Influência do óxido de chumbo no tempo de pega e na resistência mecânica do cimento Portland e cimento Aluminoso

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VI Encontro Nacional e IV Encontro Latino-americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis - Vitória – ES - BRASIL - 7 a 9 de setembro de 2011

Influência do óxido de chumbo no tempo de pega e na resistência

mecânica do cimento Portland e cimento Aluminoso

Marta Arnold (1), Eloise Ap. Langaro (2), Caroline Angulski da Luz (3) (1) Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Pato Branco, Brasil.

E-mail: marta-arnold@hotmail.com.

(2) Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Pato Branco, Brasil. E-mail: elolangaro@hotmail.com.

(3) Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Pato Branco, Brasil. E-mail: angulski@utfpr.edu.br

Resumo:Tecnologias de valorização de resíduos industriais em materiais de construção têm grande participação na contribuição econômica e social do país. Em função da natureza química do resíduo tratado, o mesmo pode tornar-se uma importante fonte de matéria prima. Muitos destes contêm compostos inorgânicos, tais como óxidos de sílica e alumina, cálcio e sulfato,indicando potencial de aplicação em cimentos e/ou concretos. Entretanto, dependendo das características do resíduo, a valorização em materiais a base de cimento Portland torna-se inviável devido à incompatibilidade da interação resíduo-aglomerante. Pesquisas têm mostrado que o cimento Portland é fortemente influenciado pela presença de alguns metais, o que compromete seu comportamento mecânico e o encapsulamento seguro do metal na matriz cimentícia. Objetivo: O objetivo desta pesquisa foi estudar a influência que o óxido de chumbo exerce no tempo de pega e na resistência mecânica dos cimentos Alumino (Secar 51) e cimento Portland V (ARI). Método/Abordagens: Para os tempos de pega, as concentrações adotadas de chumbo foram 1, 5,10 e 15% em relação à massa de cimento seguindo a NBR NM 65-2003–Determinação do tempo de pega; e para a resistência, as concentrações foram de 1, 5 e 10%, avaliada aos 7, 28 e 90 dias, seguindo a NBR 7215, referente à determinação da resistência à compressão do cimento Portland. Para ambos os testes foram confeccionadas amostras sem adição de metal. Resultados: Tanto o cimento Portland quanto o cimento Aluminoso apresentaram-se muito sensíveis a adição do metal, tendo tempos de pega fortemente retardados. Nos testes de resistência mecânica, as amostras com chumbo têm apresentado valores mais elevados, em todas as idades para os dois cimentos. Contribuições/Originalidade: Os resultados mostraram que os dois cimentos apresentaram-se sensíveis a adição do óxido de chumbo, originando um tempo de pega retardado e um aumento na resistência mecânica.

Palavras-chave: Chumbo, Tempo de pega, Resistência mecânica, Cimento Portland, Cimento Aluminoso.

Abstract: Technologies for recovery of industrial wastes in building materials have great participation in social and economic contribution of the country. According the chemical nature of the waste treated, it can become an important supply of raw material. Many of these contain inorganic compounds such as oxides of silica and alumina, and calcium sulfate, indicating potential application in cement and / or concrete. However, depending on the characteristics of the waste, the recovery in the materials based on Portland cement is not viable due to the incompatibility of the waste-binder interaction. Research has shown that the Portland cement is strongly influenced by the presence of some metals, which compromises its mechanical behavior and secure encapsulation of the metal in the cement matrix. Objective: The objective was to study the influence of lead oxide has on the setting time and on mechanical strength of cements Aluminoso (SECAR 51) and Portland cement V (ARI). Methods/Approaches: For the setting times, the concentrations of lead were taken 1, 5.10 and 15% relative to cement mass ( NBR NM-65-2003);for the compressive strength, the concentrations were 1, 5 and 10% at 7, 28 and 90 days ( NBR 721). For both tests, samples were prepared without added metal. Results: Both the Portland cement as Aluminoso cement were very sensitive to addition of the metal, taking time to get heavily retarded. In tests of strength, the samples with lead have shown higher values in

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all ages for the two groups. Contributions / Originality: The results showed that both cements were also susceptible to the addition of lead oxide, resulting in a retarded setting time and an increase in strength. Keywords: Lead, Setting time, Mechanical strength, Portland cement, Aluminates.

