CARACTERIZAÇÃO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO FABRICADOS EM EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS COM A ADIÇÃO DE AREIA DE FUNDIÇÃO RESUMO

CARACTERIZAÇÃO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO FABRICADOS EM EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS COM A ADIÇÃO DE AREIA DE FUNDIÇÃO

F. A. Watanabe, M. R. do Nascimento, E. Gemelli, N. H. A. Camargo

Universidade do estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Departamento de Engenharia Mecânica, Campus Universitário Avelino Marcante, Bairro Bom Retiro, Caixa Postal

631, CEP 89223-100, Joinville/SC (Brasil)

RESUMO

O objetivo do trabalho foi de estudar a influência da adição de areia de fundição residual não-fenólica na fabricação de pavimentos de concreto. Os pavimentos foram fabricados com dois traços tanto por vibração quanto por vibro-compressão em equipamentos industriais. Por vibração, e principalmente com a adição de resíduo (agregado miúdo), tem-se um aumento da área de transição pasta/agregado, resultando em um aumento de vazios e na formação de grandes cristais de Ca(OH)2, diminuindo a resistência mecânica. Por vibro-compressão obteve-se um melhor empacotamento das partículas, principalmente com a adição de resíduo, e uma diminuição da distância de transição pasta/agregado, eliminando a formação de grandes precipitados de Ca(OH)2 e, por consequência, aumentando a resistência mecânica. As análises por difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura em pastas de cimento com resíduo mostram que a bentonita e o pó de carvão presentes no resíduo podem influenciar sensivelmente na hidratação do cimento. Nos ensaios de lixiviação e de solubilização, os resultados mostraram que o resíduo não tem nenhuma influência negativa na concentração dos elementos químicos analisados e, portanto, não apresenta impacto ambiental.

INTRODUÇÃO

Dentro do conceito de Desenvolvimento Sustentável, a construção civil ocupa papel de destaque. Em primeiro lugar movimenta grande quantidade de concreto (2.700 kg/habitante) perdendo apenas para água (11.000 Kg/habitante). O segundo destaque é a possibilidade de tratamento de resíduos com cimento Portland cuja vantagem deve-se à possibilidade de solidificação e estabilização química ou mecânica de elementos químicos do resíduo considerados noviços à fauna e à flora. O terceiro destaque é a possibilidade de usar resíduo sólido como matéria-prima na fabricação de argamassa ou concreto. A literatura mostra que vários tipos de resíduo podem ser usados no concreto ou argamassa (1-3). De modo geral, o uso desses resíduos no concreto ou argamassa não apresenta impacto ambiental significativo e em alguns casos melhora certas características ou propriedades do material. Na verdade, a grande maioria dos materiais usados na construção civil são fabricados com matéria-prima proveniente de recursos naturais. Sendo assim, o uso de resíduo como matéria-prima ajuda a preservar o meio ambiente. Além disso, tem-se também diminuição de custos com a disposição final do resíduo.

O objetivo desse trabalho foi de estudar a viabilidade técnica do uso da areia de fundição de descarte como matéria-prima na fabricação de pavimentos de concreto. Essa areia de fundição residual não é fenólica e é classificada como resíduo classe II, conforme NBR 10004, e foi fornecida pela empresa Menegotti Indústria Metalúrgica Ltda de Schoereder/SC.

Hoje em dia observa-se um crescente interesse pela utilização dos pavimentos em vias urbanas, praças, terminais de cargas e até mesmo em aeroportos. Daí a motivação desse trabalho em fabricar pavimentos de concreto. A Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) criou o selo de qualidade para blocos e pavimentos (4) para assegurar a qualidade e comprometimento de todos os processos de fabricação do pavimento em uma empresa que fabrica estes artefatos.

