UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
CARACTERIZAÇÃO E AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE DE
ESCÓRIAS DE ACIARIA LD NÃO TRATADAS E TRATADAS
Gisele Lopes Carreiro Rodrigues Vitória, 2007
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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
CARACTERIZAÇÃO E AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE DE
ESCÓRIAS DE ACIARIA LD NÃO TRATADAS E TRATADAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Espírito Santo, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Gisele Lopes Carreiro Rodrigues
Orientadores: Profa Dra Maristela Gomes da Silva Profa Dra Moema Ribas Silva
Prof. MSc. Fernando Lordêllo dos Santos Souza Profa Dra Eliana Zandonade
Rodrigues, Gisele Lopes Carreiro, 1976-
R696c Caracterização e avaliação da expansibilidade de escórias de aciaria LD não tratadas e tratadas / Gisele Lopes Carreiro Rodrigues. – 2007.
147 f. : il.
Orientadora: Maristela Gomes da Silva.
Co-Orientadores: Moema Ribas Silva, Fernando Lordêllo dos Santos Souza, Eliana Zandonade.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Tecnológico.
1. Aço. 2. Escória. 3. Microestrutura. 4. Teste a vapor. I. Silva, Maristela Gomes da. II. Silva, Moema Ribas. III. Souza, Fernando Lordêllo dos Santos. IV. Zandonade, Eliana. V. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. VI. Título.
Dedico este trabalho ao meu marido, Adilson, pelo amor, compreensão e incentivo, e ao meu filho, Nicolas, pelo carinho e pelo amor incontestáveis. Aos meus pais e minha irmã, pela confiança e dedicação na minha educação.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, em primeiro lugar, a Deus, que ilumina nossas vidas.
À Professora Maristela Gomes da Silva, pelo apoio, incentivo, amizade e pela orientação deste trabalho.
À Professora Moema Ribas Silva, pelo carinho, amizade, conselhos e pelas minuciosas correções.
Ao Professor Fernando Lordêllo dos Santos Souza, pela valiosa orientação na caracterização física e, por me ensinar que “estamos no mundo para servir”. À Professora Eliana Zandonade, por me auxiliar com seus conhecimentos estatísticos.
Aos amigos e técnicos do Laboratório de Materiais de Construção Civil, Carlos, Márcio, Loriato, Sebastião e Jorge. Em especial ao Roger, pela inestimável disposição demonstrada durante a realização dos ensaios de expansibilidade. À minha querida amiga Marina Polese, companheira e incentivadora de todos os momentos dessa caminhada, desde a inscrição para a prova do mestrado até a impressão deste trabalho.
Aos colegas do mestrado, em especial ao Paulo Lana, pela grande disposição em ajudar.
Aos meus amigos do NEXES, Prof. Maurício, Profª. Kátia Bourguignon, Profª. Sayonara, Profª. Antonina, Prof. Florindo, Prof. Robson, Prof. Uberecilas, Prof. Reno, Profª. Kátia Bicalho, Délio, Milton, Carlos, Fábio, Denise, Giliardi, Daniela e Fernanda.
Aos funcionários do Centro Tecnológico, em especial à Marise e ao Sr. Daniel, pelo constante auxílio.
A todos os professores e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
À CST, FINEP, CNPq e IBS pelo apoio financeiro na realização dos ensaios e por disponibilizarem condições para realização a esta pesquisa.
À CAPES, pelo apoio financeiro com a concessão da bolsa de estudos.
Finalmente, a todos aqueles que contribuíram para a conclusão deste trabalho, de forma direta ou indireta, estendo o meu sincero agradecimento.
“Na busca de nossos objetivos não existe sorte. Existem sim, muito trabalho e dedicação.” (Dirk Wolter)
LISTA DE FIGURAS...xi LISTA DE QUADROS...xvii LISTA DE TABELAS...xix LISTA DE SIGLAS...xx RESUMO...xxii ABSTRACT...xxiii 1. INTRODUÇÃO... 1 1.1 JUSTIFICATIVA... 3 1.2 OBJETIVOS... 5
1.3 ALGUNS CENTROS DE REFERÊNCIA E ESTUDOS EM ESCÓRIA DE ACIARIA... 6
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... 7
2 2. . ESCÓRIA DE ACIARIA ... 9
2.1 INTRODUÇÃO... 9
2.2 GERAÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA LD... 9
2.2.1 Transporte, resfriamento e beneficiamento da escória de aciaria ... 11
2.3 APLICAÇÕES... 13
2.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA... 17
2.5 CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA... 19
2.5.1 Composição química das escórias de aciaria ... 20
2.6 EXPANSIBILIDADE DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA... 22
2.6.1 Efeito do CaO ... 23
2.6.2 Efeito do MgO... 25
2.6.3 Efeito do ferro metálico ... 26
2.6.4 Efeito do silicato dicálcico... 28
2.7 CONSIDERAÇÕES SOBRE ESCÓRIA DE ACIARIA... 28
3. TRATAMENTOS E MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA ... 30
3.1 INTRODUÇÃO... 30
3.4 TRATAMENTOS NA ESCÓRIA DE ACIARIA EM ESTADO SÓLIDO... 36
3.5 MÉTODOS UTILIZANDO MISTURAS DE ESCÓRIA DE ACIARIA COM OUTROS MATERIAIS... 39
3.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TRATAMENTOS E MÉTODOS DE REDUÇÃO DE EXPANSÃO... 40
4. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA ... 43
4.1 INTRODUÇÃO... 43
4.2 MÉTODOS DE ENSAIOS ADAPTADOS A PARTIR DO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO.. 43
4.2.1 O ensaio da norma JIS A 5015 ... 44
4.2.2 O ensaio ASTM D 4792 ... 45
4.2.3 Adaptação do PTM 130 pelo Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais... 46
4.3 O ENSAIO DE AGULHAS DE LE CHATELIER –NBR11582/91... 46
4.4 O ENSAIO DE AUTOCLAVE... 47
4.5 O ENSAIO A VAPOR -STEAM TEST... 48
4.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS MÉTODOS DE AVALIAÇÃO... 51
5. MATERIAIS, MÉTODOS E PROJETO EXPERIMENTAL... 54
5.1 AMOSTRAGEM... 54
5.1.1 Amostragem da escória 01... 57
5.1.2 Amostragem da escória 02... 58
5.1.3 Quarteamento das amostras ... 59
5.2 TRATAMENTOS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA... 59
5.2.1 Escória de aciaria 01... 59
5.2.2 Escória de aciaria 02... 60
5.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA ESCÓRIA DE ACIARIA... 60
5.3.1 Granulometria... 61
5.3.2 Massa específica ... 61
5.3.3 Absorção ... 63
5.3.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento... 63
5.3.7 Análise estatística dos ensaios físicos...67
5.4 CARACTERIZAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ESCÓRIA DE ACIARIA...67
5.4.1 Análise química ...68
5.4.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)...68
5.4.3 Difração de raios X (DRX)...69
5.5 AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE...69
5.5.1 Steam Test – ensaio a vapor...69
6. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 74
6.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA ESCÓRIA DE ACIARIA...74
6.1.1 Granulometria... 74
6.1.2 Massa específica ... 75
6.1.3 Absorção ... 81
6.1.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento... 82
6.1.5 Massa unitária e massa unitária compactada ... 85
6.1.6 Umidade... 88
6.1.7 Análise estatística e discussão dos resultados de caracterização física .... 89
6.2 CARACTERIZAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ESCÓRIA DE ACIARIA...91
6.2.1 Análise química... 91
6.2.2 MEV ... 92
6.2.3 DRX... 104
6.2.4 Discussões dos resultados... 106
6.3 AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE... 108
6.3.1 Steam test - ensaio a vapor ... 108
6.3.2 Efeito das repetições sobre o ensaio Steam Test ... 119
6.3.3 Comparação dos resultados dos métodos de ensaio PTM 130 e Steam Test...120
8. RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASSBBIIBBLLIIOOGGRRÁÁFFIICCAASS............................................................................................................................112277
ANEXO I...138
