REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS DE ISOLADORES ELÉTRICOS DE PORCELANA COMO ADIÇÃO POZOLÂNICA EM ARGAMASSAS
A. M. de Argollo Ferrão, M. A. Campos, V. A. Paulon
Departamento de Recursos Hídricos, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (DRH-FEC-UNICAMP). Cidade Universitária “Zeferino Vaz” - Distrito Barão Geraldo, Campinas-SP, Brasil -
Caixa Postal 6021. Contato: engenheiromarcoantonio@hotmail.com
RESUMO
Estudos já realizados mostraram que a adição, em argamassas e concretos, de material moído de isoladores elétricos de porcelana apresentou melhoria nos resultados com a diminuição da granulometria deste material, devido a atividade pozolânica da parte fina do pó da porcelana. Moer estes isoladores de porcelana em granulometria similar a do cimento Portland, comumente utilizado na construção civil, e sua posterior adição ao cimento para a confecção de argamassas é uma alternativa, visto que o passivo anual de isoladores ultrapassa 25.000 toneladas/ano. Os teores de adição de porcelana ao cimento foram de 5%, 10%, 25%, 50% e 70% em massa, sendo as argamassas ensaiadas quanto as suas propriedades físicas, mecânicas e de durabilidade além de ensaios de imagem em idades variadas de 7 a 180 dias obtendo concordância nos resultados e, portanto, provando ser viável a adição da porcelana como material pozolânico ao cimento e seu uso em argamassas.
Palavras-chave: resíduo de porcelana, isolador elétrico, materiais alternativos, cimento Portland, argamassa.
INTRODUÇÃO
O Brasil possui atualmente um passivo anual estimado em 25.000 ton/ano de isoladores elétricos de porcelana, resultante da substituição de peças obsoletas e do controle de qualidade fabril, que até o momento não possui uma metodologia difundida em relação a reutilização desta cerâmica, pois é comum o descarte, por empresas de sucata elétrica, destes na natureza. Algumas pesquisas obtiveram êxito na utilização destes isoladores descartados como substitutos aos agregados comuns, graúdo e miúdo, em concretos e argamassas.
Portanto, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia de reciclagem dos isoladores elétricos de porcelana que permita sua utilização como adição pozolânica ao cimento Portland, analisando sua atividade pozolânica e posterior utilização em argamassas. Os estudos foram realizados nas propriedades mecânicas e de
durabilidade como resistência: à compressão simples, à compressão diametral e à tração na flexão, além da análise de imagens por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) sempre comparando as argamassas com porcelana a referência.
MATERIAIS E MÉTODOS
Como material aglomerante foi utilizado o cimento Portland CP V ARI (Alta Resistência Inicial), que por apresenta maior teor de pureza, frente aos outros tipos de cimento, facilita a identificação da possível atividade pozolânica da porcelana. O material pozolânico, denominado porcelana fina, é proveniente dos isoladores de porcelana moídos em granulometria similar a argila utilizada na indústria cerâmica.
Figura 1 - EDS Porcelana Fina.
Esta porcelana fina foi ensaiada quanto sua atividade pozolânica, conforme a NBR 5752(1), atingindo um índice de atividade pozolânica de 0,85. Na Figura 1
tem-se o ensaio de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) determinando quais elementos constituem os isoladores de porcelana: Si (silício), Al (alumínio) e O (oxigênio) que podem formar os compostos SiO2 (sílica) e Al2O3. Compostos estes
que possuem hidraulicidade potencial e que tiveram suas atividades pozolânicas ativadas termicamente. Há também na sua constituição o elemento K (potássio) que junto com a sílica, são solúveis, podem acarretar problemas de eflorescência ou reação álcali-agregado em certas condições de exposição. O agregado miúdo utilizado foi a areia fina comum.
Programa Experimental
O proporcionamento dos materiais foi de 1:2:0,55 (cimento: agregado miúdo: água). O teor de porcelana adicionado em massa foi em relação a quantidade de cimento nos teores de 5%, 10%, 25%, 50% e 70%. Na Tabela I tem-se a quantidade de materiais para a moldagem de 1,0 m³ de cada traço de argamassa. Todo o processo de moldagem e cura foi realizado em atendimento a NBR 7215 (2).