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais utilizados

O aglomerante utilizado foi o cimento Portland CP II – F 32 por ser comum no mercado e também por ser recomendado para fabricação de pavimento de concreto simples ou armado. Os agregados miúdos utilizados foram a areia comum de construção civil e o resíduo areia de fundição. O resíduo foi fornecido pela Empresa Menegotti Indústrias Metalúrgicas Ltda, localizada no município de Shoereder/SC, sendo classificada como resíduo Classe II - não perigoso e não fenólico. Como agregado graúdo foi utilizado a Brita 1 que possui dimensões entre 9,5 a 19 mm e densidade de 1.590 kg/m3. A água utilizada para fabricação do concreto foi proveniente da rede de abastecimento do município de Jaraguá do Sul – SAMAE.

Fabricação dos pavimentos

Foram usados traços comerciais para a fabricação dos pavimentos de concreto, conforme mostra a tabela I. A mistura desses materiais foi efetuada em uma betoneira de 320 litros de capacidade, sendo que a relação água/cimento (a/c) utilizada foi de 0,37. Em seguida, o concreto foi transportado por meio de esteira transportadora inclinada até os moldes dos pavimentos que ficam instalados na plataforma do equipamento. Foram utilizados dois equipamentos industriais da marca Menegotti para a moldagem e compactação do concreto; um dotado apenas de vibração mecânica, modelo MBM-3, e outro dotado de vibração associada à compressão mecânica, modelo MBM-4. Foram fabricados pavimentos com dimensões 100 mm x 200 mm x 80 mm, conforme exigido pela NBR – 9781. Na fabricação dos pavimentos de concreto com o equipamento de vibro-prensagem foi aplicada, através do contra-molde, uma pressão de trabalho de 1,1 MPa em cada pavimento. Para cada traço e processo diferentes foram fabricados 50 corpos-de-prova. Após a desmoldagem, os pavimentos foram empilhados sobre um pallet com espaçadores de madeira e deixados no tempo para cura natural.

Foram fabricados também 10 corpos-de-prova de argamassa com 25% de areia de fundição em substituição à areia comum com a finalidade de verificar o efeito da granulometria sobre as propriedades mecânicas e para realizar os ensaios de lixiviação, análise de massa e solubilização. A argamassa foi feita em moldes cilíndricos de 50 mm de diâmetro por 100 mm de altura com traço 1:4 (cimento:areias) e com relação a/c de 0,37. Cada corpo-de-prova foi moldado em 3 camadas sendo que cada camada foi adensada manualmente com 20 golpes, utilizando-se um soquete padrão. Após 24 h os corpos-de-prova foram desmoldados e submersos em água alcalina por 28 dias.

Tabela I. Traços dos corpos-de-prova (CP) dos pavimentos fabricados com equipamentos industriais. CP Traço (massa) Cimento:Brita 1:Areia Comum:Areia de fundição a/c = 0,37 % de resíduo nos agregados % de resíduo na areia comum A 1 : 2,85 : 3,15 : 0.00 0 0 B 1 : 2,85 : 2,36 : 0.78 13% 25%

Caracterização dos pavimentos

Os pavimentos foram investigados através de ensaios de compressão, ensaios de lixiviação, de análise de massa e de solubilização e analisados através da difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os ensaios de compressão foram realizados com uma taxa de compressão de 0,05 MPa/s em uma prensa hidráulica da marca EMIC, modelo PC200. A amostragem e os ensaios de lixiviação, de análise de massa e de solubilização foram realizados pela empresa Essencis Soluções Ambientais de Curitiba / PR conforme as normas NBR 10007, 10005 e 10006, respectivamente. Para o estudo microestrutural no MEV da marca Zeiss, modelo DSM 940A, os corpos-de-prova foram secados em estufa (1 hora a 70 oC) e metalizados com ouro até uma espessura de aproximadamente 12 nm, usando-se um

metalizador BALTEC/SCD 050 Sputter Coater. A análise por DRX foi realizada entre 5° a 70°, com velocidade de varredura de 2°/min. Utilizou-se o equipamento da marca SHIMADZU (XDR 6000), com alvo de cobre, que possui emissão predominante no comprimento de onda Kα = 1,5406 Å.

