Utilização de escória de forno panela da indústria siderúrgica em matrizes cimentícias

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Vanessa Ferreira Roche Pereira

UTILIZAÇÃO DE ESCÓRIA DE FORNO PANELA DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA EM MATRIZES CIMENTÍCIAS.

Limeira 2018

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Vanessa Ferreira Roche Pereira

UTILIZAÇÃO DE ESCÓRIA DE FORNO PANELA DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA EM MATRIZES CIMENTÍCIAS.

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia, área de concentração em Ciência dos Materiais.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Rosa Cristina Cecche Lintz

Co-orientadora: Prof.ª Dr.ª Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA VANESSA FERREIRA ROCHE PEREIRA E ORIENTADA PELA PROF.ª. DR.ª. ROSA CRISTINA CECCHE LINTZ.

Limeira 2018

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FOLHA DE APROVAÇÃO

Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de dissertação para o Título de Mestre em Tecnologia na área de concentração de ciência dos materiais, a que submeteu a aluna Vanessa Ferreira Roche Pereira, em 29 de outubro de 2018 na Faculdade de Tecnologia- FT/ UNICAMP, em Limeira/SP.

Profa. Dra. Rosa Cristina Cecche Lintz

Presidente da Comissão Julgadora FT- UNICAMP

Prof. Dr. João Adriano Rossignolo

FZEA-USP

Profa. Dra. Gladis Camarini

FEC- UNICAMP

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da aluna na Universidade.

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AGRADECIMENTOS

Minha eterna gratidão a Deus, por todos os momentos em que ele foi meu único amigo, sem ele nada seria possível.

Ao meu pai (falecido) Marco Antônio por ser meu anjo da guarda e sempre me guiar. Aos meus pais, Edilene e Marcos Rogério por sempre me incentivarem a buscar conhecimento e aos meus irmãos e familiares pelo apoio e carinho.

Não posso deixar de mencionar meu parceiro Fred por toda a paciência e aos meus amigos, que foram maravilhosos nesses anos: Cilene Alves, Beatriz Xavier, Gabriella Macedo, Bruna Diniz, Samira Moreira, Lui Iwamoto, Wélida Sarro, Sandra Cardoso, Daniel Bezerra, José Rinaldi.

Aos técnicos de Laboratório, e também amigos, Emerson Verzegnassi, Reginaldo Ferreira e Ivonei Teixeira por toda a ajuda e paciência com os intermináveis ensaios, instruções e conselhos.

À Fátima Aparecida Alves, Diego Ramon Roberto e ao coordenador da pós-graduação e querido professor Ivan de Oliveira pela paciência e disposição em ajudar.

À minha orientadora Professora Doutora Rosa Cristina Cecche Lintz, e a minha Coorientadora Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira, por quem tenho profundo respeito e admiração, não só pela competência, mas por toda a disposição em ouvir, corrigir e instruir sempre.

Às professoras Luisa Andreia Gachet Barbosa e Gladis Camarini e aos professores Antonio Ludovico Beraldo e João Adriano Rossignolo por todas as considerações construtivas a esse trabalho.

Por fim agradeço à minha querida Faculdade de Tecnologia (FT/UNICAMP) e todos seus funcionários, pelo carinho e por terem me proporcionado além das duas graduações, esse mestrado e á CAPES pelo apoio financeiro.

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RESUMO

A incorporação da escória de forno panela (EFP) em matrizes cimentícias pode ser uma excelente opção para reduzir o passivo gerado pelo setor siderúrgico e ainda reduzir os impactos ambientais causados pelo setor da construção civil. Entretanto, ainda não há um consenso sobre o comportamento deste resíduo em contato com o cimento Portland, principalmente pela heterogeneidade dos lotes de EFP. Portanto, o objetivo desta pesquisa é caracterizar três amostras de EFP e matrizes cimentícias com incorporação das mesmas, com vistas às funções de adição mineral (material cimentante, pozolânico, inerte ou ativador de pozolana). Para atingir tais objetivos a metodologia foi baseada em literatura já existente e comtempla ensaios de caracterização físico-química de três amostras de EFP (teor de umidade, massa específica, composição granulométrica, composição química por Fluorescência de Raios X, composição mineralógica por Difração de Raios X e avaliação da pozolanicidade), estudo de dosagem do resíduo em pastas cimentícias e pastas cimentícias com metacaulim e a caracterização físico-química e mecânica (consistência normal, curvar de hidratação, tempo de pega, expansibilidade, resistência à compressão simples e a tração na flexão, composição mineralógica por Difração de Raios X, Termogravimetria e Microscopia eletrônica de varredura). A combinação dos resultados analisados indica que cada amostra de escória de forno panela (EFP) apresenta características distintas como composição granulométrica e química, entretanto, quando incorporadas em pastas cimentícias podem apresentar características de material cimentante e ativação pozolânica devido aos aspectos físicos (finura) e químicos (alto teor de cal e reações químicas na presença do cimento Portland e metacaulim).

Palavras-chave: Materiais alternativos; Resíduos sólidos; Atividade pozolânica;

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ABSTRACT

The incorporation of ladle furnace slag (LFS) into cement matrix can be an excellent option to reduce the liabilities generated by the steel industry and reduce the environmental impacts caused by the construction industry. However, there is still no consensus on the behavior of this residue in contact with Portland cement, mainly due to the heterogeneity of the LFS lots. Therefore, the objective of this research is to characterize three samples of LFS and cementitious matrixes with their incorporation, with a view to the mineral addition functions (cement, pozzolanic, inert or pozzolan activator). In order to reach these objectives, the methodology was based on existing literature and contemplates physico-chemical characterization tests of three LFS samples (moisture content, specific mass, particle size, chemical composition by X-Ray Fluorescence, mineralogical composition by Lightning Diffraction X and evaluation of pozolanicity), study of the dosage of the residue in cementitious pastes and cementitious pastes with metakaolin and the physical-chemical and mechanical characterization (normal consistency, hydration curves, pick time, expandability, mechanical resistance, mineralogical composition by X-ray Diffraction, Thermogravimetry and Scanning Electron Microscopy). The combination of the analyzed results indicates that each sample of ladle furnace slag (LFS) presents different characteristics as granulometric composition and chemical, however, when incorporated in cement pastes can present characteristics of cementing material and pozzolanic activation due to the physical aspects (fineness) and (high lime content and chemical reactions in the presence of Portland cement and metakaolin).

Keywords: Alternative materials; Solid wastes; Pozzolanic Activity; Sustainability,

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Benefícios das adições minerais. ... 21

Figura 2: Classificação das composições minerais. ... 22

Figura 3: Destino do aço produzido. ... 24

Figura 4: Distribuição geográfica (%) das empresas da indústria siderúrgica brasileira em 2015. ... 25

Figura 5: Processo de produção do aço. ... 26

Figura 6: Contribuição de cada coproduto na geração de resíduos. ... 27

Figura 7: Representação esquemática do refino do aço por forno elétrico a arco. ... 28

Figura 8: Representação esquemática do refino do aço por forno a oxigênio. ... 29

Figura 9: Esquema do Refino do aço e geração de escórias. ... 30

Figura 10: Aplicações da escória de aciaria. ... 33

Figura 11: Utilização da EFP como agregado ou adição. ... 35

Figura 12: Amostras de EFP brutas, antes do processamento. ... 42

Figura 13: Moinho- de-bolas MA500 com jarro de cerâmica de alumina. ... 43

Figura 14: Amostras de EFP após as etapas de pré-processamento (peneiramento e moagem). ... 43

Figura 15: Fluxograma da metodologia utilizada. ... 44

Figura 16: Amostras utilizadas no ensaio e frasco de Le Chatelier com querosene. ... 46

Figura 17: Equipamento Mastersizer 2000 da MALVERN para composição granulométrica. ... 47

Figura 18: Equipamento de DRX-Philips. ... 48

Figura 19: Argamassadeira com 2 velocidades (lenta e rápida), seguida do Aparelho de Vicat com a sonda de Tetmajer medindo a penetração na pasta. ... 54

