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1. INTRODUÇÃO
O tratamento e eliminação dos resíduos, a limitação à utilização de aterros e o consumo excessivo de matérias-primas são problemas crescentes. As Nações Unidas estimavam a produção anual de resíduos na ordem das 200 milhões de toneladas, sendo que destes 7% são vidro [1].
Em Portugal, de acordo com dados estatísticos do INE, cada português produziu 470 kg de resíduos urbanos por ano durante 2004-2009, sendo que, em resíduos de vidro, o valor mais alto registou-se no ano de 2008 com um total de 962041 toneladas; por outro lado, durante o ano de 2009, consumiu-se um total de 374,7 milhões de euros de produtos fabricados com vidro. Em Portugal, durante o período de 1999 a 2005, somente 30% do vidro foi reciclado, sendo que 70% foi levado a aterro [2]. São produzidas anualmente, no Reino Unido, 29,1 milhões de
to-neladas de resíduos, sendo que 4,2% correspon-de a vidro [3]. Também Taiwan produzia 500000 toneladas de vidro, sendo parte desse oriundo da produção de vidro para LCD’s que, devido ao seu tratamento químico, não pode ser levado a aterro [4][5][6]. Toda esta situação se traduz num acréscimo no consumo energético, visto que o vidro é produzido a altas temperaturas, e nos impactes ambientais, devido ao consumo de matérias-primas e ocupação de espaço por aterros, aspectos que é premente melhorar. À semelhança de outros resíduos (plásticos [7][8]; borracha [9][10]; betão [11][12]; cerâmicos), o vidro pode ser utilizado para in-corporação no betão, substituindo agregados naturais e diminuindo desta forma os impactes ambientais associados quer às pedreiras quer aos aterros de resíduos sólidos.
Este estudo pretende verificar a aplicabilidade de resíduos de vidro como agregados em be-tões de modo a colmatar o problema ambiental
resíduos e materiais de construção
betão produzido com
agregados de vidro reciclado:
desempenho mecânico
Diogo Serpa
Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior Técnico Jorge de Brito
Professor Catedrático, Instituto Superior Técnico Jorge Pontes
Bolseiro de Investigação, Instituto Superior Técnico
que é a eliminação destes. Os aspectos inova-dores estão associados à utilização de uma curva granulométrica exacta, calculada de acordo com o método de Faury, assim como a determinação da evolução de diferentes características da resistência mecânica (com-pressão, tracção por compressão diametral e por flexão, módulo de elasticidade e resis-tência ao desgaste) ao longo do tempo, para diferentes famílias de dimensões de agregado e diferentes percentagens de substituição, e a comparação entre estas. Pretende-se com este trabalho eliminar ou confirmar resulta-dos relativos às propriedades presentes em trabalhos publicados, assim como apresentar novos dados que possam trazer melhor enten-dimento sobre as propriedades do betão com agregados reciclados de vidro. Este trabalho é complementar de um outro [15] que analisa o desempenho em termos de durabilidade de betões do mesmo tipo.
O estudo aqui apresentado tem como objectivo caracterizar o desempenho mecânico de betões com dife-rentes composições de vidro (5%, 10% e 20% do volume total de agregados) e analisar a influência das dimensões dos agregados (finos, grossos e ambos) nesse mesmo desempenho. A utilização de vidro como agregado é uma alternativa ambiental ao seu depósito em aterro, reduzindo o consumo de recursos naturais e de espaço ocupado por aterros. Os agregados foram estudados ao nível da massa volúmica e abrasão, por ensaio de Los Angeles. No betão fresco, foi analisada a trabalhabilidade e a massa volúmica. O betão endurecido foi testado à compressão, tracção por compressão diametral e por flexão, módulo de elasticidade e desgaste por abrasão. Conclui-se que a incorporação de agregados de vidro em betões leva a uma diminuição geral do desempenho mecânico, ainda que não significativa para percentagens de incorporação de vidro até 10% do volume dos agregados naturais, com excepção da resistência à abrasão em que existe uma melhoria. Verificou-se um melhor desempenho nos betões com agregados grossos de vidro, seguidos dos betões com agregados finos de vidro e, por fim, os betões com incorporação simultânea de agregados grossos e finos de vidro.
