CONCRETOS DE ALTA RESISTÊNCIA COM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DE CIMENTO POR FINOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA
J. M. F. Carvalho1; T. V. Melo1; J. O. S. Batista1; A. S. Figueiredo2; L. C. B. Costa1; R.
A. F. Peixoto1
(1) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Laboratório de Materiais de Construção Civil.
(2) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Laboratório de Materiais de Construção Civil, Escola de Minas - Campus Morro do Cruzeiro. Ouro Preto, MG. CEP:
35400-000. E-mail: alinesantanafigueiredo@gmail.com
RESUMO
A indústria siderúrgica se destaca pela quantidade e características de suas escórias. Escórias de aciaria são materiais inorgânicos similares às matérias primas utilizadas pela indústria da construção civil, sendo que esta última possui elevada demanda de materiais naturais e de baixo custo e grande potencial de absorção de rejeitos reciclados. Destaca-se sua aplicação em matrizes cimentícias, desde que atendam aos critérios de competência mecânica e durabilidade. Neste trabalho é apresentado um estudo de obtenção de concretos de alta resistência com utilização de finos de escória de aciaria em substituição parcial ao cimento com teores variando entre 0% e 60%. Os resultados mostraram que foi possível obter matrizes cimentícias com alta resistência e ecoeficiência utilizando finos de escória de aciaria. As matrizes com teores de substituição de até 40% apresentaram desempenho superior ao do concreto de referência, enquanto reduções pequenas foram observadas para os concretos com teores de substituição mais elevados.
Palavras-chave: Concretos de alta resistência, escória de aciaria, reciclagem de rejeitos industriais, concretos de baixo impacto ambiental.
A indústria siderúrgica gera cerca de 600kg de resíduos por tonelada de aço produzido. Grande parte desses resíduos é obtida na etapa de refino do ferro gusa, durante o processo de produção do aço, e é denominada escória de aciaria. Alguns destes resíduos apresentam um mercado já consolidado, como exemplo a escória de alto forno, largamente utilizada na produção de cimento (IAB, 2015). A escória de aciaria, no entanto, demanda tratamentos adicionais para promover a estabilização de compostos expansivos, sendo eles a fração de ferro metálico e os óxidos de cálcio e magnésio. Dessa forma, processos como separação da fração magnética e intemperização são aplicáveis para tornar o material adequado para aplicação em matrizes cimentícias (Horta Diniz, et al., 2017).
A fabricação do aço pode ser dividida em 3 grupos quanto ao seu processo de refino: LD (Linz-Donawitz) que faz uso do conversor de oxigênio elétrico, OH (Open Heart) que utiliza o forno Siemens-Martin e EAF (Eletric Arc Furnace) que faz uso do forno de arco elétrico. A produção de aço no Brasil, é aproximadamente de 80% pelo processo LD e cerca de 20% através do processo EAF e apenas 1,9% pelo forno Siemens-Martin (IAB, 2015).
As escórias de aciaria podem ser usadas na construção civil em diversas modalidades, como na forma de agregado no desenvolvimento do concreto, uma vez que esse coproduto possui uma considerável durabilidade e elevada resistência à abrasão e à compressão; como estabilizador de solos, por possuir rugosidade superficial elevada, índice de forma adequado, maior angulosidade, propiciar o aumento da resistência dos solos e maior resistência ao desgaste e como adição durante a produção de cimento, já que sua composição possui silicatos dicálcio e tricálcio, que é muito similar a composição química do clínquer utilizado na elaboração do cimento Portland. De acordo com (Machado, 2000) e (Rizzo, 2006).
1.2. Concreto de alto desempenho
Ainda que não haja um consenso na literatura técnica, em geral, são denominados concretos de alto desempenho (CAD) os concretos cuja resistência à compressão seja superior a 40 MPa e que possuam baixa porosidade, boa durabilidade, resistência a cloretos e à carbonatação. A princípio, materiais empregados nos CAD são os mesmos constituintes dos concretos convencionais. Entretanto, quando se almeja obter concretos
com elevada resistência, faz-se necessário a diminuição brusca da relação água/cimento, tornando imprescindível o uso de aditivos (Baccin, 1998). Através da aplicação de pequenas quantidades de aditivos, pode-se diminuir de forma significativa a quantidade de água requisitada para se alcançar a trabalhabilidade almejada e, concomitante, a diminuição da porosidade; aumentando a durabilidade do concreto ( (Castro & Pandlofelli, 2009).
