ESTUDO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CONCRETOS DE BAIXA RESISTÊNCIA COM ADIÇÃO DE PÓ DE RESÍDUO DE CERÂMICA
VERMELHA
1G. Valentim; 2W. C. Firme; 2K. A. S. Medeiros; 3R. A. Palhares; 2K. C. Cabral
1Universidade Federal Rural do Semiárido (UFERSA) – Mossoró/RN 2Universidade Federal Rural do Semiárido (UFERSA) – Angicos/RN
3Universidade de Brasília (UNB) - Brasília/DF
Av. Francisco Mota, 572 - Bairro Costa e Silva, Mossoró RN | CEP: 59.625-900 geronillane@hotmail.com
RESUMO
O presente trabalho trata de um estudo experimental acerca das características mecânicas de concretos de baixa resistência, para fins usuais de menor exigência mecânica, com adição do pó de resíduo de cerâmica vermelha em teores de 2% e 5% em relação à massa do cimento. Os corpos de prova foram ensaiados a compressão aos 7, 14 e 28 dias e comparados em relação a um de referência, que não possuía incorporação cerâmica. As características avaliadas dizem respeito ao módulo de elasticidade, módulo de tenacidade e limite de resistência à compressão axial. Tais informações foram extraídas através dos diagramas Tensão-Deformação obtidos nos ensaios de resistência a compressão. Diante dos resultados diagnosticados, pôde-se observar que os concretos com a adição de pó de RCV obtiveram maiores evoluções de suas propriedades se comparados ao padrão, sem nenhuma adição. Entretanto, esses resultados só foram mais perceptíveis após 14 dias, atingindo crescimento superior a 25%.
Palavras-chave: Construção Civil, Resíduo Cerâmico, Cimento Portland,
INTRODUÇÃO
Não há dúvidas que o setor da construção civil vem crescendo muito nos últimos anos, ganhando destaque se comparado aos setores de agricultura e serviços. Esse crescimento requer uma maior demanda de materiais específicos que necessitam de recursos naturais.
A construção civil é responsável pelo consumo de 14% a 50% dos recursos naturais disponíveis, renováveis e não renováveis, do planeta, logo, compete a ela buscar por alternativas sustentáveis e viáveis na tentativa de minimizar os impactos que a geração de resíduos pode trazer ao meio ambiente (1). Com isso, nos últimos
anos a atenção por políticas públicas para os resíduos gerados por esse setor tem provocado discussão sobre questões ambientais, a primeira discussão mais ampla sobre o assunto se deu no trabalho realizado por (2).
Diante desses fatos, pesquisadores têm investigado processos para a produção de materiais alternativos. Uma opção que se apresenta muito eficaz é a utilização de resíduos da indústria cerâmica, os quais, quando moídos, possuem certa reatividade pozolânica, e podem ser incorporados a argamassas e concretos. Esses materiais são ricos em sílica (SiO2) e/ou alumina (Al2O3) que ao reagirem
quimicamente com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), presente na cal ou cimento,
podem fornecer algumas alterações nas características do material produzido, tais como as propriedades mecânicas e a durabilidade (3). Esta reação é denominada de
reação pozolânica, mostrada na Equação A.
Segundo o mesmo autor, a reação pozolânica contribui tanto para a resistência da pasta endurecida como para a durabilidade diante da ação de agentes agressivos. As partículas que não reagem com os produtos de hidratação do cimento, pozolana residual e Aluminato de Cálcio Hidratado (Ca(AlO2)2), formados
durante a reação pozolânica, atuam como espécie de preenchimento, reduzindo a porosidade, e consequentemente a permeabilidade da estrutura resultante.
Pozolana + Ca(OH)2 + H2O → CaSiO3 + Ca(AlO2)2 + Pozolana Residual (A)
Em que:
Ca(OH)2 = Hidróxido de Cálcio do cimento Portland
H2O = Água
Ca(AlO2)2 = Aluminato de Cálcio Hidratado
A combinação do Ca(OH)2 com a pozolana produz a formação de compostos
ligantes adicionais que proporciona uma estrutura mais compacta e mecanicamente mais resistentes que a do cimento Portland comum (4).
