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Revista ALCONPAT
versión On-line ISSN 2007-6835
Rev. ALCONPAT vol.13 no.3 Mérida sep./dic. 2023 Epub 31-Mayo-2024
https://doi.org/10.21041/ra.v13i3.697
Pesquisa aplicada
Economia circular na indústria latino-americana de cimento e concreto: uma solução sustentável de design, durabilidade, materiais e processos
1 Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, Nuevo León, México.
Os modelos convencionais de produção na indústria de cimento e concreto (ICC) associam importantes problemas ambientais; por outro lado, existem tecnologias emergentes que podem reduzi-los. No entanto, a abordagem multidimensional da economia circular é necessária para orientar o desenvolvimento sustentável de forma duradoura, modelando o ciclo de vida desde a concepção até a disposição final para otimizar a relação valor-impacto ambiental; pois somente uma indústria circular, resiliente e proativa pode enfrentar os objetivos de desenvolvimento sustentável da agenda 2030 (ONU) ou a meta de emissões zero. Este trabalho apresenta conceitos gerais de economia circular, bem como uma análise de alternativas e aplicabilidade para conscientizar os atores da ICC na América Latina.
Palavras-chave: economia circular; sustentabilidade; indústria de cimento e concreto; projeto eficiente; durabilidade
Los modelos convencionales de producción en la industria del cemento y el concreto (ICC) asocian problemas ambientales importantes; por otro lado, existen tecnologías emergentes que podrían disminuirlos. No obstante, se requiere del enfoque multidimensional de la economía circular para orientar el desarrollo sostenible de manera perdurable, modelando el ciclo de vida desde el diseño hasta la disposición final para optimizar la relación valor-impacto ambiental; ya que sólo una industrial circular, resiliente y proactiva puede afrontar los objetivos de desarrollo sustentable de la agenda 2030 (ONU) o la meta de emisiones cero. Este trabajo presenta conceptos generales de economía circular, así como un análisis de alternativas y aplicabilidad con el fin de concientizar a los actores de la ICC en Latinoamérica.
Palabras clave: economía circular; sustentabilidad; industria del cemento y concreto; diseño eficiente; durabilidad
Conventional models of production in the cement and concrete industry (CCI) associate important environmental problems; on the other hand, there are emerging technologies that could reduce them. However, the multidimensional approach of the circular economy is required to guide sustainable development in a lasting manner, modeling the life cycle from design to final disposal aiming to optimize the value-environmental impact relationship; since only a circular, resilient, and proactive industry can meet the 2030 Agenda of sustainable development (ONU) or the goal of zero emissions. This work presents general concepts of circular economy, as well as an analysis of alternatives and applicability in order to raise awareness among CCI actors in Latin America.
Keywords: circular economy; sustainability; cement and concrete industry; efficient design; durability
1. Introdução
No contexto global, é urgente reduzir os problemas associados às alterações climáticas, que envolvem a atividade de diferentes indústrias, incluindo a do cimento e do concreto (Adesina, 2020; Villagrán‐Zaccardi et al., 2022; Zajac et al., 2022). Uma das diretrizes para atingir esse objetivo são os 17 objetivos de desenvolvimento sustentável (ODS) da agenda 2030 (United Nations, 2023), entre os quais existem alguns relacionados com a necessidade de promover a sustentabilidade na indústria do cimento e do concreto (ICC). O ODS 6 de água potável e saneamento envolve a otimização do uso de recursos hídricos nos processos de produção e construção (Muñoz-Zapata et al., 2022; Nodehi et al., 2022; United Nações, 2023). O ODS 7 promove o acesso sustentável à energia, o que implica a redução das emissões de gases de efeito de estufa (GEE) associadas à produção de materiais de construção, como o cimento (Colangelo et al., 2020). O ODS 9 incentiva a inovação e a infraestrutura sustentáveis, o que inclui a promoção de tecnologias verdes e eficientes na produção de cimento e concreto (GCCA, 2023; NoParast et al., 2021). O ODS 11 centra-se em alcançar cidades e comunidades sustentáveis, o que tem impacto nas práticas de construção, na pegada de carbono associada aos edifícios e infraestruturas, no planeamento de sistemas de transporte, no desenho urbano, nos edifícios energeticamente eficientes e nas soluções de mobilidade sustentáveis (Mostert et al., 2021). O ODS 12 visa alcançar modelos sustentáveis de produção-consumo, ou seja, a redução da utilização de materiais não renováveis e alternativas como a utilização de cimentos com menor teor de clínquer (Geisendorf et al., 2018; GCCA, 2023). O ODS13 está relacionado com a promoção de propostas para reduzir os efeitos das alterações climáticas; por exemplo: a diminuição dos EGEIs associados ao cimento e ao concreto (Maury- Ramírez et al., 2022; United Nações, 2023). O ODS 15 está associado aos processos de obtenção de matérias-primas, reabilitação de pedreiras, proteção e restauração da biodiversidade (Adesina, 2020; Villagrán‐ Zaccardi et al., 2022). Da mesma forma, o ODS 17 incentiva a criação de alianças para alcançar os ODS; por exemplo, colaboração entre diferentes atores para o desenvolvimento de pesquisa e tecnologia sustentável para materiais de construção (Marsh et al., 2022).