Figura 20: Caixa térmica dentro de caixa de madeira fixada por espuma isolante térmica e Disposição dos fios termopares dentro da caixa térmica. ... 55

Figura 21: Aparelho FieldLogger com fios termopares (marrons) conectados e sistema de calorimetria como um todo. ... 56

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Figura 22: Aparelho de Vicat com agulha para medição de penetração na

pasta. ... 57

Figura 23: Procedimento de moldagem dos corpos de prova com mesa automática de adensamento e corpos de prova já moldados. ... 58

Figura 24: Ensaio de resistência à tração na flexão, ruptura do corpo de prova em duas partes e ensaio de resistência à compressão simples, respectivamente. .. 59

Figura 25: Preparação das amostras para ensaio de (TG, DRX, MEV)... 60

Figura 26: Curva granulométrica das amostras de EFP ... 64

Figura 27: Corpos de prova do ensaio de atividade pozolânica com cal após a desmoldagem. ... 67

Figura 28: Difratograma comparativo das amostras de EFP. ... 70

Figura 29: Difratograma da amostra 1. ... 72

Figura 32: Curva de hidratação das pastas de EFP. ... 77

Figura 33: Curva de hidratação das pastas de substituição- Amostra 1. ... 77

Figura 36: Curva de hidratação das pastas de adição - Amostra 1. ... 80

Figura 39: Curva de hidratação das pastas de EFP e metacaulim. ... 82

Figura 40: Curva de hidratação das pastas de 65% de EFP, cimento e metacaulim. ... 83

Figura 41: Curva de hidratação das pastas de 50% EFP, cimento e metacaulim. ... 84

Figura 42: Curva de hidratação das pastas de 40% EFP, cimento e metacaulim- Amostra 1. ... 84

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Figura 46:Curva de hidratação das pastas de 30% EFP, cimento e

metacaulim- Amostra 2. ... 86

Figura 48: Início e fim de pega das pastas conforme ABNT NBR 16607:2017. ... 88

Figura 49: Resistência à compressão simples- Amostra 1. ... 92

Figura 52: Comparativo entre a média das resistências a compressão simples de cada amostra de EFP. ... 95

Figura 53: Resistência à tração na flexão- Amostra 1. ... 96

Figura 56: Comparativo entre a média das resistências a tração na flexão de cada amostra de EFP. ... 98

Figura 57: Difratograma individual das pastas. ... 100

Figura 58: Comparativo dos difratogramas das pastas da amostra 1. ... 102

Figura 61: Comparativo dos difratogramas da pasta S30 das amostras 1, 2 e 3. ... 104

Figura 62: Comparativo dos difratogramas da pasta 30M10 das amostras 1, 2 e 3. ... 105

Figura 63: Comparativo dos difratogramas da pasta 40M10 das amostras 1, 2 e 3. ... 105

Figura 64: Termogravimetria da pasta A1S30. ... 109

Figura 67: Termogravimetria da pasta A130M10. ... 110

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Figura 73: Termogravimetria comparativa das pastas da amostra 1. ... 115

Figura 76: Termogravimetria comparativa das pastas S30. ... 121

Figura 77: Termogravimetria comparativa das pastas 30M10. ... 123

Figura 78: Termogravimetria comparativa das pastas 40M10. ... 125

Figura 79: Microscopia das pastas com 50 µm... 128

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Uso da EFP na literatura. ... 33

Tabela 2: Autores e ensaios utilizados para caracterizar as amostras de escória. ... 38

Tabela 3: Características do cimento... 41

Tabela 4: Quantidade de materiais utilizados na moldagem das argamassas. ... 49

Tabela 5: Quantidade de EFP utilizada no ensaio atividade pozolânica com cal. ... 50

Tabela 6: Quantidade de material seco de cada pasta em %. ... 52

Tabela 7: Teor de umidade das amostras de EFP. ... 62

Tabela 8: Massa específica dos materiais. ... 63

Tabela 9: Diâmetro médio característico das amostras de EFP e do CP V ARI. ... 65

Tabela 10: Requisitos químicos para ser um material pozolânico. ... 66

Tabela 11: Requisitos físicos para ser um material pozolânico. ... 66

Tabela 12: Composição química das amostras de EFP. ... 68

Tabela 13: Composição mineralógica por DRX. ... 71

Tabela 14: Consistência normal das pastas. ... 75

Tabela 15: Diferença em porcentagem das pastas em relação à pasta referência. ... 89

Tabela 16: Expansibilidade das pastas... 90

Tabela 17: Identificação dos compostos mineralógicos. ... 100

Tabela 18: Comparativo entre os compostos de cada pasta. ... 106

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LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

3 R- Reduzir, reutilizar, reciclar

30M10- Substituição de cimento por 30% de EFP e 10% de metacaulim 40M10- Substituição de cimento por 30% de EFP e 10% de metacaulim A1- Amostra 1

A2- Amostra 2 A3- Amostra 3

A30- Adição de 30% de EFP na pasta cimentícia A40- Adição de 30% de EFP na pasta cimentícia A50- Adição de 30% de EFP na pasta cimentícia

S30- Substituição de 30% de cimento por EFP na pasta cimentícia S40- Substituição de 40% de cimento por EFP na pasta cimentícia S50- Substituição de 50% de cimento por EFP na pasta cimentícia ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas

Al2O3- Óxido de alumínio ARI- Alta resistência inicial

AsBEA- Associação Brasileira dos Escritórios de Arquitetura BaS- Sulfeto de bário

BOF - Basic Oxygen Furnace CaO- Óxido de cálcio

CBCS- Conselho Brasileiro de Construção Sustentável CO2- Dióxido de carbono

CONAMA- Conselho Nacional do Meio Ambiente CP- Cimento Portland

Cr2O3- Óxido de cromo DRX- Difração de Raio X

DS- Desenvolvimento sustentável EFP- Escória de Forno Panela F2- Diflúor

EFA- Fornos Elétricos a Arco FeO- Óxido de ferro

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GTZ- Deutsche Gesellschaft Technische Zusammenarbeit IABr- Instituto Brasileiro do Aço

MgO- Óxido de magnésio MnO- Óxido de manganês NBR- Norma Brasileira P2O5- Pentóxido de fósforo

Pr- Perda Relativa de Condutividade Elétrica S- Enxofre

SEBRAE- Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas SENAI- Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

SiO2- Dióxido de silício

SNIC- Sindicato Nacional da Industria do Cimento TiO2- Dióxido de titânio

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 17 2 OBJETIVOS ... 19 2.1 Geral ... 19 2.2 Específico ... 19 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20

3.1 Adições minerais em matrizes cimentícias ... 20

3.2 Resíduos provenientes da indústria siderúrgica ... 23

3.3 Escória de aciaria ... 28

3.3.1 Escória de forno panela ... 29

3.3.2 Aplicações de EFP na construção civil ... 32

3.3.3 Caracterização de EFP ... 37 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 40 4.1 Materiais ... 40 4.1.1 Água de amassamento ... 40 4.1.2 Cimento ... 40 4.1.3 Metacaulim ... 41

4.1.4 Escória de forno panela (EFP) ... 41

4.2 Métodos ... 43

4.2.1 Caracterização das amostras de EFP ... 45

4.2.2 Caracterização das pastas ... 51

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 62

5.1 Resultados dos ensaios de caracterização das amostras de EFP ... 62

5.1.1 Teor de umidade ... 62 5.1.2 Massa específica ... 63 5.1.3 Composição granulométrica ... 64 5.1.4 Avaliação da pozolanicidade ... 65 5.1.5 Fluorescência de Raios X (FRX) ... 67 5.1.6 Difração de Raio X (DRX) ... 69

5.2 Caracterização das pastas de EFP ... 74

5.2.1 Consistência normal ... 74

5.2.2 Curvas de hidratação ... 76

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5.2.4 Expansibilidade ... 90

5.2.5 Resistência à compressão simples e a tração na flexão ... 91

5.2.6 Identificação dos compostos químicos e Termogravimetria ... 99

5.2.7 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ... 127

6 CONCLUSÕES ... 134

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1 INTRODUÇÃO

Embora o setor da construção civil seja um grande provedor socioeconômico (geração de empregos, renda e infraestrutura), também é responsável pelos principais impactos ambientais (consumo de recursos naturais não renováveis e geração de resíduos). Assim, a incorporação de resíduos, provenientes das próprias construções ou de outros setores produtivos, na construção civil, pode contribuir consideravelmente para a redução dos impactos e passivos ambientais, agregando conceitos de sustentabilidade aos processos e produtos destes setores produtivos.