Segundo a NBR 12653 (ABNT, 2014), são considerados materiais pozolânicos aqueles silicosos ou silicoaluminosos que, por si sós, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante. Porém, quando finamente moídos e na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) à temperatura ambiente, formando
compostos com propriedades aglomerantes (silicato de cálcio e aluminato de cálcio). Dentre as propriedades do concreto, tem-se como a principal, em seu estado endurecido, a resistência mecânica à compressão, sendo determinada através de ensaios laboratoriais de corpos de prova padronizados submetidos à compressão axial. Os resultados destes ensaios permitem plotar o gráfico tensão versus deformação e possibilitam a comparação de diferentes tipos de concretos, a depender de alguns aspectos, tais como: fator água/cimento; idade do concreto; forma e dimensão do corpo de prova; e qualidade dos materiais (5).
Nesse contexto, este trabalho analisou, por meio de um estudo experimental, as possíveis alterações relacionadas as propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, módulo de tenacidade e limite de resistência à compressão axial) através do gráfico tensão-deformação, por meio da incorporação de pó de resíduo de cerâmica vermelha no concreto, beneficiando tanto o meio ambiente quanto o próprio material.
MATERIAIS E MÉTODOS
O resíduo de cerâmica vermelha utilizado na fase experimental do presente estudo foi o mesmo material estudado por (6). Com isso, foi possível tomar como
base os resultados obtidos em sua pesquisa, onde pôde-se comprovar que o resíduo de cerâmica vermelha se apresenta como alternativa para a utilização como material pozolânico em misturas com cimento Portland, de acordo com os parâmetros estabelecidos pela NBR 12653 (ABNT, 2014).
Nesse contexto, foi incorporado ao concreto, o pó de resíduo de cerâmica vermelha, material pozolânico já caracterizado por (6). Foram produzidos corpos de
prova de concreto cilíndricos 10 cm x 20 cm (diâmetro x altura) com traço padrão tabelado na literatura de 1: 2: 3, com fator a/c de 0,864, em volume. Os CPs foram rompidos em três idades, 7, 14 e 28 dias.
Quanto às amostras, foram confeccionados três grupos. Um não sendo introduzido nenhum resíduo e os demais produzidos com adição pozolânica do referido resíduo a 2% e 5%. A Tabela 1 expressa a quantidade de materiais, por metro cubico, utilizados para a confecção dos tipos de concretos e a Tabela 2 expressa a caracterização dos materiais utilizados na confecção do mesmo.
Tabela 1 – Consumo de materiais (kg/m³)
CONCRETO CIMENTO RESÍDUO AREIA BRITA ÁGUA
REF 344,0 0,0 746,5 1011,4 209,8
AD2% 344,0 6,9 746,5 1011,4 209,8
AD5% 344,0 17,2 746,5 1011,4 209,8
Tabela 2 – Caracterização física dos materiais
CIMENTO AREIA BRITA 1 RESÍDUO ÁGUA
3,10 2,62 2,64 2,68 1,00
1,43 1,52 1,41 - 1,00
1,43 1,52 1,46 - 1,00
PROPRIEDADE . MASSA ESPECÍFICA MASSA ESP. UNIT. COMPRIMIDA
MASSA ESP. UNIT. SOLTO
(𝒈/𝒄𝒎𝟑)
Todos os corpos de prova foram submetidos aos ensaios de compressão axial no Laboratório de Construção Civil do Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN), na cidade de Mossoró. Foi utilizado o software GeoGebra para plotar e extrair as propriedades mecânicas do material no gráfico Tensão-Deformação.
Os materiais utilizados foram: água potável vindo da rede de abastecimento da Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN); como aglomerante o cimento CPII-Z-32 RS que já possui adição pozolânica resistente a sulfato, fornecido pelo representante Apodi; agregado miúdo (areia) e agregado graúdo (brita), de 19 mm, adquiridos no comercio do Município de Angicos, Rio Grande do Norte; e resíduo de cerâmica vermelha derivado de uma indústria ceramista, no município de Itajá/RN.
