ESPECTROSCOPIA DE INFRAVERMELHOS DO SILICATO DE SÓDIO

Assim como para o Hidróxido de Sódio, o Silicato de Sódio, por se tratar de um liquido, apresenta estudo detalhado para as ligações químicas, apenas a nível de espetroscopia de infravermelhos.

O espectro segue abaixo, e apresenta atividade entre ligações similares a aquelas do hidróxido, com exceção da frequência 995 cm-1 que está relacionada com vibrações entre moléculas de Si-O.

Figura 46 - Espetro de Infravermelho obtido para o Silicato de Sódio

3.2 - ENSAIOS MECÂNICOS

Os ensaios mecânicos tiveram por objetivo o estudo das propriedades mecânicas do material, quando submetido a esforços de compressão. Isto quer dizer que, as propriedades mecânicas relacionadas a esforços de tração e flexão não foram aqui tidos em conta, o que não quer dizer que estas não possam ser importantes, mas apenas que, uma vez que a proposta de utilização para o caso do reaproveitamento do resíduo está inserida no campo da geotecnia, onde os esforços de natureza mecânica de compressão são predominantes, e o tempo de estudo é limitado, decidiu-se por favorecer a análise deste em detrimento dos demais.

Foram realizados ensaios de compressão uniaxial, para caracterizar a capacidade resistente do material, permitindo recolher dados sobre a tensão máxima resistente e a deformação dos vários espécimes estudados. Os valores adquiridos, permitem obter a rigidez do mesmo ou o modulo de elasticidade (módulo de Young). Com estes parâmetros obtidos através dos ensaios, é possível determinar a maior ou menor capacidade que o material tem para, transmitir ou resistir aos esforços que lhe serão aplicados durante o uso.

3.2.1 - PROVETES

A preparação dos Provetes, foi elaborada em base à finalidade de cada um, ou seja, o tipo de ensaios a que seriam submetidos, sejam eles mecânicos, ambientais ou microestruturais/minerologicos. Este tópico, descreve as misturas utilizadas e o modo de preparação dos provetes, destinados aos ensaios de compressão uniaxial e ensaio de lixiviação. Os provetes destinados aos demais ensaios, são descritos quando abordado o ensaio em especifico, nomeadamente microscopia ótica, SEM, FTIR, DRX ou outro.

Não existindo um regulamento especifico para o fabrico de provetes do material em estudo, uma mistura de RCD ou Solo, com Cinzas Volantes e Ativador Alcalino (Hidróxido de Sódio e Silicato de Sódio), adotou-se a norma ASTM D1632-96 (Standard Test Method for

Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens), que diz respeito ao

procedimento de fabricação e polimerização de provetes a serem submetidos a provas de flexão e/ou compressão, para exemplares de solo-cimento, em que com base no tipo de ensaio mecânico, dá indicações do tipo de provetes a utilizar. Onde, neste programa experimental em especifico, no fabrico de provetes foram utilizados moldes cilíndricos em aço com dimensões de [250 × 70 (mm) (altura x diâmetro interno) que permitem compactar o material e obter provetes com altura de 140mm e diâmetro de 70mm, isto para amostras submetidas a ensaios de compressão uniaxial], (Figura47).

Figura 47 - Desenho esquemático dos moldes utilizados para fabrico dos provetes com as respetivas dimensões

Esta parte do trabalho experimental caracterizou-se pelo fabrico de provetes com as quantidades e medidas indicadas na Tabela 25, onde a composição das misturas se baseou na variação da relação entre o agregado (natural ou reciclado) e as cinzas volantes. As razões de material alteram-se na fase seca, sendo testadas as razões de RCD/Cinzas e Solo/Cinzas na proporção percentual de 100/0, 90/10, 80/20, 70/30 e 60/40 pré-determinadas.

A quantidade de material para cada provete, seja para a fase sólida, seja para a fase liquida, foi determinada tendo em conta o teor ótimo de humidade e a baridade seca, em base aos resultados dos ensaios de compactação proctor modificado, realizados previamente para cada mistura a ser estudada, as curvas são apresentadas abaixo e o resumo na Tabela 24, onde se pode observar que, quanto maior o teor em cinzas, menor a baridade e maior o teor em água.

O ensaio de compactação proctor foi realizado de modo idêntico ao já descrito anteriormente no tópico de caracterização do RCD, seguem as curvas do ensaio proctor das misturas já apresentadas no Tabela 9.

