AVALIAÇÃO MECÂNICA E DIFRAÇÃO DE RAIO-X DE ARGAMASSAS ÁLCALI-ATIVADAS CONTENDO AREIA DE FUNDIÇÃO

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1 AVALIAÇÃO MECÂNICA E DIFRAÇÃO DE RAIO-X DE ARGAMASSAS ÁLCALI-ATIVADAS CONTENDO AREIA DE FUNDIÇÃO Mechanical Evaluation and x-ray Diffraction of Mortar Containing Alkali-Activated Sand Casting Alexandre Silva de Vargas(1); Eduarda Trevizani Valandro(2); Gabriel Schmitz(3); Giovanna Vanini Camerini(4); Iohana Menegaz Muller(5); Thiago Nobre(6) Resumo (1) Professor Doutor, Mestrado em materiais e processos industriais - Universidade Feevale. (2) Acadêmica de farmácia e bolsista de iniciação científica Universidade Feevale (3) Graduação em engenharia químico-industrial Universiade Feevale (4) Acadêmica de arquitetura e bolsista de iniciação científica Universidade Feevale (5) Acadêmica de Farmácia e bolsista de iniciação científica Universidade Feevale (6) Graduação em química - UFRGS Universidade Feevale ERS 239, Novo Hamburbo RS. CEP A indústria de fundição utiliza areia misturada a resinas orgânicas, inorgânicas e mistas para composição dos machos e moldes, nos quais o metal é vazado para formar diversas peças. Esse processo gera uma grande quantidade de areia residual, denominada areia de fundição (AF), que tem que ser descartada em aterros especiais. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo analisar a viabilidade técnica da AF em substituição à areia de construção convencional em argamassas álcali-ativadas. Essas argamassas foram preparadas a partir da álcali-ativação de cinza volante e metacaulim, com quatro teores distintos de substituição de AF: 25%, 50%, 75% e 100%. Após 7 e 28 dias de cura à temperatura ambiente as amostras foram submetidas a ensaios de resistência à compressão e a caracterização mineralógica, através de difração de raio-x. Nos diferentes traços foi percebida a necessidade de aumento de água na composição da argamassa à medida que a proporção de AF foi aumentada. Este aumento de água influenciou na queda de resistência à compressão das argamassas, na medida em que o teor de substituição de AF foi aumentado. Palavra-Chave: Areia de fundição; Geopolímeros; Resíduos. Abstract The foundry industry uses sand mixed with organic, inorganic and mixed resins to composition of the cores and molds, in which the metal is poured to form several pieces. This process generates a large amount of residual sand, called casting sand (CS), which must be disposed of in special landfills. Thus, this study aims to investigate the technical feasibility of replacing the conventional sand of construction to casting sand (CS) in alkali-activated mortars. These mortars were prepared from alkali activation of fly ash and metakaolin with four different levels of substitution of SC: 25%, 50%, 75% and 100%. After 7 and 28 days of curing at room temperature the samples were subjected to tests of compression strength and mineralogical characterization, by x-ray diffraction. In the different features was perceived to be increased water in the mortar composition as the concentration of CS was increased. This increase of water influenced in compressive strenght decrease of mortars, in that the level of substitution of CS was increased. Keywords: Casting sand; Geopolymers; Waste. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 1

2 1 Introdução A fundição compreende todo processo de fusão e vazamento de metais em moldes, obtendo a requerida forma sólida. Os moldes e machos são construídos de uma mistura de areia base com resinas orgânicas (tais como resinas furânicas, fenólicas, uretânicas), (1 a 2%), bentonita (1%), pó de carvão (2%), amido de milho (1%), inorgânicas (como o silicato de sódio e o cimento Portland) e mistas (como as resinas fenólicas alcalinas) [ABIFA, 1999]. Após o processo de vazamento, a maior parte da areia usada é reutilizada diretamente na produção de fundidos, sem qualquer tratamento prévio. Entretanto, há uma parcela de areia não utilizada no vazamento ou não retornada diretamente ao processo que deve sofrer tratamentos para a regeneração ou a disposição final. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo avaliar a resistência à compressão e as características mineralógicas de argamassas álcali-ativadas contendo distintos teores de AF, em substituição à areia convencional de construção. Os cimentos álcali-ativados, muitas vezes denominados na literatura como cimentos geopoliméricos, são obtidos a partir de materiais compostos predominantemente por aluminossilicatos amorfos (cinza volante, Metacaulim, escórias de alto forno, entre outros) submetidos a um ambiente altamente alcalino, conseguido através de base alcalinas como NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2SiO3, para citar as mais utilizadas (ROY 2005, Vargas et al. 2011, PUERTAS et al 2003, Palomo et al 1999). Nas devidas proporções entre os aluminossilicatos e ativadores poderá ser conseguida uma policondensação eficiente dos aluminossilicatos, obtendo desta forma um material sólido com propriedades mecânicas interessantes para a construção civil. 2 Materiais e Métodos A cinza volante (CV) e a areia de fundição (AF) foram geradas em uma usina termelétrica e em uma indústria de fundição, respectivamente, ambas localizadas no estado do Rio Grande do Sul. O metacaulim (MK) utilizado foi do tipo comercial. Na figura 1 é apresentado o espectro de DRX da areia de fundição (AF), do metacaulim (MK) e da cinza volante (CV). ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 2

