AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DOS CONCRETOS NOS ESTADOS FRESCO E ENDURECIDO APÓS A ADIÇÃO DE CINZA DE MADEIRA

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Jônatas Elim Maciel Frutuoso do Nascimento1 Humberto Mycael Mota Santos2 Manoel Ferreira Soares Neto3 José Carlos Claudino da Silva Júnior4

RESUMO

O presente trabalho investiga a influência da adição de cinza de madeira, rica em carbonato de cálcio, (5%, 10%, 15%) em termos de propriedades dos concretos nos estados fresco e endurecido, tendo como hipótese norteadora do estudo que esses concretos alternativos possuem características usuais à aplicação em obra. Foi avaliado o traço em massa 1:2:x:3 (cimento, areia, cinza, brita) para uma condição de abatimento de troco de cone de 80±10mm, tomando como base o concreto de referência. Para tanto foram avaliados no estado fresco: abatimento de tronco de cone. No estado endurecido: resistência à compressão uniaxial e resistência à tração diametral. Todos os ensaios obedeceram a preconizações da ABNT, sendo o ensaio de abatimento de tronco de cone realizado de acordo com a NBR NM 67:1996 e os ensaios de resistência à compressão e a tração por compressão diametral obedecendo respectivamente a, NBR 5739:1994 e a NBR 7222:1994. Além disso, também foi caracterizada a cinza de Algaroba físico-química e microestruturalmente. Os resultados indicam que é possível adicionar até 15% de cinza de madeira, rica em carbonato de cálcio, beneficiada em malha 200 sem prejuízos aos sistemas cimentícios, proporcionando alterações mínimas em relação às propriedades reológicas e mecânicas do concreto.

PALAVRA-CHAVE: Algaroba. Abatimento. Resistência.

1_{Professor Mestre do Departamento de Engenharia Civil do Centro Universitário do Vale do Ipojuca} (DeVry | UNIFAVIP). E-mail: jnascimento8@unifavip.edu.br

2_{Graduando do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário DeVry | UNIFAVIP. E-mail:} humberto_mota@hotmail.com

3_{Graduando do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário DeVry | UNIFAVIP. E-mail:} manoel95@hotmail.com

4_{Graduando do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário DeVry | UNIFAVIP. E-mail:} juninhoclaudino@outlook.com

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ABSTRACT

This study investigates the influence of the addition of wood ash, rich in calcium carbonate (5%, 10%, 15%) in terms of concrete properties in fresh state and hardened, with the guiding hypothesis of this study that these specific alternative possess unusual characteristics in the application work. the stroke was evaluated in mass 1: 2: x: 3 (cement, sand, gray, gravel) for a cone change abatement condition of 80 ± 10 mm, based on the reference concrete. Therefore, we evaluated in fresh: frustum abatement. In the hardened state: uniaxial compressive strength and diametral tensile strength. All assays obeyed preconizações ABNT , being held frustum abatement test according to NBR NM 67:1996 and the compressive strength tests and traction by diametrical compression obeying respectively , NBR 5739: 1994 and NBR 7222:1994.Furthermore, it was also characterized ash physico-chemical and microstructural mesquite. The results indicate that it is possible to add up to 15% wood ash rich in calcium carbonate, enriched in a 200 mesh no damage to cementitious systems, providing minimal changes in respect of rheological and mechanical properties of the concrete.

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INTRODUÇÃO

O cimento Portland é um dos principais materiais utilizados na construção civil, e ele é extremamente necessário devido as suas propriedades para a realização de serviços presentes em obras, entretanto sua principal desvantagem está relacionada na sua produção. Pois na formação do clínquer, onde é realizada a queima conjunta do calcário com a argila, são liberados para a atmosfera uma enorme quantidade dióxido de carbono (CO2), tendo este gás relevante agressividade a camada de ozônio, contribuindo para o aquecimento global e para o efeito estufa. Visando esse problema e também analisando aspectos econômicos, devido ao custo alto que o cimento têm em uma obra, percebemos a necessidade de utilizar materiais incorporados que minimizem o consumo do cimento Portland.