Neste sentido, foram publicadas leis pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) para atender à Política Nacional de Resíduos Sólidos – PNRS (nº 12.305/10). Esta iniciativa governamental institui ações para a redução da geração de resíduos sólidos, além de incentivar a reutilização daqueles cuja geração é compulsória.

Neste mesmo contexto encontra-se o setor siderúrgico, o qual apresenta aspectos em relação à geração de resíduos sólidos e aos impactos ambientais semelhantes aos da Construção Civil. Portanto, os estudos que envolvem a aplicação mútua dos resíduos gerados nestes dois setores produtivos resultam em importantes avanços relacionados à sustentabilidade (ambientais, econômicos e sociais). Um exemplo disso é a utilização da escória de alto forno como agregado de misturas asfálticas e concretos. Outro resíduo do setor siderúrgico que deve ser considerado é a escória de forno panela (EFP), gerada nos fornos de aciaria, durante o processo de refino do aço, oriundo principalmente de sucatas. A composição desse resíduo pode variar de acordo com as práticas de trabalho utilizadas na produção do aço, a matéria-prima, a indústria, lote ou região em que está inserido. Ainda assim, de acordo com pesquisas relacionadas ao resíduo, deve-se destacar os teores de óxido de cálcio (CaO) e de dióxido de silício (SiO2), componentes também presentes no clinquer, principal constituinte do Cimento Portland.

Pela similaridade entre a composição da escória de forno panela (EFP) e do cimento Portland, há estudos sobre aplicações desse resíduo em materiais

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cimentícios, principalmente em substituição ao cimento. Entretanto, devido às variações físico-químicas apresentadas por cada lote de EFP, há a necessidade de caracterização desse resíduo antes da efetiva incorporação em matrizes cimentícias.

Neste trabalho foram estudadas três amostras de EFP provenientes da indústria siderúrgica e identificadas como 1, 2 e 3. Para a organização desta dissertação, dividiu-se as etapas nos seguintes capítulos:

Capítulo 2: Objetivos específicos e secundários; Capítulo 3: Revisão bibliográfica;

Capítulo 4: Materiais e Métodos; Capítulo 5: Resultados e Discussões; Capítulo 6: Conclusões;

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2 OBJETIVOS

2.1 Geral

Este trabalho tem como objetivo geral caracterizar amostras de EFP e determinar as propriedades de pastas cimentícias com EFP.

2.2 Específico

• Caracterização físico-química de amostras de escória de forno panela (EFP); • Caracterização físico-química e mecânica de pastas cimentícias com incorporação de EFP e EFP+ metacaulim;

• Identificação dos teores ideais de EFP, considerando os lotes de EFP estudados e respectivas propriedades físico-químicas e mecânicas.

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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Adições minerais em matrizes cimentícias

De acordo com a norma americana ASTM C125-18, aditivos ou adições são qualquer material – que não seja água, agregados, cimentos hidráulicos ou fibras – utilizados como componentes do concreto ou argamassa. Portanto, os resíduos incorporados em matrizes cimentícias, quando não tem função de agregado, são considerados adições minerais.

Dwivedi et al (2006), afirmaram que as adições minerais são usadas com o objetivo de somar ou substituir parcialmente o cimento Portland, trazendo vantagens ambientais e econômicas, como a redução do custo do cimento Portland e redução do consumo de matérias-primas.

Sabe-se que as adições minerais resultam, em geral, na produção de materiais cimentícios com melhores características técnicas (Figura 1). Isto ocorre porque tais materiais modificam a microestrutura da matriz cimentícia no estado fresco e trazem diversos benefícios, tais como o aumento da durabilidade e da resistência mecânica no estado endurecido, redução na porosidade capilar, diminuição das fissuras de origem térmica, melhoria na resistência ao ataque por sulfatos e minimização da reação álcali-sílica (KELES, 2011).

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Figura 1: Benefícios das adições minerais.

Fonte: URI ERECHIM, 2012.

Rodrigues (2012) explicou que as adições minerais são divididas em três grandes grupos:

• Materiais cimentantes. Exemplo: escórias de alto-forno;

• Materiais pozolânicos. Exemplo: cinzas volantes, cinzas vegetais e sílica ativa;

• Materiais inertes. Exemplo fíler calcário.

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Figura 2: Classificação das composições minerais.

Fonte: Adaptado de PUC de Goiás s/d.

As pozolanas são materiais silicosos ou silicoaluminosos que, isolados, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas quando finamente moídos e na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) à temperatura ambiente para formar compostos, com propriedades aglomerantes (ABNT NBR 12653:2014).

Segundo Fonseca (2010), materiais cimentantes são aqueles capazes de formar o composto ligante C-S-H, sem a necessidade do hidróxido de cálcio que é resultante da hidratação de componentes presentes no cimento. Sua auto-hidratação é lenta, porém quando usado como adição ou substituição em cimento Portland, sua hidratação é acelerada na presença de hidróxido de cálcio e gipsita, como é o caso da escória granulada de alto-forno.

Já o fíler é um material finamente moído, sem atividade química, cuja atuação é basicamente um efeito físico de empacotamento granulométrico (preenchimento de vazios), e ação como pontos de nucleação para a hidratação dos grãos de cimento (DAL MOLIN, 2005).

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Além dessas três funcionalidades as adições minerais também podem assumir a função de ativador de pozolana (ativador alcalino), que segundo Murta (2008) é responsável pela dissolução da sílica e somente através desse material a sílica atinge condições de reação, podendo formar sílicoaluminatos ou C-S-H (ambos compostos ligantes), dependendo de sua concentração e da composição química da pozolana utilizada.

Segundo Torgal, Gomes e Jalali (2007), um material com elevada porcentagem de óxido de cálcio ativado com soluções alcalinas de baixa ou média concentração (ou através de uma ativação cálcica), origina produtos de reação do tipo silicato de cálcio hidratado C-S-H. Essa reação pode ser simplificada de acordo com Freire e Beraldo (2003), da seguinte maneira:

xSiO2 + yCaO + zH2O → xCaO∙ySiO2∙zH2O (Equação1)

Neste trabalho foram estudadas três amostras de um resíduo proveniente da indústria siderúrgica, identificado como escória de forno panela - EFP (detalhados no item 3.3), buscando qual o tipo de adição mineral a EFP assumiria quando incorporada em matrizes cimentícias.

3.2 Resíduos provenientes da indústria siderúrgica

De acordo com Carvalho, Mesquita e Araújo (2016), a indústria siderúrgica é responsável por impactos ambientais relativos ao consumo de energia e de materiais não renováveis, além da geração expressiva de diversos tipos de resíduos. Atualmente, a produção de ferro e aço é responsável por cerca de 7% das emissões globais de CO2 (WORLDSTELL, 2017), o que demanda investimentos em novas tecnologias para os processos produtivos, com foco na redução das emissões e no consumo de insumos, desenvolvendo possibilidades à reutilização e reciclagem (VIANA, 2017).

A indústria siderúrgica é importante fornecedora de insumos para outros setores da indústria de transformação, bem como para a construção civil (VIANA, 2017).

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Estima-se que 37% do aço fabricado seja destinado para o setor da construção civil (IABr, 2016). A Figura 3 apresenta a distribuição da produção de aço.

Figura 3: Destino do aço produzido.