Gráfico 3 – Curva Proctor para a mistura de RCD com 10% de cinzas

 Mistura R80_C20

Gráfico 4 - Curva Proctor para a mistura de RCD com 20% de cinzas

y = 0.0606x + 1.5184 y = -0.0376x + 2.3134 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 BA R ID ADE SE C A (g /c m 3 ) TEOR EM ÁGUA (%) y = 0.0331x + 1.6155 y = -0.0339x + 2.2427 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 BA R ID ADE SE C A (g /c m 3 ) TEOR EM ÁGUA (%)

 Mistura R70_C30

Gráfico 5 - Curva Proctor para a mistura de RCD com 30% de cinzas

 Mistura R60_C40

Gráfico 6 - Curva Proctor para a mistura de RCD com 40% de cinzas

y = 0.0304x + 1.5259 y = -0.0354x + 2.2218 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 BAR ID AD E SEC A (g /c m 3 ) TEOR EM ÁGUA (%) y = 0.019x + 1.5252 y = -0.0219x + 1.9964 1.50 1.60 1.70 1.80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 BAR ID AD E SEC A (g /c m 3 ) TEOR EM ÁGUA (%)

Tabela 24 - Baridade Seca e teor ótimo de Água em base a ensaios de compactação Proctor

Razao RCD/Cinzas [%]

Baridade óptima seca [kn/m3] Teor em

Água [%] RCD60_Cinzas40 17.40 11.52 RCD70_Cinzas30 18.50 10.58 RCD80_Cinzas20 19.30 9.36 RCD90_Cinzas10 20.00 8.90 RCD100_Cinzas00 20.20 8.33

É notório que um aumento no teor de cinzas volantes, representa um aumento no conteúdo de água ótimo e, uma diminuição da densidade máxima seca. Note-se que, o peso de uma solução de ativador adicionado a cada mistura foi sempre mais elevado do que o teor de água correspondente. No entanto, a quantidade total de água presente na solução era sempre igual ao teor de água definido pelo ensaio Proctor correspondente.

Todo ensaio Proctor, para se determinar o teor de humidade ótimo, foi realizado com água, porém as misturas são fabricadas com o ativador alcalino, o que implica uma necessidade de se realizar a conversão do teor de água para o teor em ativador. Nesta situação, é tido em conta o percentual de água e de sais (sólidos) na composição dos elementos que formam o ativador alcalino, nomeadamente Hidróxido de sódio e Silicato de Sódio, onde o teor de sais é de aproximadamente 30% e 40% respetivamente. Outro fator para se ter em conta, no caso do ensaio Proctor, é a ausência de resultados para as misturas com Solo e cinzas volantes, isso deve-se ao facto de existir uma similitude das curvas granulométricas entre RCD e Saibro, bem como na baridade seca de ambos, fator este que dispensa a necessidade de se realizar ensaios de compactação para estas misturas, uma vez que, já se tem os resultados com as misturas de RCD e Cinzas volantes.

Tabela 25 - Quantidade dos materiais por cada provete, para cada mistura

Razão RCD/Cinzas Ou Solo /Cinzas Cinzas [gr] RCD [gr] Total Sólidos [gr] Silicato solução [gr] Hidrox solução [gr] Teor água mistura [%] Total ativador [gr] Peso a compactar [gr] 60/40 382.57 574.04 956.61 54.32 108.65 11.52 162.97 1119.59 70/30 244.57 712.05 1017.09 49.89 99.78 10.58 149.68 1106.29 80/20 107.66 848.96 1061.07 44.14 88.28 9.36 132.42 1089.03

90/10 27.53 989.56 1099.56 44.14 88.28 8.90 132.42 1149.51

100/0 0.00 1110.55 1110.55 41.77 83.53 8.33 125.30 1235.85

Após determinadas as quantidades, vem a preparação do RCD e do Solo, que incluí secagem e de-floculação das partículas inicialmente agrupadas (Figura 48), as cinzas volantes foram recebidas com um teor de água inferior a 3%, e, assim consideradas prontas para o uso. Os componentes sólidos (Solo/Cinzas/RCD) são então misturados a seco durante 5 minutos num misturador mecânico Hobart (Figura 49), e a fase líquida (Ativador Alcalino) é cuidadosamente adicionada na mistura (Figura 50), importante referir que os materiais são pesados com majoração de 5%, tendo em conta eventuais desperdícios no manuseamento e/ou parte do material que poderá ficar retida no equipamento utilizado. Uma vez pronta, a mistura é novamente pesada para garantir o valor de referência proveniente das contas já apresentadas na Tabela 25, relativa à quantidade de material que deverá ser compactada manualmente com auxilio de um macaco hidráulico de 100 kN.

