Concretos com Agregados de Lama Vermelha para Reparo de Elementos de Concreto sob Abrasão Hidráulica

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1 Concretos com Agregados de Lama Vermelha para Reparo de Elementos de Concreto sob Abrasão Hidráulica Concretes with red mud aggregates for repair of concrete elements under hydraulic abrasion Carlos Rodrigo Costa Rossi (1); Michelle Azulay Ramos (1); Alcebíades Macedo Negrão (2); Dênio Ramam Carvalho de Oliveira (2) (1) Graduando em Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará (2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará Rua Augusto Corrêa, Número 01 Guamá-Belém-Pará Resumo As usinas hidrelétricas são as principais responsáveis pela geração de energia elétrica no Brasil. Um problema grave e ainda sem solução que agride as barragens brasileiras é a abrasão hidráulica do concreto. Poucas propostas tiveram êxito e poucas informações são encontradas na bibliografia nacional. Este trabalho visa analisar o grau de deterioração de superfícies de concreto expostas à ação abrasiva hidráulica, utilizando como camada reparadora concretos com agregados graúdos advindos do rejeito industrial Lama Vermelha. Foram utilizados agregados produzidos com 80% de Lama Vermelha (LV) e 20% de areia fina, além do seixo rolado como referência. A LV é o rejeito do processo de obtenção da alumina e a utilização desses agregados visa diminuir o impacto ambiental causado na Região Norte do Brasil com seu aproveitamento em larga escala. Na primeira fase da pesquisa foram determinadas as propriedades físicas e mecânicas dos concretos e agora são apresentados os resultados finais, que mostraram-se satisfatórios quando comparados a outros resultados encontrados na literatura. Tanto os nove corpos-deprova quanto os ensaios dos mesmos foram de acordo com norma ASTM C1138. Palavra-Chave: Lama vermelha, Agregado graúdo, Abrasão hidráulica. Abstract The hydroelectric plants are the main source of electric power in Brazil. A serious problem and still without solution remain over the Brazilian concrete dams, the hydraulic abrasion of concrete. Few proposals got success and some little information can be found on the Brazilian bibliography. This work aims to analyze the deterioration degree of concrete surfaces exposured to hydraulic abrasion using concrete with red mud coarse aggregates as repair layer. Aggregates with 80% of red mud and 20% of fine sand were applied beyond rolled pebble. Red mud is the reject of the Bayer process, to get alumina, and the large scale use of these aggregates could reduce the environmental impact over the North Region of Brazil. At the first stage of this research the physical and mechanics properties of the concretes were determined and now the final results are shown and were considered satisfactory when compared to others from the literature. The nine proofs and the tests were carried out under the light of ASTM C1138. Keywords: Red mud, coarse aggregate, hydraulic abrasion. ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 1

2 1 Introdução e Objetivo Uma das patologias mais problemáticas em estruturas de concreto de usinas hidrelétricas (UHE s) é a erosão, sendo por abrasão ou cavitação. Por serem estruturas especiais, os problemas podem ser bastante prejudiciais para as comunidades que dependem dos benefícios gerados por uma UHE. Qualquer tipo de paralisação nessas usinas, por exemplo, acarretará expressivos problemas sócio-econômicos. Para obras de grande porte com uma UHE deve programar rigorosas e periódicas inspeções das estruturas. Tais cuidados implicam em um custo relativamente alto. A erosão por abrasão hidráulica resulta do efeito abrasivo de materiais sólidos transportados pelo fluido em movimento. Essas partículas podem ser de silte, areia, rochas e fragmentos da própria superfície entre outros. O dano por abrasão é verificado pela inspeção da superfície, a qual se apresenta lisa e plana, com aspectos desgastados; Condutos de evacuação, vertedouros e revestimento de túneis são locais onde a ocorrência de abrasão é comum (ACI 210, 1987). O dano provocado pela abrasão depende das condições de fluxo e das partículas que ele transporta. Sob ação exclusiva da água, mesmo em altas velocidades, o concreto pode passar anos sem qualquer problema, porém, com o atrito e impactos causados pelos sólidos presentes no fluido, a vida útil desse concreto é reduzida (ACI 210, 1987). Neste trabalho foi empregada uma inovação tecnológica, ou seja, um produto a partir de uma mistura (LVAF) de Lama Vermelha (LV) e areia fina para gerar um agregado cerâmico de resistência mecânica e densidade média aparente constante ou variada, para aplicação em concretos convencionais visando avaliar seus desempenhos mecânicos e à erosão por abrasão hidráulica. Posteriormente os resultados foram comparados com os obtidos para um concreto com agregado convencional com seixo rolado (SR), de referência, ambos com o traço em massa de 1:1,5:3,0. A medição da erosão ocorreu através de equipamentos que desgastam a superfície dos discos de concreto conforme ASTM C 1138 (1997). 2 Método Experimental 2.1 Produção dos Agregados A principal matéria-prima, utilizada para a confecção de agregados de LV, foi oriunda do processo de fabricação de alumina da Alumina do Norte do Brasil S.A. ALUNORTE. Para confecção dos agregados, inicialmente, a LV foi britada por um moedor de bolas de aço para ser misturada com a areia fina, a mistura foi de 80% de LV, acrescidos 20% de areia fina e adicionados 2% da mistura de óleo queimado e aproximadamente 30% da mistura de água para dar plasticidade e maleabilidade à mistura (LVAF), conforme a figura 1. ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 2