Diversos estudos concluíram que a cinza de Algaroba melhora algumas propriedades do concreto, sendo indicado o seu uso como adição ou substituição parcial do cimento. A cinza de Algaroba se caracteriza como uma adição do tipo fíler, que contribui para empacotamento do material, pois como a cinza possui uma elevada finura, contribui preenchendo os vazios.

O presente trabalho tem como objetivo avaliar as alterações nas propriedades do concreto fresco e endurecido devido a influência da adição da cinza de Algaroba em diferentes proporcionalidades (5%, 10% e 15%), em um traço usual em obra (1:2:x:3), atrelado a importância da sustentabilidade decorrente a produção de um concreto com menor consumo de cimento Portland e reciclagem da cinza, e com isso diminuindo os impactos ao meio ambiente. Além de diminuir o custo total da obra.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Com a queima da madeira, necessária durante fases do processo de produção das indústrias têxteis, é gerado uma grande quantidade de resíduos minerais, as cinzas, sendo estas ainda pouco utilizadas. Pequena parte desta cinza tem sido utilizada informalmente para correção de pH de solo, sendo a maior parte do resíduo descartada sem nenhum critério. Entretanto de acordo com Melo (2012), as cinzas são resíduos minerais que possuem um grande potencial

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para serem adicionadas em concretos e argamassas, pois elas apresentam em sua composição química Ca, Si, Fe e AI, que são os principais componentes do clínquer.

Devido a isso, a cinza de Algaroba pode ser utilizada no concreto como adição mineral, que são materiais finamente moídos, normalmente com o objetivo de melhorar suas propriedades no estado fresco e endurecido. Tais adições são classificadas em pozolânicas e cimentantes (METHA; MONTEIRO, 2008). Além dessas classificações apresentadas existem ainda as inertes ou quase inertes como é o caso dos materiais carbonáticos.

Dentre as propriedades no estado fluido, as adições melhoram a trabalhabilidade, que conforme Petrucci (2005) é a propriedade mais importante do estado fresco do concreto, sendo influenciada pela relação água/cimento e pelos materiais secos, o que definirá sua fluidez e resistência. E a verificação da trabalhabilidade do concreto é realizado pelo ensaio de abatimento do concreto, conhecido também como Slump Test, onde esse ensaio é realizado conforme a NBR NM 67:1996. Dado isso, fica evidente a importância do conhecimento dos fatores que afetam a trabalhabilidade da mistura. As adições atuam na redução de tamanho e volume de vazios melhorando assim esta propriedade. Quanto mais fina for à adição, maior será a facilidade de se alcançar a trabalhabilidade. Reduz também a segregação e exsudação, sendo muito relevante em concretos que são lançados por bombeamento (METHA; MONTEIRO, 2008). Por isso, que a cinza após ser coletada nos fornos, passa por um processo de peneiramento para adquirir a finura adequada, e consequentemente melhorar a trabalhabilidade do concreto.

No que tange as propriedades no estado endurecido destaca-se à resistência do concreto, que pode ser conceituada como a capacidade do material de suportar esforços aplicados sem que ele entre em colapso (HELENE; ANDRADE, 2007). A análise da resistência pode ser de dois modos, a compressão e a tração, e seus respectivos ensaios para a determinação são, a NBR 5739:1994 e a NBR 7222:1994. Essa resistência é influenciada por fatores como relação água/cimento, idade, tipo, cura, granulometria dos agregados etc, conforme relata Petrucci (2005). Já Metha e Monteiro (2008), complementa que a resistência também é influenciada pela porosidade capilar, que está relacionada com a relação água/cimento e pelo grau de hidratação. As adições melhoram significativamente esta propriedade devido não somente ao efeito químico da reação pozolânica, como também o efeito físico de preencher os poros.

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Porém, com a necessidade de caracterizar qual tipo de adição a cinza de Algaroba se enquadra, para melhor entender sua influência nas propriedades do concreto, Nascimento (2014), assim como de Leloup (2013) analisaram microestruturalmente a atividade pozolânica da cinza de Algaroba, constataram que a mesma não possuía condições químicas suficientes para desenvolver um comportamento pozolânico. No entanto de acordo com Mota (2014) e Nascimento (2014) as cinzas de Algaroba são ricas em carbonato de cálcio, mostrando-se como aspecto positivo, pois a presença de um composto químico inerte como o carbonato de cálcio é facilmente adicionado em produtos cimentícios, pois encontra-se em todos os tipos de cimentos Portland, além disso possuem módulo de finura baixo possibilitando ao material a utilização como efeito fíler, que é um material que possui diâmetro próximo ao do cimento, propiciando segundo Melo (2012) no estado endurecido, menor índice de vazios, maior resistência mecânica e menor absorção de água, decorrentes da possibilidade do fíler de promoção de um melhor empacotamento, consequentemente menor quantidades de vazios.