Figura 1.1 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria LD – “pés de galinha” (MENDONÇA, 2006)... 3 Figura 1.2 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria –fissuração longitudinal irregular em pátio de estacionamento (MENDONÇA, 2006) ... 3 Figura 2.1 – Fluxograma de produção de usina semi-integrada e integrada (IBS, 2006) ... 10 Figura 2.2 – Detalhe do conversor a oxigênio (CST, 2005). ... 11 Figura 2.3– Transporte da escória para as baias de resfriamento: (a) em vagão (PENA, 2004); (b) em pote carrier (SOUZA; POLESE, 2003). ... 12 Figura 2.4 – Processos de resfriamento da escória: (a) por aspersão de água (PENA, 2004); (b) por jato de água (SOUZA; POLESE, 2003). ... 12 Figura 2.5 – (a) Separação de grandes placas metálicas da escória de aciaria por eletro-ímã. (b) Planta de britagem e separação magnética e granulométrica da escória de aciaria (SOUZA; POLESE, 2003). ... 13 Figura 2.6 – Exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) lastro ferroviário e (b) proteção de taludes – gabiões (PENA, 2004). ... 13 Figura 2.7 – Outros exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) obra de aterro e (b) pátio industrial (PENA, 2004). ... 14 Figura 2.8 – Seção transversal típica de um pavimento (SENÇO, 1997)... 16 Figura 2.9- O MgO em solução sólida (GEISELER; SCHLOSSER, 1988)...26 Figura 3.1 – Resultados de ensaio de expansibilidade para escória de aciaria LD com e sem tratamento por adição de sílica e oxigênio (KUEHN et al., 2000)... 33 Figura 3.2 – DRX de escória de aciaria resfriada bruscamente (MURPHY et al., 1997). ... 35 Figura 3.3 – DRX de escória de aciaria resfriada lentamente (MURPHY et al., 1997). 35
atmosférica (MORISHITA et al., 1995). ... 38
Figura 3.5 – Exemplo do método de cura de escória de aciaria a vapor sob pressão (MORIKAWA et al., 1998). ... 39
Figura 4.1 - Equipamento para ensaio de expansão em água (JIS A 5015, 1992)... 45
Figura 4.2 - Agulha de Le Chatelier (COUTINHO, 1973)... 47
Figura 4.3 – Equipamento do Steam Test (MOTZ; GEISELER, 2001) ... 49
Figura 4.4 – Curva típica de expansão da escória medida pelo Steam Test. ... 50
Figura 5.1 – Fluxograma do projeto experimental... 54
Figura 5.2 – Mapa de localização das escórias estudadas. ... 55
Figura 5.3 – Seção transversal da pilha de amostragem (SOUZA et al., 2003). ... 56
Figura 5.4 – Esquema da amostragem em camadas (SOUZA et al., 2003)... 56
Figura 5.5 – Esquema geral do procedimento de amostragem (SOUZA et al., 2003). .. 57
Figura 5.6 – (a) Formação de cinco montes e (b) coleta de amostra parcial para formar pilha de homogeização... 59
Figura 5.7 – Preenchimento do frasco de Chapmam com amostra de escória. ... 62
Figura 5.8 - Máquina de abrasão Los Angeles, e carga abrasiva e material retirado ao final das rotações... 64
Figura 5.9 – Compactação da amostra para realização do ensaio de massa unitária em estado compactado. ... 66
Figura 5.10 - (a) Material disposto na estufa para secagem e (b) pesagem do material seco ... 67
Figura 5.11 – Equipamento Steam Test. ... 72
Figura 6.1 – Curva granulométrica da Usina 1. ... 74
Usina 1... 76
Figura 6.4 – Massa específica aparente seca das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2... 76
Figura 6.5 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1. ...77
Figura 6.6 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2. ...78
Figura 6.7 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 1. ...79
Figura 6.8 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 2. ...79
Figura 6.9 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1. ...80
Figura 6.10 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2. ...81
Figura 6.11 - Absorção das amostras de escória de aciaria da Usina 1 ...82
Figura 6.12 - Absorção das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2 ...82
Figura 6.13 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.83 Figura 6.14 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.83 Figura 6.15 – Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1. ...84
Figura 6.16 - Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2. ...85
Figura 6.17 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1...86
Figura 6.18 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2...86
Figura 6.19 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1... 87
Figura 6.20 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2...88
Figura 6.23 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 1...93
Figura 6.24 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 1...93
Figura 6.25 - Microfractografia e diagrama da amostra não tratada da Usina 1. ...94
Figura 6.26 - Microfractografia e diagrama da amostra não tratada da Usina 1. ...94
Figura 6.27 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1... 95
Figura 6.28 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1... 95
Figura 6.29 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1... 96
Figura 6.30 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1... 96
Figura 6.31 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1. ...97
Figura 6.32 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1. ...97
Figura 6.33 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1. ...98
Figura 6.34 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1. ...98
Figura 6.35 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1. ...99
Figura 6.36 - Microfractografia e diagrama da amostra não tratada da Usina 2. ...99
Figura 6.37 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 2... 100
Figura 6.38 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 2... 100
e aeração por 1 mês da Usina 2... 101 Figura 6.41 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por molhagem e aeração por 1 mês da Usina 2... 102 Figura 6.42 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por molhagem e aeração por 1 mês da Usina 2... 102 Figura 6.43 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por molhagem e aeração por 1 mês da Usina 2... 103 Figura 6.44 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ... 110 Figura 6.45 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 6 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ... 110 Figura 6.46 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 12 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ... 111 Figura 6.47 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ... 112 Figura 6.48 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 1 mês, da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas... 112 Figura 6.49 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 3 meses, segundo o método Steam Test, por período de 1 dia (SILVA et al., 2006) ... 113 Figura 6.50 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ... 114 Figura 6.51 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 6 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias... 115 Figura 6.52 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 12 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ... 115 Figura 6.53 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras da Usina 1. ... 116 Figura 6.54 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ... 117
Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ... 117 Figura 6.56 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras da Usina 2. ... 118
Quadro 1.1 – Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na área de escória de aciaria. ... 6 Quadro 2.1– Principais aplicações de escória de aciaria ... 15 Quadro 2.2 – Camadas de um pavimento (SENÇO, 1997). ... 16 Quadro 2.3 – Comparação entre escória de aciaria, basalto e granito (GEISELER, 1996). ... 17 Quadro 2.4 - Limites específicos de aceitação de escória de aciaria a ser utilizada em camadas de pavimentos (DNER-EM 262, 1994)... 18 Quadro 2.5 - Composição química da escória de aciaria LD (IBS, 1999)... 21 Quadro 2.6 - Composição química da escória de aciaria LD. ... 21 Quadro 2.7 - Características das espécies químicas isoladas antes e após a hidratação (WEAST, 1971) ... 22 Quadro 2.8 – Formas do silicato dicálcico (MASUERO et al., 2002)... 28 Quadro 3.1 - Composição química de uma escória de aciaria LD normal e de outra tratada com CAMFlux (GEORGE; SORRENTINO, 1980)... 31 Quadro 3.2 – Tratamentos e métodos de redução do potencial expansivo das escória de aciaria. ... 41 Quadro 4.1 - Valores de expansão máxima para escória de aciaria para pavimentação (BS EN 13043, 2002; BS EN 13242, 2002)... 51 Quadro 4.2 – Principais métodos de avaliação do potencial de expansão...52 Quadro 4.3 – Pontos fortes e fracos dos principais métodos de avaliação do potencial de expansão...53 Quadro 5.1 – Ensaios de caracterização física utilizados, com as respectivas normas. . 60 Quadro 5.2 – Graduação e carga abrasiva para o ensaio Los Angeles (adaptado de NBR NM51, 2000)... 64 Quadro 5.3 – Proporção de massa por granulometria (EN 1744-1:1998) ... 70
Quadro 6.2 – Massa específica aparente seca (NBR 9937/87) ... 75