Fonte: Relatório de sustentabilidade 2014- Instituto Aço Brasil.

Segundo dados levantados pelo Instituto Aço Brasil (2014), a indústria brasileira do aço foi responsável, em 2013, por 2,1% da produção mundial, permanecendo em nono lugar no ranking liderado pela China. Já na América Latina, a produção brasileira correspondeu a 52,2% do total do continente no ano de 2013.

O parque siderúrgico brasileiro é composto por 30 usinas, representadas por 14 empresas privadas e controladas por onze grupos empresariais (IABr, 2014). Essas usinas estão distribuídas em 10 estados brasileiros, conforme descrito na Figura 4.

Como se trata de uma indústria em que a localização das unidades produtivas deve, idealmente, ser próxima das jazidas de minério de ferro, e/ou devem dispor de infraestrutura de transportes compatível com os tipos de insumo que utiliza (servidas por ferrovias ou portos), a produção brasileira mostra maior concentração no Sudeste (VIANA, 2017).

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Figura 4: Distribuição geográfica (%) das empresas da indústria siderúrgica brasileira em 2015.

Fonte: Adaptado de VIANA (2017).

Segundo o Instituto do aço Brasil (IABr, 2016), o processo de produção do aço apresenta as etapas descritas a seguir:

Preparação da carga: A parte do minério de ferro que se encontra sob a forma de

pó passa por um processo de aglomeração e dá origem ao sínter, que se junta ao minério de ferro de maior granulometria na carga do alto-forno. Para retirar compostos voláteis indesejáveis, o carvão (mineral ou vegetal) é aquecido em fornos (coquerias) e convertido em coque.

Redução do minério de ferro: se trata da remoção, em altos-fornos, do oxigênio

contido nos óxidos do minério. O produto resultante é uma liga de ferro e carbono denominada ferro-gusa, que ainda contém impurezas, tais como fósforo, enxofre e sílica.

Refino: redução do carbono e das impurezas do ferro-gusa até serem obtidos os

teores desejados para os diferentes tipos de aço. A transformação do ferro-gusa em aço pode ser realizada em conversores a oxigênio (BOF – Basic Oxygen Furnace) e no arco elétrico (Fornos Elétricos a Arco – EAF).

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Lingotamento: O aço produzido nas aciarias escoa em lingoteiras, solidificando-se

na forma de lingotes ou em máquinas de lingotamento contínuo, onde é cortado já na forma de produtos semiacabados (placas, blocos ou tarugos).

Laminação: Por meio da laminação, forjamento e outros processos mecânicos, são

produzidos bobinas, barras, chapas, vergalhões, fio-máquinas, perfis e folhas metálicas, entre outros. A Figura 5 ilustra o processo de produção do aço nas indústrias siderúrgicas.

Figura 5: Processo de produção do aço.

Fonte: Relatório de sustentabilidade 2014- Instituto do Aço Brasil.

A cada tonelada de aço produzido cerca de 594 kg de coprodutos e resíduos são originados, como escória de alto-forno, escória de aciaria, pós e finos, lamas, entre outros resultantes dos processos e sistemas de tratamento existentes (IABr, 2014). Na Figura 6, apresenta-se a quantidade produzida de cada coproduto.

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Figura 6: Contribuição de cada coproduto na geração de resíduos.

Fonte: Adaptado de IABr (2014).

Segundo Carvalho, Mesquita e Araújo (2016), os resíduos podem ser classificados em três categorias básicas:

(i) Recicláveis que contêm ferro – entre os quais, citam-se as poeiras e lamas de alto-forno, de aciaria e de sinterização; as lamas das unidades de tratamento; água de recirculação da laminação; e as carepas;

(ii) Resíduos carboquímicos, provenientes, basicamente, das etapas de produção de coque;

(iii) As Escórias.

As escórias podem ser geradas tanto na fusão redutora de minérios para obtenção do ferro-gusa, como na etapa subsequente da produção do aço, gerando escórias de alto-forno e escórias de aciaria, respectivamente (FARIA, 2007).

O objeto deste estudo são escórias de forno panela, que são parte das escórias de aciaria, detalhadas no item 3.4.

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3.3 Escória de aciaria

Existem dois tipos de produção de aço nas indústrias siderúrgicas: aquele que ocorre em fornos de oxigênio (BOF), que convertem o ferro fundido em aço, e em fornos elétricos a arco (EFA), que são alimentados por sucatas de aço reciclado e ferro gusa. Em ambos os processos, durante a fase de refinação do aço, o oxigênio é injetado e, juntamente com impurezas da sucata e cal (CaO), o metal é oxidado, formando escórias nas paredes destes fornos (SETIÉN, HERNÁNDEZ, GONZÁLEZ, 2009; YILDIRIM e PREZZI, 2017), essas escórias são denominadas escória de aciaria. Na Figura 7 e Figura 8, estão representados os processos nos fornos a arco elétrico (EFA) e nos fornos a oxigênio (BOF), respectivamente.

Figura 7: Representação esquemática do refino do aço por forno elétrico a arco.

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Figura 8: Representação esquemática do refino do aço por forno a oxigênio.

Fonte: Araújo (1997) apud Barbosa (2013).

(1) Carregamento de sucata, (2) Carregamento do gusa, (3) Sopro de oxigênio, (4) Vazamento do aço (5) Vazamento da escória.

Segundo Evangelista (2017) apesar da similaridade química (óxidos presentes) e aparência das escórias geradas em BOF e EAF, pode-se ter impressão errônea de que elas são o mesmo material. Estas escórias diferem na quantidade de óxidos de cálcio livre (CaO) na qual a escória de BOF apresenta maior teor deste óxido (ARRIBAS et al., 2015).

Segundo Masuero, Dal Molin, Vilela (2001), os fornos elétricos a arco são utilizados para a fabricação de peças longas, como vergalhões para a construção civil, e barras e perfis para a indústria mecânica, enquanto que os fornos a oxigênio são empregados para a produção de grandes quantidades de aço, destacando-se na produção de produtos planos como chapas para a indústria automobilística.

3.3.1 Escória de forno panela

Segundo Evangelista (2017), na produção de aço por fornos elétricos a arco (EAF), a sucata é levada para o forno elétrico, e em seguida os eletrodos são

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reduzidos. Após esse processo, alguns elementos químicos (magnésio, alumínio e silício) são adicionados à mistura para ajudar a remover as impurezas do aço fundido. Logo após, forma-se uma corrente elétrica produzida pelos eletrodos, e um arco é produzido para fundir a sucata de aço – o refino primário. Após a fusão total e atingida temperatura de aproximadamente 1580 ºC, o aço fundido é vertido em outro forno, chamado de forno panela, onde ocorrerá o tratamento do aço líquido; esta etapa é chamada de refino secundário. Este processo gera dois subprodutos: escória de forno elétrico a arco (EFE), decorrente da etapa de refino primário, e escória de forno panela (EFP) ou cal de panela, produzida no refino secundário (ROCHA, 2010).

A Figura 9 apresenta o esquema do refino do aço e a geração das escórias pelo forno elétrico a arco (EFA).

Figura 9: Esquema do Refino do aço e geração de escórias.

Fonte: Adaptada de Evangelista (2017).

As diferenças entre os fornos, a diversidade da matéria-prima utilizada (sucatas), e respectivos processos, resultam em amostras de escória de forno panela (EFP) heterogêneas, principalmente em relação à composição química (ANASTASIOU, PAPAYIANNI, PAPACHRISTOFOROU, 2014; RODRIGUEZ et al., 2009; VILAPLANA et al., 2015).

Outros fatores, tais como o processo de resfriamento da escória, podem afetar suas características físicas como a densidade, granulometria e propriedades estruturais (ROHDE, 2002). De acordo com Faria (2007), há três métodos de resfriamento da escória, gerando características físicas distintas ao resíduo: resfriamento ao ar, resfriamento por pelotização e resfriamento brusco.

