

Além disso deve ser também levado em conta que a utilização de concretos com resis-

tências superiores às convencionais, permitem consideráveis reduções do consumo de

aço e do próprio consumo de concreto, por redução da seção. Mencionam reduções na

ordem de 50% no consumo de aço em pilares e de 33% no consumo de concreto, para

um aumento de 3 vezes da capacidade resistente do concreto. O mercado de concreto

pronto é caracterizado pelo uso generalizado de baixas classes de resistência, o que

constitui um obstáculo aos ligantes de alto desempenho (sendo respectivamente 35% no

intervalo (15-25 MPa), 55% no intervalo (25-35 MPa) e somente 10% acima dos 35 MPa).

É importante frisar que, não foram objeto de contabilização a favor dos ligantes geopoli-

méricos, o fato destes terem uma vida útil muito mais longa, de permitirem a colocação

das estruturas em serviço muito mais cedo, reduzindo de forma substancial o prazo de

conclusão das obras e também ao fato de por serem constituídos por resíduos, permitindo

economias em termos de taxas de deposição, cujo custo é tendenciosamente crescente.



Fig. 2 – Evolução do custo do concreto por metro cúbico com o aumento do custo do cimento Portland

Fig. 3 – Evolução da razão custo do concreto/resistência com o aumento do custo do cimento Portland



Cimento Portland versus ligantes geopoliméricos

3. O cimento Portland

Patenteado em 1824 por Joseph Aspdin, o cimento Portland deve o seu nome às suas

semelhanças com um calcário extraído na região de Dorset (Inglaterra) e designado de

Portland. Embora tenha sido o ligante por excelência do século 20, devido em grande

parte à sua versatilidade, à abundância de recursos naturais para a sua fabricação, e ao

seu relativo baixo custo, o cimento Portland padece no entanto de alguns inconvenientes

em termos de durabilidade.

Como já reconhecia Sousa Coutinho, “..a sua elevada alcalinidade torna-o um material

instável...pelo que a sua duração não será muito longa..”. Apresenta-se uma descrição sucinta

das desvantagens dos ligantes de cimento Portland:

• Elevado grau de emissões de CO2 ( 1 tonelada por cada tonelada de cimento)

• Elevado consumo energético na fase de fabricação, com temperaturas de clinqueri-

zação da ordem dos 1450º C

• Concretos com vida útil que correntemente não ultrapassa os 60 anos

• Concretos sem qualquer resistência ao ataque de ácidos

• Concretos com resistência ao fogo quase nula

• Concretos com elevada condutibilidade térmica

• Concretos com considerável permeabilidade à penetração de agentes agressivos

• Concretos sensíveis à ação da carbonatação

• Concretos sensíveis ao ataque de cloretos

• Concretos sensíveis à ocorrência de reações expansivas do tipo álcali-agregado

• Necessidade de utilização de agregados com granulometrias bem graduadas.



4. Ligantes geopoliméricos

Embora usualmente designados como ligantes geopoliméricos, são também designados

como ligantes obtidos por álcali-ativação, ou cimentos alcalinos. Em termos históricos

este tipo de ligante, foi objeto de intensas análises por parte de investigadores do Leste

da Europa. Contudo, somente em 1978 foi quando Joseph Davidovits introduziu o termo

“geopolímero”, tendo patenteado o produto das suas investigações sobre a polimerização

do metacaulim, é que a temática dos ligantes alcalinos sofreu uma inflexão, quer em

termos da qualidade da investigação produzida, quer em termos de divulgação midiática,

o que justifica a vulgarização do termo “geopolímero”, à semelhança do que aconteceu

com o termo “cimento Portland” nos cimentos tradicionais.

Em termos físicos, os ligantes obtidos por álcali-ativação, compreendem fundamental-

mente duas etapas, uma de dissolução da sílica e alumina da matéria-prima, quando

misturada com uma solução alcalina (ativador) e outra de policondensação e endure-

cimento dos produtos de reação numa estrutura polimérica.



Autor Ano Descrição Feret 1939 CimentoscomescóriasPurdon 1940 Combinaçõesálcalis-escóriasGlukhovsky 1959 BasesteóricasedesenvolvimentodecimentosalcalinosGlukhovsky 1965 PrimeiroscimentosalcalinosDavidovits 1979 Termo“Geopolímero”Malinowski 1979 CaracterizaçãodeaquedutosmilenaresForss 1983 CimentotipoF(escórias–álcalis–superplastificante)LangtoneRoy 1984 CaracterizaçãodemateriaisemedifíciosmilenaresDavidovitseSawyer 1985 Patentedocimento“Pyrament“Krivenko 1986 SistemasR2O–RO-SiO2-H2OMalolepsyePetri 1986 AtivaçãodeescóriassintéticasMalek.etal. 1986 CimentosdeescóriascomresíduosradioativosDavidovits 1987 ComparaçãoentreconcretoscorrenteseconcretosmilenaresDejaeMalolepsy 1989 ResistênciaaoataquedecloretosKaushaletal. 1989 CuraadiabáticadeligantesalcalinoscomresíduosnuclearesRoyeLangton 1989 AnalogiasdosconcretosmilenaresMajundaretal. 1989 Ativaçãodeescórias–C12A7TallingeBrandster 1989 Álcali-ativaçãodeescóriasWuetal. 1990 AtivaçãodecimentodeescóriasRoyetal. 1991 PegarápidadecimentosativadosalcalinamenteRoyeSilsbee 1992 RevisãosobrecimentosativadosalcalinamentePalomoeGlasser 1992 MetacaulimcomCBCRoyeMalek 1993 CimentodeescóriasGlukhovsky 1994 Concretosmilenares,modernosefuturosKrivenko 1994 CimentosalcalinosWangeScrivener 1995 Microestruturadeescóriasativadasalcalinamente

Tabela III – Resenha histórica sobre alguns acontecimentos importantes acerca de cimentos obtidos por álcali-ativação e cimentos alcalinos



Ao nível fenomenológico, alguns investigadores afirmam que existem dois modelos

distintos de álcali-ativação:

• No primeiro modelo, um bom exemplo é o da ativação de escórias de alto-forno, um

material com uma elevada percentagem de óxido de cálcio, que ao ser ativado com

soluções alcalinas de baixa ou média concentração, origina produtos de reação do

tipo silicato de cálcio hidratado (C-S–H).