Tabela I - Quantidade de materiais (kg/m³) traços adição da porcelana ao cimento.
Traço Cimento Porcelana Fina Agregado Miúdo Água Teor de Adição (%) Ref. A 675,0 - 1350,0 371,25 Referência A 5 675,0 33,8 1350,0 371,25 5 A 10 675,0 67,5 1350,0 371,25 10 A 25 675,0 168,8 1350,0 371,25 25 A 50 675,0 337,5 1350,0 371,25 50 A 70 675,0 472,5 1350,0 371,25 70
Os ensaios de imagens por MEV foram realizados em corpos-de-prova de argamassa moldados para estes ensaios, não foram reutilizados corpos-de-prova provenientes dos outros ensaios. Todos os corpos-de-prova utilizados nos ensaios de MEV tiveram seu topo cortado e em seguida retirada uma fatia de espessura variável de 0,5 a 1,0 cm e ensaiadas no equipamento JSM 6360-LV, aceleração de 30KeV, resolução - 3nm, EDS - Noran System Six.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Argamassa no Estado Fresco
Foi medida a consistência das argamassas pelo ensaio de flow table, NBR 13276(3), tendo na Tabela II as dimensões. Observou-se que para os teores de
adição de até 25% as dimensões foram próximas as medidas no traço referência. A coloração das argamassas também foi diferente: quanto maior o teor de porcelana maior a coloração “amarronzada” da argamassa.
Tabela II - Valores ensaio flow table.
Traços Ref. A A 5 A 10 A 25 A 50 A 70 Dimensões (mm) 284 X 290 292 X 293 277 X 280 283 X 285 255 X 253 230 X 233
Com o aumento da adição de porcelana fina, teores superiores a 50%, ocorreram diminuições das dimensões resultando numa argamassa mais “seca”, não acarretando com isso perda de plasticidade no adensamento das argamassas. A diminuição do espalhamento é atribuída ao aumento do teor de material fino, visto que o teor de adição de porcelana foi de até 70% em relação a massa do cimento, diminuição também observada em Freire et al.(4).
Observa-se também não haver uma relação linear entre a quantidade de porcelana fina adicionada com a dimensão do espalhamento da argamassa no ensaio de flow table. Alguns autores como Gonçalves et al.(5), Huang; Dong;
Burdette(6) e Pacheco-Torgal; Jalali(7) também destacam que a diminuição da
consistência das argamassas com cerâmica adicionada ao cimento pode ser contornada com a adoção de aditivos, principalmente pelo fato da cerâmica apresentar uma maior capacidade de absorção de água.
Argamassa no Estado Endurecido
As argamassas foram ensaiadas quanto as suas resistências à compressão simples (NBR 7215(2)), à tração por compressão diametral (NBR 7222(8)) e à tração
na flexão (NBR 13279(9)). Na Tabela III tem-se a média de 4 corpos-de-prova
ensaiados para cada idade e traço.
Tabela III - Resultados ensaios argamassa com adição de porcelana no estado endurecido.
Ensaios Idades Traços
Ref. A A 5 A 10 A 25 A 50 A 70 Resistência à Compressão Simples
(MPa) – NBR 7215(2) 7 dias 37,8 31,5 37,9 31,8 30,1 27,7 28 dias 50,4 47,6 49,0 47,1 44,4 46,3 90 dias 51,9 47,7 49,8 47,7 48,1 48,7 180 dias 50,6 49,8 51,9 49,2 58,1 59,8 Resistência à Compressão Diametral (MPa) – NBR 7222(8) 7 dias 3,15 2,67 4,01 2,78 3,96 3,35 28 dias 3,44 3,75 4,55 3,50 4,75 5,34 90 dias 3,84 4,23 4,70 4,08 4,88 5,40 180 dias 4,63 5,26 4,63 4,32 4,61 5,43
Resistência à Tração na Flexão - Prismáticos (MPa) – NBR 13279(9)
7 dias 4,84 4,70 4,98 5,27 5,73 5,52
28 dias 4,82 5,65 4,98 4,73 4,56 5,08
90 dias 6,80 6,96 5,93 5,85 4,87 5,87
180 dias 7,13 7,13 5,9 5,81 5,03 5,81
Resistência à Compressão Simples
Observa-se na Tabela III que aos 7 dias de idade apenas o traço A 10 apresentou resistência similar a referência, nos demais traços os valores de
resistência obtidos no ensaio foram inferiores em até 27% para o traço com 70% de adição de porcelana (A 70), para os demais teores a diferença menor na resistência ficou entre 16% (A 5 e A 25) a 20% (A 50) quando comparados à referência.