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No processo de resfriamento ao ar, a escória é vertida no pátio de resfriamento, no qual naturalmente se solidifica na forma cristalina, apresentando coloração cinza escura, maior densidade, resistência mecânica e coeficiente de atrito em relação às escórias de alto-forno.

Quando sua temperatura atinge aproximadamente 600 ºC pode-se acelerar o resfriamento final mediante jatos de baixa vazão de água. Depois de solidificada, a escória é fragmentada e levada para a planta de beneficiamento, onde ocorre a britagem e as separações magnéticas geralmente Segundo Gumieri (2002), no processo de resfriamento por pelotização ou resfriamento controlado com água, a escória é resfriada rapidamente pela aplicação de uma quantidade controlada de água ou vapor; geralmente possui forma esférica e sua densidade é menor em relação à escória resfriada lentamente ao ar. A escória resfriada por esse processo é conhecida como escória expandida (GUMIERI, 2002) e por meio do controle do processo de refrigeração, podem ser formadas pelotas cristalinas, as quais, após a moagem, são consideradas como agregado (Masuero, Dal Molin, Vilela; 2001)

No processo de resfriamento brusco, a escória líquida é fragmentada por jatos de água com alta vazão e pressão sobre a escória ainda líquida. O choque entre a escória e a água provoca o resfriamento brusco. Nestas condições, a escória normalmente se solidifica na forma vítrea, apresentando estrutura amorfa. As escórias resfriadas por este processo são conhecidas como escórias granuladas e geralmente possuem baixa densidade e boas propriedades hidráulicas, ou seja, endurecem em contato com água.

Independentemente desses processos de resfriamento, a escória bruta é um material heterogêneo e para que seja viável a sua aplicação em matrizes cimentícias, são necessárias etapas de processamento. Papayianni e Anastasiou (2012) sugeriram processos de beneficiamento para aumentar a sua finura (peneiramento ou processo de moagem). Porém, ambos os processos tem seus inconvenientes pois, ao passar pela peneira, parte da matéria-prima é rejeitada e o processo de moagem por sua vez inclui todo o material, mas apresenta um custo elevado devido à necessidade de aparelhos específicos (moinhos-de-bolas) e tempo de moagem (superior ao do peneiramento).

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Por fim, o objeto de estudo deste trabalho são escórias de forno panela (EFP) geradas em forno de arco elétrico, onde as principais matérias-primas são sucatas ferrosas e ferro gusa. Durante o processo são gerados outros coprodutos além da EFP, como Escória de Forno Elétrico, Pó do Forno Elétrico, Pó do Forno Panela e Carepa. Entretanto, apenas o resíduo EFP apresenta possibilidades de utilização em matrizes cimentícias, principalmente devido à semelhança entre os óxidos presentes na EFP e no cimento Portland (HERRERO et al., 2016). Considerando a similaridade entre as matérias-primas, há várias pesquisas sobre a incorporação de EFP como adição mineral ou agregado em matrizes cimentícias (concretos, argamassas e pastas), detalhados no item 3.4.2.

3.3.2 Aplicações de EFP na construção civil

Como apresentado nos itens anteriores, a escória de forno panela (EFP) é um dos resíduos sólidos produzido durante a fabricação do aço. Tornando este resíduo em um coproduto, as indústrias siderúrgicas podem evitar gastos com descarte em aterros e agregando valor ao seu produto principal, aço, demostrando compromisso social e com o meio ambiente.

Dessa forma, o volume de escória de aciaria gerado, associado às preocupações ambientais, fizeram com que surgissem muitas aplicações para a escória de aciaria, como mostra a Figura 10 (FARIA, 2007).

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Figura 10: Aplicações da escória de aciaria.

Fonte: Adaptado de Faria (2007).

Há diversos estudos sobre a utilização de EFP como matéria-prima ou como material de construção, os quais indicam diversos tipos de aplicações e considerações sobre o comportamento deste resíduo incorporado em matrizes cimentícias (Tabela 1).

Tabela 1: Uso da EFP na literatura.

Autor (es) Aplicação na construção civil

LOURES et al. (2018) Agregado na fabricação de mistura asfáltica

BOCCI (2018) Adição na fabricação de mistura asfáltica

BRAND e ROESLER (2018) Agregado para fabricação de argamassas MALTEZ et al. (2017) Agregado na fabricação de blocos de concreto HERRERO et al. (2016) Adição na fabricação de pastas e argamassas

ALMEIDA (2017) Adição na fabricação de concreto de alto desempenho

CHOI et al. (2016) Adição na fabricação de pastas e argamassas IACOBESCU et al. (2016) Adição na fabricação de cimento

LACERDA et al. (2016) Agregado na fabricação de argamassa

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SERJUN et al. (2015) Adição na fabricação de cimento VILAPLANA et al. (2015) Adição na fabricação de cimento

MARINHO (2015) Adição na fabricação de aglomerante para argamassa

BRAND e ROESLER (2015) Agregado para fabricação de concreto

METZ et al. (2015) Adição na fabricação de cimento

TOFFOLO (2015) Agregado na fabricação de pavimentos

SANTOS et al. (2014) Agregado na fabricação de blocos de concreto ANASTASIOU et al. (2014) Adição na fabricação de concreto auto adensável PRIETO et al. (2013) Adição e agregado na fabricação de argamassas SILVA et al. (2011) Agregado na fabricação de bloco para pavimentação BORGES e BORLINI (2011) Adição Mineral na fabricação de Cimento Portland

PEDROSA (2010) Agregado na fabricação de mistura asfáltica

RODRIGUEZ et al. (2009) Adição mineral na fabricação de argamassas

SETIÉN et al. (2009) Adição mineral

CARDOSO (2009) Adição ao material cerâmico

FARIA (2007) Agregado na fabricação de concreto

ROHDE (2002) Agregado para pavimentação

GUMIERI (2002) Adição na fabricação de cimento

Fonte: Elaborada pela autora.

Dentre os autores abordados na Tabela 1, pode-se observar o emprego da EFP como adição ou agregado para a fabricação de cimento, pastas, argamassas, concreto e até mesmo para a pavimentação. A Figura 11 quantifica, dentre esses autores, a utilização de EFP como adição ou como agregado.

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Figura 11: Utilização da EFP como agregado ou adição.

Fonte: Elaborado pela autora

Brand e Roesler (2018) compararam o efeito de três tipos de escória, provenientes de diferentes fornos da siderurgia (BOF, EAF, LMF), na microestrutura de argamassas. Os autores relatam a diferença de porosidade de ambos os materiais, o que influencia diretamente na resistência mecânica da matriz cimentícia devido à diferença do processo de produção do aço. Os resultados obtidos indicaram resistências maiores para os agregados compostos pelas escórias do forno EAF, seguido do BOF e LFM. Destaca-se que o uso de ambas as escórias aumentou estatisticamente o módulo dinâmico das argamassas.

Herrero et al. (2016) dividiram sua pesquisa em duas etapas: caracterização de dois tipos de escória de forno panela e substituição de 10 e 20% de cimento Portland por EFP para a produção de argamassas e pastas. Os autores estudaram a porosidade, expansibilidade, resistência mecânica e durabilidade (resistência a ciclos de molhamento e secagem). O estudo apontou que as amostras de EFP apresentam relativa reatividade hidráulica e sua adição parcial não proporciona efeitos deletérios sobre as propriedades fundamentais de pastas e argamassas.

Vilaplana et al. (2015) investigaram a incorporação de EFP como matéria-prima na produção de cimento. O valor máximo de EFP incorporado na produção de cimento para que as características mineralógicas e propriedades mecânicas da argamassa não fossem afetadas foi de 39,2%. Observaram que valores superiores a esse tiveram efeitos negativos como retardo de pega e aumento na expansibilidade.

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Rodriguez et al. (2009) discutiram a substituição de 30% de cimento por EFP e 20% de areia por EFP na fabricação de argamassa. Para isso os materiais foram caracterizados química e fisicamente e a argamassa passou por ensaios de trabalhabilidade e resistência mecânica cujos resultados foram positivos.