Por outro lado, a América Latina concentra uma diversidade de países em desenvolvimento, o que leva à necessidade de construção de infraestrutura em diferentes escalas e ao consequente consumo de grandes volumes de cimento e concreto (Zajac et al., 2022). Em termos de capacidade instalada, as fábricas de cimento da região atingem 271 Mt, mas a produção foi de 170 Mt em 2019; dos quais 68% foram distribuídos em sacos, 25% em concreto pronto, 2% em concreto pré-moldado e 5% em outras formas (argamassas etc.). De referir que o cenário óptimo esperado para 2020, 2030 e 2050 é um aumento na produção de 196, 198 e 227 Mt; contudo, o fator Clínquer deverá ser reduzido para 0,66, 0,53 e 0,51, respetivamente (GCCA, 2023). Estas reduções são interessantes porque envolvem: i) uma exploração significativa de recursos naturais, como água, calcário, argila, areia etc. (Nodehi et al., 2022); ii) Emissões de CO2 e consumo de energia devido à decomposição térmica de calcário, máquinas de mineração, transporte etc. (Colangelo et al., 2020; NoParast et al., 2021); e iii) a geração de resíduos como resíduos de construção, produtos de demolição etc. (Mostert et al., 2021). Portanto, segundo a Federação Interamericana do Cimento (FICEM), para atingir a meta de zero emissões de CO2, espera-se que 110 Mt em 2020 sejam reduzidos para 0 Mt até 2050, o que exigirá a implementação de diversas tecnologias e estratégias. como a utilização de materiais cimentícios complementares, o desenvolvimento de novos materiais cimentícios, tornando mais eficiente o projeto e a construção com concreto, tecnologias de captura de carbono e obtenção de materiais com valor agregado como a recarbonatação de resíduos industriais, minerais naturais e outros (Villagrán ‐ Zaccardi et al., 2022; Zajac et al., 2022).
Face aos desafios acima descritos, surge a proposta da economia circular (EC), que se baseia na avaliação do ciclo de vida dos materiais e processos de forma a maximizar a relação entre o valor do produto e o impacto ambiental a longo prazo. (GCCA, 2023). Isto incentiva um caminho circular de produção-consumo-gestão para que os materiais de construção permaneçam em uso durante o maior tempo possível, em vez do modelo linear de exploração de recursos naturais, produção de um produto, utilização e descarte (Geisendorf et al., 2018). Algumas estratégias dessa abordagem são (Corvellec et al., 2022; Romero et al., 2021; Sehnem et al., 2019): i) otimização de recursos, ou seja, a redução de desperdícios ou recursos utilizados indevidamente durante a produção e uso de cimento e concreto; ii) reutilização e reciclagem, o que favorece o encerramento da vida útil de materiais provenientes da ICC ou de outras indústrias; iii) regeneração, que envolve prolongar o ciclo de vida dos materiais. Desta forma, o CE permite ao ICC adaptar-se, recuperar e responder eficazmente aos desafios ambientais e socioeconómicos, prosperando num contexto em mudança e aproveitando as oportunidades oferecidas pela transição para práticas mais sustentáveis, assegurando e mantendo a sua funcionalidade de forma sustentada, ao longo do tempo.
Contudo, os princípios da EC e a sua implementação na ICC ainda não estão completamente difundidos na América Latina; isso é demonstrado pela pouca literatura científica relatada por institutos de pesquisa da região que foi encontrada para a realização deste trabalho (Caldas et al., 2021; Colorado et al., 2020; Hentges et al., 2021; Londoño et al., 2021; Maury-Ramírez et al., 2022; Muñoz-Zapata et al., 2022; Xavier et al., 2021). Adicionalmente, é necessário apresentar a informação com uma abordagem tanto geral como particular, sendo este o primeiro de uma série de artigos que apresentam as pessoas envolvidas na ICC independentemente de pertencerem ao meio científico-académico, empresarial, técnico ou estudantil. Com estes trabalhos, esperamos contribuir para a divulgação, discussão e promoção desta tendência internacional na América Latina, lançar as bases para estimular e potenciar o seu desenvolvimento, bem como catalisar um impacto em larga escala na região. Nas seções seguintes, os fundamentos da EC são discutidos e uma classificação é proposta para pesquisas internacionais em sete áreas de implementação no ICC:
1) Digitalização do concreto, 2) Inovações tecnológicas, 3) Projeto eficiente, 4) Agregados reciclados, 5) Extensão da vida útil, 6) Recursos locais, 7) Processos eficientes; posteriormente, é realizada uma análise da aplicabilidade da EC nas ICC latino-americanas.
2. Princípios fundamentais da economia circular
Os princípios fundamentais da economia circular (EC) estão relacionados com os 5Rs (Reduzir, Reutilizar, Reciclar, Recuperar, Redesenhar) e procuram transformar a forma como produzimos e consumimos recursos através de uma visão abrangente que aborda os desafios ambientais e económicos, com o objetivo de alcançar indústrias mais sustentáveis e resilientes; como foi relatado para as indústrias: 4.0 (Romero et al., 2021), mineração (Xavier et al., 2021), impressão 3D de biomateriais (Wijk et al., 2015), processamento de alimentos (Hamam et al. , 2015 ) . . , 2021), desenho industrial ( Dam et al., 2020) e outros ( Gallaud et al., 2016; González-Domínguez et al., 2020; Londoño et al., 2021). Nestes casos, as melhorias estiveram relacionadas com a gestão eficiente das matérias-primas naturais e da quantidade de resíduos; o que sugere que o TPI também pode tirar partido desta abordagem. Os princípios da EC podem ser resumidos em quatro:
A regeneração dos sistemas naturais (Romero et al., 2021; Wijk et al., 2015; Xavier et al., 2021): em vez de esgotar os recursos naturais e deteriorar os ecossistemas, a EC propõe uma integração harmoniosa com a natureza através do uso consciente dos recursos renováveis e não renováveis do planeta. Isto significa conceber produtos e processos que regenerem e restaurem os recursos naturais, em vez de os degradarem.