Quadro 6.3 – Massa específica aparente saturada superfície seca (NBR 9337/87)... 77 Quadro 6.4 – Massa específica real do agregado (NBR 9776/87, NBR 9937/87 e NM248/01)... 80 Quadro 6.5 – Índice de absorção (NBR 9937/87)... 81 Quadro 6.6 – Abrasão Los Angeles das amostras (NBR NM 51/00) ... 83 Quadro 6.7 – Resultados das análises químicas das amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas ... 92 Quadro 6.8 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 1. ... 103 Quadro 6.9 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 2. ... 104 Quadro 6.10- Compostos presentes nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas identificados por DRX... 104 Quadro 6.11- Minerais detectados por MEV/EDS e DRX nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas ... 107 Quadro 6.12 – Porosidade aparente média das amostras de escória de aciaria compactadas ... 109 Quadro 6.13 – Comparação entre os resultados dos ensaios PTM 130 e Steam Test...120
Tabela 6.1 – Massa específica real do agregado miúdo (kg/dm3) (NBR 9776/87)... 78
Tabela 6.2 – Índice de esmagamento das amostras (%) (NBR 9938/87) ... 84
Tabela 6.3 – Massa unitária das amostras (kg/dm³) (NBR 7251/82)... 85
Tabela 6.4 - Massa Unitária Compactada (kg/dm³) (NBR 7810/83) ... 87
Tabela 6.5 – Teor de umidade... 88
Tabela 6.6 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 24 horas, das amostras da Usina 1. ... 111
Tabela 6.7 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 24 horas, das amostras da Usina 2. ... 113
Tabela 6.8 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 7 dias, das amostras da Usina 1...116
LISTA DE SIGLAS
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
AGSPAVI – Projeto Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento visando o desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria para fins de
pavimentação
ASA – Australian Slag Association
ASTM – American Society for Testing and Materials BOF – Blast Oxygen Furnace
BS – British Standard C2F – Ferrita de cálcio C2S – Silicato dicálcico C3S – Silicato tricálcico
C4AF – Ferro-aluminato de cálcio CBR – Califórnia Bearing Ratio
CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CSN – Companhia Siderúrgica Nacional
CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão
CTPL – Centre Technique et de Promotion des Laitiers Siderurgiques DER – Departamento de Estradas de Rodagem
DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT – Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes DRX – Difração de Raios-X
EAF – Eletric Arc Furnace
EDS - Energy dispersive spectrometry EM – Especificação de Materiais ES – Espírito Santo
FEhS – Institut für Baustoff-Forschung e.V. FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia IPR – Instituto de Pesquisas Rodoviárias JIS – Japanese Industrial Standard
LEMAC – Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção Civil ME – Método de Ensaio
MEV – Microscopia eletrônica de varredura MG – Minas Gerais
NBR – Norma Brasileira Registrada
NEXES – Núcleo de Excelência em Escórias Siderúrgicas NM – Norma Mercosul
NORIE – Núcleo Orientado a Reciclagem e Inovação da Edificação NSA – National Slag Association
NT – Não tratada
PAVIAMB – Projeto Avaliação do custo, avaliação ambiental e avaliação da resistência e durabilidade do pavimento construído com escória de aciaria envelhecida
PCC – Departamento de Engenharia de Construção Civil prEN – European Standard Project
PRO – Procedimento
PSV – Polished Stone Value
PTM – Pennsylvania Testing Method T1 – Tratada por 1 mês
T12 – Tratada por 12 meses T6 – Tratada por 6 meses
UFES – Universidade Federal do Espírito Santo UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul
ESCÓRIAS DE ACIARIA LD NÃO TRATADAS E TRATADAS
Gisele Lopes Carreiro Rodrigues1 RESUMO
A preocupação com a disposição de resíduos e a preservação ambiental vem crescendo mundialmente. Sabe-se que os resíduos siderúrgicos, devido ao grande volume gerado, são uma das principais fontes de degradação ambiental. Alguns desses resíduos já possuem um destino nobre na construção civil, como é o caso da escória de alto forno, usada na fabricação do cimento. Já o emprego da escória de aciaria não está tecnicamente consolidado no Brasil. Agregar valor a este co-produto industrial, a partir da caracterização física e microestrutural e medição do seu potencial expansivo, é um dos objetivos deste trabalho.
A escória de aciaria possui características físicas e mecânicas tão boas quanto às das rochas graníticas, porém sua expansibilidade dificulta a sua utilização. Existem tratamentos, aplicados à escória de aciaria, que podem acelerar as reações de hidratação, minimizando a expansibilidade em serviço. A avaliação deste potencial de expansão da escória de aciaria é essencial para determinar a efetividade do tratamento realizado. O objetivo deste trabalho é caracterizar, física e microestruturalmente, e avaliar o potencial de expansão de escórias de aciaria LD não tratada e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração.
Na caracterização física são realizados os ensaios de granulometria, massa específica, absorção, abrasão Los Angeles, esmagamento, massa unitária, massa unitária compactada e umidade. A caracterização da microestrutura da escória de aciaria é feita por meio de análise química, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X. O ensaio de potencial de expansão adotado é o método do Steam Test, ou ensaio a vapor.
De maneira geral, os resultados da caracterização física das escórias de aciaria LD se mostram favoráveis à sua utilização em pavimentação. A caracterização microestrutural identificou todos os compostos volumetricamente instáveis nas amostras de escória de aciaria estudadas.
Os resultados do Steam Test mostram que nenhum dos tratamentos analisados, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, é eficiente, adotando-se o limite de 5% de aceitação e período de realização do ensaio de 7 dias.
Palavras-chave: escória de aciaria LD, expansibilidade, tratamentos, Steam Test, caracterização física e microestrutural.
1
EXPANSIBILITY OF LD STEEL SLAGS NON TREATED AND
TREATED
Gisele Lopes Carreiro Rodrigues2 ABSTRACT
The concern over the disposal of residues and the environmental is increasing in the world. It is well known that great volume of residues, generated from the siderurgical residues, are one of the main sources of ambient degradation. Some of these residues have a good destination in the civil construction, such as the blast furnace slag, used in cements’ manufacture. On the other hand, the use of the steel slag is not technically consolidated in Brazil. To increase value to this industrial co-product, from the physical and microstructural characterization and measurement of its expansive potential points of vue, is one of the objectives of this work.
The steel slag has physical and mechanical characteristics similar to those of natural granitic rocks, however its expansibility render it difficult be used. There are some treatments, which can be applied to the steel slag, for accelerating the hydration reactions and reducing the volumetric expansion of the steel slag during service life. The evaluation of this potential expansibility of the steel slag is essential to determine the effectiveness of the treatment.
The objective of this work is to characterize, physically and microstructurally as well as to evaluate the potential expansion of the LD steel slag non-treated and treated (submitted to weathering and weathering with water and aeration).
The physical characterization consists on determining granulometry, bulk density, absorption, Los Angeles abrasion, crushing, unitary mass, compact unitary mass and humidity. For microstructure characterization, the steel slag was submitted to chemical analyses, scanning electron microscopy and X-rays diffraction. The steam test procedure was used to evaluate the potential of expansion.
The results of the physical characterization indicate a favourable use of the tested LD steel slags in pavements. Trough the microstructural characterization of the steel slag samples, it was possible to identify volumetric unstable compounds.
The results of the Steam Test show that none of the analyzed treatments, by weathering or by weathering with water and aeration, is efficient, if a limit of 5% of acceptance and a period of accomplishment of the assay of 7 days are adopted.
Keywords: LD steel slag, expansibility, treatments, Steam Test, physical and microstructural.
