Brazilian Applied Science Review

(1)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621

Estudos da aplicação de aditivo polimérico na trabalhabilidade de

materiais cimentícios elaborados com matéria prima reciclada

Studies of the application of polymeric additive in the workability of

cemential materials prepared with recycled raw material

DOI:10.34115/basrv4n1-022

Recebimento dos originais: 30/11/2019 Aceitação para publicação: 20/02/2020

Dilson Nazareno Pereira Cardoso

Doutor em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia – PRODERNA Instituição: Universidade Federal do Pará - UFPA

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: dnpcardoso@gmail.com

Alcebíades Negrão Macêdo

Doutor em Engenharia de Estruturas. Instituição: Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo, EESC-USP, Brasil

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: anmacedo@ufpa.br

Lêda de Azevedo Racanelli

Mestre em Engenharia de Processos Instituição: Universidade Federal do Pará - UFPA Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil

E-mail: lbsracanelli@hotmail.com

Wenderson Gomes dos Santos

Doutor em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia – PRODERNA Instituição: Universidade Federal do Amazonas- UFAM

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: wenderson@ufam.edu.br

Romero Moreira de Oliveira

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: romeroengquimico@gmail.com

Emerson Cardoso Rodrigues

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: mersone7@yahoo.com.br

José Antônio Da Silva Souza

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: jass@ufpa.br

(2)

Augusta Maria Paulain Ferreira Felipe

Doutora em Eng. Mecânica Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Brasil. Instituição: Universidade Federal do Pará - UFPA

Endereço: 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: ampf@ufpa.br

RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades reológicas de 4 traços de argamassa elaborada com adição de polímero Estireno Butadieno (SBR) em diferentes teores de resíduo de minério de cobre sulfetado (RMCS) e Cinza Volante (CV). Os traços de argamassa visam incorporar o RMCS como agregado miúdo reciclado e a CV como pozolana. Os materiais foram caracterizados através de Difração de raio-X (DRX), Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e Peneiramento por analisadores de partículas a Laser, para o polímero SBR aplicou-se a técnica do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR). Para produção da argamassa foi formulado 4 traços de mistura dos materiais e água, com e sem SBR utilizando uma porcentagem que variou entre 10 e 20% de cimento Portland CP II E 32. Para os ensaios reológicos utilizou-se um viscosímetro rotacional modelo VT 550 (Haake), com sensor tipo cilindros coaxiais SV1 em taxas de 0 a 600 s-1 no intervalo de tempo de 120s. Os resultados mostraram que as argamassas aditivadas com SBR tiveram aumento da sua viscosidade aparente acompanhando a diminuição de sua área de histerese o que mostrou melhoria em sua plasticidade e trabalhabilidade.

Palavras-chave: Cimento, argamassa polimérica, viscosidade aparente, reaproveitamento.

ABSTRACT

This work aims to evaluate the rheological properties of 4 traces of mortar made with the addition of Styrene Butadiene polymer (SBR) in different levels of sulfide copper ore residue (RMCS) and fly ash (CV). The mortar traces aim to incorporate RMCS as recycled fine aggregate and CV as pozzolan. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and sieving by laser particle analyzers, for the SBR polymer, the Fourier Transform Infrared (FTIR) technique was applied. For the production of mortar, 4 mixtures of materials and water were formulated, with and without SBR, using a percentage that varied between 10 and 20% of Portland cement CP II E 32. For the rheological tests, a rotational viscometer model VT 550 was used (Haake), with SV1 coaxial cylinder type sensor at rates from 0 to 600 s-1 in the 120s time interval. The results showed that mortars added with SBR had an increase in their apparent viscosity following the decrease in their hysteresis area, which showed improvement in their plasticity and workability

Keywords: Cement, polymeric mortar, apparent viscosity, reuse.