Na idade de 28 dias novamente a argamassa A 10 apresentou resistência similar a obtida pelo traço referência, entretanto as quedas de resistências foram máximas de 12% para o traço A 50 ficando os demais com resistências inferiores de 6%, argamassas A 5 e A 25, e de 8% para o traço A 70.
As mesmas observações são válidas para a idade de 90 dias com o traço A 10 apresentando valor de resistência similar ao traço referência, porém a partir desta data a inferioridade nos valores das resistências nos demais traços foi menor ficando cerca de 8% abaixo da resistência medida na argamassa Ref. A.
Ao final das idades de ensaios, 180 dias, destacam-se as argamassas A 50 e A 70 que apresentaram uma elevação na resistência de 18% em relação ao traço referência, aumento este atribuído a elevada quantidade de porcelana e sua atividade pozolânica tardia. Para os demais traços os resultados foram similares ao obtido pela argamassa referência.
O teor de adição de 10% da porcelana, traço A10, ao cimento apresentou em todas as idades ensaiadas valores de resistência similares a referência, observação também constatada em Huang; Dong; Burdette(6). Os maiores teores de porcelana, A
50 e A 70, apresentaram melhora na resistência a partir de 90 dias devido principalmente a atividade pozolânica tardia da porcelana, que mesmo em menor teor de adição também foi observada e destacada em Pacheco-Torgal; Jalali (7).
Resistência à Tração por Compressão Diametral
Analisando os resultados dos ensaios de resistência à compressão diametral apresentados na Tabela III observa-se não haver uma tendência em relação ao teor de porcelana fina adicionada com a idade de ensaio e resistência obtida. Na idade de 7 dias os resultados indicam que os traços A 10 e A 50 apresentaram aumento de 27% na resistência e a argamassa A 70 elevação de 6% quando comparadas ao traço referência (Ref. A). Os traços A 5 e A 25 resultaram em diminuição da resistência de 15% em relação ao referência.
Para a idade de 28 dias todos os traços com adição de porcelana foram superiores a referência na resistência à compressão diametral atingindo a maior resistência o traço A 70 com aumento de 55% em comparação ao referência, nas
demais argamassas com porcelana o aumento foi de 9% para o traço A 5, 32% para o A 10, 2% no traço A 25 e 38% para o A 50.
Aos 90 dias de idade a tendência observada na idade anterior de ensaio, 28 dias, se repetiu, porém, as elevações na resistência foram de 40% para o traço A 70, de 10% para o traço A 5, de 22% na argamassa A 10, 6% para o traço A 25 e novamente o mais próximo do referência, e aumento de 27% na argamassa A 50.
No final da idade de ensaio, 180 dias, os aumentos de resistência foram inferiores aos observados nas idades anteriores. O traço A 25 resultou numa resistência inferior ao referência de 7%, as argamassas A 10 e A 50 apresentaram valores de resistência similares ao Ref. A. Já o traço A 70 obteve a maior resistência sendo 17% superior ao referência e aumento de 13% para o traço A 5.
Analisando o comportamento dos resultados do ensaio de resistência à compressão diametral ao longo das idades observa-se não haver uma relação direta entre o teor de adição de porcelana e a elevação na resistência. Ao contrário do constatado no ensaio de resistência à compressão simples onde os maiores teores de adição, superiores a 10%, apresentaram uma elevação de resistência na idade de 180 dias.
Em relação a compressão diametral após 28 dias de idade os aumentos de resistência destes traços pouco evoluíram quando comparados entre si e com o traço referência, o que permite concluir que a adição de porcelana ao cimento resulta inicialmente em melhora da resistência à compressão diametral quando comparada a argamassas sem esta adição. Outro fato também a destacar é em relação a ocorrência de rupturas na face da porcelana citada por Campos(10); Franck et al.(11) e Santolaia et al.(12), não observada nestes ensaios devido ao grau de moagem da porcelana ser similar ao cimento.