1. INTRODUÇÃO

Os resíduos industriais são os maiores responsáveis pelas agressões ao meio ambiente, como sobras de carvão mineral, refugos da indústria metalúrgica, resíduo químico e gás e fumaça lançados pelas chaminés das fábricas. São produtos químicos, metais e solventes que ameaçam os ciclos naturais onde são dispostos; e nos últimos anos vem crescendo a preocupação a respeito dessa disposição final e também do tratamento adequado destes resíduos (KRAEMER,2009).

Diversas indústrias geradoras de resíduos, tem se mobilizado para dar o adequado tratamento, implantando novos métodos, para que esses resíduos possam ser reutilizados sempre que possível, e descartados em locais adequados priorizando sempre a preservação do meio ambiente (SANTOS, 2009). Os subprodutos industriais podem ser aproveitados na tecnologia de materiais cimentícios. Muitas vezes é possível obter produtos com propriedades superiores a custos mais baixos e, ao mesmo tempo de reduzir o problema da eliminação dos resíduos e extração de materiais naturais (ATZENI et al., 1996).

Uma solução para realizar o tratamento dos resíduos seria a estabilização por solidificação (E/S) onde os contaminantes são aprisionados numa matriz sólida.

Ultimamente há um grande interesse em estudos relacionados com lixiviação de metais estabilizados em bases cimentícias. A imobilização de cimento é eficaz para alguns metais e para alguns resíduos, mas para outros não. (JANUSA, 2000). Além disso, a fixação química e solidificação é uma ferramenta muito eficaz e está se tornando padrão em um processo de tratamento de resíduos líquidos e de eliminação perigosa. (LAFOREST, 2004)

A ampliação dos estudos voltados para a valorização de resíduos em matrizes cimentícias faz com que seja necessário investigar soluções e conceitos, que possibilitem o conhecimento do comportamento dos possíveis contaminantes, presentes nos resíduos, e suas interações com a matriz, como é o caso dos metais (VENÂNCIO, 2010).

O chumbo é um elemento abundante em toda a crosta terrestre, utilizado desde épocas mais antigas. (LEE, 1999). O chumbo metálico é encontrado em pequenas quantidades, e combinado com o enxofre, o chumbo ocorre sob a forma de sulfeto, a galena, que é o mais abundante dos minérios de chumbo, e a partir dele é obtido o chumbo comercial (MELLOR, 1967).

O chumbo faz parte da composição da escória de fundição do chumbo. Segundo Atzeni (1996) por causa do perigo causado ao meio ambiente, seria muito significativo se a escória de fundição do chumbo pudesse se tornar inerte sendo utilizada na produção de concretos. A poluição causada por este metal, atribuída em partes ao despejo das escórias, é a causa de muita preocupação nas proximidades de usinas siderúrgicas. Testes realizados no concreto utilizado neste estudo onde houve substituição parcial ou total de areia com escória granulada, sugerem que, apesar de ter um forte potencial de neutralização de águas ácidas, o material libera quantidades significativas de chumbo, quando mantido em pH = 5. Isto implica a necessidade de dispor do material em ambientes onde a acidez não pode ser atingida pelas águas.

O efeito do chumbo na hidratação das fases do cimento tem sido amplamente estudado. Segundo o estudo de OLMO et al. (2001) o chumbo retarda o tempo de pega do cimento Portland, devido a formação de alguns componentes os quais revestem as fases do silicato. Tashiro et al. (1979) apud OLMO et al. (2001) relata que a etringita não é formada em presença do PbO. Cullinane et al.(1987) apud OLMO et al., (2001) estudou os efeitos das adições de chumbo na resistência à compressão e encontrou pequenas mudanças de resistência com relação à uma amostra de referência; e ele pode observar que em adições de até 5% do metal esse aumento pode chegar a 18%.

