60º Congresso Brasileiro de Cerâmica 15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP

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1 ESTUDO DA POTENCIALIDADE DO RESÍDUO DE EXPLORAÇÃO E BENEFICIAMENTO DO CAULIM NA PRODUÇÃO DE METACAULIM PARA USO EM CONCRETO SUBSTITUINDO PARCIALMENTE O CIMENTO. de Lima,J.S.T. 1 ; Figueredo,M.H. 1 ; Silva,D.C. 1 ; Borja, E.V. ²; Gomes, V.L. ²; Varela, M.L.²; INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE ¹ Aluna do curso técnico subsequente em edificações; DIACON/IFRN ² Professor Doutor do Departamento de Construção Civil/IFRN, Av. Senador Salgado Filho, 1559, Tirol, CEP: , Natal/ RN juliasoares_torres@hotmail.com¹ RESUMO A disposição em locais inapropriados do resíduo gerado durante o processo de exploração e beneficiamento do caulim na região de parelhas-pb, tem causado impactos ambientais negativos na região. Atualmente, cerca de 7500 toneladas de resíduos são descartado a cada mês de forma inadequada, isso ocorre porque apenas 25 % do total de matéria prima que entra no processo de beneficiamento sai como caulim comercial. Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar a potencialidade do resíduo de beneficiamento do caulim tratado termicamente como aditivo na fabricação de concretos estruturais. Para o seu uso como aditivo o resíduo foi tratado termicamente a 600ºc. Os resultados obtidos sugerem que o metacaulim obtido a partir do resíduo de beneficiamento do caulim apresenta características favoráveis ao seu uso como aditivo em concretos estruturais. Palavras-chave: metacaulim, resíduo, caulim, substituição, concreto. INTRODUÇÃO Os processos de exploração e beneficiamento do caulim, geram alto teor de resíduo que são descartados inadequadamente no meio ambiente, gerando impactos ambientais negativos como contaminação de lençóis freáticos, durante o processo de extração e, a poluição do ar e da vegetação entorno, ocasionado pelo mau descarte. Visando resolver ou pelo menos minimizar 2048

2 esses impactos, esse estudo busca apresentar um meio viável para disposição desse resíduo, aplicando-o na produção de concreto estrutural. Como o caulim é uma matéria-prima de suma importância no contexto atual, por ser um produto que apresenta característica tecnológicas que possibilita o seu uso em diversos setores industriais, desde as indústrias de papel até as indústrias da construção civil. O Grande desafio não é substituí-lo, já que, todas atividades industriais geram impactos, mas encontrar maneiras que esses impactos se tornem menor. O volume de resíduo é reflexo do baixo rendimento do caulim no final do beneficiamento do mesmo, após o processo de beneficiamento são gerados cerca de 750kg de resíduos e apenas 250kg do caulim beneficiado pode ser comercializado. Ao substituir parcialmente o cimento pelo resíduo de caulim, é reduzido o consumo de cimento, insumo este responsável por 5% do co² emitido no mundo, e é minimizado os impactos causados pela exploração e beneficiamento do caulim. Com o acelerado desenvolvimento do setor mineral, vem-se percebendo um aumento considerável no volume de resíduos provenientes das indústrias de transformação e beneficiamento do caulim. Um dos motivos desse aumento é que não há, na maioria dos casos, um plano de gerenciamento para os resíduos produzidos por parte dos seus geradores, o que potencializa os efeitos de impacto ambiental negativo e o custo com descarte. Essa prática, por meio das indústrias, além de gerar risco ambiental promove também desperdício de energia e matéria-prima, pois muitos desses resíduos descartados detêm de grande conteúdo energético, e geralmente são ricos em compostos inorgânicos, podendo ser utilizado na produção de cerâmica e outros produtos direcionados à construção civil (BARATA, 2002). Na tentativa de empregar os resíduos de caulim na construção civil, visando gerar o um impacto ambiental negativo menor, algumas pesquisas foram feitas com o objetivo de melhorar as características dos concretos de alto desempenho, isso se fez possível divido aos avanços técnicos e equipamentos para estudos de novos materiais para a composição do concreto, a tecnologia dos concretos estruturais tem evoluído nos últimos anos. Porém, a substituição dos agregados convencionais por agregados leves pode acarretar alterações nas características do concreto (MARÍLIA, 2006). 2049