Manso et al. (2011) continuaram os estudos de Rodriguez et al. (2009), sendo as argamassas submetidas a agentes prejudiciais, tais como umidade e sulfatos, bem como a ambientes especiais (marinhos e gasosos) para verificar sua durabilidade. Em ambos os estudos a argamassa com EFP apresentou maior resistência mecânica e maior durabilidade que a argamassa sem EFP.

Papayianni e Anastasiou (2012) testaram a substituição de 20% de cimento por EFP. O material utilizado foi moído e foram produzidas três amostras com diferentes granulometrias. Estas foram avaliadas em relação á sua composição química e mineralógica e incorporadas em argamassas que posteriormente foram submetidas ao ensaio de compressão simples. Os resultados mostraram que: a EFP apresentou algumas propriedades cimentantes e pozolânicas que poderiam ser aprimoradas pela moagem do material, pois quanto menor é sua granulometria, mais eficiente é a propriedade ligante; sua resistência à compressão simples foi pouco afetada pela substituição de até 20% de cimento por EFP.

Almeida (2017) avaliou diversos estudos com a substituição de pó de escória de aciaria (PEA) por cimento na fabricação de concreto de alto desempenho. Para isso foram analisadas propriedades químicas e físicas do resíduo e sua interação com o cimento Portland. No concreto foram realizados ensaios de trabalhabilidade, resistência mecânica e durabilidade, tanto no estado fresco quanto no estado endurecido. Foi observado que é possível obter concreto de alto desempenho substituindo até 45% de cimento por PEA. Devido à baixa reatividade da escória o calor de hidratação é reduzido e o tempo de pega foi retardado, porém isso pode ser melhorado ao diminuir a granulometria da EFP.

Como se pode constatar, uma das principais aplicações configura-se em inserir o resíduo EFP com adição mineral em matrizes cimentícias. Entretanto, como as amostras de escória são heterogêneas e diferem entre si, são necessários estudos de caracterização e de verificação das possíveis funções das amostras de EFP que são objetos de estudo desta dissertação.

(37)

3.3.3 Caracterização de EFP

Pode-se observar no item anterior 3.3.2 que todos os autores consultados, antes de utilizarem a EFP, realizaram a caracterização física, química e mineralógica das amostras e, posteriormente, das pastas, argamassas e concretos com incorporação desse resíduo.

Para analisar as escórias em relação a sua composição química, os autores utilizaram o método denominado FRX (Fluorescência de Raio X), para a composição mineralógica, o método denominado DRX (Difração de Raio X) e para análise da variação de massa das amostras em função da temperatura e do tempo utilizaram o método Termogravimétrico.

Apesar de os artigos consultados apresentarem ensaios de comportamento físico em comum (granulometria, massa específica, durabilidade, expansibilidade, e resistência à compressão simples), existem alguns ensaios descritos na metodologia experimental que diferem entre os principais autores.

Papayanni e Anastasiou (2012) e Almeida (2017) destacaram a necessidade de beneficiar e aumentar as propriedades ligantes da EFP através da moagem e não por peneiramento para ser incorporada em matrizes cimentícias.

A Tabela 2 apresenta os principais ensaios utilizados na caracterização da escória de forno panela (EFP), conforme bibliografia consultada.

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Tabela 2: Autores e ensaios utilizados para caracterizar as amostras de escória.

Autor(es) FRX DRX TGA MEV CG ME AP

SETIÉN et al. (2009) X X X X X RODRIGUEZ et al. (2009) X X X ADOLFSSON et al. (2011) X X X MANSO et al. (2011) X X X PAPAYIANNI e ANASTASIOU (2012) X X X X X IACOBESCU et al. (2016) X X X VILAPLANA et al. (2015) X HERRERO et al. (2016) X X X X MARINHO et al. (2017) X X X X X X (MASUERO; DAL MOLIN; VILELA, 2001) X X X X X WANG e YAN (2010) X X ROSLAN et al. (2016) X X X X Legenda: FRX: Composição química DRX: Composição mineralógica TGA: Termogravimetria

MEV: Microscopia eletrônica de varredura CG: Composição granulométrica

ME: Massa específica AP: Atividade Pozolânica

Setién et al. (2009) caracterizaram vários tipos de EFP para serem aplicados na construção civil, e concluíram que o produto é heterogêneo, que suas reações de hidratação podem sofrer expansibilidade, mas que possuem propriedades aglomerantes.

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Adolfsson et al. (2011) caracterizaram amostras de EFP e matrizes cimentícias com substituição parcial de cimento por EFP e concluem que a EFP pode conter propriedades aglomerantes e que sua incorporação em matrizes cimentícias contribui para uma maior resistência à compressão simples.

Iacobescu et al. (2016) estudaram a utilização de EFP na produção do cimento e concluíram que o cimento com EFP precisou de menor temperatura para sinterizar o clínquer e acabou favorecendo a formação de silicatos tricálcicos, porém os tempos de pega do cimento com EFP foram retardados.

Marinho et al. (2017) também avaliaram a inclusão de escória na fabricação do cimento e, posteriormente, fabricaram argamassas com a mistura (cimento com EFP). Os autores concluíram que a escória possui propriedades aglomerantes, não apresenta expansibilidade e a trabalhabilidade e resistência mecânica das argamassas, com incorporação de EFP no cimento, foram aumentadas.

Masuero, Dal Molin e Vilela (2001) caracterizou as escórias e as aplicaram em substituição ao cimento na fabricação de argamassas. Os autores concluíram que as escórias sofrem expansibilidade na presença de água e que o processo de resfriamento brusco é o mais adequado para solucionar esse problema de expansão. Já as argamassas com substituição de até 50% de EFP por cimento apresentam comportamento mecânico e absorção de água semelhante ao das argamassas sem incorporação de EFP.

Wang e Yan (2010) estudaram a hidratação de dois tipos de EFP e concluíram que o processo de hidratação da escória foi semelhante ao do cimento. No entanto, a taxa de hidratação foi menor do que a do cimento devido à menor finura do resíduo.

Roslan et al. (2016) avaliaram a pozolanicidade da escória e a resistência mecânica do concreto contendo EFP. A principal conclusão dos autores foi a comprovação da atividade pozolânica do resíduo através da perda de condutividade em solução de Ca(OH)2. Ao incorporar EFP no concreto foi observado, pelos autores, ganhos de resistência mecânica.

(40)

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Materiais

4.1.1 Água de amassamento

A água de amassamento utilizada foi a água potável proveniente da rede de abastecimento de água da cidade de Limeira-SP.

4.1.2 Cimento

Foram utilizados dois tipos de cimento, o CPII-F para o ensaio de avaliação de pozolanicidade e o Cimento Portland CP V-ARI (alta resistência inicial) para os demais ensaios. Segundo especificações técnicas da ABNT NBR 16697:2018, o CP V-ARI pode conter apenas 10% de materiais carbonáceos, provenientes de material inerte, ideal para a pesquisa, pois a presença de outras adições presentes nos demais cimentos poderia interferir na avaliação dos resultados, já que a escória também é uma adição mineral e o objetivo desse estudo é o de definir a sua função (material cimentante, pozolânico ou inerte).

Segundo Shiroma (2016), esse tipo de cimento apresenta teores mais elevados de C3S (silicato tricálcico-3CaO.SiO2) e C2S (silicato dicálcico-2CaO.SiO2), o que faz com que seja aumentada a sua reatividade.

Na Tabela 3, apresentam-se as propriedades do cimento, que foi utilizado nos ensaios com as pastas.

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Tabela 3: Características do cimento.