3 * * * * * * AF MK CV Figura 1 Espectro de DRX da areia de fundição (AF), do metacaulim (MK) e da cinza volante (CV). * quartzo (SiO2) Como pode ser observado nos espectros apresentados na figura 1, o quartzo (SiO2) é o composto cristalino predominante das três amostras analisadas. Tabela 1 Composição química da cinza volante e metacaulim (% em massa) Material SiO 2 Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 Na 2 O TiO 2 MgO K 2 O SO 4 CV 70,79 14,65 2,65 5,90 0,132 2,195 0,261 2,35 0,496 MK 58,39 38,2 0,11 1,7 0,27 1,24 0,24 0,18 0,17 A partir dos dados da Tabela 1, constata-se que a CV (classe F, segundo a ASTM C (7)) e o MK utilizados possuem baixos teores de cálcio e são constituídos preponderantemente por SiO2 e Al2O Ativadores Alcalinos Os ativadores alcalinos empregados foram o hidróxido de sódio NaOH - do tipo comercial, com pureza de 98%, e o silicato de sódio comercial - Na2SiO3 (32,55% de SiO2 e 15,10% de Na2O). 2.2 Metodologia Foram preparadas argamassas à base de cinzas volantes (CV) e metacaulim (MK) álcaliativadas, a partir de solução combinada de NaOH e Na2SiO3. A argamassa referência (branco) foi preparada contendo 70% de MK e 30% de CV, álcali-ativadas com solução contendo 50% de NaOH e 50% Na2SiO3. A partir desta argamassa foram adotados teores de AF, em substituição à areia de construção, de 25%, 50%, 75% e 100% (em massa). Além disso, foram utilizadas quatro frações de areia material retido entre as peneiras 2,4 1,2; 1,2 0,6; 0,6 0,30; 0,30 0,15, tanto para a areia de construção quanto para a ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 3

4 areia de fundição, representando cada uma 25% do agregado miúdo, conforme estabelece a NBR 7215 (1996). O preenchimento e adensamento das argamassas nos moldes metálicos (Ø 5 cm e altura 10 cm) para o preparo dos corpos-de-prova (CP s) foram realizados em quatro camadas, sendo necessárias em cada camada a aplicação de 30 golpes, conforme estabelece a NBR Após, os CP s foram curados à temperatura ambiente, até as idades de ensaios de resistência à compressão - 7 e 28 dias. Para cada idade, quatro CP s foram submetidos aos ensaios de resistência e os resultados apresentados são o valor médio da resistência para cada traço. A partir dos CP s rompidos, foram preparadas amostras para as análises de difração de raio-x (DRX). 2.3 Consistência Para análise de consistência das argamassas geopoliméricas no estado fresco, foi utilizada a mesa de consistência (flow table). Esse ensaio é realizado enchendo-se um molde cônico, disposto sobre a mesa, com argamassa em três camadas, convenientemente adensadas. Após desmoldada a argamassa é submetida a um esforço dinâmico, impelido por uma sequência de 30 golpes desferido em um período de 30 segundos. A média de duas medidas de diâmetros ortogonais, em milímetros, da argamassa deformada após a ação mecânica descrita, define o índice de consistência (NBR 13276). Para este trabalho foi definido uma consistência de 170 mm (±20 mm), pois a mesma foi ideal para o lançamento e adensamento das argamassas geopoliméricas nos moldes metálicos. 3 Resultados e Discussão Tabela 2 Relação água/materiais secos (cinza volante/metacaulim) para as argamassas geopoliméricas com índice de consistência de 170 mm (± 20 mm). Amostra Concentração Relação Concentração Concentração Concentração Hidróxido de água/cv+mk Cinza Volante Metacaulim Silicato de Sódio* Sódio* 0% 0,50 25% 0,71 50% 30% 70% 21% 21% 0,80 75% 1,04 100% 1,06 *Em relação à quantidade total de cinza volante e metacaulim. Na tabela 2 são apresentadas as composições das argamassas geopoliméricas e a relação água/materiais secos (cinza volante/metacaulim) necessária para que cada argamassa apresentassem consistência de 170 mm ± 20 mm. Observou-se que à medida que o teor de AF foi aumentado na mistura, em substituição a areia de construção, fez-se necessário adicionar maior quantidade de água para manter a mesma consistência. Segundo Armange et al. (2005), que utilizou AF em argamassas à base de cimento Portland, a maior quantidade de água para argamassas contendo maiores teores de AF se deve à hidratação da argila presente no resíduo. Além de ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 4