O processo de compactação é dividido em 2 partes, numa primeira coloca-se a mistura dentro dos moldes, estes já previamente untados, no seu interior, com óleo descofrante, Figura 51. Faz-se auxiliar de uma manga de prolongamento do molde, uma vez que, a quantidade de material é calculado já para o provete compactado (Figura 52), e nesta fase o volume da mistura é superior à capacidade do molde, faz-se assim uma pré- compactação leve e residual com uma vara metálica, à medida que a mistura é colocada no molde, com objetivo de reorganizar as partículas até que seja possível a colocação das tampas do molde.

As tampas do molde possuem alturas diferentes, onde a tampa com maior altura deve ser utilizada na parte superior e, na parte inferior, faz-se a utilização de argolas metálicas de modo a que a compactação se dê em ambas as faces do provete. Na segunda fase da compactação, carrega-se o macaco hidráulico que irá comprimir o material confinado no interior do molde, primeiro a compactação ocorre na parte superior e, com a retirada das argolas também se compacta a parte inferior, obtendo um melhor reagrupamento das partículas e de consequência uma compactação mais homogénea.

Figura 48 - Vista do RCD no seu estado “bruto”, sem ser desterroado, com as partículas visivelmente agrupadas

Figura 50 - Adição da fase liquida na mistura

Figura 52 - Esquema do molde com a mistura já inserida no mesmo, a direita o provete antes de ser compactado e a esquerda logo após ser compactado e já com as dimensões finais em milímetros

As amostras são desmoldadas no mesmo dia do processo de compactação e devidamente identificadas. Todas as misturas foram nomeadas, utilizando o seguinte método: “PR” significa provete de RCD, “PS” para provetes de solo residual granítico (Saibro), “R” para quantidade de RCD, “S” para a quantidade de Saibro, “C” para quantidade de cinzas volantes, e foram seguidas por números, o primeiro indicando o numero do provete e o segundo indicando a respetiva dosagem, exemplo PR1_R60_C40, ou seja provete de RCD numero 1, com 60% de RCD e 40% de cinzas.

Após este processo de etiquetagem dos provetes (Figura 53), os mesmos são separados em dois grupos, o primeiro grupo que inclui os provetes que são curados em câmara climática com ambiente controlado, temperatura de 20°C ± 1°C e 80% Humidade Relativa, e mantidas nestas condições por um período de tempo referente à idade final de cura, nomeadamente 7, 14 e 28 dias, e o segundo grupo dos provetes que são acondicionados à cura térmica, realizada em estufa, também com ambiente controlado, onde a temperatura é de 85°C e a humidade relativa de 20%, por um período de 24 horas, após a qual os provetes seguem para as medições, da altura, do diâmetro e da massa de

cada amostra, para só depois prosseguir com os ensaios de resistência à compressão uniaxial.

O processo de fabrico foi análogo para todos os provetes independentemente das misturas que foram utilizadas. Todo material foi pesado, de forma a ser utilizada apenas a quantidade necessária para se proceder ao fabrico de 1 (uma) mistura, cada qual com amostras de 3 provetes.

Figura 53 - Provetes após o fabrico `

3.2.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO UNIAXIAL

O ensaio de compressão simples ou compressão uniaxial, deve ser o tipo de ensaio mecânico mais vulgarmente utilizado na engenharia civil. Este tipo de ensaio, apesar de bastante simples, é capaz de fornecer uma gama de resultados, que possibilitam uma adequada tipificação da resistência do material, quando submetido à pressão de carga.

Na falta de um regulamento específico para a preparação de provetes do material em estudo – mistura de RCD com cinzas volantes ativadas – em que a fase líquida é constituída por uma solução de densidade superior à da água, adotou-se a norma ISO/DTS 17892-7:2003, que abrange a determinação de um valor aproximado da compressão simples para espécime quadrado ou cilíndrico, homogéneo de solo coesivo, saturado de água, com permeabilidade

suficiente para que se mantenha imperturbável, o tempo necessário para realizar o teste dentro do âmbito das investigações geotécnicas.

Claramente o RCD, estudado neste trabalho, não se encaixa perfeitamente nos critérios acima mencionados, e também não existe uma norma especifica para ensaios dos vários tipos de RCD, no entanto, como já apresentado no item (3.1.1.8), o RCD em causa é constituído por 85% de solo, e, por ter como termo comparativo um Solo residual granítico, surge a necessidade de se ensaiar estes nas mesmas condições, como consequência a norma em questão apresentou-se como sendo a mais adequada para os ensaios de compressão simples.