CARACTERÍSTICA NORMA INFORMAÇÕES

ADICIONAIS UNIDADE CP V ARI Massa específica ABNT NBR

16605:2017 - g/cm³ 3,12

Tempo de pega ABNT NBR

16607:2017 Inicio Min 170 Fim 240 Resistência à compressão simples*** ABNT 7215:1997 7 dias MPa 46,8 28 dias 56

*** Valores obtidos na embalagem do produto

4.1.3 Metacaulim

O Metacaulim de marca HP ultra foi o material comercial utilizado como pozolana e apresentou, segundo a ABNT NBR 16605:2017, massa específica de 2,53 g/cm³

4.1.4 Escória de forno panela (EFP)

As três amostras de escória de forno panela (EFP) utilizadas nesta pesquisa foram provenientes da fabricação de aço de indústrias siderúrgicas localizadas nos estados de São Paulo, Minas Gerais e Espírito Santo, sendo identificadas como 1, 2 e 3. Uma das fornecedoras de EFP apresenta uma produção de aproximadamente 1200 t/mês deste resíduo, o qual é enviado para aterro sanitário classe II (resíduos não perigosos).

As amostras foram coletadas de forma representativa de acordo com a ABNT NBR 10007:2004 e enviadas ao Laboratório de Materiais de Construção da Faculdade de Tecnologia.

No recebimento das amostras, a indústria siderúrgica concedeu informações sobre a coleta e armazenamento de cada uma delas, conforme relatado:

(42)

Amostra 1: O material residual do forno panela é armazenado em

galpão coberto cujo resfriamento aconteceu lentamente. A amostra, portanto, não foi hidratada no local e seu processo de resfriamento foi realizado ao ar.

Amostra 2: A escória gerada no forno panela foi coletada no estado líquido e, em

seguida, resfriada com água para passar para a fase sólida. Então foi armazenada em pátio aberto e ficou exposta a intempéries, sendo hidratada conforme seu fluxo de geração. Seu processo de resfriamento é brusco.

Amostra 3: É coletada pouco após a sua geração, portanto é resfriada com água

para viabilizar o manuseio. Seu processo de resfriamento é o de pelotização.

Para a realização dos ensaios, ambas as amostras foram secas em estufa a 105 ºC e resfriadas em temperatura ambiente.

Devido à heterogeneidade granulométrica apresentada pelas amostras de EFP (Figura 12), adotou-se uma metodologia para o processamento prévio das amostras (PAPAYIANNI e ANASTASIOU, 2012).

Figura 12: Amostras de EFP brutas, antes do processamento.

O beneficiamento ou pré-processamento das amostras de EFP é composto das seguintes etapas:

a) separação da parcela das amostras brutas passante na peneira com abertura de 1,18 mm;

b) moagem do material passante em moinho-de-bolas (ciclos de 15 min para cada 400g de EFP).

Para a moagem foi utilizado o moinho MA500 (Figura 13) com velocidade fixa em +/- 200 RPM, jarro de cerâmica de alumina com capacidade de 1 L e 40 bolas

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cerâmicas de 20 mm de diâmetro. A quantidade de amostras de EFP colocada dentro do jarro foi de, aproximadamente, 400 g e o tempo de processo foi fixado em 15 min.

Figura 13: Moinho- de-bolas MA500 com jarro de cerâmica de alumina.

A Figura 14 ilustra as diferenças em relação à textura entre as três amostras de EFP (A1, A2, A3), após etapas “a e b” de pré-processamento, ou seja, peneiramento e moagem do material.

Figura 14: Amostras de EFP após as etapas de pré-processamento (peneiramento e moagem).

4.2 Métodos

A metodologia de trabalho visou avaliar as características das amostras de EFP e de pastas cimentícias. Inicialmente as pastas foram feitas com adição e substituição de cimento por EFP nos teores de 30, 40 e 50% e, posteriormente, com a substituição de cimento por EFP + metacaulim (10%). Esses teores foram

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baseados na literatura, em que o menor valor encontrado de substituição foi de 10% (HERRERO et al., 2016) e o maior valor de 45% (ALMEIDA, 2017). Portanto, este trabalho visou extrapolar os valores já existentes. O programa experimental foi dividido em duas principais etapas:

1- Caracterização física, química e mineralógica das amostras de EFP;

2- Avaliação da compatibilidade e atividade química das pastas de cimentícias contendo EFP, cimento Portland e metacaulim, por meio de ensaios físicos, químicos e mecânicos.

Para obtenção de variáveis que caracterizem as amostras e pastas de EFP foram realizados ensaios físicos, químicos, mineralógicos e mecânicos. O fluxograma da Figura 15 foi elaborado para explicar de forma simplificada e esquemática a metodologia aplicada neste estudo.

(45)

4.2.1 Caracterização das amostras de EFP

4.2.1.1 Teor de umidade

O teor de umidade teve como propósito obter o total de umidade presente nas amostras (A1, A2 e A3) logo que elas foram recebidas no Laboratório de Materiais de Construção da Faculdade de Tecnologia. O ensaio foi regido pela ABNT NBR NM 24:2003 e consiste em pesar 1 g de amostra (m1), colocá-la em recipiente de porcelana e levá-la para estufa à temperatura de (105±5) ºC até que não ocorra variação de massa maior que 0.0001g. Retira-se o recipiente da estufa e pesa-se a amostra seca (m2). Para obter o teor de umidade utiliza-se a expressão da Equação 2.

U= (Equação.2)

Onde:

U= Umidade da amostra, em porcentagem;

m1= massa da amostra antes da secagem, em gramas; m2= massa da amostra, após a secagem, em gramas.

4.2.1.2 Massa específica

O ensaio de massa específica foi realizado nas amostras de EFP (A1, A2, A3), no cimento e no metacaulim. A norma que regeu o ensaio foi a ABNT NBR 16605:2017. O líquido reagente utilizado foi o querosene, colocado por um funil no frasco de Le Chatelier entre as marcas 0 e 1 cm³. O conjunto foi submetido a banho termorregulador, à temperatura ambiente, por meia hora e após esse tempo, o conjunto foi retirado do banho e a primeira leitura (v1) foi realizada. Adicionou-se 60 g (m) de amostra por meio de funil e o conjunto foi novamente levado ao banho por tempo igual ao anterior; após o procedimento realizou-se a segunda leitura (v2). A massa específica foi obtida pela expressão da Equação 3.

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Onde:

ρ= massa específica do material ensaiado, expressa em grama por centímetro cubico (g/cm³);

m= massa do material ensaiado expressa em gramas (g);

V= Volume deslocado pela massa de material ensaiado (V2’- V1’);

V2’- V1’= São os valores corrigidos de V1 e V2, respectivamente, a partir da calibração da escala do frasco volumétrico, em centímetros cúbicos (cm³).

Na Figura 16, apresentam-se os recipientes contendo A1 e os frascos de Le Chatelier com querosene.

Figura 16: Amostras utilizadas no ensaio e frasco de Le Chatelier com querosene.

4.2.1.3 Composição granulométrica

A composição granulométrica das amostras de EFP (A1, A2 e A3) foram realizadas pelo método de difração a laser no equipamento Mastersizer 2000 da Malvern (Figura 17) do Instituto de Ciência e Tecnologia do Concreto (ICITECH) da Universidade Politécnica de Valência, na Espanha. Para a realização do ensaio, foi adicionado cerca de 0,15 g de EFP em um béquer e misturado a 50 ml de água com o auxílio de um misturador de bancada RW20 (IKA), com rotação mantida em 1.000 rpm durante 1 minuto. A mistura contendo o resíduo em suspensão foi transferida para o reservatório de análise do granulômetro, onde foi detectada por ultrassom a granulometria.

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Figura 17: Equipamento Mastersizer 2000 da MALVERN para composição granulométrica.

4.2.1.4 Fluorescência de Raio X (FRX) e Perda ao Fogo

O ensaio de FRX, teve como objetivo identificar cada composto químico presente nas amostras de EFP (A1, A2 e A3). A análise química foi realizada pela técnica de fluorescência de Raios X (FRX). O ensaio foi realizado nas amostras de EFP prensadas, na calibração STD-1 (Standardless), referente a análise sem padrões dos elementos químicos na faixa entre o flúor e o urânio, em espectrômetro de Fluorescência de Raios X da marca PANalytical, modelo Zetium situado no Laboratório de Caracterização Tecnológica - (LCT) do Departamento de Minas e de Petróleo na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Também foi realizado ensaio de perda ao fogo (PF) a 1200ºC por 2 h.