2
1. INTRODUÇÃO
A geração de resíduos é um problema ambiental mundial. A indústria siderúrgica é, sem dúvida, um dos contribuintes deste impacto ambiental, pois além de movimentar um volume muito grande de matéria-prima e energia, gera uma enorme quantidade de resíduos sólidos, entre eles, a escória de alto-forno e a escória de aciaria. No Brasil, as 24 usinas siderúrgicas produzem cerca de 31 milhões de tonelada de aço bruto por ano (IBS, 2007), deste total são geradas, aproximadamente, 8,8 milhões de toneladas de escória de alto-forno e 3,7 milhões de toneladas de escórias de aciaria1.
Há uma grande preocupação com a disposição destes resíduos em aterros, tanto por parte das siderurgias como por parte da sociedade. O estoque e o manejo destes resíduos ocupam cada vez mais área física, além de ter alto custo envolvido e inconvenientes ecológicos. Então, surge a necessidade de pesquisar e conhecer melhor esses resíduos, suas características e seu desempenho, nas aplicações delineadas.
A construção civil tem um grande potencial de consumo desses co-produtos2 siderúrgicos, preservando, desta forma, alguns recursos naturais e firmando a idéia de desenvolvimento sustentável. A escória de alto-forno já é bastante utilizada como adição em cimentos e a escória de aciaria vem sendo aplicada na construção civil como lastro ferroviário, base para estradas, entre outros.
Na Europa, e na maioria dos outros continentes, existe uma grande demanda por agregados, principalmente para indústria da construção civil, em pavimentações e estruturas de concreto e na engenharia hidráulica, para contenção de bancos de rios. A Comunidade Européia declarou, no último estatuto, a necessidade de preservação de recursos naturais, usando co-produtos industriais e de aumento da taxa de utilização desses co-produtos com propriedades técnicas e ambientais adequados à sua aplicação (MOTZ; GEISELER, 2001).
A escória de aciaria vem sendo utilizada com sucesso em diferentes países da Europa, como material de pavimentação, como base e sub-base e em misturas betuminosas, devido a suas excelentes propriedades técnicas. Há mais de 25 anos, pavimentações que
1
Considera-se a geração de 270kg escória de alto-forno por tonelada de ferro gusa produzido e 120kg de escória de aciaria por tonelada de aço produzido (CASELATO, 2004).
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Neste trabalho, conceitua-se co-produto como material que deixou de ser classificado como resíduo por ter utilização técnica, econômica e ambiental viável. Sub-produto é o co-produto que já possui
utilizaram escória de aciaria estão sendo monitoradas, para confirmar suas propriedades (MOTZ; GEISELER, 2001).
Na Europa, cerca de 85% das escórias de aciaria LD são aproveitadas; destas, 45% na engenharia civil, 17% na metalurgia, 16% como fertilizante e 10% como aterro (GEISELER, 1996). Em 1998, a Alemanha utilizou cerca de 97% das escórias de aciaria produzidas em construção de estradas (camadas superficiais, base e sub-base de pavimentos com alto tráfego), aterros e em estruturas hidráulicas (MOTZ; GEISELER, 2001). Na América do Norte, grande parte das escórias siderúrgicas é utilizada como agregado, em diferentes aplicações (SHI; QIAN, 2000).
A escória de aciaria, obtida da transformação do ferro gusa líquido em aço, possui características físicas e mecânicas iguais ou superiores aos agregados naturais (BALTAZAR, 2001). Porém, seu potencial expansivo e a falta de normalização nacional para detectar sua estabilização têm prejudicado sua durabilidade e seu desempenho.
O efeito dessas reações expansivas da escória de aciaria ocorre envolvendo certos compostos presentes na escória, gerando tensões internas, que originam trincas e resultam até na pulverização do material, numa expansão destrutiva. Dentre estes compostos volumetricamente instáveis, o CaO e o MgO são os mais importantes e os maiores responsáveis pela desintegração e enfraquecimento por diferença de volume molar nas suas reações. Outro elemento que também contribui para expansão da escória é o ferro metálico (ALEXANDRE et al., s.d; GEISELER; SCHLOSSER, 1988; GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO, 2000; SAHAY et al., 2000; ÂNGULO et al., 2001).
Pesquisas mostram que tratamentos da escória de aciaria minimizam o efeito expansivo desses elementos e asseguram sua adequada qualidade no respectivo campo de atuação (GEISELER, 1996). Portanto, o tratamento para reduzir o potencial expansivo da escória de aciaria, quando realizado de forma adequada e com critérios técnicos bem definidos, viabiliza sua aplicação na pavimentação rodoviária.
O objetivo desta pesquisa é avaliar características das escórias de aciaria LD brasileiras não tratadas e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, por meio da caracterização física e microestrutural e, da avaliação do seu potencial de expansão, visando sua utilização em bases e sub-bases de pavimentos.
1.1 Justificativa
A falta de conhecimento das características das escórias de aciaria, principalmente do seu potencial expansivo, e de critérios técnicos para detectar sua estabilização, aliada a práticas inadequadas de aplicação, têm causado problemas de desempenho, contribuindo para o aumento da discriminação e da desconfiança da sociedade quanto à utilização das escórias de aciaria (PENA, 2004). Muitas vezes são utilizadas escórias de aciaria sem qualquer tipo de tratamento, ou mesmo com tratamento inadequado, em bases e sub-bases, causando vários tipos de manifestações patológicas no pavimento, como fissuras radiais concêntricas, em forma de “pés-de-galinha” (Figura 1.1), e fissuração longitudinal irregular (Figura 1.2) (GONTIJO, 2006).
Figura 1.1 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria LD – “pés de galinha” (MENDONÇA, 2006).
Figura 1.2 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria –fissuração longitudinal irregular em pátio de estacionamento (MENDONÇA, 2006)
Dessa forma, para contornar o problema da utilização inadequada de escórias de aciaria, faz-se necessária a definição de critérios técnicos e ensaios, para aceitação de lotes de escória, que foram submetidos a algum tipo de tratamento, para garantir a qualidade de aplicação do material.
Os tratamentos de redução da expansão das escórias de aciaria LD, utilizados no Brasil, são ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração diária. Já nas escórias de aciaria EAF brasileiras, somente é realizado o tratamento ao tempo. Considerando que, as escórias de aciaria mais geradas no Brasil são as LD, opta-se por estudar este tipo de escória.
Para avaliar o potencial de expansão das escórias de aciaria, foi desenvolvido, na Alemanha, um método, denominado Steam Test, que utiliza vapor d’água, para percolar a amostra de escória de aciaria, tornando o ensaio rápido e eficiente. Este método é normalizado na Europa (parte da norma prEN 1744-1/92 – Testes para propriedades químicas de agregados – análises químicas) e tem sido usado como critério de aceitação de escórias de aciaria para pavimentação, em diversos países europeus.
No Brasil, o método utilizado é uma adaptação feita pelo Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais do PTM-130/78. Este método é citado na norma rodoviária brasileira, DNER-EM 262/94, e específica a utilização de escória de aciaria para pavimentos rodoviários. Neste ensaio, o corpo-de-prova compactado permanece 14 dias numa estufa, sendo durante os primeiros 7 dias totalmente submerso, e os outros 7 dias apenas saturado com água.
Considerando que, Oliveira (2006) avaliou a expansibilidade das escórias de aciaria LD estudadas pelo método PTM 130/78 adaptado pelo DER/MG, faz-se necessário, investigar o método de determinação do potencial de expansão Steam Test em escórias de aciaria brasileiras, com o intuito de comparar os resultados desses métodos.
Neste contexto, esta pesquisa tem por objetivo estudar, experimentalmente, as características físicas e microestruturais e o potencial de expansão de escórias de aciaria LD não tratadas e tratadas, pelo método Steam Test.