Logo, as adições minerais de cinza de Algaroba são usadas além das vantagens técnicas propiciando melhorias nas propriedades do concreto como apresentado, também ajudam nos aspectos econômicos com a redução de cimento na produção do concreto e reduz o descarte de resíduos de subprodutos industriais (cinza) em locais inadequados.

3 ÁREA DE ESTUDO

A cidade de Caruaru (PE) será considerada como área de estudo para o desenvolvimento desta pesquisa, pelo fato de ser uma cidade bastante conhecida por seu setor têxtil, onde se encontram várias lavanderias que geram uma grande quantidade de resíduos de cinza de Algaroba, sendo esta proveniente da queima da biomassa nos fornos das lavanderias. Essas cinzas são, na maioria dos casos, jogadas em terrenos sem nenhum tratamento adequado, destacando que devido a sua finura, elas têm alto poder poluente de águas, solo e ar, além de ocupar grandes volumes no seu descarte.

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4 MATERIAIS UTILIZADOS

4.1 CIMENTO PORTLAND

Nos ensaios realizados nesta pesquisa foi utilizado o cimento CP II Z – 32 da empresa Votorantim, conforme NBR 11578 (ABNT, 1991). As características físicas e químicas obtidas através do endereço virtual da empresa são apresentadas na tabela 1.

Tabela 1 - Características do cimento utilizado

Determinação CPII-Z-32 C ar ac ter izaç ão Fís ica Composição Clínquer + gesso 85% Calcário 5% Pozolana 10%

Finura Resíduo na peneira 75mm (%) ≤ 12,0

Área específica Blaine (m²/Kg) ≥ 260,0

Tempo de pega Início (h) ≥ 1

Término (h) ≤ 10 Expansibilidade A Frio (mm) ≤ 5 A Quente (mm) ≤ 5 Resistencia a Compressão 1 dia (MPa) - 3 dias (MPa) ≥ 10 7 dias (MPa) ≥ 20 28 dias (MPa) ≥ 32 C ar ac ter izaç ão Qu ím ica Resíduo Insolúvel (%) ≤ 16,0 Perda ao Fogo (%) ≤ 6,5 MgO (%) ≤ 6,5 SO3 (%) ≤ 4,0 CO2 (%) ≤ 5,0 S (%) - Fonte: Votorantim (2015, s.p.) 4.2 AGREGADO MIÚDO

A areia natural utilizada foi disponibilizada pelo Centro Universitário do Vale do Ipojuca – DeVry | UNIFAVIP, extraídas nas proximidades da região de Caruaru/PE.

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O ensaio de caracterização granulométrica da areia natural foi realizado conforme a NBR NM 248 (ABNT, 2003) e sua granulometria é disponibilizada na tabela 2a:

Fonte: Elaboração dos autores (2015)

A seguir é mostrada a figura 1 com o gráfico da curva granulométrica da areia natural:

Figura 1 - Curva Granulométrica da Areia Natural.

Os ensaios de densidade real e aparente, conforme NBR 9935 (ABNT, 2011) são mostrados na tabela 2b, assim como a dimensão máxima característica e o módulo de finura.