3 Utilizando o resíduo de caulim calcinado como aditivo, substituído parcialmente o cimento, o resíduo em contato com a pasta de cimento provoca reatividade com o hidróxido de cálcio contido na pasta provocando reação pozolânica, que reduz o teor de hidróxido de cálcio e a porosidade, melhorando o desempenho das propriedades do concreto estrutural como durabilidade mecânica. MATERIAIS E MÉTODO Materiais Os matérias utilizados foram cimento CP II Cimento Portland composto por fíler, normatizado pela ABNT11578:1997, para realização de todos os traços. A Tabela 1 apresenta as características e propriedades do cimento utilizado. Tabela 1: Características e propriedades do cimento CP-II F 32 Características e Propriedades Valores Unidades Propriedades Químicas Mg O 6,5 % SO3 4,0 % CO2 5,0 % Perda ao fogo 6,5 % Resíduo Insolúvel 2,5 % Finura Resíduo # ,0 % Resíduo # % Sup. Esp. (Blaine) 2600 Cm²/g Tempo de Pega Início 1,0 h Fim 10,0 h Resistência Compressão à 3 dias 7 dias 28 dias 10,0 20,0 32,0 Mpa Mpa Na produção do concreto além de ser utilizado o agregado miúdo e o agregado graúdo foram utilizados britas graníticas de dimensões 6,3mm e 19,0mm afim de melhorar o empacotamento do conjunto. O agregado miúdo utilizado foi a areia natural da classe quartzosa encontrada vastamente no comercio local. Esse material foi passado na peneira com abertura de 2,4 mm, para ser utilizado somente a fração passante nesta peneira. A Tabela 2 apresenta as características da areia. Mpa 2050

4 Tabela 2: Características da areia. Módulo de finura da areia 2,40 Massa especifica (g/cm³) 2,64 Massa unitária (g/cm³) 1,53 Dimensão máxima característica (mm) 2,40 O material foi lavado e seco antes da realização dos ensaios granulométricos de acordo com a ABNT NBR NM 248:2003. Como aditivo foram utilizados o resíduo de caulim para a produção do metacaulim reativo a partir do resíduo de beneficiamento do caulim, o resíduo utilizado foi da indústria de exploração e beneficiamento de caulim, fornecido por uma empresa da região do município de Parelhas/RN.E o metacaulim reativo cedido por uma indústria do Estado de Pernambuco. A tabela 3 apresenta algumas de suas características. Tabela 3: Características do metacaulim industrial CARACTERÍSTICAS METACAULIM Retenção em peneira ASTM # 200 1% Finura Blaine m²/kg Massa específica kg/m³. Cor Rosa MÉTODOS Todas as atividades desenvolvidas nesta pesquisa foram desenvolvidas nos laboratórios de Materiais de Construção, localizada na Diretoria Acadêmica de Construção Civil- DIACON no IFRN e no Laboratório de materiais cerâmicos na UFRN (Natal, Rio Grande do Norte, Brasil). Os materiais utilizados, exceto o resíduo de beneficiamento do caulim, já estavam em condições técnicas de serem utilizados na confecção do concreto. O resíduo de caulim foi submetido as seguintes etapas de preparação antes de ser utilizado nos traços de concreto a serem analisados. Primeiramente o resíduo foi passado em peneira malha #300, para separação da fração grosseira de mica e quartzo contido no material, após esta etapa o resíduo foi submetido à moagem por via úmida em moinhos de bola cerâmica 2051