Este estudo faz parte de projetos multidisciplinares que têm por objetivo o desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria, para fins de pavimentação. Esses projetos contam com a participação de pesquisadores de diversas áreas reunidos no NEXES (Núcleo de Excelência em Escórias Siderúrgicas). Um dos projetos é
denominado AGSPAVI (Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento visando o desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria para fins de pavimentação), resultado de um convênio firmado entre o IBS (Instituto Brasileiro da Siderurgia), a FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) e a UFES (Universidade Federal do Espírito Santo). Já o outro, projeto PAVIAMB (Avaliação do custo, avaliação ambiental e avaliação da resistência e durabilidade do pavimento construído com escória de aciaria envelhecida), é resultado de convênio firmado entre CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão), FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) e UFES (Universidade Federal do Espírito Santo).
1.2 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo geral caracterizar as escórias de aciaria LD não tratadas e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, e avaliar o potencial de expansão, segundo o método Steam Test..
Os objetivos específicos desta pesquisa são:
9 realização de revisão bibliográfica sobre escória de aciaria, suas características físicas e microestruturais, tratamentos para redução da sua expansibilidade e métodos para determinação do seu potencial expansivo;
9 estudar tecnologia de viabilização, realização e avaliação do potencial de expansão das escórias de aciaria LD, pelo ensaio a vapor, Steam Test, de acordo com a norma européia EN 1744-1:1998;
9 implantar laboratório para realização do ensaio a vapor, Steam Test, no LEMAC (Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção) da UFES (Universidade Federal do Espírito Santo), já que não há outros equipamentos no Brasil;
9 confirmar a influência do teor de óxido de magnésio no tempo de realização do ensaio Steam Test;
9 realizar ensaios de caracterização física, caracterização microestrutural e potencial de expansão nas escórias de aciaria LD.
1.3 Alguns centros de referência e estudos em escória de aciaria
Existem algumas universidades brasileiras que desenvolvem estudos na área de reciclagem de resíduos siderúrgicos, dentre eles a escória de aciaria. Na Universidade de São Paulo, o PCC (Departamento de Engenharia de Construção Civil), na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, o Norie (Núcleo Orientado a Reciclagem e Inovação da Edificação) e, na Universidade Federal do Espírito Santo, o NEXES (Núcleo de Excelência em Escórias Siderúrgicas) são alguns destes centros de pesquisa.
No exterior, o NSA (National Slag Association) nos Estados Unidos, A FEhS, na Alemanha, o CTPL (Centre Technique et de Promotion des Laitiers Siderurgiques ), na França, a Euroslag, na Europa, a Nippon Slag Association, no Japão e a ASA (Australian Slag Association), na Austrália, são algumas das associações e institutos que pesquisam escória de aciaria.
O Quadro 1.1 mostra as linhas de pesquisas de alguns centros de referência que estudam escória de aciaria.
Quadro 1.1 – Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na área de escória de aciaria.
Local Centro de referência Linha de pesquisa
PCC
USP - Reciclagem de resíduos
Norie UFRGS
- Desenvolvimento, utilização e análise do comportamento de novos materiais, com ênfase em aspectos
ambientais de uso de resíduos IPR
DNIT CST
- Construção de pista de testes, para verificação do comportamento ambiental e estrutural, com base construída em três segmentos: brita, 100% de escória de aciaria LD com
redução de expansão e 80% de escória de aciaria LD com redução de expansão e 20% de argila
Brasil
NEXES UFES
- Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento das escórias de aciaria
- Avaliação ambiental, de custo, de resistência e durabilidade do pavimento construído com escória de aciaria - Avaliação de três métodos de ensaio para determinação do
potencial de expansão de escórias de aciaria para uso em pavimentação
- Estudo experimental de compactação e expansão de escória de aciaria LD para uso em pavimentação
-Avaliação da expansibilidade da escória de aciaria LD curada a vapor para utilização em peças de concreto para
pavimentação
- Avaliação do potencial expansivo de misturas de escórias de aciaria LD com escórias de alto-forno
- Avaliação de metais e não-metais de escórias de aciaria brasileiras
Quadro 1.1 - Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na área de escória de aciaria - continuação
Local Centro de referência Linha de pesquisa
Estados Unidos
NSA Weast Virginia
University
- Uso de escória de aciaria como agregado na construção civil - Utilização de escória de aciaria para correção de acidez no
solo
Alemanha FEhS
- Utilização de escória de aciaria como agregado para concreto
- Estabilização volumétrica de escórias de aciaria - Misturas de escórias de alto-forno e de aciaria
- Escória de aciaria em ambientes aquáticos - Influência de agregados naturais e siderúrgicos em solos,
água, fauna e flora
Europa Euroslag - Produção, processo e utilização de escórias de aciaria - Escórias e as questões ambientais
Japão Nippon Slag
Association
- Melhoria da qualidade e tecnologias de aplicação de escórias de aciaria
Austrália ASA
- Utilização de escória de aciaria em pavimentações - Utilização de escória de aciaria LD em asfaltos e superfícies
betuminosas Inglaterra
University of Leeds University of
Birmingham
- Utilização de escória de aciaria como agregado em misturas betuminosas
- Uso de escória de aciaria para estabilização de solos ácidos Finlândia University of Oulu
- Utilização de escória de aciaria em pavimentação - Misturas de escória de aciaria LD com escória de alto-forno
França CTPL - Novas aplicações para escória de aciaria
1.4 Estrutura da dissertação
Para atingir o objetivo da pesquisa, foi realizada uma revisão bibliográfica com base em artigos, periódicos, normas técnicas, anais de congressos, livros e pesquisas na Internet. Com base nesta revisão, foram elaborados o capítulo 2, que expõe o processo de geração da escória de aciaria e suas principais características e aplicações, o capítulo 3, sobre tratamentos e métodos de estabilização da escória de aciaria, e o capítulo 4, que descreve os métodos de avaliação do potencial de expansão das escórias de aciaria. No capítulo 5 são apresentados os materiais, métodos e o projeto experimental. Esse capítulo descreve a geração das escórias de aciaria utilizadas, os respectivos tratamentos, a amostragem, a preparação das amostras e a descrição dos ensaios realizados neste estudo.
No capítulo 6, os resultados, de caracterização física e microestrutural e de avaliação do potencial expansivo das escórias de aciaria, são apresentados e discutidos.
O capitulo 7 apresenta as conclusões desta pesquisa e sugestões para futuros trabalhos e o capítulo 8 lista as referências bibliográficas utilizadas neste trabalho.
2
2
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ESCÓRIA DE ACIARIA
2.1 Introdução
A escória de aciaria, co-produto siderúrgico, é obtida na etapa de redução do ferro, seja na forma de gusa líquido ou na forma de ferro esponja, e possui características físicas e mecânicas tão boas quanto as das rochas graníticas. Porém, a escória possui um alto potencial expansivo, que limita sua utilização. Com o intuito de reduzir o efeito dessas reações expansivas, frente à sua utilização, foram desenvolvidos tratamentos que, aplicados à escória de aciaria, viabilizam seu uso.
Este item tem por objetivo expor o processo de geração da escória de aciaria LD, suas principais características e aplicações. Será discutido o caminho da escória de aciaria desde a sua geração até a estocagem, serão exemplificadas algumas aplicações que podem ser dadas à escória de aciaria. Também serão abordadas, neste capítulo, as características físicas e mineralógicas da escória de aciaria. Para melhor compreensão da expansibilidade da escória de aciaria, este capítulo definirá os efeitos dos principais compostos volumetricamente instáveis contidos na escória.
2.2 Geração da escória de aciaria LD
As usinas siderúrgicas atuais podem ser divididas em dois grandes grupos: usinas integradas e usinas semi-integradas. Usina integrada é aquela em que o aço é obtido a partir do ferro primário, isto é, a matéria-prima é o minério de ferro, que é transformado em ferro na própria usina, nos altos-fornos. Já a usina semi-integrada é aquela cujo aço é obtido a partir do ferro secundário, ou seja, a matéria-prima é a sucata do aço, não havendo necessidade da etapa de redução do minério de ferro (Figura 2.1) (GENTILE; MOURÃO, 2006).