Otimização do uso de recursos (Hamam et al., 2021; Sehnem et al., 2019): implica no uso eficiente de materiais e na geração mínima de resíduos, por isso busca a utilização de materiais duráveis e de qualidade, bem como tecnologias e processos que otimizam resíduos.
Circularidade (Gallaud et al., 2016): é manter os materiais em uso pelo maior tempo possível, o que envolve a reutilização, reparo, remanufatura e reciclagem de materiais, além do design de produtos modulares e fáceis de fabricar. desmantelar; isso torna os procedimentos de reparo e manutenção mais eficientes. Da mesma forma, permite a recuperação e reintegração de materiais num próximo ciclo produtivo.
Colaboração e criação de sinergias: de forma a maximizar benefícios através da troca de conhecimento, diversificação de soluções e utilização dos recursos disponíveis; propõe alianças entre empresas, governos, organizações da sociedade civil, consumidores etc. (Camilleri et al., 2020; Corvellec et al., 2022).
2.1 Os 5Rs da economia circular
Os 5Rs são definidos da seguinte forma (Corvellec et al., 2022; Marsh et al., 2022):
Reduzir recursos, resíduos industriais e emissões associadas à produção de um material; portanto, trata-se de otimizar os processos de fabricação e o consumo de energia, bem como integrar critérios de projeto para durabilidade. Por exemplo: trata-se de reduzir o consumo de cimento associado à produção de concreto, otimizando misturas e utilizando aditivos para atingir as propriedades especificadas pelo projeto (NoParast et al., 2021; Velvizhi et al., 2020).
Reutilizar materiais no final do seu ciclo de vida em vez de os deitar fora, o que pode implicar reparação para a sua reintegração no mercado. Um exemplo é a reutilização de estruturas de concreto existentes, como pontes ou edifícios, reabilitando-as e adaptando-as para novos usos em vez de demolir ou reconstruir (Maury-Ramírez et al., 2022).
A reciclagem envolve transformar resíduos em produtos de valor para uma indústria, reduzindo a extração de matérias-primas. Isto pode levar à reciclagem de águas residuais provenientes da produção e lavagem de concreto através de sistemas de tratamento e purificação (Maury-Ramírez et al., 2022).
Recuperar é obter recursos valiosos a partir de resíduos cuja reciclagem não é viável, como matérias-primas, energia elétrica ou térmica. Assim, é possível recuperar resíduos de outras indústrias para a fabricação de cimento, como cinzas volantes ou escórias (Roychand et al., 2021).
Renovar é restaurar a funcionalidade dos materiais; pode exigir processos de remanufatura. Em estruturas de concreto, as propriedades de durabilidade dos elementos expostos a ambientes corrosivos podem ser restauradas através de técnicas de extração de íons cloreto, o que reduz a corrosão da armadura e prolonga seu ciclo de vida (Kosmatka et al., 2004; Taylor, 1997).
3. Modelos de economia circular aplicados à indústria de cimento e concreto
Para discutir a integração da CE nas ICC é necessário conhecer alguns modelos propostos na literatura, entre os quais se destaca o trabalho de Maury-Ramírez et al. (2022) que avalia os processos da indústria da construção com o objetivo de melhorá-los a partir da análise do processo de exploração de matérias-primas e de fabricação de materiais de construção, da etapa de construção da infraestrutura, do uso e operação do imóvel, bem como o fim da vida útil que inclui a geração de resíduos e sua disposição final em aterro ou reciclagem dentro desta ou de outra indústria (Figura 1). Este modelo foi utilizado em Santiago de Cali (Colômbia), mas poderia ser estendido a variáveis relacionadas ao cimento e ao concreto, envolvendo as etapas de produção, projeto, construção, utilização, manutenção e gestão de fim de vida.
Figura 1 Modelo de extração, construção, operação e gestão de resíduos em obras baseadas na economia circular.
Deve-se notar que os modelos propostos exigirão a colaboração das partes envolvidas na cadeia de valor das ICC para cumprir o seu propósito, incluindo fabricantes, empreiteiros, projetistas, órgãos reguladores e consumidores (Corvellec et al., 2022; Marsh et al., 2022). Da mesma forma, é necessário incentivar o feedback de ideias entre os diferentes setores participantes (industriais, instituições acadêmicas, organizações governamentais e sociedade civil); que impulsionará a inovação, o desenvolvimento tecnológico e as boas práticas industriais. Da mesma forma, são necessários marcos regulatórios e políticas públicas que favoreçam a transição para uma EC nas ICC, como incentivos fiscais, apoio à pesquisa e ao progresso dos avanços tecnológicos, padrões de sustentabilidade, regulamentações ambientais e programas de formação (Marsh et al., 2022; Villagrán- Zaccardi et al., 2022). A implementação bem-sucedida de modelos de EC não só contribuirá para a redução dos impactos ambientais, como também gerará oportunidades económicas, como a criação de emprego nos setores de investigação e gestão de resíduos, a produção baseada em materiais reciclados e o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis e de materiais mais duradouros. Abaixo descrevemos sete áreas de implementação de EC na ICC e algumas pesquisas relacionadas a cada área.