1 INTRODUÇÃO

A utilização de resíduos sólidos urbanos e industriais, para produção de novos materiais de construção, pode contribuir para redução do impacto ambiental através da diminuição do consumo de recursos naturais e energia, da redução da poluição gerada e do consumo de energia para sua produção (MOURA et al, 2009). As argamassas colantes são formadas pela composição de agregados, aglomerantes, água e eventualmente adições e aditivos. No estado

(3)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621 fresco, assume-se que estas composições são suspensões concentradas de partículas sólidas (agregados) imersas em um líquido viscoso (pasta ou matriz) (MATTANA et al, 2013). O cimento é o principal aglomerante presente nas misturas, sendo este composto por clínquer e ainda por um teor adição como fíler calcário, cinza volante ou escória de alto forno, dependendo do tipo comercial do cimento.

Ainda nos dias atuais a interação entre os polímeros e cimentos é discutida. Sabe-se que esse tipo de interação ocorre de maneira física e/ou química (CHANDRA e FLODIN, 1987; SU et al, 1993; SAKAI e SUGITA, 1995; SILVA, 2001).

Tanto o cimento quanto o látex são dois tipos de ligantes que quando unidos interagem mutuamente entre si dando origem a uma co-matriz, apresentado na Figura 1, estabelecendo um modelo promovido pela hidratação do cimento em que geralmente ocorre um processo de formação de filme do látex (OHAMA, 1997).

Têm-se um esquema apresentado na figura abaixo:

A- Partícula de látex dispersas em água aplicadas sobre um substrato;

B- Após o estágio de evaporação da água na mistura ocorre à aproximação das partículas e o início do empacotamento;

C- Consolidação do empacotamento caracterizado pela deformação das partículas; D- Difusão das cadeias poliméricas ocorrendo à mistura e desaparecimento das bordas.

Figura 1: Etapa teórica de formação do filme polimérico em dispersão aquosa tipo látex acrílico. Fonte: adaptado de BUCKMANN et al, 2001).

(4)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621 Um dos principais fatores a ser observado em relação aplicação do polímero ou de seu sufactante no cimento é o processo de dispersão/floculação. A inserção do polímero na matriz cimentícia pode alterar o estado de floculação do cimento bem como de outras suspensões. Desta forma, este trabalho tem como objetivo a avaliação das características reológicas e de viscosidade aparente de quatro formulações de argamassas dentro de um intervalo de tempo especifico, determinado pelos efeitos de cura do material, em função da incorporação de resíduo de minério de cobre Sulfetado (RMCS) como carga e cinza volante (CV) como aglomerante e aditivo polímero Estireno Butadieno (SBR).

2 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais

O RMCS utilizado nos experimentos é proveniente da mina do Sossego, localizada na província mineral de Carajás no Estado do Pará, empregado como agregado miúdo, para o reaproveitamento da matéria prima. Foram coletados aproximadamente 150 Kg de material no local de barragem de rejeito

O material coletado foi seco a temperatura ambiente e em seguida acondicionado em sacos plásticos de 50 Kg. Posteriormente, em encaminhados a Universidade Federal do Pará onde foram realizadas análises preliminares de granulometria, massa especifica aparente, massa unitária e umidade. Para essa caracterização seguiu-se a norma técnica NBR 7217, NBR 9776, e NBR 7251.

A cinza volante usada foi oriunda da refinaria de alumina Hydro Alunorte, localizada no município de Barcarena no estado do Pará.

Para a caracterização mineralógica da CV e do RMCS, procedeu-se difração de raios-X (DRX) (Axios Minerals da marca PANalytical).

Análise granulométrica

A granulometria dos materiais foi realizada em um equipamento a laser tipo particle sizer

analysette 22 Fritsch com software MaScontrol para a aquisição dos dados experimentais.

Caracterização microestrutural

As caracterizações microestruturais da CV (Cinza Volante) foram efetuadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) utilizando um equipamento da marca HITACHI, modelo TM 3000, Brasil.

(5)

Caracterização do polímero SBR

Os aditivos orgânicos poliméricos a base de SBR da marca Grace-Rheoset foram caracterizados pela técnica do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e implementado suas características Físico-químicas no laboratório de engenharia química da Universidade Federal do Pará, como mostra a Tabela 1.

Tabela 1: Características do SBR.