Figura 2.1 – Fluxograma de produção de usina semi-integrada e integrada (IBS, 2006)
Em usinas integradas, o minério de ferro é reduzido a ferro metálico, nos alto-fornos. O alto-forno é um equipamento que recebe sinter de minério de ferro, coque e ar aquecido, e, produz: ferro gusa líquido, escória, denominada de alto-forno, e um gás. O ferro gusa, antes de ir para a aciaria, sofre pré-tratamentos específicos, como de dissiliciação, desfosforação e dessulfuração, para minimizar o efeito do Si, do P e do S (GENTILE; MOURÃO, 2006). Estes pré-tratamentos geram escórias que provavelmente são misturadas às escórias de aciaria.
A aciaria é o setor da usina onde é realizado refino primário do ferro gusa líquido, obtendo-se o aço. O processo mais utilizado nas usinas integradas é a conversão do gusa no processo LD (LD – Linz-Donawitz ou BOF – Blast Oxygen Furnace) (GENTILE; MOURÃO, 2006). No processo de fabricação do aço LD, adiciona-se ao forno primeiramente a sucata, depois, o ferro gusa líquido e, em seguida, é lançado um jato de oxigênio gasoso a alta velocidade, acima da velocidade do som (Figura 2.2) (ARAÚJO, 1997; GENTILE; MOURÃO, 2006). Depois de fundido o metal, no conversor, são adicionadas cal virgem calcítica e dolomítica. Para a eliminação de elementos indesejáveis no aço, como carbono, silício e fósforo são usados oxigênio e cal calcítica e, para proteção do revestimento refratário do forno é utilizada a cal dolomítica.
Finalmente, o aço e a escória de aciaria LD são gerados. Como o aço possui densidade duas vezes maior que a escória líquida, eles ficam separados (MASUERO et al., 2004).
Figura 2.2 – Detalhe do conversor a oxigênio (CST, 2005).
A escória de aciaria, que é mais leve, flutua sobre o aço liquido e é escoada e conduzida às baias de resfriamento. Em algumas siderúrgicas, há planta de beneficiamento, em que a escória é britada e separada granulometricamente, além de realizada a separação metálica.
Depois da aciaria, o aço segue para o refino secundário, onde também é gerada escória e, provavelmente, também é misturada à escória de aciaria.
Nas usinas semi-integradas, há uma redução direta do ferro, em que, a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma fase do processo, a fusão da carga do reator. Dessa forma, o produto metálico é obtido na fase sólida, chamado ferro esponja. Em geral o ferro esponja é usado em fornos elétricos (EAF – Eletric Arc Furnace), para obtenção do aço.
Estes dois tipos de usinas, integradas e semi-integradas, geram escórias de aciaria distintas, escória de aciaria LD e escória de aciaria EAF. Este trabalho se refere à escória de aciaria LD.
2.2.1 Transporte, resfriamento e beneficiamento da escória de aciaria A escória líquida, ou parcialmente solidificada, é conduzida, através de vagões ou potes
resfriamento pode ser por aspersão de água (Figura 2.4 a), por jatos de água (Figura 2.4 b) ou ao ar.
(a) (b)
Figura 2.3– Transporte da escória para as baias de resfriamento: (a) em vagão (PENA, 2004); (b) em pote carrier (SOUZA; POLESE, 2003).
(a) (b)
Figura 2.4 – Processos de resfriamento da escória: (a) por aspersão de água (PENA, 2004); (b) por jato de água (SOUZA; POLESE, 2003).
Em seguida, é feita a fragmentação da escória que ocorre com a ajuda de um guindaste. Nesta etapa é também realizada a separação de grandes placas metálicas, usando um eletro-imã (Figura 2.5 a), sendo que, parte destes metais voltam para o processo de fabricação do aço, como sucata. Na próxima etapa, a escória vai para uma planta de beneficiamento (Figura 2.5 b), onde é britada, separada granulometricamente e feita nova separação metálica. Este material metálico pode ser reutilizado no processo, como sucata, ou pode ser vendido para diversos fins. Nem todas as siderúrgicas possuem plantas de beneficiamento.
(a) (b)
Figura 2.5 – (a) Separação de grandes placas metálicas da escória de aciaria por eletro-ímã. (b) Planta de britagem e separação magnética e granulométrica da escória de
aciaria (SOUZA; POLESE, 2003).
2.3 Aplicações
As escórias de aciaria são muito utilizadas na engenharia civil, em lastros ferroviários (Figura 2.6 a), na produção de revestimento asfáltico (em conjunto com a escória de alto-forno), na produção de drenos, canaletas e pavimentos pré-moldados de concreto, na proteção de taludes (Figura 2.6 b), na construção de estacionamentos, aterros (Figura 2.7 a), pátios industriais, como base e sub-base de pavimentações (Figura 2.7 b), em pavimentos de estradas vicinais e como fertilizantes agrícolas.
(a) (b)
Figura 2.6 – Exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) lastro ferroviário e (b) proteção de taludes – gabiões (PENA, 2004).
(a) (b) Figura 2.7 – Outros exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) obra de aterro e
(b) pátio industrial (PENA, 2004).
Outras aplicações da escória de aciaria podem ser identificadas, como, por exemplo, sendo fonte de ferro na produção do cimento Portland férrico, em virtude do seu alto teor de ferro (GEYER et al., 1996). Na China, há mais de duas décadas é usado um cimento especial composto de escória de aciaria LD, escória de alto-forno, clínker de cimento Portland, gesso e aditivos. Este cimento de escória possui boa durabilidade comparada com cimento Portland comum (DONGXUE et al., 1997).
Na Alemanha são geradas 5,61 milhões de toneladas de escória e, deste total, 70% são aplicados na construção civil, em pavimentações, aterros e estruturas hidráulicas, 12,6% são reciclados, 6% são usados como fertilizante e, apenas, 11,4% vão para um depósito final (MERKEL, 2000).
No Brasil, existem alguns casos de sucesso na utilização de escória de aciaria em pavimentação. Um exemplo, é um trecho da BR-101 norte, nas proximidades do aeroporto de Vitória – ES. Porém, também existem casos de aplicações mal sucedidas, como o estacionamento do Vitória Apart Hospital, em Vitória-ES. A causa destas aplicações mal sucedidas é a falta de orientação adequada e os critérios técnicos na utilização de escória de aciaria (PENA, 2004).
O Quadro 2.1 apresenta algumas das aplicações da escória de aciaria com suas vantagens e limitações.
Quadro 2.1– Principais aplicações de escória de aciaria*
Aplicação Vantagens da escória Limitações uso da escória
Agregado para pavimentação
- Maior durabilidade e dureza;
- Melhor resistência à derrapagem (para utilização em camada asfáltica);
- Maior massa unitária;
- Possibilidade de execução de camadas mais finas (5%);
- Maior resistência ao desgaste;
- Maior capacidade de sustentar altas cargas; - Melhor forma dos grãos;
- Melhor consistência e adesividade (misturas asfálticas);
- Alta resistência à abrasão e ao polimento.
- Potencial de expansão**;
- Maior possibilidade de formação de tufa***;
- Elevada fissuração e lixiviação superficial.
Lastro para ferrovias
- Maior resistência ao desgaste e à abrasão; - Massa específica relativamente alta; - Melhor comportamento do lastro, quanto ao movimento lateral;
- Melhor ajustamento dos dormentes;
- Melhor intertravamento entre os grãos, devido à sua rugosidade;
- Estrutura vesicular proporciona melhor drenagem.
- Não divulgado.
Contenção e estabilização de
encostas
- Massa específica relativamente alta; - Melhor drenagem;
- Cimentação natural propicia comportamento estrutural semelhante ao de estruturas rígidas.