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2. MATERIAIS
Na campanha, foram utilizados agregados naturais (AN) e agregados reciclados de vidro (ARV). Os AN utilizados foram brita e areia cal-cária de rio. O vidro foi obtido de empresas de fabrico de vidro para construção e automóveis. Para a produção do betão, foi usado cimento tipo II A-L 42,5 R e água da rede.
3. COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS DE BETÃO
Segundo a NP EN 206-1, foi produzido o betão de referência (BR) de modo a ter uma resistência à compressão, medida em cubos, de 44 MPa, e uma trabalhabilidade dentro da gama de valores de abaixamento de 125 ± 10 mm. Segundo a mesma norma, esta resistência corresponde a um betão da classe C30/37 (resistência aos 28 dias de 30 MPa) em cilindros com diâmetro de 15 cm ou de 37 MPa força em cubos com arestas de 15 cm. As proporções volumétricas dos agregados estão presentes na Tabela 1. Os ARV foram incorporados no betão por subs-tituição em proporção volumétrica dos AN. As substituições foram realizadas de acordo com os tamanhos dos agregados (isto é, mantendo a curva granulométrica constante em todas as betonagens) e produziu-se um total de dez misturas de betão.
As percentagens de substituição foram de-terminadas para o volume total de agregados (finos e grossos) nas razões de 5, 10 e 20% (Tabela 2). Relativamente ao tamanho das partículas, a substituição foi realizada com ARV finos apenas, grossos apenas e finos e grossos em simultâneo. As partículas finas são constituídas pelo material que passa no peneiro de malha 4 mm, sendo as partículas grossas constituídas pelo material que passa no peneiro de malha 22,4 mm para os AN e no peneiro de 11,2 mm para os ARV e que fica reti-do no peneiro de malha 4 mm. A diferença entre a dimensão máxima dos AN e a dos AV deve-se ao facto de não existirem agregados disponí-veis de dimensões maiores no vidro em volume suficiente para satisfazer os requisitos, mas substituiu-se a 100% todas as granulometrias entre 4 e 11,2 mm (daí que a composição B20G corresponda em rigor a 19,60% e não a 20%).
GR OS SO S 0,88-1,24 (22,4-31,5) 0,0 0,0000 0,63-0,88 (16-22,4) 17,8 0,1202 0,44-0,63 (11,2-16) 17,7 0,1195 0,31-0,44(8-11,2) 6,8 0,0459 0,22-0,31 (5,6-8) 6,8 0,0459 0,16-0,22 (4-5,6) 6,0 0,0405 FI N OS 0,08-0,16 (2-4) 11,1 0,0750 0,04-0,8 (1-2) 9,6 0,0648 0,02-0,04 (0,5-1) 6,0 0,0405 0,01-0,02 (0,25-0,5) 14,2 0,0959 0,005-0,01 (0,125-0,25) 4,0 0,0270 0,002-0,005 (0,063-0,125) 0,0 0,0000 0-0,002 (0-0,063) 0,0 0,0000 Cimento 0,1148 Água 0,1925 Volume de vazios 0,0174 Volume total 1,0000 Identificação BR B05G B10G B20G B05F B10F B20F B05FG B10FG B20FG % de agregados substituídos 0,00 5,00 10,00 19,6 5,00 10,00 20,00 5,00 10,00 20,00 % de agregados finos substituídos 0,00 0,00 0,00 0,00 11,14 22,27 44,54 5,57 11,14 22,27 % de agregados grossos substituídos 0,00 9,07 18,15 35,57 0,00 0,00 0,00 4,54 9,07 18,15 Relação a/c efectiva 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 0,57 0,58 0,55 0,55 0,57
Todas as substituições foram feitas de forma proporcional entre cada dimensão dos agre-gados, de modo a não afectar a distribuição granulométrica e assim esta ser, em todas as composições, idêntica à do BR.
Finalmente, de modo a se manter a mesma trabalhabilidade (abaixamento dentro dos limites aceitáveis), foi necessário recorrer ao ajustamento da relação a/c.
