BETÕES ESTRUTURAIS COM INCORPORAÇÃO DE AGREGADOS RECICLADOS
Marco Filipe Gomes, Eng.º Civil, Mestre em Construção pelo Instituto Superior Técnico.
Jorge de Brito, Eng.º Civil, Professor Associado c/ Agregação no Instituto Superior Técnico
1. Introdução
O fabrico de betões e argamassas corresponde à utilização mais nobre que se pode dar aos Resíduos de Construção e Demolição (RCD), inserindo-se no conceito de cycling. A valorização de agrega- dos visando a reciclagem de resíduos compreende uma ou mais etapas de classificação de resíduos, separando componentes indesejáveis dos agregados, fazendo a britagem por equipamento de marte- lo ou maxilas e respectiva peneiração.
Do ponto de vista técnico, as possibilidades de reciclagem dos resíduos variam de acordo com a sua composição. A quase totalidade da fracção granulométrica cerâmica pode ser reutilizada como agregado com diferentes aplicações conforme a sua composição específica. As fracções compostas predominantemente de betões estruturais e de rochas naturais podem ser recicladas como agregados para a produção de betões estruturais. A presença de fases mais porosas e de menor resistência me- cânica, como argamassas e produtos de cerâmica vermelha e de revestimento, provoca uma redu- ção drástica da resistência dos betões e um aumento da absorção de água. Assim, agregados mistos, aqui entendidos como agregados constituídos simultaneamente por alvenaria cerâmica e reboco, têm a sua aplicação limitada a betões de menor resistência. Esta tendência será tão acentuada quan- to maior for a sua percentagem de incorporação na produção de um novo betão.
No que diz respeito aos tijolos de barro vermelho, é quase sempre preferível reutilizar os tijolos, caso os mesmos se encontrem inteiros e possuam um bom estado de conservação das suas proprie- dades mecânicas, a britá-los e utilizá-los noutras aplicações menos exigentes. No entanto, em mui- tas situações tal não é possível, em particular se os tijolos estiverem ligados com argamassa de ci- mento, de difícil e morosa remoção e com danos para o próprio tijolo. Nestas situações, os tijolos deverão ser britados e reciclados por britagem, tal como a maior parte do entulho de construção e demolição e, assim, preferencialmente utilizados como agregados.
Neste artigo, apresenta-se as principais conclusões obtidas sobre a viabilidade de incorporação de agregados grossos reciclados de betão e cerâmicos com reboco na obtenção de betões estruturais, com uma classe de resistência nunca inferior a 35 MPa, sequência do trabalho investigação realiza- do no Instituto Superior Técnico [1].
2. O betão e as emissões de CO2
O cimento, o material de construção com mais aplicação na actualidade, cujas raízes remontam ao Império Romano, é gerado através de rochas calcárias, margas e argilas que são esmagadas até formarem grânulos de material designado por clínquer, que é posteriormente aquecido a elevadas temperaturas (1500 ºC) num forno. Quando esse material é reduzido a um pó muito fino e é mistu- rado com água, a energia acumulada é libertada para ligações químicas que irão formar as estrutu- ras moleculares elementares do cimento, silicatos bicálcicos (C2S), silicatos tricálcicos (C3S), alu- minatos tricálcicos (C3A) e ferro-aluminatos tetracálcicos (C4AFe). A quase totalidade das emis- sões de dióxido de carbono (CO2) associadas ao processo de produção do cimento resulta do aque- cimento dos fornos a temperaturas suficientemente elevadas para transferirem energia para o pró- prio pó de cimento. Em média, por cada tonelada de cimento produzida, é libertada para atmosfera
a mesma quantidade em dióxido de carbono.
O relatório do Banco Mundial “Pequeno Livro Verde” concluiu que as emissões mundiais de CO2
para a atmosfera aumentaram 16% entre 1990 e 2003. O mesmo documento adianta que Portugal quase duplicou as suas emissões durante o período em análise. De acordo com o relatório, que reú- ne informações relativas ao ambiente e ao desenvolvimento de 200 países, as emissões de CO2, o principal gás causador do efeito de estufa, continuam a crescer, sendo originadas, em partes iguais, pelos países industrializados e em vias de desenvolvimento.