Tabela 2a - Granulometria da Areia Natural

Abertura Peneira (mm) Abertura Peneira (P) Massa retida (g) Percentual Retido (%) Percentual Acumulado (%) 9,5 3/8" 0 0 0 4,75 Nº 4 0 0 0 2,36 Nº 8 21 4,2 4,2 1,18 Nº 16 58,9 11,78 15,98 0,6 Nº 30 172,5 34,5 50,48 0,3 Nº 50 183,8 36,76 87,24 0,15 Nº 100 55 11 98,24 Fundo - 8,8 1,76 100 Total - 500 100 -

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Tabela 2b – Características da Areia Natural

Parâmetro Resultado

Densidade Real (kg/dm3₎ _2,6

Densidade Aparente (kg/dm3₎ _1,6

Dimensão Máxima Característica (mm) 2,36

Módulo de Finura 2,56

4.3 AGREGADO GRAÚDO

O agregado graúdo utilizado foi a brita 19, de origem granítica, onde foi caracterizada sua curva granulométrica, apresentada na tabela 3a:

Tabela 3a - Granulometria da Brita Abertura Peneira (mm) Abertura Peneira (P) Massa retida (g) Percentual Retido (%) Percentual Acumulado (%) 37,5 1.1/2 0,0 0 0,0 25 1" 0,0 0 0,0 19 3/4” 263,6 13,18 13,2 12,7 1/2" 1093,8 54,69 67,9 9,5 3/8" 272,4 13,62 81,5 6,3 1/4" 247,1 12,355 93,8 4,75 4 94,0 4,7 98,5 2,36 8 27,6 1,38 99,9 Fundo 1,5 0,075 100,0 Total 2000,0 100 -

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Figura 2 - Curva Granulométrica da Brita.

Na tabela 3b é descrita a densidade real e aparente da brita utilizada.

Tabela 3b - Características da Brita Parâmetro Resultado

Dimensão Máxima Característica 19

Densidade Real (kg/dm3₎ _2,75

Densidade Aparente (kg/dm3₎ _1,46

4.4 ÁGUA

A água utilizada foi proveniente da rede de abastecimento local, Compesa (Companhia Pernambucana de Saneamento).

4.5 CINZA DE ALGAROBA

A cinza proveniente da queima da madeira da Algaroba foi caracterizada e suas principais propriedades encontram-se expostas na Tabela 4, identificando as características físico-químicas.

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Tabela 4 - Parâmetros físico-químicos da cinza de Algaroba Parâmetro Resultado Área superficial (m²/g) 4,4 Densidade real (g/cm³) 2,86 pH 13,5 Condutividade (mS) 77,00 Cloretos (%) 0,97 Sulfatos (mg/L) 0,05 Umidade a 105°C (%) 0,10 Sólidos totais (%) 99,9 Sólidos fixos (%) 98,79 Sólidos voláteis (%) 1,11

Resultados de caracterização química da cinza de Algaroba por Fluorescência de Raio-X são apresentados na Tabela 5. Verifica-se que a mesma possui apenas 1,60% de SiO2 e 2,14% de Fe2O3, além de não apresentar presença de Al2O3, o que indica que essas cinzas não possuem as condições químicas necessárias para desenvolver atividade pozolânica, que segundo a NBR 12653 (2012) preconiza é necessário um valor mínimo de 50% para o somatório dos percentuais de SiO2, Fe2O3 e Al2O3 para considerar um material como pozolânico, fato que não foi alcançado.

Tabela 5 - Resultados de FRX do resíduo de cinza de Algaroba

Óxidos Percentual (%) CaO 77,85 K2O 13,81 SiO2 4,09 Fe2O3 2,14 SO3 1,60 Sc2O3 0,27 MnO 0,12 ZnO 0,10 CuO 0,03

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Os ensaios foram realizados no laboratório do Centro Universitário do Vale do Ipojuca, localizado no bairro Indianópolis na Cidade de Caruaru - PE.

Foram dosados quatro grupos de concretos, todos com cimento CPII-Z-32, divididos em: grupo I, referência (sem adição de cinzas); grupo II, adição de 5% de cinzas de Algaroba; grupo III, adição de 10% de cinzas de Algaroba e grupo IV, com adição de 15% de cinzas de Algaroba. Todos os grupos foram moldados com relação água/cimento fixada em 0,56 de modo que a mesma foi obtida para alcançar um abatimento 80±10mm.

Em cada grupo foram confeccionados 60CP’s (corpos-de-prova). Sendo moldados em cada grupo 20CP´s para cada idade de ruptura, a saber, 28, 60 e 90 dias. Onde 13 foram separados para o ensaio de resistência à compressão e 7 para o ensaio de resistência à tração por compressão diametral.