3.1 Digitalização de cimento e concreto
A digitalização oferece a possibilidade de otimizar a composição química dos cimentos e a formulação das misturas de concreto, minimizando o desperdício de materiais e melhorando seu desempenho tanto em volumetria quanto nas propriedades resultantes (NoParast et al., 2021). Para alcançar tal controle, são necessários diferentes tipos de sensores (Marsh et al., 2022; Maury- Ramírez et al., 2022) para monitorar em tempo real ( Hossain et al., 2020; Velvizhi et al., 2020) e modelar processos de produção de cimento (Atta et al., 2021), como moagem e calcinação; além de tornar mais eficiente a mistura, o transporte e a colocação do concreto, o que exige melhorias tecnológicas em caminhões misturadores, bombas de concreto e outros equipamentos ( Adesina , 2021). Por exemplo, sensores coletam dados sobre as características de interesse do cimento ou concreto (temperatura, umidade, resistência, fluidez, emissões de gases de efeito estufa ou consumo de energia do processo etc.) que são transmitidos para uma plataforma digital para análise (Marsh et al.., 2022; Maury-Ramírez et al., 2022; Velvizhi et al., 2020). Além disso, a digitalização facilita a otimização da dosagem dos ingredientes e seu ajuste em tempo real (NoParast et al., 2021; Velvizhi et al., 2020).
Outra vantagem é que permite o rastreamento de materiais (rastreabilidade) e a gestão eficiente do processo de fornecimento por meio do acompanhamento das atividades desde a planta de produção até o canteiro de obras, o que inclui conhecimento preciso dos volumes utilizados, prazos de entrega e outras variáveis. M. NoParast et al. (2021) desenvolveram um modelo para otimizar a cadeia de fabricação e fornecimento de concreto que consiste na análise de diferentes subsistemas: clientes, fornecedores, bem como locais de fabricação e reciclagem. O objetivo era minimizar a extração de matérias-primas, o custo de transporte e as emissões de gases de efeito estufa (Figura 2).
Figura 2 Modelo aplicado a atividades concretas de fornecimento baseadas na economia circular (NoParast et al., 2021).
Por outro lado, a Informação de Construção Modelagem (BIM) e impressão 3D são componentes importantes da digitalização. A primeira é uma metodologia que permite criar modelos digitais tridimensionais de edifícios, infraestruturas e projetos de construção, que contêm informação detalhada sobre elementos construtivos como parâmetros de projeto, tipo de concreto, dimensões das estruturas e localização no edifício. instalações etc. (Sudarsan et al., 2023). Assim, o BIM permite otimizar o planejamento, a conceção e a gestão do projeto, que é afetado pelas variáveis associadas à utilização do cimento e do concreto na logística de abastecimento, na simulação e análise estrutural, nos procedimentos construtivos etc.; isso permite uma melhor tomada de decisão que reduz erros durante a construção (Atta et al., 2021). Ressalta-se que o BIM facilita a comunicação e a colaboração entre os atores do projeto porque permite o acesso e a atualização das informações do modelo em tempo real (Atta et al., 2021; Sudarsan et al., 2023), otimizando o uso de cimento e concreto, resíduos e tempos de construção. I. Atta et al. (2021) propuseram um método de design sustentável baseado na ferramenta Material Passport (MP) (Figura 3), que requer parâmetros de entrada como ferramentas para avaliação de sustentabilidade, detalhes técnicos do material e estabelecimento de indicadores para determinar a disposição final; Com esses dados é desenhado o MP, que é digitalizado em BIM e as informações são processadas para validar as características de fabricação e o estudo de caso específico onde o material será utilizado.
A impressão 3D (manufatura aditiva) permite criar objetos tridimensionais camada por camada a partir de um design digital (Wijk et al., 2015). No contexto do cimento e do concreto, este método permite a fabricação automatizada de elementos estruturais e arquitetônicos de forma precisa, com maior eficiência em termos de concepção, planejamento e construção de projetos, em comparação às técnicas tradicionais (Colorado et al., 2020; Şahin et al., 2022).
Em resumo, a digitalização do cimento e do concreto aproveita a tecnologia para melhorar o controle de qualidade, eficiência e rastreabilidade na vida útil projetada, o que promove maior controle das propriedades, evitando a superprodução e garantindo os requisitos específicos de uma obra, tudo o que reduz o impacto ambiental pegada.