4. PREPARAÇÃO DOS PROVETES DE ENSAIO
Na produção de betão, seguiu-se a seguinte sequência: a betoneira foi pré-molhada e o ma-terial foi inserido na seguinte ordem: agregados grossos, agregados finos, metade da água,
cimento e a restante água. Foram necessários 3 minutos de mistura para esta ficar homogénea e 5 minutos de betonagem total. Todos os moldes foram lubrificados com óleo descofrante, sendo o betão colocado nos moldes e vibrado. Após 24 h, os provetes foram desmoldados e colocados nas condições de cura preconizadas para cada tipo de ensaio.
5. ENSAIOS AOS AGREGADOS
Os agregados foram caracterizados de acordo com os seguintes ensaios e normas tendo-se obtido os resultados da Tabela 3:
– análise granulométrica – NP EN 933-1:2000 e NP EN 933-2:1999;
Tabela 1Composição do betão de referência.
resíduos e materiais de construção
– massa volúmica e absorção de água – NP EN 1097-6:2003;
– massa volúmica aparente – NP EN 1097-3:2008 (só grossos);
– índice de forma – NP EN 933-4:2008 (só grossos);
– desgas te de “Los A ngeles” – L NEC E237:1970 (só grossos).
6. ENSAIOS AO BETÃO FRESCO
O betão, no estado fresco, foi sujeito aos se-guintes ensaios e correspondentes normas tendo-se obtido os resultados da Figuras 1 e 2:
– ensaio de abaixamento (cone de Abrams) – NP EN 12350-2:2009;
– massa volúmica – NP EN 12350-6:2009.
> Figura 1: Resultados do ensaio de abaixamento em função da taxa de substituição. > Figura 2: Resultados do ensaio de abaixamento em função da taxa de substituição.
Areia Brita
Fina Grossa Vidro Vidro 4,76-9,5 9,5-19,0 9,5-38,1
Material impermeável (kg3/m) 2687,5 2624,0 2526,3 25,17,3 2749,1 2739.3 2718,5
Partículas secas (kg3/m) 2587,4 2657.9 2524,5 2515,2 2657,9 2646,3 2648,9
Partículas secas com superfície saturada (kg3/m) 2589,3 2623,3 2525,2 2516,0 2692,4 2679,8 2674,3
Absorção de água [%] 0,07 0,01 0,03 0,03 1,22 1,29 0,97
Baridade (kg3/m) 1500,0 1543,0 1353,7 1353,7 1438,3 1424,9 1426,2
Los Angeles [%] – – – 38,37 34,16 30,84 31,92
Índice de forma [%] – – – 30,5 18,6 17,9 10,2
Tabela 3Resultados dos ensaios aos agregados.
> 1 > 2
7. ENSAIOS AO BETÃO ENDURECIDO
O betão, no estado endurecido e após cura, foi submetido aos seguintes ensaios e correspon-dentes normas:
– resistência à compressão aos 7, 28, 56 e 91 dias – NP EN 12390-3:2009 (resultados na Figura 3);
– resistência à tracção por compressão diametral – NP EN 12390-6:2003 (resultados na Figura 4);
– resistência à tracção por flexão – NP EN 12390-5:2009 (resultados na Figura 5);
– módulo de elasticidade – LNEC E 397:1993 (resultados na Figura 6);
– resistência à abrasão – DIN 52108:2002 (resultados na Figura 7).
8. COMPARAÇÃO DE RESULTADOS
Para se determinar possíveis modelos matemáticos que possam modelar o comportamento mecânico dos betões estudados, e sendo a resistência à compressão aos 28 dias o comporta-mento mecânico mais estudado, comparou-se esta com o módulo de elasticidade e a resistência à tracção por compressão diametral e por flexão. Os resultados obtidos estão descriminados nas Figuras 8 a 10. Substituição [%] Substituição [%] Ab ai xa m en to [ m m ] M as sa V ol úm ic a [ kg /m 3] 160,0 150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 0 10 20 BG BF BFG Limite pretendido Limite pretendido Limite aceitável Limite aceitável 2380,0 2360,0 2340,0 2320,0 2300,0 2280,0 0 5 10 15 20 25 BG BF BFG
cm_29 > Figura 3: Resistência à compressão ao longo do tempo.