Segundo refere a agência Lusa, os países da União Europeia (UE) registaram um aumento global de 3%. Por sua vez, Portugal cresceu muito acima da média comunitária, registando um crescimen- to de 26,5%, entre 1990 e 2003 [2].
Os países mais ricos estão claramente a derrapar face aos compromissos do Protocolo de Quioto, que estabelece uma redução média das emissões de CO2 de 5,2% até 2012, face aos níveis de 1990.
Assim, é de vital relevância apontar linhas de investigação para o desenvolvimento de betões eco- eficientes, ou seja, betões aos quais esteja associada uma redução do nível de emissões de gases com efeitos estufa e nos quais seja possível incorporar materiais reciclados de Resíduos da Cons- trução e Demolição (RCD).
3. Resíduos de Construção e Demolição
Desde a Agenda 21, a declaração produzida no âmbito da conferência realizada no Rio de Janeiro com a presença de representantes de todos os países mundiais, que o desenvolvimento sustentado tem sido um dos factores chave com o qual a sociedade moderna se tem defrontado. A reciclagem de resíduos da construção e demolição vem emergindo com uma prioridade sócio-económica den- tro da União Europeia e, nos últimos anos, tem sido realizado um esforço substancial em pesquisa e desenvolvimento de soluções técnicas dentro desta área visando o reaproveitamento e valorização dos resíduos produzidos no sector da construção e obras públicas.
Em 2001, foi criada uma Lista Europeia de Resíduos - LER, que foi posteriormente ratificada pela Decisão 2001/119/CE da Comissão Europeia de 22 de Janeiro de 2001, onde são classificados os diferentes tipos de resíduos de acordo com a sua natureza intrínseca conforme se encontra descrito no Quadro 1.
Quadro 1 - Excerto da Lista Europeia de Resíduos (LER)
MATERIAIS CORRESPONDENTES CATEGORIA Betão, tijolos, ladrilhos, telhas e materiais cerâmicos 17 01
Madeira, vidro e plástico 17 02
Misturas betuminosas, alcatrão e produtos de alcatrão 17 03
Metais e suas ligas 17 04
Solos, rochas e lamas de dragagem 17 05
Materiais de isolamento 17 06
Mistura de construção à base de gesso 17 08
Outros resíduos de construção e demolição 17 09
Esta classificação veio conferir ao mercado da reciclagem europeu uma regulamentação com base na qual é possível identificar um determinado resíduo e atribuir-lhe a categoria correspondente, caracterizando-o assim para posterior reutilização do mesmo.
Na Europa, de acordo com dados de 1995, havia um desperdício equivalente a 200 milhões de to- neladas anuais de betão, pedra natural e outros recursos minerais valiosos. Tal volume de materiais
seria suficiente para se construir uma auto-estrada com seis faixas de rodagem interligando as cida- des de Roma e Londres.
Actualmente em Portugal, alguns empreendimentos de construção já adoptaram a presente legisla- ção, efectuando a classificação e separação dos resíduos da construção e demolição em obra (Figu- ra 1, à esquerda), através do armazenamento dos mesmos em locais diferenciados dentro do próprio estaleiro (Figura 1, à direita). Posteriormente, os mesmos são transportados por empresas acredita- das pelo Ministério do Ambiente, sendo que o destino final é em grande maioria o aterro, situação que se revela como um contra-senso, dado que parte destes materiais tem um elevado potencial de reciclagem, como adiante se verá, desaproveitando-se assim o trabalho de triagem feito a priori.