3.2 Inovações tecnológicas na construção
A adoção de inovações tecnológicas como a impressão 3D (Şahin et al., 2022), o uso de materiais avançados (Chakartnarodom et al., 2022; Colorado et al., 2020) e a pré-fabricação (Minunno et al., 2018), otimiza utilização de recursos. A vasta gama de materiais avançados oferece propriedades superiores ao concreto convencional que melhoram as propriedades mecânicas e de durabilidade através de diferentes mecanismos físicos e químicos, contribuindo para a sua eficiência e sustentabilidade no contexto da CE. Alguns exemplos são fibras de reforço (Tari et al., 2022), nanomateriais (Cosentino et al., 2020) e aditivos especiais (Dikshit et al., 2022). Os primeiros podem ser feitos de aço (Liew et al., 2020), vidro (Tari et al., 2022) ou polímero (Vitale et al., 2021), e são capazes de reduzir fissuras sob cargas impostas; além disso, podem substituir ou reduzir a quantidade de vergalhões de aço nas estruturas de concreto (Liew et al., 2020), o que reduz o consumo de recursos naturais. Devem ser mencionadas fibras de origem natural como o bagaço de cana (Rossignolo et al., 2022) ou o agave (Juárez-Alvarado et al., 2020), pois podem melhorar as propriedades térmicas e de conforto dos blocos de concreto. Por outro lado, nanomateriais como os nanotubos de carbono (Yousef et al., 2021) ou a nanosílica (Almousa et al., 2022), reduzem a porosidade da matriz cimentícia, resultando numa menor difusividade dos agentes agressivos que deterioram o concreto ou as armaduras. aço. Outra inovação de interesse são os cimentos ativados alcalinos, que podem substituir o uso do cimento Portland em algunas aplicações onde são necessários elementos pré-fabricados com maior resistência a meios agressivos ou alta resistência mecânica em menor tempo de pega (Shi et al., 2006). Embora possam ser feitos a partir de resíduos como escória, cinza volante e lama de bauxita, destacam-se aqueles feitos com metacaulim e calcário; isto se deve à semelhança de suas matérias-primas com o cimento Portland, mas com a vantagem de que a transformação caulim-metacaulim pode ser realizada em aproximadamente metade da temperatura do Clínquer e o calcário não necessita de calcinação, apenas pulverizado. Além disso, foi recentemente relatado que o uso de ativadores alcalinos silicato de sódio e hidróxido de sódio pode ser otimizado, o que reduz ainda mais o impacto ambiental, o custo e a energia de produção em relação ao cimento Portland comum ou misto (Pérez-Cortes e Escalante-García, 2020).
Por outro lado, aditivos especiais são produtos químicos adicionados ao concreto durante a mistura; Alguns exemplos são (Taylor, 1997): i) aditivos redutores de água, que minimizam esta quantidade sem comprometer a trabalhabilidade das misturas, facilitando sua colocação e compactação (Muñoz-Zapata et al., 2022); ii) aditivos aceleradores de pega e endurecimento, que são utilizados em condições de baixas temperaturas ou projetos que exigem comissionamento rápido (Roychand et al., 2021); iii) aditivos retardadores de pega, úteis em climas quentes, em projetos que exigem tempo de mistura prolongado devido ao transporte de concreto fresco em longas distâncias ou devido a condições especiais de colocação (Tari et al., 2022); iv) aditivos expansivos, para controlar a retração do concreto durante a presa e reduzir fissuras (Zhang et al., 2023); v) aditivos impermeáveis, que reduzem a passagem de água e evitam vazamentos (Akchurin et al., 2016).
Por fim, a pré-fabricação é uma técnica de construção de elementos estruturais (paredes, vigas, pilares, lajes etc.) em ambiente controlado para depois transportá-los até o canteiro de obras e montá-los (Kosmatka et al., 2004). Permite um maior controle de qualidade através de sistemas de monitorização e testes laboratoriais, reduzindo os tempos de construção e facilitando a instalação, minimiza também o desperdício de materiais em obra e melhora a eficiência na utilização dos recursos, uma vez que tanto o design como é realizado o fabrico dos elementos em de acordo com os requisitos do projeto (Minunno et al., 2018).
3.3 Projetos eficientes
O projeto eficiente de estruturas de concreto contribui para minimizar o uso de recursos e impactos ambientais, além de maximizar o desempenho dos elementos por meio de algumas técnicas de projeto como otimização estrutural (Yang et al., 2022), análise do ciclo de vida (Mostert et al., 2021) e emergia (Wang et al., 2022).
A otimização estrutural ou projeto estrutural eficiente envolve encontrar a geometria e dosagem de materiais ideais para uma estrutura de concreto, o que minimiza as quantidades de concreto e aço, reduzindo a pegada ambiental através da otimização dos recursos naturais. Isto é conseguido através de modelagem matemática baseada nas propriedades mecânicas e de durabilidade dos materiais, mas levando em consideração fatores de segurança, relações custo-benefício e possíveis problemas patológicos que possam afetar a estrutura (Marsh et al., 2022; Yang et al., 2022). A fabricação de concreto de alto desempenho e durabilidade pode envolver o uso de materiais avançados, bem como sistemas construtivos leves ou de alta eficiência (lajes aligeiradas, contraventamento adequado ou otimização de juntas e soldagem) (Adesina, 2021).
A análise do ciclo de vida (ACV) permite determinar o impacto ambiental de uma estrutura de concreto associado à sua vida útil (Wang et al., 2022), ao identificar os maiores problemas ambientais e permitir a gestão das estratégias necessárias para minimizá-los durante as diferentes etapas do projeto. Alguns exemplos são a energia incorporada em componentes de cimento e concreto, durante a fabricação e transporte, bem como a potencial reciclagem de resíduos Mostert et al., 2021; Wang et al., 2022). A ACV permite tomar decisões informadas desde a concepção da estrutura, selecionando materiais e sistemas construtivos com menor impacto ambiental com base na procura de energia, emissões e utilização de recursos. Dentre as pesquisas de ACV, destaca-se o trabalho de C. Mostert et al. (2021) que avalia a pegada climática e de recursos do concreto reciclado. A Figura 4 apresenta o modelo de ACV que abrange todas as etapas da vida útil do concreto: obtenção da matéria-prima, transporte, produção do concreto, sua demolição e reciclagem como agregado para concreto novo com/sem aplicação estrutural.
