ANÁLISE DO COMPORTAMENTO PIEZORESISTIVO DA MATRIZ DE CONCRETO CONTENDO RESÍDUO DE LODO PROVENIENTE DO TRATAMENTO DE EFLUENTES DA INDÚSTRIA METAL-MECÂNICA
Araujo, A.R.(1); Guimarães, C.L.(1); Escobar, C. F. (1); Scarabelot, E. G.(1); Jurado, J.R.(1); Sousa, V.C.(1);
(1) UFRGS
andri.araujo@gmail.com
RESUMO
Conhecer e estudar as propriedades do concreto com e sem a incorporação de resíduos é uma forma de propor melhorias na construção civil e contribuir com o desenvolvimento sustentável. Este trabalho propõe investigar o efeito da incorporação de resíduos, como o lodo proveniente do tratamento de efluentes da indústria metal-mecânica, na piezoresistividade do concreto. O lodo é um resíduo da indústria metal mecânica proveniente do tratamento de efluentes do processo de revestimento do aço. A piezoresistividade é uma propriedade elétrica que descreve a variação de resistência elétrica de alguns materiais quando submetidos a esforços e deformações mecânicas. Para esse estudo foram confeccionados corpos de prova cúbicos com uma matriz de concreto com e sem adição do resíduo e realizado um ensaio de compressão sendo aplicado uma carga entre 0,10 a 10KN e registrando a resistência elétrica correspondente pelo método de quatro pontas. A pesquisa tem caráter exploratório, portanto os ensaios realizados não tiveram temperatura e umidade controladas. Observou-se uma variação da resistividade elétrica mediante a oscilação da pressão mecânica em todas as amostras. A incorporação do resíduo não alterou o comportamento piezoresistivo.
INTRODUÇÃO
Este item faz-se inicialmente a apresentação do trabalho, mostrando a importância e a motivação que levaram a este tema. Este trabalho tem como objetivo investigar o efeito da incorporação de resíduos, como o lodo proveniente do tratamento de efluentes da indústria metal-mecânica, na piezoresistividade do concreto.
O reaproveitamento de resíduos de diversas fontes é comum desde as sociedades antigas, porém anteriormente a incorporação desses descartes na construção civil era realizada de maneira empírica. Desde a década 90 foi intensificado o desenvolvimento de pesquisas relacionadas sobre a influência da utilização de resíduos nas propriedades desses materiais. Em cerâmicos e compósitos muito se observa em relação ao aumento da resistência mecânica com a adição de resíduos (1).
Diversas formas de descarte de resíduos como, por exemplo, o uso de caliças e pneus triturados como agregado, incorporação da borracha de pneus em matriz asfáltica, sendo o primeiro exemplo o mais utilizado.
Pode-se definir piezoresistividade como uma propriedade que descreve a mudança da resistência elétrica de materiais submetidos a esforços mecânicos, está relacionada com a variação da mobilidade de cargas livres nos materiais. A principal aplicação das piezo-resistências é como sensores, como por exemplo em detectores de aceleração, os airbag dos automóveis. O efeito piezoresistivo é distinto do efeito piezoelétrico, os piezoresistivos sofrem uma mudança na sua resistência elétrica ao serem pressionados ou deformados, enquanto que os materiais piezoelétricos geram uma tensão.
A resistividade elétrica é uma propriedade física do concreto que indica a sua resistência à passagem de corrente elétrica. A resistividade do concreto está relacionada com a vida útil das estruturas, pois é um dos parâmetros importantes para determinar o risco de corrosão em estruturas de concreto armado (2) (4).
Esse efeito é mais comum em materiais semicondutores, como o silício ou germânio. A piezoresistividade em corpos de provas de concreto foi observada por Billig (2013), ao adicionar nanotubos de carbono obteve em seus ensaios compatíveis com a propriedade analisada (4).
Portanto, neste trabalho pretende-se avaliar a piezoresistividade do concreto com e sem resíduo tendo em vista observar a influência da adição do lodo no comportamento piezoelétrico do concreto.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para realizar os ensaios propostos foram moldados corpos de prova de dimensões aproximadas 40 mm de diâmetro e 80 mm de altura.
Materiais utilizados:
Cimento CP IV: a norma que determina as especificações dos cimentos Portland é a NBR 5732;
Areia fina: os agregados para uso em concreto são regidos pela NBR 7211; Água destilada
Lodo proveniente do tratamento de efluentes da indústria metal-mecânica: resíduo do tratamento de efluentes do processo de revestimento do aço, processo que tem como finalidade preparar a superfície metálica para o uso e prolongar a sua vida útil (3). A Figura 1 ilustra o lodo já preparado previamente no moinho de bolas por 1 hora para incorporação na matriz de concreto.
Figura 1: Lodo após 1 hora no moinho de bolas. Fonte: Autor, 2016.
Para realização do ensaio de piezoresistividade através do método de quatro pontas, conforme o circuito esquematizado na Figura 2. A partir desse circuito foram realizadas as medida a fim de determinar a resistividade da amostra em diferentes carregamentos de compressão.