3 Figura 1 - Fluxograma da metodologia empregada (adaptado de VIEIRA e GOMES, 2006) A forma dos agregados foi arredondada para ser similar a do seixo, tendo em vista a menor contato em área com materiais sólidos transportados pelo fluido em movimento durante o efeito abrasivo. Utilizaram-se formas metálicas cúbicas para a moldagem dos agregados com intuito de aproximar o diâmetro médio do agregado, pois durante a queima a 1200 C houve uma pequena retração dos agregados variando de 4,8% a 15%. Logo, o diâmetro máximo foi de 19 mm e os agregados foram arredondados manualmente, de acordo com a figura 2. Figura 2 Agregados antes da queima e após a queima a 1200 C 2.2 Execução dos Corpos-de-Prova A previsão de resistência para o traço de 1:1,5:3,0 em massa na dosagem de concretos foi de 40MPa. A relação água cimento (a/c) foi estabelecida em 0,41. A partir do cimento CP II-Z-32, areia lavada utilizada na cidade de Belém e do material amostra LVAF19 e SR19 foram obtidos 24 corpos-de-prova (CPs) de concreto para os seguintes ensaios: Compressão axial simples, Tração, Módulo de elasticidade e Abrasão, como mostra a figura 3. A estimativa do fck está de acordo com Mehta e Monteiro (2006) que comentam sobre a pasta cimentícia não possuir alta resistência ao atrito e que a vida útil do concreto pode ser reduzida devido a situações de desgaste repetitivo, principalmente se essa pasta apresentar alta porosidade ou baixa resistência. Os autores citam que a resistência do concreto deve ser de 28 MPa, no mínimo, para obter-se superfícies de concreto resistentes à abrasão, baseados no Comitê 201 do Instituto Americano do Concreto (ACI 201). Entretanto, para severas erosões, os autores recomendam o uso de concretos com fck igual a 41 MPa e cura úmida durante 7 dias, no mínimo. ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 3

4 2.3 Ensaios Mecânicos Figura 3 Moldagem dos discos para abrasão Para estabelecer a influência dos agregados (produzidos com LV acrescidos da segunda matéria-prima) no comportamento mecânico do concreto, foram programados ensaios para determinação das resistências à compressão axial simples, à tração e ao módulo de elasticidade do concreto para as amostras LVAF19 e SR19 foram obtidas quando os CPs alcançaram as idades de 28 dias, sendo realizada segundo as orientações da norma NBR 5739 (ABNT, 1994), NBR 7222 (ABNT, 1994) e NBR 8522 (ABNT, 1984). Na tabela 1 tem-se um resumo dos CPs das duas amostras (LVAF e SR) utilizados para estes ensaios. Dimensões dos CPs (mm) Tabela 1 Quantidade de CPs ensaiados Compressão axial simples e Módulo de Elasticidade Tração Abrasão N DE CP's 100 x 200 N DE CP's 150 x 300 N DE CP's 300 X Metodologia do Ensaio de Abrasão De acordo com ASTM C 1138 (1997), este método de teste pretende simular qualitativamente o comportamento da água em movimento espiral contendo sólidos suspensos e transportados os quais produzem a abrasão no concreto. Ainda, o teste avalia relativamente a resistência do concreto à abrasão. Para o desgaste é necessário o uso de Cargas abrasivas, que são 70 bolas de aço com diâmetro variando de 12,6 a 25,4 mm, com textura lisa e sem marcas de emenda de molde. O equipamento é mostrado na figura 4. ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 4