Por outro lado, a análise de energia é uma ferramenta de projeto eficiente que se baseia nos princípios da termodinâmica para avaliar a quantidade de energia que foi investida diretamente em um material durante sua vida útil (como a eletricidade consumida durante a produção). transporte) e indiretamente (como energia solar, fóssil e outras, necessárias à extração, processamento e fabricação), ou seja, em relação aos recursos naturais utilizados para produzir um material (Amaral et al., 2016). Consequentemente, permite avaliar a eficiência energética de um sistema, identificando estagnações energéticas e determinando as fontes de energia mais significativas em termos da sua contribuição para o sistema. No caso das estruturas de concreto, as alternativas podem ser avaliadas em termos de demanda energética e podem ser selecionadas as opções de menor consumo, o que inclui a escolha de materiais com menor teor energético, a otimização do processo de produção e transporte, bem como as estratégias de projeto, construção e manutenção que minimizem o consumo de energia durante o ciclo de vida do elemento (Wang et al., 2022).
3.4 Uso responsável de agregados reciclados
A reutilização de agregados provenientes da britagem de concreto [8] ou de outros resíduos (Marsh et al., 2022; Nodehi et al., 2022) pode reduzir a demanda por matérias-primas primárias e a geração de resíduos, o que permite fechar o ciclo de vida de concreto e outros materiais simultaneamente, a fim de promover uma gestão mais eficiente dos recursos. Alguns exemplos são resíduos de: tijolo ( Fořt et al., 2020), vitrocerâmica (Rada et al., 2023) e pedras de pavimentação (Neves et al., 2022), bloco cerâmico (Barreto et al., 2021) ou concreto (Fořt et al., 2020), asfalto (Delwar et al., 1997; Linek et al., 2023), polímeros como PVC (Taghvaee et al., 2022), PET (Al-Sinan et al., 2022) e borracha de pneus (Díaz-Aguilera et al., 2021), produtos agroindustriais como cinza de casca de arroz (Althoey et al., 2022) e bagaço de cana-de-açúcar (Ariza-Figueroa et al., 2022), vidro pulverizado (Nodehi et al. , 2022), entre outros. Esses materiais reciclados são processados e utilizados como substitutos dos agregados convencionais (brita e areia) na mistura do concreto.
Alguns benefícios de usá-los são:
A minimização da demanda por matérias-primas naturais que reduz a extração e processamento de recursos como areia e cascalho dos rios (Nodehi et al., 2022).
Gestão eficiente de resíduos, ou seja, o aproveitamento produtivo de materiais que de outra forma seriam considerados resíduos e acabariam em aterros sanitários, conferindo-lhes uma segunda vida útil quando utilizados como agregados em novas estruturas de concreto (Marsh et al., 2022).
A diminuição da demanda energética, uma vez que a produção de agregados reciclados requer menos energia em comparação com a extração e processamento de materiais naturais (Ariza-Figueroa et al., 2022).
Vale ressaltar que a utilização de agregados reciclados requer um processo adequado de seleção, classificação e processamento para garantir sua qualidade, atendendo aos requisitos de resistência, durabilidade e outras propriedades de interesse do concreto (Al-Sinan et al., 2022; Althoey et al., 2022; Díaz-Aguilera et al., 2021). Um exemplo de implementação de agregados de vidro reciclado foi publicado por M. Nodehi et al. (2022). A Figura 5 é um modelo triangular que relaciona os benefícios ambientais com os benefícios económicos e a recuperação de recursos com base no conceito dos 6Rs: refabricação, redesenho, reciclagem, reutilização, recuperação e redução de resíduos.
3.5 Extensão do ciclo de vida das estruturas de concreto
Ao promover a manutenção, reabilitação e renovação de estruturas de concreto, a projeção do ciclo de vida pode ser ampliada e a necessidade de construção de novas obras pode ser reduzida (Breugel, 2017). Isto envolve a adoção de procedimentos de projeto que buscam aumentar a durabilidade dos materiais, bem como a implementação de técnicas de reparo, renovação e reforço estrutural. Portanto, extensão do ciclo de vida refere-se a prolongar a vida operacional das estruturas de concreto em vez de optar por demoli-las e reconstruí-las (Anastasiades et al., 2020; Bourke et al., 2019).
Para alcançar um ciclo de vida mais longo do concreto, as seguintes abordagens podem ser aplicadas:
O projeto para durabilidade consiste em propor novas estruturas de concreto considerando critérios que promovam a minimização dos fenômenos de deterioração e maximizem a longevidade dos elementos. Isto envolve a utilização de materiais de alta qualidade, técnicas construtivas adequadas acompanhadas de supervisão rigorosa, sistemas de proteção contra corrosão, bem como a consideração das cargas e condições ambientais às quais o elemento de concreto estará exposto durante seu ciclo de vida (Breugel, 2017); portanto, este tipo de projeto reduz a probabilidade de danos e degradação prematura.
A manutenção preventiva regular e adequada é essencial para garantir a durabilidade e o bom estado das estruturas de concreto ao longo do tempo. O monitoramento e a inspeção constantes permitem que quaisquer sinais de deterioração, desgaste ou danos sejam identificados e tratados em tempo hábil (Anastasiades et al., 2020; Ariza-Figueroa et al., 2022). Isto pode incluir atividades de limpeza, vedação de fissuras, substituição de itens deteriorados, manutenção de sistemas de drenagem e controle de corrosão; o que ajuda a prevenir grandes problemas a tempo.
