UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
CARINE CARDOSO DOS SANTOS
ANÁLISE DO USO DO PÓ DE EXAUSTÃO PROVENIENTE DO SISTEMA DE REGENERAÇÃO DE AREIA DE MACHARIA
EM CONCRETO CONVENCIONAL
CARINE CARDOSO DOS SANTOS
ANÁLISE DO USO DO PÓ DE EXAUSTÃO PROVENIENTE DO SISTEMA DE REGENERAÇÃO DE AREIA DE MACHARIA
EM CONCRETO CONVENCIONAL
Dissertação apresentada para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.
Orientador: Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina, Doutor
"ANÁLISE DO USO DO PÓ DE EXAUSTÃO PROVENIENTE DO SISTEMA DE REGENERAÇÃO DE AREIA DE MACHARIA
EM CONCRETO CONVENCIONAL”
por
CARINE CARDOSO DOS SANTOS
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina UDESC (presidente/orientador)
Banca Examinadora:
Joinville, 11 de Fevereiro de 2011.
Dra. Marilena Valadares Folgueras UDESC
FICHA CATALOGRÁFICA
S237a
Santos, Carine Cardoso dos.
Análise do Uso do Pó de Exaustão Proveniente do Sistema de Regeneração de Areia de Macharia em Concreto Convencional / Carine Cardoso dos Santos; orientador: Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina – Joinville, 2011.
109 f.: il ; 30cm Incluem referências.
Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011.
1. Cerâmica 2. Concreto. I. Dalla Valentina, Luiz Veriano Oliveira.
A Deus por tudo. Muito obrigada.
AGRADECIMENTOS
Ao meu amigo e orientador, professor Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina, pelo apoio, paciência, dedicação, compreensão tanto nos momentos de alegria como de dificuldade para a realização deste trabalho: meu eterno agradecimento.
A minha família por realmente demonstrar o verdadeiro significado de união e amor. Em sempre escutar nos momentos de tristeza, entender a minha ausência em certas ocasiões e se alegrarem com as conquistas.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM e aos demais professores do PGCEM pela oportunidade de estudo.
A amiga Aliana Regina Schneider pelas suas idéias, companheirismo e discussões valiosas, ocorridas durante todo o período de nossa convivência.
Ao Laboratório de Materiais de Construção Civil do Departamento de Engenharia Civil onde auxiliou na realização grande parte dos ensaios.
Aos bolsistas, Simone Claudiano Semptikovski e Wagner de Campos Galuppo, pela dedicação e comprometimento na realização dos ensaios e pesquisas.
A CAPES pela bolsa de estudos concedida.
As instituições UFSC, SENAIsc e a empresa Tupy S.A. que contribuíram para a realização deste trabalho
RESUMO
SANTOS, Carine Cardoso dos. Análise do Uso do Pó de Exaustão Proveniente do Sistema de Regeneração de Areia de Macharia em Concreto Convencional. 2011. 106 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais – Área: Cerâmica) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011.
Um dos maiores problemas das indústrias de fundição é a geração de resíduos sólidos, que têm alto impacto ambiental. No processo de fundição, o uso de ligantes e aditivos limita a reutilização de areia, por este motivo este tipo de indústria descarta o referido resíduo em aterros controlados. O objeto deste trabalho é o resíduo pó de exaustão, proveniente da regeneração de areias da macharia. Nesse sentido, procuram-se alternativas a fim de reutilizar o pó de exaustão em grande quantidade, de forma a minimizar os custos de descarte pelas siderúrgicas, e incorporá-lo no processo produtivo da construção civil. Em contrapartida, o setor da construção civil carece de diversas matérias-primas, entre elas a areia natural de rio. Este agregado tem gerado impactos ambientais irreversíveis, como perda da biodiversidade nas áreas de extração da matéria-prima, assoreamento dos rios, comprometimento da vazão e regime dos rios, desmatamentos das matas ciliares, exaustão das áreas produtoras que onera o custo do produto. Logo a busca de um novo produto para a construção civil com valor agregado tende a minimizar o resíduo de fundição descartado em aterros controlados e reduz a quantidade consumida de matéria-prima extraída dos leitos de rio. Este trabalho tem por objetivo avaliar as potencialidades da utilização do pó de exaustão para a produção de concretos convencionais sem fins estruturais. Os experimentos foram conduzidos nas seguintes condições: 0, 7,5 e 15% de pó de exaustão em peso para diferentes teores do fator água/cimento (0,52, 0,54 e 0,56). Para tal, o concreto e os materiais foram analisados através de ensaios de caracterização, da propriedade mecânica de compressão e ecotoxicológicos. Na análise das características dos materiais constata-se que o pó de exaustão é um material de granulometria baixa e não apresenta riscos a saúde pública. A resistência mecânica nominal de compressão do concreto com a substituição de 15% do pó de exaustão ficou próxima dos valores encontrados sem a utilização do mesmo. Verificando os resultados através da análise de experimentos, verificou-se que é viável a substituição do pó de exaustão nas proporções em até 15% dentro das condições do fator água/cimento.