Figura 1 - Identificação dos resíduos através do código LER (à esquerda) e triagem e armazena- mento de resíduos em obra (à direita)
Felizmente, nações europeias tecnologicamente desenvolvidas como o Reino Unido (Figura 2, à esquerda), a Dinamarca, a Finlândia, a Holanda, a Alemanha, a França e a Bélgica (Figura 2, à di- reita), já perceberam a importância da reciclagem dos resíduos sobrantes da actividade de constru- ção, tendo desenvolvido programas de investigação onde procuram pesquisar a possibilidade de incorporar estes resíduos na produção de betões estruturais, atendendo sempre aos limites mínimos de resistência, deformabilidade e durabilidade exigíveis.
Figura 2 - Edifício do ministério do Ambiente no Reino Unido-1996 (à esquerda) e comporta de Berendrecht na Bélgica-1988 (à direita)
A partir de 1988, a União Europeia, então Comunidade Económica Europeia (CEE), executou um
grande número de obras em betão armado obtido a partir de agregados reciclados de betão, de al- venaria, bem como da mistura de ambos.
4. Campanha experimental realizada
Os dois tipos de agregados grossos reciclados (AGR) utilizados nesta campanha experimental fo- ram obtidos de duas fontes distintas: os agregados grossos reciclados de betão (AGRB) tiveram como proveniência provetes prismáticos betonados em laboratório com betão pronto com a compo- sição descrita no Quadro 2, sendo que a sua classe de resistência se inseria na C30/37 MPa; os agregados grossos reciclados cerâmicos (AGRC) foram obtidos através da britagem de uma pano de alvenaria simples com tijolo cerâmico furado com 11 cm de espessura, rebocado em ambas as faces com uma argamassa cimentícia ao traço 1:3.
Quadro 2 - Composição do betão de origem [1]
Constituinte Quantidade (/m3) Cimento CEM II 42,5R (kg) 270,5
Água (l) 139,5
Areia fina (kg) 163
Areia grossa (kg) 580,5
Brita 1 (kg) 467
Brita 2 (kg) 593
Cinzas volantes (kg) 58
Escória (kg) 39
Aos 28 dias, procedeu-se à trituração do betão de origem com o auxílio de uma britadeira de maxi- las, aproveitando-se a parcela resultante de agregados compreendidos entre 4,76 e 25,4 mm. O mesmo processo foi utilizado para originar a parcela de AGRC sendo que estes possuíam já uma idade de 6 meses antes de serem sujeitos ao processo de britagem.
Os agregados reciclados foram então separados e armazenados por fracções granulométricas em laboratório, tendo sido sujeitos a um conjunto de ensaios com o objectivo de os caracterizar apro- fundadamente. As principais características dos agregados grossos naturais (AGN) e dos agregados reciclados são apresentadas no Quadro 3.
Quadro 3- Propriedades dos agregados naturais e agregados reciclados [1]
AGN AGRB AGRC Massa volúmica partículas secas (kg/m3) 2558 2448 2160 Massa volúmica partículas saturadas com superfície seca (kg/m3) 2580 2526 2301
Absorção de água (%) 2,2 8,5 16,3
Módulo de finura 7,80 6,44 4,9
Destaque-se o facto de a densidade dos agregados reciclados ser menor do que a dos naturais, devi- do à pasta cimentícia endurecida que fica aderida aos mesmos e que possui uma densidade clara- mente menor do que os AGN. Dos dados anteriores constata-se que, como seria de esperar, a ab- sorção de água dos agregados reciclados é muito superior à dos agregados naturais, facto esse ex- plicável pela maior porosidade dos primeiros.
Foram testadas várias misturas com diferentes percentagens de substituição: 12.5, 25, 50 e 100%
para os agregados grossos reciclados de betão (AGRB); 6.25, 12.5, 25 e 50% para os agregados grossos reciclados cerâmicos com reboco (AGRC); e incorporação simultânea de ambos 6.25
AGRC - 12.5 AGRB, 12.5 AGRC - 25 AGRB e 25% AGRC - 50% AGRB. Todos os betões com agregados reciclados (BAR) foram comparados com um betão convencional de referência (BR) em termos de resistência mecânica e durabilidade.