A reparação e reforço estrutural são aplicados em estruturas de concreto com danos ou deterioração significativos, em vez de demolição e reconstrução. Essas técnicas corrigem problemas identificados e restauram a integridade estrutural por meio de reparos como restauração de resistência, impermeabilização, substituição de elementos danificados e reparo de fissuras (Bourke et al., 2019). O reforço estrutural envolve a adição de elementos ou sistemas que fortalecem a estrutura e melhoram a sua capacidade de carga. Tudo isto ajuda a prolongar a vida útil de forma eficaz e económica.
Porém, para consolidar essas abordagens, são necessários modelos esquemáticos de vida útil que orientem o estágio da estrutura de concreto e as ações que podem ser tomadas para prolongar sua durabilidade. Nesse sentido, um exemplo é apresentado na Figura 6 (Castro e Helene, 2007), em que a vida útil é dividida em 7 etapas. Este modelo apresenta-se sob uma filosofia abrangente, que divide o ciclo de vida em etapas que estão de acordo com o planeamento do projeto, bem como a aplicação da economia circular de acordo com as necessidades específicas de cada etapa. Por exemplo, para obter um desempenho ideal, são analisadas as três primeiras etapas que incluem o planejamento, a preparação e o dia do comissionamento da vida útil. A condição mínima de serviço é mantida apenas durante a quarta etapa, onde é necessária a manutenção preventiva contra a entrada de substâncias agressivas (abordagem ii para prolongar o ciclo de vida). Em geral, os estágios cinco, seis e sete são onde a estrutura não apresenta mais desempenho aceitável. Esses estados incluem vida útil residual, vida residual e fim da vida residual, nos quais seria analisada a abordagem iii de reparo estrutural e reforço descrita acima. Consequentemente, prolongar o ciclo de vida do concreto implica poupar recursos, energia e emissões associadas às novas construções. Além disso, minimiza os resíduos resultantes da demolição e reduz a dependência relacionada com recursos não renováveis, mantendo e aproveitando ao máximo as estruturas existentes (Anastasiades et al., 2020).
3.6 Identificação e uso de recursos locais
A utilização de recursos locais na fabricação de cimento e concreto implica a utilização de fontes de matéria-prima próximas às plantas de produção, reduzindo as distâncias de transporte e, portanto, o impacto ambiental (Caldas et al., 2021; Mostert et al., 2021). Também minimiza a necessidade de importação de matérias-primas, os custos de produção e transporte, bem como a desvantagem devido à variação dos preços dos materiais externos à região (Iacovidou et al., 2017), tornando o ICC mais resiliente e sustentável. termos económicos.
Ao mesmo tempo, promove o progresso socioeconómico nas áreas de extração de materiais; isto se deve à criação de empregos locais, o que fortalece as cadeias produtivas da região (Geisendorf et al., 2018). É importante mencionar que esta estratégia deve ser executada de forma responsável e sustentável, levando em consideração aspectos socioambientais (Corvellec et al., 2022; Maury- Ramírez et al., 2022), ou seja, estabelecendo extração adequada e práticas de gestão dos recursos naturais que garantam a proteção dos ecossistemas e o respeito pelas comunidades locais.
Alguns exemplos são o uso de escórias metalúrgicas (Phiri et al., 2021), cinzas volantes (Ghosh et al., 2020) de usinas termelétricas, pozolanas naturais como areias vulcânicas (Contrafatto , 2017), fumaça de sílica (Al- Hamran et al., 2021), pedras-pomes (Ulusu et al., 2023) ou cinza de casca de arroz (Althoey et al., 2022), produtos de demolição de concreto (Lederer et al., 2020 ), areia e cascalho de pedreiras locais, entre outros . Esses materiais servirão como substitutos do cimento ou agregados, melhorando as propriedades das misturas cimentícias através de sua reatividade pozolânica e outros processos (Kosmatka et al., 2004); porém, é sempre importante avaliar a qualidade desses recursos para garantir sua adequação.
3.7 Processo otimizado
A melhoria de processos pode focar nos processos de fabricação de cimento ou de construção em concreto (Fay et al., 2014; Guimarães et al., 2021; Pérez et al., 2009). Por exemplo, a CE envolve a adoção de tecnologias mais limpas, como a captura de carbono (Kaliyavaradhan et al., 2020) e armazenamento (Hanif et al., 2023), o uso de combustíveis alternativos de baixas emissões (Chatterjee et al., 2019; Villagrán- Zaccardi et al., 2022), bem como a implementação de práticas de otimização energética, como cogeração de calor e energia, captura de calor residual e uso de energia renovável (Mathews et al., 2011; Sharifikolouei et al., 2021).
Por outro lado, a otimização dos processos construtivos pode ser realizada através do uso eficiente de materiais de construção (Geisendorf et al., 2018), do uso adequado de máquinas e equipamentos (Marsh et al., 2022), bem como de tais como planejamento logístico eficiente (Sehnem et al., 2019). Portanto, a melhoria destes processos consiste na implementação de práticas e técnicas que otimizem os sistemas utilizados (Hentges et al., 2021), mas que simultaneamente reduzam significativamente o consumo de recursos e a deterioração ambiental associada.
Uma área fundamental para melhorar a eficiência é a gestão de recursos materiais, como resíduos de construção e demolição com concreto (Hentges et al., 2021; Lederer et al., 2020). Em vez de considerar os resíduos como resíduos, podem ser implementadas estratégias de gestão que promovam a reutilização, a reciclagem e a valorização dos materiais, o que passa pela sua separação durante a demolição, pelo estabelecimento de sistemas de recolha e triagem de resíduos nos estaleiros de construção, de forma a utilizar esses materiais em novos projetos (Lederer e outros, 2020). Outra forma de melhorar a gestão de recursos é uma maior formação em tecnologia do concreto e química do cimento, com o objectivo de optimizar o manuseamento e supervisão destes materiais em obra (Kosmatka et al., 2004; Taylor, 1997).