O recolhimento, processamento e caracterização desse resíduo foram feitos por (6). De acordo com o autor, o resíduo cerâmico recolhido consistia de fragmentos
com dimensões variadas. Então, manualmente, reduziu-se o material a cacos com dimensões adequadas à introdução num moinho. Após essa etapa, procedeu-se com a moagem pelo método de ensaio de abrasão Los Angeles. Posteriormente, o material resultante da moagem foi submetido ao processo de peneiração,
fazendo-se uso da peneira de abertura de malha de 0,075 mm (N° 200). Como resultados da caracterização desse material, obteve-se: massa específica de 2,80 g/cm³; área específica de 3492 cm²/g; somatório de 89,48% para os compostos Sílica (Si), Alumina (Al) e Ferro (Fe); e Índice de Atividade Pozolânica (IAP), de acordo com a NBR 12653 (ABNT, 2014), igual a 129%.
Na preparação dos concretos houve duas etapas, a mistura e moldagem dos corpos de prova, e a cura destes. Para este primeiro seguiu-se a NBR 5738 (ABNT, 2015), na qual os materiais (agregado miúdo, agregado graúdo, água e cimento) foram primeiramente separados e pesados. As misturas foram feitas mecanicamente através da betoneira de modelo MB-150L (1∕2 HP-4 Pólos).
Logo após a mistura dos materiais, foram colocados nos moldes cilíndricos, em duas camadas. O adensamento foi feito manualmente com doze golpes homogeneamente distribuídos para cada camada. Na superfície do corpo de prova foi feito o rasamento. Seguida a moldagem, os corpos foram todos identificados e guardados durante 24 horas a temperatura ambiente, como estabelece a NBR 5738 (ABNT, 2015). Após isso, foram imersos em água e retirados em 7, 14 e 28 dias para ser submetidos aos testes de resistência a compressão.
Para o ensaio de resistência a compressão dos corpos cilíndricos foi seguida a NBR 5739 (ABNT, 2007). Antes de submetê-los aos ensaios, foi feita a retificação dos corpos. A prensa hidráulica utilizada foi do modelo PC200CS, fabricada pela indústria EMIC. No ensaio foi utilizado uma taxa de carregamento constante de 0,36 MPa/s, obedecendo aos limites de taxa de carregamento estabelecido pela norma citada, cujo valor deve ser de (0,45 ± 0,15) MPa/s. Além disso, a tensão aplicada pela máquina durante o ensaio era interrompida quando a força aplicada decaía 20% em relação a força máxima aplicada.
Na coleta e tratamento dos dados foi utilizado o software GeoGebra, que serviu para plotar os gráficos e obter as propriedades mecânicas necessárias. Para obtenção desses dados programou-se o aplicativo para extrair automaticamente as propriedades do gráfico, seguindo-se os conceitos encontrados na literatura, na qual diz que o módulo de elasticidade, para o concreto, é aplicado apenas à parte retilínea da curva Tensão-Deformação ou, quando não existir uma parte retilínea, a expressão é aplicada à tangente da curva na origem. O módulo de tenacidade é calculado pela área inteira abaixo do diagrama Tensão-Deformação e o limite de
resistência mecânica é a tensão máxima que o material recebe e ocorre logo após o corpo de prova sofrer endurecimento por deformação. Tem-se para o caso de concreto que esse limite corresponde ao limite de ruptura.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A seguir são mostradas as análises das mudanças em cada propriedade mecânica abordada durante o trabalho, sendo estas extraídas do gráfico Tensão-Deformação por meio do ensaio de resistência à compressão axial.
Módulo de Elasticidade
A Tabela 3 mostra as médias e os coeficientes de variação dos resultados quanto ao módulo de elasticidade dos corpos de prova obtidos aos 7, 14 e 28 dias.
Tabela 3 - Médias dos Módulos de elasticidade (GPa)
Concreto MÓDULO DE ELASTICIDADE (GPa) (COEFICIENTE DE VARIAÇÃO (%))
7 dias 14 dias 28 dias
REF 17,2 (10,4) 17,5 (10,1) 19,1 (5,7)
AD2% 17,5 (4,3) 18,3 (14,9) 21,9 (6,6)
AD5% 17,7 (4,8) 18,6 (7,9) 21,5 (8,9)
Para melhor visualização dos resultados, apresenta-se o Gráfico 1 com todas as médias observadas em função dos dias.
Gráfico 1 - Evolução das médias do módulo de elasticidade em função da idade do concreto
Comparando os corpos de prova com teores de adição e os de referência, sem adição, pode-se perceber que aos 7 dias as diferenças percentuais foram menores que 5%, e aos 14 dias os resultados apresentaram diferenças menores que 7%.