5 Figura 4 Ensaio de abrasão hidráulica Neste experimento obtém-se o volume (V t ) de cada corpo-de-prova em instantes determinados. O corpo-de-prova permanece em ensaio por 72 horas, sendo efetuadas medições do seu volume no intervalo de 12 horas, totalizando sete medições (incluindo a medição a zero hora, caracterizando o volume inicial). As medições correspondem à massa aparente (W w ) e à massa do CP saturado no ar (W a ), considerando a massa específica da água (G w ) como 1 kg/l. Assim, o volume de cada CP é calculado para cada instante de tempo, de acordo com a equação 1. Wa W W V t (Equação 1) GW O desgaste dos discos pode ser medido em relação ao volume de material perdido (VL t ), tomado como a diferença entre o volume inicial de cada CP (V i ) e o seu volume a um dado instante (V t ), conforme a equação 2. O resultado dos ensaios é dado, então, pelo volume de material perdido ou desgastado para cada intervalo de 12 horas. Nesta ocasião, para comparação entre os materiais, foi usado o desgaste ao final do ensaio, isto é, com 72 horas de abrasão da superfície dos corpos-de-prova. Outra maneira de apresentar os resultados do ensaio, segundo a norma ASTM C1138/97, é obter a altura média de desgaste (ADA t ), considerando a área do topo do CP (A) sempre constante, de acordo com a equação 3. VL V V (Equação 2) t t i ADAt VLt / A (Equação 3) 3 Resultados 3.1 Análise do desempenho mecânico Módulo de elasticidade ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 5

6 O módulo de elasticidade dos concretos confeccionados com amostras de LV e SR foram obtidos quando os CPs alcançaram as idades de 28 dias, sendo realizados segundo as orientações da norma NBR 8522 (ABNT, 1984) e são apresentados posteriormente na tabela 2. O módulo de elasticidade dos concretos dosados de LVAF é superior aos de referência aproximadamente 89,0%. Tabela 2 - Resultados dos ensaios para módulo de elasticidade Grupo N do CP Área (mm²) Módulo de Elasticidade (GPa) Grupo N do CP Área (mm²) Módulo de Elasticidade (GPa) SR ,9 LVAF ,7 SR ,0 20,7 LVAF ,0 42,4 SR ,5 LVAF ,2 SR ,6 LVAF ,5 SR SR ,4 19,4 LVAF LVAF ,4 38,3 SR ,7 LVAF ,1 Média Aritmética 20,6 Média Aritmética 39,0 Desvio Padrão 2,3 Desvio Padrão 3,5 Coeficiente de Variação 11,1% Coeficiente de Variação 9,0% Compressão axial simples A tabela 3 apresenta os valores obtidos dos ensaios de resistência à compressão para todas as amostras realizadas de acordo com a norma NBR 5739 (ABNT, 1994). Deste modo, é possível corrigir os valores para obtenção da média aritmética. O concreto de referência atingiu a resistência de dosagem prevista aos 28 dias, em torno de 26,0 MPa, mas o concreto com agregados da amostra LVAF19 atingiu resistências em torno de 40,3 MPa, sendo em torno de 55,0% acima do SR19. Grupo SR Tabela 3 Resultado dos ensaios para a resistência à compressão axial simples N do CP Carga Carga Área Ruptura Área Ruptura Última Grupo N do CP Última (mm²) (MPa) (mm²) (MPa) (kn) (kn) SR ,3 27,3 LVAF ,1 40,8 SR ,0 208,0 26,5 LVAF ,0 333,3 42,4 SR ,7 26,2 LVAF ,7 38,5 SR ,0 24,1 LVAF ,8 39,6 SR ,4 469,5 26,6 LVAF LVAF ,4 714,4 40,4 SR ,8 25,6 LVAF ,8 40,0 Média Aritmética 26,0 Média Aritmética 40,3 Desvio Padrão 1,8 Desvio Padrão 2,1 Coeficiente de Variação 6,9% Coeficiente de Variação 5,2% ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 6