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Por esta razão estuda-se o comportamento dos metais incorporados a pastas de cimento, argamassas e concretos, aos cimentos Portland e Aluminoso, tudo com o objetivo de se obter os melhores resultados sem prejudicar as propriedades dos cimentos em questão, e até muitas vezes melhorando-as e fazendo assim a utilização desses resíduos de forma correta. O cimento Aluminoso foi escolhido por se tentar identificar outros aglomerantes que sejam menos sensíveis e mais eficientes diante da presença de metais pesados e também por possuir diversas propriedades particulares quando comparado ao cimento Portland, como alta resistência inicial, a qual se desenvolve mesmo sob condições de baixas e altas temperaturas; além da sua alta durabilidade ao ataque por sulfatos (FILHO, 2005). Por causa do seu desempenho em temperaturas elevadas, este cimento é adequado para construções refratárias, suas propriedades mecânicas, comportamento durante a cura e calor inicial das misturas, são decisivas para esse tipo de aplicação.

2. OBJETIVOS

Tendo em vista os danos que metais pesados podem causar ao meio ambiente, e visando o seu potencial quando incorporados a materiais cimentícios, o objetivo do estudo foi observar o comportamento do cimento Portland (ARI) e o cimento Aluminoso (SECAR 51), na presença de chumbo. A influência do metal nos cimentos foi observada através do tempo de pega e da resistência mecânica.

3. MÉTODO

Para verificar a influência que o chumbo exerce no tempo de pega e na resistência mecânica do cimento, foram utilizados dois cimentos: Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (ARI) e cimento Aluminoso (SECAR 51). As propriedades dos cimentos utilizados são demonstradas na Tabela 1. O chumbo foi empregado na forma de óxido (Figura 1).

TABELA 1 - Análise química do Cimento Portland ARI-RS e Cimento Aluminoso Secar 51

Valor do lote (%) Característica

Cimento Portland Cimento Aluminoso

Al2O3 (%) 6,18 51,6 SiO2 (%) 22,32 ** Fe2O3 (%) 3,12 2,3 CaO (%) 54,67 36,7 MgO (%) 5,10 ** SO3 (%) 3,15 ** CaO L. (%) 1,53 ** Blaine (cm2/g) 4836 4120

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FIGURA 1 – Óxido de Chumbo

3.1.Tempo de Pega

Para o tempo de pega foram adotadas concentrações de 1, 5, 10 e 15% do metal, em relação à quantidade de cimento, onde a relação água/cimento adotada foi de 0,37. Os ensaios de tempo de pega foram feitos com base na NBR NM 65 -2003 – Determinação do tempo de pega, da Associação Brasileira de Normas Técnicas.

Após a mistura dos materiais, a pasta foi colocada nos moldes já preparados, para que fosse possível medir o tempo de início e fim de pega (Figura 2). A medição das pastas foi feita com o aparelho de Vicat, onde se mediu a cada meia hora aproximadamente, a marcação da agulha, até que esta tivesse atingido aproximadamente 40 mm, ou que não fossem visíveis mais marcas da agulha na superfície da pasta. Para fins comparativos foram confeccionadas pastas de cimento sem adição de metal.

FIGURA 2 – Tempo de pega de Pastas de Cimento Portland(1) e Aluminoso(2) com Óxido de Chumbo

3.2.Resistência Mecânica

Os ensaios de resistência mecânica foram feitos baseados na NBR 7215 da Associação Brasileira de Normas Técnicas, referente à determinação da resistência à compressão do cimento Portland, a qual determina as quantidades de material, procedimento de cura e método de realização do ensaio.

O chumbo foi adicionado às argamassas nas proporções de 1, 5 e 10% em relação à quantidade de cimento. A resistência mecânica foi medida aos 7, 28 e 90 dias.

Para cada idade (7,28 e 90 dias) foram confeccionados 3 corpos-de-prova. A desmoldagem destes foi feita levando-se em consideração os tempos de pega. Os corpos de prova de chumbo com cimento Portland foram desmoldados após 70h. A cura dos corpos de prova foi feita imersa em água (Figura 3), sendo estes colocados em recipientes e depositados dentro do tanque para controle da temperatura, 23°C.