Figura 2: Esquematização circuito, método de quatro pontas. Fonte: Autor, 2016.
Os valores obtidos nos ensaios foram tratados através da Equação A, que determina a resistividade da amostra. Durante o ensaio também foi determinada a resistência à compressão dos corpos de provas ensaiados.
(A)
ρ: resistividade elétrica da amostra (ohm.m) V: tensão, valor lido nos eletrodos internos (Volts) I: corrente, valor lido nos eletrodos externos (Ampere) A: área da seção (m²)
L: distância entre os eletrodos (m)
A Figura 3 demonstra os equipamentos utilizados para realização do ensaio de piezoresistividade. A prensa eletromecânica Instron 3369 na Figura 3a, a Fonte de Alimentação de bancada YAXUN PS 305D ligada em série ao Multimetro de bancada Tektronix DMM 4040 e o Multímetro Portátil na Figura 3b.
A velocidade do ensaio de compressão foi fixada em 1 mm/min fazendo pausas no equipamento a cada patamar de carga de 1kN. Em cada pausa da prensa foram aplicadas tensões elétricas em corrente contínua (DC) de 0, 1, 5, 10, 15 e 20V, nos circuitos com a utilização da fonte de alimentação. O multímetro de bancada ligado
em série com a fonte com o objetivo de medir a corrente no circuito e o multímetro portátil a tensão nos eletrodos internos da amostra.
Figura 3: Equipamentos ensaio piezoresistividade. Fonte: Autor, 2016.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Conforme apresentados na Tabela 1, os valores de absorção de água, porosidade aparente e densidade aparente das amostras analisadas. Pode-se observar que adição do resíduo tornou a amostra mais porosa, consequentemente houve uma maior absorção de água. A porosidade aparente não se encontra dentro do esperado para concretos, geralmente esses valores ficam em torno de no máximo 18%, os resultados podem ser atribuídos ao processo de confecção dos corpos de prova e as suas dimensões diferem-se do usual.
Tabela 1: Absorção de Água, Porosidade Aparente e Densidade Aparente das amostras. Fonte: Autor, 2016.
Absorção de Água Porosidade Aparente Densidade Aparente CP-REF 12,80524 24,61271 1,922081 LF 05 14,40017 26,36221 1,830688
Quanto a resistência a compressão não foi possível fazer um comparativo entre
3a)
prensa utilizada no ensaio. A amostra de referência suportou uma carga superior a 10kN, enquanto o corpo de prova com o resíduo incorporado suportou uma carga de 9kN, equivalente a 7,16 MPa. Os valores de resistência mecânica e porosidade aparente relacionam entre si, quanto maior a porosidade do concreto, menor a sua resistência.
Para determinar a resistividade do corpo de prova da matriz de concreto foram realizados os ensaios tomando os valores de tensão e corrente da amostra para assim definir a sua resistividade em diferentes tensões e cargas de compressão aplicadas.
As Tabelas 2 e 3 demonstram os valores de resistividade obtidos variando a tensão aplicada na fonte de 0V a 20V e a força de compressão de 0 a 5kN. Sem a aplicação de carregamento mecânico a amostra de referência apresentou menor resistividade que a amostra com resíduo. Observa-se que em cargas mais altas, 3 a 5kN, os valores de resistividade seguem um padrão tanto na amostra de referência quanto na que possui lodo em sua matriz. O comportamento resistivo entre a amostra com lodo e a de referência foram bem aproximados, porém com uma magnitude um pouco menor no corpo de prova com o resíduo.
Tabela 2: Resistividade do corpo de prova de referência, unidade em kΩ.cm. Fonte: Autor, 2016. Tensão aplicada no circuito (fonte) 0kN 1kN 2kN 3kN 4kN 5kN 0 V 951270,200 6371,263 18692,980 18347,620 20574,630 15016,430 1 V 672214,900 51731,370 30695,980 33964,830 35217,300 36401,930 5 V 83592,610 8968,306 7226,185 3062,118 2868,084 2724,439 10 V 50594,090 7173,736 6003,974 5192,248 4179,494 4000,145 15 V 34480,570 7053,665 5494,049 4754,932 4774,275 4687,339 20 V 24041,870 7155,502 5589,509 5077,836 5157,286 4841,978
Tabela 3: Resistividade do corpo de prova com incorporação de 5% de lodo, unidade em kΩ.cm. Os valores negativos dependem da amostra. Fonte: Autor, 2016.
Tensão aplicada (fonte) 0kN 1kN 2kN 3kN 4kN 5kN 0 V 392352900,000 -166739,170 16251,077 9074,638 7408,353 21319,596 1 V 4091626,400 -5327336,500 16489,375 6760,538 6928,308 14358,095 5 V 1107143,750 -163400,410 -1803,349 -5625,373 -5417,453 -7128,132 10 V 713502,516 -67950,721 -4238,232 -6009,795 -4314,472 -7044,859 15 V 451660,681 -41120,636 -3699,364 -3619,943 -4790,179 -3434,580 20 V 607305,473 -38601,187 -3676,219 -3088,012 -3859,617 -4403,037
Conforme citado anteriormente o comportamento piezoresistivo foi observado nas duas amostras analisadas. A Figura 4 ilustra uma relação entre os valores limites de resistividade e o risco de corrosão de estruturas de concreto, todas as resistividades obtidas das amostras analisadas estão dentro do critério de risco baixo.