ABSTRACT
SANTOS, Carine Cardoso dos. Analysis of the Use of Powder Exhaust from the of System Sand Core Making Regeneration in Conventional Concrete. 2011. 106 f. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering – Area: Ceramic) – Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2011.
One of the main problems in the foundry industry is the generation of solid wastes, which have high environmental impact. In the foundry process, the use of binders and additives in the sand, limits its reuse, therefore, this type of industry discards the waste in controlled landfills. The reason of this work is the residual exhaustion powder, from the regeneration of the sand core making. In this way, we search alternatives in order to reuse the exhaustion powder in large amount, in order to minimize the discards costs by the steel industries and incorporate it into the production process of construction. In contrast, the construction industry lacks many raw materials, including natural sand from rivers. This aggregate has caused irreversible environmental impacts such as loss of biodiversity in the areas of raw material extraction, siltation and compromising of flow regime of rivers, deforestation of riparian forests decrease in production areas that burdens the cost of the product. The search for a new material for building with value-added minimize the disposed of foundry waste in controlled landfills and reduces the amount consumed of raw material extracted from riverbeds. This work aims to evaluate the potential use of exhaustion powder for the production of conventional concrete without structural purposes. The experiments were conducted under the following conditions: 0, 7.5 and 15% of exhaustion powder in weight for different levels of water/cement ratio (0.52, 0.54 and 0.56). For this, the concrete and the materials were analyzed by characterization tests, mechanical property of compression and ecotoxicological. In analyzing the characteristics of the materials it appears that exhaust powder is a low size particule and no poses risk to public health. The nominal compressive strength of concrete by replacing 15% of the exhaust powder was close to the values reached without the use of the same. Checking the results through the analysis of experiments, it was found that it is feasible to replace the exhaust powder in proportions up to 15% under conditions of the water/cement ratio.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Modelo e molde de areia ... 19
Figura 2.2 - Fluxograma do processo de regeneração da areia ... 25
Figura 2.3 - Aspecto do material a regenerar ... 26
Figura 3.1 - Combinações possíveis entre cimento e agregados ... 31
Figura 3.2 - Teor de umidade e absorção ... 35
Figura 3.3 - Exemplos de curvas granulométricas ... 37
Figura 4.1- Ensaio de “Los Ángeles” ... 56
Figura 4.2 - Ensaio de abatimento do tronco de cone ... 64
Figura 5.1 - Curva granulométrica do pó de exaustão... 70
Figura 5.2 - Difratograma de Raios-X do pó de exaustão de fundição ... 72
Figura 5.3 - Micrografia do pó de exaustão... 73
Figura 5.4 - Análise térmica diferencial (DTA) e termogravimétrica (TG) do pó exaustão ... 74
Figura 5.5 - Análise de infravermelho do pó de exaustão ... 74
Figura 5.6 - Curva granulométrica da areia natural de rio ... 80
Figura 5.7 - Curva granulométrica da mistura com 7,5% de pó de exaustão .. 80
Figura 5.8 - Curva granulométrica da mistura com 15% de pó de exaustão ... 80
Figura 5.9 - Curva granulométrica da brita ... 82
Figura 5.10 - Areia natural de rio ... 84
Figura 5.11 - Rocha gnáissica ... 85
Figura 5.12 - Difratograma de Raios-X da areia natural de rio ... 86
Figura 5.14 - Microestrutura do concreto com 0% de pó de exaustão: (a) apresentando a interface agregado – pasta, (b) interface agregado – pasta, (c) formação da pozolana e (d) detalhe do