Já aos 28 dias, o concreto com adição de 2% apresentou um aumento de, aproximadamente, 15% e o concreto com adição de 5% um incremento de 13%, respectivamente, em relação ao padrão. Estas evoluções representam maior enrijecimento do material, visto que quanto maior o Módulo de Elasticidade, maior a rigidez do compósito.
Analisando a evolução do CPs dos 7 dias aos 28 dias, o concreto que obteve a maior evolução foi o com 2% de teor de adição, seguido do de 5% e por último o concreto de referência, apresentando, respectivamente, 25%, 21% e 11%. Isso quer dizer que a idade de ruptura influenciou os concretos com adições de forma positiva, mostrando que o efeito pozolânico de fato aconteceu, retardando o aumento da propriedade. O fato de ser usado cimento já com adição pozolânica pode ter influenciado ainda mais a evolução tardia.
Módulo de Tenacidade
De acordo com a Tabela 4, em que estão expostos os resultados das médias dos Módulos de Tenacidade e seus respectivos coeficientes de variação, pode-se perceber que aos 7 e 14 dias, assim como para o Módulo de Elasticidade, comparando os concretos com adições ao concreto de referência, não houveram variações significativas, sendo todas inferiores a 6%. Enquanto que aos 28 dias, o Módulo de Tenacidade não apresentou evoluções tão significativas como o Módulo de Elasticidade obteve, ficando em torno de 11% de acréscimos nesse caso.
Aos 28 dias em relação aos 14 dias, o concreto de 5% cresceu 33,3% e o de 2% aumentou 44,2%, enquanto que o de referência evoluiu menos, obtendo-se 28,8%.
Tabela 4 - Médias doa Módulos de Tenacidade (kPa)
Concreto MÓDULO DE TENACIDADE (kPa) (COEFICIENTE DE VARIAÇÃO (%))
7 dias 14 dias 28 dias
REF 44,1 (17,2) 42,7 (21,0) 55,0 (3,64)
AD2% 43,0 (0,0) 43,0 (0,0) 62.0 (11,29)
AD5% 45,0 (6,67) 45,0 (6,67) 60.0 (5,0)
Os resultados mostram que a utilização do resíduo provocou um leve aumento no módulo de tenacidade, fazendo com que o material sofra uma deformação um pouco superior, devido à carga, antes de se romper.
No Gráfico 2, a seguir, percebem-se melhor as mudanças citadas, possuindo todas as médias encontradas em função dos dias.
Gráfico 2 - Evolução das médias dos módulos de tenacidade em função da idade do concreto em kPa
Resistência Mecânica (compressão axial)
Na Tabela 5 estão exibidos os valores das médias das Resistências Mecânicas dos CPs e seus respectivos coeficientes de variação. Nota-se uma sequência de baixo crescimento nas primeiras idades (7 e 14 dias) de acordo com o aumento do teor de substituição. Já aos 28 dias, diferentemente das idades iniciais, obteve-se um aumento mais significativos das resistências, apresentando 31,8% para o concreto com adição de 2% e 26,5% para o concreto com 5% em relação ao concreto de referência.
Tabela 5 - Médias dos Limites de Resistência Mecânica (MPa) Concreto RESISTÊNCIA MECÂNICA (MPa) (COEFICIENTE DE VARIAÇÃO (%))
7 dias 14 dias 28 dias
REF 10,7 (14,9) 11,1 (9,5) 13,2 (11,1)
AD2% 11,1 (5,8) 12,2 (12,4) 17,4 (7,8)
AD5% 11,4 (3,8) 12,6 (0,6) 16,7 (8,3)
Para melhor compreensão, esses resultados estão contidos no Gráfico 3, em que são plotados as médias das resistências à compressão em função da idade de rompimento para cada tipo de concreto.
Gráfico 3 - Evolução das resistências médias em função da idade do concreto Percebe-se pelo Gráfico 3 que o concreto que apresentou maior evolução no tempo foi o de 2%, com incremento de 42,6% da sua resistência aos 28 dias em relação aos 14 dias. Em sequência, o concreto de 5% de adição mostrou evolução de 32,5% e o de referência 18,9%, da resistência aos 28 dias comparado aos 14 dias.