Todos os grupos tinham o traço de 1:2:X:3 (cimento, areia, cinza, brita). O agregado graúdo utilizado foi a brita 19. As cinzas tiveram origem de lavanderias presentes na cidade de Caruaru, onde foi feita a coleta no interior do forno para obtenção de um material mais fino e livre de interferência do meio ambiente. Após a coleta do resíduo o mesmo foi peneirado em malha 200.Os valores de areia, brita e água foram corrigidos de acordo com os resultados obtidos no ensaio de umidade. Os concretos foram preparados através de betoneira elétrica com capacidade para 140 litros. O adensamento de todos os corpos-de-prova foi mecânico, onde após 24 horas todos os CP`s foram desmoldados e levados para o tanque com água, ficando até o dia de cada ensaio. Cada CP foi etiquetado e marcado com caneta à prova d`água, com a finalidade facilitar a identificação.

A confecção de todos CP`s foram realizados em moldes cilíndricos de 10 cm de diâmetro por 20 cm de altura. O equipamento utilizado para romper os CP`s é uma prensa hidráulica com acionamento servo-controlada, com escala digital e capacidade de 2.000 kN.

A moldagem e cura dos corpos-de-prova cilíndricos de concreto seguiram as recomendações da NBR 5738/03. Os ensaios de resistência à compressão e à tração seguiram a NBR’s 5739/94 e 7222/94, respectivamente.

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O ensaio de determinação da consistência realizou-se através do Slump Test (Abatimento), normatizado pela NBR NM 67:96. Foram realizados 3 Slump’s para cada grupo e idade, com intervalo de 3 minutos. Todo o processo, desde o início do preenchimento do cone até sua retirada foi feito sem interrupções e durou em média 150s. Imediatamente após a retirada do cone foi medido o abatimento.

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1 SLUMP TEST

Os resultados obtidos no ensaio de abatimento do concreto referente aos grupos estudados estão disponibilizados na tabela 6:

Tabela 6 - Resultado do ensaio de abatimento

Grupo Relação a/c Slump Test (cm)

I 0,56 8,0

II 0,56 7,5

III 0,56 7,0

IV 0,56 7,2

Concernente à análise do abatimento do concreto, observou-se que o mesmo está diretamente ligado à adição de percentuais de cinzas, à medida que houve acréscimo de porcentagem de cinzas na mistura, constatou-se que a fluidez diminuiu, ocasionando um menor valor para o ensaio de abatimento, devido ao aumento da porcentagem de finos à mistura, entretanto observou-se durante a mistura que se aumentasse o tempo de mistura na betoneira alcançava-se os resultados dentro dos limites impostos de 80±10mm. Na desforma não houve grandes alterações na superfície dos corpos de prova, no entanto houve um melhor acabamento superficial em relação aos corpos-de-prova sem a utilização do resíduo. Também foi observado que os concretos que tiveram aumento de finos, ou seja, aumentos nas porcentagens de cinza de Algaroba apresentaram uma redução na exsudação, fato este importante para sistemas cimentícios. Esse efeito positivo da adição de cinzas na redução da exsudação era esperado e pode ser confirmado por Dal Molin (2005) que afirma que concretos que possuem adições

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minerais apresentam redução na exsudação pelo fato de tender a ser mais coesos em comparação aos concretos sem adições minerais.

6.2 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

A tabela 7 abaixo apresenta os resultados obtidos com relação a resistência à compressão média dos concretos ensaiados de cada grupo.

Tabela 7 - Resultado de resistência à compressão axial

Grupo/ Dias 28 60 90

Grupo I 18,34 18,45 18,67

Grupo II 21,88 22,38 22,98

Grupo III 14,99 16,13 17,2

Grupo IV 16,08 17,92 19,65

A figura 3 apresenta o gráfico da resistência à compressão das amostras.

Figura 3 - Resistência à compressão.