silicato de cálcio hidratado (C-S-H) ... 91 Figura 5.15 - Microestrutura do concreto com 7,5% de pó de exaustão: (a)
apresentando a interface agregado – matriz, (b) formação do hidróxido de cálcio hidratado e (c) forma e textura do resíduo pó de exaustão na pasta de cimento ... 92 Figura 5.16 - Microestrutura do concreto com 15% de pó de exaustão: (a)
apresentando a interface agregado – matriz, (b) sólidas da pasta de cimento hidratada e (c) fases sólidas da pasta de
cimento hidratada ... 93 Figura 5.17 - Gráfico comparativo das resistências à compressão ... 95 Figura 5.18 - Gráfico da influência do fator a/c sobre a resistência à
compressão aos 7 dias ... 97 Figura 5.19 - Gráfico da influência da porcentagem de pó de exaustão sobre
a resistência à compressão aos 7 dias ... 97 Figura 5.20 - Gráfico da influência da interação da porcentagem do pó de
exaustão com o fator a/c sobre a resistência à compressão aos 7 dias ... 98 Figura 5.21 - Gráfico da influência do fator a/c sobre a resistência à
compressão aos 28 dias ... 99 Figura 5.22 - Gráfico da influência da porcentagem de pó de exaustão sobre
a resistência à compressão aos 28 dias ... 99 Figura 5.23 - Gráfico da influência da interação da porcentagem do pó de
exaustão com o fator a/c sobre a resistência à compressão aos 28 dias ... 100 Figura 5.24 - Curvas de nível da resistência à compressão aos 7 dias (MPa) .. 100 Figura 5.25 - Curvas de nível da resistência à compressão aos 28 dias (MPa) 101 Figura 5.26 - Gráfico da probabilidade normal dos resíduos para o modelo de
análise da resistência à compressão aos 28 dias ... 102
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Resistência a compressão média do concreto em MPa em função da relação a/c para vários tipos de cimentos
brasileiros ... 33
Tabela 3.2 - O planejamento fatorial com dois fatores ... 41
Tabela 4.1 - Técnicas analíticas utilizadas nos ensaios de lixiviação e solubilização ... ... 48
Tabela 4.2 - Características físicas do cimento CP-II-Z-32 ... 58
Tabela 4.3 - Composição química do cimento CP-II-Z-32 ... 58
Tabela 4.4 - Combinações possíveis no planejamento de experimentos utilizados ... 60
Tabela 5.1 - Distribuição de tamanho de partícula do pó de exaustão ... 69
Tabela 5.2 - Composição química e absorção atômica do pó de exaustão.. 71
Tabela 5.3 - Ensaio físico e químico do pó de exaustão sólido ... 76
Tabela 5.4 - Ensaio físico e químico do pó de exaustão lixiviado ... 76
Tabela 5.5 - Ensaio físico e químico do pó de exaustão solubilizado ... 77
Tabela 5.6 - Distribuição granulométrica da areia de rio ... 78
Tabela 5.7 - Distribuição granulométrica da mistura com 7,5% de pó de exaustão de fundição ... 79
Tabela 5.8 - Distribuição granulométrica da mistura com 15% de pó de exaustão de fundição ... 79
Tabela 5.9 - Distribuição granulométrica da brita ... 81
Tabela 5.10 - Grãos medidos conforme fração granulométrica ... 84
Tabela 5.11 - Consistência do concreto fresco ... 87
Tabela 5.12 - Média para a consistência do concreto fresco ... 88
Tabela 5.14 - Massa específica, índice de vazios e absorção de água por
imersão ... 89 Tabela 5.15 - Resistência à compressão do concreto aos 7 dias ... 90 Tabela 5.16 - Resistência à compressão do concreto aos 28 dias ... 90 Tabela 5.17 - Média, desvio padrão e intervalo com 95% de confiança para
a resistência à compressão aos 7 dias ... 94 Tabela 5.18 - Média, desvio padrão e intervalo com 95% de confiança para
a resistência à compressão aos 28 dias ... 95 Tabela 5.19- Análise de variância para o experimento de resistência à
compressão aos 7 dias ... 96 Tabela 5.10 - Análise de variância para o experimento de resistência à
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A Absorção de água a/c Relação água cimento a1 e a2 Índices de expressão
ABIFA Associação Brasileira de Fundição
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA Análise de variância (Analysis of variance) C-S-H Silicato de cálcio hidratado