- Não divulgado.
Corretivo de Solos
- Alto teor calcário; - Liberação lenta de CaO;
- Teor de P2O5 solúvel, aumentando o crescimento do vegetal.
- Presença de álcalis e chumbo; - Maior custo de moagem.
* Alexandre et al. (s.d.); Oseki (s.d.); Alexandre e Raguin (1984); Anderson (1984); Emery (1984); Hirano (1984); Mass (1984); Ledezma et al. (1992); Afrani et al. (1995); Farrand e Emery (1995); Motz e Geiseler (1998); Little e Setepla (1999); Gumieri (2000); Merkel (2000); Thomas (2000); Rex (2000); Robinson (2000); Sahay et al. (2000); Geyer (2001); Motz e Geiseler (2001); Côrrea et al. (2002); Sbrighi e Battagin (2002); Beshr et al. (2003); Maslehuddin et al. (2003); Pena (2004).
** Exige o tratamento da escória de aciaria, para eliminar a presença de CaO e MgO livre.
** Originada da carbonatação da cal livre lixiviada, resultando numa massa porosa e pouco resistente que provoca o entupimento do sistema de drenagem (PENA, 2004).
É importante definir as camadas de uma pavimentação, para melhor entendimento das aplicações da escória de aciaria. Uma seção transversal típica de um pavimento é composta por um subleito, uma regularização do subleito, um reforço do subleito, uma sub-base, uma base e um revestimento (Figura 2.8). O Quadro 2.2 define cada uma destas camadas (SENÇO, 1997).
Figura 2.8 – Seção transversal típica de um pavimento (SENÇO, 1997). Quadro 2.2 – Camadas de um pavimento (SENÇO, 1997).
Camada Características
Subleito Terreno de fundação do pavimento, com aproximadamente 1 a 1,5 metros de profundidade.
Regularização do subleito
Destinada a conformar o subleito, transversal e longitudinalmente, com o projeto e deve ser executada, sempre que possível, em aterro.
Reforço do subleito Camada de espessura constante, com características tecnológicas superiores às da regularização e inferiores às da sub-base.
Sub-base Camada complementar à base, quando, por circunstâncias técnicas e econômicas, não for aconselhável construir a base diretamente sobre a regularização ou reforço do subleito. O material constituinte da sub-base deverá ter características tecnológicas superiores às do material de reforço. Base Camada destinada a resistir aos esforços verticais oriundos do tráfego e
distribuí-los.
Revestimento Também chamado de capa de rolamento, é uma camada, tanto quanto possível impermeável, que recebe diretamente a ação do tráfego e se destina a melhorar a superfície de rolamento, quanto às condições de conforto e segurança, além
O pavimento pode ser considerado composto de base e revestimento, sendo que a base poderá ou não ser complementada pela sub-base e pelo reforço do subleito (SENÇO, 1997).
2.4 Características físicas das escórias de aciaria
As propriedades físicas das escórias de aciaria são de extrema importância e têm sido estudadas e comparadas com agregados naturais e com as especificações definidas para materiais para pavimentação. O Quadro 2.3 mostra uma comparação de algumas propriedades e características físicas de materiais típicos da Alemanha e de escória de aciaria LD. Pode-se concluir, a partir desse quadro, que as escórias de aciaria podem ser processadas para gerar agregado de alta resistência (ALEXANDRE et al., s.d.; GEISELER, 1996).
As escórias de aciaria foram testadas como agregados asfálticos de alta resistência por muito anos. Seu alto desempenho em asfaltos, em relação à resistência mecânica, pode ser provado, tanto em climas quentes, como o de Singapura, quanto em climas frios, como o da Scandinavia. Os critérios de projetos tem sido feitos para o melhor uso dos agregados disponíveis, não o inverso (FEATHERSTONE; HOLLIDAY, 1998 ).
Quadro 2.3 – Comparação entre escória de aciaria, basalto e granito (GEISELER, 1996). Tipo de Agregado
Características
Escória LD Basalto Granito
Massa específica dos sólidos (Bulk density) (g/cm³) 3,1 – 3,7 2,8 – 3,1 2,6 –2,8 Determinação da resistência ao impacto em agregados
britados (Resistance to impact determined on crushed
aggregates) (8-12 mm)
(% massa)
10 – 26 9 - 20 12 – 27
Absorção de água (Absortion of water) (% massa) 0,2 – 1,0 <0,5 0,3 – 1,2* Resistência ao congelamento e degelo (Freeze/thaw
resistance
spalling < 5mm) ( % massa)
≤1,0 ≤1,0 0,8 – 2,0*
Abrasão Los Angeles (Los Angeles Test
Test aggregate particle size 8/12 mm)
(% massa)
9 – 18 ... 15 – 20
Valor de polimento de rocha (Polished Stone Value)
(PSV) 54 – 57 45 -55 45 – 55
Resistência à britagem (Crushing Strength) (N/mm²) >100 >250 >120*
A base é a mais importante camada estrutural de uma pavimentação. Os agregados podem ser rocha britada, pedregulho ou escória. Existem muitos parâmetros de projeto, incluindo: localização geográfica da estrada, materiais disponíveis, carregamento de tráfego projetado durante a vida útil da estrada, entre outros.
Requisitos específicos têm sido desenvolvidos no Brasil, para aplicações particulares de escória de aciaria. No caso de camadas de pavimentos, o DNER (DNER-EM 262, 1994) apresenta requisitos para aceitação do produto (Quadro 2.4).
Quadro 2.4 - Limites específicos de aceitação de escória de aciaria a ser utilizada em camadas de pavimentos (DNER-EM 262, 1994).
Ensaio Limites
Absorção de água (%) 1 – 2
Massa específica (g/cm3) 3 – 3,5
Massa unitária (kg/dm3) 1,5 – 1,7
Abrasão Los Angeles (%) ≤ 25
Durabilidade ao sulfato de sódio (%) 0 – 5
A Multiserv, uma empresa brasileira prestadora de serviços para a indústria metalúrgica, cita algumas características das escórias de aciaria, produto originado dos processos de fabricação do gusa e refino do aço (MULTISERV, s.d.):
• elevada resistência mecânica, aliada a uma textura rugosa e uma morfologia de alta cubicidade;
• estrutura física caracterizada por uma elevada densidade e porosidade acentuada; • coloração predominantemente cinza clara;
• elevada resistência a variações climáticas;
• alta estabilidade com longa durabilidade (vida útil) para todas as aplicações; • inexistência de material orgânico em sua composição;
• elevada resistência à abrasão (desgaste);
• intertravamento automático, produzindo uma superfície estável (excelente resistência à tração), em virtude de seu formato cúbico.
A principal questão que existe, quanto à utilização da escória de aciaria LD como um agregado de base e sub-base de pavimentação e aterro, é a possibilidade de expansão. O
efeito do somatório das contribuições das reações expansivas existentes resulta na expansão da escória de aciaria, impossibilitando, em princípio, a sua utilização (SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).
Estas reações expansivas, que ocorrem envolvendo certos compostos presentes na escória de aciaria, geram tensões internas que originam trincas e resultam até na pulverização do material. Dentre estes compostos volumetricamente instáveis, o CaO e o MgO são os mais importantes e maiores responsáveis pela desintegração e enfraquecimento, por diferença de volume molar nas suas reações (ALEXANDRE et al., s.d; GEISELER; SCHLOSSER, 1988; GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO, 2000; SAHAY et al., 2000; ÂNGULO et al., 2001).
2.5 Características mineralógicas das escórias de aciaria
A composição química da escória de aciaria é altamente variável, logo sua composição mineralógica também será muito variável. Os minerais comuns nas escórias de aciaria são olivina, merwinite, C3S, C2S, C4AF, C2F, fase RO (solução sólida de CaO, FeO, MnO e MgO) e óxido de cálcio livre (SHI; QIAN, 2000).