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Figura 4 – Forma de ruptura predominante

Os ensaios de resistência à compressão dos corpos-de-prova moldados para a idade de 28 dias, nota-se que houve um aumento da resistência à compressão para os corpos-de-prova com adição de 5% (Grupo II) em relação a massa do cimento, apresentando uma ascensão de 19,3%, assim como para as idades de 60 e 90, apresentando uma elevação de 21,3% e 23,1% respectivamente, entretanto para adição de 10% (Grupo III) de cinzas, os resultados mostraram queda de resistência em comparação com o grupo I (referência) apresentando decréscimo de 18,3%, 12,6% e 7,9% , para as respectivas idades de 28, 60 e 90 dias. Por fim com relação à adição de 15% (Grupo IV) de cinza em comparação com o de referência (Grupo I) os resultados de 28 e 60 dias apresentaram redução de 12,3% e 2,9% respectivamente, no entanto os corpos-de-prova rompidos aos 90 dias apresentaram acréscimo de 5,3%. O aumento da resistência à compressão observada após adição de 5% de cinzas na massa de cimento vai de acordo com o que é apresentado na literatura. Esse aumento, conforme Dal Molin (2005), se deve pelo fato de ocorrer um aumento da resistência na zona de transição em concretos com adições minerais em decorrência de um processo de refinamento dos poros assim como dos cristais presentes na pasta de cimento nos concretos.

Para maiores teores de cinza de madeira, segundo estudos de Siddique (2012), ocorre uma diminuição na resistência das misturas de concreto aliada a um aumento da resistência com o decorrer das idades. Fato este em acordo com resultados apresentados pelos grupos III e IV.

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6.3 RESISTÊNCIA MECÂNICA À TRAÇÃO NA COMPRESSÃO DIAMETRAL

Obedecendo as mesmas idades de ruptura do ensaio de resistência à compressão, foram realizados os ensaios de resistência à tração, e foram obtidos os seguintes valores conforme tabela 8:

Tabela 8- Resultado da resistência à tração por compressão diametral

Grupo/ Dias 28 60 90

Grupo I 3,09 3,06 3,06

Grupo II 4,07 3,98 4,02

Grupo III 3,04 3,29 3,54

Grupo IV 2,92 3,36 3,81

Os dados apresentados da tabela 8, são descritos no gráfico da figura 5:

Figura 5 – Resistência à tração

No quesito que tange à resistência à tração por compressão diametral, os resultados constataram aumento de resistência em todas as idades analisadas do grupo II em relação ao I. Com relação ao grupo III houve uma baixa aos 28 dias podendo-o considerar insignificante, no entanto aos 60 e 90 dias houve aumentos. Da mesma forma que no grupo III, pôde ser observado um decréscimo, na faixa de 5,5%, do grupo IV aos 28 dias em relação ao grupo I, seguido de aumentos nas idades mais avançadas. A presença do resíduo melhorou uma das características negativas dos materiais frágeis como o concreto, sua resistência a tração, característica que pode

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ser atribuída ao empacotamento melhorado do sistema. Essa melhora é condizente com o que é relatado por Dal Molin (2005) que pondera que esse aumento da resistência a tração não é na mesma proporção da resistência a compressão pelo fato da presença de cristais de hidróxido de cálcio estar em elevada concentração, e tamanho, na zona de transição.

CONCLUSÃO

Diante dos resultados apresentados é possível concluir que:

 O uso das cinzas de Algaroba reduziu consideravelmente o fenômeno da exsudação existente em sistemas cimentícios, problema este que afeta a qualidade e a durabilidade de tais sistemas.

 Para as porcentagens de adição de cinzas utilizadas neste trabalho à resistência à compressão assim como a resistência a tração apresentaram evolução com o passar das idades, especialmente para a adição de 5%, em comparação com as amostras de referência. Entretanto, apresentou ligeira diminuição para as outras porcentagens de adição, a saber, 10 e 15%, todavia, estas porcentagens de adição de cinza podem ser utilizadas em obras que fazem o uso de concretos não-estruturais.

 A utilização das cinzas de Algaroba em adição ao concreto além de melhorar o desempenho do mesmo, permitiu dar uma destinação final para este resíduo sólido, de forma a diminuir o impacto do descarte inadequado deste resíduo no meio ambiente.

 De uma maneira geral a manutenção das características do concreto com ligeiras variações, nos estados, fresco e endurecido com a adição de cinza de Algaroba, é atribuída à ação do efeito fíler, que contribuiu para um maior empacotamento do sistema compensando os efeitos negativos da adição.

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REFERÊNCIAS

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