A análise por MEV e DRX foi realizada em pastas de cimento puro, cimento com 1% de bentonita e 0,2% de pó de carvão (concentração aproximada para traço com 1 cimento : 2 areia comum : 1 areia de fundição), cimento com 15 e 30% de bentonita, cimento com 15 e 30% de pó de carvão e cimento com 7,5 ou 15% de bentonita e 7,5 ou 15% de pó de carvão, respectivamente. Essas misturas foram feitas com altas concentrações de resíduo para poder ver seus efeitos na hidratação do cimento por DRX. Na areia de fundição tem-se essencialmente areia (sílica), em torno de 1% de bentonita e 0,2% de pó de carvão, em peso. Tendo em vista que a areia é considerada inerte, ela foi subtraída das misturas para não dificultar as análises. As pastas foram obtidas após 3 min. de mistura em uma argamassadeira de 5 litros de capacidade com as seguintes relações água/cimento (a/c), de acordo com a norma MB – 3433: 0,33 para cimento puro, 0,34 para cimento com 1% bentonita e 0,2% pó de carvão, 0,44 e 0,58 para cimento com 15 e 30% Bentonita, respectivamente, 0,30 para cimento com 15 ou 30% Pó de Carvão, e 0,38 ou 0,43 para cimento com 7,5 ou 15% Bentonita mais 7,5 ou 15% Pó de Carvão, respectivamente. Os corpos-de-prova foram submetidos a um período de cura inicial de 24 h ao ar seguido de cura em água saturada de cal.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Ensaio granulométrico das areias

A figura 1 apresenta a curvas granulométricas da areia de fundição residual e da areia comum comparadas com os valores mínimos e máximos recomendados. Nota-se que a curva granulométrica do resíduo encontra-se quase que completamente fora dos limites recomendados para confecção de pavimento de concreto. Interpreta-se o resultado como agregado muito fino em relação ao recomendado. Por outro lado, a curva granulométrica da areia comum encontra-se quase que totalmente dentro dos

limites recomendados para confecção de pavimento de concreto. Interpreta-se o resultado como agregado adequado em relação ao recomendado.

Figura 1. Curva de distribuição granulométrica da areia de fundição residual (resíduo) e da areia comum frente aos limites mínimos e máximos recomendados para os

agregados miúdos destinados à fabricação de pavimento.

Ensaios de compressão

A figura 2 mostra os valores médios da resistência à compressão após 30 dias de cura de 10 corpos-de-prova de cada traço fabricados com vibração e com vibro-compressão, respectivamente. De acordo com os resultados da figura 2, a resistência dos pavimentos confeccionados com vibração diminui com o aumento da concentração de resíduo. Para os pavimentos sem resíduo (A) o valor da resistência média à compressão foi de 15,47 MPa. Para os pavimentos com 25% de incorporação de areia de fundição em substituição a areia comum (B) a resistência média à compressão foi de 12,37 MPa aos 30 dias de cura, ou seja, 20 % inferior. De acordo com os ensaios de compressão nos corpos-de-prova de argamassa, essa diminuição da resistência não está relacionada com a diminuição relativa de ligante (cimento) devido à diminuição da

granulometria do agregado muído total, pois os valores de resistência à compressão das argamassas foram os mesmos para os materiais com ou sem resíduo. Por outro lado, a resistência média dos pavimentos A e B fabricados por vibro-compressão aumentou com o tempo de cura. Para os pavimentos sem resíduo (A), o valor da resistência média à compressão foi de 25,37 MPa. Para os pavimentos com 25% de incorporação de areia de fundição em substituição à areia comum (B), a resistência média à compressão atingiu 32,23 MPa aos 30 dias de cura.

Observou-se também que a resistência mecânica depende do processo de fabricação, como mostra a figura 2. A resistência média à compressão dos pavimentos confeccionados em equipamento com vibro-compressão hidráulica foram superiores aos produzidos em equipamento com vibração, independente da incorporação de resíduo. A diferença representou 63,88 % de aumento de resistência para o pavimento sem areia de fundição (traço A) e 160,55% com areia de fundição (traço B).