Resistência à Tração na Flexão
Pode-se observar, Tabela III, aos 7 dias de idade que todos os traços com adição de porcelana, com exceção do traço A 5, apresentaram resistência superior ao traço referência (Ref. A) de até 18% para a argamassa A 50. Para a idade de 28 dias o traço A 10 apresentou um aumento de resistência em comparação ao referência de 23%, ao passo que as argamassas A 25 e A 50 apresentaram resistências inferiores de 2% e 5%, respectivamente. Aos 90 dias o traço A 5 apresentou melhora de resistência frente ao Ref. A, de 2%, ficando o traço A 50 29%
abaixo da referência, com as demais argamassas A 10, A 25 e A 70 obtendo resultados similares entre si na resistência e inferiores a 13% quando comparados a argamassa de referência.
Aos 180 dias de idade o traço A 5 apresentou a mesma resistência que a referência, com os demais teores de adição de porcelana fina resultando em valores inferiores e novamente o traço A 50 com decréscimo de 29% em comparação a referência e as argamassas A 10, A 25 e A 70 também similares entre si e inferiores cerca de 18% frente ao traço Ref. A.
Assim, como observado nos ensaios de resistência à compressão diametral, em relação a resistência à tração na flexão de corpos-de-prova prismáticos a comparação entre os traços de argamassa com porcelana com a idade de ensaio mostrou que também aos 7 dias de idade seus valores medidos foram superiores ao traço de referência.
Com o aumento da idade de ensaio ocorreu a diminuição na elevação da resistência para as argamassas com porcelana. O teor de adição de 5% em todas as idades apresentou valores de resistência similares ao referência. Com isso pode-se concluir que o aumento do teor de adição de porcelana resulta de início em melhora na resistência à tração na flexão. Porém, em idades avançadas, superiores a 28 dias, esta resistência pouco evolui quando em comparação a argamassa referência.
Ensaios de Imagem MEV
Analisando as imagens dos ensaios de MEV observa-se a grande quantidade de microfissuras (MF) interconectadas entre os agregados (Ag) e rompendo a pasta (Pa), independente do teor de porcelana, conforme figura 2(a), argamassa referência, e figura 2(b), traço A 25. Estas microfissuras são os locais preferenciais da propagação das rupturas quando sob a ação de cargas nos ensaios, além de ser o “caminho” percorrido pela água nos ensaios de absorção de água por capilaridade. Observa-se haver relação entre a quantidade de etringita (E) formada com o teor de porcelana adicionado ao cimento. Na figura 3(a) o traço A 10 possui menor quantidade de etringita que a argamassa A 25, figura 3(b), devido a elevação da relação sulfato/aluminato na fase aquosa durante a primeira hora da hidratação nas argamassas com maiores teores de porcelana. A possível formação da etringita secundária também foi observada no traço A 50, pois esta etringita se formou nos
poros entre o agregado e a pasta, figura 4(a), conforme pode ser observado pela ampliação do poro, figura 4(b).
(a) (b)
Figura 2 - Observação microfissuras agamassas Ref. A (a) e A 25 (b).
(a) (b)
Figura 3 - Quantidade de etringita, aos 180 dias, traço A 10 (a) e traço A 25 (b).
(a) (b)
Figura 4 - Possibilidade de formação de etringita secundária, 180 dias de idade, traço A 50 (a) e ampliação interna do poro (b).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5 - Formação do CSH sobre o agregado (a) e detalhe do CSH (b), ambos no traço Ref. A, e formação do CSH na zona de transição agregado-pasta traços C 25 (c) e C 50 (d).
(a) (b)
Figura 6 - Possível transformação da etringita em monossulfato, traços A 50 (a) e A 70 (b).
A formação do CSH também foi observada. Na argamassa de referência foi observada a formação do CSH até sobre o agregado (Ag), figura 5(a) e um detalhe do CSH na zona de transição agregado-pasta, figura 5(b), para este mesmo traço, Ref. A. Na figura 5(c) o CSH formou-se na zona de transição agregado-pasta do traço A 25 , fato também observado na argamassa A 50, figura 5(d).