4.2.1.5 Difração de Raio X (DRX)

O ensaio de DRX foi utilizado para caracterizar, quanto a mineralogia, as amostras de EFP (A1, A2 e A3) e as melhores pastas encontradas ao se determinar a curva de hidratação e a resistência à compressão. Esta análise foi realizada no Laboratório de Caracterização Tecnológica (LCT), da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, através do método do pó, mediante o emprego de difratômetro de Raios X, marca Philips, modelo MPD 1880 (Figura 18). Os dados foram obtidos à temperatura ambiente utilizando-se os seguintes parâmetros: voltagem de 40 kV, corrente de 40 mA, em um intervalo 2theta de 5 - 100 °C com

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um passo de 0,05 °C e velocidade de 0,0166 °C/s. As fases cristalinas foram obtidas por comparação do difratograma da amostra com os bancos de dados PDF2 do ICDD - International Centre for Diffraction Data (2003) e PAN-ICSD – PANalytical Inorganic Crystal Structure Database (2007).

Figura 18: Equipamento de DRX-Philips.

Fonte: Shiroma (2016).

4.2.1.6 Avaliação da pozolanicidade

A pozolanicidade foi avaliada pelas normas ABNT NBR 12653:2014 e ASTM618-C:2017. Essas normas utilizam os ensaios de FRX, teor de umidade para avaliação de índices químicos do material pozolânico. A norma brasileira faz uso de outras duas outras normas para avaliar os índices físicos do material pozolânico, ABNT NBR 5752:2014 (Determinação do índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias) e ABNT NBR 5751:2015 (Determinação da atividade pozolânica com cal aos sete dias). As metodologias se encontram nos tópicos a seguir.

4.2.1.6.1 Determinação do índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias (ABNT NBR 5752:2014)

Foi realizada a avaliação da atividade pozolânica da EFP com o cimento Portland, de acordo com o método prescrito pela ABNT NBR 5752:2014

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Neste ensaio foram realizadas quatro misturas de argamassas, uma mistura de referência com cimento pozolânico CP II-F-32 e outras três misturas substituindo 25% de cimento por amostras de EFP (A1, A2 e A3).

Na Tabela 4, estão descritas as quantidades de material e água utilizados para o ensaio para a determinação do índice de desempenho com cimento Portland.

Tabela 4: Quantidade de materiais utilizados na moldagem das argamassas.

Argamassa de Referência Argamassas com EFP Cimento CP II-F-32 (g) 624 468 Areia Normal (g) 1872 1872 Água (g) 300 300 EFP (g) - 156

Foram moldados quatro corpos-de-prova por traço, colocados por 24 h em câmara úmida, desmoldados e curados em tanque com água saturada de cal. Após 28 dias da moldagem os corpos de prova de argamassa foram rompidos e determinada a sua resistência à compressão simples, por meio da Equação 4.

Icimento= 100.fcB/fcA (Equação.4) Onde:

I é o índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias. O resultado, expresso em porcentagem (%), devendo ser arredondado ao inteiro;

fcB é a resistência média aos 28 dias dos corpos de prova moldados com cimento CP II-F-32 e 25% de material pozolânico (argamassa B) aproximada ao décimo e expressa em megapascals (MPa);

fcA é a resistência média aos 28 dias dos corpos de prova moldados apenas com cimento (argamassa A) aproximada ao décimo e expressa em megapascals (MPa).

Segundo a ABNT NBR 12653:2014, o índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias deve ser maior ou igual a 90%.

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4.2.1.6.2 Determinação da atividade pozolânica com cal aos sete dias (ABNT NBR 5751:2015)

O ensaio de determinação da atividade pozolânica da EFP com a cal (hidróxido de cálcio) foi realizado conforme a prescrição da ABNT NBR 5751:2014. Para este foram preparadas três argamassas, cada uma com 936 g de areia normal (ABNT NBR 7214), 104 g de hidróxido de cálcio puro (Ca(OH)2) e mais uma quantidade de EFP, dado pela Equação 5.

(Equação.5)

Onde:

δ poz= valor da massa específica do material pozolânico, no caso as amostras (A1, A2 e A3) de EFP, determinada pela ABNT NBR 16605:2017;

δ cal= valor da massa específica do hidróxido de cálcio determinada pela ABNT NBR 16605:2017.

Na Tabela 5, estão apresentadas as quantidades de cada amostra de EFP para a fabricação de argamassas, segundo a massa específica do hidróxido de cal utilizado (2,19 g/cm³) e das amostras A1, A2 e A3 de EFP.

Tabela 5: Quantidade de EFP utilizada no ensaio atividade pozolânica com cal.

A1 A2 A3

Massa de EFP (g) 262,14 291,58 283,03

A quantidade de água da mistura foi determinada para que fosse obtida uma argamassa com índice de consistência de (225 ± 5) mm, de acordo com a prescrição da NBR 7215:1997. Após a determinação da quantidade ideal de água para a mistura, foram moldados três corpos-de-prova, para determinação da resistência à compressão simples, a cura foi realizada no próprio molde, como prescreve a ABNT NBR 5751:2015. Nas primeiras 24 h à temperatura ambiente (23± 2) ºC e as outras 144 h posteriores, os corpos de prova foram mantidos em estufa à (55± 2)º C. Após

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esse período os corpos de prova foram armazenados à temperatura ambiente (23± 2) º C para serem desmoldados, capeados e rompidos aos 7 dias de idade.

4.2.2 Caracterização das pastas

Após caracterizar as amostras de EFP, foram realizadas as seguintes pastas:

• Somente de cimento (pasta referência); • Somente escória (A1, A2 e A3);

• Cimento + escória;

• Escória + metacaulim (pozolana);

• Escória + cimento + metacaulim (pozolana);

Ao todo foram preparadas e analisadas 64 pastas, e as quantidades de material seco em porcentagem de cada mistura de pasta encontram-se na Tabela 6.

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Tabela 6: Quantidade de material seco de cada pasta em %.

As nomenclaturas das pastas são feitas de acordo com o teor de adição ou de substituição, como por exemplo:

• A2S50- Amostra 2 substituição de 50% do cimento por escória • A3A30- Amostra 3 adição de 30% de escória na pasta cimentícia

• A140M10- Amostra 1 substituição de cimento por 40% de escória e 10% de metacaulim.

Em todas as pastas foram realizados ensaios de consistência e curvas de hidratação. Após a avalição desses ensaios verificou-se que as pastas de cimento + escória e escória + cimento + metacaulim (pozolana) apresentaram melhor desempenho em relação à liberação de calor e estas foram analisadas em relação a

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outros ensaios, tais como Tempo de pega, DRX, TG, MEV, expansibilidade, resistência à compressão simples e resistência a tração na flexão.

4.2.2.1 Determinação da consistência – método Sonda de Tetmajer

O primeiro ensaio realizado foi a determinação da consistência normal de cada pasta, para encontrar a quantidade exata de água a ser utilizada na fabricação dos traços. O método é preconizado pela ABNT NBR 16606:2017, e foi realizado da seguinte maneira: a água da mistura* foi colocada na cuba com 500 g de material seco. Nesse momento foi acionado o cronômetro e após 30 s foi ligada a argamassadeira (Figura 19) em velocidade baixa que permaneceu por 30 s. Após esse tempo a argamassadeira foi desligada e permaneceu nessa condição por 60s até ser ligada novamente na velocidade rápida por mais 60s. A pasta foi retirada da argamassadeira, moldada no molde tronco cônico e foi colocada no aparelho de Vicat para ser realizado o ensaio. A penetração da sonda na pasta deve ser de (6 ±

1) mm da placa base para a água da mistura ser considerada adequada.

* A quantidade inicial de água para a preparação das pastas foi fixada em 30% e variou por tentativa e erro até ser encontrada a porcentagem ideal)