Os equipamentos possuem concepção diferente, com vibro-compressão hidráulica o equipamento promove, além da vibração, uma pressão de 1,1 MPa em cada pavimento por meio de um cilindro hidráulico. Este sistema permite a obtenção de um pavimento melhor compactado, ou seja, com menor porosidade.

15,48 12,37 25,37 32,23 0 5 10 15 20 25 30 35

Sem areia de fundição Com areia de fundição

MP

a

Equipamento com vibração Equipamento com Vibro-compressão hidráulica

Figura 2. Comparação da resistência média à compressão dos pavimentos de concreto com 30 dias de cura, fabricados por vibração e por vibro-compressão.

Análise microestrutural dos pavimentos

Nos pavimentos fabricados por vibração observou-se uma formação maior de vazios na interface pasta/agregados. Como consequência, houve a formação de grandes cristais de hidróxido de cálcio nessa zona como pode ser observado na figura 3. Essa zona de transição, que é a porção da pasta de cimento em contato com o agregado, é caracterizada por ser uma região com maior porosidade decorrente da elevação da relação água/cimento devido ao filme de água que se forma em torno do agregado, principalmente o agregado graúdo. Tendo em vista que os pavimentos foram compactados por vibração, a tendência é de aumentar essa zona de transição e, portanto a quantidade de água nessa região, favorecendo a precipitação de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2. De acordo com a figura 3, observa-se a também que houve pouca

formação de C-S-H entre os agregados prejudicando desta forma a integridade do pavimento. Portanto, Pode-se concluir que o equipamento dotado apenas de vibração gerou a formação de grandes vazios em torno dos agregados, aumentando localmente a relação a/c e, conseqüentemente, proporcionando a formação de grandes cristais de Ca(OH)2.

Nos pavimentos fabricados com vibro-compressão hidráulica não foi observado a formação de cristais de hidróxido de cálcio. A combinação de vibração e compressão durante a fabricação dos pavimentos proporcionaram um material com menos porosidade e conseqüentemente sem vazios significativos para a formação de grandes cristais de Ca(OH)2. A compactação aumentou também devido ao resíduo (material

mais fino) que preencheu melhor os vazios dos agregados mais grossos, ou seja, teve-se um melhor empacotamento e, conteve-seqüentemente, uma maior resistência mecânica. Os silicatos hidratados C-S-H, que são os principais responsáveis pela resistência mecânica, apresentaram uma morfologia bem desenvolvida entre os agregados, conforme pode-se observar sobre o corpo-de-prova B (figura 4).

Figura 3. Formação do hidróxido de cálcio e porosidade observada sobre os pavimentos de traço B, fabricados por vibração.

Figura 4. Morfologia do C-S-H e ausência de grandes cristais de Ca(OH)2

nos pavimentos de traço B, fabricados por vibro-compressão.

Análise por DRX e MEV de pastas de cimento com bentonita e pó de carvão

A tabela II mostra resumidamente as fases identificadas por difração de raios X nas pastas hidratadas com 3 e 28 dias de cura. As fases observadas em cada amostra foram as mesmas, independente do tempo de cura (3 ou 28 dias de hidratação). Para concentrações acima de 7,5% de bentonita e de pó de carvão observa-se a presença de bentonita (quartzo e montmorilonita) e de pó de carvão livres nas pastas de cimento. As demais fases são as mesmas em todas as amostras, mostrando que não há formação de novas fases. No entanto, com a adição de bentonita observa-se uma quantidade maior de picos de C-S-H. De acordo com Taylor(5), os silicatos hidratados podem apresentar uma variação na relação Si/Ca, tendo como consequência uma variação na estequiometria assim como uma maior cristalização das fases do tipo C-S-H para um aumento na relação Si/Ca. Para as amostras contendo bentonita (composição típica na forma de óxidos: 54,70% SiO2, 18,44% Al2O3, 5,83% Fe2O3,

3,22% MgO, 0,48% TiO2, 0,56% CaO, 1,07% Na2O, 0,50% K2O e 15,20% de perda ao

fogo) ocorre um aumento na relação Si/Ca. Com isso tem-se provavelmente uma variação de composição dos silicatos hidratados com relação àqueles de cimento sem bentonita. Além disso, a maior quantidade de picos de C-S-H observada sugere uma maior cristalização dos silicatos hidratados em presença de bentonita.