Os ensaios de compressão uniaxial foram realizados no laboratório de ensaios de materiais de construção (LEMC) da Faculdade de Engenharia da Universiade do Porto. Estes ensaios mecânicos foram realizados num pórtico integrado por uma prensa servo-hidráulica, equipada com uma célula de carga de 25 kN, 50kN e 100kN (consoante a necessidade requerida por cada tipo de provete) e resolução de 0,006 kN (Figura 54 e Figura 55). Os ensaios decorreram sob controlo de deslocamento monotónico e com ciclo de carga-descarga- carga (CDC), a uma velocidade de 0,2 mm/min, tendo sido registadas as respetivas curvas força-deslocamento, e convertidas para tensão-deformação. Os resultados apresentados constituem a média de, no mínimo, 3 provetes ensaiados.

Figura 55 - Provete a ser ensaiado com Célula de carga de 100 kN

Os provetes que foram curados na câmara húmida até atingirem as idades de 7, 14 e 28 dias, foram submetidos a ensaios com ciclo de carga-descarga-carga, exceto aqueles provetes com cura térmica. Antes do ensaio, todos os provetes foram medidos e pesados (Figura 56). Tiraram-se 3 medidas de cada dimensão, diâmetro e altura, obtendo-se depois a respetiva média, para determinar a geometria dos provetes.

Figura 56 - Recolha das dimensões do provete, medição do diâmetro superior

3.3 - ENSAIOS AMBIENTAIS

Os ensaios ambientais têm por objetivo analisar o comportamento do material, quanto a possíveis modificações negativas que este possa causar no meio ambiente, e abrangem uma variedade de géneros de tipos de alterações, desde aqueles relacionados a emissões gasosas, agentes químicos, biológicos, até vibrações, entre outros.

Para este trabalho, foi tido em conta somente o ensaio ambiental ligado com os tipos de poluentes que o material possa liberar para o meio, sobretudo quando em contacto com água. E, o modo de análise utilizado para isso é, o ensaio de lixiviados.

3.3.1 - ENSAIO DE LIXIVIADOS

O Decreto-Lei 183 de 10 de Agosto de 2009 , define como Lixiviados, os líquidos que percolam através dos resíduos depositados e que efluem de um aterro ou nele estão contidos. O presente Decreto-Lei diz ainda que só podem ser depositados em aterros resíduos com comportamento lixiviante equivalente ao dos resíduos não perigosos, como por exemplo resíduos urbanos e/ou aqueles que se enquadrem no no 2 da parte B do anexo IV.

Logo como já descrito na revisão bibliografica, para que seja possivel se aplicar no terreno o material aqui estudado, se faz necessária as devidas análises ambientais a fim de verificar se este liberta poluentes para o meio, quando em contacto com água.

Para a realização dos ensaios de lixiviação, o método utilizado respeita a norma EN 12457-4 de agosto de 2002 e especifica um teste de conformidade com informações sobre a lixiviação de resíduos granulares e lamas, nas condições experimentais especificadas, na proporção de 10 l/kg (10 litros de liquido para cada kg de matéria seca). Aplica-se aos resíduos com um tamanho de partícula inferior a 10 milímetros, sem ou com a redução de tamanho.

A referida norma tem como objetivo orientar o processo de obtenção de um eluato do extrato de resíduos sólidos, e não para obter um extrato do lixiviado real, produzido a partir de um resíduo sólido no campo, nem para simular as condições de lixiviação específicos do local. A opção pela técnica particular descrita neste padrão europeu foi relacionado ao fato de que ela constitui um método normalizado experimental simples e rápido, para obter lixiviado de resíduos sólidos. Por exemplo, a norma ASTM D4874 (2014), embora provavelmente mais interessante, no sentido em que descreve um método potencialmente capaz de produzir um eluato muito semelhante ao que é produzido no campo, em especial em termos de qualidade, é certamente mais demorado.

Foi realizado ainda um ensaio de lixiviado em bloco, que não se enquadra em nenhuma norma corrente, o procedimento de ambos ensaios é descrito a seguir.

Dois tipos de ensaios de lixiviados foram desenvolvidos neste trabalho e de dois modos diversos. O primeiro tipo consiste em ensaio com bloco em água, e neste foram analisados provetes inteiros com as mesmas dimensões daqueles submetidos a ensaios de compressão uniaxial (140mm de altura x 70mm de diâmetro) uma vez que deste modo é possível obter um resultado mais aproximado para o caso de uma possível aplicação pratica do produto in situ no formato de blocos para pavimentos. Por exemplo, foram analisados provetes com apenas RCD estabilizados com ativador alcalino sem Cinzas Volantes, e provetes da mistura escolhida contendo RCD e Cinzas ativados alcalinamente, que são submersos em água destilada e ficam em repouso por um período de tempo de 28 dias, onde são previstas recolhas de amostras do liquido para análises químicas aos 3, 7, 14 e 28 dias. O

segundo tipo de ensaio de lixiviado baseia-se numa “fração” de um provete britado, que também será submerso em água destilada. Porém, esta água com o provete é submetida a um agitador por um período de 24 horas (Figura 57) simulando a situação mais gravosa, que seria do material desagrupado e, ao final deste, a amostra é filtrada e encaminhada para as devidas análises químicas.