7 20,6 GPa 26,0 MPa 3,2 MPa 3,3 MPa 39,0 GPa 40,3 MPa Tração por compressão diametral A tabela 4 apresenta os valores obtidos dos ensaios de resistência à tração por compressão diametral de acordo com a norma NBR 7222 (ABNT, 1994) para 3 CPs de 100 mm x 200 mm de cada amostra. Deste modo, é possível corrigir os valores para obtenção da média aritmética. O concreto de referência atingiu valores em torno de 3,2 MPa e o concreto com agregados da amostra LVAF19 atingiu valores em torno de 3,3 MPa, sendo aproximadamente 3,0% acima do SR19. A figura 5 mostra os valores médios das duas amostras encontrados nos ensaios de módulo de elasticidade, de resistência à compressão axial simples e de resistência à tração por compressão diametral. Grupo SR Tabela 4 Resultado dos ensaios para resistência à tração por compressão diametral Área Pu ft Área Pu N do CP Grupo N do CP (mm²) (kgf) (MPa) (mm²) (kgf) ft (MPa) SR ,0 2,8 LVAF ,0 3,3 SR , ,0 3,8 LVAF , ,0 3,7 SR ,0 2,9 LVAF ,0 2,9 LVAF Média Aritmética 3,2 Média Aritmética 3,3 Desvio Padrão 0,6 Desvio Padrão 0,4 Coeficiente de Variação 20,1% Coeficiente de Variação 13,1% SR19 LVAF19 Módulo de Elasticidade Compressão axial simples Ensaios Tração por compressão diametral Figura 5 - Valores experimentais médios para os três ensaios mecânicos ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 7

8 Altura média de desgaste (mm) 3.2 Análise da abrasão hidráulica A determinação da resistência à abrasão aos 28 dias é de extrema importância, pois a esta idade considera-se que os concretos ou argamassas cimentícias apresentem as suas resistências consideradas como finais, para efeitos de projeto. Assim, a resistência nesta idade serviu como padrão para o desempenho desses materiais ao longo de suas vidas úteis de acordo com PINHO (2006). Deste modo, foram realizados os ensaios de abrasão de acordo com a norma ASTM C1138. Os resultados de 3 CPs para cada amostra, obtidos através deste ensaio, são apresentados na tabela 5. A figura 6 mostra a evolução do desgaste pela altura média de todos os CPs ensaiados. Tabela 5 Volume desgastado e altura média em relação ao tempo Horas MATERIAL VLt (litros) 0,000 0,160 0,317 0,377 0,501 0,549 0,585 SR19 ABRASÃO-01 ADAt (mm) 0,000 2,264 4,485 5,333 7,088 7,767 8,276 VLt (litros) 0,000 0,135 0,204 0,300 0,458 0,372 0,376 SR19 ABRASÃO-02 ADAt (mm) 0,000 1,910 2,886 4,244 6,479 5,263 5,319 VLt (litros) 0,000 0,224 0,403 0,440 0,520 0,565 0,590 SR19 ABRASÃO-03 ADAt (mm) 0,000 3,169 5,701 6,225 7,356 7,993 8,347 VLt (litros) 0,000 0,067 0,168 0,232 0,301 0,376 0,407 LVAF19 ABRASÃO-01 ADAt (mm) 0,000 0,948 2,377 3,282 4,258 5,319 5,758 VLt (litros) 0,000 0,170 0,304 0,365 0,390 0,395 0,481 LVAF19 ABRASÃO-02 ADAt (mm) 0,000 2,405 4,301 5,164 5,517 5,588 6,805 VLt (litros) 0,000 0,073 0,197 0,266 0,338 0,385 0,438 LVAF19 ABRASÃO-03 ADAt (mm) 0,000 1,033 2,787 3,763 4,782 5,447 6,196 SR - ABRASÃO 01 SR - ABRASÃO 02 SR - ABRASÃO 03 LVAF - ABRASÃO 01 LVAF - ABRASÃO 02 LVAF - ABRASÃO 03 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Tempo (horas) Figura 6 - Evolução do desgaste através da altura média das amostras a partir de 28 dias ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 8

9 Altura de desgaste (mm) Da figura 6 percebe-se que a os CPs de LVAF desgastam menos que os de SR, explicável pela resistência mecânica, quanto maior a resistência, maior a resistência à abrasão. O desgaste médio da amostra LVAF é 85,5% ao da amostra de referência e o maior desgaste é entre os CPs LVAF19 01 e o SR19 03, tendo a amostra de LVAF 69,0% da de SR. A tabela 6 mostra os desgastes médios em volume desgastado e altura média desgastada, e a figura 7 mostra a altura média desgastada dos CPs dosados com SR e LVAF. Tabela 6 Desgaste médio das amostras em volume desgastado e altura média de desgaste. MATERIAL SR19 - Média HORAS VLt (litros) 0,000 0,173 0,308 0,372 0,493 0,495 0,517 ADAt (mm) 0,000 2,447 4,357 5,267 6,975 7,008 7,314 LVAF19 - Média VLt (litros) 0,000 0,103 0,223 0,288 0,343 0,385 0,442 ADAt (mm) 0,000 1,462 3,155 4,070 4,852 5,451 6,253 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 SR - Médio LVAF - Médio Tempo (horas) Figura 7 - Evolução do desgaste médio pelo tempo A figura 8 mostra a superfície desgastada do CP durante a segunda medição (12h) e a sétima medição (72h) do ensaio para as duas amostras. Percebe-se que os de LVAF desgastaram menos e apresentaram um desgaste uniforme. Apenas os CPs de SR começaram a desgastar o agregado no tempo de 12h. O desgaste do agregado de LV foi verificado na terceira medição (24h). Após as sete medições conforme a norma ASTM C1138, secou-se os CPs das duas amostras em uma estufa a 100,0 C durante 24h e ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0353 9