As características físicas, tais como distribuição granulométrica, textura superficial das partículas e índice de forma influenciam diretamente na fluidez inicial do concreto. Dessa forma, maneira com a qual o tamanho das partículas é distribuído é de extrema importância, uma vez que incita o melhor empacotamento e, em conjunto com o fluido, determina as propriedades reológicas do material no decorrer do processo de mistura e no estado fresco (Castro & Pandlofelli, 2009).
O uso de um aditivo superplastificante nos CAD incita o aumento da sua densidade devido à diminuição da quantidade de água na mistura. Além disso, constituintes finos e ultrafinos, cujo formato é esférico, vêm sendo adicionados às misturas afim de facilitar o auto-adensamento e promover um melhor preenchimento e compactação dos vazios existentes entre os grãos, incrementando significantemente a densidade desses materiais (Castro & Pandlofelli, 2009).
No presente trabalho, procedeu-se a elaboração e investigação das propriedades físicas e mecânicas e da ecoeficiência de traços de CAD compostos por cimento, finos de escória de aciaria e areia convencional; sem uso de agregado graúdo e com taxas de substituição de cimento por finos de escória variando entre 10% e 60%. Foram obtidos os teores ótimos de aditivo para a produção dos concretos com o mínimo consumo de água e os consumos ótimos de água para produção de concretos densamente empacotados. A avaliação foi feita através da obtenção das principais propriedades físicas, tais como massa específica, absorção de água, índice de vazios e resistências à tração na flexão e compressão dos concretos aos 7 e 28 dias.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O aglomerante utilizado foi um cimento de alta resistência inicial CPV-ARI-MAX, em conformidade com as especificações da NBR 5733 (ABNT, 1991). Como agregado miúdo convencional, utilizou-se areia natural quartzosa de rio, proveniente da região de Ponte Nova, MG. Para a produção dos agregados reciclados e dos fílers, foram utilizadas escórias de aciaria, sendo uma do tipo LD proveniente de João Monlevade, MG; e uma do tipo AE proveniente de Piracicaba, SP. Um aditivo superplastificante (McBauchemie, Powerflow 4000) foi utilizado para atuar como redutor de água e melhorar a trabalhabilidade das matrizes produzidas.
2.2. Métodos
Os finos de escória foram produzidos a partir dos agregados miúdos obtidos conforme descrito no item 2.1. Dois fílers com granulometrias distintas foram produzidos: (1) o Fíler Grosseiro (FG), obtido por meio de moagem convencional em moinho de bolas (Marconi, MA500), utilizando jarro e esferas de aço inoxidável durante 180 minutos a 200 rpm; e (2) o Fíler Refinado (FR), produzido a partir do fíler grosseiro por meio de moagem adicional em moinho de alta eficiência (Retsch, PM100) utilizando jarro e esferas de zircônia durante 45 minutos a 400 rpm.
A caracterização química das escórias foi feita utilizando a técnica de Fluorescência de Raios-X (FRX), empregando-se o equipamento PANalytical Epsilon3x, pertencente ao Laboratório de Materiais de Construção Civil da UFOP. A análise semi-quantativa foi feita empregando-se o banco de dados Omnia constante no software do fabricante do equipamento. As distribuições granulométricas dos fílers de escória, bem como do cimento, foram feitas utilizando-se a técnica de difração de laser. O equipamento empregado foi o analisador de partículas Bettersizer 2000, utilizando álcool isopropílico como meio dispersante.
Os concretos foram projetados seguindo uma relação 1:2 em volume (material cimentante : agregado miúdo) de modo a se obter uma massa com alto grau de compacidade, conforme critério de empacotamento empregado baseado no modelo de Andreassen Modificado (Ortega, et al., 1997).
O agregado miúdo empregado na produção dos concretos foi a areia convencional, no entanto, somente as frações retidas nas peneiras de abertura de malha 0,15 mm; 0,30 mm; 0,60 mm e 1,18 mm foram utilizadas. Na composição do volume de agregado miúdo
total, cada uma das quatro frações foi utilizada em proporção igual, correspondente a ¼ do volume final de agregado.
Seis traços foram projetados para avaliar o desempenho das misturas cimentantes obtidas com diferentes teores de substituição de cimento por fílers de escória. Adicionalmente, um traço de referência empregando apenas cimento foi produzida para fins de comparação. Na Tabela 1 são apresentados os traços em volume, com os percentuais dos materiais utilizados.
Os concretos estudados foram produzidos para as condições de máximo empacotamento, empregando-se dosagem ótima de aditivo de 0,8% em relação à massa de finos. O procedimento para a determinação da condição de máximo empacotamento é apresentado no item 3.4.