Para se ter uma base comparativa válida entre as diferentes composições de betão produzidas foi necessário manter constante em todos os betões a curva granulométrica e a relação água / cimento efectiva (que difere da relação água / cimento de um betão convencional pelo facto de parte da água introduzida na amassadura ser absorvida pelos agregados reciclados devido à maior porosida- de destes comparativamente com os agregados naturais correntemente utilizados, o que obrigou aliás a um processo prévio de pré-saturação - Figura 3), situação que era validada posteriormente através do ensaio de abaixamento do cone de Abrams (Figura 4), efectuado em todos os betões produzidos, onde o resultado do ensaio deverá estar compreendido no intervalo de 80 ± 10 mm.
Figura 3 - Agregados reciclados cerâmicos com reboco saturados (à esquerda) e agregados recicla- dos de betão durante a fase de pré-saturação (à direita)
Figura 4 - Equipamento necessário para o ensaio do cone de Abrams (à esquerda) e medição da trabalhabilidade de um betão reciclado (à direita)
5. Resultados obtidos
Os betões reciclados produzidos foram analisados sob três vertentes: resistência mecânica, defor- mabilidade e durabilidade. Em consonância, os mesmos foram sujeitos a um conjunto de ensaios de forma a se controlar as variáveis que afectavam o aumento ou redução do seu desempenho face ao betão de referência, o qual era em tudo similar a um betão convencional com agregados naturais.
Neste capítulo, são apresentadas as principais conclusões obtidas para as propriedades a seguir des-
critas.
Em termos de resistência à compressão (Figura 5, à esquerda), os resultados obtidos permitem con- cluir que tanto para a incorporação de AGRB (até a uma incorporação máxima de 50%) como para a incorporação simultânea de AGRB e AGRC (até a uma incorporação máxima de 75%) na produ- ção de betões reciclados, não existe qualquer influência na sua resistência mecânica à compressão.
Já para a incorporação simples de AGRC, os resultados obtidos demonstram que existe uma redu- ção da resistência à compressão dos betões com o aumento da taxa de substituição destes agrega- dos, variação essa que apresenta um andamento linear, situação que já fora descrita por Pereira (2001) [3].
Quanto à resistência à tracção por compressão diametral (Figura 5, à direita), as conclusões tiradas para esta característica do betão permitem afirmar que, para os betões com AGRB, a sua resistência à tracção não parece ser afectada pela incorporação de agregados reciclados na sua mistura. Esta situação é explicável devido a um efeito de micro-pregagem do novo ligante introduzido nos poros dos agregados reciclados, situação que fortalece as ligações destes com a matriz cimentícia do be- tão. Já para os betões com AGRC, o mesmo não se passa, apresentando estes uma quebra linear da sua tensão de rotura à tracção com o aumento da percentagem de agregados grossos cerâmicos com reboco (AGRC) na sua constituição. Os betões com incorporação simultânea de AGRB e AGRC apresentam uma quebra de 20% da resistência à tracção para uma percentagem de substituição po- tencial de 37,5% (na proporção 1 AGRC: 2 AGRB)
Figura 5 - Ensaio para determinação da tensão de rotura à compressão de um BAGR (à esquerda) e modo de rotura do ensaio de determinação da tensão de rotura à tracção (à direita)
Em termos de módulo de elasticidade (Figura 6, à esquerda), os resultados obtidos são peremptó- rios quanto à redução deste com o aumento da taxa de substituição por agregados grossos recicla- dos de betão ou cerâmicos com reboco. Os betões reciclados apresentam uma diminuição linear do seu módulo de elasticidade com o aumento da percentagem de substituição de AGN por AGR de- vido sobretudo à menor compacidade destes pela presença da pasta endurecida aderida muito mais deformável do que a rocha (este efeito é ainda mais pronunciado nos AGRC do que nos AGRB devido à baixa densidade do material cerâmico por comparação com a rocha) e porque a deforma- bilidade da pasta de cimento e reboco é também menor do que no BR.