(* - Fonte: Grace-Rheoset)

Preparo das amostras

Para o preparo dos traços seguiu-se as proporções de dosagem de materiais descritos na Tabela 2. Foi adotada uma relação água aglomerante (a/ag) de 0,35 e 20% de SBR em cima do valor de cimento sendo a dosagem da mistura adaptada de modo experimental de acordo com o tempo de trabalho, determinado pelos efeitos de cura do material, obedecendo às limitações de ensaio do viscosímetro. Para a completa homogeneização das misturas utilizou-se um misturador mecânico da marca SOLDTEST com capacidade de 130 litros. Após, foram deixadas em repouso por 15 minutos para minimizar os efeitos de homogeneização do material.

Tabela 2: Composição dos traços.

MATRIZ DE ANÁLISE

Sequência de analise

Traços Cimento CP 2 -E32 RMCS CV SBR

1º traço 0,2 0,75 0,15 _

2º traço 0,12 0,77 0,12 _

1º traço 0,2 0,75 0,15 20%

2º traço 0,12 0,77 0,12 20%

Análises reológicas

As medidas de viscosidade aparentem foram determinadas em Viscosímetro Modelo Haake VT 550, acoplado ao sistema de configuração de cilindros coaxiais copo SV e cilindros

Aditivo Função principal* Aspecto e cor (visual)* pH** Massa específica g/cm³* Viscosidade dinâmica (Pas) SBR Adesivo líquido de cor

branco leitoso

(6)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621 SV1 a temperatura de 28ºC. Para a obtenção das curvas de histereses reológicas tensão versus deformação, programou-se a variação da taxa de cisalhamento entre 0 a 600s-1 em 120s, em seguida permanecendo constante em 600s-1_{por 30s e finalmente decrescendo na rampa de taxa} de cisalhamento (γ) de 600 a 0s-1_{em 120s.}

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise granulométrica dos materiais

Pelos resultados da Figura 2, observa-se que o cimento o CP II-E 32, a CV e o RMCS, possuem valores de diâmetros médios (d50) no valor 17,13μm de 25,50μm e 100,25μm.

Figura 2: Análise granulométrica.

Difração de raios X do RMCS e da CV

Os dados de DRX demonstrados na Figura 3(a) do RMCS, indicam os três maiores picos de cada mineral presente na composição mineralógica do RMCS, que é formada principalmente por Quartzo (SiO2), Albita (Na(AlSi3O8)), Clinocloro ((MG,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8), Calcopirita

(CuFeS2), Muscovita (H2KAl3(SiO4)3), Hornblenda

(Ca2Na(Mg,Fe)4(Al,Fe,Ti)AlSi8AlO22(OH,O)2) e Magnetita (Fe3O4).

A análise da CV através da análise de DRX na Figura 3(b), demonstrou a presença das seguintes fases mineralógicas Quartzo (SiO2), Muscovita (KAl2(SiAl3O10)(F,OH)2, Anidrita

(7)

Figura 3: Difração de raios X do RMCS (a) e CV (b).

Caracterização microestrutural da CV

Das imagens obtidas na microscopia de varredura (MEV), pode-se observar que a CV possui um formato pseudo-esférico (A e C) com formações de porções aglomeradas entre si (B e D) da Figura 4. Essas aglomerações são formadas devido a CV possuir uma granulometria fina o que pode influenciar de forma negativa na diminuição da trabalhabilidade da massa cimentante no estado fresco.

(8)

Caracterização Físico-química do SBR (FTIR)

A Figura 5 corresponde ao espectro no infravermelho para a amostra do aditivo orgânico polimérico poli(estireno-co-butadieno) (SBR) usado na presente pesquisa.

Os espectros FTIR das bandas entre 3700cm-1 e 3200cm-1 da região I são atribuído à vibração de estiramento das moléculas de hidroxilas e da água adsorvida na molécula do polímero (O-H) OH ...OH. Foi observado aspectos vibracionais de alongamento entre 2937-2870cm-1 região II para os grupos carbono e hidrogênio C-H dos alcanos e vibração de estiramento do radical livre metilo em 2986cm-1.