O conteúdo de superplastificante foi determinado experimentalmente por meio de ensaio de reologia empregando-se um viscosímetro Ford. Esta metodologia foi adaptada do protocolo proposto por (AÏTCIN, 2000) e o objetivo foi a obtenção do ponto de saturação de aditivo por meio de elaboração de curvas teor de aditivo versus tempo de escoamento. O protocolo foi aplicado a todos os blends compostos por cimento e finos de escória e o conteúdo de aditivo determinado foi utilizado nos estudos de empacotamento. Para a análise fixou-se uma relação água / finos igual a 0,35.
Uma metodologia experimental adaptada da proposta por Wong e Kwan (Wong & Kwan, 2008) foi empregada para a determinação da condição de máximo empacotamento aplicada na confecção dos concretos. Foram moldados por traço 6 corpos de prova prismáticos com dimensões (4 x 4 x 16) cm, os quais foram submetidos a ensaio de tração na flexão e compressão, conforme metodologia prescrita pela NBR
13279 (ABNT, 2005). Os ensaios foram realizados com 7 e 28 dias de idade, sendo três corpos de prova ensaiados por idade.
A caracterização física dos concretos consistiu na determinação da massa específica, absorção de água e índice de vazios, conforme métodos de ensaio prescritos pela NBR 9778 (ABNT, 2005). Foi procedida avaliação da ecoeficiência através da relação entre os seguintes parâmetros: resistência mecânica, consumo de cimento e consumo de rejeito. A correlação entre a resistência mecânica e consumo de cimento é denominada intensidade de ligante, a partir da qual pode-se analisar a eficiência da quantidade substituição do cimento por fílers de escória no que compete à resistência mecânica (Damineli, 2013).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Caracterização física dos agregados convencionais e reciclados
Os agregados naturais apresentaram resultados de massa específica, massa unitária, teor de material pulverulento e teor de umidade em conformidade com os limites prescritos pela NBR 7211 (ABNT, 2005) e coerentes com os dados reportados pela literatura para agregados de mesma composição mineralógica (Petrucci, 1998). As escórias apresentaram massa específica e unitária bastante superior comparadas com os agregados naturais, sendo a mais pesada a escória de aciaria AE.
Os resultados estão em concordância com esperado, dada a composição mineralógica das escórias de aciaria, e são coerentes com o reportado pela literatura (Peixoto, 2008) (Horta Diniz, et al., 2017). Os resultados obtidos na caracterização física dos agregados convencionais e reciclados são apresentados na Tabela 2.
3.2. Caracterização química das escórias
As escórias de aciaria apresentaram teores consideráveis de CaO, Fe2O3, SiO2, MgO, Al2O3 e MnO. A escória de aciaria LD apresentou teor de CaO 27,4% maior que o apresentado pela escória AE, o que sugere uma maior presença de silicatos de cálcio
nesse material quando comparado com a escória AE. Já o teor de SiO foi maior na escória AE. Os teores de Fe2O3 ficaram muito próximos nas duas escórias. Os resultados da análise química das escórias são apresentados na Tabela 3.
3.3. Granulometria dos fílers de escória
De posse das análises química e física das escórias, elegeu-se a amostra do tipo LD para a produção dos fílers, uma vez que esta apresentou massa específica mais próxima à dos materiais convencionais e maior teor de CaO, o que sugere maior presença de silicatos de cálcio e consequente ação cimentante, conforme reportado em literatura (Horta Diniz, et al., 2017).
O fíler refinado apresentou um D90 maior que o do cimento (7,3%), ao passo que os valores referentes ao D50 e ao D10 apresentaram valores menores (28% e 57% respectivamente). O fíler grosseiro apresentou um D10 ligeiramente maior que o do cimento (7%) e valores de D50 e D90 bem maiores (249% e 343% respectivamente).
De maneira geral o cimento apresentou uma distribuição granulométrica mais uniforme comparada a dos demais finos e a moagem de alta eficiência promoveu uma maior uniformização na granulometria escória. O objetivo de se obter um material com finura maior que a do cimento, e outro com uma finura menor foi alcançado de maneira satisfatória. Os resultados da análise granulométrica são apresentados na Tabela 4.
3.4. Grau de empacotamento e determinação da relação água/finos
Tabela 3. Resultados da análise química das escórias estudadas
De posse dos resultados dos ensaios de empacotamento das pastas de cimento, apresentados na Figura 2, observou-se que as substituições parciais de 10% e 20% de cimento por finos de escória apresentam resultados muito satisfatórios quando comparados ao concreto de referência. No entanto a mistura que apresentou a maior densidade de empacotamento foi a correspondente a 20% de substituição de cimento por finos e 0,25 de relação água/finos. O grau de empacotamento alcançado por essa mistura foi de aproximadamente 74%, ou seja, 7% maior quando comparado ao concreto de referência.