d Massa específica do agregado seco D Diâmetro do corpo de prova
DRX Difratometria de Raios-X DTA Análise térmica diferencial
ds Massa específica do agregado na condição saturada superfície
seca
Ec Módulo de elasticidade inicial
Ec Módulo de elasticidade inicial
fc Resistência do concreto à compressão
fck Resistência característica do concreto à compressão
IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto IV Índice de vazios
m Massa ao ar da amostra seca ma Massa em água da amostra
MPa Mega Pascal
MEV Microscopia eletrônica de varredura
mi Massa da amostra saturada imersa em água após fervura
MO Microscopia Ótica
MP Porcentagem de material pulverulento
MQ Média quadrática
ms Massa ao ar da amostra na condição saturada superfície seca
Mt Teor de argila em torrões e materiais friáveis
NBR Norma Brasileira
NM Norma Mercosul
P Perda por abrasão
ppm Partes por milhão
Q Carga máxima
SQ Soma quadrática
TG Análise termogravimétrica
V Volume do frasco
V.M.P Valor máximo permitido
yijk Observações do modelo estatístico
ρa Massa específica da água ρr Massa específica real
ρs Massa específica da amostra seca
ρsat Massa específica da amostra saturada
Efeito médio global
j
Efeito do j-ésimo nível do fator B
i
Efeito do i-ésimo nível do fator A
IJ
)
( Efeito da iteração entre A e B
ij
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 PROBLEMÁTICA ... 16
1.2 OBJETIVOS ... 17
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 18
2 AREIAS DE FUNDIÇÃO E A GERAÇÃO DE RESÍDUOS ... 19
2.1 RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS ... 21
2.2 PROCESSO DE REGENERAÇÃO DE AREIAS ... 23
2.3 PÓ DE EXAUSTÃO PROVENIENTE DO SISTEMA DE REGENEREÇÃO DE AREIA DE MACHARIA ... 25
2.4 UTILIZAÇÃO DOS RESÍDUOS DE FUNDIÇÃO... 27
3 CONCRETO E SEUS CONSTITUINTES ……….…... 31
3.1 ZONA DE TRANSIÇÃO ... 32
3.2 PROPRIEDADE DO CONCRETO FRESCO ... 32
3.3 PROPRIEDADES DO CONCRETO ENDURECIDO ... 33
3.4 AGREGADOS ... 33
3.4.1 Absorção e umidade superficial ... 34
3.4.2 Composição granulométrica ... 36
3.5 ROCHAS ... 37
3.6 AREIAS ... 39
3.7 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS ... 40
3.7.1 Planejamento de experimentos fatoriais com dois fatores ... 40
3.7.2 Planejamento fatorial 32 ... 41
3.7.3 Verificação da adequação do modelo ... 41
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 43
4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ... 43
4.1.1 Pó de exaustão de fundição ... 44
4.1.2 Agregados graúdo e miúdo ... 49
4.1.3 Cimento ... 57
4.1.4 Água de amassamento ... 58
4.2 DOSAGEM DOS CONCRETOS ... 59
4.2.1 Traço experimental ... 59
4.3 PRODUÇÃO DOS CONCRETOS ... 60
4.3.1 Pesagem dos materiais ... 61
4.3.2 Controle da temperatura ... 61
4.3.3 Mistura dos materiais ... 61
4.3.4 Moldagem ... 62
4.3.5 Adensamento ... 62
4.3.6 Cura ... 63
4.4 CARACTERIZAÇÃO DOS CONCRETOS ... 63
4.4.1 Propriedade no estado fresco – Índice de consistência ... 64
4.4.2 Propriedades no estado endurecido ... 65
4.4.2.1 Determinação da massa específica, índice de vazios e absorção de água por imersão... 65
4.4.2.2 Determinação da resistência à compressão de corpos de prova cilíndricos ... 66
4.4.3 Microestrutura do concreto ... 67
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 69
5.1 CARACTERIZAÇÃO DO PÓ DE EXAUSTÃO DE FUNDIÇÃO ... 69
5.2 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS ... 77
5.3 CARACTERIZAÇÃO DOS CONCRETOS ... 87
5.3.1 Propriedade no estado fresco – Índice de consistência ... 87
5.3.2 Propriedades no estado endurecido ... 88
5.3.2.1 Massa específica, índice de vazios e absorção de água por imersão .... 89
5.3.2.2 Determinação da resistência à compressão dos corpos de prova cilíndricos ... 89
5.3.3 Microestrutura do concreto ... 90
5.4 ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 94
6 CONCLUSÃO ... 103
6.1 CONCLUSÕES ... 103
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 104