Além disso, o uso adequado de máquinas e equipamentos na construção pode contribuir para maior eficiência e redução no consumo de recursos (Hentges et al., 2021; Karlsson et al., 2020; Villagrán‐ Zaccardi et al., 2022). A seleção de máquinas eficientes, com tecnologias de baixo consumo de energia e emissões reduzidas, pode otimizar o desempenho e minimizar os impactos ambientais (Karlsson et al., 2020). Da mesma forma, a implementação de práticas adequadas de manutenção e treinamento garante o uso adequado dos equipamentos e prolonga seu ciclo de vida, evitando a necessidade de trocas frequentes.
A logística eficiente relacionada aos processos de construção é outro aspecto importante; por exemplo, isto envolve a otimização de rotas de transporte, distância percorrida, carga de veículos, emissões e consumo de combustível (Karlsson et al., 2020; NoParast et al., 2021); isto também aumentaria a vida útil das estradas. Por outro lado, a programação e coordenação adequadas das atividades de construção podem evitar atrasos desnecessários, reduzir o tempo de execução da obra e otimizar a utilização dos recursos.
A melhoria dos processos construtivos também pode passar pela utilização de sistemas modulares e pré-fabricados, pois isso reduz a necessidade de obras no local, economizando tempo e recursos (Minunno et al., 2018). Outra estratégia pode ser a padronização baseada no uso de materiais, construção e processos de fabricação na indústria da construção (Villagrán‐ Zaccardi et al., 2022).
4. Aplicabilidade da economía circular na indústria latino-americana de cimento e concreto
O EC oferece uma grande oportunidade para alcançar a sustentabilidade das ICC na América Latina. No entanto, é importante ter em conta as condições da região para aplicar eficazmente estes princípios circulares. Alguns fatores são o quadro regulamentar, a infraestrutura de reciclagem, a disponibilidade e qualidade dos materiais reciclados, as condições socioeconómicas e culturais, bem como a cooperação regional (Maury-Ramírez et al., 2022).
Primeiro, a implementação bem-sucedida da EC nas ICC na América Latina requer um quadro regulamentar sólido (United Nações, 2023; Villagrán- Zaccardi et al., 2022). Isto significa conhecer ou desenvolver políticas e regulamentos que promovam a adoção de práticas circulares para a reutilização de resíduos, a adoção de projeto eficiente em infraestruturas, a gestão adequada dos produtos de demolição etc.
Então, é necessária infraestrutura de reciclagem e gestão de resíduos para realizar a separação e classificação nos canteiros de obras (Colangelo et al., 2020; NoParast et al., 2021). O investimento em infraestrutura e a formação de profissionais em gestão de resíduos são essenciais para alcançar uma EC eficaz na região.
Por outro lado, a utilização de materiais reciclados requer controle de disponibilidade e qualidade (Muñoz-Zapata et al., 2022; Wang et al., 2022). Assim, é importante promover a investigação e a inovação tecnológica para a produção de agregados reciclados de elevada qualidade, bem como o estabelecimento de normas e certificações que garantam que estes materiais são adequados para utilização na construção, promovendo assim a confiança e a aceitação de esses recursos na indústria.
Além disso, devem ser considerados fatores socioeconômicos como a disponibilidade de fontes de investimento para tecnologias circulares, educação e conscientização sobre a importância da sustentabilidade (GCCA, 2023; United Nações, 2023). Vale ressaltar que, num cenário ideal para o EC, haveria a colaboração ativa da comunidade local durante o desenvolvimento dos projetos. Da mesma forma, a cooperação entre os países latino-americanos é necessária para consolidar conhecimentos, experiências e práticas adequadas; isto pode impulsionar a adoção de soluções circulares e otimizar os esforços e os recursos disponíveis (GCCA, 2023; Maury-Ramírez et al., 2022; Villagrán‐Zaccardi et al., 2022). A criação de redes de colaboração regional e a promoção de projetos conjuntos podem acelerar a transição para uma indústria mais sustentável na América Latina.
5. Conclusões
Para cumprir os objetivos internacionais sustentáveis, a indústria do cimento e do concreto na América Latina requer uma abordagem sistematizada da economia circular para orientar os esforços na educação, investigação, desenvolvimento tecnológico, infraestruturas, quadro regulamentar, normalização, investimento e cooperação regional. Alternativas a nível global têm demonstrado a adequação desta abordagem, uma vez que os vários modelos resultam em práticas sustentáveis que acrescentam valor aos materiais de cimento e concreto através da minimização de gases de efeito estufa, conservação de recursos e minimização de resíduos; mas também torna a indústria e as regiões que a implementam mais resilientes e economicamente sustentáveis. Contudo, é necessária a adoção e desenvolvimento de tecnologias avançadas, bem como uma abordagem de projeto e construção baseada em critérios de otimização e durabilidade, além de uma maior capacitação dos atores envolvidos na indústria e na sociedade em geral. Portanto, espera-se que este trabalho contribua para a integração entre a economia circular e a indústria de cimento e concreto através da disseminação desta visão.
6. Agradecimentos
JH Díaz-Aguilera agradece à CONAHCYT pela bolsa concedida com CVU 929098.
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Recebido: 19 de Julho de 2023; Aceito: 31 de Agosto de 2023
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