3.5. Caracterização mecânica dos concretos
Nos resultados dos ensaios de resistência à compressão, as misturas que apresentaram as maiores resistências mecânicas foram as correspondentes a 10% e 20% de substituição de cimento por finos de escória, porém os quatro concretos com teores de substituição de até 40% apresentaram desempenho mecânico superior à do concreto de referência. O concreto ELD 00-80-10 apresentou a maior resistência à compressão aos 28 dias (109,14 MPa), 16,3% maior que a resistência apresentada pelo concreto de referência. Porém destaca-se de maneira especial o desempenho do concreto ELD 20-60-20 (103,08 MPa), 9,9% mais resistente que o concreto de referência, mesmo com 40% de substituição de cimento por finos de escória.
O bom desempenho das misturas se deve em parte à ação cimentante dos finos de escória, conforme já reportado pela literatura (Horta Diniz, et al., 2017), no entanto, a ação cimentante esperada da escória é mais lenta e resultados melhores a longo prazo são esperados. Esse comportamento, de certa forma é observado nas diferenças entre
os resultados de resistência à compressão com 7 e 28 dias de idade. Embora um comportamento atípico foi observado na mistura ELD 00-90-20, os demais traços apresentaram maiores diferenças entre 7 e 28 dias quando comparados ao concreto sem escória. Os resultados de resistência a compressão e tração na flexão são apresentados respectivamente na Figura 3 e na Figura 4.
3.6. Caracterização física dos concretos
No estudo de caracterização física dos concretos foram considerados três parâmetros principais: massa específica, absorção de água e índice de vazios.
Com os resultados do ensaio de determinação da massa específica do concreto apresentados na Figura 5, pôde-se observar que a ELD 40-50-10 alcançou maior massa específica, ao passo que a ELD 00-90-10 atingiu menor massa específica. Entretanto, todas apresentaram resultados superiores, quando comparadas com o concreto de referência. De maneira geral, com exceção do concreto ELD 20-60-20 que apresentou um comportamento considerado anômalo, o aumento do conteúdo de fíler de escória implicou em aumento de massa especifica conforme esperado. O concreto ELD 40-40-20 obteve a segunda maior massa específica, condizendo com seu teor de substituição de cimento por fíler de escória (60%).
Figura 3. Resultados dos ensaios de resistência à compressão dos concretos estudados
Figura 4. Resultados de resistência à tração na flexão dos concretos estudados
Os resultados dos ensaios de absorção de água e índice de vazios dos concretos mostraram a efetividade do empacotamento das misturas contento fíler de escória, uma vez que, exceto para o concreto ELD 40-50-10, as demais apresentaram absorção média, e consequente índice de vazios médio menores que os observados no concreto de referência. Os resultados do ensaio de absorção são apresentados na Figura 6 e os de índice de vazios na Figura 7.
3.7. Avaliação da Ecoeficiência
Todos os concretos apresentaram bons resultados de intensidade de ligante, inclusive o de referência, de forma que com o aumento do teor de escória, as intensidades de ligante reduziram para todas as misturas.Os melhores resultados foram observados para o traço 40-40-20, uma vez que sua intensidade de ligante apresentou-se baixa. Ponderando a quantidade de substituição de cimento na sua mistura, infere-apresentou-se
Figura 5. Resultados dos ensaios de determinação da massa específica dos concretos estudados
Figura 6. Resultados dos ensaios de absorção de água dos concretos estudados
Figura 7. Resultados dos ensaios de índice de vazios dos concretos estudados
que a competência mecânica do concreto se mantém adequada mesmo com a elevada quantidade de fílers de escória. Além disso, quanto menor a intensidade de ligante, maior consumo de rejeitos, implicando em melhores resultados de ecoeficiência.
4. CONCLUSÃO
Os finos de escória produzidos por processo de moagem convencional e moagem de alta eficiência atingiram graus de finura satisfatórios para os objetivos da pesquisa, sendo que o fíler grosseiro apresentou-se com finura reduzida comparada com a do cimento, ao passo que o fíler refinado apresentou finura superior, atendendo a intenção de se obter materiais que contribuíssem para um aumento do grau de empacotamento quando misturados. Os parâmetros D50 alcançados do fíler refinado, cimento e fíler grosseiro foram respectivamente 8,55 μm; 10,25 μm; e 27,23 μm. Os graus de substituição variaram entre 10% e 60% em volume, sendo que o fíler refinado foi utilizado em teores de 10% e 20%.
