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 Fabiana Lovatto de Souza
PROPRIEDADES DE CONCRETOS PRODUZIDOS PELA
SUBSTITUIÇÃO DE AGREGADOS NATURAIS POR REJEITOS DE
USINAS CONCRETEIRAS
Apresentada em 14/11/2007. Perante a Banca Examinadora:
Dr. Sivaldo Leite Correia - Presidente (UDESC)
Dra. Ana Maria Bastos Costa Segadães (UA – Portugal) Dra. Marilena Valadares Folgueras (UDESC)
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: FABIANA LOVATTO DE SOUZA – Engenheira Civil Orientador: Prof. Dr. SIVALDO LEITE CORREIA
CCT/UDESC – JOINVILLE
PROPRIEDADES DE CONCRETOS PRODUZIDOS PELA
SUBSTITUIÇÃO DE AGREGADOS NATURAIS POR REJEITOS DE
USINAS CONCRETEIRAS
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 PELO PROF. DR. SIVALDO LEITE CORREIA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
“PROPRIEDADES DE CONCRETOS PRODUZIDOS PELA
SUBSTITUIÇÃO DE AGREGADOS NATURAIS POR REJEITOS DE
USINAS CONCRETEIRAS”
por
Fabiana Lovatto de Souza
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. Sivaldo Leite Correia
(Presidente)
Dra. Ana Maria Bastos Costa Segadães
UA/PORTUGAL
Dra. Marilena Valadares Folgueras
UDESC
Banca Examinadora:
Dr. Masahiro Tomiyama
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: SOUZA, Fabiana Lovatto de DATA DEFESA: 14/11/2007
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 84 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica
TÍTULO: Propriedades de Concretos Produzidos pela Substituição de Agregados Naturais por Rejeitos de Usinas Concreteiras
PALAVRAS - CHAVE: Agregado reciclado de concreto, Projeto Fatorial, Propriedades Físicas e Mecânicas, Microestruturas.
NÚMERO DE PÁGINAS: 85
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 4100201001P-9
ORIENTADOR: Dr. Sivaldo Leite Correia
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Sivaldo Leite Correia
"Ainda que eu falasse as línguas dos homens e dos anjos, e não tivesse amor, seria como o metal que soa ou como o sino que tine. E ainda que tivesse o dom de profecia e conhecesse todos os mistérios e toda a ciência, e ainda que tivesse toda a fé, de maneira tal que transportasse os montes, e não tivesse amor, nada seria."
AGRADECIMENTOS
À Deus, pela vida.
Ao Prof. Dr. Sivaldo Leite Correia, pela orientação, acompanhamento, apoio e compreensão, indispensáveis na conclusão deste trabalho.
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 e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida.
À Concrebrás pelo resíduo cedido para a pesquisa.
Aos professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, pela contribuição significativa para a realização desse trabalho e na construção dos meus conhecimentos.
À bolsista de iniciação científica Gracieli, que ajudou nos ensaios e testes realizados, levando muito a sério o meu trabalho, como se fosse o seu.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... III
LISTA DE TABELAS ... V
LISTA DE ABREVIATURAS... VII
RESUMO ... VIII
ABSTRACT ... IX
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO... 2
1.2. OBJETIVO GERAL ... 4
1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6
2.1. RESÍDUOS DA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL ... 6
2.1.1. Definição ... 7
2.1.2. Panorama Geral ... 7
2.2. CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND ... 12
2.2.1. Matérias-Primas ... 14
a) Cimento Portland ... 14
b) Agregados ... 15
c) Aditivos para Concreto ... 16
2.3. EXPERIMENTOS FATORIAIS E MÉTODO DE SUPERFÍCIE DE RESPOSTA ... 16
2.3.1. Projeto Fatorial 3k [MONTGOMERY, 1997]... 16
a) Notação e modelo de regressão ... 17
b) Teste de hipóteses e análise de variância ... 17
2.3.2. Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) ... 22
3. METODOLOGIA... 24
3.1. DEFINIÇÃO E OBTENÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS ... 24
3.2. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS... 25
3.2.1. Resíduos ... 25
a) Composição Mineralógica ... 25
b) Composição Granulométrica ... 25
3.2.2. Agregados ... 26
3.2.3. Cimento Portland... 26
3.3. DOSAGEM E PRODUÇÃO DO CONCRETO... 26
ii ii
3.3.2. Produção do Concreto ... 28
3.4. ENSAIOS DE LABORATÓRIO DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO ... 29
3.4.1. Índice de Consistência ... 29
3.4.2. Massa Específica ... 29
3.5. MOLDAGEM DOS CORPOS-DE-PROVA... 30
3.6. ENSAIOS DE LABORATÓRIO DO CONCRETO NO ESTADO ENDURECIDO... 30
3.6.1. Ensaio Mecânico ... 30
a) Resistência à Compressão Simples... 30
3.6.2. Ensaios Físico-Químicos... 31
a) Absorção de Água ... 31
b) Difração de Raios X (DRX)... 31
d) Microscopia Eletrônica de Varredura ... 32
3.7. ANÁLISE E VALIDAÇÃO ... 32
3.8. APLICABILIDADE DO PRODUTO... 32
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 33