5 absorver água, a argila diminui a trabalhabilidade da argamassa. Comportamento semelhante foi observado por Siddique et al. (2009) em concretos contendo AF. Os autores verificaram que para a mesma consistência do concreto (teste de slump) foi necessária maior quantidade de aditivo superplastificante nos concretos contendo AF em relação aos concretos isentos do resíduo. Na tabela 3 e figura 2 são apresentados os resultados médios de resistência à compressão das argamassas geopoliméricas (com e sem areia de fundição) nas idades de 7 e 28 dias. Tabela 3 Resistência à compressão das argamassas geopoliméricas (com e sem areia de fundição) nas idades de 7 e 28 dias (MPa) Traço Resistências a Compressão (MPa) Idade (dias) % 3, 56 10, 12 25% 2,01 3, 30 50% 0,81 2,92 75% 0, 42 2,75 100% 0, 54 1, 47 Figura 2 Resistência à compressão das argamassas geopoliméricas com e sem adição de areia de fundição (MPa) ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 5

6 Conforme pode ser observado na tabela 3 e na figura 4, a adição de AF influenciou na resistência à compressão das argamassas geopoliméricas. Quanto maior a quantidade de AF em substituição à areia de construção, maior foi a redução da resistência. Isto está relacionado ao aumento da quantidade de água na argamassa para manter a consistência entre o intervalo definido neste trabalho (170 mm ± 20 mm). Este comportamento foi constatado também por ARMANGE et al. (2005) em argamassas de cimento Portland. Os autores verificaram que as argamassas apresentaram queda progressiva na resistência à compressão para concentrações de resíduo superiores a 20%. Observa-se que houve queda acentuada na resistência à compressão das argamassas contendo 25% de AF em relação às amostras isentas do resíduo. Isto corrobora com os resultados de ARMANGE et al. (2005) indicando que teores ideais de substituição de areia de construção por AF devam estar em menos de 20% quando o objetivo seja boa relação entre teor de substituição de AF/resistência à compressão. Na figura 3 e 4 são apresentados os espectros de DRX da CV, do MK, da AF e das das argamassas geopoliméricas nas idades de 7 e 28 dias, respectivamente. Figura 3 Espectros de DRX da cinza volante, metacaulin, areia de fundição e das argamassas geopoliméricas com e sem adição de AF aos 7 dias. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 6

7 Figura 4 Espectros de DRX da cinza volante, metacaulin, areia de fundição e das argamassas geopoliméricas com e sem adição de AF aos 28 dias. Quando são observados os espectros das matérias-primas utilizadas no processo (CV, MK e AF) não são identificados novos picos cristalinos nas argamassas geopoliméricas, independente do traço utilizado ou da idade analisada (7 e 28 dias). Este comportamento é distinto do verificado nos trabalhos de Kovalchuk et al. (2007), Vargas et al. (2011), Criado et al. (2007), Criado et al (2007a) e Fernández-Jiménez (2008), que identificaram picos cristalinos de zeólitas e compostos carbonatados como natrita (Na 2 CO 3 ) e trona (Na 3 H(CO 3 ) 2.2H 2 O). Estes compostos são formados a partir da carbonatação do sódio livre na matriz geopolimérica, sódio este presente nos ativadores alcalinos. Isto mostra que a areia de fundição inibiu a formação destes compostos cristalinos na matriz geopolimérica. 4 Conclusão O aumento do teor de substituição da areia da construção civil pela areia de fundição influenciou negativamente no desempenho mecânico das amostras álcali-ativadas, verificado através de ensaios de resistência à compressão. Isto está relacionado à maior quantidade de água que foi necessária utilizar, na medida em que o teor de AF nas argamassas foi aumentado, para manter o índice de consistência estabelecido (170±20mm). As argamassas contendo 25% de AF atingiram a resistência à compressão de 3,30 MPa na idade de 28 dias. Este foi o melhor resultado para as argamassas contendo o resíduo, o que mostra que percentagens menores de AF deverão ser estudadas para determinar um teor ideal para que o desempenho mecânico das amostras contendo AF não seja tão inferior quando comparado às amostras isentas do resíduo. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 7