Os concretos produzidos se mostraram mecanicamente competentes, sendo que em teores de substituição de até 40%, todos os resultados excederam os apresentados pelo concreto de referência, que apresentou 93,81 MPa de resistência à compressão aos 28 dias. O melhor resultado mecânico global foi obtido pelo concreto com 20% de substituição (109,14 MPa) ao passo que a maior eficiência do ligante foi apresentado pelo concreto com 60% de substituição, que apresentou uma resistência à compressão aos 28 dias de 87,73 MPa para um consumo de cimento de 325 kg/m³ (eficiência de 0,269 MPa por kg de cimento). Este último resultado é de particular importância pelo aspecto de ecoeficiência que apresenta, uma vez que permitiu redução do teor de cimento em detrimento do elevado consumo de material reciclado. Os resultados de
caracterização física mostraram que as matrizes obtidas apresentaram reduzida absorção de água e índice de vazios, confirmando a eficiência do empacotamento.
AGRADECIMENTOS
Às instituições FAPEMIG, CAPES, Fundação Gorceix, UFOP e CNPq pelo apoio financeiro para a realização e apresentação dessa pesquisa. Também somos gratos pela infraestrutura e colaboração do grupo do Grupo de Pesquisa em Resíduos Sólidos – RECICLOS – CNPq.
REFERÊNCIAS
ABNT, 1991. NBR 5733: High early strength Portland cement - Specification. Rio de Janeiro, s.n.
ABNT, 2005. NBR 13279: Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos - Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão. Rio de Janeiro, s.n.
ABNT, 2005. NBR 7211: Agregado para concreto - especificação. Rio de Janeiro, s.n. ABNT, 2005. NBR 9778: Argamassa e concreto endurecido - Deterinação da absorção de água, índice de vazios e massa específica. Rio de Janeiro: Associação Brasiliera de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, s.n.
AÏTCIN, P. C., 2000. Concreto de alto desempenho.
Baccin, A. G. C., 1998. Fundamentos do Concreto de Alto Desempenho e sua Aplicação no Projeto de Pilares.
Castro, A. L. & Pandlofelli, V. C., 2009. Revisão: conceitos de dispersão e
empacotamento de partículas para a produção de concretos especiais aplicados na construção civil.
Damineli, B. L., 2013. Conceitos para formulação de concretos com baixo consumo de ligantes: controle reológico, empacotamento e dispersão de partículas..
Horta Diniz, D., Franco de Carvalho, J. M., Castro Mendes, J. & Fiorotti Peixoto, R. A., 2017. Blast Oxygen Furnace Slag as Chemical Soil Stabilizer for Use in Roads. Journal of materials in civil engineering, 29(9).
IAB, 2015. Processo siderúrgico. [Online]
Available at: http://www.acobrasil.org.br/site2015/processo.html
Machado, A. T., 2000. Estudo comparativo dos métodos de ensaio para avaliação da expansibilidade das escórias de aciaria. p. 135.
Ortega, F. d. S., Pileggi, R. G., Sepulveda, P. & Pandolfelli, V. C., 1997. Influência dos modelos de Alfred e de Andreasen sobre a microestrutura e densidade a verde de compactos cerâmicos obtidos por colagem ou prensagem. Cerâmica, Volume 43, pp. 183-189.
Peixoto, R. A. F., 2008. Viability study for production of concrete using recycled siderurgy residue. ACI Materials Journal, Volume 1, pp. 145-155.
Petrucci, E. G. R., 1998. Portland cement concrete. 13 ed. São paulo: Globo. Rizzo, E. M. d. S., 2006. Curso Introdução aos Processos Siderúrgicos. s.l.:s.n.
Wong, H. H. C. & Kwan, A. K. H., 2008. Packing density of cementitious materials: part 1 - measurement using a wet packing method. Materials and Structures, Volume 41, pp. 689-701.
HIGH RESISTANCE CONCRETE WITH PARTIAL REPLACEMENT OF CEMENT BY STEEL SLAG FINES
ABSTRACT
The steel industry stands out for the quantity and characteristics of its slag. Steel slags are inorganic materials similar to the raw materials used by the construction industry, the latter having high demand for natural materials and low cost and great potential for absorption of recycled waste. Its application in cementitious matrices is highlighted, as long as they meet the criteria of mechanical competence and durability. This work presents a study of high strength concretes with the use of fines from steel slag in partial replacement to cement with contents ranging from 0% to 60%. The results showed that it is possible to obtain cementitious matrices with high resistance and ecoefficiency using steel slag fines. The matrices with substitution contents of up to 40% presented superior performance to the reference concrete, while small reductions were observed for concretes with higher substitution levels.
Keywords: High resistance concrete, steel slag, recycling of industrial waste, low environmental impact concrete.