4.1. PROPRIEDADES DAS MATÉRIAS PRIMAS ... 33
4.1.1. Resíduos ... 33
a) Análise das Fases Presentes ... 33
b) Composição Granulométrica ... 34
4.1.2. Agregados ... 35
a) Granulometria dos Agregados Miúdos ... 35
b) Granulometria dos Agregados Graúdos ... 36
4.2. PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO ... 37
4.2.1. Massa Específica ... 38
4.2.2. Índice de Consistência ... 41
4.3. PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO ENDURECIDO ... 45
4.3.1. Resistência à Compressão Simples... 45
4.3.2. Absorção de Água ... 52
4.3.2. Caracterização Microestrutural ... 56
a) Difração de Raios X... 56
b) Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 58
5. CONCLUSÕES ... 63
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 65
iii iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Hidratação da pasta de cimento – semanas após o início [OLIVIER, 1981
apud PAULON, 2005] 15
Figura 2: (a) Gráfico de probabilidade normal; (b) Gráfico de distribuição dos
resíduos [Dados de experimentos realizados pelo autor] 21
Figura 3: (a) Gráfico de superfície de respostas; (b) Gráfico de contornos [Dados de
experimentos realizados pelo autor] 23
Figura 4: Metodologia utilizada na execução da presente pesquisa 24 Figura 5: Difratograma de Raios X do resíduo de concreto 34 Figura 6: Composição granulométrica do resíduo 35 Figura 7: Composição granulométrica da areia 36 Figura 8: Composição granulométrica da brita 36 Figura 9: Comportamento estatístico da massa específica. (a) Gráfico de probabilidade normal; (b) Gráfico de distribuição dos resíduos ou erros 40 Figura 10: Comportamento da massa específica em função dos fatores analisados.
(a) Gráfico de superfície de resposta; (b) Gráfico de contorno 40
Figura 11: Comportamento estatístico da consistência. (a) Gráfico de probabilidade
normal; (b) Gráfico de distribuição dos resíduos 44
iv iv
Figura 15: Comportamento da resistência à compressão aos 7 dias de cura em função dos fatores analisados. (a) Gráfico de superfície de respostas; (b) Gráfico de
contornos 50
Figura 16: Comportamento da resistência à compressão aos 28 dias de cura em função dos fatores analisados. (a) Gráfico de superfície de respostas; (b) Gráfico de
contornos 50
Figura 17: Comportamento estatístico da absorção de água. (a) Gráfico de
probabilidade normal; (b) Gráfico de distribuição dos erros 54
Figura 18: Comportamento da absorção de água em função dos fatores analisados.
(a) Gráfico de superfície de respostas; (b) Gráfico de contornos 55
Figura 19: Difratograma de Concreto com 30% de Resíduo e fator A/C 0,40 57 Figura 20: Difratograma de Concreto sem Resíduo e fator A/C 0,40 57 Figura 21: Microscopia Eletrônica de Varredura para concretos com fator
A/C 0,40 59
Figura 22: Microscopia Eletrônica de Varredura para concretos com fator
A/C 0,50 60
Figura 23: Microscopia Eletrônica de Varredura para concretos com fator
v v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Arranjo geral do projeto fatorial 32 18 Tabela 2: Tabela típica para a análise de variância para o projeto fatorial 32 20 Tabela 3: Propriedades Físicas e Químicas do Cimento Portland CPIIE32 26 Tabela 4: Limites Adotados para a Dosagem do Concreto 27 Tabela 5: Dosagem estabelecida para o Concreto 28 Tabela 6: Composição qualitativa mineralógica das fases presentes no resíduo 34 Tabela 7: Propriedades do Concreto no Estado Fresco 37 Tabela 8: Valores de Massa Específica das Amostras Padrão 37 Tabela 9: Propriedades Estatísticas Relevantes para Análise de Variância para
Massa Específica 38
Tabela 10: Validação para Massa Específica 41 Tabela 11: Propriedades Estatísticas Relevantes para Análise de Variância para o
Índice de Consistência 42
Tabela 12: Valores de Resistência à Compressão das Amostras com Resíduo 46 Tabela 13: Valores de Resistência à Compressão das Amostras Padrão 46 Tabela 14: Propriedades Estatísticas Relevantes para Análise de Variância para
Resistência à Compressão 47
Tabela 15: Validação para Resistência à Compressão aos 7 dias de cura 51 Tabela 16: Validação para Resistência à Compressão aos 28 dias de cura 51 Tabela 17: Valores de Absorção de Água para o Concreto com Resíduos 52 Tabela 18: Valores de Absorção de Água para o Concreto Padrão 52 Tabela 19: Propriedades Estatísticas Relevantes para Análise de Variância para
Absorção 53
vi vi
Tabela 21: Composição qualitativa mineralógica das fases presentes nos concretos
vii vii
LISTA DE ABREVIATURAS
ABESC - Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Concretagem CBIC - Câmara Brasileira da Indústria da Construção
CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente
DECC - Departamento de Engenharia de Construção Civil DRX – Difração de Raios X
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
PBQP-H - Programa Brasileiro de Qualidade e Produtividade no Habita PIB - Produto Interno Bruto
RLC – Resíduo de Lama de Concreto SEM – Microscopia Eletrônica de Varredura WCA – Waste Concrete Aggregate
viii viii
RESUMO
Este trabalho apresenta os resultados da investigação do uso de um resíduo proveniente de lamas de rejeitos de concreto (RLC) como parte do agregado miúdo na produção de concretos. As lamas são provenientes da lavação dos caminhões misturadores de concreto e outros equipamentos em central de concreto usinado. O estudo foi realizado adotando-se o projeto fatorial 32 acoplado com técnicas de metodologia de superfícies de resposta. Foram preparados concretos usando RLC em níveis de 10%, 20% e 30% (em massa), em substituição ao agregado miúdo natural, com os níveis de relação água/cimento de 0,40, de 0,50 e 0,60. As misturas foram curadas por períodos de 7 e 28 dias. Para o concreto com RLC no estado fresco foram avaliadas as propriedades massa específica e índice de consistência. As propriedades do concreto com RLC no estado endurecido avaliadas foram a resistência à compressão (7 e 28 dias) e absorção de água aos 28 dias. Os resultados obtidos através da metodologia estatística foram confrontados com as análises de difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Foram obtidas equações empíricas, gráficos de superfície de resposta e de contorno para as propriedades físico-mecânicas do concreto com RLC no estado fresco e endurecido, por meio de análise de regressão. A consistência diminuiu paralelamente com o aumento da quantidade de RLC incorporado em substituição ao agregado natural. A massa específica do concreto contendo RLC foi menor do que no concreto sem RLC. Foi possível obter concretos com resistências à compressão aos 28 dias de 32 MPa a 44 MPa, para vários níveis de relação água/cimento e teores de substituição de RLC. Dessa forma, pode-se produzir um concreto econômico e ambientalmente viável, a partir da substituição dos agregados naturais por RLC nas dosagens estudadas. Os resultados dos ensaios de validação justificam o modelo estatístico adotado. As análises de DRX e de MEV indicaram a presença do quartzo, da calcita, da etringita, da portlandita, silicatos e porosidade em amostras de concretos selecionadas, de modo que foi possível relacionar as mesmas com a resistência à compressão dos concretos.
ix ix
ABSTRACT
Slurries containing Portland cement concrete are generated from concrete mixer trucks and other concrete-coated equipment in concrete washout area. This work presents some of the results of an investigation on the possible applications of aggregates from recycled concrete mixer trucks waste (WCA) in concrete. The investigation was carried out using factorial design of experiments coupled with response surface methodology. For the study, the physical and mechanical properties of concrete produced with recycled aggregate were investigated and the results are presented. While experimenting with fresh and hardened concrete, mixtures were prepared using WCA as the replacement of natural fine aggregate at the level 10, 20 and 30 wt.% with water/cement ratios of 0.40, 0.50 and 0.60. The mixtures were cured for periods of 7 and 28 days. Properties of fresh recycled aggregate concrete were evaluated. The analyses of specific mass, and of the consistency index were carried out in the fresh concrete. The properties of hardened recycled aggregate concrete were examined: 7-day and 28-day compressive strength and water absorption were determined. The necessary data for establishing a mix proportion design and a quality control method were collected. Such statistical modeling is discussed against qualitative X-ray diffraction and microstructures of some selected samples, studied using SEM. Empirical equations, surfaces and contour plots for the physical-mechanical properties of fresh and hardened concrete were obtained via regression analysis. The consistency index decreased with the increase in the content of WCA. Specific mass obtained was lower than that of concrete with natural aggregate. A given 28-day compressive strength (32 MPa to 44 MPa) can be achieved at several water/cement ratios and replacement contents, thus producing an economical mixture concrete with recycled aggregate waste and lower natural aggregate content. The results from confirmation experiments validate the prediction from the statistical approach. XRD and SEM analyses results indicate the presence of quartz, calcite, ettringite, portlandite, and silicates in recycled concretes.