Tabela II. Resultado da difração de raios X em pastas de cimento com bentonita e pó de carvão.

Argamassas Fases identificadas com 3 ou 28 dias de hidratação

Cimento puro C3S, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H Cimento + 1% bentonita +

0,2% pó de carvão

C3S, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H Cimento + 15% bentonita C3S, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H,

Ca(OH)2/quartzo, montmorilonita

Cimento + 30% bentonita C3S, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H, Ca(OH)2/quartzo, montmorilonita

Cimento + 15% pó de carvão

C3S/carbono, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H

Cimento + 30% pó de carvão

C3S/carbono, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H

Cimento + 7,5% bentonita + 7,5% pó de carvão

C3S/carbono, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H, Ca(OH)2/quartzo, montmorilonita

Cimento + 15% bentonita + 15% pó de carvão

C3S/carbono, C2S, CaSO2.2H2O (gipsita), CaSiO3, CaCO3, Ca(OH)2, C-S-H, Ca(OH)2/quartzo, montmorilonita

Nas análises por MEV foi observado uma maior presença de etringita nas pastas contendo resíduo (figuras 5 a 8). Quanto maior a concentração de resíduo (bentonita e/ou pó de carvão) maior a quantidade de etringita. Isso se deve ao fato de que a bentonita e o pó de carvão, composto essencialmente de carbono e 1,5% de enxofre, contém elementos químicos formadores da etringita (Al, Ca e S). Durante a mistura, pelo menos parte destes elementos entram em solução e reagem com o cimento favorecendo a formação da etringita. Nas análises metalográficas foi observado a

presença de partículas de pó de carvão na pasta de cimento com concentrações iguais ou superiores a 7,5% de pó de carvão, confirmando as análises por difração de raios-X que também indicavam a possibilidade de sua presença (livre) nas pastas de cimento.

Figura 6. Microestrutura da amostra de cimento Portland com 30% de bentonita, com 3 dias de hidratação mostrando os cristais de etringita. Figura 5. Microestrutura da amostra

de cimento Portland sem resíduo, com 3 dias de hidratação mostrando os cristais de etringita.

Pó de

carvão _carvão Pó de

Figura 7. Microestrutura da amostra de cimento Portland com 30% de pó de carvão, com 3 dias de hidratação mostrando os cristais de etringita.

Figura 8. Microestrutura da amostra de cimento Portland com 15% bentonita e 15% de pó de carvão, com 3 dias de hidratação mostrando os cristais de etringita e partícula de pó de carvão.

As análises por DRX e MEV mostram que o resíduo pode influenciar na hidratação do cimento. Contudo, a pequena concentração de bentonita e de pó de carvão nos pavimentos de concreto não deve influenciar de maneira significativa na resistência mecânica dos pavimentos. Por outro lado, pode-se afirmar que o desempenho dos pavimentos teve como determinante a influência da energia de compactação do equipamento e a granulometria do resíduo.

Ensaios de lixiviação, análise de massa e solubilização

Nos ensaios de lixiviação e análise de massa todas as amostras (com ou sem resíduo) não apresentaram nenhum elemento químico com concentração acima do máximo estabelecido por norma. No ensaio de solubilização verificou-se um pequeno excesso de alumínio (0,3 mg/l) tanto na amostra sem resíduo quanto na amostra com resíduo. O excesso de alumínio encontrado na argamassa com resíduo não é proveniente do resíduo. Provavelmente ele é proveniente do cimento.