10 pesou-os para verificar a massa desgastada seca, conforme a tabela 7. Verificou-se que o desgaste em massa da amostra LVAF é 92,4% do valor do de referência e que o LVAF 02 desgastou 67,9% em relação às SR 03. Na figura 9, mostram-se os percentuais médios de desgaste da massa. Figura 8 Aparência dos CPs na segunda e sétima medição, respectivamente Grupo SR N do CP Peso seco (kg) Tabela 7 Resultado do desgaste em massa Peso após Desgaste N do Peso Grupo abrasão (%) CP seco (kg) (kg) Peso após abrasão (kg) Desgaste (%) SR ,241 14,857 8,5% LVAF ,927 14,543 8,7% SR ,840 15,474 8,1% LVAF ,194 14,992 7,4% SR ,523 14,718 10,9% LVAF ,695 14,233 9,3% LVAF Média Aritmética 9,2% Média Aritmética 8,5% Desvio Padrão 1,7% Desvio Padrão 1,1% Coeficiente de Variação 18,8% Coeficiente de Variação 12,5% ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

11 Desgaste (%) SR - Médio LVAF - Médio 10,0% 9,2% 8,5% 5,0% 0,0% Amostras Figura 9 Desgaste absoluto médio da massa das amostras 4 Conclusão Os concretos dosados com LVAF apresentaram elevadas resistências comparadas ao de referência, sendo superior na resistência à tração em 3,5%, à compressão axial simples em 55,0% e, principalmente, no módulo de elasticidade, 89,0%. O trabalho visou avaliar a resistência do agregado LVAF para situações de abrasão, onde foram verificadas elevadas resistências mecânicas e baixo desgaste. A forma arredonda do novo agregado diminuiu o contato com materiais sólidos transportados pelo fluido em movimento. Durante os ensaios dos discos com LVAF, na segunda medição (12h), houve um baixo desgaste apenas na pasta cimentícea. Na terceira medição (24h) percebeu-se o início do desgaste do agregado de LVAF, diferente do SR, onde o desgaste foi observado logo na primeira medição. Os ensaios mostraram que os discos com LVAF apresentaram altura desgastada média 14,5% inferior aos dos discos com SR. Finalmente, observou-se que a aplicação desses agregados em concretos sujeitos a abrasão é viável. A maior dificuldade encontrada no trabalho foi a produção dos agregados por ser ainda artesanal. A alternativa apresentada para o emprego da lama vermelha na produção de concretos resistentes à abrasão hidráulica mostrou-se tecnicamente viável. 5 Agradecimentos Os autores agradecem à CAPES, CNPQ, ALUNORTE e FAPESPA pelo apoio financeiro no desenvolvimento desta e de outras pesquisas. ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

12 6 Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739: Ensaio de Compressão de corpos de prova cilíndricos de concreto - Método de ensaio. Rio de Janeiro, NBR 7222: Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, NBR 8522: Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão deformação. Rio de Janeiro, AMERICAN CONCRETE INSTITUTE Committee 210. Erosion of Concrete in Hydraulic Structures, ACI Materials Journal. Title nº 84-M17, p , March April. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. ASTM C1138: Abrasion resistance of concrete (underwater method). West Conshohocken, MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto Estrutura, Propriedades e Materiais. 2ª edição. São Paulo: Pini, PINHO, J. R. Avaliação de Sistemas de Reparo para o Problema de Abrasão do Concreto de Superfícies Úmidas em Usinas Hidrelétricas. Dissertação (mestrado). UFPA Departamento de Engenharia Civil, VIEIRA, T. M.; GOMES, L. M. Estudos de Parâmetros para Utilização de Rejeito do Processo Bayer na Fabricação de Agregado Leve para a Construção Civil. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). UFPA - Departamento de Engenharia Química e de Alimentos, ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC