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
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR LÍGIA VIEIRA MAIA SIQUEIRA
UMA CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA ADIÇÃO DE RESÍDUOS DE
POLIURETANO EXPANDIDO PARA A CONFECÇÃO DE BLOCOS DE
CONCRETO LEVE
Apresentada em 28/08/2006 perante a Banca Examinadora: Dra. Marilena Valadares Folgueras (orientadora) Dr. Enori Gemelli
Dr. Luiz V.O. Dalla Valentina
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
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestranda: LÍGIA VIEIRA MAIA SIQUEIRA – Engenheira Civil Orientadora: Profa. Dra. MARILENA VALADARES FOLGUERAS
CCT/UDESC – JOINVILLE
UMA CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA ADIÇÃO DE RESÍDUOS
DE POLIURETANO EXPANDIDO PARA A CONFECÇÃO DE
BLOCOS DE CONCRETO LEVE
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, ORIENTADA PELA PROFa. DRa. MARILENA VALADARES FOLGUERAS.
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
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UMA CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA ADIÇÃO DE RESÍDUOS DE
POLIURETANO EXPANDIDO PARA A CONFECÇÃO DE BLOCOS DE
CONCRETO LEVE
"
por
LÍGIA VIEIRA MAIA SIQUEIRA
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
Banca Examinadora:
Dra. Marilena Valadares Folgueras UDESC(presidente)
Dra. Leny Borghesan Albertini Alberguini USP/SP
Dr. Enori Gemelli UDESC/SC
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: MAIA SIQUEIRA, Lígia Vieira DATA DEFESA: 28/08/2006
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 01 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica
TÍTULO: Uma Contribuição ao Estudo da Adição de Resíduos de Poliuretano Expandido na Confecção de Blocos de Concreto Leve.
PALAVRAS - CHAVE: Blocos de Concreto, Poliuretano Expandido, Resíduos Sólidos. NÚMERO DE PÁGINAS: xvi, 159 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 4100201001P-9
ORIENTADOR: Dra. Marilena Valadares Folgueras.
PRESIDENTE DA BANCA: Dra. Marilena Valadares Folgueras
v
A Deus, com todo o meu
amor, pois sei que tudo
que tenho, tudo que sou e
tudo o que vier a ser ou
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AGRADECIMENTOS
Ao se concluir um trabalho como este, é necessário agradecer àquelas pessoas que, direta ou indiretamente, contribuíram, participaram ou incentivaram o desenvolvimento e a elaboração dele. Desta forma, expresso aqui os meus sinceros agradecimentos:
A minha professora e orientadora Marilena Valadares Folgueras, pela confiança e reconhecimento do meu trabalho desde o início, através de uma orientação competente e provedora de conhecimentos, durante toda a sua realização;
Aos professores Enori Gemelli, Leny Borghesan Albertini Alberguini e Luis V. O. Dalla Valentina, por aceitarem o convite para participar da banca examinadora da defesa desta dissertação;
Aos professores do Mestrado em Ciências e Engenharia dos Materiais da Universidade Estadual de Santa Catarina (UDESC) pelos ensinamentos transmitidos ao longo do curso;
Aos professores do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Santa Catarina (UDESC), especialmente àqueles que tiveram considerável influência na minha formação científica;
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho;
Ao Centro de Ciências Tecnológicas, ao Departamento de Engenharia Mecânica e ao Departamento de Engenharia Civil por toda infra-estrutura oferecida;
vii
Aos bolsistas de iniciação científica: André Luiz Zago e Marcos Roberto Stramari, ao bolsista de trabalho do Laboratório de Materiais de Construção Civil: Igor Hister Leite e Dair Kaczmarek ao técnico responsável pelo mesmo laboratório: Adilson Schackow, pelo auxílio na confecção dos componentes estudados e na execução dos ensaios;
A todos os fornecedores que gentilmente me cederam os materiais para o desenvolvimento desta pesquisa: à Cia. de Cimentos ITAMBÉ, pelo fornecimento de Cimento Portland, à Terraplanagem RUDINICK, pelo fornecimento dos agregados utilizados na primeira etapa da pesquisa;
Às empresas envolvidas com a pesquisa que permitiram, motivaram e auxiliaram para o desenvolvimento do presente estudo: BLOCAUS Pré-Moldados Ltda (Eng. Gerson Lindner e ao Eng. Nadir F. de S. Arruda), MULTIBRÁS S.A (Eng. Carlos André Carvalho), à RECLIMAT Reciclagem Ltda. (Djalma Maia e Eng. Antônio Zanon) e à ENVILLE Tecnologia em Construções (Eng. Ruben Seefeld);
Aos meus Pais pela dedicação e incentivo intensos à minha formação pessoal, acadêmica e profissional. Por todo o carinho e cuidados destinados a mim e meu filho Mateus, além dos valorosos conselhos, que sempre me levaram às decisões coerentes e corretas;
A minha irmã, por todo o auxílio realizado nos momentos mais difíceis;
A todos os meus familiares e amigos que de certa forma contribuíram com a minha formação, presentes em muitos momentos determinantes;
viii
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS
...
xLISTA DE FIGURAS
...
xiiRESUMO
...
xvABSTRACT
...
xvi1 INTRODUÇÃO
...
171.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
...
171.2 MOTIVAÇÃO... 18
1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO... 19
1.4 ESTRUTURA E DELIMITAÇÃO DO TRABALHO... 19
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
...
212.1 SUSTENTABILIDADE, RECICLAGEM E A CONSTRUÇÃO CIVIL....
...
212.1.1 A Importância da Reciclagem de Resíduos Sólidos... 21
2.1.2 A Reciclagem na Indústria da Construção Civil... 25
2.1.3 Blocos de Concreto Produzidos com Resíduos Sólidos... 28
2.2 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND... 31
2.2.1 Microestrutura da Pasta de Cimento, Agregado e da Zona de Transição... 31
2.2.2 Propriedades do Concreto no Estado Fresco e no Estado Endurecido... 34
2.3 AGLOMERANTE HIDRÁULICO: CIMENTO PORTLAND... 39
2.3.1 Propriedades Químicas do Cimento Portland... 40
2.3.2 Processo de Hidratação do Cimento Portland... 42
2.3.3 Efeito das Propriedades Físicas do Cimento nas Características do Concreto... 46
2.4 AGREGADOS PARA O CONCRETO... 47
2.4.1 Classificação e Terminologia dos Agregados... 48
2.4.2 Características dos Agregados e sua Importância para o Concreto... 51
ix
2.5.1 Características do Poliuretano Expandido... 53
2.5.2 Características dos Resíduos de Poliuretano Expandido... 55
2.6 BLOCOS PRÉ-MOLDADOS EM CONCRETO... 61
2.6.1 Propriedades do Concreto para Blocos Pré-Moldados... 62
2.6.2 O Processo de Fabricação de Blocos de Concreto... 66
2.6.3 Propriedades dos Blocos de Concreto... 71
3 MATERIAIS E MÉTODOS
... 773.1 PRIMEIRA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 80
3.1.1 Cimento Portland... 80
3.1.2 Agregados... 82
3.1.3 Produção do Concreto... 85
3.1.4 Caracterização do Concreto... 89
3.2 SEGUNDA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 90
3.2.1 Produção do Concreto... 91
3.2.2 Caracterização dos Blocos de Concreto... 95
3.3 TERCEIRA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 97
3.3.1 Produção do Concreto... 98
3.3.2 Caracterização dos Blocos de Concreto... 100
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
... 1024.1 PRIMEIRA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 102
4.1.1 Caracterização das Matérias Primas... 102
4.1.2 Caracterização do Concreto... 112
4.1.3 Conclusões referentes à Primeira Etapa... 117
4.2 SEGUNDA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 118
4.2.1 Caracterização das Matérias Primas... 118
4.2.2 Caracterização dos Blocos de Concreto... 119
4.2.3 Conclusões referentes à Segunda Etapa... 124
4.3 TERCEIRA ETAPA DO PROGRAMA EXPERIMENTAL... 125
4.3.1 Caracterização das Matérias Primas... 126
4.3.2 Caracterização dos Blocos de Concreto... 128
4.3.3 Conclusões referentes à Terceira Etapa... 142
5 CONCLUSÕES
... 1446 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
... 147x
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Participação dos resíduos da construção no total dos resíduos sólidos
urbanos... 27
Tabela 2.2 – Coeficientes de conversão da resistência tomando como base o corpo de prova cilíndrico (15x30 cm)... 39