Também pode ser observado os picos de absorção em 1503cm-1 e 1554cm-1 da região III que são atribuídos a vibrações de alongamento de moléculas de carbono aromático, O pico de 877cm-1 região III é característico também da vibração de flexão aromática. Aspectos semelhantes foram encontrados nos trabalhos de ZHIXIN JIA (2016) que trabalhou no comportamento antioxidativo de SBR em misturas suportado com sílica.

Figura 5 - Espectro no infravermelho (FTIR) experimental do SBR.

A Tabela 3 representa os grupos funcionais presentes no espectro experimental do SBR.

Tabela 3: Grupos funcionais presentes no espectro do SBR.

Identificação Grupo Característico Número de onda cm-1

I O-H da ligação hidrogênio intermolecular v 3550-3200 II C-H dos alcanos v 2840-3000 III C=O 1750-1735 IV C-H do CH3 ᵟ próximo a 1450 V C-O (cristalinidade) v 1141 VI C-O-C v 1150-1085

(9)

Resultados dos ensaios reológicos

A partir dos resultados obtidos das análises de curva de fluxo da Figura 6, realizados nos quatro tipos de traços, pode-se verificar que para os traços com e sem aditivos, os mesmos apresentaram um comportamento já esperado, de materiais aglomerados, em que as estruturas tridimensionais das partículas na mistura se rompem com a elevação da taxa de cisalhamento. A justificativa para essa mudança gradual é que a contribuição do RMCS em conjunto com a CV cria-se uma associação em que se estabelece um aumento gradual de suas densidades de empacotamento, devido tanto a CV, o Cimento e o RMCS possuírem finos, o que faz com que em conjunto com a águas de mistura surjam forças coesivas interplanares, que causam uma maior tendência a floculação elevando assim a tensão cisalhante de acordo com o aumento da taxa de cisalhamento. Apresentando também para todos os traços a diminuição da viscosidade aparente o que mostra certo grau de pseudoplasticidade, característica de comportamento de fluido não newtoniano.

Verifica-se também que para as pastas aditivadas com polímero SBR, ficaram evidentes a adição destes no comportamento reológico das pastas, apresentando aumento da sua tensão de cisalhamento em conjunto com a viscosidade aparente, quando comparadas com as pastas sem aditivos, as pastas se tornaram menos fluidas e menos susceptível a grandes deformações, porém as mesmas mantiveram suas características tixotrópicas.

(10)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621 Analisando o gráfico da Figura 7, pode-se observar que para as argamassas não aditivadas apresentaram maior energia de quebra, representadas pelo aumento da área de histerese. Esse aumento de energia de acordo com a literatura ocorreu devido esse resíduo apresentar uma quantidade significativa de finos. Ocorre que no momento que o líquido é adicionado no sistema, tem-se um efeito de formação de aglomerados, uma vez que ele é responsável pela união de várias partículas finas por forças de adesão, aumentando a energia para a quebra na mistura (YAMMINE et al. 2008).

Para as argamassas aditivadas com polímero SBR, nota-se que, em geral, há uma queda nos valores deste parâmetro para todas as pastas com diferentes teores de SBR em sua composição, refletindo em uma menor área de histerese. Esse efeito pode esta associada à estrutura química do polímero em promover melhor lubrificação das partículas e possibilitar a homogeneização da suspensão. Confere também forças repulsivas entre as partículas, reduzindo ou eliminando a adesão entre elas, o que ocasiona melhor trabalhabilidade e menos desgaste na aplicação desse material ao seu substrato. Porém é importante destacar que a literatura mostra que o aumento na quantidade de polímero pode permitir a diminuição na quantidade de água necessária para manter a viscosidade do material, o podendo ocasionar desestabilidade na reologia do material (OHAMA, 1998; BARLUENGA e HERNÁNDEZ-OLIVARES, 2004; UKRAINCZYK, 2015).

(11)

4 CONCLUSÃO

A metodologia de avaliação reológica da influência do emprego de aditivo orgânico a base de SBR, nas propriedades da argamassa elaborada a partir de rejeitos industriais, forneceu valores de desempenho satisfatórios.