Os resultados de aumento de resistência pode ter ocorrido pelo fato da pozolana reagir com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) presente na pasta de cimento,
consumindo-o e produzindo novos compostos cimentícios resistentes, como o silicato de cálcio hidratado (CaSiO3) como afirma (3).
Essas variações no limite de resistência mecânica estão intimamente ligadas as variações dos módulos de elasticidade, pois, o limite de resistência mecânica apresenta uma relação direta com o módulo de elasticidade, com a fração volumétrica e a densidade do concreto (7). Percebe-se com isso, pelo Gráfico 3, que
a evolução das médias do limite de resistência mecânica seguiu um desenvolvimento semelhante ao módulo de elasticidade, comprovando a explicação de (7).
CONCLUSÃO
Por meio dos estudos experimentais de ensaio de resistência à compressão, pôde-se observar que as propriedades mecânicas dos concretos com adição de pó de resíduo cerâmico obtiveram maiores crescimentos ao longo do tempo, se comparados aos corpos de prova padrão. A adição do resíduo cerâmico, no início, mostrou uma retardação, ou seja, poucas evoluções quanto à melhora das propriedades em relação ao concreto de referência, porém a partir dos 14 dias mostraram crescimento mais significativo.
Foi percebido que dentre todos os corpos de prova testados, os concretos com adição de 2% atingiram maiores valores das propriedades mecânicas avaliadas aos 28 dias, seguido do concreto com 5% de adição. Entretanto, observou-se que até aos 14 dias os maiores valores do Módulo de Elasticidade, Módulo de Tenacidade e Limite de Resistência Mecânica eram para o concreto a 5% de adição.
Conclui-se que a adição do pó de resíduo cerâmico é uma alternativa viável na produção de concretos de menor exigência mecânica, proporcionando ganho de resistência, menor impacto ambiental e redução de insumos. Vale destacar que esta pesquisa não é direcionada para todos os tipos de concretos, mas poderá servir como base para demais trabalhos relacionados a esta temática.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT. NBR 5739: Concreto - ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 2007.
______. ABNT NBR 12653: Materiais pozolânicos. Rio de Janeiro, 2014.
______. ABNT. NBR 5738: Procedimento para moldagem e cura de corpos-de-prova. Rio de Janeiro, 2015.
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(2) PINTO, T. P. Perdas de materiais em processos construtivos tradicionais. São Carlos, 1989. Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de São Carlos – UFSCar.
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(4) ZAMPIERI, V. A. Cimento Portland aditivado com pozolanas de argilas calcinadas: fabricação, hidratação e desempenho mecânico. 251 f. tese (doutorado) - curso de engenharia civil, instituto de geociências, universidade de São Paulo, São Paulo, 1993.
(5) FREITAS, R. P. Controle de qualidade em concreto endurecido: ensaios me
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(6) PALHARES, R. A. Caracterização e utilização de resíduo de cerâmica vermelha como material pozolânico em argamassas com desempenho térmico. 87 f. TCC (graduação) - curso de engenharia civil, ciências exatas, tecnológicas e humanas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Angicos, 2016.
(7) MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. K. Concreto: microestrutura, propriedades e materiais. 3. ed. São Paulo: IBRACON, 2008.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF LOW RESISTANCE CONCRETES WITH ADDITION OF RED CERAMIC RESIDUE
POWDER
ABSTRACT
The current research deals with an experimental study about the mechanical characteristics of concrete of low resistance, for usual purposes of lower mechanical requirement, with addition of the red ceramic waste powder (RCV) in contents of 2% and 5% in relation to the mass of the cement. The proof bodies (CP) were tested the compression at 7, 14 and 28 days and compared in relation to a reference, which it has no ceramic incorporation. The evaluated characteristics concern the mechanical properties of the material, such as, modulus of elasticity, modulus of tenacity and limit of mechanical resistance. Such information was extracted through the Stress-Strain diagrams obtained in the compression strength tests and plotted by the GeoGebra Software. Front the diagnosed results, it was observed that the concrete with addition of RCV powder obtained greater evolution of its properties in comparison to the standard, without any addition. However, these results were only more visible after 14 days, reaching a growth higher the 25%.
Keywords: Civil Construction, Ceramic Residue, Portland Cement, Strength,