Figura 4: Critérios de avaliação do risco de corrosão do concreto referenciados com sua resistividade. Fonte: Araujo, 2014 (5)
Conforme demonstrado na Figura 5 a representação gráfica dos valores apresentados nas tabelas anteriormente discutidas. A Figura 5a) representa a variação da resistividade das amostras sem aplicação de carga, pode-se observar uma escala maior do comportamento piezoresistivo principalmente em baixa tensões. A aplicação de uma força de compressão de 5kN, conforme ilustrada na Figura 5b), restringiu a uma menor variação na escala de resistividade, pode-se observar o comportamento semelhante das amostras diante da variação de tensões
aplicadas no circuito. Foram omitidos os valores obtidos na resistividade a uma tensão de 0V afim de otimizar a visualização e o comparativos dos resultados.
Figura 5: Relação entre a resistividade do corpo de prova de referência e o que possui 5% de lodo. 5a) Ensaio sem aplicação de carga mecânica. 5b) Ensaio com aplicação de 5kN de força. Fonte: Autor, 2016.
O comportamento de cada amostra conforme a variação da força de compressão ilustrado na Figura 6, demostra principalmente que em baixas pressões mecânicas as amostras tiveram valores mais altos de resistividade. Tanto a amostra de referência, Figura 6a), quanto na que houve a incorporação de 5% de lodo, Figura 6b), é possível observar o efeito da força de compressão da resistividade medida.
Figura 6: Resistividade em relação a força de compressão aplicada na amostra. 6a) Matriz de concreto de referência. 6b) Matriz de concreto com adição de 5% de lodo. Fonte: Autor, 2016.
6a) 6b)
CONCLUSÕES
Conforme observado nas análises apresentadas a adição do lodo proveniente do tratamento de efluentes da indústria metal-mecânica não afetou o comportamento piezoresistivo do concreto. Houve uma diminuição nos valores de resistividade obtidos na amostra com o resíduo de lodo incorporado, porém como apresentado não afetaria o seu desempenho quanto aos critérios de risco de corrosão de estruturas de concreto, fator que influência na vida útil das construções.
O aumento da força mecânica aplicada nos corpos de prova causou a diminuição da resistividade, a esta característica observada nos ensaios pode-se atribuir a compressão dos vazios na amostra.
REFERÊNCIAS
(1) CICHINELLI, G. Cimento não é tudo igual, não! PINI: Equipe de Obra. São
Paulo, Ed16, n.1, p.1-2. 03/2008. Disponível em:
http://equipedeobra.pini.com.br/construcao-reforma/16/artigo76288-2.aspx.
(2) CALMON, J. L. Resíduos industriais e agrícolas. Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: IBRACON, 2010.
(3) MANTOVANI, F. Viabilidade do uso de lodo de fosfatização como pigmento em matriz de cimento Portland branco. São Leopoldo, 2014. 161p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Unisinos, São Leopoldo. 2014.
(4) BILLIG, J. D. Compósitos Cimentícios Reforçados com Nanotubos de Carbono: Investigação das Propriedades Térmicas, Elétricas e Piezoresistivas. Porto Alegre, 2013. 64p. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Civil) – Departamento de Engenharia Civil da Escola de Engenharia da Universidade
(5) ARAUJO, A.; PANOSSIAN, Z.; OLIV, K. J; FILHO, M. L. P.. Técnicas de medição da resistividade elétrica em estruturas atmosféricas de concreto convencional. TECHNE, São Paulo, Ed. 210, p. 1-4. 09/2014. Disponível em: http:// http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/210/artigo326947-1.aspx
ANALYSIS OF THE PIEZORESISTIVE BEHAVIOR OF CONCRETE CONTAINING
RESIDUAL SLUDGE FROM WASTEWATER TREATMENT OF
METAL-MECHANICAL INDUSTRY
ABSTRACT
Knowing and studying the properties of concrete with and without the incorporation of waste is one way to propose improvements in construction and contribute to sustainable development. This paper proposes to investigate the effect of incorporation of waste, as the sludge from wastewater treatment of the metal-mechanics industry, on piezoresistividade of concrete. The sludge is a metal mechanics industry waste from the wastewater treatment of the coating process of steel. The piezoresistividade is an electrical property that describes the variation of electrical resistance of some materials when subjected to mechanical FORCES AND deformations. Cubic specimens with an array of concrete with and without addition of the waste were made for this study as well as a compression test was done by applying a charge (a load of) between 0.10 to 10kN and registering the corresponding electrical resistance by four points. The research is exploratory, therefore the tests did not have temperature and humidity controlled. all the samples showed a variation of electrical resistivity by mechanical pressure oscillation. the incorporation of the waste did not alter the Piezoresistive behavior.