5 por 12 horas. Após a moagem a barbotina obtida foi seca em estufa por um período de 24 horas a temperatura de 110ºC.Após a secagem, o resíduo calcinado foi desaglomerado em almofariz e novamente passado na peneira de malha #300, sendo utilizada somente a fração passante. Após esta etapa o resíduo foi submetido as análises por difração de raios X, DRX, e fluorescência de raios X, FRX, para verificação de sua composição mineralógica e química, percentuais de óxidos existente no mesmo, respectivamente. O análise mineralógica por difração de raios X (DRX) foi realizada no difratômetro de raios X, com tubo de cobre, 50 ma e 2 KW. E a análise química por fluorescência de raios X (FRX) foi realizada com o espectrômetro de raios X por energia dispersiva, com tubo de alvo de ródio (Rh), 1 a 1000 ma e 5 a 50 KV. Em seguida, o material foi levado ao forno onde foi calcinado a uma temperatura de 600 ºC com patamar de 2 horas, taxa de aquecimento de 10ºC/mim e resfriamento natural. Após sua calcinação foi realiza análise por difração de raios X para verificar a formação do metacaulim Foram produzidos traços de concreto sendo o de referência o traço padrão TP e traços com 5%, 10% e 20% de metacaulim industrial (MI) e com o metacaulim reativo produzido a partir do resíduo de caulim calcinado RCC em substituição parcial a massa de cimento, de acordo com tabela 5.Foram confeccionados 6 corpos de prova para cada traço de concreto analisado. O concreto foi produzido em betoneira. Os corpos de prova foram confeccionados em molde cilíndrico de 100 x 150 mm. O adensamento foi realizado de forma manual dividido em duas camadas com 12 golpes cada. Todos os corpos de prova foram desmoldados 24 horas após sua confecção. Em seguida os corpos de prova foram levados a cura úmida, ABNT NBR 5738:2003 e após o período de cura os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de compressão aos 7 e 28 dias de acordo com a ABNT NBR 5739:

6 Tabela 4: Traços de referência Legenda: MT Metacaulim; TP Traço padrão; MI Metacaulim industrial; RCC Resíduo de caulim calcinado Materiais Referências Cimento Areia Brita 1 Brita 2 MT a/c Aditivo Traço padrão - TP 1,0 1,32 1,38 1,38-0,5 - Adição 5 % - MI 0,95 1,32 1,38 1,38 0,05 0,5 0,03 Adição 10 % - MI 0,9 1,32 1,38 1,38 0,1 0,5 0,03 Adição 20 % - MI 0,8 1,32 1,38 1,38 0,2 0,5 0,03 Adição 5 % - RCC 0,95 1,32 1,38 1,38 0,05 0,5 0,03 Adição 10 % - RCC 0,9 1,32 1,38 1,38 0,1 0,5 0,03 Adição 20 % - RCC 0,8 1,32 1,38 1,38 0,2 0,5 0,03 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos nas análises químicas do resíduo de caulim termicamente tratado estão apresentados na Tabela 5. Na amostra, a soma dos óxidos SiO₂, Al₂O₃ e Fe₂O₃ foi correspondente a 90,06%, superando o valor mínimo de 70% exigido pela ASTM C-618:1989 e ABNT NBR 12653:1992, para que o material seja considerado pozolânico. Tabela 5: Fluorescência de raios X do resíduo de caulim Óxido % Óxido de silício - SiO₂ 56,38 Óxido de alumínio- Al₂O₃ 32,88 Óxido de ferro III- Fe₂O 0,80 Nos resultados obtidos na difração de raios X, o resíduo de caulim sem tratamento térmico apresentou picos de quartzo, caulinita, microclínio e moscovita, Figura 1, enquanto o metacaulim industrial não apresentou picos de caulinita, Figura 2. Isto ocorre em consequência da quebra de sua estrutura cristalina que se tornou amorfa. 2053

7 Figura 1: Difração de Raios X do resíduo de caulim Figura 2: Difração de Raios X do metacaulim industrial A seguir é apresentado o difratograma do resíduo tratado termicamente, Figura 3, onde pode ser observado o desaparecimento do pico de caulinita, o que vem a confirmar sua transformação em metacaulim a temperatura de 600ºC, segundo a literatura. 2054

8 Figura 3: Difração de Raios X do resíduo de caulim calcinado Os resultados obtidos através dos ensaios a compressão axial dos traços: padrão, 5%, 10% e 20% de metacaulim industrial (MI) e resíduo de caulim calcinado (RCC) com rompimento aos 7 e 28 dias, apresentados na Tabela 6. Tabela 6: Resistências aos 7 e 28 dias do TP, MT e RC TRAÇO RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO (Mpa) 7 dias 28 dias MD DV MD DV Traço Padrão 19,79 1,18 25,73 1,53 MI 5% 23,29 2,4 30,28 10% 29,25 1,9 38,03 20% 31,92 1,1 41,5 RCC 5% 19,82 0,45 25,76 10% 25,47 0,36 33,11 20% 27,87 O,78 36,23 Pode-se avaliar que os resultados obtidos indicam um crescimento de resistência à compressão axial ao decorrer do aumento dos dias em todos os traços estabelecidos, traço padrão, metacaulim industrial e resíduo de caulim calcinado. Quando comparados, o traço padrão com os traços de substituição com metaculim industrial (MI), observou-se um aumento relativo de resistência com o incremento do percentual de substituição. Quando comparado com o traço utilizando o resíduo de caulim calcinado (RCC), este também elevou sua resistência à compressão axial quando comparada ao traço sem substituição de cimento (traço padrão), o traço RCC aumentou aproximadamente 40% a sua resistência. Quando a comparação é feita entre os traços MI e RCC, observa-se que as resistências obtidas no concreto com MI apresenta-se superior. 2055