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FIGURA 3 – Cura dos corpos de prova

4. RESULTADOS

4.1.Tempo de Pega

O tempo de pega do cimento Portland foi fortemente retardado para todas as proporções utilizadas, conforme Tabela 2. Com relação ao tempo de início de pega não houve muita variação entre as amostras. O tempo de final de pega foi bastante afetado pela presença do chumbo, sendo este efeito proporcionaol à quantidade de metal. Os resultados encontrados são semelhantes aos relatados por OLMO et al. (2001), onde este fala que o PbO quando incorporado em pasta de cimento retarda a hidratação da mesma, devido a formação de uma película que reveste as fases do silicato.

TABELA 2 - Tempo de pega das pastas de cimento com chumbo

Cimento Portland Cimento Aluminoso

Tempos de pega Ref. 1 % 5% 10% 15% Ref 1 % 5% 10% 15% Início (h:min) 4:15 4:20 4:30 4:30 4:50 4:30 06:30 08:30 08:30 08:30

Fim (h:min) 7:10 32:05 70:45 70:00 78:30 06:15 08:30 13:00 14:00 15:00 Nas amostras do cimento aluminoso, percebeu-se que o chumbo aumentou os tempos de início e fim pega. Entretanto, o fim de pega foi bem menos influenciado pela presença do metal quando comparado às pastas de cimento Portland.

4.2.Resistência Mecânica

Os corpos de prova de cimento Portland com adição de chumbo apresentaram um aumento na resistência mecânica. Aos 7 dias teve-se um aumento na resistência com 1% de chumbo. Nas quantidades de 5 e 10% do metal a resistência foi inferior a da referência. Aos 28 dias teve-se um aumento na resistência para todas as concentrações do metal, e aos 90 dias a resistência ficou próxima a da referência, como pode ser visto na Figura 4.

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FIGURA 4 – Resistência mecânica de argamassa de cimento Portland com chumbo

Para o cimento aluminoso, a presença do chumbo influenciou pouco o desenvolvimento da resistência mecânica até dos 28 dias. Percebe-se pelo gráfico (Figura 5) que aos 7 e 28 dias, a resistência da amostra de referência (sem chumbo) tem valores muito próximos àquelas com 1, 5 e 10% do metal. Aos 90 dias, a resistência não reduziu, ao contrário, houve um aumento que pode ser relacionado ao fato das amostras com chumbo se apresentarem mais secas em relação à referência e, portanto, disponibilizarem menos água nas argamassas.

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FIGURA 5 – Resistência mecânica de argamassa de cimento Aluminoso com chumbo

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Pode-se observar comparando os dois cimentos, que para tempo de pega, o cimento Portland foi fortemente afetado para todas as proporções de metal utilizadas; o início de pega se manteve parecido com a referência, mas o fim de pega foi totalmente retardado pela adição do metal. Já para o cimento Aluminoso, pode-se observar que o metal retardou o tempo de pega, tanto o início quanto o fim, conforme foi aumentando percentual de metal, mas não foi tão prolongado quanto o do cimento Portland. Os resultados encontrados para o cimento Portland são semelhantes aos relatados por OLMO et al. (2001). Tashiro e Oba (1979) apud OLMO et al. (2001) relatam que o PbO retarda a hidratação do cimento logo após a adição de água, mas que esta é acelerada poucos minutos depois; e isso não pôde ser observado no trabalho, já que as pastas de cimento Portland tiveram um tempo de pega extremamente retardado.

Quanto aos ensaios de resistência mecânica, no caso do cimento Portando, observou-se que a presença do chumbo implicou uma redução da resistência aos 7 dias, mas aos 90 os valores tendem a se aproximarem daquele apresentado pela referência. Os resultados são coerentes com os tempos de pega, onde se constatou que o chumbo pode causar um retardo de até 78 h sendo esperado, portanto, forte influência na resistência aos 7 dias. Nas idades mais avançadas isso já não acontece; o que pôde ser observado também por OLMO et al. (2001), onde este diz que o PbO retarda a hidratação do cimento, mas que em períodos longos, não ocorre alteração da resistência à compressão do cimento Portland.