CONCLUSÃO

Este trabalho mostrou que o processo de vibração aumenta a área de transição pasta/agregado, resultando em um aumento de vazios e na formação de grandes cristais de Ca(OH)2. Por vibro-compressão obteve-se um melhor empacotamento das partículas, diminuindo a distância de transição pasta/agregado, eliminando a formação de grandes precipitados de Ca(OH)2 e, por consequência, tem-se uma maior resistência mecânica. A adição de resíduo aumenta a área de transição pasta/agregado no primeiro processo e proporciona uma melhor compactação no segundo. Com isso, a resistência mecânica diminui com a vibração e aumenta com a vibro-compressão.

As análises por DRX e MEV mostram que o resíduo tem uma sensível influência na hidratação do cimento, ou seja, favorece a formação de etringita e aumenta a cristalinidade das fases C-S-H devido ao aumento da relação Si/Ca dos silicatos de cálcio hidratados. Contudo, essas modificações na hidratação do cimento não alteram de maneira significativa as propriedades mecânicas. Portanto, os resultados das

propriedades mecânicas estão relacionados com o processo de fabricação e com a granulometria da areia de fundição.

Nos ensaios de lixiviação e de análise de massa todos os elementos químicos analisados apresentaram concentração abaixo do máximo estabelecido pela norma. No ensaio de solubilização o excesso de alumínio encontrado no extrato solubilizado não é proveniente do resíduo. Portanto, desses ensaios químico-ambientais pode-se concluir que o resíduo não provoca impacto ambiental.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. PABLOS, J. M., Utilização de resíduo de areia de fundição aglomeradas com argila no setor da construção civil. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 1995.

2. PEREIRA, R. L.; SCHMIDT, A. E.; ALMEIDA, C. N. H.; VERRAN, G. O., Parte I: Utilização de resíduo de areia verde de fundição na preparação de argamassa para aplicação na construção civil, Anais do Congresso em Ciência de Materiais, Joinville, CD-ROM, 2000.

3 ARMANGE, L.C.; NEPPEL, L. F.; GEMELLI, E.; CAMARGO, N. H. A., Utilização de areia de fundição residual para uso em argamassa, Revista Matéria, v. 10, n. 1, pp 516 – 527, 2005.

4. GROSSI, P., Selo de qualidade ABCP, Associação Brasileira de cimento Portland (ABCP), Seminário nacional de blocos de concreto para alvenaria e pavimento de concreto, Instituto de Engenharia de São Paulo, 2001.

CHARACTERIZATION OF PAVING-STONES PRODUCED IN INDUSTRIAL EQUIPMENT WITH ADDITION OF FAUNDRY SAND RESIDUE

ABSTRACT

The aim of this work was to assess the process and the addition of a residual foundry sand in paving-stones production. The residue was provided by Menegotti Indústria Metalúrgica from Schoereder/SC and is classified as class II residue, according to NBR 10004 Brazilian code. It was studied the influence of this residue in the mechanical properties and in the microstructural characteristics of the paving-stones produced by two industrial processes carried out by two different machines. Each composition of concrete was poured into the moulds and then settled by vibration in one machine (V-process) or by vibration associated with compression in the other (VC-process). The experimental results showed that the paving-stones processed by vibration have a lower mechanical strength than those produced by vibration associated with compression. The microstructural analyses have shown that the paving-stones processed by vibration present high porosity and large crystals of Ca(OH)2 at the

interface paste/aggregate; a phenomenon that it is not observed in the paving-stones produced by VC-process. Evidences from scanning electron microscopy and X-Ray diffraction showed that the residue leads to a slight influence on the properties of the concrete. It increases Si/Ca ratio of calcium silicates and promote a higher concentration of etringite as well as a better crystallization of C-S-H phases. The leaching and solubilization tests have shown that the residue has no negative influence in the concentration of the chemical elements released by the mortar/concrete containing residue and, therefore, it is harmless to the environment.