9 CONCLUSÃO Os resultados obtidos através das rupturas dos corpos de prova aos 7 e 28 dias, indicam que o resíduo de caulim tratado termicamente apresentou resultados favoráveis quanto a substituição parcial no traço de concreto em relação ao cimento. Pode observar um acréscimo das resistências a compressão à medida que aumenta o teor de substituição do cimento pelo metacaulim reativo produzido a partir resíduo de beneficiamento do caulim tratado termicamente. O traço que apresentou o melhor resultado foi aquele em substituiu-se 20% de cimento pelo resíduo de caulim calcinado, quando comparada ao traço padrão, resultando em um aumento de aproximadamente 40%. Pode-se observar também que as resistências quando comparadas aos traços confeccionados com o metacaulim industrial obtiveram valores abaixo deste, este resultado está associado, provavelmente, a pureza do caulim utilizado para a confecção do metacaulim industrial e de seu provável controle de qualidade. Desta forma, com base no exposto anteriormente conclui-se que a utilização do resíduo de beneficiamento do caulim na produção de metacaulim reativo para utilização na confecção de concretos estruturais é plenamente viável, tanto técnica como economicamente, uma vez que a adoção dessa prática diminuiria o passivo da empresa geradora, e minimizaria o impacto ambiental negativo causado pelo descarte deste na natureza e diminuindo o custo de produção do metacaulim. Como também reduzir o custo e o consumo efetivo com cimento por parte da indústria da construção civil, refletindo diretamente no consumidor final, com obras mais baratas e acessíveis as classes com menor poder aquisitivo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR Cimento Portland, Rio de Janeiro, NBR NM 248 Agregados Determinação da composição granulométrica, Rio de Janeiro, NBR Aditivos químicos para concreto de cimento Portland Requisitos, Rio de Janeiro, NBR 5738 Concreto Procedimento para moldagem e cura de 2056

10 corpos de prova, Rio de Janeiro, NBR 5739 Concreto Ensaio de compressão de corpos de prova, Rio de Janeiro, NBR Materiais pozolânicos, Rio de Janeiro, BARATA, M. S.; MOLIN, D. C. C. D. Avaliação preliminar do resíduo caulinítico das indústrias de beneficiamento de caulim como matéria-prima na produção de uma metacaulinita altamente reativa. Ambiente Construído, v. 2, n. 1, p LACERDA, C. S.; HELENE, P. R. L. Estudo da influência da substituição de cimento portland por metacaulim em concretos. Boletim Técnico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, MARILIA P. O.; NORMANDO P. B. Potentialities of a calcined kaolin as material of partial replacement of portland cement in mortars. v.10, n.2, p , 2006 MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais. São Paulo: PINI, MENEZES, R. R. et al. Atividade pozolânica dos resíduos do beneficiamento do caulim para uso em argamassa para alvenaria. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.13, n.6, p , MOTA, J. M. F. et al. Concretos Adicionados com Metacaulim como agente de mitigação da RAA. In: CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, 53, 2011, Florianópolis. Anais... Florianópolis: IBRACON, VARELA, M. L. N. M, Aproveitamento de resíduo de beneficiamento do caulim na produção de porcelanato cerâmico. Universidade Federal do Rio Grande do Norte Tese de doutorado. Natal, ABSTRAC The provision in inappropriate places of the waste generated during the process of exploration and kaolin processing in the region of doublets-pb has caused negative environmental impacts in the region. Currently, about 7,500 tons of waste is discarded every month inappropriately, this is because only 25% of raw 2057

11 material that enters the beneficiation process goes as commercial kaolin. This work aims to evaluate the potential of processing residue kaolin heat-treated as an additive in the manufacture of structural concrete. For use as an additive the residue was heat-treated at 600 C. The results suggest that the metakaolin obtained from the processing of waste Kaolin has favorable characteristics for its use as an additive in structural concrete. 2058