As principais fases minerais da escória de aciaria LD são disilicato de cálcio, diferrita de cálcio e wustita. A determinação dos teores de CaO e MgO livre é extremamente importante devido ao potencial de expansão destes compostos (GEISELER, 1996). A análise química, a difração de raios X, a termogravimetria, a análise térmica diferencial, a microscopia eletrônica de varredura e métodos do etileno glicol e do acetato de amônia são algumas das técnicas usadas para a caracterização da microestrutura da escória de aciaria (RIBAS SILVA, 2003).
A composição química é dada pela análise química centesimal. A difração de raios X permite a identificação dos compostos cristalizados (inclusive as formas alotrópicas), presentes na amostra analisada (RIBAS SILVA, 2003).
A identificação das fases cristalinas e amorfas é feita através das análises térmicas. Os métodos etileno glicol e acetato de amônia identificam o teor de CaO livre, e o segundo também identifica o MgO livre (RIBAS SILVA, 2003).
As técnicas mais utilizadas são análise química centesimal e a difração de raios X. Alguns autores também aplicam as análises térmicas (diferencial e termogravimétrica) e
a microscopia eletrônica de varredura. O método do etileno glicol é utilizado por quase todos os autores para determinação do teor de CaO livre (RIBAS SILVA, 2003).
2.5.1 Composição química das escórias de aciaria
A escória de aciaria é um resíduo da produção do aço e é composto por silicatos e óxidos de elementos não desejados na composição química do aço (ALTUN; YILMAZ, 2002). Alguns dos fatores que podem influenciar sua composição química são: matéria-prima utilizada, processo de produção, revestimento do conversor, tipo de aço produzido, forma de resfriamento da escória e sua armazenagem.
A composição química da escória de aciaria é resultante da combinação de elementos escorificantes com os elementos a serem retirados do ferro gusa e da sucata metálica, ocasionalmente matéria-prima na fabricação do aço. Silicatos de cálcio e ferritas combinadas com óxidos de ferro fundido, alumínio, manganês, cálcio e magnésio, além de outras espécies químicas que aparecem em menor escala, são alguns dos produtos resultantes desta combinação (PENA, 2004).
A formação da escória de aciaria LD envolve, principalmente, as reações de oxidação de Si, Mn e Fe e a dissolução da cal. Outros componentes são: Al2O3, Cr2, O3 e TiO2, etc., provenientes das adições de elementos secundários da carga metálica, MgO proveniente do desgaste dos refratários ou de adições, CaF2 proveniente da fluorita adicionada e P2O5 e S das reações de desfosforação e dessulfuração (MALYNOWSKYJ, 2006).
No processo de fabricação, a escória de aciaria é formada, no início do sopro do oxigênio, por elevado teores de FeO e SiO2 e os teores de CaO aumentam, à medida que este é dissolvido na escória líquida (MACHADO, 2000).
O tipo de fundente utilizado, que poder ser cal virgem ou cal dolomítica1, é um dos principais responsáveis pelas diferenças observadas na composição química das escórias de aciaria LD (MURPHY et al., 1997). O tipo de fundente influencia também a quantidade de óxido de magnésio presente na escória de aciaria, classificando-as em escórias de baixo ou alto teor de MgO.
1
A composição química das escórias de aciaria LD, das diversas siderúrgicas brasileiras, é mostrada no Quadro 2.5. Já o Quadro 2.6 mostra as composições químicas das escórias de aciaria LD, publicadas por diversos pesquisadores internacionais.
Quadro 2.5 - Composição química da escória de aciaria LD (IBS, 1999). Composição química da escória de aciaria (%) Usinas
CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO Fe/t S P2O5
CST 45.2 5.5 0.8 12.2 7.1 18.8 0.07 2.75
ACESITA 44.81 7.32 2.42 15.47 2.09 14.06 0.06 1.18
BELGO MINEIRA (Monlevade) 47.0 8.0 1.5 15.0 3.0 19.0
USIMINAS 41.4 6.2 1.4 11.0 6.3 22.0 1.8 AÇOMINAS 45.58 9.48 0.75 12.01 6.59 16.71 2.23 GERDAU – COCAIS 36.2 12.5 0.93 15.4 5.8 21.0 0.04 1.01 MANNESMANN 43.0 7.0 0.8 15.0 3.0 22.0 0.2 1.6 CSN 35.0 6.0 4.0 15.0 3.5 19.7 0.34 0.7 COSIPA 38.69 9.76 1.29 11.17 6.42 22.29 0.06 1.44
GERDAU – PAINS (EOF) 38-45 8-12 2-2.5 13-18 3-5 21-28 1.5-2.5
Quadro 2.6 - Composição química da escória de aciaria LD.
Autor CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO Fe total S P2O5
1 MURPHY et al., 1997 35 11,5 3,6 18 6,5 - - - 2 MOTZ; GEISELER, 2001 45 - 55 <3 < 3 12 – 18 < 5 18 - < 2 3 MOTZ; GEISELER, 2001 42 - 50 5 – 8 < 3 12 – 15 < 5 15 – 20 - < 2 4 GEISELER, 1999 48 - 54 1 – 4 1 - 4 11 – 18 1 - 4 14 – 19 - - 5 NSA, s.d. 42 8 5 15 5 24 0,08 0,8 6 GEORGE; SORRENTINO, 1980 47 6 1 13 5 25 < 0,1 2 7 FILEV, 2002 44,3 6,4 1,5 13,8 5,3 17,5 0,07 - 8 LITTLE; SETEPLA, 1999 36 - 46 5,5 – 12,5 0,8 - 4 11 – 15,5 - 14 - 22 - -
2.6 Expansibilidade das escórias de aciaria
A utilização da escória de aciaria, como agregado, é limitada pelos efeitos de suas reações expansivas. Estas reações envolvem determinados compostos presentes na escória, e geram tensões internas que resultam em trincas e pode até chegar à pulverização do material. Os compostos volumetricamente instáveis mais importantes, maiores responsáveis pela desintegração e enfraquecimento por diferença de volume molar nas suas reações, são o CaO e o MgO. O ferro metálico e as transformações alotrópicas do silicato dicálcico são outros fatores que contribuem para expansão da escória, porém, em menores proporções (ALEXANDRE et al., s.d; GEISELER; SCHLOSSER, 1988; GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO, 2000; SAHAY et al., 2000; ÂNGULO et al., 2001).
Nas transformações por hidratação, por carbonatação e por oxidação ocorre um acréscimo de volume, em relação às dimensões originais do cristal, e resulta na expansão destrutiva da escória de aciaria (Quadro 2.7) (MACHADO, 2000).
Quadro 2.7 - Características das espécies químicas isoladas antes e após a hidratação (WEAST, 1971)
Fórmula Nome Densidade
(g/cm3) M.mol (g/mol) Vol.Molar (cm3/mol) Variação de volume (%)a MgO Periclásio 3,58 40,31 11,26 0* Mg(OH)2 Brucita 2,36 58,33 24,72 119,5* CaO Cal 3,38 56,08 16,59 0** Ca(OH) 2 Portlandita 2,24 74,09 33,08 99,4** Calcita 2,93 100,09 34,16 105,9** Aragonita 2,71 100,09 36,93 122,6** Fe0 Ferro (metálico) 7,86 55,85 7,11 0*** FeO Wüstita 5,7 71,85 12,61 77,4*** Fe2O3 Hematita 5,24 159,69 30,48 328,7*** Fe(OH)2 Hidróxido de Fe 3,4 89,86 26,43 271,7*** FeO(OH) Goetita 4,28 88,85 20,76 192*** a
Valores calculados a partir do volume e da densidade absoluta das espécies químicas isoladas.
64,25 287,3**
CaCO3
Dolomita 2,87 184,41
CaMg(CO3)2
* Variação de volume em relação ao MgO. ** Variação de volume em relação ao CaO. *** Variação de volume em relação ao Fe0.