Para o cimento aluminoso, percebeu-se que o chumbo influenciou menos o desenvolvimento da pega e, consequentemente, menos a resistência aos 7 dias. Aos 90 dias, o óxido de chumbo causou um aumento na resistência, provavelmente relacionado ao fato das argamassas se apresentarem mais secas.

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REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 65: Determinação do tempo de pega. Rio de Janeiro: ABNT, 2003.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7215: Determinação da resistência à compressão do cimento Portland. Rio de Janeiro: ABNT, 1996.

ATZENI, C.; MASSIDA; SANNA, U. Use of granulated slag from lead and zinc processing in concrete

technology - Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali, Università di Cagliari, piazza d’Armi, Italy, 1996.

CULLINAME, M. J.; BRICKA, R. M.; FRANCINGUES, N. R. An Assessment of Materials that Interfere with

Stabilization/Solidification Processes. Report EPA/600/9-87/015, Environmental Protection Agency, WA, 1987.

FILHO, R. M. Caracterização do cimento aluminoso e sua aplicação em concretos de alta resistência (car). 2005. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – Dissertação – Universidade Federal do Paraná, Curitiba. JANUSA, A. M.; CHAMPAGNE, A. C.; FANGUY,C. J.; HEARD,E. G.; LAINE,L.P.; LANDRY,A. A.

Solidification/stabilization of lead with the aid of bagasse as an additive to Portland cement. Department of

Physical Sciences, Nicholls State University Thibodaux, USA, 2000.

KRAEMER M. E. P. Resíduos industriais e a questão ambiental associada à contabilidade aplicada ao

ambiente natural. 2005. Disponível em:< http://www.gestaoambiental.com.br/articles.php?id=62 >. Acesso em:

out. 2009.

LAFOREST, G.; DUCHESNE, J. Immobilization of chromiun (VI) evaluated by binding isotherms for ground granulated blast

furnace slag and ordinary Portland cement. Centre de Recherche sur les Infrastructures en Béton (CRIB), Département

de géologie et de génie géologique, Université Laval, Québec, QC, Canada, 2004.

LANGARO, E. A.; ARNOLD, M.; LUZ, C. A.; DIAS, G. L. Influência do óxido de zinco nos tempos de pega e

nas resistências à compressão do cimento portland e do cimento aluminoso – In: XIII Encontro Nacional de

Tecnologia do Ambiente Construído, 2010, Canela. Porto Alegre : Antac, 2010.

LEE, JOHN DAVID; Química inorgânica não tão concisa. São Paulo, SP: E. Blucher, 1999. xiii, 527 p. MELLOR, J. W. Química inorgânica moderna. 1. ed. Porto Alegre: Editora Globo: 1967. p. 843-846, 923-926. OLMO, FERNÁNDEZ; CHACON, E.; IRABIEN. A. Influence of lead, zinc, iron (III) and chromium (III)

oxides on the setting time and strength development of Portland cement. Cement and Concrete Research , Vol.

31, 2001, p. 1213–1219.

SANTOS, M. Tratamento e incorporação em argamassa de resíduos oriundos do laboratório de química. 2009. 39P. Curso Superior de Tecnologia em Controle de Processos Químicos – Trabalho de conclusão de curso- Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco.

TASHIRO, C.; OBA, J.; AKAMA, K. The effects of several heavy metal oxides on the formation off ettringite

and the microstructure of hardened ettringite. Cement and Concrete Research , Vol. 9, 1979, p. 303-308.

TASHIRO, C.; OBA, J. The effects of Cr2O3, Cu(OH)2, ZnO and PbO on the compressive strength and the

hydrates of the hardened C3A paste. Cement and Concrete Research, Vol. 9, 1979, p. 253-258.

VENÂNCIO, C.; ROCHA, C. J.; CHERIAF, M. Avaliação da influência dos metais pesados em matrizes

cimentíceas. In: XIII Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído (ENTAC), out. 2010, Canela.

Porto Alegre.

AGRADECIMENTOS