Quanto à retracção dos betões (Figura 6, à direita), é claramente afectada pela incorporação de agregados reciclados, embora em diferentes escalas consoante a natureza e a percentagem de incor- poração total na mistura. Para os betões com AGRB, para percentagens de substituição até 25%, não existem grandes diferenças de comportamento à retracção entre estes e os betões convencionais
(BC). Para percentagens de substituição entre 50 e 100%, a diferença entre os betões com AGN para os BAGRB parece manter-se constante, dentro de 30% de aumento.
Os BAGRC, até percentagens de substituição de 25% de AGN por AGRC, apresentam retracções inferiores aos BC, situação que poderá ser explicada pela menor retracção autogénea destes betões nas primeiras idades, que influi directamente no seu comportamento à retracção a longo prazo.
Os betões com incorporação simultânea de AGRB e AGRC apresentam um comportamento similar a longo prazo face aos BC até percentagens de substituição potencial 18,75%, B6.25C15.5B, sendo que para as primeiras idades a retracção dos mesmos é significativamente inferior. Para percenta- gens de substituição superiores, os resultados obtidos demonstram que o incremento da retracção para os BAGRBC tende a situar-se em 50% face ao BC.
Figura 6 - Equipamento de ensaio usado para a determinação do módulo de elasticidade de um BAGR (à esquerda) e medição da retracção através da utilização de um alongâmetro (à direita)
No que se refere à absorção de água (por imersão e por capilaridade) do betão endurecido (Figura 7), é uma das propriedades directamente relacionadas com a sua durabilidade. Os resultados obti- dos para a absorção de água por imersão e por capilaridade foram semelhantes. Globalmente, a ab- sorção de água dos betões aumenta com a taxa de incorporação de agregados reciclados na sua ma- triz, sendo esse aumento da absorção de água superior para os AGRC relativamente aos AGRB, situação natural que fica a dever-se à grande absorção de água dos agregados cerâmicos e reboco relacionada com a sua porosidade interna.
Figura 7 - Superfície de absorção de água por capilaridade (à esquerda) e medição da variação de massa de um provete de betão reciclado após imersão plena em água (à direita)
A absorção de água por imersão dos betões com AGRB tende a aumentar linearmente com o au- mento da percentagem de AGRB na mistura até a uma percentagem de substituição de 50% (16,9%
para a amassadura B50B - valor médio obtido para 2ª e 3ª fases da campanha de ensaios), estabili- zando num valor 30% superior à absorção verificada para o betão de referência. Por sua vez, a ab- sorção de água dos betões com AGRC aumenta sempre linearmente com o aumento da percenta- gem de AGRC na mistura. Já para a incorporação simultânea de AGRB e AGRC na mistura e até à percentagem de substituição máxima ensaiada (25% AGRC e 50% AGRB - B25C50B), verifica-se um aumento linear da absorção de água por imersão com o incremento da percentagem de substi- tuição de agregados reciclados na mistura.
Em termos da resistência à carbonatação (Figura 8, à esquerda), a profundidade de carbonatação medida da superfície exterior para o interior de uma peça de betão armado é de capital importância na definição da vida útil das armaduras no seu interior. Sendo esta uma das propriedades dos betões referida na bibliografia de referência como mais afectada nos BAGR, conclui-se com os valores agora obtidos que, até determinadas taxas limite de substituição, a perda de resistência à carbonata- ção pode em certa medida ser controlada. Para os betões com AGRB e até a uma percentagem de incorporação máxima de 50% de AGRB, obteve-se um incremento na profundidade de carbonata- ção aos 90 dias na ordem de 10% face ao BR. Por sua vez, para os betões com AGRC e até a uma percentagem máxima de substituição de 25% de AGRC, obteve-se um incremento de 9% face ao BR. Os betões reciclados com incorporação simultânea de AGRC e AGRB apresentaram o pior comportamento dos provetes ensaiados, para uma percentagem de substituição de 37,5%, sendo que a profundidade de carbonatação aos 90 dias é incrementada em cerca de 30% face ao resultado obtido pelo betão de referência.