Tabela 2.3 – Abreviações dos óxidos e dos compostos do Cimento Portland ... 41
Tabela 2.4 – Propriedades típicas de Espumas Rígidas de Poliuretano (PUR)... 54
Tabela 2.5 – Resultado de análise de massa bruta do resíduo de PUR... 59
Tabela 2.6 – Resultado de análise do ensaio de lixiviação da PUR... 59
Tabela 2.7 – Resultados da análise de solubilização do resíduo de PUR... 60
Tabela 2.8 – Características recomendadas para agregados destinados à produção de blocos de concreto... 63
Tabela 2.9 – Principais propriedades do concreto para blocos no estado endurecido... 64
Tabela 2.10 – Comportamento do Concreto sob ação da vibração (ou energia de compactação)... 70
Tabela 2.11 – Dimensões reais dos blocos modulares e sub-modulares com função estrutural... 73
Tabela 3.1 – Propriedades Físicas e Químicas do Cimento Portland CP-V ARI RS... 81
Tabela 3.2 – Composições preparadas para o estudo do concreto na primeira etapa... 88
Tabela 3.3 – Resumo dos traços utilizados na segunda etapa do estudo... 92
Tabela 3.4 – Resumo dos traços utilizados na produção dos blocos de concreto nesta terceira etapa da pesquisa... 99
Tabela 4.1 – Fases identificadas para idades distintas de hidratação do cimento Portland e cimento Portland com resíduos de PUR... 107
Tabela 4.2 – Valores de absorção de água dos agregados utilizados no ensaio de compactação da mistura de concreto seco... 109
Tabela 4.3 – Dados de distribuição granulométrica dos agregados utilizados na formulação do concreto da primeira etapa da pesquisa... 110
xi
xii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Curva de variação da resistência em função do fator água/cimento do concreto... 37 Figura 2.2 – Interação dos fatores que influenciam a resistência do concreto... 38
Figura 2.3 – Diagrama ilustrativo a relação entre microestrutura, condições prévias de exposição e condicionantes do processo de fabricação do agregado na definição do traço e propriedades do concreto... 51 Figura 2.4 – Fluxograma do processo de produção de refrigeradores conforme análise ambiental da empresa... 55 Figura 2.5 – Área de descarte de produtos acabados com defeitos de qualidade... 56
Figura 2.6 – (A) Vista da parte interna do refrigerador após desmontagem do gabinete (B) Vista da área de armazenamento dos resíduos de PUR... 56 Figura 2.7 – Gráfico das quantidades de resíduo de poliuretano geradas mês a mês na empresa Multibrás S.A., no ano de 2003... 58 Figura 2.8 – Variação da resistência em função da relação água/cimento do concreto... 65 Figura 2.9 – Seqüência básica de funcionamento de uma Vibro-Prensa Automática: (A) Preenchimento da gaveta alimentadora; (B) Preenchimento do molde metálico onde os blocos são moldados; (C) Compactação dos blocos através de extratores; (D) Desforma dos blocos recém-moldados avançam para frente da máquina, enquanto um novo “Palet” vazio ocupa seu lugar sob o molde; (F) O molde metálico desce então para sua posição original, enquanto os extratores ascendem, preparando-se para um novo ciclo... 69 Figura 3.1 – Fluxograma de atividades desenvolvidas na primeira etapa do trabalho.