• No segundo modelo, o material composto quase exclusivamente por sílica e alumina,

é ativado por soluções alcalinas bastante concentradas originando-se uma reação de

polimerização que foi patenteada por Davidovits.

De acordo com os trabalhos deste investigador, os ligantes geopoliméricos a partir do

precursor metacaulim, apresentam uma série de vantagens sobre o cimento Portland:

• ReduçãodeemissãodeCO2 até 6 vezes menos que o cimento Portland

• Concretoscomresistênciasmecânicasrelativamenteelevadaseobtidasempoucas

horas

• Concretoscombaixacondutibilidadetérmica

• Concretoscomcapacidadedeimobilizaçãodemetaispesados

• Concretoscomresistênciaaaltastemperaturas(Fig.4)

• Concretosresistentesaoataquequímico(Fig.5)

• Concretosimunesàreaçãoalcáli-sílica(Fig.5)

Os ligantes geopoliméricos podem utilizar como matéria-prima qualquer material

inorgânico constituído por sílica e alumina e que tenha sido sujeito a um tratamento

térmico que torne o material amorfo (mais reativo). As investigações de Davidovits re-

comendam no entanto que se respeitem determinadas razões atômicas, para se obterem

resultados ótimos quer ao nível mecânico quer ao nível da durabilidade.



Fig. 4 – Perda de resistência com o aumento de temperatura em concretos à base de cimento Portland e de cimento geopolimérico

Fig. 5 – Perda de peso após ataque ácido, em concretos à base de cimento Portland e de cimento geopolimérico

Fig. 6 – Reação álcali-sílica. Medição da expansão em argamassas à base de cimento Portland e de cimento geopolimérico



Desta forma podem ser utilizadas como matérias-primas para os ligantes geopolimé-

ricos, cinzas, escórias, ou até mesmo resíduos de minas e pedreiras, mesmo contendo

metais alcalinos.

Apesar das inúmeras vantagens descritas, os concretos à base de ligantes geopoliméri-

cos apresentam no entanto alguns inconvenientes tecnológicos comparativamente aos

concretos tradicionais, que a investigação atualmente procura solucionar como:

• Um nível de retração ligeiramente superior

• Uma trabalhabilidade bastante baixa, originada pela elevada viscosidade das soluções

alcalinas com baixos teores de água, que os superplastificantes usuais não conseguem

resolver;

• Uma elevada dependência das condições de cura, seja em termos da necessidade

de impedimento da evaporação, quer em termos de se obterem resultados físicos

melhorados com curas a temperatura elevadas.

A nível mundial, a investigação na área dos ligantes geopoliméricos, centra-se hoje quase

exclusivamente sobre as cinzas volantes (ver Fig. 7), devido à elevada quantidade que é

produzida anualmente (600 milhões de toneladas), estimando-se que apenas 14% desse

volume seja reaproveitado. Havendo inclusive resultados muito promissores em termos

do desenvolvimento de dormentes pré-fabricados para linhas ferroviárias.

Fig. 7 – Concretagem de pilar com concreto geopolimérico à base de cinzas volantes



5. Conclusões

A indústria cimenteira mundial é um dos grandes responsáveis pela emissão de ele-

vadas quantidades de dióxido de carbono. Por outro lado, o cimento apresenta sérias

deficiências em termos de durabilidade. Desta forma assumem-se como alternativas a

este material, aqueles que sejam menos poluentes e mais duráveis. Os ligantes geopo-

liméricos constituem-se como um produto inovador alternativo ao cimento Portland,

quer em termos ambientais, devido às suas baixas emissões, quer ao fato de poderem

ser produzidos a partir de resíduos, quer mesmo em termos da sua inequívoca superior

durabilidade.

A maior desvantagem dos concretos à base de ligantes obtidos por álcali-ativação, reside

no fato de apresentarem um custo substancialmente superior aos concretos correntes à

base de cimento Portland. Não existem, no entanto estudos que permitam quantificar

quais as variáveis que expliquem as diferenças entre os dois tipos de ligantes e onde

futuras investigações, possam alcançar reduções significativas.

Os concretos correntes são atualmente materiais com custos extremamente competitivos,

devido ao baixo custo do cimento Portland. Contudo os elevados níveis de emissão de

CO2, gerados na produção deste ligante e também o fato de recentemente ter entrado

em vigor o mercado de emissões de carbono, fará com que o custo deste material venha,

em médio prazo, a englobar o seu custo ambiental. Este fato reduzirá consideravelmente

sua competitividade face ao aparecimento de ligantes mais “ecologicamente amigáveis”,

como são os ligantes geopoliméricos.

Em curto prazo é possível antecipar cenários em que se efetivem penalizações crescentes

às empresas que emitam elevadas quantidades de CO2, o que levará inevitavelmente a

um aumento da competitividade dos ligantes geopoliméricos.

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