8 Os espectros de DRX das amostras geopoliméricas nas idades de 7 e 28 dias apresentaram apenas picos característicos de quartzo. Isto mostra que não houve a formação de novos compostos cristalinos na matriz geopolimérica, independente do traço utilizado ou da idade analisa. Agradecimentos Agradecemos a FAPERGS, CNPq e a Central Analítica da Universidade Feevale. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 8

9 5 Referências ABIFA - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE FUNDIÇÃO COMISSÃO DE MEIO AMBIENTE. Manual de regeneração e reuso de areias de fundição. São Paulo: Associação Brasileira de Fundição, 1999, p ADEGAS, R. G. Perfil ambiental dos processos de fundição ferrosa que utilizam areia no estado do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, setembro de 2007 ALONSO-SANTURDE, R., COZ, A., VIGURI, J.R., ANDRÉS. A. Recycling of foundry by-products in the ceramic industry: Green and core sand in clay bricks. Construction and Building Materials, v. 27, p , AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). Standard practice for use of apparatus for determination of length change of hardened cement paste, mortar, and concrete (C 490). Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia, ARMANGE, L. C. ET AL. Utiliação de areia de fundição residual para uso em argamassas. Revista Matéria, v. 10, n. 1, p , março de BAKHAREV, T. Geopolymeric materials prepared using Class F f ly ash and elevated temperature curing. Cement and Concrete Research, v. 35, p , CRIADO, M., et al.. Na XRD study of the effect of the SiO 2/ Na 2 O ratio on the álcali activation of fly ash. Cement and Concrete Research, v. 37, ed. 5, p , maio CRIADO, M., et al.. Alkali activation of fly ash: Effect of the SiO 2 /Na 2 O ratio: Part I: FTIR study. Microporous and Mesoporous Materials, v. 106, ed. 1-3, p , novembro FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A., et al.. Alkaline activation of metakaolin-fly ash mixtures: Obtain of Zeoceramics and Zeocements. Microporous and Mesoporous Materials, v. 108, ed. 1-3, p , fevereiro KOVALCHUK, G., et al.. Alkali-activated fly ash: Effect of thermal curing conditions on mechanical and microstructural development Part II. Fuel, v. 86, p , MEDINA, S.F., LÓPEZ, F.; MORCILLO, M. La investigación siderúrgica en el CENIM. Revista de Metalurgia, v. 39, n. 2, p , maio-jun ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 9

10 NBR 10004, Resíduos Sólidos - Classificação. Rio de Janeiro, NBR 10005, Procedimento para obtenção de extrato lixiviado de resíduos sólidos. Rio de Janeiro, NBR 10006, Procedimento para obtenção de extrato solubilizado de resíduos sólidos. Rio de Janeiro, NBR 13276, Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos - Preparo da mistura e determinação do índice de consistência. Rio de Janeiro, NBR 7215, Associação Brasileira de Normas Técnicas. Cimento Portland determinação da resistência à compressão, Rio de Janeiro, PALOMO, A. Et al. Alkali-activated fly ashes. A cement for the future. Cement and Concrete Research, v. 29, p , PUERTAS, F.; JUMÉNEZ, A.F. Mineralogical and microstructural characterisation of alkali-activated ash/slag pastes. Cement and Concrete composites, 25, p , ROY, D.M., Alkali-activated cements opportunities and challenges, Cement and Concrete Research, v. 29, pp , SIDDIQUE, R. ET AL. Effect of used-foundry sand on the mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials, v. 23, p , VAN JAARSVELD, J. G. S. et al. The potencial use of geoplymeric materials to immobilise toxic metals: Part I. Theoria and Applications. Minerals Enginnering, v. 10, n 7, p , VARGAS, A. S., Dal Molin D., Vilela A., Silva F., Pavão B., Veit H. The effects of Na 2 O/SiO 2 molar ratio, curing temperature and age on compressive strength, morphology and microstructure of alkali-activated fly ash-based geopolymers. Cement and Concrete Composites, v. 33, ed. 6, julho/ 2011, p ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 10