78 Figura 3.2 – Fluxograma de atividades desenvolvidas na segunda etapa do trabalho..
78 Figura 3.3 – Fluxograma de atividades desenvolvidas na terceira etapa do trabalho...
xiii
Figura 3.6 - Detalhes do ensaio de compactação (a) Cilindro de Proctor (cilindro metálico pequeno) e respectivo soquete. (b a f) Moldagem dos CPs de concreto a partir da adaptação da NBR 7182 (1986) – Solo - Ensaio de Compactação... 86 Figura 3.7 – Corpos de prova das composições preparadas para o estudo do concreto na primeira etapa da pesquisa... 89 Figura 3.8 – Processo Industrial Automatizado da produção de Blocos de Concreto.. 93
Figura 3.9 – Processo Industrial Automatizado da produção de Blocos de Concreto.. 94
xiv
xv
RESUMO
Atualmente, a produção de resíduos em quantidades cada vez maiores tem exigido soluções mais eficazes e investimentos mais elevados por parte de seus geradores e da sociedade de uma forma geral. Além do controle e a minimização das fontes de poluição e do encaminhamento correto dos resíduos gerados, a responsabilidade social inerente ao setor industrial, faz com que as empresas promovam o desenvolvimento sustentável, remodelando seu processo produtivo. O desenvolvimento de novos materiais pode ajudar neste processo através da busca de alternativas de produtos com maior valor agregado. Sendo assim, apresenta-se como objetivo desta pesquisa o estudo da possibilidade do uso de resíduos da espuma de poliuretano expandido (PUR), provenientes de indústrias da região norte de Santa Catarina, na obtenção de blocos de concreto. A vantagem do uso do poliuretano reside na possibilidade de obtenção de blocos mais leves, que facilitem a mão-de-obra aplicada nesta técnica construtiva, além de aliviar estruturalmente a edificação. Os experimentos envolveram em uma primeira etapa, a seleção e a caracterização das matérias primas utilizadas, conformação de corpos-de-prova (CP) de concreto e caracterização dos mesmos quanto ao comportamento mecânico. A partir das informações obtidas, desenvolveu-se, em uma segunda e terceira etapa, a produção de blocos de concreto com determinados teores de PUR, visando atender as especificações para esta linha de produto. Os blocos produzidos através de processo mecânico apresentaram resultados diferentes dos CPs conformados em laboratório e sendo assim, foram analisadas as variáveis envolvidas no processo de fabricação das peças. Nas diferentes etapas, os resultados obtidos foram representados através de diagramas de variação da resistência mecânica, massa específica e demais propriedades, em função do teor e tipo de PUR. Ensaios utilizando as técnicas de difratometria de raios-x e microscopia eletrônica de varredura também permitiram demonstrar a influência deste resíduo no processo de hidratação do cimento e conseqüentemente da resistência final obtida. O desafio da proposta está em manter a resistência mecânica e o índice de absorção das peças, em relação ao aumento do teor de PUR adicionado, obtendo blocos de concreto com uma diferença de peso significativa e destinando corretamente o maior volume de PUR possível. Os blocos de concreto com a adição de 15% dos resíduos de PUR reduziram, em relação aos blocos padrões, aproximadamente 8% do peso final e alcançaram, aos 7 dias, resistência à compressão de 2,99 Mpa.
xvi
ABSTRACT
Nowadays, the waste production in quantities increasingly bigger has required more efficient solutions and higher investments from their generators and from the society in general. Besides the control and the minimization of the pollution sources and the correct use of the waste generated, the social responsibility inherent to the industrial sector makes the companies promote the sustainable development by remodeling their productive process. The development of new materials can help this process through the search of product alternatives with higher aggregate value. For this reason, it is the objective of this research to the present the study of the possibility of using expanded polyurethane residues coming from the industries of north of Santa Catarina to obtain concrete blocks. The advantage of using polyurethane lies in the possibility of obtaining lighter concrete blocks, facilitating labor used in this construction technique as well as structurally relieving the building. The experiments involved in the first stage, selection and characterization of raw material used, configuration of concrete sample and their characterization regarding mechanical behavior. From the information obtained, in second and third stages, it was possible to develop the production of concrete blocks with determined content of expanded polyurethane, so to meet the required specifications for this product line. The blocks produced through the mechanical process showed different results of sample configured in laboratory and thus, the involved variables were analyzed in the process of manufactured pieces. In the different stages, the obtained results were represented through diagrams of mechanical resistance variation, specified mass and other properties, regarding content and type of polyurethane. Tests using x-ray diffraction and electronic scanning microscopy techniques made it possible to demonstrate the influence of this residue in the process of hydration of cement and consequent final resistance achieved. The difficult of the proposition lies in maintaining mechanical resistance and pieces absorption index, in relation to the increase of added polyurethane content, obtaining concrete blocks with considerable weight difference and correctly designating maximum polyurethane volume possible. The concrete blocks with 15% of expanded polyurethane residues reduced, toward standard blocks, approximately 8% of final weight and achieved, in 7 days, compression resistance of 2,99 Mpa.