Observou-se que para as pastas aditivadas com polímero SBR, obtiveram mudanças no comportamento reológico dos traços, apresentando aumento da sua tensão de cisalhamento em conjunto com a viscosidade aparente, não mudando suas características tixotrópia.

Os traços aditivados com polímero SBR apresentaram uma menor área de histerese em relação aos traços sem aditivo, o que demonstrou um parâmetro satisfatório em termos de trabalhabilidade e aplicação em assentamento ou revestimento.

REFERÊNCIAS

MOURA, W.; GONÇALVES, J.; LEITE, M. Avaliação de propriedades mecânicas de concretos contendo escória de cobre como agregado miúdo. R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(2): 221-225, abr. jun. 2009.

MATTANA, A.; PEREIRA, E.; COSTA, M. Influência dos constituintes do revestimento de argamassa do revestimento de argamassa sobre suas propriedades. Publ. UEPG Ci. Exatas Terra, Ci. Agr. Eng., Ponta Grossa, 19 (1): 33-44, jan/jun. 2013.

CHANDRA, S. e FLODIN, P. Interactions of Polymers and Organic Admixtures on PortlandCement Hydration. Cement and Concrete Research, v. 17, p. 875-890, 1987.

SU, Z. et al, The Evolution of the Microstructure in Styrene Acrylate Polymer-Modified Cement Pastes at the Early Stage of Cement Hydration. Advanced Cement Based Materials, v. 3 p. 87-93, 1993.

SAKAI, E. e SUGITA, J. Composite Mechanism of Polymer Modified Cement. Cement and Concrete Research, v. 25, p. 127-135, 1995.

SILVA, D.A. e ROMAN, H.R. Caracterização Microestrutural de Pastas de Cimento Aditivadas com Polímeros HEC e EVA. In: IV Simpósio brasileiro de tecnologia das

(12)

Braz. Ap. Sci. Rev.,Curitiba, v. 4, n. 1, p. 370-381 jan./fev. 2020 ISSN 2595-3621 argamassas – IV SBTA, 2001, Brasília, Brasil. Anais ... Sao Paulo: Paginas & Letras Editora e Gráfica Ltda., p. 15-41. 2001.

OHAMA, Y. Polymer-based admixtures.Cement and Concrete Research, v.20, p.189 212, 1998.

BUCKMANN, F.; OVERBEEK, A. e NABUURS, T. Self-Crosslinking Surfactant Free Acrylic Dispersions for High Performance Coating Applications. In: 6th Nuremberg Congress – Creative Advances in Coating Technology, 2001. Proceedings... Nuremberg: Germany, 2001.

RUBBER ZHIXIN JIA, QIWEN LUO, SONG WANG, YONGJUN CHEN, XIANGYANG ZHOU, MINGXIAN LIU, YUANFANG LUO, DEMIN JIA. Inc. J. Appl. Polym. Sci. Solid-phase preparation method of silica-supported 2,20 methylenebis (6-tert-butyl-4-methyl-phenol) and its antioxidative behavior in styrene- butadiene.. 2016.

YAMMINE, J. et al. From Ordinary Concrete to Self Compacting Concrete: a transition between frictional and hydrodynamic interactions. Cement and Concrete Research, v. 38, n. 7, p. 890-896, 2008.

OHAMA, Yoshihiko."Polymer-based admixtures". Cement and Concrete Composites. v. 20, n. 2–3, pp. 189–212. DOI 10.1016/S0958-9465(97)00065-6. 10.1016/S0958-9465(97)00065-6. 1998.

BARLUENGA, G. and HERNÁNDEZ-OLIVARES, F. "SBR latex modified mortar rheology and mechanical behaviour". Cement and Concrete Research. March 2004. v.34, n.3, pp.527–

535. DOI 10.1016/j.cemconres.2003.09.006. Available from:

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S000888460300324710.1016/j.cemconres.20 03.09.006

UKRAINCZYK, Neven and ROGINA, Anamarija. "Styrene–butadiene latex modified calcium aluminate cement mortar". Cement and Concrete Composites. v. 41, n. August 2015, pp. 16–

23. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2013.04.012. Available

from:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095894651300077210.1016/j.c mco ncomp.2013.04.012. 2013.