> Figura 4: Resistência à tracção por compressão diametral dos betões de agregado de vidro (BAV) relativamente ao BR em função da taxa de substituição. > Figura 5: Resistência à tracção por flexão dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição.
> Figura 6: Módulo de elasticidade dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição. > Figura 7: Desgaste por abrasão dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição.
> 3 > 4
> 5 > 6
> 7
9. CONCLUSÕES
Foi efectuado um programa experimental para estudar a aplicabilidade de agregados de vidro reciclado como substitutos de agregados naturais até a uma percentagem de 20% na produção de betões. Conclui-se que:
– a resistência à compressão é mais afectada pelos agregados finos do que pelos grossos;
no entanto, este factor pode ser minimizado com a aplicação de superplastificantes para manter a mesma trabalhabilidade e a mesma relação a/c para todas as misturas;
– na resistência à tracção (por compressão diametral e por flexão), verifica-se que os agregados finos conduzem a piores resul-tados, podendo este facto ser também col-matado recorrendo a super-plastificante em
vez de aumentar a relação a/c, nas situações em que se pretende manter a trabalhabilida-de;
– relativamente ao módulo de elasticida-de, não se regista variação assinalável, mantendo-se relativamente constante para as diferentes taxas de substituição. No entanto, os agregados finos são os que apresentam piores resultados;
Substituição [%] Re si st ên ci a t ra cç BG BF BFG 85,0% 80,0% 75,0% 70,0% 65,0% 0 5 10 15 20 25 Substituição [%] Re si st ên ci a f le xã o [ %B R] BG BF BFG 0 5 10 15 20 25 Substituição [%] BG BF BFG 0 5 10 15 20 M ód ul o d e e la st ic id ad e [ %B R] 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% Substituição [%] BG BF 0 5 10 15 20 D es ga st e p or a br as ão [ %B R] 120% 110% 100% 90% 80% 70% 60% Re si st ên ci a à c om pr es Tempo [dias] 0 20 40 60 80 100 40,0 35,0 30,0 25,0 B20G B05F B10F B20F B05FG B10FG B20FG 105,0% 100,0% 95,0% 90,0% 85,0% 80,0% 75,0% 70,0% 65,0%
– existe uma melhoria nos resultados da resistência à abrasão para as misturas com agregados grossos de vidro (AGV), obtendo-se os valores máximos para a mistura com 10% de substituição de AGV;
– quando comparados os diferentes com-portamentos entre si e quando compa-rados com a EN 1992-1-1:2004, pode-se concluir que há viabilidade na substituição de agregados naturais por agregados de vidro.
Assim, a aplicação deste tipo de agregados pode ser feita, mas deve-se ter em conta a tendência geral de decréscimo do com-portamento mecânico. Quando se aplicar betões com este tipo de agregados, é pre-ferível recorrer a AGV. No entanto, caso se queira aplicar agregados grossos e finos de vidro ou mesmo agregados finos de vidro, deve-se recorrer a superplastificantes para que a trabalhabilidade seja mantida para a mesma relação a/c e assim não prejudique o comportamento mecânico dos betões.
> Figura 8: Resistência à tracção por compressão diametral versus resistência à compressão aos 28 dias. > Figura 9: Resistência à tracção por flexão versus resistência à compressão aos 28 dias.
> Figura 10: Módulo de elasticidade versus resistência à compressão aos 28 dias.
resíduos e materiais de construção
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> 8 > 9
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Resistência à compressão [MPa] Resistência à compressão [MPa]
Resistência à compressão [MPa]
M ód ul o d e e la st is ci da de [ GP a] Re si st ên ci a à t ra cç ão [ M Pa ] Re si st ên ci a à t ra cç ão p or co m pr es sã o d ia m et ra l [ M Pa ] RC vs RT RC vs RF RC vs ME 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 0 10 20 30 40 50 60 RTvsRC RTvsRC Park EN 1992 y = 0,2203x0,7 R2 = 0,4086 RFvsRC RFvsRC Park y = 0,0323x1,3376 R2 = 0,8699 MEvsRC MEvsRC Kou EN 1992 y = 15,465x0,2354 R2 = 02754