No que se refere à resistência à penetração de cloretos (Figura 8, à direita), trata-se de outro parâ- metro de durabilidade dos betões, que usualmente evolui de uma forma próxima da absorção de água. Tal como seria de esperar, dadas as piores características de porosidade e de absorção de água dos agregados reciclados em comparação com os convencionais, os betões produzidos com agregados reciclados de betão, os produzidos com agregados reciclados cerâmicos com reboco as- sim como os produzidos com incorporação simultânea dos dois, apresentam igualmente taxas de penetração mais elevadas.
Figura 8 - Medição da profundidade de carbonatação de um provete de betão reciclado (à esquerda) e células de difusão utilizadas durante o ensaio de determinação do coeficiente de migração de clo-
retos de um BAGR (à direita)
No entanto, essas diferenças de desempenho podem ser controladas, como referido para a carbona- tação, com a imposição de taxas de substituição limite. Como exemplo, para um betão reciclado com 50% de incorporação de AGRB, obteve-se um aumento de apenas 5,6% para o coeficiente de migração de cloretos face a um betão convencional (BC). Para os betões com AGRC e até uma taxa de substituição de 25% de AGRC por AGN, obteve-se um incremento da profundidade de penetra- ção de cloretos de 19% face ao BC. Finalmente, para os BAGR com incorporação simultânea de AGRB e AGRC, o incremento da profundidade de penetração de cloretos cifra-se em 15%, para uma percentagem de substituição potencial de 37,5% (12,5% AGRC e 25% AGRB - B12.5C25B).
6. Conclusões
Neste artigo, apresentaram-se as principais conclusões retiradas de uma campanha experimental que visou a produção de betões estruturais reciclados através da incorporação de agregados grossos reciclados de betão e cerâmicos com reboco, através da sua incorporação individual num novo be- tão ou da incorporação simultânea dos dois tipos de agregados reciclados na mistura.
Com os resultados agora apresentados, constata-se que a produção de betões estruturais reciclados é possível, dentro de determinados limites de incorporação de agregados grossos reciclados, limites esses obtidos através de vários ensaios realizados que visam a caracterização mecânica, a deforma- bilidade e as propriedades de durabilidade destes novos betões.
É excluída desta análise a incorporação de agregados finos reciclados (de betão e cerâmicos), uma vez que os mesmos provocam drásticas reduções de trabalhabilidade e levantam questões sérias quanto ao aumento da deformabilidade na produção de betões reciclados, nomeadamente em pro- priedades como a retracção e a fluência [4].
Ficou, assim, demonstrada a viabilidade técnica sobre a produção de betões parcialmente reciclados com carácter estrutural, âmbito que ficava fora do espectro de aplicação deste tipo de material. Fica apenas por conseguir a mudança de mentalidades sobre a utilização destes betões, situação cuja resolução passa pela divulgação de trabalhos de investigação aplicada e pela criação de legislação que imponha aos donos de obra metas objectivas de reciclagem de RCD geradas nos respectivos empreendimentos, por exemplo, proporcionais ao valor económico e tipologia de cada obra.
Por outro lado, a criação de códigos de dimensionamento relativos a este tipo de betões é, também, um imperativo fundamental para a criação de um clima de confiança por parte de projectistas e res- tantes intervenientes de uma obra.
Referências bibliográficas
[1] Gomes, M. - “Betões Estruturais com Incorporação de Agregados Grossos Reciclados de Betão e Cerâmicos com Reboco”, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2007;
[2] Agência Lusa, Lisboa, Maio de 2007;
[3] Pereira, A. S. - “Utilização de Agregados Grossos Cerâmicos Reciclados na Produção de Be- tão”, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2001;
[4] Evangelista, L. - “Betões Executados com Agregados Finos Reciclados de Betão”, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2007.