A etringita por ser instável se transforma em monossulfato. Analisando as imagens do traço A 50 observa-se uma possível transformação da etringita em monossulfato (MS), figura 6(a), observação também válida para a argamassa A 70, figura 6(b). Assim, a adição de porcelana como pozolana ao cimento apresentou comportamento similar a argamassa convencional quando analisada via MEV.
CONCLUSÕES
Analisando o efeito pozolânico da adição de isoladores elétricos de porcelana ao cimento Portland destaca-se de início a similaridade entre os compostos do cimento com a porcelana, já que a constituição destes aglomerantes é a base de argila calcinada, que confere pozolanicidade quando em contato com água. O índice de atividade pozolânica desta porcelana ficou em 0,85 quando comparado ao cimento utilizado nesta pesquisa.
A diminuição da consistência para o traço de argamassa com teores superiores a 50% era esperada devido ao aumento da quantidade de material fino, sendo facilmente contornado com a adição de aditivo, que poderá também contribuir para a elevação dos resultados de suas propriedades mecânicas.
A baixa capacidade de absorção de água da cerâmica aliada a relação água/cimento de 0,55 foram fatores que contribuíram para a perfeita hidratação dos produtos do cimento que em conjunto com a atividade pozolânica da porcelana resultou na elevação da resistência à compressão simples.
Destaca-se como teor ótimo de adição de até 10% em massa do cimento, teor este que conferiu as argamassas melhorias nas propriedades mecânicas quanto as resistências à compressão diametral, à tração na flexão e similaridade nos valores dos ensaios de resistência à compressão simples, além de conferir no estado fresco consistência similar a argamassa de referência.
Os teores de adição intermediários, entre 10% e 25%, apresentaram valores de propriedades mecânicas muitas vezes inferiores ou ao traço referência ou aos demais traços de argamassa com porcelana. Apesar dos traços A 50 e A 70 apresentarem uma elevada resistência à compressão simples na idade de 180 dias, há a diminuição do índice de abatimento destas argamassas com a adição destes teores de porcelana, porém, isto é contornado com a adição de aditivo superplastificante aos traços.
Portanto, o teor ótimo de adição desta cerâmica ao cimento, conforme os resultados desta pesquisa, é de até 10% em decorrência da melhora nas propriedades mecânicas e de durabilidade na argamassa no estado endurecido além de consistência similar ao traço referência. Sua adição representa vantagens econômicas para as indústrias cerâmicas e principalmente à natureza, pois hoje os isoladores não possuem uma destinação correta em atendimento as leis brasileiras.
REFERÊNCIAS
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(8) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 7222 – Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro. 1994. 3p.
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(10) CAMPOS, M. A. Estudo do reaproveitamento de isoladores elétricos de porcelana como agregados em argamassas e concretos. 2009, 155 p. Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual de Campinas – Unicamp. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. Campinas-SP.
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(12) SANTOLAIA, A. P. P.; CARDIN JUNIOR, W. H.; LINTZ, R. C. C.; BOZZA, J. L. Utilização da adição de resíduo de porcelana no concreto. In: CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, 49., 2007, Bento Gonçalves. Anais... Bento Gonçalves: IBRACON, 2007.
ISOLATORS WASTE REUSE ELECTRIC PORCELAIN AS ADDITION POZOLANIC IN MORTAR
ABSTRACT
Previous studies have shown that the addition in mortars and concretes, regrind of electric porcelain insulators showed improved results with decreasing particle size of the material due to the fine pozzolanic activity of the porcelain powder. Grind these porcelain insulators in particle size similar to that of Portland cement, commonly used in construction, and subsequent addition to cement for making mortars is an alternative, as the annual passive isolators exceeds 25,000 tons/year. The cement porcelain addition levels were 5%, 10%, 25%, 50% and 70% by mass, being tested mortar as their physical, mechanical and durability properties other image assays at various ages 7-180 days, obtaining agreement on the results and therefore proving to be feasible the addition of porcelain as a material pozzolan cement and its use i n mortars.
Key-words: porcelain waste, electrical insulator, alternative materials, Portland cement, mortar.