No primeiro caso, os provetes foram submetidos, cada um num recipiente devidamente preparado e desinfectado para a realização do ensaio. O procedimento prático, passa por pesar o provete e depois o líquido, onde a razão de sólidos/líquidos é de 1/10. Depois de se colocar a água no recipiente, o pH é medido imediatamente e apontado, a seguir o provete é posicionado sob a água, e o então agita-se o liquido e volta-se a medir o pH, que deverá ser verificado nos dias seguintes, enquanto durar o ensaio (Figura 58).

Figura 57 - Provete em repouso dentro do recipiente com água, de reparar os sedimentos libertados durante o ensaio depositados no fundo do recipiente

Figura 58 - Medição do pH do lixiviado

Como já mencionado, acima são realizadas recolhas de amostras do liquido aos 3, 7, 14 e 28 dias. Antes de se recolher a amostra, todo o líquido no recipiente é agitado lentamente de modo a homogeneizar o mesmo, uma vez que as partículas sólidas que se desprendem do provete e, o liquido que nesta altura já não é composto apenas por água destilada, possuem maior densidade, logo tendem a ficar situados na parte inferior do recipiente (Figura 59).

Com auxilio de uma pipeta volumétrica é retirado 200 ml do liquido, onde 150 ml do que foi retirado é colocado num frasco e etiquetado. Os outros 50ml são colocados num frasco diferente e a estes são adicionados 0,5ml ácido nítrico, com o objetivo de baixar o pH, e, assim manter o teor de metais no lixiviado (Figura 60 e Figura 61). As amostras foram analisadas (com base no procedimento descrito no BSi PT 16192, 2011) para determinar a concentração dos elementos de interesse.

Figura 59 - Agitação do lixiviado para homogeneizar o mesmo

Figura 61 - Adição de acido nítrico para fixar os metais

Figura 62 - Amostras do lixiviado recolhidas com diferentes tempos de cura, nomeadamente 3, 7, 14 e 28 dias da direita para a esquerda respetivamente

Na imagem acima (Figura 62) é possível observar a intensificação da coloração do eluato com o passar do tempo de lixiviação.

No final deste processo de recolha de amostras para analise, é necessário acrescentar ao recipiente com o provete, a mesma quantidade de água destilada, ou seja 200 ml, de modo que a razão sólidos/líquidos permaneça equilibrada.

O procedimento, apesar de bastante prático e ter o objetivo de simular uma situação mais próxima da realidade (para o caso de uma aplicação do material em formato de blocos), poderia ser otimizado a fim de evitar possíveis erros nas concentrações do lixiviado. Isto porque, supondo que o material submerso deixa de liberar metais ao fim de 3 dias de imersão em liquido, seja por saturação da água, ou porque o material já libertou todo o componente químico por exemplo, e com a primeira recolha de 200 ml de lixiviado para análise, bem como posterior adição de 200 ml de água destilada limpa, a concentração fica alterada, e a quantidade de metais presente no lixiviado será diluída, assim os valores tenderão a descer, enquanto o que se deveria verificar era que estes valores se mantivessem constantes para os dias seguintes, não representando fielmente a realidade.

Logo para futuras aplicações deste método é recomendado o uso de um recipiente com um espécime a lixiviar, para cada data de recolha, que neste caso seriam 4, assim é garantida a razão de água/sólidos e a concentração fica salvaguardada uma vez que não haverá necessidade de se adicionar mais água destilada ao fim da recolha.

Figura 63 - Acréscimo dos 200ml de água destilada, realizado após a recolha

Abaixo na Figura64 , Figura 65, Figura 66 e Figura 67, é possivel observar o aspecto do eluato obtido após a recolha aos 3, 7, 14 e 28 dias, para o caso do RCD sem cinzas, e com 30% de cinzas.

Figura 64 - Amostras do lixiviado do RCD sem Cinzas Volantes recolhidas com diferentes tempos de cura, nomeadamente 3, 7, 14 e 28 dias da direita para a esquerda respetivamente